PVD Beschichtungsanlage mit mehreren unabhängigen Targets
Final Report Abstract
Die Beschichtungsanlage wurde in mehreren Drittmittelprojekten genutzt. Für die Projekte 1 und 3 wurden Aluminium (Al)-Schichten auf Stahl-Substraten hergestellt. Die Schichten wurden mit unterschiedlichen Legierungselementen (z.B. Silizium (Si) und Mangan (Mn)), wechselnden Konzentrationen und Beschichtungsparametern hergestellt. Für die gezielte Einbringung der Legierungselemente in die aufwachsende Schicht wurden unterschiedliche Beschichtungsquellen (Targets) gleichzeitig verwendet. Ziel ist es, die Schichten hinsichtlich ihrer Diffusionsneigung und deren mechanischen Eigenschaften zu optimieren um als optimaler Haftvermittler für den nachfolgenden Prozessschritt zu dienen. Die Stahlträger werden nach dem Beschichten in unterschiedlichen Gießverfahren mit Al umgossen. Die Haftung zwischen Stahl und Aluminium wird durch die Beschichtungen stark verbessert bzw. durch diese erst ermöglicht. Im Projekt 2 wurden Kohlenstoff (C)-Schichten auf Kupfer (Cu)-Substraten hergestellt. In Elektronenbeschleunigern (BESSY, ELBE u.v.w.m.) sollen Energiedichte und Brillanz des Elektronenstrahls immer weiter erhöht werden. Dabei stellt die ungewollte Vervielfältigung von Sekundärelektronen (sog. Multipacting) einen limitierenden Faktor dar. Um diese Vervielfältigung zu unterbinden werden auf den kritischen Bauteiloberflächen C-Schichten mit genau definierter Mikrostruktur abgeschieden. Die Vorteile der Beschichtungsanlage bestanden in der Größe des Beschichtungsvolumens, des adaptiven Substrathalters und in dem weiten Parameterfenster der Anlage. So konnten die Bauteile direkt beschichtet werden ohne den meist schwierigen Weg der Übertragung von Modellsubstraten auf das gewünschte Bauteil. Weiterhin konnten u.a. durch die mittelfrequente Substrat Spannung (MF-Bias) eine Mikrostruktur erzeugt werden, die eine Elektronenvervielfältigung völlig unterbindet. Da die Anlage mit drei Targets ausgestattet ist, konnten zwischen Cu-Substrat und C-Schicht Haftvermittler in-situ aufgebracht werden, die eine deutliche Steigerung der Haftung der C-Schichten zur Folge haben. In Projekt 4 wurden ebenfalls C-Schichten hergestellt. Hierbei wurden mit zusätzlichen Wasserstoff (H 2)-Präkursoren (z.B. Acetylen (H2C2)) diamant-ähnliche C-Schichten (diamond like carbon (DLC)) hergestellt. Diese Schichten weisen eine sehr hohe Härte bei gleichzeitig sehr geringen Reibungskoeffizienten auf. Im Rahmen dieses Projektes wurden die hergestellten Proben in einem Teststand extremen Verschleißbeanspruchungen durch Mikropartikel ausgesetzt und entsprechend optimiert. Das Projekt 5 ist thematisch mit Projekt 2 eng verknüpft. Im Rahmen dieses Projektes werden allerdings Substrate mit einer Zwischenschicht (z.B. Titan (Ti)) versehen, um in einem nachfolgenden Beschichtungsprozess eine photoaktive Galliumnitrid (GaN) – Schicht aufzubringen. Letztere wird in einem dedizierten Beschichtungs- und Analysesystem hergestellt bzw. charakterisiert. An die Zwischenschicht werden mehrere Anforderungen gestellt. Zum einen dient sie als Haftvermittler. Darüber hinaus kann durch einen gezielten Wachstumsprozess eine gerichtete Kornstruktur innerhalb der Ti-Schicht erzielt werden um die Gitterparameter der GaN- und der Ti-Schicht optimal anzupassen. Die Projekte 5 und 6 sind thematisch eng miteinander verknüpft und nutzen beide die hier beschriebene Beschichtungsanlage. Zurzeit werden Niob (Nb) – Schichten auf Cu-Substraten hergestellt. Diese Nb-Schichten werden materialwissenschaftlich untersucht und darüber hinaus auch deren supraleitenden Eigenschaften gemessen. Ziel ist es durch geschickte Parameterauswal während des Beschichtungsprozesses die supraleitenden Eigenschaften der Schichten zu optimieren und die kritischen Wachstumsparameter zu identifizieren. Neben Nb-Schichten werden in naher Zukunft auch Niobnitrid (NbN)- und Niobzinn (Nb3Sn)-Schichten hergestellt und untersucht. Dabei müssen Gas- und Feststoff-Präkursoren, also Stickstoff (N2) und Zinn (Sn), in genau kontrollierter Menge dem Prozess zugeführt werden. Wie in den zuvor beschriebenen Projekten, werden hierfür unterschiedliche Targets gleichzeitig verwendet.
Publications
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Evaluation of Coating Systems for Steel Aluminum; Journal of Materials Science and Engineering
Xiangfan Fang
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Next Generation Of Srf-Guns: Low Secondary Electron Yield Based On A Thin Film Approach; Proceedings of SRF2015
C. Schlemper, M. Vogel, X. Jiang
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Advancements in low secondary electron yield carbon coatings for electron cloud mitigation; FCC Week 2017
M. Vogel, D. Frettloeh, X. Jiang
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Carbon-based Coatings for Electron Cloud Mitigation in SRF Photocathodes; Proceedings of SRF2017
M. Vogel, C. Schlemper, X. Jiang
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Development of a reliable hybrid joining between steel and Aluminum; Intermetallics Conference 2017, Proceedings Intermetallics 2017; ISBN 978-3-9816508-9-1
Xiangfan Fang
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GaN-Based Photocathodes For High Brightness Electron Beams; Proceedings of SRF2017
M. Schumacher, M. Vogel, X. Jiang
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Joining Technique for Light Weight Al-Steel Hybrid Structure; LightMAT Conference 2017
Xiangfan Fang
