Grundlagen der Physikalischen Gasphasenabscheidung

Die Physikalische Gasphasenabscheidung (engl. physical vapor deposition, kurz PVD) ist ein Niederdruck-Beschichtungsverfahren zur Herstellung von Dünnschichten. Die Prozesstemperaturen können hierbei gezielt im Bereich von Raumtemperatur bis zu 600 °C eingestellt werden. Für die Schichtsynthese erzeugen PVD-Prozesse ein Plasma, das aus positiv geladenen Ionen, negativ geladenen Elektronen und neutralen Atomen oder Molekülen besteht. Die PVD-Verfahren umfassen im Wesentlichen drei Hauptschritte:

1. Überführung des Targetmaterials in die Gasphase:
   Das Targetmaterial, das für das Schichtwachstum benötigt wird, wird durch physikalische Prozesse in die Gasphase überführt.
2. Transport der Targetteilchen vom Target zum Substrat:
   Die Targetteilchen, die nun in der Gasphase vorliegen, werden gezielt in Richtung des Substrats transportiert.
3. Kondensation der Targetteilchen als Dünnschicht:
   Die Zielteilchen, die das Substrat erreichen, kondensieren dort und bilden eine Dünnschicht. Die Dicke und Eigenschaften dieser Schicht können durch die Steuerung der Prozessparameter genau kontrolliert werden.

Die PVD-Technologien, wie die Magnetron-Kathodenzerstäubung und die kathodische Lichtbogenverdampfung, sind industriell etablierte Verfahren. Diese ermöglichen die Synthese von maßgeschneiderten Dünnschichten zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften von Substratmaterialien und werden in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt. Neben der Werkzeug- und Bauteilbeschichtung finden PVD-Prozesse ebenfalls Anwendung bei der Oberflächenfunktionalisierung von biomedizinischen Instrumenten und Implantaten sowie in der Herstellung dekorativer Beschichtungen.

Die Funktionsweisen der vorhandenen PVD-Technologien am LWT werden in den folgenden Links im Detail erläutert:

Die PVD-Verfahren ermöglichen die Herstellung einer Vielzahl an Schichtsystemen mit verschiedenen Eigenschaften und Anwendungen. Neben metallischen und keramischen Dünnschichten können etwa auch amorphe Kohlenstoffschichten abgeschieden werden. Die Prozessführung bietet dabei flexible Gestaltungsmöglichkeiten beim Schichtaufbau, wodurch komplexe Schichtstrukturen zur gezielten Anpassung der Schichteigenschaften hergestellt werden können. Für die Werkzeug- und Bauteilbeschichtung werden vor allem Hartstoffschichten zur Reibungsminderung und/oder zur Erhöhung der Verschleißbeständigkeit eingesetzt. Im Bereich der Biomedizin werden dagegen Dünnschichten mit verbesserter Biokompatibilität verwendet. Die Entwicklung innovativer PVD-Dünnschichten zur Leistungssteigerung dieser Komponenten ist einer der Forschungsschwerpunkte der Fachabteilung PVD-Technologien. Nachfolgend werden etablierte Schichtsysteme und deren Weiterentwicklungen aus den Forschungsprojekten am LWT vorgestellt: