In der vorliegenden Arbeit werden die waehrend der reaktiven Vakuumbogenverdampfung ablaufenden Prozesse untersucht und eine modellmaessige Beschreibung des Gesamtprozesses entwickelt. Das Verfahren wird zur Herstellung von duennen Schichten zahlreicher chemischer Verbindungen, insbesondere von Hartstoffschichten auf der Basis der Karbide und Nitride der Uebergangsmetalle, genutzt. Entsprechend wurden in dieser Arbeit als Katodenmaterial Titan, Chrom und Zirkonium eingesetzt, als Reaktivgase Stickstoff und Methan. Zunaechst werden einige Grundlagen der Vakuumbogenverdampfung dargestellt, die fuer die Bearbeitung des Themas wesentlich sind. Anschliessend wird der Aufbau der fuer die Experimente genutzten Beschichtungsapparatur beschrieben. Im Hauptteil der Arbeit wird zuerst auf experimentellem Wege die Materialbilanz der Entladung bei Variation des Reaktivgasdruckes analysiert. Die Generation an Metalldampfplasma wird ueber die Katodenerosionsrate bestimmt, wobei sich beim Betrieb mit Stickstoff als Reaktivgas signifikante Unterschiede in der Druckabhaengigkeit der Katodenerosionsrate µ zwischen Titan bzw. Zirkonium einerseits und Chrom andererseits zeigen. Die Hypothese, dass hier die Ausbildung einer Verbindungsschicht an der Katodenoberflaeche den Erosionsprozess beeinflusst, wurde sowohl durch RBS-Messungen als auch durch Vergleichsexperimente mit einer massiven TiN-Katode bestaetigt. Weitere Auswirkungen derartiger Oberflaechenbedeckungen auf die Dynamik des Katodenbrennfleckes wurden durch Videountersuchungen am Beispiel Ti+N_2 nachgewiesen. Die Konsumtion des Reaktivgases waehrend der Entladung wird anhand der Gasfluss-Druck-Charakteristiken untersucht und das je nach Katodenmaterial unterschiedliche Gettervermoegen diskutiert. Direkte Informationen ueber den Stickstoffeinbau in die Schichten in Abhaengigkeit vom Reaktivgasdruck werden aus RBS-Untersuchungen an entsprechenden Probenserien gewonnen. Analoge Untersuchungen mit Methan als Reaktivgas fuehrten zu prinzipiell aehnlichen Resultaten. Mit den gewonnenen experimentellen Daten als Grundlage wurde ein Modell entwickelt, das die Materialbilanz der Vakuumbogenverdampfung mathematisch beschreibt. Hier wurden, ausgehend von einem fuer das reaktive Magnetronsputtern aufgestellten Modell, die Besonderheiten der stark lokalisierten Metalldampfgeneration bei der Vakuumbogenverdampfung beruecksichtigt. Die erreichte Uebereinstimmung der Modellkurven mit den experimentellen Daten zeigt, dass mit der Modellierung wesentliche Mechanismen bei der reaktiven Vakuumbogenverdampfung richtig erfasst wurden. Aus den Ergebnissen folgt, dass die Erzeugung von reaktionsfaehigen Stickstoffspezies an die Katodenerosion gekoppelt ist: erstens ueber die Erosion nitridbedeckter Oberflaechenbereiche und zweitens ueber die Wechselwirkung des Metalldampfplasmas mit dem Reaktivgas. Diese Wechselwirkungsprozesse werden durch Untersuchungen mit elektrischen Sondenmessungen sowie mittels optischer Emissionsspektroskopie (OES) naeher charakterisiert. Als wesentliches Ergebnis zeigt sich dabei, dass trotz der Unterschiede hinsichtlich des Verhaltens an der Katode bei Ti- bzw. Cr-Entladungen in Stickstoff Anregungs- und Ionisationsgrad des Reaktivgases praktisch gleich sind. Im Zusammenhang damit wird die Rolle von Ladungstransfer- und Anregungsprozessen infolge von Stoessen schneller Ionen mit Molekuelen und Neutralatomen diskutiert.

Eine wesentliche Voraussetzung für eine weitere Erhöhung der Speicherdichte von Magnetspeicherplatten ist, dass der Abstand zwischen den Schreib-Lese-Köpfen und der informationstragenden Magnetschicht der Platte von derzeit 20 nm weiter verringert wird. Dies bedeutet, dass die Deckschicht, die die magnetische Schicht der Platte und die Sensoren der Köpfe vor Korrosion und Verschleiß schützt, nicht dicker als 2 – 3 nm sein darf. Die bisher in der Festplattenfertigung magnetrongesputterten Kohlenstoffnitridschichten (CNx) bilden allerdings nur bis hinab zu einer Schichtdicke von etwa 4 nm eine ausreichend geschlossene Schicht und verlieren deshalb unterhalb dieser Grenze ihren Korrosionsschutz. Ein Beschichtungsverfahren, das auch im Sub-4-nm-Bereich noch ausreichend dicht geschlossene Schichten erzeugt ist die kathodische Vakuumbogenverdampfung (Cathodic Arc). Die mit diesem Verfahren abgeschiedenen amorphen Kohlenstoffschichten zeichnen sich zudem durch gute mechanische Eigenschaften aus. Dabei können die gegenüber den herkömmlichen Verfahren höher energetischen Teilchen viel tiefer in die oberste Atomlage eindringen und auf diese Weise eine eng mit der Unterlage verzahnte, dichte und glatte Schicht bilden. In der vorliegenden Arbeit wird eine gepulste Hochstrom-Bogenquelle zur Abscheidung von ultradünnen, harten Kohlenstoff-Schutzschichten auf Magnetspeicherplatten untersucht. Hierzu wurde eine speziell für diesen Einsatz modifizierte Hochstrom-Bogenquelle in eine Plattenfertigungsanlage bei IBM angeschlossen und in iterativen Schritten für einen kontinuierlichen Prozess einer industriellen Massenproduktion optimiert. Die Erzeugung eines homogen glatten Schichtdickenprofils über eine Substratoberfläche mit einem Durchmesser von 95mm konnte durch die Entwicklung eines magnetischen Multipolarrays erreicht werden. Die Partikelproblematik des Arc-Verfahrens konnte durch die Konstruktion und Optimierung eines magnetischen 120°-Plasmafilters, der die Partikel wirkungsvoll vom Plasmastrahl separiert, gelöst werden. Neben der technischen Weiterentwicklung der Hochstrom-Bogenquelle wurden die in der Produktionsumgebung erzeugten Kohlenstoffschichten hinsichtlich ihrer mechanischen und anwendungsspezifischen Eigenschaften untersucht und durch gezielte Wahl der Prozessparameter optimiert.

In der vorliegenden Arbeit werden die waehrend der reaktiven Vakuumbogenverdampfung ablaufenden Prozesse untersucht und eine modellmaessige Beschreibung des Gesamtprozesses entwickelt. Das Verfahren wird zur Herstellung von duennen Schichten zahlreicher chemischer Verbindungen, insbesondere von Hartstoffschichten auf der Basis der Karbide und Nitride der Uebergangsmetalle, genutzt. Entsprechend wurden in dieser Arbeit als Katodenmaterial Titan, Chrom und Zirkonium eingesetzt, als Reaktivgase Stickstoff und Methan. Zunaechst werden einige Grundlagen der Vakuumbogenverdampfung dargestellt, die fuer die Bearbeitung des Themas wesentlich sind. Anschliessend wird der Aufbau der fuer die Experimente genutzten Beschichtungsapparatur beschrieben. Im Hauptteil der Arbeit wird zuerst auf experimentellem Wege die Materialbilanz der Entladung bei Variation des Reaktivgasdruckes analysiert. Die Generation an Metalldampfplasma wird ueber die Katodenerosionsrate bestimmt, wobei sich beim Betrieb mit Stickstoff als Reaktivgas signifikante Unterschiede in der Druckabhaengigkeit der Katodenerosionsrate µ zwischen Titan bzw. Zirkonium einerseits und Chrom andererseits zeigen. Die Hypothese, dass hier die Ausbildung einer Verbindungsschicht an der Katodenoberflaeche den Erosionsprozess beeinflusst, wurde sowohl durch RBS-Messungen als auch durch Vergleichsexperimente mit einer massiven TiN-Katode bestaetigt. Weitere Auswirkungen derartiger Oberflaechenbedeckungen auf die Dynamik des Katodenbrennfleckes wurden durch Videountersuchungen am Beispiel Ti+N_2 nachgewiesen. Die Konsumtion des Reaktivgases waehrend der Entladung wird anhand der Gasfluss-Druck-Charakteristiken untersucht und das je nach Katodenmaterial unterschiedliche Gettervermoegen diskutiert. Direkte Informationen ueber den Stickstoffeinbau in die Schichten in Abhaengigkeit vom Reaktivgasdruck werden aus RBS-Untersuchungen an entsprechenden Probenserien gewonnen. Analoge Untersuchungen mit Methan als Reaktivgas fuehrten zu prinzipiell aehnlichen Resultaten. Mit den gewonnenen experimentellen Daten als Grundlage wurde ein Modell entwickelt, das die Materialbilanz der Vakuumbogenverdampfung mathematisch beschreibt. Hier wurden, ausgehend von einem fuer das reaktive Magnetronsputtern aufgestellten Modell, die Besonderheiten der stark lokalisierten Metalldampfgeneration bei der Vakuumbogenverdampfung beruecksichtigt. Die erreichte Uebereinstimmung der Modellkurven mit den experimentellen Daten zeigt, dass mit der Modellierung wesentliche Mechanismen bei der reaktiven Vakuumbogenverdampfung richtig erfasst wurden. Aus den Ergebnissen folgt, dass die Erzeugung von reaktionsfaehigen Stickstoffspezies an die Katodenerosion gekoppelt ist: erstens ueber die Erosion nitridbedeckter Oberflaechenbereiche und zweitens ueber die Wechselwirkung des Metalldampfplasmas mit dem Reaktivgas. Diese Wechselwirkungsprozesse werden durch Untersuchungen mit elektrischen Sondenmessungen sowie mittels optischer Emissionsspektroskopie (OES) naeher charakterisiert. Als wesentliches Ergebnis zeigt sich dabei, dass trotz der Unterschiede hinsichtlich des Verhaltens an der Katode bei Ti- bzw. Cr-Entladungen in Stickstoff Anregungs- und Ionisationsgrad des Reaktivgases praktisch gleich sind. Im Zusammenhang damit wird die Rolle von Ladungstransfer- und Anregungsprozessen infolge von Stoessen schneller Ionen mit Molekuelen und Neutralatomen diskutiert.

Eine wesentliche Voraussetzung für eine weitere Erhöhung der Speicherdichte von Magnetspeicherplatten ist, dass der Abstand zwischen den Schreib-Lese-Köpfen und der informationstragenden Magnetschicht der Platte von derzeit 20 nm weiter verringert wird. Dies bedeutet, dass die Deckschicht, die die magnetische Schicht der Platte und die Sensoren der Köpfe vor Korrosion und Verschleiß schützt, nicht dicker als 2 – 3 nm sein darf. Die bisher in der Festplattenfertigung magnetrongesputterten Kohlenstoffnitridschichten (CNx) bilden allerdings nur bis hinab zu einer Schichtdicke von etwa 4 nm eine ausreichend geschlossene Schicht und verlieren deshalb unterhalb dieser Grenze ihren Korrosionsschutz. Ein Beschichtungsverfahren, das auch im Sub-4-nm-Bereich noch ausreichend dicht geschlossene Schichten erzeugt ist die kathodische Vakuumbogenverdampfung (Cathodic Arc). Die mit diesem Verfahren abgeschiedenen amorphen Kohlenstoffschichten zeichnen sich zudem durch gute mechanische Eigenschaften aus. Dabei können die gegenüber den herkömmlichen Verfahren höher energetischen Teilchen viel tiefer in die oberste Atomlage eindringen und auf diese Weise eine eng mit der Unterlage verzahnte, dichte und glatte Schicht bilden. In der vorliegenden Arbeit wird eine gepulste Hochstrom-Bogenquelle zur Abscheidung von ultradünnen, harten Kohlenstoff-Schutzschichten auf Magnetspeicherplatten untersucht. Hierzu wurde eine speziell für diesen Einsatz modifizierte Hochstrom-Bogenquelle in eine Plattenfertigungsanlage bei IBM angeschlossen und in iterativen Schritten für einen kontinuierlichen Prozess einer industriellen Massenproduktion optimiert. Die Erzeugung eines homogen glatten Schichtdickenprofils über eine Substratoberfläche mit einem Durchmesser von 95mm konnte durch die Entwicklung eines magnetischen Multipolarrays erreicht werden. Die Partikelproblematik des Arc-Verfahrens konnte durch die Konstruktion und Optimierung eines magnetischen 120°-Plasmafilters, der die Partikel wirkungsvoll vom Plasmastrahl separiert, gelöst werden. Neben der technischen Weiterentwicklung der Hochstrom-Bogenquelle wurden die in der Produktionsumgebung erzeugten Kohlenstoffschichten hinsichtlich ihrer mechanischen und anwendungsspezifischen Eigenschaften untersucht und durch gezielte Wahl der Prozessparameter optimiert.