Dünnschicht- und Vakuumtechnik

Dünnschichttechnik

Dünnschichttechniken werden in der industriellen Fertigung dort eingesetzt, wo die Oberfläche des Bauteils andere Eigenschaften als das Volumenmaterial aufweisen soll. Dementsprechend vielfältig sind die Einsatzbereiche moderner Dünnschicht- und Vakuumtechniken. In nahezu allen Industriebereichen werden Dünnschichttechniken angewendet.

Einer der am weitest verbreiteten Prozesse zur Abscheidung von dünnen Schichten ist der Sputter-Prozess. Das Labor ist daher mit einem Sputter für Substratgrößen zu einer Fläche von 150 x 150 mm² ausgestattet.

Praktisch alle Techniken zur Abscheidung von dünnen Schichten finden im Vakuum statt. Daher ist ein wesentlicher Bestandteil des Labors auch die Ausbildung der Studierenden in die Grundlagen der Vakuumtechnik. Hierfür stehen umfangreiche Exponate und Versuchsaufbauten zur Verfügung.

Anwendungsgebiete

Die folgende Zusammenstellung gibt einen Überblick über die Einsatzbereiche moderner Dünnschicht- und Vakuumtechnik.

Optisch funktional

Laser-Optiken (in Reflexion und Transmission)
Architekturglas
Reflexions- und Antireflex-Schichten
optische Schichten auf Solarzellen
Teleskop-Spiegel für Licht im sichbaren sowie im UV- und IR- Bereich
Teleskop-Spiegel für Röntgenstrahlung

Elektrisch funktional

Leiterschichten
Kontaktschichten
Isolatorschichten
aktive und passive Halbleiterbauelemente
Solarzellen

Mechanisch funktional (Tribologie)

Verschleißschutzschichten
Hartbeschichtungen

Chemisch funktional

Korrosionsschutzschichten
katalytisch wirkende Schichten
Diffusionssperrschichten
Bioverträglichkeitsschichten

Dekorationsanwendungen

Metallisierung
Schutzschichten
Farbbeschichtungen

Beispiel Anwendungsmöglichkeiten in der Automobilindustrie

Ein Beispiel für die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten der Dünnschichttechniken in einem Produkt ist die Automobilindustrie. Schon seit einigen Jahrzehnten werden die Frontscheinreflektoren mittels dünner Schichten vor Korrosion geschützt. Die mechanischen und tribologischen Eigenschaften von Motorbauteilen werden gezielt durch Härtung und Verschleißschutzschichten beeinflusst. Im Innenraum erlangen Oberflächen durch Dekorbeschichtungen ein für die Kunden ansprechendes Aussehen.

Der Sputterprozess

Die grafische Darstellung des Sputter-Prozesses.

Bei der Beschichtung mittels Kathodenzerstäubung („Sputtern“) wird in einer Vakuumkammer über einen Massenflussregler ein Prozessgas (meistens Argon) eingelassen. Der Druck in der Prozesskammer wird aktiv geregelt.

Das Material, das als Schicht abgeschieden werden soll (Target genannt), wird auf einer Kathode befestigt. Das Werkstück, das beschichtet wird, liegt auf der Anode.

Beim Anlegen einer Gleichspannung oder einer Hochfrequenz-Spannung bildet sich bei geeigneten Prozessbedingen in der Kammer ein Plasma, bestehend aus freien Elektronen und Argon-Ionen. Diese Argon-Ionen werden zum Target beschleunigt. Durch den Impulsübertrag werden aus dem Target Atome gelöst, die sich auf dem Werkstück zu einer Schicht ablagern.

Ferner kann beim reaktiven Sputtern noch ein weiteres Prozessgas (z.B. Sauerstoff) eingeleitet werden, um chemische Verbindungen (z.B. Aluminiumoxid) abzuscheiden.

Vakuumtechnik

Bei sehr vielen industriellen Fertigungstechnologien wird Vakuum (also ein Unterdruck) benötigt:

High-Tech-Beschichtungen aller Art
Halbleitertechnik
Medizintechnik
Analytik
Trocknung von Produkten

Während bei der wichtigsten Überdruckanwendung, der Hydraulik, Drücke von einigen 100 bar verwendet werden (also 3 Zehnerpotenzen größer als der Normaldruck) erstreckt sich der technisch eingesetzte Vakuumbereich bis zu 10^-11bar. Der Druck ist also 11 Zehnerpotenzen geringer als der Normaldruck. Entsprechend aufwändiger und interessanter ist die Technik, diese Drücke zu erreichen, zu messen, zu kontrollieren und zu nutzen.