Lichtbogenplasma von AlCr Kathoden für reaktive Beschichtung

Hartstoffschichten, die mittels physikalischer Gasphasenabscheidung hergestellt werden, sind heutzutage integraler Bestandteil in vielen technischen Bereichen wie dem Schutz von Schneid- und Umformwerkzeugen oder Maschinenbauteilen unterschiedlichster Ausführung. Häufig wird hierbei die Lichtbogenverdampfung als Herstellungsmethode eingesetzt, da mit ihr eine große Palette unterschiedlicher Materialien abgeschieden werden kann, wie z.B. metallische Schichten, aber auch Nitride, Karbide und Oxide, falls ein reaktives Hintergrundgas benutzt wird. In den letzten Jahren gab es beachtliche Fortschritte und deutlich verbesserte Schichteigenschaften konnten durch das Legieren von bekannten Materialien wie TiN oder CrN mit anderen Elementen erzielt werden. Die dabei eingesetzten Kathoden bestehen normalerweise aus einer Kombination von 2 oder 3 Elementen, in einigen Fällen auch weiteren. Die Forschung auf dem Gebiet der Lichtbogenplasmen konzentriert sich hingegen auf Untersuchungen mit Reinelementkathoden, wobei deren Verhalten im Vakuum im Vordergrund steht. Nur wenige Arbeiten befassen befasst sich mit Mischelementkathoden oder dem Einfluss von Reaktivgasen auf das Plasma. Das vorliegende Projekt hat zum Ziel, Mischelementkathoden im System AlCr näher zu erforschen, da diese Kathoden für die Herstellung aktuell erfolgreich eingesetzter Hartstoffschichten wie AlCrN und AlCrO benutzt werden. Die Untersuchungen sollen das Verständnis des Einflusses von reaktiven Hintergrundgasen auf den Materialabtrag von der Kathodenoberfläche, die Plasmaeigenschaften sowie das Wachstum der Schichten erweitern. Durch die Verknüpfung der Ergebnisse kann eine grundlegende wissenschaftliche Basis für Beschichtungsprozesse mit Mischelementkathoden entwickelt werden. Diese Informationen sind von großem Interesse für das allgemeine wissenschaftliche Verständnis der Kette Synthese-Struktur-Eigenschaften bezüglich Hartstoffschichten, die mittels plasmabasierten Beschichtungsprozessen wie der Lichtbogenverdampfung hergestellt werden. Mit einem umfassenden Verständis in diesem Bereich ist es möglich, neue Schichtmaterialien mit verbesserten Eigenschaften auf eine effiziente Art und Weise zu entwickeln.

Die Ergebnisse des durchgeführten Projektes beschreiben ein sehr umfangreiches Bild der Eigenschaften in den Lichtbogenplasmen von AlCr Mischelementkathoden in verschieden Gasatmosphären: Ar, N2 und O2. Solche Plasmen werden heutzutage häufig für die Herstellung dünner Schichten eingesetzt, ihre Eigenschaften, vor allem in Falle von Mischelementkathoden, sind hingegen nur unzureichend erforscht. Der Großteil des aktuell erlangten Verständnisses beruht auf Untersuchungen im Vakuum ohne Zugabe eines Hintergrundgases. Die hier erzielten Ergebnisse zeigen jedoch eindeutig, dass vorhandene Hintergrundgase einen starken Einfluss auf die Plasmaeigenschaften haben, da sowohl die Ladungszustände als auch die Energie der Ionen im Plasma mit steigendem Gasdruck verringert werden. Diese Veränderungen haben Auswirkungen auf die Wachstumsbedingungen der dünnen Schichten. Insbesondere bei höheren Gasdrücken sind die Wachstumsbedingungen nicht so energetisch wie üblicherweise angenommen. Um eine Referenz für plasmaunterstützte Herstellungsprozesse von AlCrN, AlCrO oder vergleichbaren Schichten zu schaffen, wurde der normalerweise verwendete Gleichstrommodus des Lichtbogenplasmas im Detail untersucht und dokumentiert.Ein weiterer wichtiger Aspekt des Projektes war die Untersuchung des Einflusses der Kathodenzusammensetzung. Hierzu wurden die Plasmaeigenschaften von AlCr Mischelementkathoden mit dem Plasma von Kathoden aus reinem Al bzw. Cr verglichen. Der Einfluss beruht auf Phasenänderungen an der Kathodenoberfläche durch die Einwirkungen des Plasmas und auf Reaktionen zwischen dem Kathodenmaterial und Hintergrundgasen wie N2 oder O2. Auch wenn die gefundenen Auswirkungen auf die Plasmaeigenschaften geringer ausfallen als durch einen erhöhten Gasdruck, so ist ein Verständnis dieser Effekte für die Weiterentwicklung und Verbesserung der Herstellungsprozesse von dünnen Schichten von großer Bedeutung. Die erzielten Ergebnisse dienen hier als Ausgangsbasis für zukünftige Untersuchungen, die sich mit ausgewählten Effekten im Detail beschäftigen werden. Insgesamt gesehen ermöglicht ein verbessertes Verständnis der Eigenschaften von Lichtbogenplasmen eine effiziente und ökonomische Herstellung von dünnen Schichten mit optimierten Eigenschaften.