Vakuumbeschichtung: Anwendungen Teil II Funktionelle und dekorative Schichten auf Glas, Kunststoff, Papier und Metallen — Tribologie — Korrosionsschutz — Informationsspeicherung — CVD-Anwendungen

267 Pages·1993·26.596 MB·German

by  Gerhard Kienel

Gerhard Kiene} (Hrsg.) . Vakuumbeschichtung 5
VVaakkuuuummbbeesscchhiicchhttuunngg 55
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Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Vakuumbescbichtung / Hrsg.: Gerhard KieneI.-Diisseldorf:
VOI-VerI.
NE: Kienel, Gerhard [Hrsg.]
5. Anwendungen. - Teil II. Funktionelle und dekorative
Schichten auf Glas, Kunststoff, Papier und Metallen -
Tribologie - Korrosionsschutz - Informationsspeicherung -
CVD-Anwendungen / Erhard Broszeit ... - 1993
NE: Broszeit, Erhard
© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1993
Ursprunglich erschienen bei VDI-Verlag GmbH. DUsseldorf 1993
Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der
auszugsweisen oder vollstăndigen photomechanischen Wiedergabe
(Photokopie, Mikrokopie) und das der Obersetzung, vorbehalten.
Herstellung: PROserv, Berlin
Satz: Fotosatz-Service Kohler OHG, Wiirzburg
ISBN 978-3-642-63432-1 ISBN 978-3-642-58008-6 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-58008-6
Vorwort
Die Vakuumbeschichtung befindet sich in einer Phase starker Ausweitung. Die letzten
Jahre sind gekennzeichnet durch viele bedeutende Neuentwicklungen auf den Gebieten
der Verfahrenstechnik (plasmagestiitzte CVD-und PVD-Verfahren mit ihren zahlreichen
Varianten und Ausfiihrungsformen), der MeB-und Priiftechnik (z. B. Oberflachen-und
Diinnschichtanalyse, Rastertunnelmikroskopie, Einsatz von Lasern fiir Messungen an
Substraten und diinnen Schichten) und der Vervollkommnung der Anlagentechnik, die
besonders durch den Einsatz des Hochleistungszerstaubens wesentliche Impulse erhielt.
Mit dem Unbalanced Magnetron sind bessere Targetausnutzungen, hohere Raten und
langere ununterbrochene Betriebsdauern moglich als mit dem Magnetron in seiner
klassischen Ausfiihrungsform.
Wesentlich umfangreicher ist auch die Palette der Anwendungen der Vakuumbeschich
tungstechnik geworden. Zu schon seit Langerem bekannten industriellen Anwendungen
(z. B. Optik, Elektronik, Kunststoffbeschichtung) kommen weitere, teilweise noch in der
Entwicklung oder in der Anfangsphase der technischen Nutzung befindliche Gebiete wie
Mikromechanik und Sensoren, Supraleitung, Optoelektronik, Solarzellen und Tribologie
hinzu.
Die Anzahl der weltweit iiber Diinne Schichten und ihre Anwendungen in mehr als 200
Zeitschriften und Tagungsbanden erscheinenden Veroffentlichungen diirfte iiber 10000
pro Jahr liegen. Dem neuesten Stand entsprechende zusammenfassende Darstellungen
dieses umfangreichen Wissensgebietes erleichtern den Einstieg und dienen der allgemei
nen Information. So war das 1987 erschienene Werk "Diinnschichttechnologie" als
einzige deutschsprachige Monographie zu dieser Zeit kurz nach seinem Erscheinen
vergriffen, so daB ein unveranderter Nachdruck erforderlich wurde.
Bei der starken Ausweitung des Stoffgebietes ware eine Uberarbeitung und Aktualisie
rung bei gleichbleibendem Umfang ohne drastische Streichungen wichtiger Teilgebiete
nicht moglich gewesen. Um die Ausfiihrlichkeit der Darstellung beibehalten zu konnen,
erscheint die "Vakuumbeschichtung" als Nachfolgewerk der "Diinnschichttechnologie"
in fiinf Banden, wobei jeder Band fiir sich lesbar ist.
In den einzelnen Banden werden folgende Stoffgebiete abgehandelt:
Band 1: Plasmaphysik und -Diagnostik
Band 2: Verfahren und Anlagen
Band 3: Anlagenautomatisierung, MeB- und Analysentechnik
Band 4: Anwendungen der Vakuumbeschichtung Teil I
Band 5: Anwendungen der Vakuumbeschichtung Teil II
Der vorliegende Band 5, in dem - wie auch in Band 4 - Anwendungen der Vakuum
beschichtung abgehandelt werden, wendet sich an Naturwissenschaftler, Wissenschaftler
v
in Forsehung und Entwieklung sowie an Ingenieure und Techniker in der Fertigung. Das
Werk solI nieht nur Wissen vermitteln, sondem aueh als Naehschlagwerk dienen, Denk
anstoBe fiir weitere Entwieklungen geben und Hilfe leisten bei der Losung anwendungs
techniseher Probleme.
Gerhard Kienel
Hanau 1993
VI
Inhalt
1 Beschichtung von Arcbitekturglas und Automobilglas von G. Kienel . . . . . . 1
1.1 Allgemeines 1
1.2 Optische Eigenschaften von Fensterglas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Wiirmediimmschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3.1 Grundsiitzliches. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3.2 Unbeschichtete Einfachverglasungen ..................... 4
1.3.3 Unbeschichtete Doppelverglasungen (Isolierglas) ............. 5
1.3.4 Beschichtete Doppelverglasungen (Isolierglas) ............... 6
1.3.5 Leistungsbilanz bei Isoliergliisem ....................... 6
1.4 Sonnenschutzschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.1 Grundsiitzliches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 7
1.4.2 Beispiele ....................................... 8
1.5 Schichtsysteme und Schichteigenschaften ...................... 9
1. 5.1 Allgemeines ..................................... 9
1.5.2 Wiirmediimmschichten ohne wesentliche Sonnenschutzwirkung .... 10
1.5.2.1 Einfachschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 10
1.5.2.2 Schichtsysteme ................ . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11
1.5.3 Schichten mit Wiirmediimm- und Sonnenschutzwirkung .......... 12
1.5.4 Sonnenschutzschichten ohne wesentliche Wiirmediimmwirkung .... 12
1.6 Beschichtung von Automobilglas ........................... 14
1.7 Beschichtungstechnologien ................................ 19
1.7.1 Chemische Beschichtungsverfahren ....................... 19
1.7.2 Beschichten durch Aufdampfen im Hochvakuum . . . . . . . . . . . . .. 20
1.7.3 Beschichten durch Katodenzerstiiubung .................... 21
1.7.3.1 Allgemeines ..................................... 21
1.7.3.2 Einkammeranlagen ................................ 21
1.7.3.3 Zweikammeranlagen ............................... 24
1.7.3.4 Mehrkammerdurchlaufanlagen ......................... 25
1.8 Zusammenfassende Bemerkungen ............................ 28
VII
2 Tribologie von E. Broszeit, G. Kienel, B. Matthes . . . . . . . . . . . . . . . .. 29
2.1 Allgemeines von E. Broszeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 29
2.2 VerschleiBmechanismen .................................. 29
2.3 VerschleiBpriifung durch direkte und indirekte MeBmethoden . . . . . . . .. 30
2.4 VerschleiBminderung durch Oberfliichenbeschichtung ............... 32
2.5 Bevorzugte Beschichtungsmethoden fiir tribologisch beanspruchte Schichten 33
2.5.1 Allgemeines von G. Kiene! ............................. 33
2.5.2 CVD-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 39
2.5.3 PVD-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 42
2.6 Anwendungen ........................................ 45
2.6.1 Dekorative abriebfeste Schichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 45
2.6.2 VerschleiBminderung bei Werkzeugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 49
2.6.2.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 49
2.6.2.2 Anwendung von CVD-Verfahren ....................... 52
2.6.2.3 Anwendung von PVD-Verfahren ....................... 55
2.6.3 Reibungsmindemde Schichten unter Gleitbeanspruchung ......... 62
2.6.3.1 Allgemeines von E. Broszeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 62
2.6.3.2 Weichmetallische Schichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 64
2.6.3.3 Me-C:H- und a-C:H-Schichten von B. Matthes. . . . . . . . . . . . .. 66
2.6.4 Reibungsmindemde Schichten bei Wiilzbeanspruchung .......... 70
2.6.4.1 Allgemeines von E. Broszeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 70
2.6.4.2 MoS -Schichten .................................. 70
2
2.6.5 Hartstoffschichten auf Bauteilen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 71
2.6.5.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 71
2.6.5.2 Tribologisches Verhalten von TiN-Schichten in Fliigelzellenpumpen 72
3 Beschichtung von KunststotTormteilen von G. Kienel ............... 74
3.1 Allgemeines......................................... 74
3.2 Arbeitsgiinge vor und nach dem Metallisieren von Kunststofformteilen . .. 74
3.2.1 Grundlackierung ................................... 74
3.2.2 Schutzlackierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 75
3.2.3 Haftfestigkeit .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 75
3.3 Anlagen zum Metallisieren von Kunststofformteilen . . . . . . . . . . . . . .. 76
3.4 Anwendungen ....................................... 82
3.4.1 Kunststoffteile mit hohem Reflexionsvermogen im sichtbaren
Spektralbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 82
3.4.2 Erzeugung verschiedener Goldtone ...................... 83
VIII
3.4.3 Erzeugung verschiedener Farbtone ...................... 84
3.4.4 Iriseffekte (Regenbogeneffekte) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 84
3.4.5 Abschirmschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 84
3.4.6 Beschichten von CD-Plattenspeichern .................... 85
4 Vakuumbeschichtung von Kunststoffolien und Papier von G. Kienel . . . . .. 87
4.1 Problemstellungen bei der Folienbeschichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 87
4.2 Autbau und Wirkungsweise von Folienbeschichtungsanlagen ......... 88
4.2.1 Vakuumtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 88
4.2.2 Wickelsystem ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 91
4.2.3 Beschichtungsmethoden ............................. 93
4.2.4 Zum ProzeBablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 98
4.3 Anwendungen ....................................... 102
4.3.1 Kondensatorfolie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 102
4.3.2 Verpackungsfolie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 102
4.3.3 Folien fUr Architekturglas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 106
4.3.4 Photoleitende Schichten fUr die Herstellung von photographischen
Filmen ........................................ 109
4.3.5 Einige zukunftige Anwendungen von beschichteten Folien ....... 111
4.3.5.1 Speicherschichten ................................ 111
4.3.5.2 Transparente leitende Schichten ..... . . . . . . . . . . . . . . . . .. 111
4.3.5.3 Interferenzschichten auf Kunststoffolien . . . . . . . . . . . . . . . . .. 112
4.3.6 Beschichten von Folien in Luft-zu-Luft-Anlagen . . . . . . . . . . . . .. 112
5 Dunne Schichten zur Informationsspeicherung von K. Roll ........... 114
5.1 EinfUhrung ......................................... 114
5.2 Magnetische Aufzeichnung ............................... 114
5.2.1 Aufzeichnungs- und Wiedergabetechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 114
5.2.2 Longitudinale und vertikale Aufzeichnung in dunnen Schichten . . .. 117
5.2.3 Schichtsysteme fUr die magnetische Aufzeichnung . . . . . . . . . . . .. 118
5.2.4 Schreib-Lese-Kopfe in Dunnschichttechnik . . . . . . . . . . . . . . . .. 124
5.3 Optische und magnetooptische Informationsspeicherung ............ 125
5.3.1 Prinzipien der optischen Speicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 125
5.3.2 Magnetooptische Schichtsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 128
5.3.3 Herstellungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 130
6 Eigenschaften und Herstellung von optisch transparenten,
elektrisch leitfahigen Oxidschichten von A. Dietrich ............... 134
6.1 Einleitung ........ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 134
6.2 Schichteigenschaften ................................... 134
IX
6.3 Herstellungsmethoden .................................. 137
6.3.1 Pyrolyseverfahren ................................. 137
6.3.2 Aufdampfverfahren ........ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 137
6.3.3 Zerstiiubungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 138
6.4 Anwendungsspezifische Anforderungen ....................... 142
6.4.1 Displayanwendungen .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 142
6.4.2 Antistatik- und Abschirmschichten ...................... 144
6.4.3 Solarzellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 144
6.4.4 Elektrisch beheizbare Schichten ........................ 144
6.4.5 Wiirmereflektierende Schichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 145
7 DUnne Schichten in der Displaytechnik von N. Marschall ............ 146
7.1 Einfiihrung ......................................... 146
7.1.1 Aufgabe und Anforderungen .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 146
7.1.2 Entwicklungstrends ................................ 146
7.2 Funktionsbereiche fUr Diinnschichten in der Displaytechnik ......... 147
7.2.1 Uberblick ...................................... 147
7.2.2 Spezielle Funktionsschichten .......................... 148
7.2.2.1 Leiterbahnschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 148
7.2.2.2 Aktive optische Funktionsschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 151
7.2.2.3 Halbleiter-und Isolator-Steuerschichten . . . . . . . . . . . . . . . . .. 158
7.2.2.4 Passive optische Funktionsschichten .................... 169
8 Schutzschichten gegen korrosiven Aogriff von A. Feuerstein, G. Kienel ... 172
8.1 Aufgabenstellung ..................................... 172
8.2 Beschichtung von Turbinenschaufeln durch Elektronenstrahlverdampfung. 173
8.2.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 173
8.2.2 ProzeBablauf .................................... 174
8.3 Beschichtung von Turbinenschaufeln durch Niederdruck-
Plasmaspritzen (LPPS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 180
8.3.1 Bemerkungen zum Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 180
8.3.2 ProzeBablauf .................................... 181
8.4 Weitere Entwicklungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 182
9 Dekorative und funktionelle Schichten fiir Metallbiinder,
Driihte und Fasern von G. Kienel, H. Liimmermann . . . . . . . . . . . . . .. 183
9.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 183
9.2 Beschichten von Stahlbiindern ...... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 187
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