Bei der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) werden je nach dem spezifischen Verfahren und den gewünschten Beschichtungseigenschaften verschiedene Gase verwendet.Diese Gase können grob in Inertgase und reaktive Gase eingeteilt werden.Inertgase wie Argon werden in erster Linie bei Sputterprozessen verwendet, um den Ausstoß von Atomen aus dem Zielmaterial zu erleichtern.Reaktive Gase wie Sauerstoff, Stickstoff, Methan und Acetylen werden verwendet, um mit dem ausgestoßenen Material chemisch zu reagieren und Verbindungen wie Oxide, Nitride und Karbide zu bilden.Die Wahl des Gases hängt von Faktoren wie dem Atomgewicht des Zielmaterials und der gewünschten chemischen Zusammensetzung der Beschichtung ab.
Die wichtigsten Punkte werden erklärt:
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Inertgase bei PVD:
- Argon (Ar): Das am häufigsten verwendete Inertgas bei der PVD, insbesondere bei Sputterprozessen.Argon wird gewählt, weil es chemisch inert ist, d. h. es reagiert nicht mit dem Targetmaterial.Sein Atomgewicht liegt nahe an dem vieler Zielmaterialien, was es für die Impulsübertragung beim Sputtern effizient macht.
- Neon (Ne): Wird aufgrund seines geringen Atomgewichts für die Zerstäubung leichter Elemente verwendet, die gut zu leichteren Zielmaterialien passen.
- Krypton (Kr) und Xenon (Xe): Diese schwereren Inertgase werden für die Zerstäubung schwerer Elemente verwendet.Aufgrund ihres höheren Atomgewichts können sie den Impuls effektiver auf schwerere Zielmaterialien übertragen.
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Reaktive Gase bei der PVD:
- Sauerstoff (O2): Wird zur Bildung von Metalloxidschichten verwendet.Wenn Sauerstoff mit den aus dem Target herausgeschleuderten Metallatomen reagiert, bildet er Verbindungen wie Titanoxid (TiO2) oder Aluminiumoxid (Al2O3), die wegen ihrer Härte und optischen Eigenschaften häufig verwendet werden.
- Stickstoff (N2): Reagiert mit Metallatomen und bildet Metallnitride, wie Titannitrid (TiN) oder Aluminiumnitrid (AlN).Diese Beschichtungen sind für ihre Verschleißfestigkeit bekannt und werden häufig für Schneidwerkzeuge und dekorative Beschichtungen verwendet.
- Methan (CH4) und Acetylen (C2H2): Diese Gase werden zur Bildung von Metallcarbiden wie Titancarbid (TiC) oder Wolframcarbid (WC) verwendet.Karbidbeschichtungen werden wegen ihrer Härte und ihrer Beständigkeit gegen Verschleiß und Korrosion geschätzt.
- Wasserstoff (H2): Wird manchmal in Kombination mit anderen Gasen verwendet, um die Eigenschaften der Beschichtung zu verändern, z. B. um Oxide zu reduzieren oder die Mikrostruktur der abgeschiedenen Schicht zu verändern.
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Prozessgas-Eingabesystem:
- Die Gase werden aus Gasflaschen zugeführt und durch eine Reihe von Ventilen und Messgeräten gesteuert, bevor sie in die Vakuumkammer gelangen.Dies gewährleistet eine präzise Steuerung der Gasdurchflussmengen und der Gaszusammensetzung, was für das Erreichen der gewünschten Beschichtungseigenschaften entscheidend ist.
- Das System muss sorgfältig kalibriert werden, um das richtige Gasgemisch und den richtigen Druck in der Kammer aufrechtzuerhalten, da sich diese Parameter direkt auf die Qualität und Konsistenz der PVD-Beschichtung auswirken.
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Reaktive Zerstäubung:
- Beim reaktiven Sputtern werden reaktive Gase wie Stickstoff oder Acetylen in den Sputterprozess eingeführt.Diese Gase reagieren chemisch mit den ausgestoßenen Atomen des Zielmaterials und bilden zusammengesetzte Schichten direkt auf dem Substrat.
- Dieses Verfahren ermöglicht die Abscheidung einer breiten Palette von Werkstoffen, darunter Oxide, Nitride und Karbide, wobei sich die chemische Zusammensetzung und die Eigenschaften der Beschichtung genau steuern lassen.
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Anwendungen der verschiedenen Gase:
- Argon: Wird in nicht reaktiven Sputterverfahren verwendet, bei denen reine Metallschichten ohne chemische Veränderung abgeschieden werden sollen.
- Sauerstoff: Wird zur Herstellung transparenter, harter und verschleißfester Oxidschichten verwendet, die häufig in optischen und schützenden Anwendungen zum Einsatz kommen.
- Stickstoff: Wird häufig bei der Herstellung von harten, verschleißfesten Nitridbeschichtungen für Werkzeuge und Maschinen verwendet.
- Methan/Acetylen: Wird zur Herstellung von Karbidbeschichtungen verwendet, die extrem hart und verschleißfest sind und sich daher für Schneidwerkzeuge und hochbeanspruchte Anwendungen eignen.
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Überlegungen zur Gasauswahl:
- Atomgewichtsanpassung: Das Atomgewicht des Sputtergases sollte in der Nähe des Atomgewichts des Zielmaterials liegen, um eine effiziente Impulsübertragung zu gewährleisten.Aus diesem Grund wird Argon üblicherweise für viele Metalle verwendet, während Neon, Krypton oder Xenon für leichtere bzw. schwerere Elemente eingesetzt werden.
- Reaktivität: Die Wahl des reaktiven Gases hängt von der gewünschten chemischen Zusammensetzung der Beschichtung ab.So wird beispielsweise Sauerstoff für Oxidbeschichtungen, Stickstoff für Nitridbeschichtungen und Methan oder Acetylen für Karbidbeschichtungen verwendet.
- Prozesssteuerung: Die Gasdurchflussraten, der Druck und das Gasgemisch müssen sorgfältig kontrolliert werden, um die gewünschten Beschichtungseigenschaften zu erzielen.Dies erfordert eine präzise Instrumentierung und Überwachung während des gesamten PVD-Prozesses.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die bei der PVD verwendeten Gase je nach ihrer Rolle im Abscheidungsprozess ausgewählt werden, sei es als Inertgas für das Sputtern oder als reaktives Gas für die Bildung von Verbundschichten.Die Wahl des Gases ist zusammen mit der präzisen Kontrolle der Prozessparameter entscheidend für das Erreichen der gewünschten Schichteigenschaften bei PVD-Anwendungen.
Zusammenfassende Tabelle:
| Gasart | Beispiele | Rolle bei PVD | Anwendungen |
|---|---|---|---|
| Inerte Gase | Argon (Ar), Neon (Ne) | Erleichtert das Sputtern durch Ausstoßen der Atome des Zielmaterials ohne chemische Reaktion | Nicht-reaktives Sputtern für reine Metallschichten |
| Reaktive Gase | Sauerstoff (O2), Stickstoff (N2) | Reagieren chemisch mit dem Zielmaterial und bilden Oxide, Nitride oder Karbide | Harte, verschleißfeste Beschichtungen für Werkzeuge, Optiken und dekorative Anwendungen |
| Reaktive Gase | Methan (CH4), Acetylen (C2H2) | Bildung von Metallkarbiden für extreme Härte und Verschleißfestigkeit | Schneidwerkzeuge und hochbeanspruchte Anwendungen |
| Reaktive Gase | Wasserstoff (H2) | Modifiziert Beschichtungseigenschaften durch Reduktion von Oxiden oder Veränderung der Mikrostruktur | Spezialisierte Anwendungen, die präzise Beschichtungsmodifikationen erfordern |
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