Laserpulsabscheidung dünner Schichten (PLD)
Die Laserpulsabscheidung (engl. Pulsed Laser Deposition, PLD) ist ein Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung (engl. Physical Vapour Deposition, PVD). Bei dieser Technologie wird ein Laserstrahl im Hochvakuum über das zu verdampfende bzw. abzuscheidende Material (Target) gerastert, wobei die Laserpulsenergie ein schlagartiges Verdampfen des Materials bewirkt. Die ablatierten Teilchen werden zum gegenüberliegenden zu beschichtenden Bauteil (Substrat) beschleunigt, auf dessen Oberfläche sie sich als dünne Schicht abscheiden. Die ionisierten Teilchen können hierbei durch magnetische Felder in ihrer Ausbreitungsrichtung abgelenkt werden.
Am Laserinstitut Hochschule Mittweida beschäftigen wir uns vorrangig mit der Abscheidung superharter spannungsfreier amorpher Kohlenstoffschichten (ta-C) sowohl als Einzelschichten, als auch in Form von Multilayer-Systemen bestehend aus Subschichten mit variierender Schichthärte. Ein weiteres Forschungsfeld stellt die Abscheidung kubischer Bornitridschichten (c-BN) sowie von Bilayer-Stapeln mit wechselnder Bornitridphase dar. Ein dritter Schwerpunkt ist die Erzeugung metallischer Mehrschichtsysteme, darunter auch spintronischer Schichtsysteme, bestehend aus mehreren Lagen extrem dünner Einzelschichten aus verschiedenen Metallen und Legierungen.
Superharte ta-C-Schichten
In vielen Zweigen der Industrie werden hochverschleißfeste Beschichtungen benötigt, um beispielsweise Werkzeuge und Bauteile zu schützen und/oder zu funktionalisieren. Während sich die Vertreter der klassischen Hartstoffschichten (z. B. Titannitrid) bereits in großem Umfang im industriellen Einsatz befinden, sind die neuartigen ta-C-Schichten aufgrund ihrer herausragenden Eigenschaften momentan auf dem besten Wege dahin.
Bei den am LHM erzeugten ta-C-Schichten handelt es sich um spezielle Vertreter der diamantartigen Kohlenstoffschichten (engl. diamond like carbon – DLC), welche bzgl. ihrer Härte bis dato unübertroffen sind. Zudem sind die Schichten aufgrund eines patentierten Verfahrens nahezu spannungsfrei. Bei optimalen Abscheidungsparametern sind Härten von bis zu 70 GPa (vgl. Diamant: H = 100 GPa) realisierbar, wodurch die Beschichtungen äußerst widerstandsfähig gegen Verschleiß sind. Aufgrund der geringen mittleren Oberflächenrauigkeiten (Ra) von wenigen Nanometern und des niedrigen Reibkoeffizienten (≤ 0,1) sind diese Schichten auch für tribologische Anwendungen prädestiniert. Mittels haftvermittelnder Subschichten ist es möglich, auf unterschiedlichsten Substratmaterialien hohe Haftfestigkeiten zu erzielen. Die niedrigen Temperaturen während der Schichterzeugung (< 90 °C) ermöglichen es, neben unterschiedlichen Metallen und Legierungen, auch temperaturempfindliche Materialien (Kunststoffe, Gläser, etc.) zu beschichten. Neben dem Einsatz zum Verschleißschutz bieten die ta-C-Schichten aufgrund ihrer chemischen Resistenz, Biokompatibilität und Dotierbarkeit eine breite Palette an weiteren Anwendungsmöglichkeiten, bspw. in der Medizintechnik, Lebensmittelindustrie oder Sensorik. Mittels Laserpulsabscheidung können homogene Schichtdicken von wenigen Nanometern bis zu einigen 10 µm erzeugt werden, wobei die resultierende Schichthärte zwischen 10 und 70 GPa über verschiedene Verfahrensparameter quasi frei wählbar ist. Dies ermöglicht es material- und anwendungsspezifische Schichtdesigns (Multilayer) umzusetzen.
c-BN-Schichten
Als dritthärtestes bekanntes Schichtmaterial nach Diamant und ta-C rückte kubisches Bornitrid bereits vor über 20 Jahren in den Fokus zahlreicher Forschergruppen weltweit. Im Gegensatz zu den superharten Kohlenstoffschichten, weist c-BN eine noch bessere thermische und chemische Beständigkeit auf. Dies ermöglicht u. a. auch einen Einsatz als Verschleißschutzschicht in der Stahlbearbeitung bei höheren Temperaturen.
Kubisches Bornitrid wird bislang überwiegend mittels Sinterprozess als Verschleißschutzschicht aufgebracht oder in Pulverform für Schleifprozesse eingesetzt. Trotz weitreichender Forschung auf diesem Gebiet ist es bislang kaum gelungen, c-BN als phasenreine, spannungsfreie Schicht mit guter Oberflächenqualität und einer für industrielle Anwendungen akzeptablen Produktivität zu erzeugen. Die Laserpulsabscheidung ist hierbei eines der wenigen Verfahren, mit denen dies gelungen ist.
Die Forschung am LHM konzentriert sich aktuell auf die Abscheidung phasenreiner c-BN-Schichten mit möglichst niedrigen Eigenspannungen auf verschiedenen Substratmaterialien sowie auf Schichtstapel mit wechselnder Bornitridphase.
Metallische Mehrschichtsysteme
Metallische Schichten und Mehrschichtsysteme werden typischerweise mittels Molekularstrahlepitaxie (engl. molecular beam epitaxy – MBE) oder Sputterverfahren abgeschieden. Dies ist aber auch mittels PLD-Verfahren möglich. Die besonderen Vorteile sind hierbei das in weiten Parameterbereichen charakteristische atomlagenweise (Layer-by-Layer) Wachstum von Schichten, die hohe Reinheit des Verfahrens sowie die im Vergleich zu anderen geeigneten Verfahren hohen Schichtaufwachsraten, womit sehr dünne geschlossene und dichte Metallschichten mit Dicken von wenigen Monolagen realisiert werden können. Ebenso können auch problemlos Legierungsmaterialien, bei denen beide Stoffe in fester Phase vorliegen, stöchiometrisch in die aufwachsende Schicht überführt werden. Beispiele für solche Schichtsysteme sind die sogenannten spintronischen Metallmehrschichtsysteme oder auch GMR-Schichtsysteme, wie sie in der Datenspeicherung und Sensorik Anwendung finden.
Bei geeigneten Prozessparametern liegen die erzielbaren mittleren Schichtdickenzunahmen pro Laserpuls in Abhängigkeit vom verwendeten Targetmaterial zwischen 0,005 nm und 0,032 nm. Somit ist eine exakte Einstellung der Schichtdicke der einzelnen Subschichten über die Anzahl der Laserpulse möglich. Um eine gute homogene Schichtdickenverteilung über einen großen Substratbereich zu erreichen, kann eine vorab simulierte Relativbewegung des Substrates zum stationären Laserstrahlspot auf dem Target erfolgen. So können bis zu 4" große Si-Wafer mit einer Schichtdickenabweichung von weniger als ± 5 % beschichtet werden. AFM-Messungen an 5 nm und 10 nm dicken Metallschichten ergaben mit Ausnahme von Kupfer glatte homogene Schichtoberflächen mit einer Flächenrauheit von Sq < 0,3 nm (Kupfer: Sq = 0,6 nm). Somit können metallische Mehrschichtsysteme mit einer Grenzflächenrauheit von weniger als 1 nm erzeugt werden. Die Bedeckung der Schichtoberfläche dieser Mehrschichtsysteme mit Partikulaten beträgt dabei nur 0,3 %.
Aktuell forschen wir am LHM an der Laserpulsabscheidung kontaminations- und partikulatfreier Metallschichten und Mehrschichtsysteme unter Einsatz einer speziellen Magnetfilterablenkeinheit als Partikulat-Separationfilter.
Sie möchten gern mehr sehen? Weitere Videos finden Sie hier.
Verschleißschutz mittels neuartiger superharter Kohlenstoffschichten (ta-C)
Smart University Grid Saxony5 - Wissensströme intelligent vernetzen, TP: Co-Creation Lab Oberflächentechnik
- HTW Dresden (Verbundkoordination)
- HTWK Leipzig
- Hochschule Zittau/Görlitz
- Westsächsische Hochschule Zwickau
Laserpulsabscheidung (PLD) von Multilagenschichtsystemen aus Kohlenstoff für verschleißbeanspruchte Oberflächen (Multilagenkohlenstoffschichten)
- CREAVAC-Creative Vakuumbeschichtung GmbH Dresden
Entwicklung eines routinetauglichen sensorgestützten Messsystems zur Charakterisierung von Produkten der Lebensmittel- und Getränkeindustrie mit Hilfe einer dotierten, kohlenstoffbasierten elektrochemischen Messzelle (QUALIDETECT)
- Kurt-Schwabe-Institut für Mess- und Sensortechnik e.V. Meinsberg (KSI)
- HENZE-HAUCK Prozessmesstechnik/Analytik GmbH Dessau
- PRIGNITZ Mikrosystemtechnik GmbH Wittenberge
Ultrapräzisions-Laserbearbeitung (UltraLas)
- Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. H. Exner
- Prof. Dr. rer. nat. habil. A. Horn
- Prof. Dr.-Ing. U. Löschner
Laserpulsabscheidung (PLD) von partikulatfreien Schichtsystemen unter Einsatz von Piko- und Femtosekunden-Lasern (PIKOFEMTO-PLD), Teilprojekt: Entwicklung von Technologien zur Laserpulsabscheidung (PLD) von partikulatfreien Schichtsystemen
- Creavac GmbH Dresden
Untersuchungen zur Entwicklung von industrietauglichen PLD-Verfahren und -Anlagen (EIVA-PLD)
- Creavac GmbH Dresden
Schichtstapel und Nanokomposite aus superharten Materialien (Schinasuma)
- TU Chemnitz
- 3D-Micromac AG Chemnitz
- Roth&Rau AG Hohenstein-Ernstthal
Erzeugung und Untersuchung spintronischer Schichtsysteme - Spintronik, TP 1: PLD extrem präziser Nanometerschichtstapel
- TU Chemnitz
- Fraunhofer ENAS Chemnitz
Laserpulsabscheidung von Schichten und Lasermikrostrukturierung von Festkörpermaterialien (LAMIS)
- Professur Biotechnologie
- Professur Maschinenbau
ta-C Beschichtung von Bauteilen trocken laufender Verbrennungsmotoren (MOTAC)
- Golle Motor AG Dresden
- IAV GmbH Chemnitz
- 3D-Micromac AG Chemnitz
Konzeption einer industrietauglichen PLD-Anlage
- SEAVAG AG (Japan)
Laserpulsabscheidung von spannungsfreien superharten Kohlenstoffschichten (ta-C) auf verschleißbeanspruchten und optischen Oberflächen und Untersuchung der praxisrelevanten Eigenschaften (Latac)
- Roth & Rau AG, Wüstenbrand/Hohenstein-Ernstthal
- Eifeler Werkzeuge GmbH Düsseldorf
- H.O.T. Härte- und Oberflächentechnik GmbH&Co.KG Nürnberg
- Cera System Verschleißschutz GmbH Hermsdorf
- AXO Dresden GmbH Heidenau
- Institut für Konstruktion und Verbundbauweisen e.V. an der TU Chemnitz
- TU Chemnitz - Institut für Physik
Abscheidung von kubischen BN-Schichten auf Präzisionswerkzeugen
- Roth & Rau AG, Wüstenbrand/Hohenstein-Ernstthal
Erzeugung von h-BN/c-BN-Schichtsystemen durch ionengestützte Laserpulsablation
- Universität Göttingen
- Universität Ulm
- Forschungszentrum Rossendorf
- Universität Kassel
Laserpulsabscheidung von haft- und verschleißfesten kubischen Bornitridschichten
- Roth & Rau GmbH Wüstenbrand
Laserpulsabscheidung und -modifizierung dünner Schichten
Laser PVD von C3N4 - Schichten
UV-Photonengestützte Deposition von kubischen Bornitridschichten