Modifiziertes Puls-Arc-Verfahren für industrielle Beschichtungsanlagen mit mehreren unabhängigen Verdampfern IPARC

Das Ziel der vorliegenden Arbeit bestand in der Erweiterung des modifizierten Puls-Arc-Verfahrens auf einen Betrieb mit mehreren unabhängigen Verdampfern. Für neben theoretischen Untersuchungen durchgeführte Messungen standen industrielle Beschichtungsanlagen zur Verfügung. Als Katodenmaterial wurden Ti und TiAl eingesetzt. Der erste Teil der Arbeit befasste sich mit der Auswahl eines geeigneten Schaltungskonzeptes zur effizienten Pulsstromversorgung mehrerer Verdampfer. Hierbei wurde davon ausgegangen, dass alle Verdampfer symmetrisch angesteuert werden sollen und der gesamte Beschichtungsprozess nicht von verlöschenden Lichtbögen kritisch beeinflusst werden darf. Aus dem Vergleich mehrerer Konzepte hat sich die zyklische Verteilung des Pulsstromes, der von einer Quelle bereitgestellt wird, als am besten geeignet erwiesen. Die Aufrechterhaltung der einzelnen Bogenentladungen wird während des gesamten Entladungsprozesses von DC-Grundstromquellen gewährleistet. Mit dem gewählten Leistungsteilkonzept können auch die unerwünschte Parallelschaltung von Katoden und die damit verbundenen Zündschwierigkeiten vermieden werden. Als technische Lösung für einen gleichzeitigen Betrieb von mehreren Verdampfern wurde eine Zentraleinheit mit transistorisiertem Pulsverteiler (Demultiplexer) ausgewählt. Im Weiteren wurde ein Überblick über die notwendigen physikalischen Anforderungen an die Puls- und Grundstromquellen gegeben, die sich aus den beschichtungsprozesstechnischen Vorgaben und den plasmaphysikalischen Eigenschaften des Lichtbogens ergeben. Diesen wurde eine Inverterpulsstromquelle mit zwei asymmetrischen Halbbrückenwechselrichtern in Parallelschaltung gerecht. Anschließend wurden mit der entwickelten Pulsstromversorgung an zwei Beschichtungsanlagen Prozessuntersuchungen durchgeführt. Sie beinhalteten Ionenstrommessungen mit statischen und rotierenden Sonden sowie die Bestimmung der Beschichtungsrate und der Dropletemission: Es wurde festgestellt, dass die Gesamtionenstromdichte aufgrund energiemindernder Zusammenstöße bis zu 25% kleiner als die Summe der partialen Ionenströme von 3 Katoden war. Der mit rotierenden Sonden untersuchte Einfluss der Pulsamplitude auf die mittlere Ionenstromdichte kann im Bereich bis 500 A als gering eingeschätzt werden. Die normierte Beschichtungsrate stieg durch die Erhöhung des mittleren Ionenstroms auf das Substrat beim gepulsten Prozess bis um den Faktor 2,6 für TiN-Beschichtungen und um den Faktor 2,1 für TiAlN-Beschichtungen gegenüber der DC-Arc-Beschichtung an. Eine im Puls-Modus gegenüber dem DC-Modus erhöhte Teilchenionisation im Zusammenhang mit relativ geringer Partikelproduktion war die Ursache für die sehr dichte Mikrostruktur der abgeschiedenen TiAlN-Schichten. Gegenüber konventionellen DC-Stromversorgungen bietet die für mehrere Verdampfer entwickelte Pulsstromversorgung den entscheidenden Vorteil, dass dropletarme Schichten bei kürzeren Beschichtungszeiten hergestellt werden können.