DD258341A3 - Verfahren zur herstellung haftfester ic-schichten - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung haftfester, plasmagestuetzt abgeschiedener Kohlenstoffschichten. Derartige Schichten weisen eine ausserordentliche Haerte auf und eignen sich insbesondere zur Erhoehung der Standzeit von Schneidwerkzeugen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Haftvermittlung anzugeben, bei dem als haftvermittelnde Schicht Silizium-Kohlenstoff- und Silizium-Stickstoff-Verbindungen zur Haftung ausgenutzt werden. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass in einem Verfahrenszyklus die Substrate einer Ionenreinigung unterzogen werden, danach in den Rezipienten bei weiter aufrechterhaltenem Plasma Bis-(trimethyl-Silyl)-anilin eingelassen wird, welches ionisiert und auf dem negativ vorgespannten Substraten eine Si-N-dotierte Kohlenstoffschicht ausbildet. Die Schichtdicke wird auf 50 bis 100 nm eingeregelt. Unmittelbar darauf wird ein Kohlenwasserstoff in den Rezipienten eingelassen und eine iC-Schicht in bekannter Weise ausgebildet.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung haftfester, plasmagestützt abgeschiedener Kohlenstoffschichten, auch iC-Schicht oder diamond like carbon genannt. Derartige Schichten weisen eine außerordentliche Härte auf und eignen sich insbesondere zur Erhöhung der Standzeit von Schneidwerkzeugen.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
Zur Herstellung von iC-Schichten werden in der Regel Kohlenwasserstoff in gas- bzw. dampfförmiger Form in die Beschichtungskammer gebracht, in derein Plasma aufrechterhalten wird. Die Substrate liegen auf katodischem Potential und es kommt zur plasmaunterstützten Abscheidung einer Kohlenstoffschicht. (Whitmell and Williamson; Thin Solid Films 35 [1976], 225-261). Die derart hergestellten Schichten weisen Härten von über 2000HV auf. Bei größeren Schichtdicken kommt es jedoch zur Schichtabplatzungen. Die inneren Spannungen der iC-Schicht werden gegenüber der Haftfestigkeit zu groß. Dieser Nachteil konnte lange nicht beseitigt werden. In der DD 146623 werden z. B. gezielt variable Inertgas-Kohlenwasserstoff-Gemische angegeben, damit die Haftfestigkeit der Schicht verbessert wird.
Die DE 3316693 gibt ein Verfahren an, bei dem die Haftfestigkeit durch eine gesonderte Zwischenschicht aus einem Polymer der Gruppe der Siloxane bzw. Silazene erhöht wird. Die anorganischen Si-N-Verbindungen werden in einem durch elektrische Wechselfelder im Mikrowellengebiet angeregten Plasma zersetzt und als feste Schicht am katodischen Substrat abgeschieden. Diese Polymere weisen jedoch eine geringe Eigenhärte auf, die selbst durch Hinzufügen von sauerstoffhaltigem Gas oder reinem Sauerstoff während des Schichtbildungsprozesses nicht auf eine solche Härte gebracht werden kann, wie sie für eine Haftschicht angestrebt wird. Außerdem bilden sich durch die 02-Dotierung noch zusätzlich H2O-Moleküle, die für den Schichtbildungsprozeß und für die Schichteigenschaften nachteilig sind. Es ist bekannt, daß geringste Anteile H2O die Wachstumsstellen blockieren. Die Bekeimung, das Schichtwachstum und die Schichthaftung werden gestört. Porigkeiten in den Schichten werden u.a. auch auf diesen Zusammenhang zurückgeführt.
Die Ursachen für die schlechte Haftfestigkeit von iC-Schichten auf verschiedenen Substratmaterialien sind im wesentlichen bekannt. Ausschlaggebend sind die mit zunehmender Schichtdicke wachsenden hohen Eigenspannungen in der iC-Schicht. Weiterhin beeinflussen viele Faktoren die Substrat/Schicht-Wechselwirkungen, die letztlich zum Ablösen der Schichten führen können. Es ist bekannt, daß eine dichte Bekeimung zu einer festeren Bindung der Schicht an das Substrat führt. Je dichter die Bekeimung ist, desto kleiner ist die Größe der zu Inseln angewachsenen Keime, bevor sie sich zu einer geschlossenen Schicht vereinigen. Verunreinigungen oder die Anwesenheit von Elementen, die am Schichtbildungsmechanismus nicht beteiligt sind, stören den Schichtbildungsvorgang in der Anfangsphase und führen zur Schwächung der Haftkräfte.
Einen großen Einfluß auf diesen Prozeß übt der Wasserstoff aus. Einerseits werden amorphe Strukturen durch den Einschluß von Wasserstoff stabilisiert, andererseits führt ein zu hoher Wasserstoffanteil im Schichtaufbau zu einer mangelhaften Schichthaftung. Insbesondere trifft das für den Schichtbildungsvorgang in der Anfangszone zu.
Ziel der Erfindung
Das Ziel der Erfindung besteht darin, verschiedenartige Substratoberflächen durch eine Beschichtung mit iC-Schichten widerstandsfähiger zu machen.
Darlegung des Wesens der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Haftvermittlung von plasmagestützt abgeschiedenen amorphen Kohlenstoffschichten auf Substraten anzugeben, bei dem als haftvermittelnde Schicht Silizium-Kohlenstoff- und Silizium-Stickstoff-Verbindungen zur Haftung ausgenutzt werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in einem Verfahrenszyklus die Substrate einer lonenreinigung unterzogen werden, danach in den Rezipienten bei weiter aufrechterhaltenem Plasma Bis-(trimethyl-Silyl)anilin als Dampf eingelassen wird, welches ionisiert und auf den negativ vorgespannten Substraten eine Si-N-dotierte Kohlenstoffschicht ausbildet. Die Schichtdicke wird auf 50 bis 100 nm eingeregelt. Unmittelbar darauf wird ein Kohlenwasserstoff in den Rezipienten eingelassen und eine iC-Schicht in bekannter Weise ausgebildet.
Diese erfindungsgemäße abgeschiedene Zwischenschicht weist eine hohe Haftfestigkeit zum Substrat und zur iC-Schicht auf und ist gut geeignet, die hohen Eigenspannungen deriC-Schichtzum Substrat hin abzubauen.
Das Bis-(trimethyl-Silyl)anilin hat auf Grund seiner hohen Aromatizität gegenüber anderen organischen Si-N-Verbindungen einen wesentlich höheren Kohlenstoffgehalt innerhalb des Moleküls. Damit ergibt sich offensichtlich die gute Verbindung zu der folgenden iC-Schicht.
Bei speziellen Substratmaterialien und Einsatzbedingungen ist es auch möglich das C:H-Verhältnis innerhalb des Amins durch Einführung weiterer Substituenten an den Aromatenteil des Moleküls, wie etwa ungesättigte Seitenketten, Cyanogruppen usw.
zu variieren.
Eine wesentliche Rolle bei der haftfesten Schicht kommt dabei auch dem Kohlenstoff-Wasserstoff-Verhältnis zu. Dieses Verhältnis sollte bei 1:2 liegen. In diesem Bereich wird eine besondere dichte Bekeimung beim Schichtbildungsprozeß in der Anfangsphase gewährleistet. Bemerkenswert bei der erfindungsgemäß hergestellten Zwischenschicht ist die hohe Eigenhärte.
Auf dieser Grundlage ist es auch möglich, bei größeren iC-Schichtdicken eine oder mehrere weitere Zwischenschichten innerhalb der iC-Schicht anzuordnen. Diese Zwischenschichten mit einer Dicke von 20-50 nm mindern die hohe Härte der iC-Schicht nur unwesentlich, sind aber gut geeignet, die hohen Eigenspannungen in der iC-Schicht abzubauen.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht insbesondere darin, daß mit einfachen Mitteln eine hohe Haftfestigkeit der iC-Schicht erzielt wird. Das eingesetzte Bis-(trimethyl-Silyl)anilin ist als chemische Substanz leicht zu behandeln. Es hat eine relativ große Hydrolsebeständigkeit und bei sachgemäßer Lagerung treten kaum Zersetzungserscheinungen auf.
Ausführungsbeispiel
Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
Hartmetall-Fräsen für die Herstellung von Leiterplattenbohrungen (mit Glasgewebe) soll eine haftfeste iC-Schicht aufgebracht werden. Dazu werden die Fräser in einer gekühlten Substrathalterung gehaltert, die koaxial zu einer zentrischen Plasmaquelle angeordnet ist.
Die Beschichtungskammerwird evakuiert und ein Argondruck von ca. 1O-1Pa als Träger des Plasmas eingestellt. Das Plasma wird in der Ausführung über eine bekannte Glühkatodenentladung eingestellt. Nach Zündung des Plasmas wird das Potential der Substrate auf —3 kV gelegt. Dadurch kommt es zu einer intensiven lonenextraktion aus dem Plasma in Richtung auf die Substrate. Die Substrate werden mit Ionen beschossen, und es tritt der bekannte lonenreinigungseffekt ein. Eine derartig gut gereinigte Oberfläche ist die Grundvoraussetzung für eine haftfeste Beschichtung. Danach wird ohne Unterbrechung des Argonflusses der Dampf aus einem Flüssigkeitsbehälter mit Bis-[trimethyl-Silyl]anilin in die Beschichtungskammer eingelassen, der Partialdruck beträgt dabei 4.10"2Pa. Gleichzeitig wurde das Substratpotential auf -800 V zu rückgeregelt. Damit wird der hohe lonenbeschuß mit Zerstäubungseffekt abgebaut und abgeschiedenes Material kann eine Schicht ausbilden.
Das Bis-[trimethyl-Silyl]anilin wird im Plama aufgespalten und die Si-N-Ionen bilden auf der Substratoberfläche eine Si-N-dotierte Kohlenstoffschicht aus, an der auch Wasserstoff beteiligt ist. Diese Schichtabscheidung wird unter den gegebenen Bedingungen ca. 15min aufrechterhalten. In dieser Zeit bildet sich eine Schicht mit der Dicke von ca. 80nm aus. Bei gleichbleibendem Substratpotential wird dieZufuhrvon Bis-[trimethyl-Silyl]anilin abgesperrt und die Zufuhr von Benzol-Dämpfen mit Partialdrücken von 1.10"1Pa geregelt. Das führt zur Ausbildung einer an sich bekannten iC-Schicht mit einer Schichtdicke von ca. 2,5 μπη in einer Zeit von 20 min. Damit ist die Schichtbildung beendet.
Diese erfindungsgemäße iC-Schicht mit einer Gesamtdicke von ca. 2,6 μητι ist hervorragend geeignet die Standzeit der Hartmetall-Fräser wesentlich zu erhöhen. Gleichzeitig wird das Anbacken von Harzmaterialien an den Fräserflächen.stark gemindert.

Claims (2)

1. Verfahren zur Haftvermittlung ionengestützt abgeschiedener iC-Schichten auf Substratmaterialien unter Verwendung einer haftvermittelnden Schicht, bei der Siliziumkdhlenstoff- und Siliziumstickstoff-Verbindungen angewendet werden, gekennzeichnet dadurch, daß nach einer lonenreinigung der Substrate im Rezipienten Bis-(trimethyl-Silyl)anilin ionisiert wird und eine Si-N-dotierte Kohlenstoffschicht mit einer Dicke zwischen 50 und 100 nm abgeschieden und darauf die iC-Schicht aufgebaut wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur Herstellung stabiler dicker iC-Schichten zwischen mehreren iC-Schichten jeweils Si-N-dotierte Kohlenstoffschichten mit einer Dicke von 20 bis 50 nm aufgebaut werden.
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