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Die Erfindung betrifft ein Kohlenstofftarget für plasmaaktivierte Elektronenstrahl-Bedampfung mittels einer auf dem Verdampfungsgut brennenden Bogenentladung (Spotless arc-activated Deposition-Target, SAD-Target) sowie ein Verfahren zum Herstellen einer kohlenstoffhaltigen Schicht mittels Elektronenstrahlverdampfung mit Plasmaaktivierung durch einer auf dem Verdampfungsgut brennenden diffusen Bogenentladung (Spotless arc-activated Deposition).
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Ein Spotless arc-activated Deposition-Target kommt in einem Spotless arc-activated Deposition-Prozess zum Einsatz, wobei dieser Beschichtungsprozess zu einem plasmaaktivierten Hochrateverdampfungsprozess gezählt wird.
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Ein schematischer Aufbau einer plasmaaktivierten Hochrateverdampfung ist in 1 dargestellt. Der Vorteil dieser Beschichtungstechnik liegt darin, dass damit Schichten 12 guter Qualität und dichter Struktur äußerst effizient auf Substrate 1 wie Platten und Bänder aus Metall, Glas oder Kunststoff sowie auf 3-dimensionale Gegenstände großflächig aufgebracht werden können. Plasmaaktivierte Hochratebedampfungsprozesse finden besonders in den Bereichen Solarenergie, Maschinenbau, Verpackung und im Bereich Umwelt und Energie Verwendung.
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Die Kombination der Hochratebedampfung mit unterschiedlich geführten Bogenentladungen, d.h. die plasmaaktivierte Abscheidung mittels diffuser Bogenentladung, wird als spotless arc-activated deposition, SAD bezeichnet.
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Das Prinzip des SAD-Prozesses (Spotless arc-activated Deposition-Prozesses) beruht darauf, dass unter bestimmten Prozessrandbedingungen aus einem Verdampfungsspot 10 ein Plasma 7 gezündet werden kann, wenn die Sekundärelektronen, d.h. die thermisch angeregten und die Rückstreu-Elektronen, in Richtung einer Anode 6 mit positiven Potential mit einer bestimmten, durch die Beschleunigungsspannung eingestellten Energie, beschleunigt werden. Dabei zündet sich ein diffuser Lichtbogen, der im selbsterzeugten Dampf 9 brennt. Über die Höhe der Beschleunigungsspannung kann der Wechselwirkungsquerschnitt, d.h. der Ionisierungsgrad nahezu beliebig eingestellt werden.
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Der Vorteil des SAD-Prozesses liegt darin, dass dieser bestens zur Hochratebeschichtung für große Flächen geeignet ist und eine kostengünstige Beschichtung darstellt. Durch eine gezielte Einstellung der Prozessrandbedingungen, wie Beschleunigungsspannung, Druck, Temperatur, Elektronenstrahlleistung, usw. können die Schichteigenschaften verbessert werden. Beispielsweise können Schichten mit einer dichten Mikrostruktur, glatten Oberfläche und hohen Härte hergestellt werden, aber auch Verbindungsschichten durch eine Erhöhung der Reaktivität im Prozess.
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Nach dem Stand der Technik kann mittels eines SAD-Prozesses von einem graphitischen Target noch keine kohlenstoffhaltige Schicht abgeschieden werden, da bei reinem sp2-haltigen Kohlenstoff unter den einstellbaren Prozessbedingungen kein Plasma gezündet werden kann. Der SAD-Prozess ist im starken Maße materialabhängig und wird im Wesentlichen durch die am Stromfluss beteiligten Ladungsträger beeinflusst.
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Für die theoretische Charakterisierung der Materialien kann das Verhältnis Si,m der Ionenstromdichte ji,K (Dampfemission) zur Elektronen-Emissionsstromdichte gebildet und in Abhängigkeit von der Kathodentemperatur dargestellt werden. Anschaulich zeigt sich der Unterschied zwischen den hochschmelzenden Metallen (z.B. Wolfram (W)) die einen hohen Emissionsstrom (viele Partikel) liefern können, und den niedrigschmelzenden Metallen (z.B. Magnesium (Mg)) bei denen bereits bei geringen Temperaturen hohe Teilchenströme erzeugt werden. Für hochschmelzende Materialien mit Si,m < 1 ist es notwendig, dass die Kathodentemperatur ausreichend hoch ist, um den thermischen Emissionsstrom ji,K zu liefern. Für Materialien mit Si,m > 1 ist der notwendige Dampfdruck deutlich höher. Für Materialien (Metalle) mit Si,m >> 1 wird kein diffuser Bogen beobachtet.
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Für einige hochschmelzende Materialien, zu denen auch der graphitische Kohlenstoff gehört, ist eine Plasmazündung in den bisherigen Prozessbereichsgrenzen nicht möglich. Eine Verschiebung der Prozessbereichsgrenzen, wie beispielsweise höhere Kathodentemperaturen oder geringere Dampfdrücke sind sehr aufwendig und kostenintensiv.
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Kohlenstofftargets werden in vielen Beschichtungsprozessen, wie dem Sputtern oder beim Elektronenstrahlverdampfen eingesetzt. Die Zusammensetzung des Kohlenstofftargets, wie Atombindungs- bzw. Elektronenzustände (Atomorbitale) sowie die Zugabe von Fremdatomen und die Prozessbedingungen während des Beschichtungsprozesses, wie Druck, Leistung, Temperatur usw. können die Schichteigenschaften der herzustellenden Schicht beeinflussen und letztere können durch gezielte Variation der genannten Parameter eingestellt werden.
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Kohlenstoff weist durch die Möglichkeit der Kombination der Elektronenzustände (unterschiedliche Atomorbitale) benachbarter Atome zu neuen Zuständen, zu sogenannten Hybridzuständen (sp2, sp3) von allen chemischen Elementen die größte Vielfalt an chemischen Verbindungen auf.
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Zu den interessierenden Anwendungsgebieten von Kohlenstoff enthaltenden Schichten zählen beispielsweise der Einsatz in Deckschichten, z.B. als Kratzschutz oder transparente leitfähige Schicht in der Displaytechnologie, der Einsatz in speziellen Funktionsschichten, wie Diffusions-, Barriere- und Korrosionsschutzschicht für Energiesysteme, wie Batterien oder Brennstoffzellen, aber auch der Einsatz in der Verpackungsindustrie.
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Beispielsweise wird sp2-haltiger, d.h. graphitischer Kohlenstoff bei einer rein thermischen bzw. konventionellen elektronenstrahlinduzierten Verdampfung (EB-PVD) abgeschieden. Jedoch neigt Kohlenstoff unter bestimmten Voraussetzungen, z.B. bei hohen Energien und hohen Drücken sowie mit Plasmaunterstützung, dazu, tetraedrische Bindungen (sp3-hybridisiert) auszubilden, die ein dreidimensionales Wachstum induzieren und völlig andere elektrische, optische und mechanische Eigenschaften zeigen. In der Literatur wird dieser Kohlenstoff häufig als ta-DLC, d.h. tetraedrisch amorpher Diamant Like Carbon bezeichnet. Dieser sp3-hybridisierte Kohlenstoff kann beispielsweise mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PE-CVD) oder mittels Sputtern realisiert werden.
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Allerdings konnte hoch konzentrierter sp3-haltiger Kohlenstoff auf Basis einer Verdampfung/Sublimation von Kohlenstoff bisher noch nicht appliziert werden.
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Der Vorteil, Schichten aus Kohlenstoff in einem Bedampfungsprozess herzustellen, ist die Möglichkeit, sehr reine Schichten abscheiden zu können.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Spotless arc-activated Deposition-Target zur Abscheidung kohlenstoffhaltiger Schichten derart bereitzustellen, dass mit diesem eine diffuse Bogenentladung auf Basis des SAD-Prozesses (Spotless arc-activated Deposition) in moderaten Prozessbereichsgrenzen möglich ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Spotless arc-activated Deposition-Target als ein Kohlenstofftarget, welches sp2-hybridisierten Kohlenstoff enthält, ausgebildet ist, wobei das Kohlenstofftarget sp3-hybridisierten Kohlenstoff derart enthält, dass bei einer diffusen Bogenentladung ein Plasma zündbar ist.
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Durch den Zusatz von sp3-hybridisiertem Kohlenstoff gelingt es eine diffuse Bogenentladung aus einem dichten Kohlenstoffdampf heraus zu zünden.
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Die Auswahl des sp2/sp3-Verhältnisses des Targets erfolgt dabei so, dass die elektrische Leitfähigkeit, der Grad der Sublimation (thermische Emission) und das Maß der Sekundärelektronen den diffusen Bogenentladungsabscheideprozess günstig beeinflussen.
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In einer günstigen Ausgestaltung weist das Kohlenstofftarget mehr als 80 At.-% bis 95 At.-% sp3-hybridisierten Kohlenstoff auf.
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In einer weiteren günstigen Ausgestaltung weist das Kohlenstofftarget mehr als 65 At.-% bis 80 At.-% sp3-hybridisierten Kohlenstoff auf.
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In einer weiteren günstigen Ausgestaltung weist das Kohlenstofftarget mehr als 50 At.-% bis 65 At.-% sp3-hybridisierten Kohlenstoff auf.
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In einer weiteren günstigen Ausgestaltung weist das Kohlenstofftarget mehr als 35 At.-% bis 50 At.-% sp3-hybridisierten Kohlenstoff auf.
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In einer weiteren günstigen Ausgestaltung weist das Kohlenstofftarget mehr als 20 At.-% bis 35 At.-% sp3-hybridisierten Kohlenstoff auf.
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In einer weiteren günstigen Ausgestaltung weist das Kohlenstofftarget mehr als 5 At.-% bis 20 At.-% sp3-hybridisierten Kohlenstoff auf.
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In einer weiteren günstigen Ausgestaltung weist das Kohlenstofftarget mehr als 0 At.-% bis weniger als 5 At.-% sp3-hybridisierten Kohlenstoff auf.
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In einer weiteren günstigen Ausgestaltung weist das Kohlenstofftarget Fremdatome, insbesondere Metallatome auf. Diese können beispielsweise der Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit dienen.
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Das erfindungsgemäße Kohlenstofftarget soll in einem plasmaaktivierten Elektronenstrahlverdampfungsprozess verwendet werden, so dass ein Plasma zündbar ist.
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Des Weiteren soll das erfindungsgemäße Kohlenstofftarget in einem diffusen Bogenentladungsabscheideprozess verwendet werden, wobei die Herstellung einer kohlenstoffhaltigen Schicht durch Verdampfung von einem erfindungsgemäßen Kohlenstofftarget erfolgt.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
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Ein erfindungsgemäßes Target 11 kann beispielsweise als ein kompaktes Target 11 in Zylinder- oder Quaderform ausgeführt werden, welches aus einer homogenen Mischung von sp2- und sp3-hybridisiertem Kohlenstoff hergestellt wird und in den äußeren Abmessungen an die Geometrie einer Tiegeltasche eines verwendeten Tiegels 3 angepasst ist. In einer weiteren Ausgestaltungsform kann das Target 11 auch durch eine lose in einen Tiegel 3 eingebrachte Schüttung von kleineren Formkörpern, z.B. Tabletten, Pellets oder auch unregelmäßig geformten Bruchstücken, die aus einer homogenen Mischung von sp2- und sp3-hybridisiertem Kohlenstoff hergestellt wurden, ausgebildet sein. Weiter können Rohrtargets (starr, rotierend) ausgeführt werden, die aus einer homogenen Mischung von sp2- und sp3-hybridisiertem Kohlenstoff bestehen.
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Der Herstellungsprozess einer Schicht kann beispielsweise in einer Verdampfungskammer mit Vakuumsystem, Elektronenkanone 2, Tiegel 3, einer Hilfselektrode (beispielsweise eine Anode) zum Zünden einer Entladung zwischen Hilfselektrode und Target 11 ausgeführt werden, indem der Tiegel 3 mit einem sp3-hybridisierten Kohlenstoff enthaltenden Kohlenstofftarget befüllt, das Substrat 1 über dem Tiegel 3 platziert, die Vakuumkammer evakuiert, einen Elektronenstrahlbedampfungsprozess in Gang setzt und zwischen dem Target 11 und der Hilfselektrode eine Spannung anlegt, welche zum Zünden eines diffusen Bogens führt.
