Simultan betriebene Hohlkathodenentladungen zur Deposition von wasserstoffhaltigen amorphen Kohlenstoffschichten in Sacklochgeometrien

Ein neuartiges Beschichtungsverfahren für die industrielle Anwendung zur simultanen Beschichtung von vier Sacklöchern mit einem Aspektverhältnis von » 1 mit amorphen wasserstoffhaltigen Kohlenstoffschichten wird entwickelt und untersucht. Der Hohlkathodeneffekt wird ausgenutzt, um innerhalb der Kavitäten mit einem Durchmesser von 4 mm und einer Läge von 27 mm Hohlkathodenentladungen zu betreiben. Zur Erzeugung der vier Hohlkathodenentladungen wird lediglich ein Netzteil verwendet. Durch die Hinzugabe von Reaktanten zur Hohlkathodenentladung lassen sich hohe Depositionsraten von bis zu 500 µm/h erzielen.
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Das Zündverhalten für die simultan betriebenen Hohlkathodenentladungen wird ermittelt und ein Prozessfenster identifiziert. Ferner wird der Bereich, in dem ein stabiles Plasma erzeugt und verwendet werden kann, gefunden. Eine in-situ optische Emissionsspektroskopie wird verwendet, um die Prozesse in der Hohlkathodenentladung zu bestimmen. Es werden Hohlkathodenentladungen sowohl mit Argon als auch mit einem Reaktanten-Argon-Gasgemisch untersucht. Weiterhin werden an unterschiedlichen Positionen in der Hohlkathodenentladung optische Emissionsspektroskopie aufgenommen und die Mechanismen in der Hohlkathodenentladung diskutiert.
Zur Untersuchung der Schichteigenschaften werden Schichten mit verschiedenen Reaktanten (Methan, Acetylen, Butan und Tetramethylsilan) abgeschieden. Der Schichtaufbau wird mittels Raman-Spektroskopie untersucht und im Kontext mit den Ergebnissen der optischen Emissionsspektroskopie diskutiert. Es stellt sich heraus, dass mit dieser Technologie amorphe wasserstoffhaltige Kohlenstoffschichten mit Schichthärten zwischen 5 GPa und 20 GPa erzeugt werden können. Bedingt durch starke, lokale Unterschiede im Ionisierungsgrad und in den Ladungsträgern weisen die erzeugten Schichten inhomogene Schichtdicken und Schichteigenschaften auf. Die homogensten Schichten können mit dem Reaktanten Acetylen oder Tetramethylsilan hergestellt werden. Durch eine Prozessoptimierung kann die Homogenität der Beschichtung stark verbessert werden. Ein hoher Gasfluss und ein relativ geringer Ionisationsgrad wirken sich positiv auf die Homogenität sowohl der Schichtdicke als auch der Schichthärten aus.
Die simultane Beschichtung konnte erfolgreich nachgewiesen werden. Es zeigt sich jedoch, dass es Unterschiede im Plasmazustand der einzelnen Hohlkathodenentladungen gibt, die sich negativ auf die Homogenität der Schichteigenschaften auswirkt. Die Nutzung eines Netzteils verursacht Unterschiede in der Lastimpedanz der einzelnen Entladungen. Durch ein geeignetes Anpassungsnetzwerks kann das Problem der Lastimpedanz gelöst werden.

A new coating technology for industrial applications has been developed and tested. Four blind holes with an aspect ratio of » 1 can be coated simultaneously with an amorphous hydrogenated carbon film. For that, the hollow cathode effect is used to operate a hollow cathode discharge within the cavities with a diameter of 4 mm and a length of 27 mm. A single power supply is used to operate all four hollow cathode discharges. By inserting a precursor to the hollow cathode discharge high depositions rates up to 500 µm/h can be achieved.
The ignition of the four hollow cathode discharges is investigated and a process area identified. ... mehrFurthermore, the process area to sustain stable hollow cathode discharges is determined. In-situ optical emission spectroscopy is used to identify the processes in the hollow cathode discharges. Both argon discharges and discharges with a precursor argon mixture have been investigated. In addition, optical emission spectroscopy has been performed at different positions in the hollow cathode discharge and the plasma mechanism in the hollow cathode are discussed.
To investigate the film properties, amorphous carbon films are deposited by using different reactants (methane, acetylene, butane, tetramethylsilan). The film structure is investigated with Raman spectroscopy and the results are discussed in context of the measurement of the optical emission spectroscopy. It turns out, that this technology can be used to generate amorphous hydrogenated carbon films with a hardness of the coatings between 5 GPa and 20 GPa. Because of strong and local differences in the degree of ionization and charge carrier densities, the generated films have inhomogeneous film thicknesses and film properties. The most homogeneous films can be achieved by using the precursor acetylene or tetramethylsilan. By a process optimization the homogeneity of the films can be further improved. It shows that the most positive effect can be achieved by increasing the gas flow rate and a relative small ionization degree, which improves both the film thickness and the film hardness.
The simultaneous coating of in four blind holes could be demonstrated. It turns out, that there are differences in the plasma state of each hollow cathode, which results in further differences in the film properties. By the use of a single power supply, there are differences in the electric impedance in each hollow cathode discharges. however, a matchbox could solve the problem of the electrical impedance.