Die vorliegende Dissertation behandelt Charakterisierung, Modellbildung sowie Anwendung einer magnetfeldgestützten Hohlkathoden-Bogenentladung. Hohlkathoden sind seit den 1960er Jahren Gegenstand grundlagen- sowie anwendungsorientierter Forschung und werden seit 20 Jahren am Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik für die Anwendung auf dem Gebiet der Vakuumbeschichtung weiterentwickelt. Ziel dieser Arbeit ist es, die technologischen Fortschritte physikalisch zu verstehen und gezielte Weiterentwicklungen für spezifische Einsatzgebiete zu ermöglichen. In der untersuchten Hohlkathodenbauform ist das aus Tantal bestehende, vom Arbeitsgas Argon durchströmte Kathodenröhrchen koaxial von einer Ringanode sowie von einer Magnetfeldspule umgeben. Die Entladung wird durch Hochspannungspulse gezündet, worauf sich ein diffuser Bogen im Röhrchen (internes Plasma) ausbildet. Das Röhrchen wird von Plasmaionen auf hohe Temperaturen geheizt, die eine thermionische Emission von Elektronen ermöglichen, welche das Plasma speisen. Das technologisch nutzbare externe Plasma wird im Vakuumrezipienten durch Wechselwirkung der Gasteilchen mit Strahlelektronen aus der Kathode erzeugt. Bei starker Reduktion des Arbeitsgasflusses wird die Entladung durch das Magnetfeld der Spule stabilisiert. Der experimentelle Befund, dass dadurch Plasmadichte und -reichweite sowie ggf. die Ladungsträgerenergien im Rezipienten aufgrund des intensiveren Elektronenstrahls wesentlich gesteigert werden können, wird durch ortsaufgelöste Langmuir-Sondenmessung, optische Emissionsspektroskopie und energieaufgelöste Massenspektrometrie ausführlich belegt und nach der Lösung von Strom- und Wärmebilanzgleichungen durch die Verhältnisse im Kathodenröhrchen begründet. Neben Argon werden auch typische Reaktivgase der Vakuumbeschichtung im Hohlkathodenplasma betrachtet: zum einen Stickstoff und Sauerstoff, die in reaktiven PVD-Prozessen (physikalische Dampfphasenabscheidung) zur Beschichtung mit Oxid- bzw. Nitridschichten zum Einsatz kommen und durch Ionisation, Dissoziation und Anregung im Hohlkathodenplasma verbesserte Schichteigenschaften ermöglichen; zum anderen Azetylen, das bei PECVD (plasmagestützte chemische Dampfphasenabscheidung) von amorphen wasserstoffhaltigen Kohlenstoffschichten z. B. für tribologische oder biokompatible Beschichtungen genutzt wird. Azetylen wird durch Streuprozesse mit Elektronen und Ionen im Plasma aufgespalten, wodurch schichtbildende Spezies erzeugt werden, die am Substrat kondensieren. Durch die Wahl der Plasmaparameter sowie durch abgestimmte Substratbiasspannung und Substratkühlung lassen sich die Beschichtungsrate einstellen sowie polymer-, graphit- oder diamantartige Eigenschaften erzielen. Neben der Plasmadiagnostik mittels energieaufgelöster Massenspektrometrie werden die erzeugten Kohlenstoffschichten vorgestellt und hinsichtlich Härte, Zusammensetzung und Morphologie analysiert. / In the present thesis, characterization, modeling and application of a magnetically enhanced hollow cathode arc discharge are presented. Since the 1960s, hollow cathodes are being studied in basic and applied research. At Fraunhofer Institute for Electron Beam and Plasma Technology, further development concerning the application in vacuum coating technology has been carried out for about twenty years. The present work targets on physically understanding the technological progress in order to enable specific further development and application. In the investigated hollow cathode device, a ring-shaped anode and a magnetic field coil are arranged coaxially around the tantalum cathode tube, which is flown through by argon as the working gas. The discharge is ignited by high voltage pulses establishing a diffuse arc within the cathode tube (internal plasma). The cathode is being heated by the plasma ions to high temperatures, which leads to thermionic emission of electrons sustaining the plasma. The external plasma in the vacuum chamber, which can be used for technological applications, is generated by collisions of gas atoms with beam electrons originating from the cathode. In the case of strongly reduced working gas flow, the discharge is stabilized by the magnetic field of the coil; the related experimental findings such as significantly increased plasma density and range as well as higher charge carrier energies in the external plasma are extensively proved by spatially resolved Langmuir probe measurements, optical emission spectroscopy, and energy-resolved ion mass spectrometry. Furthermore, the results are correlated to the conditions within the cathode tube by solving the current and heat balance equations. Besides argon, typical reactive gases used in vacuum coating are examined in the hollow cathode plasma, too. First, nitrogen and oxygen, which are applied in PVD (physical vapor deposition) processes for the deposition of oxide and nitride layers, are ionized, dissociated, and excited by plasma processes. In the case of practical application, this plasma activation leads to improved film properties. Second, acetylene is used as a precursor for PECVD (plasma-enhanced chemical vapor deposition) of amorphous hydrogenated carbon films, e.g. for tribological or biocompatible applications. Acetylene is cracked by electron and ion scattering in the plasma providing film-forming species to be deposited on the substrate. The deposition rate as well as the polymeric, graphitic, or diamond-like properties can be controlled by plasma parameters, a defined substrate bias, and substrate cooling. The hollow cathode-generated acetylene plasma has been characterized by energy-resolved ion mass spectrometry, and the carbon films obtained are analyzed regarding hardness, film composition, and morphology.

Die vorliegende Dissertation behandelt Charakterisierung, Modellbildung sowie Anwendung einer magnetfeldgestützten Hohlkathoden-Bogenentladung. Hohlkathoden sind seit den 1960er Jahren Gegenstand grundlagen- sowie anwendungsorientierter Forschung und werden seit 20 Jahren am Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik für die Anwendung auf dem Gebiet der Vakuumbeschichtung weiterentwickelt. Ziel dieser Arbeit ist es, die technologischen Fortschritte physikalisch zu verstehen und gezielte Weiterentwicklungen für spezifische Einsatzgebiete zu ermöglichen. In der untersuchten Hohlkathodenbauform ist das aus Tantal bestehende, vom Arbeitsgas Argon durchströmte Kathodenröhrchen koaxial von einer Ringanode sowie von einer Magnetfeldspule umgeben. Die Entladung wird durch Hochspannungspulse gezündet, worauf sich ein diffuser Bogen im Röhrchen (internes Plasma) ausbildet. Das Röhrchen wird von Plasmaionen auf hohe Temperaturen geheizt, die eine thermionische Emission von Elektronen ermöglichen, welche das Plasma speisen. Das technologisch nutzbare externe Plasma wird im Vakuumrezipienten durch Wechselwirkung der Gasteilchen mit Strahlelektronen aus der Kathode erzeugt. Bei starker Reduktion des Arbeitsgasflusses wird die Entladung durch das Magnetfeld der Spule stabilisiert. Der experimentelle Befund, dass dadurch Plasmadichte und -reichweite sowie ggf. die Ladungsträgerenergien im Rezipienten aufgrund des intensiveren Elektronenstrahls wesentlich gesteigert werden können, wird durch ortsaufgelöste Langmuir-Sondenmessung, optische Emissionsspektroskopie und energieaufgelöste Massenspektrometrie ausführlich belegt und nach der Lösung von Strom- und Wärmebilanzgleichungen durch die Verhältnisse im Kathodenröhrchen begründet. Neben Argon werden auch typische Reaktivgase der Vakuumbeschichtung im Hohlkathodenplasma betrachtet: zum einen Stickstoff und Sauerstoff, die in reaktiven PVD-Prozessen (physikalische Dampfphasenabscheidung) zur Beschichtung mit Oxid- bzw. Nitridschichten zum Einsatz kommen und durch Ionisation, Dissoziation und Anregung im Hohlkathodenplasma verbesserte Schichteigenschaften ermöglichen; zum anderen Azetylen, das bei PECVD (plasmagestützte chemische Dampfphasenabscheidung) von amorphen wasserstoffhaltigen Kohlenstoffschichten z. B. für tribologische oder biokompatible Beschichtungen genutzt wird. Azetylen wird durch Streuprozesse mit Elektronen und Ionen im Plasma aufgespalten, wodurch schichtbildende Spezies erzeugt werden, die am Substrat kondensieren. Durch die Wahl der Plasmaparameter sowie durch abgestimmte Substratbiasspannung und Substratkühlung lassen sich die Beschichtungsrate einstellen sowie polymer-, graphit- oder diamantartige Eigenschaften erzielen. Neben der Plasmadiagnostik mittels energieaufgelöster Massenspektrometrie werden die erzeugten Kohlenstoffschichten vorgestellt und hinsichtlich Härte, Zusammensetzung und Morphologie analysiert. / In the present thesis, characterization, modeling and application of a magnetically enhanced hollow cathode arc discharge are presented. Since the 1960s, hollow cathodes are being studied in basic and applied research. At Fraunhofer Institute for Electron Beam and Plasma Technology, further development concerning the application in vacuum coating technology has been carried out for about twenty years. The present work targets on physically understanding the technological progress in order to enable specific further development and application. In the investigated hollow cathode device, a ring-shaped anode and a magnetic field coil are arranged coaxially around the tantalum cathode tube, which is flown through by argon as the working gas. The discharge is ignited by high voltage pulses establishing a diffuse arc within the cathode tube (internal plasma). The cathode is being heated by the plasma ions to high temperatures, which leads to thermionic emission of electrons sustaining the plasma. The external plasma in the vacuum chamber, which can be used for technological applications, is generated by collisions of gas atoms with beam electrons originating from the cathode. In the case of strongly reduced working gas flow, the discharge is stabilized by the magnetic field of the coil; the related experimental findings such as significantly increased plasma density and range as well as higher charge carrier energies in the external plasma are extensively proved by spatially resolved Langmuir probe measurements, optical emission spectroscopy, and energy-resolved ion mass spectrometry. Furthermore, the results are correlated to the conditions within the cathode tube by solving the current and heat balance equations. Besides argon, typical reactive gases used in vacuum coating are examined in the hollow cathode plasma, too. First, nitrogen and oxygen, which are applied in PVD (physical vapor deposition) processes for the deposition of oxide and nitride layers, are ionized, dissociated, and excited by plasma processes. In the case of practical application, this plasma activation leads to improved film properties. Second, acetylene is used as a precursor for PECVD (plasma-enhanced chemical vapor deposition) of amorphous hydrogenated carbon films, e.g. for tribological or biocompatible applications. Acetylene is cracked by electron and ion scattering in the plasma providing film-forming species to be deposited on the substrate. The deposition rate as well as the polymeric, graphitic, or diamond-like properties can be controlled by plasma parameters, a defined substrate bias, and substrate cooling. The hollow cathode-generated acetylene plasma has been characterized by energy-resolved ion mass spectrometry, and the carbon films obtained are analyzed regarding hardness, film composition, and morphology.