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PVD

Der Begriff physikalische Gasphasenabscheidung (englisch physical vapour deposition, kurz PVD) bezeichnet eine Gruppe von vakuumbasierten Beschichtungsverfahren bzw. Dünnschichttechnologien, bei denen im Gegensatz zu CVD-Verfahren (Chemische Gasphasenabscheidung) die Schicht direkt durch Kondensation eines Materialdampfes des Ausgangsmaterials gebildet wird.

Allen diesen Verfahren ist gemein, dass das abzuscheidene Material, in fester Form in der meist evakuierten Beschichtungskammer vorliegt. Durch den Beschuss mit Laserstrahlen, magnetisch abgelenkten Ionen oder Elektronen sowie durch Lichtbogenentladung wird das Material, das als Target bezeichnet wird, verdampft. Wie hoch der Anteil an Atomen, Ionen oder größeren Clustern im Dampf ist, ist von Verfahren zu Verfahren unterschiedlich. Das verdampfte Material bewegt sich entweder ballistisch oder durch elektrische Felder geführt durch die Kammer und trifft dabei auf die zu beschichtenden Teile, wo es zur Schichtbildung kommt.

Damit die Dampfteilchen die Bauteile auch erreichen und nicht durch Streuung an den Gasteilchen verloren gehen, muss im Unterdruck gearbeitet werden. Typische Arbeitsdrucke liegen im Bereich von 10-4 Pa bis ca. 10 Pa. Da sich die Dampfteilchen geradlinig ausbreiten, werden Flächen, die vom Ort der Dampfquelle aus gesehen nicht sichtbar sind, mit einer geringeren Beschichtungsrate beschichtet. Sollen alle Flächen möglichst homogen beschichtet werden, müssen die Teile während der Beschichtung in geeigneter Weise bewegt werden. Dies geschieht meist durch Rotation des Substrats.

Treffen die Dampfteilchen nun auf das Substrat, beginnen sie sich durch Kondensation an der Oberfläche abzulagern. Die Teilchen bleiben dabei nicht an Ort und Stelle, an der sie auf das Substrat treffen, sondern bewegen sich, je nachdem wie hoch ihre Energie ist, an der Oberfläche entlang (Oberflächendiffusion), um einen energetisch günstigeren Platz zu finden. Dies sind Stellen an der Kristalloberfläche mit möglichst vielen Nachbarn (höhere Bindungsenergie).

Um die Beschichtungsrate und Schicht homogenität zu steigern werden abhängig vom Beschichtungsprozess und dem abzuscheidenen Material die Anlagen leicht variiert. So wird beispielsweise beim thermischen Verdampfen an die zu bedampfenden Teile eine negative Spannung (Bias-Spannung) angelegt. Diese beschleunigt die positiv geladen Dampfteilchen bzw. Metallionen (siehe entsprechende Artikel).

Da Verfahren zur physikalische Gasphasenabscheidung Vakuumbeschichtungen sind, werden sie in der Produktion zumeist im Stapelbetrieb (Batch-Betrieb) betrieben: Chargieren der Vakuumkammer/Evakuieren/Beschichten/Belüften, Öffnen und Entnahme der beschichteten Teile. Für bestimmte Anwendungen (Beschichtung von Blechen, Fasern oder Drähten und Architekturglas) gibt es jedoch Durchlaufanlagen, bei denen der Unterdruck über ein Schleusensystem erreicht wird und das zu beschichtende Gut kontinuierlich zugeführt wird.

 

Mit einigen PVD-Verfahren können sehr niedrige Prozesstemperaturen verwirklicht werden. Dadurch ist es möglich selbst niedrigschmelzende Kunststoffe zu beschichten.