Magnetische Beeinflussung von Pulsprozessen bei Vakuumbogenentladungen

Abstract

Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung der magnetischen Beeinflussung eines modifizierten Puls-Arc-Prozesses. Dazu wurden externe statische und veränderliche Magnetfelder während dieses Arc-Beschichtungsprozesses angewendet. Es ergab sich dadurch eine Verfahrenskombination von Steered-Arc und modifiziertem Puls-Arc-Prozess. Mit dieser Verfahrenskombination wurde eine Vielzahl experimenteller Untersuchungen durchgeführt, die zu einem besseren Verständnis der Anwendung von externen Magnetfeldern zur Beeinflussung von Pulsprozessen bei Vakuumbogenentladungen führen soll. Es wurden Magnetfeldsimulationen durchgeführt, um ein resultierendes Magnetfeld für verschiedene geometrische Verhältnisse beim Einsatz von Permanentmagneten und Magnetspulen zu optimieren. Für die Verwendung einer Magnetspule war es weiterhin erforderlich, eine Stromversorgung zu entwickeln und aufzubauen. Da gepulste Prozesse eingesetzt wurden, war es gewünscht, mit Hilfe der Stromversorgung sowohl statische als auch gepulste Magnetfelder erzeugen zu können. Während der Grundstromphase wird das magnetische Feld benötigt, damit die Fußpunkte eine definierte Bahn einhalten und eine beschleunigte Bewegung ausführen. In der Impulsstromphase soll die Ausbreitung der Fußpunkte durch ein Magnetfeld nicht gestört werden. Beim magnetisch beeinflussten modifizierten Puls-Arc-Prozess bewegen sich die Fußpunkte in der Grundstromphase durch die Magnetfeldbeeinflussung auf einer Kreisbahn. Dadurch war der Ausgangspunkt für die Teilung der Fußpunkte in der folgenden Pulsstromphase festgelegt. Eine Fußpunktteilung in der Nähe des Targetrandes wurde verhindert und damit die Stabilität des Prozesses erhöht. Durch die Erhöhung der Geschwindigkeiten der Fußpunkte und damit einer Vermeidung lokaler Überhitzungen wurde eine Reduzierung der Dropletemission bei der Verfahrenskombination im Vergleich zum modifizierten Puls-Arc-Verfahren erreicht. Die Verfahrenskombination führt zu einer Veränderung der Emissionscharakteristik des modifizierten Puls-Arc-Verfahrens. Die für einen Pulsprozess typische starke Fokussierung des Plasmas wird durch die Wirkung des Magnetfeldes abgeschwächt. Eine Erhöhung der Beschichtungrate durch die Verfahrenskombination im Vergleich zum Random-Arc konnte ebenfalls festgestellt werden. Es konnte weiterhin beobachtet werden, dass die Anwendung eines auf den Bogenstrom synchronisierten Magnetfeldes eine Steigerung der Beschichtungsrate im Vergleich zu einem permanent wirkenden Magnetfeld bewirkte.

This work deals with magnetic influence on a modified pulsed arc process. For that reason static and variable external magnetic fields were imposed on the arc during arc coating process. This results in a process combination of steered arc and modified pulsed arc. The investigations contributed to a better understanding of magnetically influenced pulse arc processes. Magnetic field simulations were carried out in order to optimise resulting magnetic fields for different geometrical conditions and use of permanent magnets and solenoids. For the application of solenoids a current supply was developed and realised. Depending on the solenoid's supply static or pulsed magnetic fields were generated. During the basic current phase a magnetic field is required in that way that spots stay on a defined path and move at an increased speed. During the pulse current phase the diversion of the spots should not be disturbed by a magnetic field. In the base current phase the spots move on a circular track. The starting point for the spot splitting in the subsequent pulse current phase was defined through the circular movement. A spot splitting near target edge was prevented. That is how the stability of the process was elevated. Local overheating on the target surface was avoided through the accelerated spot movement. Also, a higher spot velocity is reached by the process combination. This leads to a droplet emission reduction. Moreover, the process combination leads to an altered emission characteristic of the modified pulsed arc process. The strong plasma focussing, typical for a pulse process, is weakened under the influence of a magnetic field. A rise of the deposition rate through the process combination in comparison to the random arc was recognised. Furthermore the utilisation of a variable magnetic field synchronised with the arc current leads to an increase of the deposition rate in comparison to a permanent magnetic field.