Alexander Fromm

Oberflächenbeschichtungen im PVD-Verfahren sind in vielen Bereichen – z.B. im Werkzeugbau, der spanenden Bearbeitung oder für Verschleiß- und Reibungsminderung von Lagern und Getrieben – nicht mehr wegzudenken. Neben den etablierten Beschichtungsverfahren mit Plasmaanregung durch Gleichstrom (DC), Mittelfrequenz (MF) oder Hochfrequenz (HF) findet seit einigen Jahren das High Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS) eine immer weitere Verbreitung. High Power Impulse Magnetron Sputtering bietet signifikante Vorteile gegenüber etablierten Sputtertechniken, wie z.B. höhere Dichte, bessere Haftung und höhere Härten gegenüber konventionell hergestellten Schichten, jedoch auf Kosten vergleichsweise niedriger Abscheideraten. Um diese Einschränkungen zu überwinden und von den Vorteilen der Technik profitieren zu können, wurde die Überlagerung verschiedener Plasmaanregungen untersucht. Dazu wurde am MikroTribologie Centrum µTC zusammen mit der MELEC GmbH (Baden-Baden) die technisch anspruchsvolle Überlagerung von HF und HiPIMS auf einem Einzel-Magnetron realisiert. Damit konnte z.B. die Prozessstabilität gerade bei reaktiven, oxidischen Abscheideprozessen deutlich verbessert werden. Die Besonderheiten und Auswirkungen auf Energiedichten und Plasmaverteilungen dieses hybriden Verfahrens wurden zusammen mit den Partnern Aurion Anlagentechnik GmbH (Seligenstadt) und PlasmaSolve s.r.o. (Brno, Tschechien) untersucht.

Dabei ist es gelungen, ein globales Plasma-Modell für das o.g. hybride HiPIMS-Abscheideverfahren zu erarbeiten. Das Simulationsmodell basiert auf bestehenden Konzepten aus der Literatur zu reinen HiPIMS-Prozessen, ergänzt und entwickelt diese weiter und wurde erfolgreich mit experimentellen Daten des MikroTribologie Centrums µTC zu Strom-/Spannungswerten validiert. Die Übereinstimmung von Experiment und Theorie war dabei sehr gut, durchgeführte Sensitivitätsanalysen erlaubten eine Quantifizierung des Einflusses verschiedener physikalischer Phänomene auf die Prozessparameter. Mit dem Modell können nun auch für industrielle Anlagen gute Vorhersagen zu Prozess- und Leistungsdaten getroffen werden. Die Übertragung von im Labor erarbeiteten Beschichtungsprozessen auf industrielle Anlagen wird damit erheblich beschleunigt.

Die Forschungsergebnisse mit weiteren Details wurden im Journal »Surface an Coatings Technology« [1] veröffentlicht.

_{[1] Tomanková K.; Mrózek K.; Obrusník A.; Fromm A.; Burmeister F., Sensitivity analysis of various physics processes in industrial HiPIMS: A global plasma modeling perspective, Surface and Coatings Technology, Surface and Coatings Technology 507 (2025) Art. 132126, 10 Seiten Link}

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