DE102009015545A1

DE102009015545A1 - Beschichtungsanlage mit Aktivierungselement sowie Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102009015545A1
Application number: DE102009015545A
Authority: DE
Inventors: Lothar Dr. Schäfer; Tino Harig; Markus Dr. Höfer; Artur Dipl.-Ing. Laukart
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2009-03-02
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2010-09-09
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: US20110318490A1; WO2010100116A1; DE102009015545B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beschichtungsanlage, enthaltend zumindest einen evakuierbaren Rezipienten (10), welcher zur Aufnahme eines Substrates (30) vorgesehen ist, eine Gaszufuhreinrichtung (15, 16, 20, 21), mittels welcher zumindest ein gasförmiger Prekursor in den Rezipienten (10) einleitbar ist und zumindest ein beheizbares Aktivierungselement (24), welches ein Material enthält, welches zumindest zwei verschiedene chemische Elemente enthält, welche ausgewählt sind aus Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir oder Pt. Weiterhin betrifft die Erfindung Verfahren zur Herstellung eines solchen Aktivierungselementes und Verfahren zu dessen Verwendung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Beschichtungsanlage, enthaltend zumindest einen evakuierbaren Rezipienten, welcher zur Aufnahme eines Substrates vorgesehen ist, eine Gaszufuhreinrichtung, mittels welcher zumindest ein gasförmiger Prekursor in den Rezipienten einleitbar ist und zumindest ein beheizbares Aktivierungselement. Weiterhin betrifft die Erfindung Verfahren zur Herstellung eines Aktivierungselementes sowie Verfahren zu dessen Verwendung.
Aus M. Sommer, F. W. Smith, J. Mater. Res. Vol. 5, No. 11 ist eine Beschichtungsanlage der eingangs genannten Art sowie deren Verwendung bekannt. Gemäß diesem Stand der Technik kann über die Gaszufuhreinrichtung eine Mischung aus CH₄ und H₂ oder C₂H₂ und H₂ in den Rezipienten eingelassen werden. Sofern das Aktivierungselement eine Temperatur über 1300 K aufweist, entsteht durch thermische und katalytische Wirkung der Oberfläche des Aktivierungselementes auf die Gasmoleküle eine aktivierte Gasphase, aus der eine Beschichtung auf einem Substrat gebildet werden kann. Beispielsweise kann mit dem beschrieben Verfahren eine diamanthaltige Beschichtung auf dem Substrat erzeugt werden.
Aus K. Honda, K. Ohdaira and H. Matsumura, Jpn. J. App. Phys., Vol. 47, No. 5 ist bekannt, eine Beschichtungsanlage der eingangs genannten Art zur Abscheidung von Silicium zu verwenden. Hierzu wird mittels der Gaszufuhreinrichtung Silan (SiH₄) als Prekursor zugeführt. Gemäß dem Stand der Technik wird Silan an der beheizten Wolframoberfläche des Aktivierungselementes dissoziiert und aktiviert, so dass eine Siliciumschicht auf einem Substrat abgeschieden werden kann.
Nachteilig am genannten Stand der Technik ist jedoch die Tatsache, dass der über die Gaszufuhreinrichtung zugeführte Prekursor mit dem Material des Aktivierungselementes reagiert. Auf diese Weise kann das Aktivierungselement beispielsweise zu Wolframsilicid, Wolframcarbid, Tantalcarbid oder einer ähnlichen Phase umgesetzt werden, welche sich aus zumindest einem Bestandteil des Prekursors und zumindest einem Bestandteil des Aktivierungselementes zusammensetzt. Die Umsetzung des Aktivierungselementes geschieht dabei von der Oberfläche des Aktivierungselementes ausgehend in dessen Inneres.
Die bei der Umsetzung entstehenden Phasen führen in der Regel zu Volumenveränderungen, sind im Vergleich zum Ausgangsmaterial spröde und mechanisch wenig belastbar und zeigen oftmals einen veränderten elektrischen Widerstand. Dies führt dazu, dass das Aktivierungselement oftmals bereits nach wenigen Stunden Betrieb zerstört ist. Beispielsweise kann das Aktivierungselement unter einer mechanischen Vorspannung im Rezipienten eingesetzt sein und unter dem Einfluss dieser mechanischen Vorspannung brechen. Weiterhin kann die veränderte Oberflächenbeschaffenheit und der sich über die Betriebsdauer ändernde elektrische Widerstand eine Veränderung der Aktivierungsrate des Prekursors bewirken. Dadurch verändert sich die Abscheiderate und/oder die Qualität der aufwachsenden Schicht.
Um ein Brechen des Aktivierungselementes unter einer mechanischen Vorspannung zu verhindern, schlägt der Stand der Technik beispielsweise die Spülung der Einspannstellen mit einem Inertgas vor. Um die Dynamik der Schichtabscheidung konstant zu halten, ist eine aufwändige Regelung der elektrischen Leistungsaufnahme bzw. der Temperatur des Aktivierungselementes bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht demnach darin, in einfacher Weise die Betriebsdauer eines Aktivierungselementes zu verlängern und den Einfluss des sich ändernden elektrischen Widerstandes auf das Beschichtungsergebnis zu verringern.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Beschichtungsanlage, enthaltend zumindest einen evakuierbaren Rezipienten, welcher zur Aufnahme eines Substrates vorgesehen ist, eine Gaszufuhreinrichtung, mittels welcher zumindest ein gasförmiger Prekursor in den Rezipienten einleitbar ist und zumindest ein beheizbares Aktivierungselement, welches ein Material enthält, welches zumindest zwei verschiedene Elemente enthält, welche ausgewählt sind aus Titan, Vanadium, Chrom, Zirkon, Niob, Molybdän, Hafnium, Tantal, Wolfram, Rhenium, Osmium, Iridium oder Platin.
Weiterhin besteht die Lösung der Aufgabe in einem Verfahren zur Herstellung eines Aktivierungselementes, welches den Schritt des Herstellens eines Materials enthält, welches zumindest zwei verschiedene chemische Elemente enthält, welche ausgewählt sind aus Titan, Vanadium, Chrom, Zirkon, Niob, Molybdän, Hafnium, Tantal, Wolfram, Rhenium, Osmium, Iridium oder Platin, wobei aus dem solchermaßen hergestellten Material ein Aktivierungselement hergestellt wird.
Weiterhin wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Abscheidung einer Beschichtung auf einem Substrat gelöst, wobei die Beschichtung zumindest ein erstes Element enthält. Die Beschichtung wird mittels einer aktivierten Gasphasenabscheidung, bei welcher ein Substrat in eine Gasatmosphäre eingebracht wird, welche zumindest das erste Element enthält, hergestellt, in dem die Gasatmosphäre durch ein beheiztes Aktivierungselement aktiviert wird, wobei das erste Element ausgewählt ist aus Silicium, Germanium, Kohlenstoff oder Stickstoff und der Querschnitt des Aktivierungselementes einen Kern und zumindest eine Diffusionsbarriere aufweist, welche das Eindringen des ersten Elementes in den Kern zumindest vermindert.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass das Aktivierungselement aus einer Verbindung aus mindestens zwei Elementen besteht. Während des Betriebes eines solchen Aktivierungselementes kann das Material eines solchen Aktivierungselementes durch die Reaktion mit den gasförmig eingebrachten Prekursoren zumindest in einigen Raumbereichen verändert werden. Die Prekursoren enthalten dabei zumindest ein Element aus den Gruppen IIIa, IVa, Va und/oder VIa. Das veränderte Aktivierungselement kann beispielsweise ein Material enthalten, welches dem weiteren Angriff durch die zur Beschichtung verwendeten Prekursoren in höherem Maße widersteht. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das veränderte Aktivierungselement eine Diffusionsbarriere aufweisen, durch welche der Zutritt von Gasmolekülen des Prekursors zu tieferen Materialschichten des Aktivierungselementes zumindest erschwert, wenn nicht gar verhindert wird. Auf diese Weise wird eine chemische Umsetzung des Aktivierungselementes mit dem Prekursor verzögert oder vermieden und die Standzeit des Aktivierungselementes wunschgemäß erhöht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die zumindest zwei verschiedenen chemischen Elemente, welche das Material des Aktivierungselementes bilden, zumindest eine Mischkristallphase bilden. Als Mischkristallphase im Sinne der vorliegenden Erfindung wird eine Verbindung bezeichnet, welche aus mindestens zwei verschiedenen chemischen Elementen besteht, wobei die Atome zumindest eines Elementes in einem Kristallgitter angeordnet sind. Die Atome des zweiten Elementes können entweder in Zwischengitterplätze eingelagert sein oder ein Atom des ersten Elementes durch Substitution ersetzen. Eine solche Mischkristallphase mit metallischen Eigenschaften kann auch eine Legierung sein. In analoger Weise können Mischkristallphasen auch als ternäre oder mehrkomponentige Verbindung vorliegen.
In einer Weiterbildung der Erfindung enthält das Material des Aktivierungselementes zumindest eine intermediäre Phase. Unter einer intermediären Phase im Sinne der vorliegenden Erfindung wird eine Verbindung von mindestens zwei Elementen verstanden, welche in einer Kristallstruktur kristallisieren, welche von der Kristallstruktur der reinelementaren Phasen der Konstituenten abweicht, wobei die Konzentrationen der Konstituenten entweder ein festes Verhältnis zueinander eingehen oder allenfalls in einem schmalen Bereich variierbar sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält das Material des Aktivierungselementes zumindest eine reinelementare Phase. Als reinelementare Phase wird dabei eine amorphe oder kristalline Phase bezeichnet, welche im Wesentlichen aus einem einzigen chemischen Element gebildet wird.
Sofern mehrere verschiedene reinelementare Phasen und/oder zumindest eine Mischkristallphase und/oder zumindest eine intermediäre Phase in einem Aktivierungselement enthalten sind, können diese eine Schichtstruktur mit geometrisch definierten Grenzflächen bilden oder ein Phasengemenge oder ein Eutektikum oder eine eutektoide Phase. Zusätzlich können unvermeidbare Verunreinigungen enthalten sein. Diese machen je nach verwendetem Basismaterial und Herstellungsprozess im Regelfall weniger als 1,5 Gewichtsprozent der Gesamtmasse aus, bevorzugt weniger als 0,1 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt weniger als 0,01 Gewichtsprozent.
Das Aktivierungselement ist in einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung so ausgebildet, dass es in einfacher Weise beheizbar ist, eine möglichst große Oberfläche zur Aktivierung der Gasphase bereitstellt und eine möglichst lange Standzeit erreicht. Beispielsweise kann das Aktivierungselement plattenförmig ausgeführt und über eine Widerstandsheizung oder eine Elektronenstoßheizung beheizt sein. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann das Aktivierungselement rohrförmig sein und in die Gaszufuhreinrichtung integriert sein, sodass die Gaszufuhreinrichtung unmittelbar eine aktivierte Gasphase in den Rezipienten einleitet. Besonders bevorzugt ist jedoch ein Aktivierungselement, welches durch zumindest einen Draht gebildet wird. Auf diese Weise ist eine einfache und gleichmäßige Beheizung durch direkten Stromfluss und eine große aktive Oberfläche sichergestellt.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann das Aktivierungselement durch einen Filamentdraht gebildet werden. Zur Herstellung eines solchen Filamentdrahtes kann beispielsweise ein zylindrischer Grundkörper aus einer duktilen ersten reinelementaren Phase und/oder zumindest einer Mischkristallphase und/oder zumindest einer intermediäre Phase erzeugt werden, welcher mit Hohlräumen oder Durchgangsbohrungen versehen wird. In diese Hohlräume oder Durchgangsbohrungen kann dann eine zweite reinelementare Phase und/oder eine Mischkristallphase und/oder eine intermediäre Phase eingebracht werden. Fallweise kann die zweite Phase auch in Pulverform eingebracht werden. Aus dem zylindrischen Grundkörper kann dann in an sich bekannter Weise ein Draht gezogen werden, welcher Filamente der zweiten Phase einschließt. Optional kann durch einen Temperschritt eine Phasenumwandlung und/oder eine chemische Umsetzung vorgenommen werden. Dabei kann ein Pulverförmiger Stoff versintern.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung enthält das Material des Aktivierungselementes zumindest zwei verschiedene chemische Elemente, wobei ein Element mit zumindest 20 Atomprozent in der Verbindung enthalten ist. Bevorzugt ist ein Element mit mehr als 40 Atomprozent in der Verbindung enthalten. Besonders bevorzugt ist eine Verbindung, bei welcher zwei Elemente zu jeweils etwa 50 Atomprozent enthalten sind. Beispielsweise können solche Aktivierungselemente Niob und Molybdän enthalten, wobei der Anteil an Molybdän etwa 20 Gewichtsprozent bis etwa 51 Gewichtsprozent beträgt. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Aktivierungselement Tantal und Molybdän enthalten, wobei der Anteil an Molybdän etwa 10 Gewichtsprozent bis etwa 35 Gewichtsprozent beträgt. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Material des Aktivierungselementes Niob und Wolfram enthalten, wobei der Anteil an Wolfram etwa 30 Gewichtsprozent bis etwa 67 Gewichtsprozent beträgt. Schließlich kann das Material des Aktivierungselementes Tantal und Wolfram enthalten, wobei der Anteil an Wolfram etwa 20 Gewichtsprozent bis etwa 51 Gewichtsprozent beträgt.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt
1 den Aufbau einer erfindungsgemäß vorgeschlagenen Beschichtungsanlage.
2 zeigt den Querschnitt durch ein Aktivierungselement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt den Querschnitt durch ein Aktivierungselement gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
4 zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme eines Querschnittes durch ein Aktivierungselement.
5 zeigt beispielhaft ein Phasendiagramm eines Materials gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Beschichtungsanlage. Die Beschichtungsanlage umfasst einen Rezipienten 1, welcher einen Anschluss 12 aufweist, an welchem eine an sich bekannte Vakuumpumpe anschließbar ist. Mittels der am Anschluss 12 befindlichen Vakuumpumpe kann der Rezipient auf ein Endvakuum von beispielsweise 1 × 10^–4 mbar, bevorzugt 1 × 10^–6 mbar, besonders bevorzugt 1 × 10^–7 mbar oder weniger evakuiert werden.
Innerhalb des Rezipienten sind verschiedene Baugruppen angeordnet. Beispielsweise befindet sich im Rezipienten 10 ein Substrathalter 11, auf welchen ein zu beschichtendes Substrat 30 angeordnet werden kann. Der Substrathalter 11 kann dazu eingerichtet sein, dass Substrat 30 an eine vorgebbare Stelle innerhalb des Rezipienten zu positionieren, eine Vorspannung an das Substrat 30 anzulegen und/oder das Substrat 30 auf eine vorgebbare Temperatur zu heizen oder zu kühlen. Der Substrathalter 11 kann dazu eingerichtet sein, mehrere Substrate aufzunehmen. Weiterhin können in einigen Ausführungsformen der Erfindung mehrere Substrathalter vorgesehen sein. Bei Betrieb der Beschichtungsanlage wird auf dem Substrat 30 eine Beschichtung 31 abgeschieden.
Weiterhin ist ein Aktivierungselement 24 dargestellt. Das Aktivierungselement 24 umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Drähte 18 und 19. Dabei weist der Draht 18 eine gestreckte Einbaulage auf. Der Draht 19 weist mehrere Windungen 19a auf, mit welchen der Leistungsbedarf zur Beheizung erhöht werden kann und/oder die Oberfläche des Drahtes 19 vergrößert werden kann. Die Drähte 18 und 19 können einen runden Querschnitt aufweisen oder eine beliebige andere Querschnittsform, beispielsweise polygonal. Fallweise können nur gerade Drähte 18 oder nur gewundene Drähte 19 oder eine Kombination beider Drähte vorgesehen sein.
Die Drähte 18 und/oder 19 enthalten eine Verbindung aus zumindest zwei Elementen, welche ausgewählt sind aus Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir oder Pt. Die Drähte können mehrere verschiedene reinelementare Phasen und/oder zumindest eine Mischkristallphase und/oder zumindest eine intermediäre Phase enthalten. Diese können eine Schichtstruktur mit geometrisch definierten Grenzflächen bilden oder ein Phasengemenge und/oder ein Eutektikum und/oder eine eutektoide Phase der enthaltenen Komponenten.
Weiterhin umfasst das Aktivierungselement 24 zwei Haltevorrichtungen 13a und 13b, mit welchen die Drähte 18 und 19 mit einer Vorspannung beaufschlagt werden können. In Abhängigkeit des gewünschten Beschichtungsprozesses kann die relative Lage des Aktivierungselementes 24 zum Substrat 30 so gewählt werden, dass eine direkte Sichtverbindung zwischen dem Aktivierungselement 24 und dem Substrat 30 besteht. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Substrat 30 so angeordnet sein, dass keine direkte Sichtverbindung zu dem Aktivierungselement 24 besteht.
Zur Initiierung einer Schichtabscheidung auf dem Substrat 30 werden die Aktivierungselemente 24 auf eine erhöhte Temperatur gebracht, welche beispielsweise zwischen 1300 K und etwa 3300 K liegt. Die Beheizung der Drähte 18 und 19 erfolgt im dargestellten Beispiel durch direkten Stromfluss, d. h. durch Widerstandsheizung. Hierzu ist jeweils ein Ende der Drähte 18 und 19 mit einem Masseanschluss versehen. Das jeweils dem Masseanschluss entgegen gesetzte Ende wird mittels einer vakuumdichten elektrischen Durchführung 17a bzw. 17b aus dem Inneren des Rezipienten 10 nach außen geführt. Dort befindet sich der Anschluss einer dem jeweiligen Draht 18 bzw. 19 zugeordneten Stromversorgung 23a und 23b. Die Stromversorgung 23a und 23b kann dabei Regelkreise umfassen, welche es gestatten, die jeweilige Temperatur und/oder den eingestellten Strom und/oder die anliegende Spannung an den Drähten 18 und 19 auf vorgebbare Werte zu regeln.
Die Abscheidung der Schicht 31 aus der Gasphase erfordert die Anwesenheit von schichtbildenden Substanzen bzw. Prekursoren. Die Bereitstellung der Prekursoren erfolgt über eine Gaszufuhreinrichtung 15, 16, 20 und 21. Dabei befindet sich zumindest ein gasförmiger Prekursor in einem Gasvorrat 21, beispielsweise einem Druckbehälter oder einem Verdampfer. Dieser ist über ein Regelventil 20 mit einer Zufuhrleitung 15 verbunden. Die Zufuhrleitung 15 endet innerhalb des Rezipienten 10 an einem Gasauslass 16. Der Gasauslass 16 kann beispielsweise ein frei ausblasendes Rohrende, eine Düse oder ein Gasverteiler sein.
Der im Inneren des Rezipienten 10 herrschende Druck wird mittels einer Druckmesseinrichtung 14 überwacht. Die Druckmesseinrichtung 14 kann beispielsweise ein Totaldruckmessgerät sein, wie beispielsweise ein Baratron, eine Bayard-Alpert-Messröhre oder ein invertiertes Magnetron. Alternativ kann die Druckmesseinrichtung 14 auch eine Partialdruckmesseinrichtung sein, beispielsweise ein Quadrupol-Massenspektrometer.
Der von der Druckmesseinrichtung 14 aufgenommene Druck wird einer Regeleinrichtung 22 zugeführt. Die Regeleinrichtung 22 erzeugt ein Stellsignal für das Regelventil 20, um den im Inneren des Rezipienten 10 herrschenden Druck bzw. den Partialdruck des Prekursors auf einen vorgebbaren Sollwert zu regeln. Sofern mehrere unterschiedliche Prekursoren benötigt werden, kann der Gasvorrat 21 eine entsprechend vorbereitete Gasmischung beinhalten oder die unterschiedlichen Prekursoren werden über eine Mehrzahl von Gaszufuhreinrichtungen 16, 15, 20 und 21 sowie zugeordnete Mess- und Regeleinrichtungen 14 und 22 zugeführt.
Mit der dargestellten Beschichtungsanlage können verschiedenartige Beschichtungen 31 auf dem Substrat 30 erzeugt werden. Beispielsweise kann als Prekursor CH₄ und H₂ verwendet werden, um auf dem Substrat 30 eine kohlenstoffhaltige Beschichtung abzuscheiden. Die kohlenstoffhaltige Beschichtung kann in Abhängigkeit von den gewählten Prozessparametern kristallinen Diamant umfassen. Alternativ kann die kohlenstoffhaltige Beschichtung diamantartigen Kohlenstoff (DLC), Graphen oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) enthalten.
Sofern als Prekursor ein siliciumhaltiges Gas wie beispielsweise Silan (SiH₄) verwendet wird, kann die Beschichtung amorphes (a-Si:H) oder kristallines (c-Si:H) Silicium enthalten. Durch die Kombination verschiedener Prekursorgase oder durch die Verwendung eines mehrkomponentigen Prekursorgases lassen sich Schichten aus mehreren Komponenten herstellen. Beispielsweise kann eine SiN_y-Schicht erzeugt werden, wenn als Prekursorgase Silan, Ammoniak verwendet werden. Eine SiO_xN_y-Schicht kann erzeugt werden, wenn als Prekursorgase Silan, Ammoniak und Sauerstoff verwendet werden. Sofern als Prekursorgas Trimethylsilan verwendet wird, kann eine Siliciumcarbid-Schicht erzeugt werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung können zusätzlich zum Prekursor weitere Gase vorhanden sein, beispielsweise als Trägergas oder Verunreinigung. Als Verunreinigungen kommen insbesondere Kohlenwasserstoffe, Sauerstoff, Stickstoff oder Wasser in Betracht. Fallweise können diese Verunreinigungen in der Schicht 31 nachgewiesen werden.
2 zeigt den Querschnitt durch einen Draht 18, welcher Teil des Aktivierungselementes 24 ist. Der Querschnitt zeigt einen Kern 40 mit einer Randzone 41. Zwischen dem Kern 40 und der Randzone 41 kann fallweise eine Übergangszone 42 angeordnet sein. In einer Ausführungsform der Erfindung enthält der Kern 40 zumindest zwei verschiedene chemische Elemente, welche ausgewählt sind aus Titan, Vanadium, Chrom, Zirkon, Niob, Molybdän, Hafnium, Tantal, Wolfram, Rhenium, Osmium, Iridium oder Platin. Der Kern 40 kann eine binäre, ternäre oder mehrkomponentige Verbindung der genannten Elemente enthalten. Daneben enthält der Kern 40 fallweise unvermeidbare Verunreinigungen, wie beispielsweise Aluminium, Silicium, Sauerstoff, Kohlenstoff oder weitere, nicht genannte Elemente. Der Gehalt an diesen Verunreinigungen wird jedoch im Regelfall weniger als 1,5 betragen.
Die zumindest zwei verschiedenen chemischen Elemente können eine Mischkristallphase und/oder eine intermediäre Phase und/oder eine reinelementare Phase und/oder eine eutektische und/oder eine eutektoide Phase bilden. Auf diese Weise ergibt sich eine Vielzahl möglicher Ausführungsformen. Beispielsweise ist in 2a der Fall gezeigt, dass der Kern 40 das erste chemische Element enthält und die Randzone 41 das zweite chemische Element. Auf diese Weise ergibt sich eine geometrisch bestimmte Grenzfläche zwischen beiden reinelementaren Phasen. Alternativ kann auch der Kern 40 aus einer Legierung von zwei verschiedenen chemischen Elementen bestehen und die Randzone 41 durch eine reinelementare Phase eines dritten chemischen Elementes gebildet werden.
In 2b ist wiederum eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei welcher der Kern 40 und die Randzone 41 je eine Mischkristallphase 44 enthalten, welche neben weiteren Phasen 45 und 46 koexistieren. Anhand der dargestellten Prinzipien kann der Fachmann weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung kombinieren.
Die Randzone 41 kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung auch dadurch gebildet werden, dass zumindest ein Element des Kerns 40 mit einem gasförmigen Element, wie beispielsweise Kohlenstoff, Silicium, Stickstoff oder Germanium reagiert. Auf diese Weise enthält die Randzone 41 beispielsweise ein Silicid, ein Carbid oder ein Nitrid. Da bei dieser Form der Herstellung die gasförmige Substanz von außen in das Innere des Drahtes 18 eindiffundiert, kann sich im Übergang der Randzone 41 zum Kern 40 eine Mischzone 42 ausbilden, in welcher die Konzentration des eindiffundierten Elementes kontinuierlich bis zum reinen Material des Kerns 40 abnimmt. Beispielsweise kann der Kern 40 in diesem Fall aus einer reinelementaren Wolframphase bestehen. Beim Glühen des Drahtes 18 in einer siliciumhaltigen Atmosphäre, welche beispielsweise 0,5% bis 100% Silan enthält, ensteht auf diese Weise eine Randzone 41, welche WSi_x enthält. Die Randzone 41 ist in diesem Fall bevorzugt etwa 10 μm bis 100 μm dick. Dies entspricht etwa 10 Prozent bis etwa 50 Prozent des Querschnittes des Aktivierungselementes, welches bevorzugt einen Durchmesser bzw. eine Dicke von etwa 0.1 mm bis etwa 1 mm, insbesondere 0,2 mm bis 0,7 mm aufweist. Das oben dargestellte Beispiel kann auch dahingehend verallgemeinert werden, dass der Kern zwei oder mehr Elemente enthält. Beispielsweise kann der Kern Tantal und Wolfram enthalten und die Randzone TaSi_y und/oder WSi_x und/oder (Ta, W)_mS_1-m.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Querschnittes eines Drahtes 18 eines Aktivierungselementes 24. Der Querschnitt gemäß 3 zeigt eine in etwa polygonale Form mit abgerundeten Ecken. Das Aktivierungselement gemäß 3 besteht aus einer Verbindung von mindestens zwei Elementen aus der Gruppe, welche Titan, Vanadium, Chrom, Zirkon, Niob, Molybdän, Hafnium, Tantal, Wolfram, Rhenium, Osmium, Iridium oder Platin enthält. Dabei enthält das Material des Aktivierungselementes zwei Phasen 50 und 51, welche sich nicht vollständig mischen. Beispielsweise kann die Phase 51 eine intermediäre Phase sein, welche neben einer reinelementaren Phase 50 koexistiert. In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Phase 51 eine intermediäre Phase sein, welche neben einer Mischkristallphase 50 koexistiert. In einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Phase 51 eine Mischkristallphase sein, welche neben einer reinelementaren Phase 50 koexistiert oder die Phase 51 kann eine erste Mischkristallphase sein, welche neben einer zweiten Mischkristallphase 50 koexistiert.
Bei Betrieb des Aktivierungselementes bei Anwesenheit eines Prekursors, welcher Elemente aus den Gruppen IIIa, IVa, Va und/oder VIa des Periodensystems enthält, kann das Material des Drahtes 18 eine Umsetzung erfahren, wobei Elemente aus dem Prekursor eingebaut werden. Beispielsweise kann unter diesen Umständen WC, SiC, W₅Si₃, (W, Ta)₅Si₃ oder eine ähnliche Phase entstehen. Dabei kann vorgesehen sein, dass nur bestimmte Raumbereiche, bzw. bestimmte Flächenbereiche des Querschnittes an der Umsetzung teilnehmen, sodass ein hinreichender Querschnitt des Aktivierungselementes verbleibt, um dessen Funktion sicherzustellen. Beispielsweise kann die Phase 51 an der Umsetzung mit dem Prekursor beteiligt sein und die Phase 50 nicht bzw. in geringerem Maße. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können Teilbereiche des Aktivierungselementes als Diffusionsbarriere dienen. In diesem Fall bildet sich eine Randzone einer barrierewirksamen Phase, welche den weiteren Zutritt von Prekursoren verzögert oder verhindert.
4 zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme des Querschnittes durch ein erfindungsgemäßes Aktivierungselement. Die Aufnahme gemäß 4 entstand bei einer Beschleunigungsspannung von 20 kV und einer Apertur von 30 μm. Der Maßstab der Figur ist zeichnerisch dargestellt.
4 zeigt einen im Wesentlichen runden Querschnitt eines Aktivierungselementes 18. Dieses besteht aus einem Kern W, welcher im Wesentlichen eine reinelementare Wolframphase enthält. Außen um den Kern ist eine Randzone W-Si gebildet, welche im Wesentlichen aus Wolframsilicid besteht. Erfindungsgemäß konnte gezeigt werden, dass diese Randzone die Eindiffusion von Kohlenstoff und damit die Carburierung des Kerns W vermindert. Daher ist die Standzeit des in 4 dargestellten Aktivierungselementes in einem kohlenstoffhaltigen Prekursor wie C₂H₄ oder CH₄ gegenüber dem Stand der Technik erhöht.
5 zeigt ein Phasendiagramm der Elemente Wolfram und Silicium. Dargestellt ist die Temperatur in Kelvin auf der Ordinate und die Konzentration in Atomprozent auf der Abszisse. Im Diagramm ganz rechts ist somit eine reinelementare Wolframphase dargestellt (Wolframgehalt 100 Atomprozent), welche einen Schmelzpunkt von 3695 K und ein kubisch-raumzentriertes Kristallgitter (bcc) aufweist.
Im Diagramm ganz links ist eine reinelementare Siliciumphase dargestellt (Wolframgehalt 0 Atomprozent), welche einen Schmelzpunkt von 1683 K aufweist und in Diamantstruktur kristallisiert (kubisch-flächenzentriertes Gitter mit zweiatomiger Basis). Bei festen Konzentrationswerten, nämlich einem Wolframgehalt von etwa 0,33 und etwa 0,62 Atomprozent bilden sich intermediäre Phasen, nämlich WSi₂ und W₅Si₃. Diese zeichnen sich durch ein tetragonales Kristallgitter und keramische bzw. intermetallische Eigenschaften aus. Unter einer intermediären Phase im Sinne der vorliegenden Erfindung wird eine Phase aus mindestens zwei Elementen verstanden, welche eine Kristallstruktur ausbildet, welche von den Kristallstrukturen der Ausgangselemente abweicht. Sofern das Mischungsverhältnis von Silicium und Wolfram von den genannten Werten abweicht, bildet sich ein Phasengemenge einer intermediären Phase und/oder reinem Silicium oder Wolfram und/oder eines Eutektikums aus, so dass sich der in 3 beispielhaft gezeigte Querschnitt ausbilden kann.
Dem Fachmann ist selbstverständlich geläufig, dass die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Vielmehr können bei der Umsetzung der Erfindung Modifikationen und Änderungen vorgenommen werden, ohne die Erfindung an sich wesentlich zu verändern. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend sondern als erläuternd anzusehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- M. Sommer, F. W. Smith, J. Mater. Res. Vol. 5, No. 11 [0002]
- K. Honda, K. Ohdaira and H. Matsumura, Jpn. J. App. Phys., Vol. 47, No. 5 [0003]

Claims

Beschichtungsanlage, enthaltend zumindest einen evakuierbaren Rezipienten (10), welcher zur Aufnahme eines Substrates (30) vorgesehen ist, eine Gaszufuhreinrichtung (15, 16, 20, 21), mittels welcher zumindest ein gasförmiger Prekursor in den Rezipienten (10) einleitbar ist und zumindest ein beheizbares Aktivierungselement (24), dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Aktivierungselementes (24) zumindest zwei verschiedene chemische Elemente enthält, welche ausgewählt sind aus Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir oder Pt.
Beschichtungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Aktivierungselementes (24) zumindest eine Mischkristallphase enthält.
Beschichtungsanlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Aktivierungselementes (24) zumindest eine intermediäre Phase enthält.
Beschichtungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Aktivierungselementes (24) zumindest eine reinelementare Phase enthält.
Beschichtungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Aktivierungselementes (24) durch zumindest einen Draht (18, 19) gebildet wird.
Beschichtungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht (18, 19) einen Durchmesser von etwa 0.1 mm bis etwa 1.0 mm, insbesondere 0.2 mm bis 0.7 mm, aufweist.
Beschichtungsanlage nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht (18, 19) einen Kern (40) und eine Randzone (41) aufweist, wobei die Randzone eine Verbindung aus dem Material des Kerns und zumindest einem weiteren Element enthält, welches ausgewählt ist aus Kohlenstoff und/oder Stickstoff und/oder Silicium und/oder Germanium.
Beschichtungsanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Kern (40) und Randzone (41) eine Mischzone (42) ausgebildet ist, innerhalb derer das Material der Randzone (41) kontinuierlich in das Material des Kerns (40) übergeht.
Beschichtungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Aktivierungselementes Niob und Molybdän enthält, wobei der Anteil an Molybdän etwa 20 bis etwa 51 Gewichtsprozent beträgt.
Beschichtungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Aktivierungselementes Tantal und Molybdän enthält, wobei der Anteil an Molybdän etwa 10 bis etwa 35 Gewichtsprozent beträgt.
Beschichtungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Aktivierungselementes Niob und Wolfram enthält, wobei der Anteil an Wolfram etwa 30 bis etwa 67 Gewichtsprozent beträgt.
Beschichtungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Aktivierungselementes Tantal und Wolfram enthält, wobei der Anteil an Wolfram etwa 20 bis etwa 51 Gewichtsprozent beträgt.
Verwendung einer Beschichtungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Abscheidung einer kohlenstoffhaltigen und/oder siliciumhaltigen und/oder germaniumhaltigen Beschichtung (31) auf dem Substrat (30).
Verfahren zur Herstellung eines Aktivierungselementes (24), enthaltend die folgenden Schritte: Herstellen eines Materials, welches zumindest zwei verschiedene chemischen Elemente enthält, welche ausgewählt sind aus Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir oder Pt, und Herstellen eines Aktivierungselementes aus dem Material.
Verfahren nach Anspruch 14, enthaltend die folgenden Schritte: Herstellen eines Materials, welche Niob und Molybdän enthält, wobei der Anteil an Molybdän etwa 20 bis etwa 51 Gewichtsprozent beträgt oder Herstellen eines Materials, welche Tantal und Molybdän enthält, wobei der Anteil an Molybdän etwa 10 bis etwa 35 Gewichtsprozent beträgt oder Herstellen eines Materials, welche Niob und Wolfram enthält, wobei der Anteil an Wolfram etwa 30 bis etwa 67 Gewichtsprozent beträgt oder Herstellen eines Materials, welche Tantal und Wolfram enthält, wobei der Anteil an Wolfram etwa 20 bis etwa 51 Gewichtsprozent beträgt und Ziehen eines Drahtes (18, 19) aus der Verbindung.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Draht (18, 19) mit einem Durchmesser von etwa 0.1 mm bis etwa 1.0 mm, insbesondere 0.2 mm bis 0.7 mm gezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei das Aktivierungselement (18, 19) bei einer vorgebbaren Temperatur einer Gasatmosphäre ausgesetzt wird, welche Silicium und/oder Germanium und/oder Stickstoff und/oder Kohlenstoff enthält, so dass sich auf dem Kern (40) eine Randzone (41) bildet, welche eine Verbindung des Materials des Kerns (40) und Silicium und/oder Germanium und/oder Stickstoff und/oder Kohlenstoff enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivierungselement aus einem ersten Material hergestellt wird, welches Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir oder Pt enthält, und nachfolgend in einem Beschichtungsverfahren mit einem Material beschichtet wird, welches Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir oder Pt enthält und vom ersten Material verschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivierungselement nach der Schichtabscheidung bei einer vorgebbaren Temperatur eine Phasenumwandlung erfährt.
Verfahren zur Abscheidung einer Beschichtung, welche zumindest ein erstes Element enthält, auf einem Substrat (30) mittels einer aktivierten Gasphasenabscheidung, bei welchem ein Substrat (30) in eine Gasatmosphäre eingebracht wird, welche zumindest das erste Element enthält, und die Gasatmosphäre durch ein beheiztes Aktivierungselement (24) aktiviert wird, wobei das erste Element ausgewählt ist aus Silicium, Germanium, Kohlenstoff oder Stickstoff, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Aktivierungselementes (24) einen Kern (40) und eine Diffusionsbarriere (42) aufweist, welche das Eindringen des ersten Elementes in den Kern (40) vermindert.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das die Diffusionsbarriere (42) eine Randzone (41) enthält, welche dadurch gebildet wird, dass das Material des Kerns (40) bei einer vorgebbaren Temperatur für eine vorgebbare Zeit einer Gasatmosphäre ausgesetzt wird, welche zumindest ein zweites Element enthält, so dass die Randzone (41) eine Verbindung des Materials des Kerns (40) und dem zweiten Element enthält, wobei das zweite Element ausgewählt ist aus Silicium, Germanium, Kohlenstoff oder Stickstoff und vom ersten Element verschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (40) Wolfram und/oder Tantal und/oder Molybdän und/oder Niob enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbare Temperatur etwa 1780 K bis etwa 2780 K beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasatmosphäre, welche zumindest ein zweites Element enthält, zwischen etwa 0,5% und etwa 100% SiH₄ enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck der Gasatmosphäre, welche zumindest ein zweites Element enthält, etwa 0,1 Pa bis etwa 100 Pa beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbare Zeit etwa 15 Minuten bis etwa 60 Minuten beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Randzone eine Dicke von etwa 10 bis etwa 50 des Querschnittes des Aktivierungselementes aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Randzone eine Dicke von etwa 10 μm bis etwa 300 μm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat (30) eine Schicht abgeschieden wird, welche Diamant und/oder Graphen und/oder CNT und/oder DLC enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat (30) eine Schicht abgeschieden wird, welche Germanium enthält.