Kompakte Sputteranlage für Einsatz direkt an der Werkbank

Sputtern bietet sich als Oberflächenveredelung für Bauteile mit physikalische Eigenschaften wie hohe Festigkeit oder geringes Gewicht an. Als Alternative zu herkömmlichen großen komplexen Sputter-Anlagen gibt es jetzt eine kompakte Beschichtungsanlage.

In der Industrie werden Bauteile oft aus Materialien gefertigt, die spezielle physikalische Eigenschaften wie hohe Festigkeit oder geringes Gewicht bieten. Doch diese Materialien sind häufig anfällig für Korrosion oder andere Einflüsse, weshalb sie durch Beschichtungen zusätzlich geschützt oder veredelt werden. Galvanische Verfahren sind dafür verbreitet, bringen jedoch hohen technischen Aufwand und Umweltbelastungen mit sich. Das Sputtern bietet eine effizientere Alternative und nutzt rein physikalische Verfahren: Durch ein Plasmaverfahren im Vakuum, das besonders bei Edelmetallen leicht zu kontrollieren ist, entsteht eine dünne Schutz- oder Deko- Schicht.  Herkömmliche Anlagen sind jedoch groß und komplex. Daher hat W&L Coating Systems die kompakten Beschichtungsanlagen der NMS 200-Reihe entwickelt. Diese Tischgeräte bieten eine flexible, benutzerfreundliche Lösung für hochwertige Beschichtungen ohne Materialverlust – direkt auf der Werkbank.

Viele Produkte müssen aus technischen Gründen aus Materialien gefertigt werden, die spezifische physikalische Eigenschaften aufweisen, wie etwa hohe Festigkeit, geringes Gewicht oder gute Wärmeleitfähigkeit. Diese Materialien erfüllen zwar ihre jeweilige technische Funktion, weisen jedoch oft Schwächen in anderen Bereichen auf – so sind sie beispielsweise nicht korrosionsbeständig oder empfindlich gegenüber anderen Einflüssen. „Auch wirtschaftliche Überlegungen führen dazu, dass preisgünstige Materialien bevorzugt werden, die dann einen zusätzlichen Schutz oder eine ästhetische Aufwertung benötigen“, ergänzt Dr. Clemens Ringpfeil, Director Technology bei der W&L Coating Systems GmbH. Hier kommt die Oberflächenveredelung ins Spiel. Überwiegend findet diese mithilfe galvanischer Verfahren statt. Allerdings ist der Betrieb einer Galvanik mit erheblichem Aufwand verbunden: Es sind zahlreiche Chemikalienbäder erforderlich, die Arbeitskräfte müssen spezielle Schutzausrüstung tragen und die Entsorgung der verbrauchten Chemikalien gestaltet sich oft kompliziert und kostenintensiv. Zudem sind viele dieser Verfahren nicht flexibel genug, um z.B. nichtleitende Materialien zu beschichten. Genau hier setzt das physikalische Beschichtungsverfahren des Sputterns an. Bei diesem Verfahren werden Atome aus einem festen Material, dem sogenannten Target, durch Ionenbeschuss gelöst und auf die Oberfläche des Produkts übertragen. Dadurch entsteht eine gleichmäßige Schicht, deren Dichte beispielsweise höher ist, wodurch eine gute Schutzwirkung auch bei geringen Schichtdicken erzielt wird. Diese Materialeinsparung ist dann besonders bei Edelmetallschichten von Nutzen.

Übliche Sputteranlagen sind in der Regel relativ groß und erfordern eine komplexe Infrastruktur, um reibungslos zu funktionieren. Eine zentrale Komponente ist die Beschichtungskammer, die mit hochwertigen Vakuumpumpen ausgestattet sein muss, um die notwendigen Druckverhältnisse zu erzeugen. Während des Sputterprozesses entsteht zudem erhebliche Wärme, die durch das Vakuum nicht leicht abgeführt werden kann. Daher werden spezielle Kühlsysteme, meist in Form von Kühlwasserkreisläufen, benötigt, um die Temperatur zu regulieren und eine Überhitzung der Anlage zu verhindern. Auch an die Sputterstromversorgung werden hohe Ansprüche gestellt, da sie den Prozess stabil halten und eine gleichmäßige Schichtbildung gewährleisten muss. Dadurch geraten herkömmliche Anlagen oft relativ groß und wenig flexibel in der Handhabung. Aus diesem Grund hat W&L Coating Systems die kompakten Sputtersysteme der NMS 200-Reihe entwickelt, die auf einer Werkbank betrieben werden können und dennoch eine hochwertige Beschichtung ermöglichen.

Die Sputtersysteme der NMS Reihe sind für den sparsamen Umgang mit dem Spendermaterial (Target) konzipiert. Für Einzelteile und Kleinserien, die eine qualitativ hochwertige Beschichtung erfordern, bietet sich der Einsatz der NMS 250 an. „Der Betrieb ist denkbar einfach: Sie benötigt lediglich einen 230 V-Anschluss sowie eine Argon-Versorgung, wie sie etwa mit einer kleinen Gasflasche realisiert werden kann“, erklärt Dr. Ringpfeil. Dabei nutzt das Gerät ein innovatives Rohrdesign, das als Target-Träger und gleichzeitig als Vakuumgehäuse dient. Die Magnete, die den Sputterprozess unterstützen, rotieren außerhalb des Rohres und werden durch einen einfachen Luftstrom gekühlt. Das Ergebnis: Ein kompakter Beschichtungsraum von etwa 60 mm Durchmesser und 200 mm Höhe, der effizient arbeitet und dennoch eine hohe Schichtqualität sicherstellt.

Ein besonderer Vorteil ist die homogene Erosion des Targets und, dass das Material, das während des Beschichtungsprozesses nicht auf dem Substrat abgeschieden wird, direkt auf das Target zurückgeführt und erneut verwendet werden kann. „Nur ein minimaler Anteil landet auf den kleinen Schutzblechen an den Stirnseiten, die leicht recycelt und das Edelmetall zurückgewonnen werden kann“, so Dr. Ringpfeil. Dadurch entstehen keine Materialverluste, wie sie bei herkömmlichen Sputteranlagen oft üblich sind. Der Targetwechsel, also das Austauschen der Beschichtungsmaterialien, erfolgt dabei in wenigen Handgriffen ohne zusätzliches Werkzeug.

Für noch kleinere Teile, die nicht durch einen Substrathalter fixiert werden können, wie etwa Wälzlagerkugeln oder Gewindestifte, bietet sich die NMS-BM 270 an. Unter Verwendung des Prinzips der NMS 250, also als luftgekühltes Tischgerät mit Magneten, die der Umgebungs-Atmosphäre ausgesetzt sind und größtenteils auf die gleiche Peripherie setzen, wurde eine horizontale Ausrichtung des Targetrohres umgesetzt. „Anders als beim vorherigen Konzept rotiert bei der NMS-BM 270 das Rohr und die Magnete sind relativ dazu fixiert“, beschreibt Dr. Ringpfeil. So sorgt es dafür, dass das Schüttgut kontinuierlich in Bewegung bleibt, was eine gleichmäßige Beschichtung gewährleistet. Dabei kann das Rohr je nach Art der zu beschichtenden Teile mit einem Schüttgutvolumen von bis zu ca. 300 ml befüllt werden.

Darüber hinaus lässt sich das Magnetfeld mithilfe eines Hubmechanismus anheben, während ein zweites Magnetfeld von unten an das Targetrohr herangeführt wird. Dadurch wird ein Sputterätzen der Substrate als Vorreinigung vor der eigentlichen Beschichtung ermöglicht, da sich das Plasma direkt über dem Schüttgut bildet. „Obwohl dieses Verfahren nicht völlig rückstandsfrei ist, erweist es sich als äußerst effizient“, so Dr. Ringpfeil. Zudem kann der gesamte Vakuumkessel flexibel geschwenkt werden – nach oben für das Befüllen und nach unten für das Entleeren. Für den Targetwechsel wird das Rohr in eine vertikale Position gebracht. Zwar ist hier Werkzeug erforderlich, doch der Wechsel ist in der Regel in weniger als 10 Minuten abgeschlossen. (OM-4/25)