Chemische Gasphasenabscheidung (CVD-Verfahren)
CVD ist die Abkürzung für „chemical vapour desposition“ und bedeutet übersetzt „chemische Abscheidung aus der Gasphase“. Die Komponenten werden hierbei mittels „chemischen Transportweges“ bewegt. Dadurch lassen sich aus Metallen, Nichtmetallen und chemischen Verbindungen dünne Schichten erzeugen.
CVD ist im deutschsprachigen Raum als chemische Gasphasenabscheidung oder auch als chemische Dampfphasenabscheidung bekannt. Bei Metallen wird das CVD-Verfahren unter anderem für die Optimierung des Korrosionsschutzes angewandt.
Ablauf des CVD-Verfahrens
Es gibt verschiedene Arten der chemischen Gasphasenabscheidung, wie zum Beispiel Plasma-CVD und thermische CVD. Grundsätzlich läuft die Behandlung allerdings in ähnlichen Schritten ab. Zunächst wird das Substrat auf die Reaktionstemperatur erhitzt. Dies kann durch Wärmestrahlung, Laser (Licht), Induktion oder Stromdurchgang ausgeführt werden.
Das Beschichtungsmaterial wird als gasförmige Verbindung (Precursor) zugeführt. Die Aktivierung, also die chemische Zerlegung, des Precursors wird meist thermisch herbeigeführt, allerdings ist eine Plasmaaktivierung ebenfalls möglich. Die Schichtbildung erfolgt an der Oberfläche durch die chemische Reaktion des Substrats und des Precursors, die bei hohen Temperaturen erfolgt. Dabei wird ausgenutzt, dass flüchtige Verbindungen bei Wärmezufuhr als Schicht kondensieren, da sie chemisch reagieren. Neben der festen Schicht wird außerdem noch mindestens ein Abgas als Nebenprodukt erzeugt. Die Schichtdicke und -qualität kann durch verschiedene Parameter wie Temperatur, Druck, Gasflussrate und Reaktionszeit kontrolliert werden. Zusätzlich kann die Schichtstruktur durch die Wahl des Precursors und der Prozessbedingungen beeinflusst werden.
Vorteile und Nachteile des CVD-Verfahrens
CVD-Beschichtungen weisen eine besonders gute Haftung auf. Je nach Beschichtungsmaterial und Precursor können unterschiedliche Oberflächeneigenschaften verändert werden. Gängige Beschichtungen bei Stahlwerkstoffen bestehen aus Titancarbid und -nitrid, welche der Substratoberfläche eine hohe Härte und einen guten Korrosionsschutz verleihen. Die Beschichtung weist eine hohe chemische Beständigkeit auf und bietet eine hohe Temperaturbeständigkeit. Im Gegensatz zu physikalischen Verfahren können zudem auch Bauteile mit komplizierten Konturen gleichmäßig behandelt werden.
Die hohe Beschichtungstemperatur kann sich nachteilig auf das Substrat auswirken, da sie bis zu 1000°C betragen kann. Ein weiterer Nachteil des CVD-Verfahrens ist die relativ lange Prozessdauer im Vergleich zu anderen Beschichtungsmethoden.
Geeignete Werkstoffe
Für das CVD-Verfahren sind einige Stahlsorten geeignet, unter anderem:
- Schnellarbeitsstähle
- Kaltarbeitsstähle
- Warmarbeitsstähle
Aufgrund der hohen chemischen Vielseitigkeit sind nicht nur metallische Stoffe für das CVD-Verfahren geeignet. Weitere Anwendungen sind auf Glas, Keramik, Halbleitern oder Kunststoff.
Abgrenzung zu PVD
Ein verwandtes Verfahren ist die physikalische Gasphasenabscheidung, kurz PVD (en. physical vapour deposition). Ähnlich wie CVD werden Beschichtungsmaterialien in die Gasphase überführt und bilden eine feste Schicht auf der Oberfläche des Substrats. Während CVD die flüchtigen Verbindungen der Schichtkomponenten, die eine feste Schicht bilden, werden bei PVD-Verfahren physikalische Kräfte angewandt, um eine Zielschicht zu bilden. Übliche PVD-Varianten sind Verdampfungsverfahren (unter anderem Bedampfen, Elektronenstrahlverdampfen und Laserstrahlverdampfen) in einem Vakuum. Beschichtungsmaterialien werden in den gasförmigen Zustand gebracht und kondensieren anschließend auf dem Substrat. In Bezug auf Haftung ist die PVD-Beschichtung der CVD-Beschichtung unterlegen. PVD-Beschichtungen weisen im Allgemeinen eine höhere Härte und Verschleißfestigkeit auf als CVD-Beschichtungen. Zudem sind PVD-Verfahren in der Regel umweltfreundlicher, da sie keine chemischen Reaktionen erfordern und keine giftigen Gase freisetzen. Die Wahl zwischen CVD und PVD hängt daher von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab.
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