Dünne Schichten - dicker Nutzen

Im Vorfeld der Hannover Messe 2000 (20. bis 25. März) macht sich in der industriellen Plasma-Oberflächentechnik Aufbruchstimmung breit, die weit über die jahrelang dominanten Aktivitäten in Forschung- und Entwicklung hinaus gehen. Experten sprechen dieser Technik eine strategische Schlüsselrolle für wichtige Sektoren der Industrie zu.

Weltweit werden heute jährlich Fertigungsanlagen zur Erzeugung dünner Schichten im Wert von etwa 2,4 Milliarden Mark hergestellt. Bis 2005 soll der Markt laut IFO-Institut für Wirtschaftsforschung, München, weltweit um neun Prozent pro Jahr wachsen. Die durchschnittliche Wachstumsrate der im VDMA (Verband der Deutschen Maschinen- und Anlagenbauer) vertretenen Unternehmen dieser Branche lag 1998 bei zehn Prozent und damit etwa drei Prozentpunkte über der des allgemeinen Maschinenbaus. Die im VDMA organisierten Anlagenbauer im Plasma- Geschäft erwirtschafteten 1998 etwa 550 Millionen Mark Umsatz, den Löwenanteil im Anlagengeschäft, den Rest mit Lohnbehandlung und Komponenten. Mit einer Exportquote von 55 Prozent, die etwa dem Durchschnitt des Maschinenbaus entspricht, dokumentiert die Branche ihre Leistungsfähigkeit im internationalen Vergleich. Für 1999 liegen die endgültigen Zahlen noch nicht vor, es ist jedoch mit einem ähnlich positiven, eventuell sogar noch besseren Trend zu rechnen.

Mit der Fachmesse Oberflächentechnik wird die kommende Hannover Messe eine Fülle von neuen Anwendungen der Plasmatechnologie zeigen. Wichtigster Anlaufpunkt für Interessierte wird sicherlich der Gemeinschaftsstand ¿Plasma World¿ sein. Aber auch andere Messebereiche wie ¿SubconTechnology¿ oder das ¿Innovationszentrum Ingenieurwerkstoffe¿ werden High-tech-Schichten und deren Anwendungen in der Praxis zeigen.

Verschleiß und Korrosion wirksam bekämpfen

Diverse Quellen schätzen die in Deutschland durch Verschleiß und Korrosion jährlich entstehenden Schäden auf rund 100 Milliarden Mark. Dementsprechend groß ist das Interesse und der Bedarf an verschleiß- und korrosionsschützenden Schichtsystemen. Die Dünnschichttechnik nimmt als Ergänzung zu den konventionellen Oberflächentechniken ¿ zum Teil auch zu deren Substitution ¿ eine wichtige Position ein. Völlig neuartige Schichtsysteme können realisiert werden. Sie sind in der Lage, die steigenden Anforderungen an die Bauteile und deren Oberflächen zu erfüllen. Für die breitere Nutzung der Verfahren sind besonders in der Lohnbeschichtung Prozesse und Anlagen erforderlich, die eine wirtschaftliche Beschichtung bereits bei kleinen und mittleren Serien ermöglichen.

Das Anwendungsspektrum ist riesig und reicht weit über die seit lan- gem eingesetzten TiN-Verschleißschutzschichten auf Bohrern oder Fräsern hinaus. So werden die spezifischen physikalischen und chemischen Eigenschaften dünner Schichten in mikroelektronischen, optischen, optoelektronischen, magnetischen oder kryoelektronischen Bauelementen (Elektronische Tieftemperatur-Systeme) genutzt. Der Einsatz funktioneller dünner Schichten zum Schutz gegen Korrosion, Verschleiß und Hochtemperaturoxidation schafft die Voraussetzungen zur Reduzierung von Fertigungskosten, einen sparsamen Materialeinsatz und geringerem Energieverbrauch. Nicht zuletzt kann die Standzeit von Werkzeugen durch eine geeignete Oberflächenvergütung drastisch erhöht werden.

Jedoch sind längst nicht alle Anwendungspotentiale erschlossen. Das zeigt auch die Zahl der Anwender, die mit schätzungsweise 1700 bis 2000 Industriebetrieben in Deutschland im Vergleich zur Galvano- oder Lackiertechnik relativ gering ist.

Noch mächtige Potentiale vorhanden

Gerade bei kleineren Unternehmen gibt es nach wie vor Wissensdefizite über das Leistungsspektrum von Dünnschicht-Systemen. Zusätzliche Einsatzmöglichkeiten bieten unter anderem der Automobilbau, die Fluid- und Antriebstechnik sowie die Medizintechnik. Auch im dekorativen Bereich sind zahlreiche weitere Anwendungen möglich. Und selbst in der Tribologie konnte sich die Dünnschichttechnik bislang nur bei Zerspan- und Umformwerkzeugen in größerem Umfang durchsetzen. Als Ursachen dafür wurden fehlende Informationen über die Anwendungsmöglichkeiten, ungenügende Reife der Technik, fehlende Wirtschaftlichkeit oder das Fehlen von qualifiziertem Personal ermittelt. Allerdings nutzen große Anwender wie die Automobilindustrie die neuen Möglichkeiten inzwischen recht konsequent: So ist das Drei-Liter-Auto auch eine Folge des Einsatzes spezieller Verschleißschutz-Schichten im Motor- und Getriebebau.

Priorität hat derzeit die Integration der Dünnschicht-Technik in industrielle Fertigungsabläufe. Denn bei verschiedenen Untersuchungen (z. B. IFO-Institut) hat sich das Fehlen von Konzepten, Systemen und Komponenten für die opti- male Integration der dünnen Schichten in Fertigungsabläufe als entscheidendes Hemmnis für den verstärkten industriellen Einsatz dieser Technik herausgestellt. Dennoch gibt es zahlreiche Beispiele für erfolgreiche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten und deren Umsetzung in die industrielle Fertigung.

Hart und edel

Diamantähnliche Kohlenstoffschichten (DLC, a-C:H) gehören zu den vielversprechenden Vertretern von neuen Hartstoffschichten. Ihre Einsatzmöglichkeiten sind ungemein vielfältig. Sie bieten eine Härte von 2000 bis 5000 HV, sehr geringen Reibungskoeffizienten, geringe Adhäsionsneigung und sehr gute chemische Resistenz. Die Schichten werden üblicherweise in einem PACVD-Prozess (plasma acitvated chemical vapour deposition) abgeschieden. Werkzeuge mit CVD-(chemical Vapour Deposition) Diamantschichten zeigen zum Beispiel bei der Bearbeitung von Leichtmetalllegierungen, wie sie in der Automobilindustrie zum Einsatz kommen, sowie bei der Bearbeitung von Kunststoffen hohe Leistungsfähigkeit. Im Gegensatz zu herkömmlichen Diamantwerkzeugen, können diamantähnliche Schichten selbst auf kompliziert geformten Werkzeugen rundum aufgebracht werden. Von besonderer Bedeutung sind die Eigenschaften von DLC-Schichten bei der Herstellung elektronischer Hochleistungsbauelementen sowie in der Optik.

Die Abscheideraten für DLC-Schichten liegen in der Regel bei wenigen Mikrometern pro Stunde. Ein neues Verfahren zur chemischen Laser-Plasma-Abscheidung von poly- und nanokristallinem Diamant bei Atmosphärendruck verspricht deutlich höhere Abscheideraten.

Die Kombination von optischer Transparenz und metallischer Leitfähigkeit ist von großer Bedeutung für Produkte wie Flachbildschirme, Solarzellen und Architekturglas. Leitfähige transparente Oxide (TCO) bieten optimale chemische und mechanische Beständigkeit. Eine neue Technologie, das reaktive Magnetronsputtern, ermöglicht die Produktion hochwertiger transparenter TCO-Schichten unter Verwendung kostengünstiger Zink-Aluminium-Legierungen als Targetmaterialien. Die dabei erreichbaren Depositionsraten von neun Nanometer pro Sekunde übertreffen die verbreitete ITO-Technik (mit Zinn-dotiertem Indiumoxid) um den Faktor drei. Das Verfahren wird derzeit noch im Labormaßstab betrieben. Der nächste Schritt ist die Serienfertigung von leitfähigen transparenten Frontkontakten für Dünnschichtsolarzellen.

Höchste Abscheideraten, wie sie beispielsweise für die wirtschaftliche Beschichtung von Stahlband erforderlich sind, lassen sich mit der Hochrate- Elektronenstrahlverdampfung (EBHD) im PVD-Verfahren (physical vapour deposition) erzielen. Dieses Verfahren kann, beispielsweise durch Auftragen einer dünnen Siliziumoxidschicht auf verzinktem Feinblech, die konventionelle Phosphat- und Chromatbehandlung ersetzen. Die Siliziumoxidschicht bietet sowohl gute temporäre Korrosionsbeständigkeit als auch gute Lackhaftung.

Kunststoff im Fokus

Ein weiteres Anwendungsfeld für die Dünnschichttechnik bieten quarzähnliche, hochtransparente Korrosions- und Kratzschutzschichten, die eine spezielle Plasma-CVD-Anlage durch Variation der Parameter erzeugt. Die Schichten mit einer Knoop-Härte von 600 bis 800 HK lassen sich in Dicken zwischen 0,1 und 8 Mikrometer auf Kunststoffen (außer PMMA), verschiedenen Metallen und Legierungen sowie auf Keramiken und Glas auftragen. Damit lassen sich zum Beispiel in der Medizintechnik kostengünstige Grundmaterialien veredeln und hochglanzpolierte Messingteile dauerhaft schützen.

Für die Beschichtung von austauschbaren Werkzeugen werden PVD-Verfahren (Physical Vapour Deposition) am häufigsten herangezogen (59 Prozent). Die CVD-Beschichtung kommt in 36 Prozent aller Anwendungen zum Einsatz. Nur fünf Prozent aller Beschichtungen entstehen mit der Ionen-Implantation. (Quelle: Steinbeis-Transferzentrum, VS). Im Mittelpunkt steht bei den Hartstoffschichten die Verlängerung der Werkzeug-Standzeiten. Darüber hinaus tragen die Schichten zu kürzeren Prozesszeiten sowie zur Steigerung der Zuverlässigkeit der Werkzeuge und zur Erhöhung der Qualität des Endprodukts bei.

Vor allem die Prozesssicherheit steht im Mittelpunkt, wenn es um das Einrichten ¿mannloser¿ oder bedienerarmer Schichten geht. Mittlerweile wird mit CVD-Hartstoffschichten, die bei Umgebungstemperaturen von zirka 1000 Grad Celsius aus der Dampfphase auf dem Substrat abgeschieden werden, auch der Einsatz von Kühlschmierstoffen in der Kaltmassivumformtechnik wirksam reduziert.

Leistungsgrenzen von Stahl hinausschieben

Bis zu zehn Prozent mehr Energie als herkömmliche Sonnenkollektoren, deren Kern ein mit Kupfer oder Aluminium nasschemisch beschichtetes Band ist, bieten Solaranlagen mit einer selektiven Beschichtung, bestehend aus Titan-Nitriden und -Oxiden. Die optischen Funktionsschichten müssen das Licht im Spektralbereich der Sonne gut absorbieren und gleichzeitig die langwellige Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) schlecht emittieren. Die 60 Nanometer dicke Schicht wird im PVD-Coil-Coating-Verfahren auf bis zu 1,20 Meter breite Metallband-Rollen aufgetragen. Mit speziellen Elektronenstrahlverdampfern werden Prozessgeschwindigkeiten von 10 bis 60 Metern pro Minute möglich.

Ein großes, bisher ungenutztes Anwendungspotential für die Werkstoffkombination Stahl und Verschleißschutzschichten auf Titanbasis eröffnet sich durch die Entwicklung eines Verfahrens zur Nachhärtung CVD-beschichteter Stahlwerkstoffe. Dabei härtet eine laserinduzierte Prozesswärme den Stahlwerkstoff verzugsarm unterhalb der CVD-Schicht.

Neue Eigenschaften für bekannte Kunststoffe

Ein eindrucksvolles Beispiel für erfolgreiche Entwicklungsarbeit und industrielle Anwendung ist die Vorbehandlung und Beschichtung für Präzisions- und Gebrauchsoptiken aus transparenten Kunststoffen, vor allem aus PMMA (Polymethylmetaacrylat, Plexiglas). Das Plasma-Ionengestützte Bedampfen geschieht bei niedrigen Substrattemperaturen ¿ eine wichtige Voraussetzung für das Behandeln dieser Kunststoffe. Das Verfahren eignet sich sowohl für die Substratvorbehandlung von PMMA als auch das Abscheiden von Schichten mit verschiedenen Funktionen, wie elektromagnetische Abschirmung, Kratzschutz oder Entspiegelung.

Die Plasmatechnologie ist erwachsen geworden. Eine Reihe von Unternehmen setzen entsprechende Anwendungen als strategisches Mittel im Wettbewerb ein. Andere Branchen werden folgen. Noch ist in den meisten, vor allem mittelständischen und kleineren Unternehmen ein Informationsdefizit zu beobachten. Das dürfte sich aber nach der kommenden Hannover Messe drastisch verkleinern.

Meinolf Droege / März 2000