2.1.5.7. Beschichten mittels Sputterverfahren

Sputtern ("Sputter-Beschichtung"), auch Kathodenzerstäubung genannt, bedeutet das Abtragen bzw. Abstäuben von Material von einem Feststoff durch energetisches Ionenbombardement, um mit dem abgestäubten Material ein Substrat zu beschichten.

Beim Magnetron-Sputterverfahren handelt es sich um ein so genanntes PVD-Verfahren (Physical Vapor Deposition - Physikalische Dampfphasenabscheidung). Der stabile Vakuumbeschichtungsprozess ermöglicht eine hohe Gleichmäßigkeit und Reinheit der Schicht. Die Beschichtungsquelle (Sputterquelle) erzeugt ein Niederdruckplasma aus einem Edelgas (typischerweise Argon), was in einer Vakuumkammer im Druckbereich von 10^-3 - 10² mbar geschieht. Als Ausgangsmaterial für die Schicht dient das so genannte Target, das sich in der Sputterquelle befindet (siehe Abbildung 78).

Durch Anlegen einer Hochspannung (Hochfrequenzspannungsgenerator) an das Target zündet in der Sputterquelle ein Plasma. Energetische Ionen, die auf das Target beschleunigt werden, treffen auf dieses auf und es werden Teilchen abgetragen. Diese Teilchen setzen sich auf dem zu beschichtenden Substrat ab, so dass die Schicht dort Atom für Atom aufwächst. Werden zusätzlich noch reaktive Gase in das Plasma eingelassen, verbinden sich diese Teilchen mit den vom Target abgetragenen Teilchen und die Schicht wächst als Verbindungsschicht auf (reaktives Sputtern). Beispielsweise dient reines Titan als Targetmaterial und Sauerstoff als Reaktivgas um Titandioxid zu erzeugen.

Zur Verstärkung des Ionisationsgrades und damit der Beschichtungsrate werden hinter den Targets Magnetfelder angebracht (Magnetron-Sputtern, siehe Abbildung 1). Weitere Magnetfelder können überlagert werden, um die Ausdehnung des Plasmas zu steuern und das Schichtwachstum zu beeinflussen (balanced/ unbalanced mode).

Die hohe kinetische Energie der abgestäubten Atome sorgt für eine sehr gute Schichtadhäsion. Die resultierende Beschichtung besitzt eine hohe Homogenität. Es entstehen sehr glatte, dichte und defektfreie Schichten. Zusätzlich kann das Abscheiden durch das Anlegen einer negativen Bias-Spannung am Substrat optimiert werden. Durch das Anziehen positiver Ionen führt die Spannung zu einer noch besseren Haftung, einer höheren Dichte und einer größeren Härte der Schicht.

Die thermische Belastung der Substrate beträgt weniger als (T < 200°C), was die Sputtertechnik zu einem Niedertemperaturverfahren macht und damit die Beschichtung einer Vielzahl von Materialien ermöglicht (Metalle, Legierungen, Polymere). Natürlich können auch weniger temperatursensible Materialien (Keramiken, Gläser) mittels Sputterverfahren beschichtet werden.

Mit der Sputteringtechnologie können alle leitfähigen sowie auch hochschmelzenden Materialien aufgebracht werden: Al, Cr, Au, Ag, Ti, SS, Cu sind nur einige dieser Materialien. Auch isolierende Materialien lassen sich zerstäuben und können als Targetmaterial Verwendung finden.

Durch Variation der Beschichtungsparameter sind beim Magnetron-Sputterverfahren die Plasmabedingungen und damit auch die Eigenschaften der Schicht in weiten Grenzen einstellbar. Die Dicke der Beschichtung kann präzise gesteuert werden. Dies sorgt für eine größere Reproduzierbarkeit der Prozesse. Die Prozessfenster erlauben darüber hinaus eine hohe Prozess-Stabilität. Die typische Schichtdicke reicht dabei von 1 nm bis mehreren µm. Außerdem lassen sich verschiedenste Schichtzusammensetzungen sehr exakt einstellen.

Moderne PVD-Anlagen enthalten typischerweise mehrere Materialquellen (Abbildung 79), sodass sich auch sehr komplexe Schichtzusammensetzungen und Schichtstrukturen erzeugen lassen. Zieht man die Möglichkeit reaktiver Prozesse hinzu, können durch Sputterbeschichtung also metallische Schichten, Elemente und Verbindungen, Mehrlagenschichten (Mutilayer) und Legierungen gleichermaßen abgeschieden werden.

Die Verwendung von festen Materialquellen macht die PVD-Verfahren zu Sichtlinienprozessen. Zu beschichtende dreidimensionale Teile müssen daher in der Anlage bewegt werden, um eine gleichmäßige Beschichtung zu erreichen. Die Targetgeometrie der Sputterquellen reicht dabei von kleinen Rundquellen bis hin zu mehreren Metern langen Rechteckquellen. Weil bei der Zerstäubung keine schmelzflüssige Phase auftritt, können die Materialquellen frei im Raum angeordnet werden, d.h. die Sputterbeschichtung lässt sich in jeder beliebigen Orientierung (nach oben, nach unten und von der Seite) bewerkstelligen.

Das Sputterverfahren hat gegenüber herkömmlichen Prozessen, wie dem Galvanisieren oder auch dem Aufdampfen im Vakuum, deutliche Vorteile. Beispielhaft im Vergleich zur Galvanik sei hier die saubere Technologie erwähnt, die gänzlich auf den Einsatz umweltbelastender Chemikalien verzichtet. Damit entfallen die hohen Betriebs- und Entsorgungskosten und es ergibt sich für die funktionelle Oberflächenveredelung eine saubere Produktionsalternative.

Die Sputter-Verfahrenstechnik befindet sich technisch auf einem sehr hohen Niveau und eignet sich auch als Fertigungsprozess für eine Massenproduktion.

Zusammenfassung:

Vorteile des Verfahrens

• niedrige Beschichtungstemperatur
• sehr hohe Flexibilität bezüglich möglicher Schichtmaterialien
• sehr hohe Flexibilität bezüglich möglicher Prozessvarianten
• kontrollierte, reproduzierbare Schichtabscheidung
• hohe Homogenität und Reinheit der abgeschiedenen Schicht
• hohe Schichtadhäsion
• gezielte Einstellung der Schichteigenschaften
• freie Anordnung der Beschichtungsquelle
• umweltfreundlicher Prozess

2.1.5.8. Beschichten mit Kohlenstoffschichten

Kohlenstoffschichten können Reibung und Verschleiß drastisch senken. Damit lassen sich die Gebrauchseigenschaften vieler Bauteile oder Werkzeuge erheblich verbessern. In vielen Bereichen des Maschinenbaus werden Teile benötigt, deren Oberflächen einerseits sehr reibarm und andererseits extrem hart und mechanisch belastbar sind. Typische Beispiele sind Gleit- und Wälzlager, Umform- und Bearbeitungswerkzeuge oder Motorkomponenten.

Auf der Basis amorpher Kohlenstoffverbindungen (DLC - Diamond Like Carbon) können Schutz- und Funktionsschichten hergestellt werden, welche diese Eigenschaften in sich vereinigen. Sie wirken extrem reibungsmindernd, sind sehr hart und obendrein äußerst verschleißbeständig und chemisch inert. Als "Diamond Like Carbon" (DLC) im engeren Sinn wird tetraedrischer amorpher Kohlenstoff (ta-C) bezeichnet. Es ist allerdings auch üblich, die wasserstoffhaltigen Abwandlungen unter diesem Namen mit einzubeziehen.

Kohlenstoffschichten setzen sich hauptsächlich aus Kohlenstoffatomen zusammen. Die DLC-Schichten werden in wasserstoffhaltige und wasserstofffreie unterschieden. Zudem können in die DLC-Schichten noch metallische oder nichtmetallische Elemente eingebaut werden. Der Einbau von Metallen erhöht die Haftung am Substrat und steigert die Zähigkeit, jedoch verschlechtert sich der Reibwert und die Härte sinkt. Nichtmetallische Zusatzstoffe verringern die Oberflächenenergie und reduzieren damit die Haftungs- bzw. Benetzungsneigung, jedoch bei deutlich geringerer Härte und schlechteren tribologischen Eigenschaften. Die Klassifikation von Kohlenstoffschichten ist in der VDI-Richtlinie 2840 festgelegt, Tabelle 1 zeigt einen Ausschnitt.

Maßgebend für Art und Beschaffenheit der Kohlenstoffschicht ist das Verhältnis von sp³- und sp²-hybridisierten C-Atomen sowie der Wasserstoffanteil. Hartes DLC hat einen Wasserstoffanteil von weniger als 10 % im Material. Mit Zunahme des sp³-Anteils nehmen auch die Härte und der Elastizitätsmodul der Schicht zu. Wegen seiner amorphen Struktur wird DLC unter anderem als a-C:H (armophous carbon) bezeichnet und wegen der Mitwirkung von Ionen bei der Schichtbildung als i-C (ion carbon). Sie sind besonders geeignet für tribologische Anwendungen, als Beschichtung für optische Komponenten, als Schutzschicht gegen Diffusion oder chemischen Angriff und zur Erhöhung der Verträglichkeit (Biokompatibilität) von medizinischen Implantaten. Es ist auch möglich amorphe Kohlenstoffschichten mit sehr hohen Anteilen an sp²-hybridisiertem Kohlenstoff zu erzeugen. Sie eignen sich hervorragend als Gleitschichten.

Die Herstellung von DLC-Schichten erfolgt gewöhnlich durch Vakuumbeschichtungsverfahren. Diese Niederdruckbeschichtungsverfahren werden im allgemeinen in PVD- (Physical Vapor Deposition, physikalische Gasphasenabscheidung) und CVD-Verfahren (Chemical Vapor Deposition, chemische Gasphasenabscheidung) eingeteilt. Bei den PVD-Verfahren liegt das Schichtausgangsmaterial in fester Form vor und wird durch physikalische Vorgänge in die Gasphase überführt (z.B. durch Sputtern, siehe Kapitel x.x). bei den CVD-Verfahren liegen die Ausgangsstoffe ausschließlich gasförmig vor.

Zur Abscheidung von Kohlenstoff-Plasmapolymerschichten dient das PECVD-Verfahren (plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung). Für die Beschichtung mit DLC-Schichten kommen sowohl das PECVD-Verfahren als auch PVD-Verfahren (z.B. Sputtern mit Graphit-Target, Kapitel 2.1.5.7.) in Frage. Auch eine Kombination beider Verfahren ist möglich, beispielsweise für die Abscheidung von metallhaltigen a-C:H:Me-Schichten.

Beim PECVD-Verfahren werden durch ein nicht-thermisches Plasma chemische Reaktionen ausgelöst, die zur Schichtabscheidung führen. Amorphe Kohlenstoffschichten werden mittels PECVD-Verfahren plasmaunterstützt aus einer Kohlenwasserstoffatmosphäre heraus abgeschieden. Eine der Elektroden dient hierbei als Halter für das zu beschichtende Substrat.

Aus diesem Niederdruckplasma heraus werden die für die Schichtbildung notwendigen Ionen auf das Substrat beschleunigt und dort abgeschieden. Dem Prozess kommt der physikalische Effekt zu gute, dass sich die angeregte Elektrode mit einem negativen Potential auflädt (Self-Bias) und so die Ionen im Plasma von ihr angezogen werden. Je nach den Reaktionsbedingungen scheiden sich wasserstoffreiche Polymere bis zu sehr harten Schichten mit relativ geringen Wasserstoffgehalten ab.

DLC-Schichten stehen naturgemäß unter sehr hohen Druckeigenspannungen, die aus dem energiereichen, fortlaufenden Ionenbeschuss während des Schichtwachstums resultieren. Diese Eigenspannungen sind notwendig, um die Schicht in sich selbst zu stabilisieren. Andererseits begrenzen sie die Haftung und die Schichtdicke. Abhängig vom Substratmaterial kann das Haftungsproblem dadurch gelöst werden, dass man Haftschichten aufbringt (haftvermittelnde PVD-Zwischenschichten) oder im Fall von DLC-Monoschichten (ohne Zwischenschicht) eine Optimierung der Prozessparameter hinsichtlich der Eigenspannungen vornimmt.

Gegenwärtig werden amorphe diamantähnliche Kohlenstoffschichten (DLC) hauptsächlich dazu verwendet, um den Verschleiß und die Reibung zu reduzieren. Die Benetzbarkeit durch Schmiermittel kann in beschränktem Maß durch den Einbau netzwerkmodifizierender Elemente verändert werden. Dadurch werden aber auch andere wichtige Eigenschaften der DLC-Schichten wie Härte, E-Modul, Zugfestigkeit und Reibwert beeinflusst. Daher ist die Verwendung netzwerkmodifizierender Elemente für DLC-Schichten in tribologischen Anwendungen und das Optimierungspotenzial der Schichten eingeschränkt. Weiterhin ist das Zusammenwirken von DLC-Schichten mit Schmierstoffen nahezu unerforscht. In der Regel werden diejenigen Schmierstoffe verwendet, die sich in vergleichbaren unbeschichteten Systemen bewährt haben. Untersuchungen zur gezielten Steuerung der Benetzbarkeit von DLC-Schichten durch Beeinflussung der Topographie sind nur vereinzelt bekannt geworden. So konnte gezeigt werden, dass durch die Strukturierung der Oberfläche mit gleichzeitiger chemischer Modifizierung die Anhaftung von Schmierstoffen gezielt beeinflusst werden kann. Allerdings erfolgte die Strukturierung mit Hilfe unterschiedlicher Techniken und nicht direkt aus dem Prozess heraus. Versuche an DLC-Schichten, die Struktur mit Hilfe von Lasern, Elektronenstrahlen und lithographischen Techniken nachträglich einzubringen, haben sich aber nicht bewährt. Diese teuren Techniken sind auch nicht in der Lage, Strukturen im nanoskopischen Bereich zu erzeugen oder schädigen die Schicht oder das Substrat. Aufgrund der Vielzahl von Maschinenelementen und deren geometrischer Komplexitäten ist das Anfertigen von Werkzeugen und Aufnahmen, welche die Funktionsflächen mit an die Einsatzbedingungen angepassten Strukturen versehen, nicht praktikabel, meistens sogar unmöglich.

Jüngste Untersuchungen haben gezeigt, dass bei tribologischer Beanspruchung im Mischreibungsgebiet solche "rauen" Oberflächen oft günstigere Eigenschaften aufweisen als glatte. In einer Untersuchung konnte gezeigt werden, dass eine Korrelation zwischen der Topographie von DLC Schichten und ihrem Verhalten unter geschmierter Wälzbeanspruchung existiert. Gleichzeitig wurde nachgewiesen, dass bei entsprechender Schichtherstellung die Oberflächenstruktur dauerhaft erhalten bleibt. Eine zuverlässige Nutzung dieser Besonderheiten strukturierter DLC-Schichten und eine drastische Ausweitung der tribologischen Vorteile ist nur über eine gezielte Steuerung der Strukturierung und die damit verbundene Weiterentwicklung der Beschichtungsprozesse möglich.

Zu diesem Zweck konnten PECVD-Techniken entwickelt werden, die wesentliche Problematiken dieser Technologie ausschließt und die gezielte Strukturierung von DLC-Schichten direkt aus dem Prozess heraus ermöglicht (insitu-Strukturierung).

Gleichzeitig wurde nachgewiesen, dass bei entsprechender Schichtherstellung die Oberflächenstruktur dauerhaft erhalten bleibt. Je nach Anwendung können DLC-Schichten aber auch mit nanoskopischer Struktur oder extrem glatt hergestellt werden. Auch anisotropes Schichtwachstum ist realisierbar.

Um diese mikro- und nanoskaligen DLC-Schichten charakterisieren zu können, werden sie mit AFM vermessen.

Typische Merkmale von Kohlenstoffschichten sind:

• Schichtdicke: einige nm -10 µm
• Härte: liegt zwischen 1 und 90 GPa
• Zusammensetzung: bis zu 50 at.% Wasserstoff, 0-35 at% Me (Fe, W, Ta, Ti, Si, Cr, .)
• Mikrostruktur: amorph
• Bindungen: sp², sp³, sp¹, in veränderlichen Verhältnissen
• Stabilität: metastabil
• Elektrische Leitfähigkeit: spezifischer Widerstand 10^-2 - 10⁸ Om
• Dichte: 1.8-2.8 g/cm³
• Intrinsischer Stress: hohe Druckspannungen
• Bandlücke: 0.8 - 3 eV
• Reibungskoeffizient: 0.01 - 0.3 (variiert mit der Luftfeuchte)
• Geringes Elastizitätsmodul
• Guter Abrasivverschleißwiderstand unterhalb risskritischer Belastung
• Niedrige Oberflächenrauheit
• Geringe Wärmeleitfähigkeit
• Geringe Tempearturresistenz (etwa 350°C)
• Geringe Adhäsionsneigung gegenüber den meisten Metallen
• Chemisch resistent
• Biokompatibel