Michael Kuehn

Charakterisierung reaktiver Prozesse bei der katodischen Vakuumbogenverdampfung

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Kurzfassung in Deutsch

In der vorliegenden Arbeit werden die waehrend der reaktiven
Vakuumbogenverdampfung ablaufenden Prozesse untersucht und eine modellmaessige
Beschreibung des Gesamtprozesses entwickelt. Das Verfahren wird zur
Herstellung von duennen Schichten zahlreicher chemischer Verbindungen,
insbesondere von Hartstoffschichten auf der Basis der Karbide und Nitride der
Uebergangsmetalle, genutzt. Entsprechend wurden in dieser Arbeit als
Katodenmaterial Titan, Chrom und Zirkonium eingesetzt, als Reaktivgase
Stickstoff und Methan.
Zunaechst werden einige Grundlagen der Vakuumbogenverdampfung dargestellt,
die fuer die Bearbeitung des Themas wesentlich sind. Anschliessend wird der
Aufbau der fuer die Experimente genutzten Beschichtungsapparatur beschrieben.
Im Hauptteil der Arbeit wird zuerst auf experimentellem Wege die
Materialbilanz der Entladung bei Variation des Reaktivgasdruckes analysiert.
Die Generation an Metalldampfplasma wird ueber die Katodenerosionsrate
bestimmt, wobei sich beim Betrieb mit Stickstoff als Reaktivgas signifikante
Unterschiede in der Druckabhaengigkeit der Katodenerosionsrate µ zwischen
Titan bzw. Zirkonium einerseits und Chrom andererseits zeigen. Die Hypothese,
dass hier die Ausbildung einer Verbindungsschicht an der Katodenoberflaeche
den Erosionsprozess beeinflusst, wurde sowohl durch RBS-Messungen als auch
durch Vergleichsexperimente mit einer massiven TiN-Katode bestaetigt. Weitere
Auswirkungen derartiger Oberflaechenbedeckungen auf die Dynamik des
Katodenbrennfleckes wurden durch Videountersuchungen am Beispiel Ti+N_2
nachgewiesen. Die Konsumtion des Reaktivgases waehrend der Entladung wird
anhand der Gasfluss-Druck-Charakteristiken untersucht und das je nach
Katodenmaterial unterschiedliche Gettervermoegen diskutiert. Direkte
Informationen ueber den Stickstoffeinbau in die Schichten in Abhaengigkeit
vom Reaktivgasdruck werden aus RBS-Untersuchungen an entsprechenden
Probenserien gewonnen. Analoge Untersuchungen mit Methan als Reaktivgas
fuehrten zu prinzipiell aehnlichen Resultaten.
Mit den gewonnenen experimentellen Daten als Grundlage wurde ein Modell
entwickelt, das die Materialbilanz der Vakuumbogenverdampfung mathematisch
beschreibt. Hier wurden, ausgehend von einem fuer das reaktive
Magnetronsputtern aufgestellten Modell, die Besonderheiten der stark
lokalisierten Metalldampfgeneration bei der Vakuumbogenverdampfung
beruecksichtigt. Die erreichte Uebereinstimmung der Modellkurven mit den
experimentellen Daten zeigt, dass mit der Modellierung wesentliche
Mechanismen bei der reaktiven Vakuumbogenverdampfung richtig erfasst wurden.
Aus den Ergebnissen folgt, dass die Erzeugung von reaktionsfaehigen
Stickstoffspezies an die Katodenerosion gekoppelt ist: erstens ueber die
Erosion nitridbedeckter Oberflaechenbereiche und zweitens ueber die
Wechselwirkung des Metalldampfplasmas mit dem Reaktivgas.
Diese Wechselwirkungsprozesse werden durch Untersuchungen mit elektrischen
Sondenmessungen sowie mittels optischer Emissionsspektroskopie (OES) naeher
charakterisiert. Als wesentliches Ergebnis zeigt sich dabei, dass trotz der
Unterschiede hinsichtlich des Verhaltens an der Katode bei Ti- bzw.
Cr-Entladungen in Stickstoff Anregungs- und Ionisationsgrad des Reaktivgases
praktisch gleich sind. Im Zusammenhang damit wird die Rolle von
Ladungstransfer- und Anregungsprozessen infolge von Stoessen schneller
Ionen mit Molekuelen und Neutralatomen diskutiert.

weitere Metadaten

Schlagwörter
optische Emissionsspektroskopie
Schlagwörter
Plasmadiagnostikverfahren
Schlagwörter
Metalldampfplasma
Schlagwörter
Katodenbrennfleck
Schlagwörter
Vakuumbogenverdampfung
Schlagwörter
Hartstoffschichten
Schlagwörter
physikalische Schichtabscheidung
SWD SchlagworteZirkonium
SWD SchlagworteChrom
SWD SchlagworteTitan
DDC Klassifikation530
Institution(en) 
HochschuleTU Chemnitz
FakultätFakultät für Naturwissenschaften
DokumententypDissertation
SpracheDeutsch
Tag d. Einreichung (bei der Fakultät)17.12.1997
Tag d. Verteidigung / Kolloquiums / Prüfung25.11.1997
Veröffentlichungsdatum (online)17.12.1997
persistente URNurn:nbn:de:bsz:ch1-199700469

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