DD244149A1

DD244149A1 - Verfahren zur abscheidung von ic-schichten

Info

Publication number: DD244149A1
Application number: DD28392885A
Authority: DD
Inventors: Bernd Buecken; Eberhard Steigmann
Original assignee: Hochvakuum Dresden Veb
Priority date: 1985-12-07
Filing date: 1985-12-07
Publication date: 1987-03-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abscheidung von iC-Schichten unter Vermeidung von schaedlichen Wasserstoff- bzw. Kohlenwasserstoff-Einlagerungen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur grossflaechigen und gleichmaessigen Abscheidung von iC-Schichten mit hohen Beschichtungsraten und unter Verwendung von festen Kohlenstoff-Targets zu entwickeln. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe derart geloest, dass der Elektronenstrom einer Bogenentladung auf ein Target aus reinem Kohlenstoff gerichtet und das Target derart aufgeheizt wird, dass der Kohlenstoff durch Sublimation bei einer Target-Oberflaechentemperatur zwischen 3 000 K und 3 800 K in die Dampfphase ueberfuehrt wird. Als reiner Kohlenstoff wird vorteilhafterweise Graphit eingesetzt.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abscheidung von iC-Schichten unter Vermeidung von schädlichen Wasserstoff- bzw. Kohlenwasserstoff-Einlagerungen. Als „iC-Schichten" werden dabei Kohlenstoffschichten bezeichnet, die mittels Vakuum-Beschichtungsverfahren ionengestützt abgeschieden werden. Dabei entstehen harte, amorphe Kohlenstoffschichten mit teilweise diamantartigem Charakter. Deshalb werden die iC-Schichten auch „diamond like carbon" (diamantartiger Kohlenstoff) genannt. Der Einsatz der Schichten kann sehr vielfältig sein und liegt im wesentlichen in der Verwendung als Hartstoffschicht.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Nach dem Stand der Technik sind bereits verschiedene Beschichtungsverfahren bekanntgeworden. Das DD-WP 146623 beschreibt ein Verfahren, bei dem die Substrate innerhalb einer Kohlenwasserstoff-Atmosphäre einem lonenstrom ausgesetzt werden. Dadurch wird eine harte Kohlenstoffschicht abgeschieden. Nachteilig an diesem Verfahren ist die Verwendung des Kohlenwasserstoffs mit seinen Problemen zur Sicherheit.

Des weiteren werden in die aufwachsende Schicht unweigerlich Wasserstoff und Kohlenwasserstoff-Bruchstücke eingebaut, wodurch die Schichteigenschaften meist ungünstig beeinflußt werden. Die DE-OS 2736514 beschreibt ein Verfahren zum Abscheiden von Kohlenstoff auf einem Substrat, bei dem das Substrat als Elektrode in einem kohlenwasserstoffhaltigen Hochfrequenzplasma geschaltet ist. ,

In der DE-OS 3316693 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem das Plasma, in dem ein Kohlenwasserstoff zersetzt und der Kohlenstoff auf einem Substrat abgeschieden wird, mit Mikrowellenenergie aufrechterhalten wird.

Die Nachteile dieser Verfahren liegen ebenfalls darin, daß unvermeidlich in die iC-Schicht Wasserstoff- bzw. Kohlenwasserstoff-Bruchstücke eingebaut werden.

Die US-PS 4490229 beschreibt ein Verfahren zur Abscheidung von iC-Schichten in einer Kohlenwasserstoff-Atmosphäre mit dem Einsatz von zwei lonenstrahl-Kanonen. Während die erste schlechthin die Zersetzung der Kohlenwasserstoffe und Abscheidung von Kohlenstoff auf dem Substrat realisiert, wird die abgeschiedene C-Schicht mittels der zweiten Kanone mit Ionen bombardiert und eine diamantartige Kohlenstoffschicht hergestellt. Als zusätzlicher Nachteil ist bei diesem Verfahren der hohe technische Aufwand zu beachten.'

Neben der beschriebenen Gruppe von Verfahren, die Kohlenwasserstoffe einsetzt, gibt es die andere Gruppe von Vakuumbeschichtungsverfahren zur iC-Herstellung, die unmittelbar festen Kohlenstoff als C-Quelle einsetzt. Bekannt sind dazu die Sputter-Verfahren, bei denen einfestes Kohlenstoff-Target, meist Graphit, zerstäubt wird. Bei diesen Verfahren ist einerseits die Beschichtungsrate meist sehr gering, andererseits ist der technische Aufwand erheblich, da das Target im wesentlichen die gesamte Ausdehnung der Substrate umfassen und relativ dicht an den Substraten angeordnet werden muß. In der CH-PS 611 341 wird vorgeschlagen, ein faseriges Kohlenstoff-Target durch lonenbeschuß zu zerstäuben. Damit soll insbesondere die Beschichtungsrate gesteigert werden.

Auch lassen sich Kohlenstoffschichten mittels Elektronenstrahlverdampfer herstellen, eine bewährte Methode bei der Präparierung von Präparaten für die Elektronenmikroskopie. Zur ionengestützten Verfahrensführung sind jedoch zusätzliche technische Mittel erforderlich.

Im DD-WP 227987 wird eine Kohlenstoff-Katode für einen Hohlkatodenbogenverdampfer beschrieben, die als C-Quelle für die Herstellung von TiC-Schichten dient. Als Grenzfall ist auch die Ausblendung der Ti-Verdampfung beschrieben, so daß sich auf dem Substrat nur i-Kohlenstoff abscheidet. Die Beschichtungsrate ist in diesem Beispiel sehr gering.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, hochreine i-Kohlenstoffschichten rationell herzustellen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur großflächigen und gleichmäßigen Abscheidung von iC-Schichten mit hohen Beschichtungsraten und unter Verwendung von festen Kohlenstoff-Targets zu entwickeln. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe derart gelöst, daß der Elektronenstrom einer Bogenentladung auf ein Target aus reinem Kohlenstoff gerichtet und das Target derart aufgeheizt wird, daß der Kohlenstoff durch Sublimation bei einer Target-Oberflächentemperatur zwischen 3000 K und 3800 K in die Dampfphase überführt wird. Als reiner Kohlenstoff wird vorteilhafterweise Graphit eingesetzt.

Bogenentladungen für Verdampfer wurden bisher ausschließlich für die Verdampfung von Materialien aus einem Schmelzbad eingesetzt. Das ist für Kohlenstoff wegen des hohen Schmelzpunktes von 4170K nicht möglich.

Mit der erfinderischen Lösung wurde in überraschender Weise gefunden, daß ein Bogenentladungsverdampferauch gut als Sublimationsverdampfer eingesetzt werden kann und gute Beschichtungsraten gewährleistet. Die Sublimationstemperatur wurde dabei so ermittelt, daß eine gleichförmige Sublimationsrate über die Prozeßdauer gesichert ist. Geringere Temperaturen führen nicht zu ausreichenden Sublimationsraten, höhere Temperaturen führen möglicherweise zu örtlichen Aufschmelzungen und damit erheblichen Unregelmäßigkeiten der Sublimationsrate, die sich ungünstig für den Aufbau von iC-Schichten auswirken.

Die Bogenentladung, die zwischen einer Katode und einem als Anode geschalteten Kohlenstofftarget gezündet wird und danach brennt, wird derart geregelt, daß eine gleichmäßige Sublimation des Kohlenstoffs erfolgt. Innerhalb des Vakuumraumes, in dem die Bogenentladung brennt, bildet sich in bekannter Weise ein Plasma aus. Der sublimierte Kohlenstoffdampf wird durch das Plasma zwangsweise angeregt und teilweise ionisiert. Das Substrat ist in bekannter Weise auf negatives Potential gelegt. Die neutralen Kohlenstoff-Dampfteilchen und die ionisierten Kohlenstoff-Teilchen scheiden sich auf dem Substrat ab und bilden dort eine ionengestützt hergestellte Kohlenstoffschicht, die die bekannten Eigenschaften einer iC-Schicht mit diamantartigen Kohlenstoffausbildungen aufweist.

Der besondere Vorteil dieser erfindungsgemäß hergestellten iC-Schichten ist die hohe Reinheit der iC-Schicht, ohne unerwünschte Wasserstoff-und Kohlenwasserstoff-Einlagerungen, verbunden mit technisch einfacher Verfahrensführung bei hoher Beschichtungsrate.

Die technisch einfache Verfahrensführung ergibt sich insbesondere aus der Tatsache, daß die anodische Targethalterung sehr einfach aufgebaut werden kann und in den meisten Fällen ohne Wasserkühlung auskommt. Es ist möglich, ein flaches Graphit-Target einfach auf einen Anodenteller zu legen und mit geeigneten Mitteln für eine sichere Kontaktierung zu sorgen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Im Beispiel soll eine Metallplatte mit einer hochreinen iC-Schicht der Härte HV₀₂—4500 kp/mm² versehen werden. Dazu wird das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt. Das Substrat befindet sich im Beschichtungsraum auf einem Potential von — 600 V gegenüber Masse. Als Target wird ein Graphit-Target verwendet.

Erfindungsgemäß wird das Target mit einer Größe von 40 mm Durchmesser und 20 mm Höhe, welches auf einer Anodenplatte aufgeschraubt ist, mit einem Elektronenstrahl aus einer Hohlkatode beschossen. Durch die Stromregelung wird gesichert, daß die Oberfläche des Graphit-Targets sich schnell auf 3300K erwärmt und dann konstant bleibt. Das Substrat wurde in einem Abstand von 250mm zum Target angeordnet, und die mittlere Beschichtungsrate betrug ca. 0,2μτη min"¹. Die Bogenentladung zwischen Hohlkatode und Graphit-Target führt zu einem intensiven Plasma innerhalb des Beschichtungsraumes. Dieses führt zu einer intensiven Ionisierung des sublimierten Kohlenstoffs. Durch die negative Spannung zum Substrat von 600 V werden die Ionen auf das Substrat extrahiert. Die hohe Energie der so beschleunigten Teilchen ist ein maßgeblicher Faktor für den diamantartigen Charakter der abgeschiedenen Kohlenstoffschicht. Sehr wesentlich ist dafür auch die gleichmäßige Sublimation ohne das Vorhandensein von Kohlenwasserstoffen. Die gleichmäßige Sublimation wird im Beispiel durch die Temperatur von 3300 K gesichert. Bei dieser Temperatur, die weit unter dem Schmelzpunkt liegt, werden Unregelmäßigkeiten durch örtliche Aufschmelzungen verhindert. Zur Verhinderung von Bogenentladungen zur metallischen Anoden-Halterung ist diese bis zur Targetdeckfläche mit einer Abdeckung versehen. Die elektrisch neutrale Abdeckung hat allseitig einen Spalt von 1 bis 3 mm zur Anode der Bogenentladung.

Claims

1. Verfahren zur Abscheidung von wasserstoff- und kohlenwasserstofffreien iC-Schichten, bei dem die in einem Plasma mindestens teilweise ionisierten Kohlenstoffteilchen auf ein negativ vorgespanntes Substrat extrahiert werden, gekennzeichnet dadurch, daß der Elektronenstrom einer Bogenentladung auf ein Target aus reinem Kohlenstoff gerichtet und das Target derart aufgeheizt wird, daß der Kohlenstoff durch Sublimation in die Dampfphase überführt wird.

2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß als reiner Kohlenstoff Graphit verwendet wird.

3. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Target-Oberfläche zur Sublimation auf einer Temperatur zwischen 3000K und 3800K gehalten wird.