DD252846A1

DD252846A1 - Verfahren zur borcarbid-kohlenstoff-schichtherstellung durch abscheidung aus der gasphase

Info

Publication number: DD252846A1
Application number: DD29472986A
Authority: DD
Inventors: Andreas Ohl; Wolfgang Radloff; Hannes Albrecht; Wolfgang Pompe; Gudrun Kessler
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1986-09-26
Filing date: 1986-09-26
Publication date: 1987-12-30

Abstract

Das Verfahren dient der Oberflaechenveredlung, speziell der Verschleissminderung, aber auch der Herstellung von Schichten mit besonderen physikalischen Eigenschaften. Es ist z. B. anwendbar im Maschinenbau, der Elektronik, Elektrotechnik. Das Verfahren ist gekennzeichnet dadurch, dass kohlenstoff- und borhaltige Komponenten in einem Molekuelgasgemisch durch Absorption wellenlaengenselektiver gepulster Laserstrahlung unter Ausnutzung reeller Molekueluebergaenge gleichzeitig angeregt und dissoziiert werden sowie chemisch reagieren und unter bestimmten Gas- und Laserintensitaetsbedingungen eine Schicht auf einem Substrat abscheiden.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Das Verfahren dient der Oberflächenveredelung, speziell der Verschleißminderung, aber auch der Herstellung von Schichten mit weiteren besonderen physikalischen Eigenschaften.

Es ist beispielsweise anwendbar im Maschinenbau, der Elektrotechnik, der Elektronik sowie im wissenschaftlichen Gerätebau.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Borcarbidhaltige oder Borcarbidschichten sind bereits bekannt. Dabei werden nach der CVD-Methode (chemical vaper deposition-method) Gasgemische aus Bortrichlorid, Wasserstoff und Kohlenwasserstoffen (oder andere Gase geeigneter Zusammensetzung) an sehr hoch aufgeheizten Substratoberflächen thermisch zersetzt. In der DD-PS 224339, C23 C, 11/08 sind röntgenamorphe feste Lösungen von Borcarbid und Kohlenstoff als sehr harte Schichten beschrieben.

Nachteilig an diesen Schichten ist aufgrund der hohen Aufheiztemperaturen die Gefahr der Substratbeschädigungen und das Aufbringen von Zwischenschichten zur Vermeidung chemischer Reaktionen mit dem Substratmaterial selbst.

In der DD-PS 226907A1, C23 C, 14/32 wird ein Verfahren zur Kohlenstoffschichtherstellung aus der Gasphase dargestellt. Bei diesem Verfahren werden kohlenstoffhaltige Molekülgasgemische (bevorzugt niederatomige Kohlenwasserstoffe) durch Absorption wellenlängenselektiver Impulslaserstrahlung dissoziiert.

Es werden Kohlenstoffradikale in definierten Energiezuständen bereitgestellt, die die Bildung einer Kohlenstoffschicht mit definierter struktureller Zusammensetzung auf einem Substrat bewirken. Das Substrat wird bei diesem Verfahren thermisch nicht geschädigt, doch sind hierbei die verhältnismäßig niedrigen Abscheideraten nachteilig.

Auch wurde bereits ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem niederatomige Kohlenwasserstoffmoleküle in einem definierten Volumen in der Nähe eines Substrates durch mindestens zwei gleichzeitig auf sie einwirkende, sich im Bereich des Volumens räumlich vollständig überlappende IR-Laserimpulse unterschiedlicher Frequenz zu Kohlenstoffradikalen oder kohlenstoffhaltigen Radikalen dissoziieren, so daß sich auf dem Substrat eine Kohlenstoffschicht definierter Struktur und Dicke abscheidet.

Nachteilig sind auch bei diesem Verfahren die relativ geringen Abscheideraten.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist die Herstellung von Borcarbid- und Borcarbid-Kohlenstoff-Schichten mit besonderen physikalischen Eigenschaften, z. B. amorphen Kohlenstoffschichten miteingebetteten.kristallinen Borcarbidphasen bis zu amorphen Lösungen von Borcarbid in Kohlenstoff mit hoher Abscheiderate und ohne thermische Schädigung des zu beschichteten Substrates.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem ohne thermische Belastung des zu beschichtenden Substrates eine Abscheidung borcarbid-und kohlenstoffhaltiger Schichten mit selektiv einstellbarer StöchiomQtrie und Struktur erfolgt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Komponenten eines Molekülgasgemisches, bestehend aus niederatomigen Kohlenwasserstoffen, Bortrichlorid und Wasserstoff durch laserinduzierte sequentielle Mehrphotonenabsorption unter Ausnutzung reeller Molekülübergänge gleichzeitig angeregt und dissoziiert werden, die gleichzeitige Anregung der kohlenstoff- und borhaltigen Reaktionspartner einen synergistischen Effekt auslöst, der zu einer besonders hohen Reaktionsgeschwindigkeit der Festkörperabscheidung führt.

Eine bevorzugte Zusammensetzung des Molekülgasgemisches ist BCI₃, C₂H₄ und Wasserstoff.

Die Frequenz der Laserstrahlung wird durch die Bindungsverhältnisse der gewählten gasförmigen Ausgangsstoffe bestimmt und liegt im infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums zwischen λ = 9nm und λ = 11 nm. Es werden durchstimmbare Impulslaser mit Impulslängen um Ιμ,β verwendet. In Abhängigkeit von der spektralen Struktur der verwendeten Moleküle erfolgt die Anregung im IR-Bereich bei einer Wellenlänge oder bei zwei verschiedenen Wellenlängen bzw. durch UV- oder eine Kombination von IR- und UV-Laserstrahlung.

Die Maximalwerte des Gasdruckes und der Laserintensität in der Reaktionskammer sind so zu begrenzen, daß die Entwicklung eines laserinduzierten Plasmas unterbunden wird und die Ausbildung eines lokalen thermischen Gleichgewichts sowie eine Erhöhung der Translationstemperatur erst nach Zeiten erfolgen, die größer als die Reaktionszeit der Reaktanten sind. Der Gesamtdruck in der Küvette ist abhängig von der Gaszusammensetzung und beträgt maximal 50Torr.

Die auf dem Substrat abgeschiedenen Schichten sind in ihrer Stöchiometrie und Struktur abhängig von der Zusammensetzung des Gasgemisches, dem Gasdruck und der Struktur des Substrates selbst. Die Struktur der Schichten wird auch dadurch beeinflußt, ob der fokussierte Laserstrahl parallel oder senkrecht zur Substratoberfläche geführt wird.

Aus einem Substrat aus NaCI mit einer Goldschicht wird bei einem Gemisch von C₂H₄:BCl3:H₂ = 2Torr:16Torr:20Torr parallel zum Fokus eine Abscheiderate von etwa 4nm pro Laserimpuls erreicht. Aufschluß über die mögliche Stärke von Abscheideraten bei senkrechter Lasereinstrahlung gegeben die sich bei verschiedenen Molekülgasgemischen auf den Küvettenfenstem absetzenden Schichten. Beispielsweise liegen sie bei einem Gemisch von BCI₃IC₃H₄ = 15Torr:15Torr noch über4nm pro Laserimpuls.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend durch ein Ausführungsbeispiel erläutert werden:

In einer Messingküvette mit NaCI-Fenstern, die zuvor auf einen Druck kleiner 10~³Torr evakuiert und durch gezielte Ausnutzung derGetterwirkung von Bortrichlorid, BCI₃, von H₂O und Sauerstoff gereinigt wurde, befindet sich ein Gemisch gereinigter Gase aus BCI₃ und C₂H₄ bzw. BCI₃, C₂H₄ bzw. BCI₃, C₂H₄ und H₂. In dieses Gasgemisch wird mit einer NaCI-Linse, Brennweite: 10cm, die Strahlung eines TEA-CO₂-Lasers fokussiert. Die Impulslänge dieses Lasers beträgt ca. 1,5^s, wobei ungefähr 50% der Energie des Impulses auf den Impulsanfang mit einer Länge von etwa 100 ns entfallen. Es werden Energiedichten bis zu 200 J/cm² für die benutzte Wellenlänge λ = 10,59/nm (10 P [20]-Linse, des CO₂-Lasers erzielt. Parallel zum Fokus ist in wenigen mm Abstand in der in bekannter Weise offenen oder geschlossenen Reaktionskammer innerhalb der Küvette das Substrat aus NaCI mit Goldschicht

angeordnet. ·

Je nach Zusammensetzung des Gasgemisches bildet sich bei Laserbeschuß mehr oder weniger schnell eine Schicht auf dem Substrat und den Küvettenfenstem. In einem Gemisch C₂H₄:BCI₃:H₂ = 2Torr: 16Torr:20Torr werden z. B. bei paralleler Einstrahlung zum Substrat mit einer Goldschicht Abscheideraten von etwa 4nm pro Laserimpuls erreicht. Eine thermische Schädigung des Substrates wird durch die parallele Einstrahlung vermieden.

Bei Molekülgasgemischen, bei denen sich bei paralleler Einstrahlung zum Substrat auch Schichten auf den Küvettenfenstem — auf diesen also durch senkrechte Einstrahlung — bilden, beispielsweise bei einem Gemisch von BCI₃:C₃H₄ = 15Toprr:15Torr liegen die Abscheideraten noch über4nm pro Laserimpuls.

Die Analyse der Schichten ergibt für die Schicht auf den Küvettenfenstem, daß es sich um Schichten aus amorphen Kohlenstoff mit eingelagerten kristallinen BC-Phasen handelt, während,sich auf dem NaCI-Goldschichtsubstrat amorphe Kohlenstoffschichten bilden.

Claims

1. Verfahren zur Borcarbid-Kohlenstoff-Schichtherstellung durch Abscheidung aus der Gasphase mittels Laser, gekennzeichnet dadurch, daß kohlenstoff- und borhaltige Komponenten in einem Molekülgasgemisch durch Absorption welienlängenselektiver, gepulster Laserstrahlung unter Ausnutzung reeller Molekülübergänge gleichzeitig angeregt und dissoziiert werden sowie chemisch. reagieren und daß auf einem, in einer in bekannter Weise offenen oder geschlossenen Reaktionskammer, befindlichen Substrat eine Schicht definierter Stöchiometrie und Struktur abgeschieden wird, bei einem Gasdruck und einer Laserintensität, deren Maximalwerte die Entwicklung eines laserinduzierten Plasmas unterbinden sowie die Ausbildung eines lokalen thermischen Gleichgewichts und eine Erhöhung der Translationstemperatur erst nach Zeiten eintreten lassen, die größer als die Reaktionszeit der Reaktanten sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Molekülgasgemisch aus Bortrichlorid, niederatomigen Kohlenwasserstoffen und Wasserstoff besteht.

3. Verfahren nach Anspruch !,gekennzeichnet dadurch, daß auf einem parallel zum Fokus angeordneten Substrat bei einem Gemisch von C₂H₄=BCI₃IH₂ = 2Torr:16Torr:20Torr eine amorphe Borkohlenstoffschicht von etwa 4nm pro Laserimpuls abgeschieden wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Druck des Molekülgasgemisches in der Küvette kleiner 50Torr ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Anregung und Dissoziation durch IR-Strahlung einer Wellenlänge erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Anregung und Dissoziation durch IR-Laserstrahlung bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen erfolgt

7. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Anregung und Dissoziation durch UV-Laserstrahlung erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch !,gekennzeichnet dadurch, daß die Anregung und Dissoziation in einem kombinierten Feld von IR- und UV-Laserstrahlung erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 5 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß die Laserimpulsdauer kleiner als die Translations-Relaxationszeiten der Moleküle ist.