Investigation of surface defects on doped and undoped carbon coatings deposited by Laser Arc Technology using an optical surface quantification method

Makropartikel, die bei der kathodischen Vakuumbogen-Verdampfung von graphitischen Kohlenstoffkathoden zwangsläufig entstehen, stellen eine prozessbedingte Störgröße dar. Während der Bauteilbeschichtung werden bereits abgeschiedene Partikel in die wachsende Schicht eingebaut sowie fortlaufend neu auf der Oberfläche angelagert. Es entsteht dabei eine charakteristische Fehlerwachstumsstruktur, welche sich in einer Partikelflächenbelegung sowie einer Rauheit widerspiegelt. Die Analyse der Partikelflächenbelegung hilft, die prozessbedingt entstehenden Partikel und ihren Einfluss auf die Defektstruktur zu quantifizieren und stellt eine einfach anzuwendende Methode der Qualitätssicherung dar. Um die Partikelflächenbelegung zu reduzieren, werden bisher Filtersysteme eingesetzt, um den Partikelstrom aus dem Beschichtungsplasma herauszufiltern. Trotz Partikelfilterung ist bei der Abscheidung technischer Schichten eine vollständige Vermeidung der Partikelbelegung nicht zu gewährleisten, sodass die Rauheit nur mit einer nachgelagerten Glätt- bzw. Bürstbehandlung gesenkt werden kann. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass bei der Herstellung von dotierten Kohlenstoffschichten unter Verwendung von Kompositkathoden auch eine erhebliche Verringerung der lichtbogeninduzierten Partikelemission zu beobachten ist. Die dafür entwickelte Auswertemethode zeigt hierbei eine deutliche Reduzierung der Partikelflächenbelegung. Mit betrachtet werden außerdem Schichthärte und E-Modul, auf welche die Art der Dotierung auch Einfluss nimmt.

Macro particles are a process-related disturbance of film growth that always occur during the cathodic vacuum arc evaporation of graphitic carbon cathodes. During component coating, particles already deposited are incorporated into the growing coating, and new particles are continuously deposited on the surface. This results in a characteristic defect growth structure, which is reflected in surface defect coverage and roughness. The analysis of the surface defect fraction helps to quantify the process-related particles as well as their influence on the defect structure and represents an easy-to-use method of quality assurance. To reduce particle coverage, filter systems can be used to separate particles from the plasma stream. Despite particle filtering, it is not possible to guarantee complete prevention of particle contamination during the deposition of technical coatings, so that the roughness can be reduced by post finishing, e.g. by a brushing treatment. In this work it will be shown, that by producing doped carbon coatings using composite cathodes also a significant reduction of arc-induced particle emission is observed. A surface evaluation method, particularly developed for this purpose, shows a significant reduction in particle area coverage. In addition, coating hardness and Young's modulus change due to the type of dopant.