D. Kalanov, S. Mandazhiev, J. Franze, A. Anders, Y. Unutulmazsoy 
Decoupling the effects of potential energy, kinetic energy, and ion flux on crystallinity of V-Al and V-Al-N thin films in pulsed filtered cathodic arc deposition 
Surf. Coat. Technol. 497 (2025) 131720, DOI: 10.1016/j.surfcoat.2024.131720 

Es ist bekannt, dass die Dünnschichtabscheidung unter Verwendung gefilterter gepulster Kathodenbogenplasmen aufgrund energetischer Ionen, die erhebliche kinetische und potenzielle Energie tragen, dichte und haftende Dünnschichten erzeugt. Die Rolle der potenziellen Energie mehrfach geladener Metallionen bei der Filmbildung ist noch nicht ausreichend erforscht, da die Verstärkung der Ladungszustände in Kathodenbögen mit einem erhöhten Fluss und einer erhöhten kinetischen Energie der Ionen einhergeht. In dieser Arbeit wird der Einfluss der potenziellen Energie der Ionen auf die strukturellen Eigenschaften von Dünnschichten untersucht, wobei die mittlere kinetische Energie der Ionen unverändert bleibt. Es werden zwei Materialsysteme betrachtet: metallisches V-Al und die Verbindung V-Al-N in nicht-reaktiver bzw. reaktiver Abscheidung. Für V-Al-Plasma und dünne Schichten wird der Einfluss der potenziellen Energie der Metallionen nachgewiesen. Im Fall von V-Al-N stellen sich neben Metallionen auch aktivierte (d. h. ionisierte, dissoziierte und angeregte) Stickstoffspezies als wichtiger Faktor für das Kristallwachstum der metastabilen kubischen Phase heraus.  

D. Kalanov, J.W. Gerlach, C. Bundesmann, J. Bauer, A. Lotnyk, H. von Wenckstern, A. Anders, Y. Unutulmazsoy 
Heteroepitaxial growth of Ga₂O₃ thin films on Al₂O₃(0001) by ion beam sputter deposition 
J. Appl. Phys. 136 (2024) 015302, 10.1063/5.0211179 

Die Abscheidung von epitaktischen Oxidhalbleiterfilmen mittels physikalischer Gasphasenabscheidungsverfahren erfordert ein detailliertes Verständnis der Rolle energiereicher Teilchen, um die Filmeigenschaften zu kontrollieren und zu optimieren. In der vorliegenden Studie werden Ga₂O₃-Dünnschichten mittels Sauerstoff-Ionenstrahl-Sputterdeposition heteroepitaktisch auf Al₂O₃(0001)-Substraten aufgewachsen. Der Einfluss der folgenden relevanten Prozessparameter auf die Eigenschaften der Dünnschichten wird untersucht: Substrattemperatur, Sauerstoff-Hintergrunddruck, Energie der Primärionen, Ionenstrahlstrom und Sputtergeometrie. Verteilungen der kinetischen Energie der Ionen im filmbildenden Fluss werden mit einem energieselektiven Massenspektrometer gemessen, und die resultierenden Schichten werden hinsichtlich Kristallstruktur, Mikrostruktur, Oberflächenrauheit, Massendichte und Wachstumsrate charakterisiert. Der energetische Einfluss der filmbildenden Partikel auf die Dünnschichtstruktur wird analysiert, und es wird eine deutliche Abnahme der Kristallqualität oberhalb der durchschnittlichen Energie der filmbildenden Ga⁺-Ionen um 40 eV für bei einer Substrattemperatur von 725 °C gewachsene Schichten beobachtet.  

K. Oh, D. Kalanov, A. Anders 
High-resolution observation of cathode spots in a magnetically steered vacuum arc plasma source 
Plasma Sources Sci. Technol. 30 (2021) 095005, 10.1088/1361-6595/ac1ee1 

Die Eigenschaften von Kathodenspots in einer magnetisch gesteuerten Vakuumbogen-Plasmaquelle wurden untersucht. Die Kathodenspots wurden mit einem Fernmikroskop beobachtet, das an eine Streak-Kamera gekoppelt war, wobei der Eingangsspalt der Kamera auf einen der linearen Abschnitte der gesteuerten Bogenquelle ausgerichtet war. Dies ist ein wesentliches Merkmal, das die Beobachtung der Flecken ermöglicht, während sie entlang der Erosionsbahn erscheinen. Die Bewegungsmuster der Flecken und die Muster des emittierten Lichts wurden mit unterschiedlichen Sweep-Zeiten beobachtet. Die Streifenbilder wurden mittels schneller Fourier-Transformation analysiert, um das Vorhandensein oder Fehlen charakteristischer Merkmale wie charakteristischer Lebensdauern zu überprüfen, da deren Existenz nach wie vor umstritten ist. Wir haben festgestellt, dass das Leistungsspektrum der Lichtbogenspotfluktuationen keine spezifischen Frequenzen oder zugehörigen Zeiten aufweist, sondern dass die Spotfluktuationen ein breites Spektrum nach einem Potenzgesetz (spektrale Leistungsdichte gegenüber Frequenz) aufweisen, was auf die fraktale (selbstähnliche) Natur der Spotprozesse hinweist. Darüber hinaus zeigen wir, dass wir unter unseren Bedingungen bei etwa 300 MHz die ultimative zeitliche Auflösungsgrenze der Methode erreichen, die mit der endlichen Lebensdauer angeregter Atom- und Ionenzustände zusammenhängt. Dies ist eine grundlegende Grenze, die durch die Physik von Atomen und Ionen gegeben ist, und kein Messfehler. Die zeitliche Auflösungsgrenze von etwa 3 ns impliziert auch eine räumliche Auflösungsgrenze in der Größenordnung von wenigen μm, da sich die strahlenden Spezies seitlich zur Beobachtung bewegen. 

M. Rudolph, D. Kalanov, W. Diyatmika, A. Anders 
Electron transport in high power impulse magnetron sputtering at low and high working gas pressure 
J. Appl. Phys. 130 (2021) 24431, 10.1063/5.0075744  

Das Magnetfeld eines Magnetrons dient dazu, die Verweildauer der Elektronen im Ionisationsbereich zu verlängern und ermöglicht so die Aufrechterhaltung der Entladung bei niedrigen Arbeitsgasdrücken. Dies hindert die Elektronen daran, die Anode zu erreichen, was für den Schluss des Stromkreises erforderlich ist. Bei hohen Atomdichten im Ionisationsbereich und in Gegenwart eines elektrischen Feldes stoßen Kollisionen von Elektronen mit schweren Teilchen die Elektronen nacheinander über die Magnetfeldlinien hinweg, was als klassischer Cross-Field-Transportmechanismus bekannt ist. Bei niedrigen Atomdichten im Ionisationsbereich sind Kollisionen selten und der klassische Querfeldtransportmechanismus reicht nicht aus, um den Entladungsstrom zu transportieren. Dies führt zu Plasma-Instabilitäten, sogenannten Spokes, die lokal Wege für Elektronen bieten, um aus dem Bereich nahe dem Target zu entweichen und die Magnetfeldlinien zu überqueren. Hier zeigen wir experimentell für den Fall einer Hochleistungs-Impuls-Magnetron-Sputterentladung mit einem Aluminium-Target, wie Spokes mit zunehmender lokaler Gasdichte allmählich verschwinden. Wir präsentieren ein analytisches Modell, das zeigt, dass unter diesen Bedingungen hoher Gasdichte der klassische Elektronentransportmechanismus tatsächlich stark genug ist, um den Entladungsstrom allein zu transportieren. Dies unterstreicht die Bedeutung der lokalen Gasdichte im Ionisationsbereich für die Intensität von Spokes in einer Magnetron-Sputterentladung und liefert Ansatzpunkte für die Prozessoptimierung. 

Hochvakuumkammern 

• Flexible Plattform für Dünnschichtabscheidung und in-situ-Plasmamonitoring 
• Vakuumkammer für kombinatorische Magnetron-Sputter-Abscheidung  
• Multifunktionale Großvakuumkammer zur Untersuchung gepulster ionisierter PVD-Prozesse (Physical Vapour Deposition), einschließlich kathodischer Lichtbogenabscheidung und HiPIMS   

Plasmadiagnostikgeräte 

• Gated-iCCD-Kamera Princeton Instruments PI-MAX4-1024f 
• Schnelle Bildaufnahmekamera Specialized Imaging SIM4 
• Streak-Kamera Hamamatsu C13410 
• Imaging-Spektrometer Princeton Instruments IsoPlane SCT320 and SCT160 
• VUV-Monochromator McPherson Model 234/302 
• Fernmikroskop Questar QM-100 
• Massen- und Energieanalysator Hiden EQP HE 1000 
• Quarzkristall-Mikrowaage INFICON Cool Drawer^TM 
• Ionen-Kollektorsonde für gepulste Plasmen