Laser-Arc-Beschichtung

Das Laser-Arc-Verfahren ist eine Spezialvariante der Vakuum-Lichtbogen-Abscheidung (Arc) und zählt zu den PVD-Verfahren. Der gepulste Laser gibt mit hoher Frequenz den Ort der Zündung vor, damit werden alle Vorteile des robusten Arc-Verfahrens mit der Steuerbarkeit des Lasers verknüpft. Das bietet viele Verfahrens-Vorteile, vor allem aber ermöglicht es die stabile Abscheidung von ta‑C-Schichten. Aber auch andere Schichten, die mit konventionellen Arc-Verfahren nicht funktionieren, können mittels Laser-Arc abgeschieden werden, z.B. MoS₂-Festschmierstoff-Schichten.

Folgende Vorteile bietet die Laser-Arc-Technik gegenüber klassischen Arc-Verfahren:

• Gleichmäßige Schichtdickenverteilung
• Defektarme Schichten durch Plasmafilter
• Langzeitstabiler Beschichtungsprozess
• Abscheidung dotierter Schichten
• Abscheidung von MoS₂-Schichten

Die Laser-Arc-Plasmaquelle stellt eine Linienquelle dar, somit erzeugt das Kohlenstoffplasma am Auftreffort auf dem Probenhalter eine sehr gleichmäßig verteilte ta‑C-Schicht. Auf 0,5 m Beschichtungshöhe kann eine Beschichtungshomogenität von 100 ± 2% erreicht werden. Das ermöglicht die Abscheidung ultradünner Schichten im Dickenbereich weniger Nanometer, z. B. als Funktions-, Schutz- oder Barriereschicht für Elektroden- oder Sensoranwendungen. Auch intensive Interferenzfarben-Schichten können mit hoher Gleichmäßigkeit abgeschieden werden. Vor allem aber eignet sich die Laser-Arc-Quelle mit ihrer homogenen Schichtdickenverteilung für Durchlauf- und Inline-Beschichtungskonzepte.

Durch eine Umlenkung des Beschichtungsplasmas mittels elektrischer und magnetischer Felder gelingt eine Abtrennung der unvermeidlich mitverdampften Makropartikel und damit eine effektive Plasmafilterung.

Ohne Filterung werden die Partikel in die wachsende Schicht eingebaut und erzeugen eine defektreiche, raue Oberfläche.

Mit Filterung werden nahezu defektfreie, glatte Schichten erreicht. Die mit Plasmafilter hergestellten ta‑C-Schichten können ohne Nachglättung direkt eingesetzt werden.

Das Kohlenstoff-Beschichtungsplasma wird durch einen kontinuierliche Abtrag einer rotierenden, zylinderförmigen Grafitkathode erreicht, auf dem ein schnell auf und ab scannender Pulslaser die Arc-Entladungen auslöst. Der große Vorrat an Grafitmaterial reicht für unzählige Beschichtungsprozesse, bis sich die Kathode verbraucht hat. Damit gibt es für die Schichtdicke hinsichtlich des Kathodenverbrauchs kein Limit mehr, es können Schichtdicken von >100 µm ta‑C im Batchprozess abgeschieden werden. Auch für Durchlauf- und Inline-Beschichtungskonzepte ist die lange Kathodenstandzeit von großer Bedeutung. Kein anderes Arc-Verfahren ist imstande so lange Beschichtungsprozesse unterbrechungsfrei und bei konstanten Abscheidebedingungen zu fahren.

Die Laser-Arc-Technik erlaubt auch die Verdampfung anderer Materialien als reinen Kohlenstoff. Dazu werden die Grafikathoden durch entsprechende alternative Materialien, z.B. Grafit + X Komposite ersetzt. Die Laser-Arc-Verdampfung gelingt mit einer Anpassung der Entladungsparameter.

Es können auf diese Art und Weise Dotierungen mit Bor, Silizium, Molybdän, Wolfram, Eisen oder Kupfer erzeugt werden. Auch der Einbau von Elementen aus Gasen wie N₂ ist möglich.

Mittels Laser-Arc-Technik können mechanisch sehr robuste MoS₂-Schicht-Schichten abgeschieden und als Festschmierstoff für Lager und andere Komponenten für Weltraum- und Vakuumanwendungen genutzt werden. Im Gegensatz zu gesputtertem MoS₂ sind die Laser-Arc-Schichten deutlich dichter, härter und weniger abhängig von den Bauteilkonturen.