Die besonderen Bedingungen der Abscheidung von diamantähnlichen Kohlenstoffschichten in Hohlkathodenanordnungen mit hohen Aspektverhältnissen

Benkenstein, Andreas

In dieser Arbeit wurde eine Hohlkathodenentladung (engl.: hollow cathode discharge, kurz HCD) und die damit erzeugte diamantartige Kohlenstoffschicht (engl.: diamond-like carbon, kurz DLC) in einer Sacklochgeometrie untersucht. Das Hauptziel war die Erarbeitung eines Grundlagenverständnisses über die Wirkmechanismen bei der Plasmagenerierung und der DLC-Beschichtung. Aufbauend auf die Analyse der Gasdruckverteilung und des Anregungssignals wurden Spannungs-Strom-Charakteristiken unter Argonatmosphäre bestimmt. Die Einflüsse auf die Schichteigenschaften wie Wachstumsraten, sowie Schichtdickenprofile und Schichthärte auf der Probenlängsachse konnten messtechnisch identifiziert werden. Nachdem die Einflussgrößen und Mechanismen in den einzelnen HCD-Zonen identifiziert und analysiert wurden, werden die Prozesse zur Beschichtung von Sacklochgeometrien beherrscht. Aufbauend auf den Ergebnissen können die Parameter der Beschichtung in einer Sacklochgeometrie gezielt verändert werden.

A hollow cathode plasma discharge (HCD) inside a blind hole has been evaluated con-cerning its electrical properties and its plasma stability. Moreover, this plasma has been used as a source for amorphous diamond-like carbon coatings (DLC). The experimental setup was an electrically contacted steel body that was isolated to the ground potential. The gases Argon, Acetylene and Tetramethylsilane were supplied via a ceramic capillary. The capillary has been moved from outside until the inner end of the blind hole. The electrical power supply provided a rectangular pulsed DC signal with a frequency of 200 kHz. The technical scope was to build up knowledge about the cause effect relations of the plasma ignition and the DLC coatings. Based on analysis of axial distribution of gas pressure and the electrical signal subse-quently voltage-current-characteristics were performed. It was revealed that there are three different ranges in voltage-current-characteristics: the abnormal glow discharge, the hollow cathode discharge and the transition to arc discharges. Afterwards, a reference process were developed to coat the steel substrate with amor-phous diamond-like carbon coatings. A bombardment with Argon during pre-treatment were used to clean the surface from oxides. The increase of electrical power as a con-sequence of increased voltage had a strong effect on coating adhesion. Additionally, a re-deposited thin layer made of substrate material were experimentally verified as a mayor effect on good coating adhesion. The growth rate and hardness were evaluated during coating experiments as axial dis-tributions on specimen. It was revealed that the axial distribution of coating growth have a strong dependency of the capillary position. The voltage, gas pressure and gas composition were identified as the main parameters during the DLC coating step if capillary position is fixed. While the capillary was inside the sample a distinction between remote and active hollow cathode discharge could be identified. According to findings and analysis of parameters and mechanisms in different modes and ranges of HCD the coating process in blind holes can be controlled. Furthermore the parameters of coatings can be tailored in respect of condition for stable HCD.

In dieser Arbeit wurde eine Hohlkathodenentladung (engl.: hollow cathode discharge, kurz HCD) und die damit erzeugte diamantartige Kohlenstoffschicht (engl.: diamond-like carbon, kurz DLC) in einer Sacklochgeometrie untersucht. Es wurde eine keramische Kapillare zur Gasführung verwendet, welche über eine Positionierungsstrecke von au-ßerhalb des Sacklocheinganges bis nahe an das innere Sacklochende verfahren wurde. Zur elektrischen Anregung wurde eine gepulste Gleichspannung mit einer Frequenz von 200 kHz direkt an den Probenkörper angeschlossen. Das Hauptziel war die Erarbeitung eines Grundlagenverständnisses über die Wirkmechanismen bei der Plasmagenerierung und der DLC-Beschichtung. Aufbauend auf die Analyse der Gasdruckverteilung und des Anregungssignals wurden Spannungs-Strom-Charakteristiken unter Argonatmosphäre bestimmt. Dabei konnte die Spannungs-Strom-Charakteristik in drei Bereiche unterteilt werden: die anormale Glimmentladung, die Hohlkathodenentladung und ein Übergang zur Lichtbogenentladung. Anhand eines Referenzprozesses wurden DLC-Schichten hergestellt. Die Haupteinflussgrößen elektrische Spannung und Gasdruck wurden während des Argonbombardements zur Plasmafeinreinigung in Bezug auf die Schichthaftung untersucht. Eine Verbesserung der Schichthaftung konnte durch die mit der Spannungssteigerung einhergehende Leistungserhöhung beobachtet werden. Der positive Effekt einer Re-Depositionsschicht aus Kathodenmaterial auf die Schichthaftung konnte nachgewiesen werden. Die Einflüsse auf die Schichteigenschaften wie Wachstumsraten, sowie Schichtdickenprofile und Schichthärte auf der Probenlängsachse konnten messtechnisch identifiziert werden. Die Schichtbereiche mit unterschiedlichen Wachstumsraten hängen stark von der Kapillarenposition ab. In weiteren Beschichtungsexperimenten wurden der Gesamtdruck, die elektrische Anregungsspannung und das Verhältnis aus Reaktivgas und Arbeitsgas variiert. Eine Unterscheidung von Bereichen nach Druck und aktiver Kathodenfläche in der Hohlkathode bei eingefahrener Kapillare konnte vorgenommen werden. Nachdem die Einflussgrößen und Mechanismen in den einzelnen HCD-Zonen identifiziert und analysiert wurden, werden die Prozesse zur Beschichtung von Sacklochgeometrien beherrscht. Aufbauend auf den Ergebnissen der Arbeit können die Parameter der Beschichtung in einer Sacklochgeometrie gezielt verändert werden.

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Benkenstein, Andreas: Die besonderen Bedingungen der Abscheidung von diamantähnlichen Kohlenstoffschichten in Hohlkathodenanordnungen mit hohen Aspektverhältnissen. Ilmenau 2019.

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