DE19938945C1

DE19938945C1 - Verfahren zum Aufbringen einer Kohlenstoffschicht auf ein Substrat

Info

Publication number: DE19938945C1
Application number: DE1999138945
Authority: DE
Inventors: Ralf Schnupp
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1999-08-17
Filing date: 1999-08-17
Publication date: 2001-02-08
Anticipated expiration: 2019-08-18

Abstract

Bei einem Verfahren zum Aufbringen einer Kohlenstoffschicht auf zumindest ein Substrat wird zunächst ein Substrat auf den Halter in der evakuierbaren Prozeßkammer eines Wechselfeld-Magnetron-Kathodenzerstäubers aufgebracht und ein Graphittarget wird an dem Kathodenträger des Wechselfeld-Magnetron-Kathodenzerstäubers angebracht. Anschließend wird die Prozeßkammer evakuiert und Argongas wird in die evakuierte Prozeßkammer eingebracht. Daraufhin wird ein elektrisches Wechselfeld zwischen der Wand der Prozeßkammer und dem Kathodenträger angelegt, um ein Argonplasma in der Prozeßkammer zu erzeugen, derart, daß Kohlenstoffpartikel aus dem Graphittarget geschlagen und auf dem Substrat niedergeschlagen werden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufbringen einer Kohlenstoffschicht auf ein Substrat, bei spielsweise ein solches Verfahren, bei dem ein Kunststoff substrat mit einem diamantähnlichen Kohlenstoff haftfest be schichtet wird.

Diamantähnliche Kohlenstoffschichten sind aufgrund ihrer hervorragenden physikalischen und elektrochemischen Eigen schaften für eine Vielzahl von technischen Bereichen inter essant. Beispielsweise sind diamantähnliche Kohlenstoff schichten, die auch als DLC-Schichten bezeichnet werden, auf dem Gebiet der Mechanik aufgrund der hohen Härte und des ge ringen Reibungskoeffizienten derartiger Schichten zum Schutz, zur Reibungsreduzierung und zur Verschleißreduzie rung vorteilhaft einsetzbar. In der Chemie sind diamantähn liche Kohlenstoffe aufgrund der guten chemischen Beständig keit in Flüssigkeiten zur Passivierung und aufgrund der gu ten elektrochemischen Eigenschaften als Sensorelektroden, beispielsweise zur pH-Messung oder zur Leitfähigkeitsmessung und dergleichen, vorteilhaft einsetzbar. Auf dem Gebiet der Optik finden diamantähnliche Kohlenstoffschichten aufgrund einer hohen Absorption in einstellbaren Bereichen als Bar codes, Codierer, Infrarotabsorber und optische Absorber An wendung. Schließlich können diamantähnliche Kohlenstoff schichten auf dem Gebiet der Elektronik als leitfähige Pas sivierung elektronischer Schaltkreise verwendet werden.

Diamantähnliche Kohlenstoffschichten sind schon seit länge rer Zeit bekannt und werden teilweise in den oben beschrie benen Bereichen eingesetzt. Zur Beschichtung von Kunststof fen mit Kohlenstoff, beispielsweise für sensorische Anwen dungen, ist es prinzipiell möglich, Dickfilmtechnologien zu verwenden, bzw. Kohlenstoffpasten aufzubringen und auszuhär ten. Gerade auf dem Gebiet der Flüssigkeits- und Gassensorik ist es bekannt, insbesondere zum Nachweis von Chlorgas, mit Kohlenstoff bedeckte poröse Teflonfolien zu verwenden.

Das U.S.-Patent 5879775 beschreibt ein Verfahren zum Her stellen von Chipkarten, bei dem Kunststoffe unter Verwendung einer metallorganischen plasmaunterstützten chemischen Gas phasenabscheidung mit Kohlenstoff beschichtet werden. Der zeit sind keine weiteren Verfahren unter Verwendung der Dünnschichttechnologie bekannt, die es ermöglichen, haft feste Schichten mit hoher Leitfähigkeit bei niedriger ther mischer Belastung zu erzeugen.

Die bekannten Technologien zum Aufbringen von Kohlenstoff schichten auf Substraten besitzen eine Anzahl von Nachtei len. Zum einen haften mittels bekannter Verfahren auf ge brachte Kohlenstoffschichten schlecht auf dem Untergrund, wodurch diese sich durch länger andauernde äußere Einwirkun gen, die mechanischer oder chemischer Natur sein können, von dem Substrat ablösen können, wodurch beispielsweise Sensor eigenschaften zerstört werden können. Überdies besitzen mit tels bekannter Verfahren aufgebrachte Kohlenstoffschichten schlechte elektrische Eigenschaften, was sich in hohen elek trischen Widerständen, hohen Doppelschichtkapazitäten, einer erhöhten Querempfindlichkeit bezüglich Störgrößen, wie bei spielsweise Schwefelwasserstoff, und geringen Signal-zu- Rausch-Verhältnissen äußeren. Die durch bekannte Verfahren erhaltene Homogenität der Schichtdicken sowie die Reprodu zierbarkeit der elektrischen Eigenschaften ist gering, so daß hohe Fertigungstoleranzen auftreten. Überdies erfordern viele Dünnschichtverfahren hohe Abscheidetemperaturen, uni die geforderten Schichteigenschaften zu erzielen, so daß diese Verfahren grundsätzlich zur Aufbringung von Kohlen stoffschichten auf Kunststoffen ausscheiden.

In der JP 02-80558 A (Patent Abstracts of Japan, C-727) ist ein Verfahren zum Erzeugen eine amorphen Kohlenstoff-Films auf einem Substrat beschrieben, bei dem als atmosphärisches Gas in einem Magnetron-Zerstäuber, in den ein Graphittarget eingebracht ist, ein Gemisch aus H₂ und Ar verwendet wird.

Die EP 0224080 B1 beschreibt ein Verfahren zum Aufbringen einer biokompatiblen Kohlenstoffschicht auf eine Träger schicht durch die Zerstäubung einer Kohlenstoff-Fangelektro de. Die Zerstäubung wird dabei als eine Gleichspannungszer stäubung durchgeführt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein neuartiges Verfahren zum Aufbringen einer Kohlenstoffschicht auf ein Substrat zu schaffen, das eine haftende Beschichtung von Kunststoffen mit diamantähnlichem Kohlenstoff ermög licht.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Aufbrin gen einer Kohlenstoffschicht auf ein Substrat unter Verwen dung der Wechselfeld-Magnetron-Kathodenzerstäubung. Dabei wird zunächst ein Substrat auf den Halter in der evakuierba ren Prozeßkammer eines Wechselfeld-Magnetron-Kathodenzer stäubers aufgebracht. Nachfolgend wird ein Graphittarget an dem Kathodenträger des Wechselfeld-Magnetron-Kathodenzer stäubers angebracht. Im Anschluß wird die Prozeßkammer eva kuiert, woraufhin Argongas in die evakuierte Prozeßkammer eingebracht wird. Schließlich wird ein elektrisches Wechsel feld zwischen der Wand der Prozeßkammer und dem Kathodenträ ger angelegt, um ein Argonplasma in der Prozeßkammer zu bil den, derart, daß Kohlenstoffpartikel aus dem Graphittarget geschlagen und auf dem Substrat niedergeschlagen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung amorpher diamantähnlicher Kohlenstoffschichten mit geringem Wasserstoffgehalt bei niedrigen Temperaturen, wobei die her gestellten Schichten insbesondere sehr gut auf Kunststoffen haften. Vorzugsweise werden dabei ultrareine Graphittargets in sehr reinen Argonplasmen verwendet, um die Eigenschaften der erzeugten Kohlenstoffschichten zu optimieren. Insbeson dere eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur haft festen Beschichtung von Kunststoffen, wie z. B. Polytetra fluorethylen (PTFE), das auch als Teflon bekannt ist.

Die erfindungsgemäß eingesetzte Dünnschichttechnologie der Kathodenzerstäubung ermöglicht es, selbst bei Raumtempera tur, sehr gut haftende Kohlenstoffschichten reproduzierbar und homogen auch auf Kunststoffe abzuscheiden. Durch das er findungsgemäße Verfahren ist es möglich, Filme mit einem diamantähnlichen Charakter abzuscheiden, so daß die erzeug ten Filme eine hervorragende mechanische und chemische Sta bilität aufweisen. Daneben können die erzeugten Kohlenstoff filme sehr gute elektrische und elektrochemische Eigenschaf ten aufweisen, die im Bereich von Glas-Kohlenstoff-Elektro den, die als Standardwerkstoff in der chemischen Analyse eingesetzt werden, liegen, beispielsweise spezifische elek trische Widerstände von unter 30 mΩcm sowie Doppelschicht kapazitäten von 40 µF/cm². Gegenüber bekannten Kohlenstoff schichten können die erfindungsgemäß erzeugten Schichten ein um den Faktor von 2 verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis und verringerte Querempfindlichkeiten der Schichten hin sichtlich chemischer Störgrößen besitzen.

Bevorzugte Verfahrensparameter, die eine Optimierung der aufgebrachten Kohlenstoffschichten ermöglichen, sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt, wobei vorteilhafte Ergeb nisse insbesondere dann erreicht werden können, wenn die zu beschichtenden Substrate keine Verunreinigungen auf der Oberfläche derselben besitzen, das Graphittarget nur geringe Konzentrationen an Fremdatomen aufweist, das Vakuum nach dem Einbau der Substrate Druckwerte unter 5 . 10^-4 Pa erreicht, das in die evakuierte Prozeßkammer eingebrachte Prozeßgas Argon eine hohe Reinheit besitzt und die Leistungsdichte der angelegten Wechselspannung eine Mindestleistungsdichte über steigt.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegen den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Wechselfeld- Magnetron-Kathodenzerstäubers zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens; und

Fig. 2 eine durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugte Schichtanordnung.

Nachfolgend wird bezugnehmend auf Fig. 1 kurz der Aufbau ei nes Wechselfeld-Magnetron-Kathodenzerstäubers beschrieben. Ein derartiger Kathodenzerstäuber besitzt eine evakuierbare Prozeßkammer, die von einer Prozeßkammerwand 2 umgeben ist. An einer Seite der Prozeßkammer ist ein leitfähiger Katho denträger 4 angeordnet, der vorzugsweise aus Metall besteht. Über leitfähige Verbindungseinrichtungen 6 ist der leitfähi ge Kathodenträger 4 mit einem ersten Spannungsanschluß 8 verbunden. Ein zweiter Spannungsanschluß 10 ist vorgesehen, der mit der Prozeßkammerwand 2 elektrisch leitfähig verbun den ist. Somit ist über die Spannungsanschlüsse 8 und 10 eine Wechselspannung zwischen dem Kathodenträger 4 und der Prozeßkammerwand 2 anlegbar. Oberhalb des Kathodenträgers 4 ist bei dem Wechselfeld-Magnetron-Kathodenzerstäuber eine spezielle Permanentmagnetanordnung 12, das Magnetron, ange ordnet, das ein definiertes Magnetfeld liefert.

In der Prozeßkammer des Wechselfeld-Magnetron-Kathodenzer stäubers ist ein Halter 14 angeordnet, der vorzugsweise drehbar ist, wie durch den Pfeil 15 in Fig. 1 gezeigt ist. Der Aufbau eines solchen Wechselfeld-Magnetron-Kathodenzer stäubers, wie er oben kurz bezugnehmend auf Fig. 1 umrissen ist, ist Fachleuten bekannt.

Ein solcher Wechselfeld-Magnetron-Kathodenzerstäuber wird zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet. Dabei wird zunächst ein zu beschichtendes Substrat 16, oder eine Mehrzahl von zu beschichtenden Substraten, auf den Hal ter 14 aufgebracht. Vor dem Einbringen des Substrats 16 bzw. der Substrate in die Prozeßkammer werden dieselben vorzugs weise gereinigt, um eine möglichst verunreinigungsfreie Oberfläche, auf die die Kohlenstoffschicht aufgebracht wer den soll, zu realisieren. Bei bevorzugten Ausführungsbei spielen der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem oder den Substraten um einen Kunststoff, und insbesondere um Polytetrafluorethylen.

Auf den Kathodenträger 4 des Wechselstrom-Magnetron-Zerstäu bers wird ein Graphittarget 18 angebracht bzw. gebondet, so daß das Graphittarget über den leitfähigen Kathodenträger 4 sowie die leitfähigen Einrichtungen 6 mit dem Spannungsver sorgungsanschluß 8 verbunden ist.

Nachfolgend wird durch eine Vakuumpumpe, die in Fig. 1 nicht dargestellt ist und beispielsweise über die Eingänge 20 mit der Prozeßkammer in Verbindung ist, eine Vakuum in der Pro zeßkammer erzeugt. Die Prozeßkammer wird vorzugsweise derart evakuiert, daß in derselben Druckwerte unter 5 . 10^-4 Pa vor liegen, um eine möglichst geringe Konzentration an Feuchtig keit in der Prozeßkammer zu bewirken.

Nach dem Evakuieren der Prozeßkammer wird Argongas, bei spielsweise über einen Einlaß 22, in die Prozeßkammer ein gelassen, vorzugsweise bis zu einem stabilen Druck von 0,1 bis 1 Pa. Im Anschluß wird eine Wechselspannung U~ zwischen den Spannungsversorgungsanschlüssen 8 und 10 und somit zwi schen dem Graphittarget 18 als Kathode und der Kammerwand 2 als Anode angelegt. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen wird ein elektrisches Wechselfeld einer Frequenz von 13,5 MHz verwendet. Somit bildet sich in der Prozeßkammer ein elektrisches und magnetisches Feld 24 aus, das durch Stoß prozesse einen Teil des in der Prozeßkammer enthaltenen Ar gongases ionisiert, wodurch ein leuchtendes Plasma entsteht. Die erzeugten Argonionen werden auf das Graphittarget 18 be schleunigt und schlagen Kohlenstoffatome und Kohlenstoff atombündel aus dem Festkörper des Graphittargets 18 heraus, die sich auf das Substrat 16 niederschlagen. Abhängig von der Zeitdauer, für die das obige Verfahren durchgeführt wird, kann dadurch eine Kohlenstoffschicht in einem Schicht dickenbereich von einigen Nanometern bis zu einigen Mikrome tern auf dem Substrat 16 erzeugt werden.

Wie oben erwähnt wurde, ist es durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich, Kunststoffe mit einer haftenden Beschich tung aus diamantähnlichem Kohlenstoff zu versehen. Um dia mantähnliche Kohlenstoffschichten mit einem geringen elek trischen Widerstand, einer hohen Haftung, einer mechanischen und chemischen Stabilität sowie guten elektrochemischen Eigenschaften zu erhalten, müssen die im folgenden genannten Aspekte beachtet werden. Zum einen dürfen keine Verunreini gungen auf der Oberfläche der zu beschichtenden Substrate 16 vorliegen. Darüberhinaus darf das Graphittarget 18 nur eine geringe Konzentrationen an Fremdatomen aufweisen, d. h. das selbe soll vorzugsweise eine Reinheit von mehr als 99%, noch bevorzugter von mehr als 99,99% besitzen. Das Vakuum nach dem Einbau der Substrate 16 sowie des Zieltargets 18 muß Werte unter 5 . 10^-4 Pa erreichen, damit eine möglichst gerin ge Konzentration an Feuchtigkeit in der Prozeßkammer ver bleibt. Darüber hinaus muß das Prozeßgas Argon von hoher Reinheit und insbesondere von geringem Feuchtigkeits- und Wasserstoffgehalt sein, wobei eine Reinheit < 99,9999% be vorzugt ist. Die sich ergebende Leistungsdichte durch das Anlegen der Wechselspannung muß zumindest 2,8 W/cm² betra gen. Schließlich müssen das oder die Substrate potentialfrei auf dem Halter 14 angebracht sein, d. h. dieselben dürfen keine elektrische Verbindung zu anderen Komponenten aufwei sen.

Unter Verwendung der oben angegebenen Prozeßparameter können Kohlenstoffschichten mit optimierten Eigenschaften erhalten werden. Je nach Einsatzgebiet der schließlich hergestellten Kohlenstoffschicht können geringere Anforderungen an alle oder einzelne der oben angegebenen Prozeßparameter gestellt werden.

Typische Eigenschaften von amorphen diamantähnlichen Kohlen stoffschichten, die durch das erfindungsgemäße Verfahren realisierbar sind, sind in der nachfolgenden Tabelle auf ge listet:

Aus den obigen Eigenschaften ergibt sich ohne weiteres, daß die erfindungsgemäß hergestellten Kohlenstoffschichten vor teilhaft in einer Vielzahl der oben genannten Bereiche, wie Mechanik, Chemie, Optik und Elektronik, einsetzbar sind.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Substrats 16, das durch das erfindungsgemäße Verfahren mit einer Koh lenstoffschicht 30 beschichtet ist. Das Substrat 16 kann je nach Anwendung beispielsweise eine poröse Folie aus Teflon sein, während die Kohlenstoffschicht 30 beispielsweise eine diamantähnliche Kohlenstoffschicht sein kann, so daß der in Fig. 2 dargestellte Schichtenverbund vorteilhaft für senso rische Zwecke, insbesondere in der Gassensorik, eingesetzt werden kann. Daneben prädestinieren die guten mechanischen Eigenschaften des Kohlenstoffs diesen auch zur Verwendung als abriebfeste Schicht zur Verschleißminderung. Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren auch vorteilhaft zur Herstel lung von Chipkarten oder bewegten Kunststoffteilen, wie sie beispielsweise in Handhabungs- und Transportsystemen zu fin den sind, verwendet werden.

Claims

1. Verfahren zum Aufbringen einer diamantähnlichen Koh lenstoffschicht (30) auf zumindest ein Substrat (16) mit folgenden Schritten:

a) Anbringen des Substrats (16) an dem Halter (14) in der evakuierbaren Prozeßkammer eines Magnetron-Ka thodenzerstäubers und Anbringen eines Graphittar gets (18) an dem Kathodenträger (4) des Magne tron-Kathodenzerstäubers;
b) Vorevakuieren der Prozeßkammer auf niedrige Druck werte zur Dekontaminierung der Druckkammer;
c) Einbringen von Argongas in die evakuierte Prozeß kammer; und
d) Anlegen eines elektrischen Wechselfelds zwischen der Wand (2) der Prozeßkammer und dem Kathodenträ ger (4) zum Bilden eines Argonplasmas in der Pro zeßkammer, derart, daß Kohlenstoffpartikel aus dem Graphittarget (18) geschlagen und auf dem Substrat (16) niedergeschlagen werden.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem eine Mehrzahl von Substraten (16) auf den Halter (14) aufgebracht wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das zumin dest eine Substrat (16) aus einem Kunststoff besteht.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem das zumindest eine Substrat aus Polytetrafluorethylen besteht.

5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, das fer ner den Schritt des Reinigens der Oberfläche des zu mindest einen Substrats (16), auf das die Kohlenstoff schicht (30) aufgebracht werden soll, aufweist.

6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Graphittarget (18) eine Reinheit von mehr als 99,99% aufweist.

7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem im Schritt b) die Prozeßkammer auf einen Druck von we niger als 5 . 10^-4 Pa evakuiert wird.

8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem im Schritt c) Argongas bis zu einem stabilen Druck von 0,1 bis 1 Pa in die Prozeßkammer eingebracht wird.

9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem im Schritt c) Argongas mit einer Reinheit < 99,9999% in die Prozeßkammer eingebracht wird.

10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Leistungsdichte, die durch das im Schritt d) ange legte elektrische Wechselfeld erzeugt wird, zumindest 2,8 W/cm² beträgt.

11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das zumindest eine Substrat (16) im Schritt a) derart an den Halter (14) angebracht wird, daß es elektrisch isoliert bezüglich der übrigen Komponenten des Magne tron-Zerstäubers ist.