DD244149A1

DD244149A1 - METHOD OF DEPOSITING IC LAYERS

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.The invention relates to a method for the deposition of iC layers while avoiding harmful hydrogen or hydrocarbon deposits. The invention has for its object to develop a method for grossflächigen and uniform deposition of iC layers with high coating rates and using solid carbon targets. According to the invention, the object is achieved in such a way that the electron flow of an arc discharge is directed onto a target of pure carbon and the target is heated in such a way that the carbon is converted into the vapor phase by sublimation at a target surface temperature between 3,000 K and 3,800 K. As pure carbon, graphite is advantageously used.

Description

Field of application of the invention

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.The invention relates to a method for the deposition of iC layers while avoiding harmful hydrogen or hydrocarbon deposits. Carbon coatings are referred to as "iC layers", which are deposited in an ion-supported manner by means of a vacuum coating process, resulting in hard, amorphous carbon layers with a partially diamond-like character, which is why the iC layers are also called "diamond-like carbon". The use of the layers can be very diverse and is essentially in the use as a hard material layer.

Characteristic of the known technical solutions

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.According to the prior art, various coating methods have already become known. DD-WP 146623 describes a process in which the substrates are exposed to an ion current within a hydrocarbon atmosphere. As a result, a hard carbon layer is deposited. A disadvantage of this process is the use of the hydrocarbon with its problems for safety.

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. ,Furthermore, hydrogen and hydrocarbon fragments are inevitably incorporated into the growing layer, whereby the layer properties are usually adversely affected. DE-OS 2736514 describes a method for depositing carbon on a substrate, in which the substrate is connected as an electrode in a hydrocarbon-containing high-frequency plasma. .

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.In DE-OS 3316693 a method is described in which the plasma, in which a hydrocarbon decomposes and the carbon is deposited on a substrate, is maintained with microwave energy.

Die Nachteile dieser Verfahren liegen ebenfalls darin, daß unvermeidlich in die iC-Schicht Wasserstoff- bzw. Kohlenwasserstoff-Bruchstücke eingebaut werden.The disadvantages of these methods are also that inevitably hydrogen or hydrocarbon fragments are incorporated into the iC layer.

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.'US Pat. No. 4,490,229 describes a method for depositing iC layers in a hydrocarbon atmosphere using two ion beam guns. While the first one is the decomposition of the hydrocarbons and the deposition of carbon on the substrate, the deposited C-layer is bombarded with ions by the second gun and a diamond-like carbon layer is produced. As an additional disadvantage of this method, the high technical complexity is observed.

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.In addition to the described group of processes employing hydrocarbons, there is the other group of vacuum coating processes for iC production which directly uses solid carbon as the C source. Known are the sputtering process, in which a solid carbon target, usually graphite, is atomized. In these methods, on the one hand, the coating rate is usually very low, on the other hand, the technical complexity is considerable, since the target comprises substantially the entire extent of the substrates and must be arranged relatively close to the substrates. In CH-PS 611 341 it is proposed to atomize a fibrous carbon target by ion bombardment. In particular, this should increase the coating rate.

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.Carbon layers can also be produced by means of electron beam evaporators, a proven method in the preparation of preparations for electron microscopy. However, additional technical means are required for ion-assisted process control.

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.DD-WP 227987 describes a carbon cathode for a hollow cathode arc evaporator, which serves as a C source for the production of TiC layers. As a limiting case, the suppression of Ti evaporation is described, so that deposits on the substrate only i-carbon. The coating rate is very low in this example.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht darin, hochreine i-Kohlenstoffschichten rationell herzustellen.The object of the invention is to efficiently produce high purity i-carbon layers.

Explanation of the essence of the invention

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.The invention has for its object to develop a method for large-scale and uniform deposition of iC layers with high coating rates and using solid carbon targets. According to the invention the object is achieved such that the electron flow of an arc discharge is directed to a target of pure carbon and the target is heated so that the carbon is transferred by sublimation at a target surface temperature between 3000 K and 3800 K in the vapor phase. As pure carbon, graphite is advantageously used.

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.Evaporator arc discharges have heretofore been used solely for the vaporization of materials from a molten bath. This is not possible for carbon due to the high melting point of 4170K.

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.With the inventive solution, it has surprisingly been found that an arc discharge evaporator can also be used well as a sublimation evaporator and ensures good coating rates. The sublimation temperature was determined so that a uniform rate of sublimation over the duration of the process is ensured. Lower temperatures do not result in sufficient sublimation rates, higher temperatures may lead to localized melting and thus significant sublimation rate irregularities that adversely affect the build up of iC layers.

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.The arc discharge, which is ignited between a cathode and a carbon target connected as an anode and then burns, is controlled so that a uniform sublimation of the carbon takes place. Within the vacuum space in which the arc discharge burns, a plasma is formed in a known manner. The sublimated carbon vapor is forcibly excited by the plasma and partially ionized. The substrate is placed in a known manner to negative potential. The neutral carbon vapor particles and the ionized carbon particles deposit on the substrate to form an ion-supported carbon layer having the known properties of an iC layer with diamond-like carbon formations.

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.The particular advantage of these iC layers produced according to the invention is the high purity of the iC layer, without unwanted hydrogen and hydrocarbon deposits, combined with a technically simple process at high coating rate.

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.The technically simple process results in particular from the fact that the anodic target holder can be very easily constructed and manages without water cooling in most cases. It is possible to simply lay a flat graphite target on an anode plate and to provide with appropriate means for a secure contact.

embodiment

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment.

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.In the example, a metal plate is to be provided with a high-purity iC layer of hardness HV ₀₂ -4500 kp / mm ² . For this purpose, the method according to the invention is used. The substrate is in the coating room at a potential of - 600 V compared to ground. The target used is a graphite target.

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.According to the invention, the target with a size of 40 mm in diameter and 20 mm in height, which is screwed onto an anode plate, bombarded with an electron beam from a hollow cathode. The current control ensures that the surface of the graphite target heats up rapidly to 3300K and then remains constant. The substrate was placed at a distance of 250mm from the target, and the average coating rate was about 0.2μτη min ^-1 . The arc discharge between the hollow cathode and the graphite target leads to an intense plasma within the coating space, which leads to intense ionization of the The high energy of the thus accelerated particles is a decisive factor for the diamond-like character of the deposited carbon layer, which is also due to the uniform sublimation without the presence of the sublimed carbon In the example, uniform sublimation is ensured by the temperature of 3300 K. At this temperature, which is far below the melting point, irregularities due to local melting are prevented provided with a cover up to the target cover surface. The electrically neutral cover has a gap of 1 to 3 mm on all sides to the anode of the arc discharge.

Claims

A method of depositing hydrogen and hydrocarbon free iC layers, comprising extracting the carbon particles at least partially ionized in a plasma onto a negatively biased substrate, characterized in that the electron stream of an arc discharge is directed to a target of pure carbon and the target is heated so that the carbon is transferred by sublimation in the vapor phase.

2. The method according to item 1, characterized in that graphite is used as pure carbon.

3. The method according to item 1, characterized in that the target surface for sublimation is maintained at a temperature between 3000K and 3800K.