DE19538110A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen dünner Schichten aus diamantartigem Kohlenstoff auf einem Substrat nach Beschluß eines Targets mit gepulsten Elektronenstrahlen (Pseudofunkenelektronenstrahlen) - Google Patents

Description

I. Stand der Technik

Der künftige technische Einsatz von Materialien, die mit diamantartigen Schichten (DLC- Schichten) versehen sind, hängt entscheidend davon ab, wie es gelingt, das Element Kohlenstoff auf einem Substrat niederzuschlagen und dabei die gewünschten Eigenschaften wie: diamantartige Härte, vollständige Bedeckung der Oberfläche, gleichmäßige Schichtdicke, nicht zu große Oberflächenrauhigkeit, gute Wärmeleitfähigkeit und schließlich hinreichende Haftung der aufgebrachten Schicht, zu realisieren.

Zur Erzeugung derartiger Schichten sind viele verschiedenartige Verfahren bekannt. Bei den meisten Verfahren wird für den Niederschlag von Kohlenstoff aus apparativ erzeugten Plasma- oder Gaswolken Kohlenstoff in atomarer Form abgegeben. Fast alle Verfahren beruhen auf der Zersetzung von Kohlenwasserstoffverbindungen; mit der Begleiterscheinung, daß in die entstehende Schicht Wasserstoff unvermeidlicherweise mit eingebaut wird und damit die Schichteigenschaften stark und sehr negativ beeinflußt werden. Andere Verfahren, wie z. B. Ionenimplantation oder Kohlenstoffdeposition aus thermalisierten Ionenstrahlen liefern zwar wasserstofffreie Kohlenstoffschichten, sind jedoch extrem aufwendig und teuer, so daß eine großtechnische Anwendung solcher Methoden starken, zumindest kommerziellen Einschränkungen unterliegt. Verfahren der Laserdeposition sind nicht so weit entwickelt, daß alle Probleme und Nachteile voll erkennbar sind. Bislang ist es nicht gelungen, mit einem einfachen und billigen Laserverfahren genügend harte und genügend festhaftende Schichten zu erzeugen. Die unter den Laserverfahren herausragende Methode beruht auf der Verwendung eines Hochleistungs-Excimerlasers. Auch hier spielen die enorm hohen Kosten einer diesbezüglichen Anlage ebenfalls eine wesentliche Rolle.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung verfügbar zu machen, mit denen sich Kohlenstoffschichten mit den oben geforderten Eigenschaften mit einer billigen und einfach handhabbaren Methode erzeugen lassen. In diesem Zusammenhang ist es aus der DE 28 04 393 C2 bekannt, daß man mit einem gepulsten Elektronenstrahl, welcher eine Pseudofunkenentladung begleitet, Materialien, auf die der Elektronenstrahl auftrifft, verdampfen kann. Ein diesbezügliches Patent wurde kürzlich erteilt (Europapatent Nr. WO 89/04382, PCT/EP 88/00992), mit der Einschränkung, daß für das genannte Verfahren nur Targets aus mehrkomponentigen Materialien zum Einsatz kommen, mit der Maßgabe, daß stochiometrisch ähnliche Schichten, dem Material des Targets entsprechend, erzeugt werden. Wie im folgenden zu zeigen sein wird, läßt sich der nicht unter dieses Patent fallende Kohlenstoff als Targetmaterial in analoger Weise niederschlagen; wobei jedoch, wegen der extremen Parameter des Pseudofunkenverfahrens unter geeigneten Verfahrensparametern Niederschlag von diamantähnlichem Kohlenstoff auf dem Substrat erfolgt. Nach der Offenbarung in der DE 28 04 393 C2 können Pseudofunkenentladungen in einem Entladungsgefäß 10, 11 (Abb. 1) erzeugt werden, das im Abstand voneinander angeordnete Metallelektroden 7, 8, 9 aufweist, die durch eine sie isolierende Wand 14 gehalten werden und einen Gasentladungskanal aufweisen, der von fluchtenden Öffnungen in den Elektroden gebildet wird. In dieses Entladungsgefäß wird eine ionisierbare Niederdruckgasfüllung eingebracht, deren Druck nach der Lehre der genannten Erfindung so bemessen ist, daß das Produkt aus dem Elektrodenabstand d und dem Gasdruck p in der Größenordnung von 130 Pa×mm oder weniger beträgt. Die schnelle, funkenähnliche Gasentladung, die sich ergibt, sobald die Durchbruchspannung überschritten wird, ist in der Literatur seit 1979 als Pseudofunkengasentladung bekannt. In dem die Pseudofunkenentladung begleitenden Elektronenstrahl 5 werden Ströme bis zu mehreren hundert Ampere beobachtet, die während einer Zeitdauer von der Größenordnung einiger 10^-8 Sek. auftreten. Dabei beträgt die mit dem Elektronenstrahl in das Target (1) transferierte Energie pro Schuß größenordnungsmäßig 1/100-1/10 J. Der Strahl wird durch Selbstfokussierung aus dem Verfahren innerhalb einer Fläche von etwa 1/2 mm² deponiert.

II. Beschreibung der Erfindung

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und durch eine Vorrichtung mit den in den Ansprüchen 8 und folgenden angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Es ist ein wesentlicher Vorteil der Erfindung, daß mit dem gepulsten Elektronenstrahl 5, welcher die Pseudofunkenentladung begleitet, in einem Target 1 Energien, bezogen auf die Auftrefffläche des Strahls, deponiert werden können, die höher sind als die Energien, die zur Zeit mit UV-Licht aus kommerziellen Excimerlasern bei gleicher Auftrefffläche deponiert werden können. Bei typischen Energien der auftreffenden Elektronen von 10⁴ eV lassen sich so hohe Energiedichten erzeugen, daß ein Plasma 3 entsteht, welches sich von der Auftreffzone weg in den die Targetoberfläche umgebenden Raum expansiv entfernt, wobei Anfangstemperaturen nach experimentellen und theoretischen Untersuchungen größer als 10 eV (entsprechend <10⁵ Kelvin) erreicht werden. Die Zahl der das Target verlassenden Atome liegt zwischen 10¹⁵ und 10¹⁶ Atomen pro Schuß. In der Anfangsphase der Plasmaexpansion treten entsprechend der hohen Anfangstemperatur von <10 eV sehr hohe transversale und radiale Expansionsgeschwindigkeiten auf. Die damit verbundene schnelle Vergrößerung des Volumens, in dem das Material sich expandierend befindet, bewirkt adiabatische Abkühlung bereits in einer Phase, in der die Dichte noch so groß ist, daß hohe Stoßraten (typischerweise größer 10¹² Sek.) erreicht werden. Auf diese Weise wird Keimbildung zur Clusterformation¹) begünstigt, so daß im Zuge weiterer Kondensation Clusterwachstum bis in Bereiche der sogenannten kleinen Teilchen (Small Particles) stattfinden kann, mit typischen experimentellen Daten für die mittlere Teilchengröße (Small Particles size) von zum Beispiel 10⁶ Atomen pro Teilchen. Diese Fakten sind durch einige bisher nicht veröffentlichte experimentelle Untersuchungen belegt. Sie kennzeichnen eine heftige Materiekondensation im Microsekundenbereich, was zu einem Clusterwachstum bzw. Kleinteilchenwachstum führt, welches im Vergleich zu anderen Verfahren ein nicht vergleichbares Szenario aufweist. Experimentelle Untersuchungen, ebenfalls nicht veröffentlicht, zeigen, daß im Falle des Betriebs der Anlage im oberen Parameterbereich (Elektronenstrahlenergie 1/10 J pro Schuß) nach etwa 1 Microsekunde Expansionsgeschwindigkeiten des Targetplasmas senkrecht zur Targetnormalen von v_r=3. 10⁵ cm/sek (mit v_r: radiale Geschwindigkeit) und parallel von v_e=5 · 10⁵ cm/Sek. (mit v_l: longitudinale Geschwindigkeit) auftreten. Bringt man die nahezu parallel zur Targetnormalen auftreffenden Cluster auf einem Substrat auf, so führt dieses zu einer Schichtbildung mit im Vergleich zu anderen Verfahren nicht vergleichbaren Eigenschaften.

¹) Sprachgebrauch:

• a) kondensierte Materie bis 10⁴ Atome → Cluster
• b) kondensierte Materie 10⁴ bis (z. B.) 10¹⁰ Atome → kleine Teilchen (small particles)
• c) kondensierte Materie in Tröpfchenform ab 1 µm Durchmesser → Tröpfchen (droplets)

II.1. Schichtbeschreibung II.1.1. Experiment

Abb. 1 zeigt die geometrische Anordnung der im Experiment verwendeten Apparatur. Sechs Parameter d1, d2, d3, α, β, δ können unabhängig voneinander variiert werden, wobei ihr Zusammenspiel Einfluß auf die aufwachsende Schicht hat. In der Pseudofunkenelektronenstrahlkammer 10 (Abb. 1) sind die Parameter C_k 15 und R_L 16 variierbar und haben damit einen Einfluß auf die sich bildende Schicht. 1 (Abb. 1) bezeichnet das Graphit- Target, 2 das Substrat.

II.1.2. Analyse der DLC-Schichten

Im folgenden wird als Beispiel die Analyse einer DLC-Schicht vorgestellt, die auf einem Al₂O₃/Glas Compositsubstrat abgeschieden wurde.

Als Beschichtungsparameter wurden verwendet:

U_k = 14 kV, I rund 200 A, C = 4 nF, α = 65°, β = 25° und δ = 30°.

Eine Aufsichtsaufnahme der Schicht ist in Abb. 3 zu sehen. Die Oberfläche ist sehr rauh, das unbeschichtete Substrat zeigt jedoch eine vergleichbare Rauhigkeit.

Für transmissionselektronenmikroskopische (TEM) Aufnahmen wurden Querschnittsproben präpariert, sodaß man in die Schicht und vor allen Dingen entlang der Grenzfläche zwischen Substrat und Schicht blicken kann. Die Abb. 4 und 5 zeigen solche TEM Querschnittsaufnahmen. Die Grenzfläche ist mit Pfeilen gekennzeichnet. Amorphe Cluster und Kleinteilchen sind als kugelförmige dunkle Bereiche sichtbar. Die kristallinen Diamantkörner sind mit "G" in den Abbildungen gekennzeichnet. Der Nachweis, daß es sich tatsächlich um kristallinen Diamant handelt ist durch Elektronenbeugung an den Diamantkörnern erbracht. Abb. 5b zeigt eine solche Beugungsaufnahme, die einen sog. ⟨112⟩Pol des Diamanten zeigt. Die kontrastlosen Zwischenräume in Abb. 4 sind Poren. Das Verhältnis dieser drei Bereiche amorphe Zonen, Diamantkörner und Poren ist durch die Wahl der 6 geometrischen und zwei Kammerparameter sowie der Substrattemperatur einstellbar. Damit ist natürlich auch die Härte der aufwachsenden Schicht variierbar. Erhöht man den Anteil kristallinen Diamants, erreichbar durch Heizen des Substrats, Reduktion der Pulsfrequenz auf dem Target und Verwendung gezielt abgestimmter geometrischer und Kammerparameter, erhält man härtere Schichten. Die Schicht auf dem dargestellten Beispiel hat eine mittlere Härte, wie sie für biomedizinische Anwendungen erforderlich ist. Abb. 6 zeigt die Härte dieser Schicht im Vergleich mit Materialien bekannter Härte, also ein hochlegierter Chrom/Nickelstahl und Acheson 6H SiC. Die Härte ist in Einheiten von HV10 angegeben. Für Details der Härtemessungen ist der Leser verwiesen auf eine Publikation Christiansen et al., Appl. Phys. Let., die gerade eingereicht wird.

Es ist der Erfindungsgedanke, durch geeignete Wahl des Ortes an dem die Substratoberfläche angebracht ist, der Temperatur des, im allgemeinen beheizbaren Substrates 2 (Substratheizung 17), sowie der Gasart und der Gasdichte in der Kammerfüllung die Eigenschaft der entstehenden Schicht so einzustellen, daß

• 1.) Schichten mit kristallinem und amorphen Komponenten
• 2.) Schichten mit einem gewünschten bzw. tolerierbaren Porositätsgrad sowie
• 3.) Schichten 6 mit hoher Haftfestigkeit an der Substratunterlage 2 erzeugt werden.

Durch das hier gewählte Verfahren lassen sich diese drei Eigenschaften nach Wahl der eingestellten Parameter variieren.

Die Realisierung von Schichten nach 1.) mit wesentlichem Anteil an kristallinem Diamant ist das eigentliche Fundament dieser Erfindung.

zu 1.

Das auf der Substratoberfläche 2 ankommende Targetmaterial 6 führt wegen der hohen Auftreffgeschwindigkeit der Cluster und kleinen Teilchen zu einem Wachstum von im wesentlichen einkristallinen Bereichen aus Diamant bestehend. Das Wachstum entsteht offensichtlich bei Auftreffen der Cluster und kleinen Teilchen in einer Hochtemperaturzone am Auftreffort, die sich unmittelbar nach dem Auftreffen kurzzeitig einstellt. Zwischen den so entstehenden einkristallinen Bereichen befinden sich Bereiche von einem Bedeckungsgrad, der etwa mit dem Bedeckungsgrad der einkristallinen Domänen vergleichbar ist, in dem das Material in amorpher Weise aufwächst, wobei die Grundkomponenten der amorphen Schichtteile offensichtlich aus Clustern und kleinen Teilchen bestehen, die nach dem Auftreffen nicht kristallisieren.

Die experimentelle Untersuchung der entstehenden Schicht zeigt, daß diese amorphen Kohlenstoffagglomerate zu einem wesentlichen Anteil mit einer festen Bindung eingebaut werden, sodaß sich die insgesamt entstehende Verbundschicht durch große Festigkeit auszeichnet.

zu 2.)

Der Porositätsgrad läßt sich einstellen durch geeignete Wahl der Temperatur des Substrates 2 und ist auch abhängig vom Leistungseintrag des Elektronenstrahls und damit der Parametrisierung der Elektronenstrahlimpulse. Der Porositätsgrad hat offensichtlich Eigenschaften zur Folge, die die Härte und auch die Flexibilität der erzeugten Schicht beeinflussen. Die beispielswesie bei einer Schichtabscheidung bei Raumtemperatur erhaltene Härte auf einer Al₂O₃/Glas Koomposite führte z. B. zu einem Härtewert, HV10, von 2600 (ermittelt unter Berücksichtigung des Fehlers durch die dünne Schicht; für Details siehe Christiansen et al. Appl. Phys. Lett. to be published) bei einem Porositätsgrad von ca. 20% in den amorphen Bereichen. Die Porosität, aber auch das Mischungsverhältnis amorph/kristallin lassen sich wesentlich durch die Substrattemperatur aber auch durch die Gasart beeinflussen. Bei der Verwendung der Gasfüllung ist der Anwender völlig frei. Die verwendete Gasart muß aber so gewählt werden, daß Gaskomponenten verwendet werden, die nicht zu einer chemischen Beeinflussung des Substrates führen. Dies ist sowohl für Edelgas als auch für Stickstoff und in vielen Fällen, wo es nicht zur Oxidbildung kommt, auch für Luft sowie für Gemische dieser Gase der Fall (Si Substrate z. B. oxidieren an Luft, bilden also hier eine Ausnahme). Oder aber man verwendet Gase, bei denen man gezielt chemische Wechselwirkung mit dem Substrat ausnützt. Hier wären Gasgemische mit Wasserstoff anzuführen, die ein Anätzen der Substratoberfläche und damit eine Reinigung und Aktivierung der Oberfläche erwirken können. Ein Einfluß der Gasfüllung auf das erzeugte Plasma liegt außerdem vor dadurch, daß das Gas den einzustellenden Arbeitsbereich (Spannung, Elektronenenergie, Energiedichte des Elektronenstrahls) beeinflußt. Die höchsten Abtragsraten, aber auch Plasmatemperaturen, die die Cluster/Kleinteilchen- Größenverteilung beeinflussen, erhält man bei Füllung der Anlage mit schweren Edelgasen.

zu 3.)

Die Schichthaftung hängt im wesentlichen von zwei Größen ab, einmal von der verwendeten Substratoberfläche, zum anderen von der Auftreffgeschwindigkeit der Cluster. Die Substratoberfläche kann beeinflußt werden gegebenenfalls unter Verwendung einer Zwischenschicht, die eventuell nach demselben Verfahren herzustellen ist. Beispiel: SiC wird häufig als haftvermittelnde und diffusionshindernde Zwischenschicht zwischen verschiedenste (häufig metallische) Substrate und der DLC Schicht erzeugt. Dies ist möglich durch die Schichtdeposition aus SiC Targets oder aber durch "Co"-Ablation von Si und Graphittargets, die auf eine geheizte Substratoberfläche deponiert werden und dort reagieren. Man erhält so Agglomerate aus SiC, eingebaut in eine amorphe Kohlenstoffumgebung. Diese heterogene Struktur, aufgebaut aus verschiedenen Körnern hat den Vorteil, daß sie zum Abbau von fehlpassungsproduzierten Spannungen zwischen Substrat und Schicht beitragen kann. Solche Zwischenschichten führen im Fall von Stahlsubstraten zu extrem fester Bindung zwischen Substrat und Schicht und vermeiden bei geeigneter Dicke der Zwischensicht Rückdiffusion von Kohlenstoff in den Stahl, der dort zur Versprödung führen würde. Im Falle von Al₂O₃/Glas-Kompositen sind keine Zwischenschichten erforderlich, es darf jedoch davon ausgegangen werden, daß die kristallinen Anteile der Substratoberfläche im wesentlichen für die feste Haftung der Schicht verantwortlich sind.

Die Auftreffgeschwindigkeit der Cluster an sich hängt (fast) nicht vom Abstand Target- Substrat ab, jedoch läßt sich durch den Abstand der Anteil von atomaren und einfach ionisiert auftreffenden Kohlenstoffatomen dahingehend beeinflussen, daß bei großen Abständen der Anteil an einatomigen Teilchen aus dem Plasma "herausgestreut" wird, sodaß sich der ohnehin geringfügige Anteil einatomiger Bestandteile beeinflussen läßt. Diese einatomigen Anteile haben einen Einfluß auf die Härte der Schicht.

II.2. Herstellung und Parametrisierung der Schichten

Ordnet man jetzt (näherungsweise) die Substratoberfläche 2 senkrecht zur Targetnormalen 4 an, so treffen die Cluster und kleinen Teilchen mit hoher kinetischer Energie auf das Target auf. Nach dem Niederschlag auf dem Substrat führt dies zu einer weitgehenden Thermalisierung der Auftreffenergie so, daß für jedes Atom ein bis zwei eV an thermischer Energie frei wird. Dies führt kurzzeitig zu einer lokalen Erwärmung des Substrates auf ca. 10⁴ Kelvin.

Dies ist eine mit anderen Methoden nicht erreichbare Beeinflussung des Schichtenwachstums auf der Substratoberfläche. Die lokal auftretende hohe Temperatur ist verknüpft mit einem hohen Druck in der Auftreffzone sowie gekennzeichnet durch einen schnellen Abfluß dieser extrem hohen Temperatur durch Wärmeleitung. Ein wichtiges Merkmal dieser Schichtproduktion ist, daß die Kleinteilchen vor Niederschlag auf dem Substrat durch die Gasfüllung des Gesamtsystems durch Reibung im Gas praktisch nicht gebremst werden (im Gegensatz zu Einzelatomen, die schnell thermalisiert werden). Es ist daher leicht möglich, Anordnungen zu realisieren, bei dem der Abstand Target-Auftreffpunkt auf der Substratoberfläche mehrere Zentimeter beträgt (im Grenzfall auch mehrere Dezimeter), so daß bewegliche Substrate und große Substratoberflächen kein generelles Problem für das Verfahren darstellen, wenn nur der geometrische Aufbau der Elektronenstrahlkammer geeigneterweise vorgenommen wird (Abb. 2). Auf diese Weise ist auch die Beschichtung großflächiger Substrate, wie z. B. für bio-medizinische Anwendungen, mit sehr spezifischen Oberflächenformen realisierbar. Ein weiterer Punkt ist die oben aufgeführte Eigenschaft, daß auch nicht einer vertieften Reinigung unterzogenes Material mit festhaftenden Schichten versehbar ist, von großer technischer Bedeutung, z. B. auch gerade wieder im biologischen Anwendungsbereich. Auch dies ist zu erklären mit den hohen Expansionsgeschwindigkeiten des Targetplasmas. Die erfindungsgemäße Realisierung der oben beschriebenen DLC- Schichten erfordert einige experimentelle Maßnahmen, die abheben auf diese speziellen Eigenschaften des Kleinteilchenwachstums. Eine wichtige Rolle spielt dabei der Parameterbereich, in dem die Gasentladung gepulst und repetierbar betrieben wird. Dieser ist gekennzeichnet durch die verwendete Spannung (Größenordnung z. B. 20 kV) aber auch durch die Größe des verwendeten Ladekondensators (Größenordnung z. B. 8 nF) beim Betrieb der elektronenstrahlerzeugenden Gasentladung. Hier ergibt sich das gewünschte Clusterwachstum am besten an der oberen Grenze des Parameterbereichs mit typischerweise Größenordnungen der Kapazität 5-10 nF. (Anmerkung: beim stoichiometrischen Wachstum mehrkomponentiger Schichtsysteme, wie sie in der obengenannten Patentanmeldung beschrieben werden, z. B. bei der Erzeugung von supraleitenden YBCO-Schichten kommt es gerade darauf an, die im Plasma entstehenden Cluster weitgehend zu vermeiden bzw. das maximale Cluster- bzw. Kleinteilchenwachstum durch geeignete Parameterwahl zu beschränken. Hier sind typische Kapazitäten für das Verfahren <1 nF optimal. Bei diesen kleinen Kapazitäten wird das entstehende Plasma bei weitem nicht so heiß und es entstehen kleinere Cluster bzw. es dominiert ein konventionelles Wachstum in den, auf dem Substrat niedergeschlagenen Schichten. (Aber Kleinteilchen mit Atomzahlen von der Größenordnung 10⁶ bis 10⁷ Atomen sind hier eher unerwünscht.)

Der Anspruch 1 berücksichtigt die Tatsache, daß die entstehenden Schichten durch zwei Stufen in der Kleinteilchenentwicklung gekennzeichnet sind.

Stufe 1

Schnelle adiabatische Expansion des extrem heißen Kohlenstoffplasmas mit Rekondensation von Material von schnell wachsenden Clustern bzw. Kleinteilchen im Fluge.

Stufe 2

Niederschlag der in Stufe 1 kondensierten Cluster bzw. Kleinteilchen mit hohen Auftreffgeschwindigkeiten auf dem bereitgestellten Substrat 2.

Durch die Maßnahmen der Energiedichteerhöhung des aus der Kammer extrahierten Elektronenstrahls 5 wird erreicht, daß die Expansionsgeschwindigkeit des Targetplasmas erhöht wird. Offensichtlich wird außerdem die Tendenz gefördert, im Targetplasma viele kleine Kondensatpartikel anstatt weniger größerer zu erzeugen. Die generelle Größenverteilung der Kondensatpartikel wird bei Vermessung der winkelabhängigen Struktur dieser Verteilung erkennbar. Die Verteilung ist rotationssymmetrisch zur Targetnormalen. Sei δ der Winkel zwischen der Flugrichtung des Targetmaterials und der Targetnormalen so zeigt sich

für z. B.: U_k = 20 kV, I rund 200 A, C = 7 nF und δ < 20°:
→ sog. "Droplets" 1-10 µ und kleine Teilchen (10⁷-10⁹ Atome); Schicht sehr rauh (unbrauchbar).
für z. B.: 20°<δ< 40°:
→ fast keine Droplets, viele kleine Teilchen (10⁵-10⁸ Atome); Schicht weniger rauh, brauchbar, gewünschter Bereich.
für z. B.: δ<40°:
nimmt das Einteilchenwachstum im mittleren Winkelbereich auf Kosten der Kleinteilchen und Clusterbildung zu. Diese Verhältnisse sind für mehrkomponentige Schichten, wo stoichiometrisches Wachstum gefragt ist, geeignet. Die diamantartigen Schichten sind in diesem Fall jedoch weniger festhaftend und offensichtlich auch weicher.

Bei größeren Kammerspannungen 12 nimmt die Zahl der unerwünschten Droplets zu. Eine wesentliche Energiedichtesteigerung wurde erreicht durch die Entwicklung von Kammern mit kleinen Bohrlochdurchmessern (Durchmesser ca. 1,5-2 mm) (beeinflußt "Ohm"-schen Plasmenwiderstand) sowie langen Multielektrodenkammern, z. B. mit einer Länge l=10 cm.

II.3. Vorrichtung zum Erzeugen der DLC Schichten

Zur Erzeugung optimaler Schichten mit dem Pseudofunkenverfahren lassen sich Vielelektrodenkammern verwenden, wobei es vorteilhaft ist, den Bohrlochdurchmesser zwischen 1,5 und 2 mm zu wählen. Der Entlademechanismus führt zu einer Durchschlagsanfälligkeit in den anodennahen Isolatorbereichen, die sich beheben läßt durch geeignete Wahl der Konstruktion und der Isolationsmaterialien. Der Abstand zwischen dem Anodenloch und der Targetoberfläche soll möglichst klein sein, da der Strahl aus zwei energietragenden Komponenten besteht. Die erste Komponente ist selbstfokussierend auf einem Durchmesser <1 mm. Dies ist eine Folge des inneren Magnetfeldes bei der Gasentladung. Diese Elektronen haben eine Energie die etwas größer ist als (0,5 e U_k) pro Elektron, wobei U_k die Kammerspannung zum Zeitpunkt der Zündung darstellt.

Die zweite wichtige Komponente des Strahls ist wesentlich energieärmer und besitzt eine Energieverteilung. Sie ist jedoch wesentlich zur Erzeugung hoher Targettemperaturen, da als Folge dieser Komponente, die etwa 20 Nanosekunden nach dem Auftreffen der ersten Komponente auftrifft, eine Nachheizung des gebildeten Plasmas stattfindet. Der Durchmesser dieser Komponente ist etwa gleich dem Durchmesser des Bohrloches. Aus diesem Grund ist vermutlich der geringere Bohrlochdurchmesser vorteilhaft. Diese Komponente des Elektronenstrahls platzt auf, wenn die Kapazität zu groß gewählt wird, sodaß es ein Optimum der Größe C_k 15 (Betriebskapazität der Kammer). Abb. 1 und 2 zeigen zwei vorteilhafte Anordnungen für eine Beschichtungsvorrichtung, Abb. 1 mit einer Pseudofunkenkammer, Abb. 2 mit mehreren solcher Kammern 11, 18, die im Kreis angeordnet werden können. Es ist erkennbar, daß man bezüglich der Strahlachse des Elektronenstrahls 5 ein schräg gestelltes Target 1 verwendet. Dies beeinflußt natürlich die Energiedichte auf der Targetoberfläche 1. Zum anderen ist damit ein minimaler Abstand d₁ zwischen Anodenloch und Targetoberfläche 1 von der Geometrie her vorgegeben. Typische Werte des Abstands d₁ liegen zwischen 2 und 3 cm. Es ist daher sinnvoll, die Anode 7 in das Kammervolumen hineinragen zu lassen und damit eine möglichst schmale Ausführungsform der Kammer zu wählen, so daß das Beschichtungsmaterial 6, welches sich in dem durch Blenden 27 in Abb. 2 angedeuteten Bereich bewegt, an der Kammeranode vorbeifliegen kann, so daß die Anordnung des Substrates 2 seitlich vom Kammervolumen vorzunehmen ist. Durch ein zwischen der Anode 7 und Target 1 angebrachtes Röhrchen 19 läßt sich das Aufplatzen des Elektronenstrahles 5 ettwas unterdrücken, so daß die maximal erreichbaren Energiedichten etwas erhöht werden können. Das Rohr 19 kann freiflutend angebracht sein, oder sich auf Anodenpotential befinden, sofern es aus Metall ist. Auch ein keramisches (nichtleitendes) Röhrchen läßt sich verwenden. Die innere Entladung der Wand trägt zum Abschirmeffekt bei.

Abb. 7 zeigt eine prinzipielle Anordnung des Schaltkreises für den Fall, daß die Energiezufuhr mit einem Kondensatorladegerät 29 vorgenommen wird. In einer solchen Anordnung lassen sich Frequenzen für die Elektronenstrahlerzeugung bis zu <1 kHz erreichen.

Der gezeichnete Schalter 28 kann ein Pseudofunkenschalter oder ein Thyratron sein. In beiden Fällen sind die Schaltraten gewährleistet. Die in der Abb. 7 gezeichnete Anordnung berücksichtigt, daß die Aufbauzeit der Vorentladung des Pseudofunkenelektronenstrahls von der Größenordnung Mikrosekunden beträgt, so daß ein gleichmäßiges periodisches Wiederzünden bei der Verwendung eines Schaltkreises mit einer Selbstinduktion L_k 21 und einer Ladekapazität C_k 15 optimal ist. Dabei ist sinnvollerweise die Kopplungskapazität C_l 22 ∼ C_k (C_k 15 = Kammerkapazität) und

Der Ableitwiderstand 30, R_k, führt mit R_k ∼1 kΩ zu einer angepaßten Dämpfung des Gesamtkreises.

Claims (17)

1. Verfahren zur Erzeugung dünner diamantartiger Schichten (6) (Abb. 1, DLC-Schichten) mit einem gepulsten Elektronenstrahl (5), welcher eine Pseudofunkengasentladung begleitet, durch Verdampfen von (pyrolytischen) Graphittargets (1) und Niederschlag des abgedampften Materials (6) auf einem Substrat (2), dadurch gekennzeichnet, daß die Energiedichte des Elektronenstrahls so hoch gewählt wird, daß kondensierte Cluster und kleine Teilchen im Plasma (3) des beschossenen Targets (1) entstehen, derart, daß auf einem, in der Nähe der Targetnormalen (4) aufgestelltem Substrat (2) die Cluster und kleinen Teilchen mit hoher Geschwindigkeit auftreffen, mit der Maßgabe, daß eine zweikomponentige Schicht (6), bestehend aus amorphen Domänen und aus kristallinen Diamantkörnern aufwächst.

2. Verfahren zur Erzeugung dünner diamantartiger Schichten (6) (DLC-Schichten) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die entstehende Schicht einen Porositätsgrad aufweist, der sich durch geeignete Wahl des Füllgases, der Elektronenstrahlenergie und der Substrattemperatur einstellen läßt.

3. Verfahren zur Erzeugung dünner diamantartiger Schichten (6) (DLC-Schichten) nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bedampfungsmittel amorpher und einkristalliner Anteile in der Schicht durch geeignete Wahl der Substrat-Temperatur und des Füllgases im gewünschten Sinne optimiert wird.

4. Verfahren zur Erzeugung dünner diamantartiger Schichten (6) (DLC-Schichten) nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (2) aus Titan besteht mit der evtl. Maßgabe, daß zwischen dem Titan und der DLC-Schicht (6) eine Zwischenschicht erzeugt wird aus Si bzw. SiC mit der Maßgabe, daß sich durch geeignete thermische Behandlung des Substrats während der Beschichtung oder vorher eine SiC Zwischenschicht bilden kann, die zu einer Verfestigung der Bindung an die Metalloberfläche führt.

5. Verfahren zur Erzeugung dünner diamantartiger Schichten nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das im Falle von einem Metallsubstrat eine SiC Schicht in analoger Weise eingebaut wird.

6. Verfahren zur Erzeugung dünner diamantartiger Schichten (DLC-Schichten) nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß ganz generell zur Erzeugung dieser haftvermittelnden und diffusionshemmenden SiC-Zwischenschichten SiC-Targets Verwendung finden oder aber "Doppeltargets", bestehend aus einem einkomponentigen Graphit- und einem einkomponentigen Si-Target, die dann rotiert werden, so daß z. B. im Takte der Rotationsperiode das jeweils andere Material verdampft wird.

7. Verfahren zur Erzeugung dünner diamantartiger Schichten (DLC-Schichten) nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine großflächige Beschichtung durch sogenannte "Co"-Deposition, d. h. durch gleichzeitige Deposition aus mehreren um das Substrat herum angeordneten Kammern erfolgt.

8. Verwendung einer Vorrichtung zum Erzeugen dünner diamantartiger Schichten (6) (DLC- Schichten) mit einem gepulsten Elektronenstrahl (5) durch Verdampfen (pyrolytischer) Graphittargets (1) und Niederschalg des abgedampften Materials (6) auf einem Substrat (2) nach den Ansprüchen 1 bis 7 und nach Abb. 1 und Abb. 8, wobei das Material durch einen gepulsten Elektronenstrahl (5) innerhalb eines Gehäuses (11) verdampft wird und die Vorrichtung eine im Gehäuse (11) positionierte Gasentladungskammer (10) enthält, in welcher eine Kathode (8) und eine Anode (7) und freiflutende Zwischenelektroden (9) in einem Abstand voneinander angeordnet sind, welche mit fluchtenden Bohrungen versehen sind, evtl. Mittel zum Zünden von Pseudofunkentladungen in der Kammer (10) vorgesehen sind, wobei in dem Bereich des Gehäuses, welcher auf der der Kathode abgewandten Seite der Anode liegt, das Target (1) in einem Abstand d1 angeordnet wird und im Raum der Targetoberfläche gegenüberstehend ein beheizbares Substrat (2, 17) anzubringen ist, auf dem sich das vom Target (1) verdampfte Material (6) niederschlagen kann mit der weiteren Maßgabe, daß das Gehäuse (11) einen verschließbaren Zugang (23) hat zu einer Pumpe (24) und einen zweiten Zugang (25) zur Gasführung (26) besitzt.

9. Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufladung des Kondensators C_k (15) zum Betrieb der Pseudofunkenentladung über ein periodischarbeitendes Kondensatorladegerät (29) nach Abb. 7 bzw. über einen konventionellen resonanten Ladekreis vorgenommen wird, mit der Maßgabe, daß ein pseudofunkenspezifisches Triggerverfahren (Ladungsträgerinjektion oder Plasmainjektion) die Entladung periodisch auslöst bzw. die Auslösung ungetriggert durch das Überschreiten der Zündspannung als Folge des Ladevorganges zustandekommt.

10. Verwendung einer Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß gemäß Abb. 2 mehrere um ein gemeinsames Substrat herum angeordnete Pseudofunkenkammern evtl. im Gleichtakt nach entsprechender Triggerung oder nach einem Trigger- Programm periodisch zur Beschichtung additiv beitragen.

11. Verwendung einer Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß rotierende bzw. bewegliche Targets (1) verwendet werden mit der evtl. Maßgabe, daß für die Belange der Ansprüche 4 bis 6 neben dem Graphit auch Si auf dem Targethalter angebracht ist bzw. daß SiC zum Erstellen einer Zwischenschicht nach den Ansprüchen 4 bis 6 zur Anwendung kommt.

12. Verwendung einer Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrate (2) während der Beschichtung bewegt werden um eine gleichmäßige Schichtdicke der auf das Substrat aufgetragenen Schicht zu erhalten, bzw. um großflächige Substrate nach einem Beschichtungszeitprogramm zu beschichten.

13. Verwendung einer Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Substratmaterial nach einem vorgegebenen Raum- Zeitprogramm beheizt oder auch gekühlt werden kann.

14. Verwendung einer Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Eingrenzung bzw. Strukturierung des Beschichtungsgebietes Blenden (27) bzw. Masken im Raumgebiet zwischen dem Target und dem Substrat angeordnet werden.

15. Verwendung einer Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 14 und Anspruch y, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen werden zur thermischen bzw. chemischen Nachbehandlung der Schichten.

16. Verwendung einer Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß in den Pseudofunkenelektronenstrahlkammern (10) auf allen beteiligten Elektroden (7, 8, 9) nicht ein, sondern mehrere jeweils fluchtende Bohrungen parallel angeordnet sind, sodaß die Kammer gleichzeitig mehrere parallele Elektrodenstrahlen entsprechend der Anzahl der Bohrungen pro Elektrode emittieren kann.

17. Verwendung einer Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Elektroden (7, 8, 9) der Pseudofunkenelektronenstrahlkammern (10) im Lochbereich Halbleitereinsätze z. B. aus dem Material SiC erhalten, um den Strahl zu stabilisieren.