Towards Knowledge-based Design of Multi-element Cathodes for Cathodic Arc Deposition Processes

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

Durch die steigende industrielle Nachfrage nach Dünnschichten mit anwendungsoptimierten Eigenschaften kam es in den letzten Jahren zu erhöhter Forschungstätigkeiten im Bereich der Multielementschichten. Diese Materialien werden häufig durch die plasmabasierte kathodische Lichtbogenzerstäubung unter Verwendung von Multielementkathoden hergestellt. Aufgrund der hohen verwendeten Energien kommt es zu einer Interaktion der Kathodenoberfläche mit dem Plasma, wodurch sich an dieser eine modifizierte Schicht bildet. Die Entstehungsmechanismen und Eigenschaften dieser modifizierten Schicht beeinflussen das Plasma, was in weiterer Folge das Dünnschichtwachstum und damit die Schichteigenschaften bestimmt. Ziel dieser Arbeit ist es, einen Beitrag zum Verständnis der physikalischen Prozesse, welche auf der Oberfläche der Multielement-Kathoden durch die Interaktion mit dem Plasma stattfinden, zu leisten. Dadurch soll eine Optimierung der Plasmaeigenschaften und somit des Schichtwachstums ermöglicht werden. In einem ersten Schritt der Arbeit wurde hierfür eine Multilagen-Kathode mit alternierenden Lagen entwickelt. Dies erlaubte ein tieferes Verständnis der lokalen Diffusionsvorgänge im oberflächennahen Bereich der Kathoden, die durch den Wärmeeintrag aufgrund der Schmelz-Erstarrungszyklen hervorgerufen werden. Darüber hinaus ermöglichte das gewählte Kathodendesign ein besseres Verständnis der Kraterbildung, welche bei der kathodischen Lichtbogenzerstäubung auftreten. Dabei wurde festgestellt, dass unterhalb der Krater ein starker Temperaturgradient vorhanden ist und keine Festkörperdiffusion stattfindet. Vielmehr zeigte sich, dass jedwede Materialvermischung im flüssigen Zustand in sehr kurzen Zeitskalen auftritt. Durch die wiederholte Bildung der mikroskopischen Lichtbogenkrater kommt es sodann zur Ausbildung der modifizierten Schicht auf der Multielement-Kathode, wobei die Homogenität mit der Anzahl der durchlaufenen Schmelz-Erstarrungszyklen zunimmt. Im zweiten Schritt wurde eine Serie industriell relevanter AlCr-Kompositkathoden mit unterschiedlicher Korngröße im Detail untersucht, um Rückschlüsse über den Einfluss des Gefüges auf die Bildung der modifizierten Oberflächenschicht sowie deren Phasenzusammensetzung zu erzielen. Hierbei konnte gezeigt werden, dass unabhängig von der Korngröße ausschließlich metastabile Phasen durch die Einwirkung des Lichtbogenplasmas gebildet werden. Für die Erstarrung der modifizierten Schicht wurde eine durchschnittliche Abkühlgeschwindigkeit von 10E6 K/s geschätzt. Die Kenntnis der Abkühlrate ist für die Entwicklung neuer Multielement-Kathoden von großer Bedeutung, da hiermit die Phasenzusammensetzung in der sich bildenden modifizierten Oberflächenschicht vorab ermittelt werden kann. In einem letzten Schritt wurden die bisher gewonnenen Erkenntnisse genutzt, um die Veränderungen an der Oberfläche an Multielement-Kathoden während reaktiver Lichtbogenabscheidung zu untersuchen. Durch die Einwirkung des reaktiven Plasmas fand eine Nitrierung bzw. Oxidation der Oberfläche statt. Die gebildeten Nitrid- bzw. Oxidschichten führten zur wiederholten Ausbildung von Kathodenbrennflecken des Typs 1 zusammen mit denen des Typs 2. In N2-Atmosphäre erfolgt die Bildung der modifizierten Schicht ähnlich jener in inerter Ar-Atmosphäre, wobei die ausgebildeten Krater flacher sind und der Materialvermischungsprozess langsamer abzulaufen scheint. In O2-Atmosphäre wurden zwar deutlich tiefere Krater beobachtet, jedoch eine geringere Anzahl als in der N2-Atmosphäre. Zusätzlich verursacht die Oberflächenoxidation deutlich mehr Kathodenbrennflecken des Typ 1, deren Krater zur Materialdurchmischung beitragen. Die gewonnenen Erkenntnisse leisten einen Beitrag zu einem besseren Verständnis der Erzeugung von makroskopischen Schichtdefekten während der Ausbildung der Lichtbogenkrater sowie zu den Eigenschaften des Plasmas in reaktiven Lichtbogenabscheidungsproze

Details

Titel in ÜbersetzungAuf dem Weg zur wissensbasierte Entwicklung von Multielement-Kathoden für die kathodische Lichtbogenabscheidung
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
StatusVeröffentlicht - 2021