In der Umformtechnik werden Umformwerkzeuge benutzt, um den Metall Plastisch zu deformieren, um es die gewünschte Form zu geben. Das Werkstück wird mit einer Kraft, die höher als seine Streckgrenze ist, in normale Richtung belastet. Während diese Belastung entstehen an die Kanten und laterale Seiten des Werkzeuges, sowie an den inneren lateralen Oberflächen des Rezipient Reibungskräfte, die zu einem Verschleiß der Oberfläche des Werkzeuges führen, was in einer Absenkung seiner Lebensdauer resultiert. Um das zu vermeiden, die Oberflächen des Werkzeuges werden mit harten Beschichtungen gegen Verschleiß geschützt.
Die Prozesstemperatur beim PVD ist niedrig
Zwei Methoden werden benutzt, um harte Beschichtungen herzustellen. Diese sind chemisches dampf verfahren (CVD) und Physikalisches dampf verfahren (PVD). In Beide Prozesse wird einen Dampf des Beschichtungsmaterial erzeugt und zum Substrat transportiert und schließlich auf der Oberfläche des Substrates adsorbiert (PVD) oder chemisch gebunden (CVD).
Beim CVD, wird den Dampf des Beschichtungsmaterial durch chemisches Vorgehensweise erzeugt, d.h. durch Reaktion zwischen gas förmigen Spezies, in einer Vakuumskammer. Um die Umwandlung statt zu finden, eine Temperatur von 600°C bis 1500°C wird gebraucht. CVD ist geeignet, um dickeren Beschichtungen zu wachsen da die Adhäsionskraft hoch ist aufgrund der chemischen Verbindung mit dem Substrat. Die Abscheidungsrate dieses Prozesses ist hoch.
Beim PVD, wird den Dampf des Beschichtungsmaterials durch physikalisches Vorgehensweise erzeugt, durch Erwärmung (Vakuumbedampfung) oder durch Stoßen des Targets mit energetischen Partikeln (Sputtern).
Der Vorteil des PVD liegt in der Tatsache, dass Erwärmung nicht unbedingt gebraucht ist. Die Prozesstemperatur des PVD ohne äußere Erwärmung ist nur in der Nähe von 200°C. Mit PVD gibt es auch die Möglichkeit Legierungen zu beschichten.
Magnetron Sputtern
In Magnetron Sputtern werden permanent Magnete hinter dem Target benutzt, um einen Magnet Feld senkrecht zum Elektrisches Feld zu erzeugen. Diese Konfiguration erhöht die Elektronendichte in der Nähe des Targets und deshalb auch die Ionisationswahrscheinlichkeit. Deswegen, einen kleinen Druck, und kleine elektrische Spannung werden gebraucht. Die Abscheidungsrate ist auch mit diesem Magnet Feld erhöht.
Die dichte der harten Beschichtung der mit Magnetron Sputtern abgeschieden wird kann durch die Optimierung des Druckes, Abstand Target-Substrat, Magnet Feld Konfiguration (stärke und unbalancierung), Leistung, und Substrat Spannung erhöht werden. Diese Eigenschaft ergibt Beschichtungen, die eine höhe besitzen. Härte Beschichtungsmaterialien sind Karbide, Nitride und Boride die durch Sputtern des Targets in einer reaktiven Atmosphäre abgeschieden werden können.
Die schichtdicke dieser Beschichtungen, die mit PVD produziert werden kann, kann 10 µm sein mit einer depositionsrate die einen Wert von 7 µm/h erreichen kann in Abhängigkeit von der Leistung, Abstand Target Substrat, Druck, Magnet Feld Konfiguration und Substrat Spannung.
Hochleistungsimpuls-Magnetronzerstäubung (HiPIMS)
Um die dichte der Beschichtung weiter zu erhöhen sowie zur Verbesserung der anderen Schicht Eigenschaften wie härte, eine Variante des Magnetron Sputtern wurde im Jahr 1999 eingeführt. Dieses Verfahren ist Hochleistungsimpuls-Magnetronzerstäubung (HiPIMS). Während dieses Verfahren, die Leistung wird gepulst mit einem kleinen Duty Cycle was zu einer hohen elektronendichte während die Pulsung ein-zeit (On-time) führt mit dem Behalten der mittleren Leistung auf einen Wert, der in konventionellen Magnetron Sputtern benutzt wird.
Die Erhöhung der Elektrondichte ermöglicht die Ionisation von Target Spezies und deshalb den ionisierten Fluss in dem Substrat nähe was zu einer Verbesserung der Dichte durch Erhöhung der adatom Mobilität führt.
Die Pulsungskonfiguration (pulse on time, Frequenz) beeinflusst die dichte. Die abscheidungsrate in HiPIMS ist geringer als die in konventionellen Magnetron Sputtern, aber es kann durch optimierten pulsungs- und Magnetfeldes-konfigurationen verbessert werden.
Das HiPIMS Verfahren kombiniert die Vorteile des Magnetron Sputtern und Kathodisches Arc Verdampfung in dem es die Ionisationswahrscheinlichkeit von dem Target Spezies erhöht und Beschichtungen mit niedrige defektendichte erzeugt.
HiPIMS reduces poisoning of the target --> higher deposition rates
Es gibt einen wichtigen Aspekte zu berücksichtigen wenn das Verfahren des Magnetron Sputtern durchgeführt werden. Das ist die Verunreinigung des Targets (eine nicht metallisch Schichtbildung auf der Targetsoberfläche) die die Abscheidungsrate deutlich reduziert. Dieses Problem kann mit HiPIMS Verfahren aufgeheben werden zu einen Grad der von Prozessparametern abhängt.
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