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Verfahren zur Erzeugung eines Kohlenstoffilmes auf einem Substrat

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DE19930133A1
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Universitaet Kassel
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Abstract

Zur Erzeugung eines Kohlenstoffilmes wird auf ein Substrat (SB) Kohlenstoff durch Sputtern von einem Kohlenstoff-Sputtertarget (TG) in einem Gasgemisch, welches Stickstoff in einem Mindestanteil von 20% sowie ein Sputtergas enthält, bei einem vorgegebenen Gasdruck abgeschieden, und danach das Substrat (SB) einer Temperaturbehandlung bei einer Temperatur oberhalb 100 DEG C unter Hochvakuum unterzogen. Die so erzeugten Kohlenstoffilme weisen im wesentlichen senkrecht zum Film verlaufende Faser- und/oder Röhrenstrukturen auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Kohlenstoffilmes auf einem Substrat.

Kohlenstoffilme werden in vielen technischen Bereichen für verschiedenste Aufgaben verwen­ det, z. B. als Schutzbeschichtung gegen hochenergetische Strahlung, als leitfähiger Überzug oder zur Erreichung eines hohen Emissionsvermögens zur Strahlungskühlung. Ein häufig verwendetes Verfahren zur Erzeugung von Kohlenstoffilmen bietet die Sputter-Technik (Kathodenzerstäubung) bei welcher in einer Vakuum-Gasentladung Teilchen des Kathoden­ materials, welche durch auftreffende Ionen der Gasentladung aus der Kathodenoberfläche gelöst werden, sich auf einem benachbarten Substrat abscheiden und dort eine Schicht von durch die Bedingungen hinsichtlich der Gaszusammensetzung, des Gasdrucks usf. bestimmter Beschaffenheit bilden. Zur Abscheidung von Kohlenstoff mittels Sputtern ist es bekannt, daß eine Gasatmosphäre mit Argon oder einem anderen Edelgas eingesetzt wird. Sputtern von Kohlenstoff- und Kohlenstoffstickstoff-Schichten mittels Hochfrequenzsputtern ist beispiels­ weise von Y.-A. Li et al., Journal of Materials Science Letters, Vol. 17 (1998), S. 31-38, beschrieben.

Ein bekanntes Problem bei der Sputter-Abscheidung von Kohlenstoff z. B. in Argon- Atmosphäre ist, daß die so erzeugten Schichten eine sehr hohe Druckspannung aufweisen, welche Werte über 100 MPa bis in den Bereich einiger GPa annehmen kann, wie beispielsweise von E. Broitman et al., Applied Physics Letters, Vol. 72, No. 20 (1998), S. 2532, beschrieben ist. Die Druckspannungen führen auf den Oberflächen, auf die diese Kohlenstoffschichten abgeschieden wurden, in den meisten Fällen zur Bildung von Falten und Wellen was die Schacht unbrauchbar macht, sowie zu schlechter Haftung auf dem Substrat und/oder zur Beeinträchtigung bis hin zur Zerstörung der Substratoberfläche oder sogar des gesamten Substrates führen kann.

Ein weiterer Nachteil bekannter durch Sputtern erzeugten Kohlenstoffschichten ist die Unbe­ ständigkeit der Schichten gegenüber Feuchtigkeit und anderer Kontaminationen bei der Lage­ rung an Luft.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, Kohlenstoffschichten anzubieten, welche eine geringe innere Druckspannung oder eine innere Zugspannung aufweisen und deren Eigenschaften bei Lagerung stabil sind. Es ist eine weitere Aufgabe, ein Verfahren zur Erzeugung dieser Kohlenstoff­ schichten aufzuzeigen, bei welchem die innere Spannung der erzeugten Schichten mittels der Verfahrensparameter auf einen vorgegebenen Wert einstellbar ist.

Die Aufgabe wird von einem Verfahren zur Erzeugung eines Kohlenstoffilmes auf einem Substrat gelöst, bei welchem auf das Substrat Kohlenstoff durch Sputtern von einem Kohlen­ stoff-Sputtertarget in einem Gasgemisch, welches Stickstoff in einem Mindestanteil von 20% sowie ein Sputtergas, z. B. Argon, enthält, bei einem vorgegebenen Gasdruck abgeschieden wird und danach das Substrat einer Temperaturbehandlung bei einer Temperatur oberhalb 100°C unter Hochvakuum unterzogen wird.

Durch diese Lösung wird die gestellte Aufgabe mit geringem Aufwand gelöst. Die erfindungs­ gemäß erzeugten Kohlenstoffschichten zeichnen sich nicht nur durch niedrige Druckspannun­ gen bis unter 10 MPa bzw. durch Zugspannungen einiger weniger MPa aus, sondern auch durch eine hohe Stabilität bei der Lagerung gegenüber Luftfeuchtigkeit sowie durch die er­ reichbare Homogenität der Schichten auf dem Substrat.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird, etwa um Kohlenstoffschichten mit besonders geringer innerer Spannung abzuscheiden, günstigerweise die Temperatur des Substrates während des Sputtervorgangs unterhalb 50°C gehalten.

Um geringe innere Spannungen der erzeugten Schicht zu erreichen, ist zudem es zweckmäßig, wenn das Gasgemisch Stickstoff in einem Anteil im Bereich von 20% bis 70% enthält.

Um hierbei Spannungen unterhalb ca. 10 MPa zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn das Gas­ gemisch Stickstoff in einem Anteil im Bereich von 45% bis 55% enthält.

Um störende Einflüsse von Fremdgasen auszuschalten, ist es weiter günstig, wenn das im Gasgemisch verwendete Sputtergas ein Edelgas, z. B. Argon, ist.

Um eine zuverlässige Gasentladung zu erhalten, ist es zweckmäßig, wenn der Gasdruck des Gasgemisches zwischen 0,2 Pa bis 5 Pa liegt.

Günstigerweise erfolgt der Sputtervorgang mittels Hochfrequenz-Sputtern, z. B. bei 13,56 MHz.

Vorteilhafterweise wird der Sputtervorgang und die Temperaturbehandlung unter Bewahrung des Vakuums in derselben Prozessvorrichtung durchgeführt. Dies erbringt eine zuverlässige Stabilität der erzeugten Schichten gegenüber Luftfeuchtigkeit.

Um die Erzeugung der gewünschten inneren Spannungen zu garantieren, wird günstigerweise die Temperatur des Substrates während der Temperaturbehandlung unterhalb 300°C gehalten.

Es ist weiters vorteilhaft, wenn bei der Temperaturbehandlung das Substrat innerhalb einer Zeit von mindestens 30 Minuten auf eine vorbestimmte Endtemperatur von mindestens 100°C, z. B. auf 180°C, aufgeheizt wird und sodann das Substrat innerhalb einer Zeit von mindestens 30 Minuten auf eine Temperatur von 70°C abgekühlt wird. Auf diese Weise werden die besten Resultate der erzeugten Schichten gewonnen.

Hierbei ist es günstig, etwa um Kontaminationen zu vermeiden, wenn nach der Temperaturbe­ handlung das Substrat solange unter Hochvakuum gehalten wird, bis es auf eine Höchsttempe­ ratur von 70°C abgekühlt ist.

Die oben gestellte Aufgabe wird ebenfalls durch ein Substrat mit zumindest einem Kohlenstof­ film gelöst, welcher im wesentlichen senkrecht zum Film verlaufende Faser- und/oder Röhren­ struktur aufweist. Aufgrund der extrem dünnen Fasern bzw. Röhren ergibt sich eine besondere Fülle von Anwendungsmöglichkeiten dieser Schichten.

In einer besonders günstigen Ausführungsform weisen die Fasern bzw. Röhren des Kohlen­ stoffilmes Durchmesser im Bereich von 1 bis 30 nm auf.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 die Abhängigkeit der inneren Spannung von der Gaszusammensetzung anhand einiger typischer Beispiele;

Fig. 3 an erfindungsgemäßen Kohlenstoffilmen gemessene Strom-Spannungskennlinien;

Fig. 4 Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen eines Querschnitt durch einen nach der Erfindung erzeugten Kohlenstoffilm (Fig. 4a) sowie einer Aufsicht auf einen struktu­ rierten Film (Fig. 4b).

Eine für die Erzeugung von Kohlenstoffschichten nach der Erfindung geeignete Vorrichtung ist z. B. eine Prozessvorrichtung des Typs Alcatel SCM 600. Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht durch die Prozesskammer RK. In dieser Vorrichtung wird das zu beschichtende Substrat SB auf einem als Substrathalter SH dienenden Rad mit vier Halterpositionen befestigt. Die Halterpositionen entsprechen jeweils einer Prozessstation mit einer unter dem Substrathalter SH befindlichen Einrichtung zur Durchführung eines Prozessschritts, in diesem Falle sind dies eine Sputtereinrichtung mit einem Sputtertarget TG sowie ein Heizelement HZ. Der Substrathalter SH kann zusätzlich in seiner vertikalen Position justiert werden, sodaß der Abstand des Substrats SB zu dem Sputtertarget TG bzw. dem Heizelement HZ einstellbar ist. Zusätzlich ist in der Kammer ein Schieber SR angebracht, der das Substrat SB bei Bedarf gegen die Sputtereinrichtung und/oder das Heizelement abdeckt. Die Kammer kann mittels einer über eine Pumpleitung PL angeschlossene Vakuumpumpe auf Hochvakuum abgepumpt werden. Verwendet wurde eine Kryopumpe, um ein ölfreies Vakuum bis hinab zu dem in der Prozesskammer RK erreichbaren Enddruck von ca. 10-3 Pa zu gewährleisten. Über Gaseinlässe GE können ein oder mehrere Gase in die Kammer RK eingespeist werden, wobei mit Hilfe von Durchflussreglern MFC, mit denen die Gaszuflüsse individuell eingestellt werden können, und eines Ventils VL in der Abpumpleitung Gasfluss, Gaszusammensetzung und Gasdruck bei einem Ausführungsbeispiel mit einer Genauigkeit von 5% in der Kammer RK regelbar waren. Höhere in Zukunft sicher erreichbare Genauigkeiten werden zu einer entsprechend genauen Einstellbarkeit der Kohlenstoff-Materialparamenter führen.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zwei Prozessschritte, nämlich die Abscheidung des Kohlenstoffilms auf das Substrat mittels Sputtern und die nachfolgende Temperaturbehandlung des Films auf dem Substrat. Beide Prozessschritte erfolgen vorteilhafterweise in der oben beschriebenen Kammer RK, wobei das Substrat SB auf dem Substrathalter SH verbleibt und von der Sputterposition in die Position für die Temperaturbehandlung umgeschwenkt wird.

Bei dem Sputterprozess wird auf das Substrat Kohlenstoff durch Sputtern von einem Kohlen­ stoff-Sputtertarget in einem Gasgemisch bei einem vorgegebenen Gasdruck abgeschieden. Hierbei wird ein Gasgemisch aus einem Sputtergas, z. B. Argon, und Stickstoff in einem vor dem Abscheidevorgang eingestellten und während des Prozesses festgehaltenen Verhältnis eingesetzt. Als Sputtergas wurde insbesondere Argon verwendet, jedoch kann z. B. auch ein anderes Edelgas eingesetzt werden. Der Gasdruck wird ebenfalls zu Beginn des Sputtervor­ gangs eingestellt und dann im wesentlichen konstant gehalten. Der zur Herstellung von Koh­ lenstoffschichten nach der Erfindung geeignete Druckbereich beim Sputtervorgang reicht von 0,2 Pa bis 5 Pa. Hierbei wurden bei 2 Pa Druck Werte der Abscheiderate des Kohlenstoffilmes um 55 nm/min gefunden. Zu niedrigeren Drücken hin sinkt die Abscheiderate, wobei nach den Ergebnissen der durchgeführten Versuche der Stickstoff-Partialdruck ausschlaggebend ist, wogegen der Partialdruck des Sputtergas vergleichsweise geringen Einfluss auf die Abscheide­ rate hat.

Der Substrathalter SH mit dem auf ihm befestigten Substrat SB wird während des Sputtervor­ ganges auf Massepotential gehalten, während ein Sputtertarget TG von 200 mm Durchmesser mit hochreinem Kohlenstoff - in den Versuchen wurde Kohlenstoff mit 99,999% Reinheit verwendet - als Kathode mit einer negativen Vorspannung fungiert. Unter der Sputterkathode TG angebrachte Magnetrons MG speisen die zum Sputtern notwendige Gasentladung mit Hochfrequenzenergie bei einer Frequenz von 13,56 MHz; die eingespeiste Leistung entspricht einer Leistungsdichte von 3,2 W/cm2 auf dem Sputtertarget TG Die Sputtertarget- Vorspannung ergibt sich als Folge der Gasentladung und hängt im wesentlichen von der eingespeisten Hochfrequenzleistung, dem Gasfluss bzw. -druck sowie dem Abstand zwischen Sputtertarget und Substrat ab; typische Werte bei den hier genannten Verfahrensbedingungen liegen zwischen ca. -200 V bei 5 Pa Gasdruck und -380 V bei 2 Pa.

Das Sputtertarget TG der Kammer ist zur Ableitung der von den Magnetrons MG erzeugten Wärme wassergekühlt und wird so auf Umgebungstemperatur gehalten. Die Temperatur des Substrats SB wird mittels eines im Substrathalter SH vorgesehenen Thermoelementes TE überwacht. Um Kohlenstoffschichten mit geringer innerer Spannung (unter 10 MPa) abschei­ den zu können, muss die Temperatur der abgeschiedenen Kohlenstoffschicht während der Abscheidung unter 50°C gehalten werden. Aus diesem Grund wurde die Sputterabscheidung unterbrochen, sobald die mittels des Thermoelements TE gemessene Temperatur des Substrats SB 40°C überstieg, und der Sputtervorgang nach ausreichender Abkühlung fortgesetzt. Die Dauer der Unterbrechung des Sputtervorgangs hatte in Abhängigkeit von dem verwendeten Substrat jeweils eine Dauer im Bereich einiger Minuten. Auf diese Weise konnten auch sehr dicke Schichten von ca. 10 µm abgeschieden werden.

Der Substrathalter SH kann in der Höhe adjustiert werden, dadurch kann der Abstand zwi­ schen dem Substrat SB und der Sputterkathode TG eingestellt werden. Bei einem Abstand von 90 mm zwischen Substrat und Sputterkathode wurden die besten Resultate hinsichtlich der Homogenität der Kohlenstoffschicht erreicht. Freilich steigt die Abscheiderate mit abnehmen­ dem Substrat-Kathoden-Abstand, z. B. wurde bei einem Abstand von 50 mm eine um ca. 30% höhere Abscheiderate gefunden. Bei der Wahl des Abstandes ist somit zwischen der benötigten Abscheidedauer und der gewünschten Homogenität abzuwägen.

Nach dem Sputtern wird das Substrat einer Temperaturbehandlung bei einer Temperatur oberhalb 120°C unter Hochvakuum unterzogen. Unter Hochvakuum ist hierbei ein Vakuum zu verstehen, dessen Druck zumindest um eine Zehnerpotenz unterhalb dem Gasdruck des Sput­ tervorgangs liegt. In dem Ausführungsbeispiel wird während der Temperaturbehandlung die Gaszufuhr GE gesperrt und das Abpumpventil VL geöffnet, somit wird zu dem erwähnten Enddruck von ca. 10-3 Pa hin abgepumpt.

Die Temperaturbehandlung wird zweckmäßigerweise in derselben Prozessvorrichtung RK wie der Sputtervorgang durchgeführt. Vorteilhafterweise erfolgen beide Prozessschritte unter Bewahrung des Vakuums, nämlich derart, daß nach dem Abscheidevorgangt die Kammer RK abgepumpt wird und das Substrat im Vakuum von der Sputterposition zum Ort der Temperatur­ behandlung transportiert wird, wobei im besonderen ein Spülen oder Öffnen der Kammer mit dem damit möglichen Kontakt des Substrates mit Kontaminationen unterbleibt. Zusätzlich wird für die Temperaturbehandlung das Substrat SB an das Heizelement HZ angenähert, im Ausführungsbeispiel auf ca. 45 mm. Im Falle der oben beschriebenen Prozesskammer besteht das Heizelement HZ aus einem spiralförmig gewickelten sogenannten Thermokoax, dessen Heizleistung und zeitlicher Temperaturverlauf mittels eines eingebauten Temperatursensors TS und einer (in Fig. 1 nicht gezeigten) elektronischen Temperatursteuerung regelbar ist.

Innerhalb einer Zeit von 30 Minuten wird das Substrat auf eine vorbestimmte Endtemperatur von mindestens 100°C, in diesem Falle auf 180°C, aufgeheizt. Versuchresultate deuten weiters daraufhin, daß auch die Schnelligkeit der Temperaturänderung einen wesentlichen Einfluss auf die Güte der Kohlenstoffilme hat, sodaß eine allzu große momentane Abweichung von der mittleren Erwärmungsrate zu vermeiden ist. Kohlenstoffschichten mit den genannten günstigen Eigenschaften wurden auch bei einer Erwärmung auf eine Endtemperatur von 300°C erfolg­ reich erzeugt.

Tabelle 1 zeigt ein typisches Beispiel des mit dem Thermoelement TE des Substrathalters SH gemessenen Temperaturverlaufs des Substrats bei der Erwärmung, sowie die Temperatur des Heizelements HZ, wobei die Zeiten vom Startzeitpunkt des Heizvorgangs an gerechnet sind.

Nach dem Erreichen der Endtemperatur wird das Heizelement HE abgeschaltet, und das Substrat kühlt ab. Hierbei wird nach einer Zeit von mindestens 30 Minuten auf eine Tempera­ tur von ca. 70°C abgekühlt. Diese Zeit hängt von dem verwendeten Substrat ab; anstelle von ca. 30 Minuten im Falle von Silizium-Scheiben dauerte die Abkühlung beispielsweise bei 3 µm dicken Membranen, wie sie z. B. für Lithographie-Lochmasken verwendet werden und auf die ebenfalls Kohlenstoffschichten nach dem erfindungsgemäß Verfahren aufgebracht wurden, infolge des geringeren Wärmekontaktes ca. zwei Stunden. Das Hochvakuum bleibt während der gesamten Temperaturbehandlung aufrecht; erst nach der Abkühlung auf die erwähnten 70°C, oder darunter, wird die Kammer RK belüftet, uni das Substrat zu entnehmen.

Tabelle 1

Bis zu 10 µm dicke Kohlenstoffilme konnten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auf verschiedenen Substraten, z. B. Silizium-Wafer, Silizium-Membranen und Glasplatten, deren zu beschichtende Oberfläche vor der Beschichtung nach bekannten Verfahren gereinigt wurde, erzeugt werden. Anhand einer quadratischen Glasplatte der Größe 17×17 cm2, auf welcher ein 0,5 µm Kohlenstoffilm erzeugt wurde, wurde die Homogenität des Kohlenstoffilmes durch vergleichende Messung der Transparenz untersucht; dies ist im Vergleich zur Größe des Sputtertargets TG mit einem Durchmesser von 200 mm zu sehen. Die Transparenz liegt in einem Gebiet mit 150 mm Durchmesser um das Zentrum innerhalb 1,6% um den Wert des Koeffizienten der Transparenz im Zentrum der Glasplatte, in einem 200 mm großen Gebiet innerhalb 3%.

Die besten Ergebnisse für die erzeugten Kohlenstoffschichten wurden bei einem Gesamtdruck des Gasgemisches von 2 Pa bei einem Verhältnis der Gaspartialdrücke von 1 : 1, entsprechend einem Stickstoffanteil von ca. 50% mit einer Variationsbreite von ca. ± 5% erreicht. Diese Schichten wiesen eine innere Spannung um -3 MPa auf, wobei ein negative Spannungswert für Zugspannung steht. Die Filme nehmen auch bei längerer Lagerung, d. h. über Monate hinweg, an der Luft keine Feuchtigkeit auf. Es wurde beispielsweise gefunden, daß sich die Struktur der Kohlenstoffschichten (siehe hierzu die Diskussion zu Fig. 4 weiter unten) mit einer Lage­ rungsdauer von 14 Tagen bei Luftfeuchtigkeiten unter 70% bei Raumtemperatur nicht ändert. Das Zeitverhalten der inneren Spannung wurde an einer 1 µm dicken Kohlenstoffschicht, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auf einem Silizium-Substrat aufgebracht war, überwacht und ergab auch nach einem Zeitraum von 4 Monaten keine gegenüber der Meßge­ nauigkeit (± 2 MPa) signifikante Änderung gegenüber dem Spannungswert des frisch erzeugten Filmes. Diese Lagerungsstabilität, die für gesputterte, aber nicht wärmebehandelte Filme nicht vorliegt, erklärt sich daraus, daß "aktive" Gitterplätze und offene Bindungen, welche nach dem Sputtern vorhanden sind und für die Aufnahme von Kontaminationen wie etwa Luftfeuchtig­ keit verantwortlich sind, bei der Temperaturbehandlung ausheilen.

Es sei an dieser Stelle angemerkt, daß die Kohlenstoffilme vermutlich einen beträchtlichen Stickstoffanteil haben, wenngleich dahingehende Untersuchungen der Filmzusammensetzung noch nicht vorliegen. Ungeachtet dessen, und auch der Kürze halber, werden sämtliche nach der Erfindung erzeugten Filme hier als Kohlenstoffilme bezeichnet. Die Versuchsergebnisse zeigen weiters, daß die Druckspannung um so mehr sinkt und in den Zugspannungsbereich übergeht, je höher der Stickstoffanteil des Gasgemisches ist. So ändert sich bei Variation des Stickstoff-Argon-Verhältnisses im Gasgemisch die innere Spannung von 105 MPa bei 10% Stickstoff und 90% Argon über 49 MPa bei 30% Stickstoff bis hin zu -3,1 MPa bei 50% Stickstoff (Fig. 2), wobei positive Spannungswerte Druckspannungen (kompressiv) und negative Spannungswerte Zugspannungen (tensil) darstellen. Es ist somit möglich, durch entsprechende Kontrolle der Prozessparameter, insbesondere des Stickstoffanteils, die innere Spannung der Filme auf einen vorgegeben Spannungswert im Bereich zwischen ca. 100 MPa und ca. -5 MPa einzustellen. Für extrem niedrige Spannungen (unter 5 MPa, nach Wahl kompressiv bis tensil) ist ein Gasdruckverhältnis im Bereich von 5% um 1 : 1 anzusetzen. Die innere Spannung von Kohlenstoffschichten wurden an 1,5 µm dicken Schichten, die auf Silizi­ um-Wafers mit 100 mm Durchmesser nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebracht wurden, über die Verbiegung des Substrates nach der Erzeugung der Schicht bestimmt.

Kohlenstoffschichten, die die gestellten Anforderungen an die innere Spannung, nämlich innere Druckspannungen unter 100 MPa bis hin zu Zugspannungen, und an die Lagerungsstabilität erfüllen, konnten mit Gasgemischen erzeugt werden, in denen der Stickstoffanteil von 20% bis 70% betrug; jedoch kann davon ausgegangen werden, daß auch bei einem höheren Stick­ stoffanteil zufriedenstellende Filme gewonnen werden können. Bei darunterliegendem Stick­ stoffanteil dagegen steigen die inneren Spannungen deutlich an. Solche Filme bilden infolge der hohen Druckspannungen Wellen und zeigen keine gute Haftung am Substrat.

Fig. 4 zeigt mit einem Rasterelektronenmikroskop gewonnene Aufnahmen von Kohlenstoffil­ men nach der Erfindung. Der in Fig. 4a gezeigte Querschnitt durch einen Film zeigt eine im wesentlichen senkrecht zum Film verlaufende Fasern oder Röhren, welche typischerweise Durchmesser im Bereich von 1 bis 30 nm aufweisen. Diese in Querrichtung zum Film verlau­ fende Fasern/Röhrenstruktur ist auch in den Flanken der in Fig. 4b gezeigten Kohlenstoffilm­ strukturen (sogenannte Aharonov-Bohm-Ringe) sichtbar. Diese Struktur wird auf sogenannte Kohlenstoff-"nanotubes" zurückgeführt, die z. B. in einem Sonderheft der Applied Physics A, Vol. 67, No. 1 (Juli 1998), insbesondere auf Seiten 1-22 und 39-46, behandelt werden. Sie bieten auch eine Erklärung für die geringe Dichte der Kohlenstoffschichten nach der Erfindung von etwa 60% einer Graphitschicht. Daher sollten die kleinstmöglichen Strukturen, die mit den Kohlenstoffschichten realisierbar sind, im Bereich der Durchmesser dieser Nanotubes liegen. Ein weiterer Hinweis auf das Vorhandensein der Nanotubes wurde aus Gleichstrom-Strom- Spannungs Messungen an kontaktierten Kohlenstoffilmen gefunden. Fig. 3 zeigt Strom- Spannungs-Kurven an Kohlenstoffschichten von 0,5 µm Höhe, die auf ein GaAs-Substrat abgeschieden wurden und in Bereichen verschiedener Durchmesser d von 50 bis 300 µm strukturiert wurden, der Strom I ist in Ampere, die Spannung U in Volt angegeben. Der Verlauf dieser Strom Spannungs-Kurven ist denen von eindimensionalen Leitern ähnlich, wie z. B. von L. Kouwenhoven Science, Vol. 275 (1997), S. 1896, dargestellt und weist auf einen spezifi­ schen Widerstand der Schichten von ca. 3.106 Ωm hin.

Fig. 4b demonstriert zudem die Möglichkeit der Strukturierung der nach der Erfindung er­ zeugbaren Kohlenstoffschichten, deren Strukturen nach der Erzeugung auf einem Silizium- Substrat mittels Maskentechnologie in einem Sauerstoffplasma geätzt wurden. In Versuchen konnten z. B. 7 µm hohe Linien mit Breiten von 120 nm, quadratische Stäbe von 7 µm Höhe mit einem Querschnitt von 150×150 mm2 oder Aharonov-Bohm-Ringe mit Außendurchmes­ sern von 600 nm mit sehr steilen Strukturflanken aus der Kohlenstoffschicht herausgeätzt werden.

Aus den genannten Eigenschaften der erfindungsgemäßen Kohlenstoffilme ergibt sich eine Vielzahl möglicher Anwendungen, von denen im besonderen

  • - die Verwendung als ionenabsorbierende Schicht (sogenannte Stopper-Schicht) zum Schutz des Substratmaterials vor Schäden durch Ionenbestrahlung, z. B. für Lochmasken der Ionen­ strahl-Lithographie;
  • - im Bereich der Nano-Elektronik die Verwendung der Nanotubes als verlustfreie Elektro­ nenleitungen;
  • - neuartige, nicht-lineare elektronische Bauteile unter Ausnutzung der nichtlinearen strom- Spannungs-Charakteristik der Kohlenstoffschichten;
  • - die Verwendung der Nanotubes für die Feldemission im Vakuum, z. B. für Vakuum- Bauelemente oder sogenannte Flat-Panel-Displays;
  • - Anwendungen in der Sensorik unter Ausnützung des nicht-linearen Zusammenhangs zwi­ schen dem Widerstand der Schichten und der Belastung

beispielhaft genannt seien.

Claims (14)

1. Verfahren zur Erzeugung eines Kohlenstoffilmes auf einem Substrat, bei welchem
  • - auf das Substrat Kohlenstoff durch Sputtern von einem Kohlenstoff-Sputtertarget in einem Gasgemisch, welches Stickstoff in einem Mindestanteil von 20% sowie ein Sputtergas ent­ hält, bei einem vorgegebenen Gasdruck abgeschieden wird und
  • - danach das Substrat einer Temperaturbehandlung bei einer Temperatur oberhalb 100°C unter Hochvakuum unterzogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Substrates während des Sputtervorgangs unterhalb 50°C gehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch Stickstoff in einem Anteil im Bereich von 20% bis 70% enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch Stickstoff in einem Anteil im Bereich von 45% bis 55% enthält.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das im Gasgemisch verwendete Sputtergas ein Edelgas, z. B. Argon, ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasdruck des Gasgemisches zwischen 0,2 Pa bis 5 Pa liegt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sputter­ vorgang mittels Hochfrequenz-Sputtern, z. B. bei 13,56 MHz, erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sputter­ vorgang und die Temperaturbehandlung unter Bewahrung des Vakuums in derselben Prozeß­ vorrichtung durchgeführt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Tempe­ ratur des Substrates während der Temperaturbehandlung unterhalb 300°C gehalten wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Temperaturbehandlung das Substrat innerhalb einer Zeit von mindestens 30 Minuten auf eine vorbestimmte Endtemperatur von mindestens 100°C, z. B. auf 180°C, aufgeheizt wird und sodann das Substrat innerhalb einer Zeit von mindestens 30 Minuten auf eine Temperatur von 70°C abgekühlt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Temperaturbehandlung das Substrat solange unter Hochvakuum gehalten wird, bis es auf eine Höchsttemperatur von 70°C abgekühlt ist.
12. Substrat mit zumindest einem Kohlenstoffilm erzeugt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
13. Substrat mit zumindest einem Kohlenstoffilm, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlen­ stoffilm im wesentlichen senkrecht zum Film verlaufende Faser- und/oder Röhrenstruktur aufweist.
14. Substrat mit zumindest einem Kohlenstoffilm nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, daß die Fasern bzw. Röhren des Kohlenstoffilmes Durchmesser im Bereich von 1 bis 30 nm aufweisen.
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