Innenbeschichtungsverfahren für feine Sacklochgeometrien mit Hilfe des Hohlkathodeneffekts

Abstract

Die Abscheidung von diamantartigen Kohlenstoffschichten in schmalen Sacklöchern mit einem Aspektverhältnis > 1 wird untersucht. Dabei dient das zu beschichtende Sackloch als Hohlkathode. Das Bauteil, welches das Sackloch enthält, wird an eine gepulste Gleichspannung angeschlossen. Das zur Plasmaerzeugung gewählte Gas ist Argon und wird dem Loch zentrisch zugeführt. Die Parameter werden so gewählt, dass ein Hohlkathodenplasma im gewünschten Modus entsteht. Tetramethylsilan und Acetylen werden dem Argonplasma in geringen Mengen zugeführt. Auf diese Weise kann das Bauteil von innen beschichtet werden. Das Plasma wird charakterisiert und sowohl plasmaphysikalisch als auch gasdynamisch eingeordnet. Die Eigenschaften der erzeugten Funktionsschichten werden zu charakteristischen Parametern in Bezug gesetzt und ein Skalierungs-gesetz der Sackloch-Hohlkathode wird mit Hilfe jener charakteristischen Parameter, die Ähnlichkeitseigenschaften bilden, definiert. Zur experimentellen Untersuchung des reinen Argonplasmas werden Strom-Spannungs-Charakteristiken und Zündspannungen aufgezeichnet sowie Hoch-geschwindigkeits-Aufnahmen des Plasmas im Sackloch und axiale Ablationsprofile angefertigt Die Entladungsmodi Glimmen und Hohlkathodenentladung werden mittels optischer Emissionsspektroskopie untersucht. Partikelsimulationen werden mit einem DSMC (Direct Simulation Monte Carlo) Verfahren durchgeführt. Zur Bestimmung sämtlicher Einlassparameter werden fehlende Daten durch experimentelle Untersuchungen ermittelt. Bei den Daten handelt es sich um die Gastemperatur des austretenden Plasmas, den Staudruck am Sackloch-Ende und der Verlustleistung durch Erwärmung der Hohlkathoden-Halterung. Des Weiteren werden die Simulationen verifiziert. Zum einen werden getroffene Annahmen mit den Ergebnissen abgeglichen (Strömungszustand, Schalldurchgänge und Druck) zum anderen wird eine Leistungsbilanz aufgestellt, an deren Ende die Elektronentemperatur abgeschätzt werden kann, welche zur Plausibilitätsprüfung herangezogen wird. Die Simulationen geben Aufschluss über Druck- und Teilchenverteilung in der Sackloch-Hohlkathode. Diese Daten finden Verwendung im Skalierungsgesetz und dienen vor allem dazu, zusammen mit den Daten aus den experimentellen Untersuchungen, einen Bezug zum Paschengesetz zu erarbeiten. Die erhaltenen Paschenbeziehungen liefern eine wertvolle Datenbasis für das Gesamtverständnis der beobachteten Plasmavorgänge in der Sackloch-Hohlkathode. Der Prozessschritt Ätzen zum Vorbereiten der Substratoberfläche wird mittels axialer Ablationsprofile optimiert. Die reaktiven Schritte Haftung und Funktion zum Auftragen der Schicht werden ebenfalls experimentell optimiert. Dazu werden die Schichtprüf-verfahren Haftungseindruck, Kalottenschliff, Mikrohärtetest und Schwingverschleiß-test eingesetzt. Ein weitreichendes Verständnis der Schichtbildung innerhalb solch einer Sackloch-Geometrie wird mit Hilfe der charakteristischen Größen erarbeitet. Zuletzt wird ein grobes Konzept für ein serientaugliches Verfahren erarbeitet. Hauptaugenmerk wird hierbei auf die Möglichkeit der optischen Prozessüberwachung gelegt, da diese aufgrund der geometrischen Unzugänglichkeit zum Plasma eine besondere Herausforderung darstellt. Dazu werden die emissionsspektroskopischen Untersuchungen verwendet und zusätzlich einfache Farbsensoren untersucht.