DD252846A1 - PROCESS FOR BORCARBIDE CARBON SHEET PRODUCTION BY DEPOSITION FROM THE GAS PHASE - Google Patents
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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.The process is used for surface finishing, especially wear reduction, but also for the production of layers with special physical properties. It is Z. B. applicable in mechanical engineering, electronics, electrical engineering. The process is characterized in that carbon and boron-containing components in a molecular gas mixture are simultaneously excited and dissociated by absorption of wavelength-selective pulsed laser radiation using real molecular transitions and chemically react and deposit a layer on a substrate under certain gas and laser intensity conditions.
Description
Das Verfahren dient der Oberflächenveredelung, speziell der Verschleißminderung, aber auch der Herstellung von Schichten mit weiteren besonderen physikalischen Eigenschaften.The process is used for surface refinement, especially for the reduction of wear, but also for the production of layers with further special physical properties.
Es ist beispielsweise anwendbar im Maschinenbau, der Elektrotechnik, der Elektronik sowie im wissenschaftlichen Gerätebau.It can be used, for example, in mechanical engineering, electrical engineering, electronics and scientific instrument manufacturing.
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.Boron carbide-containing or boron carbide layers are already known. In this case, gas mixtures of boron trichloride, hydrogen and hydrocarbons (or other gases of suitable composition) are thermally decomposed at very highly heated substrate surfaces by the CVD method (chemical vaper deposition method). In DD-PS 224339, C23 C, 11/08 X-ray amorphous solid solutions of boron carbide and carbon are described as very hard layers.
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.A disadvantage of these layers is the risk of substrate damage and the application of intermediate layers to avoid chemical reactions with the substrate material itself due to the high heating temperatures.
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.In DD-PS 226907A1, C23 C, 14/32 a process for the production of carbon film from the gas phase is shown. In this process, carbonaceous molecular gas mixtures (preferably low-atomic hydrocarbons) are dissociated by absorption of wavelength-selective pulsed laser radiation.
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.Carbon radicals in defined states of energy are provided which cause the formation of a carbon layer of defined structural composition on a substrate. The substrate is not thermally damaged in this method, but in this case the relatively low deposition rates are disadvantageous.
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.A method has also been proposed in which low-molecular hydrocarbon molecules in a defined volume in the vicinity of a substrate dissociate to carbon radicals or carbon-containing radicals by at least two IR laser pulses of different frequencies acting on them spatially completely overlapping in the region of the volume a carbon layer of defined structure and thickness is deposited on the substrate.
Nachteilig sind auch bei diesem Verfahren die relativ geringen Abscheideraten.Disadvantages of this method are the relatively low deposition rates.
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.The object of the invention is the preparation of boron carbide and boron carbide carbon layers having particular physical properties, e.g. B. amorphous carbon layers miteingebeten.kristallinen boron carbide phases up to amorphous solutions of boron carbide in carbon with high deposition rate and without thermal damage to the substrate to be coated.
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.The invention has for its object to provide a method with which takes place without thermal stress of the substrate to be coated, a deposition of boron carbide and carbon-containing layers with selectively adjustable StöchiomQtrie and structure.
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.According to the invention the object is achieved in that the components of a molecular gas mixture consisting of low-atomic hydrocarbons, boron trichloride and hydrogen are excited and dissociated simultaneously by laser-induced sequential Mehrphotonenabsorption using real molecule transitions, the simultaneous excitation of the carbon and boron-containing reactants triggers a synergistic effect, the leads to a particularly high reaction rate of the solid state separation.
Eine bevorzugte Zusammensetzung des Molekülgasgemisches ist BCI3, C2H4 und Wasserstoff.A preferred composition of the molecular gas mixture is BCI 3 , C 2 H 4 and hydrogen.
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.The frequency of the laser radiation is determined by the bonding ratios of the selected gaseous starting materials and is in the infrared range of the electromagnetic spectrum between λ = 9nm and λ = 11 nm. There are tunable pulse laser with pulse lengths around Ιμ, β used. Depending on the spectral structure of the molecules used, the excitation takes place in the IR range at one wavelength or at two different wavelengths or by UV or a combination of IR and UV laser radiation.
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.The maximum values of the gas pressure and the laser intensity in the reaction chamber are to be limited so that the development of a laser-induced plasma is suppressed and the formation of a local thermal equilibrium and an increase in the translation temperature only after times that are greater than the reaction time of the reactants. The total pressure in the cuvette depends on the gas composition and is a maximum of 50 Torr.
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.The layers deposited on the substrate are in their stoichiometry and structure dependent on the composition of the gas mixture, the gas pressure and the structure of the substrate itself. The structure of the layers is also influenced by whether the focused laser beam is guided parallel or perpendicular to the substrate surface.
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.For a mixture of C 2 H 4 : BCl 3: H 2 = 2Torr: 16Torr: 20Torr, a deposition rate of about 4 nm per laser pulse is achieved parallel to the focus from a substrate of NaCl with a gold layer. Information about the possible strength of deposition rates in the case of perpendicular laser irradiation is given by the layers deposited on the cuvette windows in the case of various molecular gas mixtures. For example, with a mixture of BCI 3 IC 3 H 4 = 15Torr: 15Torr, they are still more than 4 nm per laser pulse.
Die Erfindung soll nachstehend durch ein Ausführungsbeispiel erläutert werden:The invention will be explained below by an embodiment:
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 GoldschichtIn a brass cuvette with NaCI windows, previously evacuated to a pressure of less than 10 -3 Torr and purified by deliberate use of the gettering action of boron trichloride, BCI 3 , H 2 O, and oxygen, there is a mixture of purified gases of BCI 3 and C 2 H 4 or BCI 3 , C 2 H 4 or BCI 3 , C 2 H 4 and H 2 . In this gas mixture is focused with a NaCI lens, focal length: 10cm, the radiation of a TEA-CO 2 laser. The pulse length of this laser is about 1.5 ^ s, with about 50% of the energy of the pulse on the start of the pulse with a length of about 100 ns omitted. Energy densities up to 200 J / cm 2 are achieved for the used wavelength λ = 10.59 / nm (10 P [20] lens, the CO 2 laser.) Parallel to the focus is in a few mm distance in the known manner open or closed reaction chamber within the cuvette the substrate of NaCI with gold layer
angeordnet. ·arranged. ·
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.Depending on the composition of the gas mixture, a layer on the substrate and the cuvette window forms more or less rapidly when laser bombarded. In a mixture C 2 H 4 : BCI 3 : H 2 = 2Torr: 16Torr: 20Torr z. B. achieved in parallel irradiation to the substrate with a gold layer deposition rates of about 4 nm per laser pulse. Thermal damage to the substrate is avoided by the parallel irradiation.
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.In the case of molecular gas mixtures in which layers on the cuvette windows also form on the cuvette window in parallel irradiation, for example with a mixture of BCI 3 : C 3 H 4 = 15Toprr: 15Torr, the deposition rates are still more than 4 nm per laser pulse.
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.Analysis of the layers for the layer on the cuvette windows reveals that they are layers of amorphous carbon with embedded crystalline BC phases, while amorphous carbon layers form on the NaCl gold layer substrate.
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Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DD29472986A DD252846A1 (en) | 1986-09-26 | 1986-09-26 | PROCESS FOR BORCARBIDE CARBON SHEET PRODUCTION BY DEPOSITION FROM THE GAS PHASE |
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DD252846A1 true DD252846A1 (en) | 1987-12-30 |
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DD (1) | DD252846A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19753624A1 (en) * | 1997-12-03 | 1999-06-10 | Fraunhofer Ges Forschung | Wear and friction reducing layer, with substrate with this layer and method for producing such a layer |
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1986
- 1986-09-26 DD DD29472986A patent/DD252846A1/en not_active IP Right Cessation
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE19753624A1 (en) * | 1997-12-03 | 1999-06-10 | Fraunhofer Ges Forschung | Wear and friction reducing layer, with substrate with this layer and method for producing such a layer |
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