Vakuumlichtbogenplasma von intermetallischen und Verbundwerkstoff-NbAl-Kathoden

Dünne funktionale Schichten, die mittels physikalischer Gasphasenabscheidung hergestellt werden, sind heutzutage ein integraler Bestandteil in vielen verschiedenen Anwendungs- gebieten. Häufig wird hierbei die Lichtbogenverdampfung als Herstellungsmethode eingesetzt, da mit ihr eine große Palette unterschiedlicher Materialien abgeschieden werden kann. Beispiele sind metallische Schichten sowie Nitride, Karbide und Oxide, falls ein reaktives Hintergrundgas benutzt wird. 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 konzentrierte sich hingegen bisher auf Untersuchungen von Reinelementkathoden und nur wenige Arbeiten zu den Eigenschaften von Mischelementkathoden sind verfügbar. Das vorliegende Projekt hat zum Ziel, intermetallische und Verbundwerkstoffkathoden im System NbAl näher zu erforschen, um Korrelationen zwischen den Plasma- und Materialeigenschaften zu identifizieren. Von besonderem Interesse ist hierbei die sogenannte Kohäsionsenergieregel, die für Reinelementkathoden unter Einbeziehung fast aller metallischen Elemente im Periodensystem aufgestellt wurde. Die Bindungs- oder Kohäsions- energie der Atome in den Kathoden konnte mit Eigenschaften des Lichtbogenplasmas, wie z.B. des mittleren Ladungszustandes, der Elektronentemperatur und der Ionenenergie, verknüpft werden. Die Untersuchung der NbAl-Kathoden ist so angelegt, dass sie eine Aussage, in welcher Art und Weise die Kohäsionsenergieregel auf Mischelementkathoden erweitert werden kann, erlaubt. Theoretische Berechnungen der Kohäsionsenergie der inter- metallischen NbAl-Phasen werden direkt mit den Plasmaeigenschaften verglichen, wenn diese Kathoden im Einsatz sind. Die Verbundwerkstoff-NbAl-Kathoden werden untersucht, da sich die Phasenzusammensetzung an der Oberfläche durch die Einwirkungen des Plasmas ändert. Hierbei sollen die Zusammenhänge, die für die intermetallische Kathoden gefunden wurden, angewandt werden. Es steht zu erwarten, dass diese Korrelationen auch für andere Materialsysteme adaptiert werden können und somit ein grundlegendes Verständnis der Wechselbeziehungen zwischen den Materialeigenschaften der Mischelementkathoden und den Lichtbogenplasmaeigenschaften erreicht werden kann. Dieses Wissen ist von großem Interesse für die weitere Optimierung der Gestaltung von Kathoden und Beschichtungs- quellen, welche für die Herstellung von neuen Dünnschichtmaterialien mit neuen oder verbesserten Eigenschaften eingesetzt werden können.

Die Ergebnisse des durchgefuhrten Projektes beschreiben ein sehr umfangreiches Bild der Eigenschaften in den Lichtbogenplasmen von NbAl Mischelementkathoden. Auch wenn derartige Mischelementkathoden haufig fur die Abscheidung dunner funktionaler Schichten eingesetzt werden, so ist das Verstandnis der Abscheideprozesse noch immer recht begrenzt. Dies betrifft insbesondere mogliche Auswirkungen von Anderungen in der Phasenzusammensetzung auf der Kathodenoberflache durch die Einwirkungen des Plasmas auf die Eigenschaften desselben. Solche Anderungen treten vor allem bei Verbundwerkstoffkathoden auf, wo die normalerweise getrennt vorliegenden Elemente intermetallische Phasen bilden. Detaillierte Untersuchungen der Plasmen von rein intermetallischen sowie von Verbundwerkstoffkathoden im System NbAl haben eine nicht-lineare Anderung der Plasmaeigenschaften wie Entladespannung, des mittleren Ladungszustandes und der Ionenenergie mit Anderung der Kathodenzusammensetzung gezeigt. Dies ist im Gegensatz zu einer erwarteten linearen Anderungen, welche sich aus Berechnungen der Kohasionsenergie der intermetallischen NbAl-Phasen mittels ab initio Methoden und der Anwendung der sogenannten Kohasionsenergieregel, welche fur Reinelementkathoden aufgestellt wurde, ergab. Aus diesem Grund konnte geschlussfolgert werden, dass die Kohasionsenergieregel nicht einfach auf Mischelementkathoden erweitert werden kann, sondern weitere Effekte, die die Energiebilanz der Lichtbogenentladung beeinflussen, berucksichtigt werden mussen. Die Energiebilanz sollte hierbei zum Beispiel durch die exotherme Reaktion von Nb und Al bei der Bildung der intermetallischen Phasen NbAl3 oder Nb2 Al beeinflusst werden. Das bedeutet, dass die Phasenzusammensetzung und Prozesse zur Bildung einer oberflachennahen Schicht auf den erodierten Mischelementkathoden von großerer Bedeutung fur die Ausbildung bestimmter Plasmaeigenschaften sind als dies fur Reinelementkathoden der Fall ist. Daruber hinaus wurde die zeitliche Entwicklung der Plasmaeigenschaften in gepulsten Lichtbogenentladungen mittels einer vor kurzem etablierten Untersuchungsmethode im Detail analysiert. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen deutlich die Bedeutung von Stoßen mit Ladungsaustausch nach der Zundung des Plasmas, die die allgemeinen Plasmaeigenschaften im Vakuum sowie in Gegenwart eines Hintergrundgases wie Ar entscheidend beeinflussen. Insgesamt gesehen leisten die erhaltenen Ergebnisse einen Beitrag zu einem besseren Verstandnis des Lichtbogenplasmas von Mischelementkathoden, was wiederum die weitere Optimierung der Gestaltung von Kathoden und Beschichtungsquellen ermoglicht, welche fur die Herstellung von neuen Dunnschichtmaterialien mit neuen oder verbesserten Eigenschaften eingesetzt werden konnen.