Untersuchungen zum Vakuumbogen-Verdampfungsverhalten von modifizierten Grafitkathoden und Einfluss auf die Partikel-induzierten Defekte in abgeschiedener (t)a-C-Schichten mit und ohne Dotierstoff

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christoph Leyens
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 533771949

Unter den Verfahren der Dünnschicht-PVD-Abscheidung spielt das Vakuumbogen- bzw. Arc-Verfahren bei der Abscheidung harter und verschleißschützender Schichten für Werkzeug- und Bauteilanwendungen eine herausragende Rolle. Der Hauptvorteil ist neben dem Vorliegen eines nahezu vollständig ionisierten, hochenergetischen Beschichtungsplasmas eine robuste Verdampfertechnik, die eine stabile und effiziente Prozessführung bei der industriellen Abscheidung der Schichten erlaubt. Eine Sonderrolle nehmen dabei die durch Arc-Verfahren hergestellten superharten, tetraedrisch amorphen Kohlenstoffschichten (ta-C) ein. Durch ihre nahezu universell günstigen tribologischen Eigenschaften finden sie in immer mehr Anwendungen ihre Verbreitung. Bei allen genannten Vorteilen der Arc-Verfahren haben diese auch einen inhärenten Nachteil, nämlich die Droplet- bzw. Partikelemission, die untrennbar mit dem Austrittsprozess am Fußpunkt des Lichtbogens aus dem verdampften Kathodenmaterial zusammenhängt. Bei ta-C-Schichten ist dieses Phänomen besonders ausgeprägt zu beobachten und führt in den abgeschiedenen Schichten zu Defekten und harten Rauheitsspitzen, welche die Schichten für viele Anwendungen unbrauchbar machen bzw. einen hohen Aufwand in der Nachglättung der Schichten erfordern. Ein grundlegend neuer Aspekt in diesem Zusammenhang ist in jüngsten Arbeiten aufgezeigt worden: In Untersuchungen mit geringen Element-Beimischungen (5 at%) zu Grafit-Kathoden wurden dotierte ta-C-Schichten erzeugt, die eine z.T. erhebliche, bis zu einem Faktor 10 niedrigere partikelinduzierte Defektdichte aufwiesen. Dieser Umstand ist dahingehend erstaunlich, dass die verdampften Kathoden immer noch zu 95% aus Graphit bestanden. Es zeigten sich Element-abhängig große Unterschiede bei der Partikelreduzierung. So bewirkten B und Mo eine sehr starke, Si hingegen nahezu keine Veränderung der Partikel-induzierten Defektdichte. Das Phänomen der Partikelreduzierung in ta C(:X)-Schichten durch Dotierstoffe ist ein bisher unverstandenes, wissenschaftlich interessantes Phänomen, das gründlich untersucht und verstanden werden sollte. Die übergeordnete Zielstellung dieses Forschungsvorhabens besteht darin ein Verständnis zu entwickeln, welche die maßgeblichen Einflussfaktoren auf die Entstehung von Partikeln bei der Arc-Verdampfung von Grafit und Komposit-Grafitkathoden sowie bei deren Einbau in die wachsenden (t)a-C:X-Schichten sind. Es sollen die Prozesse und Phänomene an der Kathode, im Plasma und beim Schichtwachsum analysiert und im Zusammenhang betrachtet werden um die entscheidenden Einflüsse auf die Partikelreduktion in dotierten ta-C-Schichten zu verstehen und daraus geeignete Modellvorstellungen abzuleiten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen