PVD - OptiCoat-08

Analyse und Optimierung von PVD-Beschichtungsprozessen mittels industrieller Mess- und Automatisierungstechnik

Die PVD-Beschichtung (physical vapour deposition) ist nicht nur ein technologischer Prozess zur Herstellung von funktionellen dünnen Schichten, sondern differenziert sich in eine Vielzahl von unterschiedlichen vakuumtechnischen Prozessen und Beschichtungsstoffen, abhängig von der Funktionalität der Beschichtung sowie der Beschaffenheit des Trägermaterials. So können mit der PVD-Technologie Gläser, Metalle, Halbleiter oder Kunststoffe beschichtet werden. Für die Erfüllung dieser unterschiedlichsten Aufgaben und Anwendungsgebiete werden PVD-Prozesse, wie z. B. thermisches Verdampfen, Sputtern, Ion-Plating oder Arc-Verdampfung, eingesetzt, die in entsprechenden Vakuumanlagen unter definierten Bedingungen (Druck, Gase, Ströme, Spannungen) ablaufen. In zunehmendem Maße kommen im industriellen Umfeld der PVD-Beschichtung auch plasma- und ionenunterstützte Prozesse zur Anwendung, bei denen zur konventionellen Verdampfung des Beschichtungsgutes zusätzliche Plasma- und Ionenquellen eingesetzt werden, um die geforderten mechanischen, optischen oder elektrischen Eigenschaften der aufgedampften dünnen Schichten weiter zu optimieren.

Typische Anwendungen derartiger dünner PVD-Schichten liegen im Bereich der Optik (z. B. Brillenbeschichtung, Architekturglasbeschichtung, optischen Systemen wie Linsen und Strahlteiler, Laserspiegeln, Filter für die Telekommunikation), im Bereich des Maschinenbaus und der Werkzeugtechnik (z. B. Korrosionsschutzschichten, Hartstoffschichten für Dreh- und Fräswerkzeuge, Gleitreibungsschichten für Lager oder Oberflächenschutzschichten) und in zunehmendem Maße im Bereich der Medizintechnik (z. B. antibakterielle Beschichtungen, fungizide Oberflächen, Barriereschichten, oder eine verbesserte Osteogenese bei Titan-Implantaten).

Ziel des Projektes war die Analyse und Optimierung von plasma- und ionenunterstützten PVD-Prozessen mittels automatisierter Messtechnik und die Entwicklung bzw. Optimierung von neuen, innovativen und zukunftsweisenden PVD-Beschichtungsprozessen zum Aufbringen von funktionellen dünnen Schichten im Bereich des Werkzeug- und Maschinenbaus, aber auch für den Anwendungsbereich Life Science und Medizintechnik, wie z.B. zur Oberflächenvergütung von Implantaten (z. B. Zahnschrauben, Titan-Implantate). Dadurch ergibt sich die Möglichkeit der Verbesserung der Oberflächeneigenschaften wie z. B. Härte, Abriebsfestigkeit, Tribologie, Korrosionsschutz, Gleitfähigkeit, Osteogenese, Barrierefunktion. Gerade im Anwendungsbereich Implantate und Knochenersatzteile bieten innovative, funktionelle Schichtsysteme ein hohes Potenzial zur Verbesserung der Implantateigenschaften und der Verlängerung der Funktionsdauer.

Ausgehend von den derzeit im industriellen Einsatz stehenden PVD Prozessen, wie z. B. Arc Source Deposition und Sputter-Technologien, zeigt sich der Trend hin zu gepulsten, mit plasma- bzw. ionenunterstützten Prozessen sehr hoher Dichte und Energie. Dadurch können die geforderten Oberflächeneigenschaften zunehmend gesteigert und die Bauteile in ihrer Anwendung verbessert werden. Damit die Belastung der zu beschichtenden Bauteile aufgrund der hohen Prozessenergie und Temperatur nicht zu groß wird, müssen vermehrt gepulste, anstelle von kontinuierlich arbeitenden Systemen eingesetzt werden. Der Vorteil der gepulsten Systeme liegt in einer reduzierten Bauteilbelastung bei verbesserten Schichteigenschaften und der Möglichkeit, auch temperaturkritische Materialien zu beschichten.

Die Technologie dieser hochenergetischen Prozesse muss allerdings, vor allem auf industriell nutzbarer Basis, erst entwickelt und auf die zu verwendenden Materialien optimiert werden.

In weiterer Folge besteht zusätzlich die Notwendigkeit der Entwicklung neuer Beschichtungsmaterialien, die in solchen hochenergetischen Prozessen effizient eingesetzt werden können. Hier sind es vor allem die keramischen Targets (heißgepresste Targets), die als Beschichtungsmaterialien deutliche technische Vorteile in Zusammenhang mit den neuen Plasmaprozessen bieten. Herkömmliche Targets erfordern einen sehr hohen technischen Aufwand, um Prozessqualität und Prozessstabilität zu gewährleisten. Trotzdem ist der Nutzungsgrad des Targetmaterials kleiner als 20 %. Erste wissenschaftliche Untersuchungen haben eindeutig gezeigt, dass mit den neu entwickelten keramischen Targets der anlagentechnische Aufwand um 30 bis 40 % gesenkt und die Prozesssteuerung und Prozessführung wesentlich vereinfacht werden kann. Damit erzielt man eine deutliche Senkung des TCO im Sinne des Anwenders.

„PVD-OptiCoat-08“ war ein Sparkling Science Fellowship-Projekt, in dessen Rahmen Schüler/innen kontinuierlich über das ganze Schuljahr hinweg in ein bereits bestehendes Forschungsvorhaben integriert wurden und aktiv im Forschungsteam mitarbeiteten.

Text: Projektleitung

Dieses Projekt ist bereits abgeschlossen.