DE2330545A1 - Vorrichtung und verfahren zum ablagern eines karbidfilmes - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum ablagern eines karbidfilmes

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DE2330545A1
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Description

Dr.-fcifl. HANS RUSCHKE *» DipWngi HEfNZ AGULAR f* Λπ11973
• Münch 80, PSonzenouertlr. a
Unser Zeichen B 1o27
Rointan Framroze Bunshah, Los Angeles, California/V.3t.A·
"Vorrichtung und Verfahren sum Ablagern einet Karbidfllmts"
Die Erfindung betrifft; ein Verfahren und eint Vorrichtung für die Ausbildung τοη Karbidfilmen auf Substraten, wit beispielsweise Schneidwerkzeugen und versohltitt- und abriebsbeständigt Oberflächen und für die Verwendung alt Supraleiter und für die Synthese τοη Karbidpulrtrn·
Die Filme werden mittels physikalischer Verdampfungtablagerung der Karbidverbindung durch reaktive Verdampfung in einer Zone weg von dem Substrat erzeugt. Karbidfilmt wurden durch ohemisohts Verdampfungsabsoheidtn bei dtr Herstellung τοη WerkaeugsaeiBeln u.dgl. zubtrtittt, jedoch war die Absohtidungtgttohwindiglctit relativ gering. Oxid- und Nitridfilmt wurden durch reaktive· Verdampfen normalerweise mit einer relativ geringen Abtohtidungsgeschwindigkeit erzeugt. Sin Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Karbidfilmen duroh reaktives Verdampfen
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und insbesondere /zum Herstellen des Karbidfilmes bei einer hohen Absoheidungs^eschwindigkeit, typischerweise in dem Bereich von 1-12 yum/min·
Eine Anzahl von Verfahren ist zum Abaoheiden von Verbindungen aus der Dampfphase auf einem Substrat bekanntι Chemisches Dampfabsoheiden, Zerstäuben der Verbindung von einer Prallplatte der gleichen Verbindung} direktes Verdampfen der Verbindung aus einer Verdampfungsquelle der gleichen Zusammensetzung und reaktives Verdampfen, wobei Metalldampf atome aus einer Verdampfungsquelle, welche das geeignete Metall enthält, mit reaktiven Gasatomen reagieren, die in der Dampfphase vorhanden sind, um Verbindungen zu bilden« Ein typisches Beispiel einer reaktiven Verdampfungsausbildung von Zusammensetzungen isti
2 AL (Dampf) + 3/2 O2 (GaS)-^-Al2O5 (fest)
Si· Auswahl des Verfahrens hängt von der Fähigkeit, Ver bindungen gewünschter Zusammensetzung und Struktur ablusoheiden und von der Abacheidungsgeschwindigkeit ab.
Das Zerstäubungsverfahren leidet an geringer Abscheidungsgosohwindigkeit, typisch in der Grossenordnung von 0,1 Mikrometer / min·, und manchmal von dem Aufbrechen
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der Zusammensetzung In Fraktionen, welche nicht wiedervereinigt werden können, um die gewünschte Zusammensetzung in dem abgeschiedenen Film zu erzielen· Direktes Verdampfen der Verbindungen ist oft möglich, aber manche Verbindungen besonderen Interesses haben sehr hohe Schmelzpunkte, was die Verwendung einer Wärmequelle hoher Intensität erfordert, um eine merkliche Verdampfungsgeschwindigkeit und auch das mögliche Aufbrechen der Verbindung in Fraktionen während des Verdampfens zu erzeugen·
Bei dem reaktiven Verdampfungsverfahren ist das Verdampfungemittel ein Metall, dessen Schmelzpunkt geringer als derjenige der Metallverbindung ist*. Höhere Metallatomdiohten in der Dampfphase sind leichter zu erzeugen, und hohe Absoheidungsgesohwindigkeiten sind möglich·
Bei der reaktiven Verdampfung reagieren Metalldampf atome mit Gaaatomen, um Verbindungen zu bilden. In dem erwähnten Beispiel verbindet βich der Dampf der Aluminiummetallatome mit Sauerstoff, um Aluminiumoxid zu bilden· Xhnlioherweise reagieren verdampfte Titanmetallatome mit einem Kohlenwasserstoffgas wie beispielsweise Aoethylen, um Titankarbid zu bilden} jedoch wurde £itankarbid bislang nicht mittels reaktiven Verdampfens ereeugt.
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Verschiedene reaktive Verdampfungsverfahren sind in der Literatur beschrieben, wobei die Reaktion im allgemeinen auf dem Substrat und in der Gegenwart eines grossen Überschusses der Gasatome eintritt. Auch sind mit den bekannten Verfahren lediglich dünne Filme bei sehr geringen Niederschlagsgeschwindigkeiten erzeugt worden, wie beispielsweise Filme in der Grössenordnung von einigen tausendstel Angstrom Dicke mit einer Geschwindigkeit in der Grössenordnung von 0,2 Mikrometer/min.
Kein Stand der Technik beschreibt jedoch ein Verfahren oder eine Vorrichtung, die einen Karbidfilm durch Reaktion in der Dampfphase entfernt von dem Substrat erzeugt, wobei die Reaktion unabhängig von der Subs trat temp era tür ist und die Abscheidungsgeschwindigkeiten in der Gröss enordnung von 1 bis 12 Mikrometer/min, sind. Auch ist in dem otand der Technik nicht das Variieren der Stöchiometrie der sich ergebenden Zusammensetzung zu entnehmen. Es ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung zu schaffen.
Die Abs ehe idungs geschwindigkeit in einem reaktiven Verdampfungsverfahren hängt von der Zufuhr der Metalldampfatome, der Zufuhr von Gasatomen, Kollision zwischen
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Metall- und Gasatomen und der Möglichkeit der nachfolgenden Reaktion ab, um eine Verbindung zu bilden, wenn eine solche kollision eintritt. Das Gesamtausbringen der Reaktion wird von allen erwähnten Faktoren bestimmt, wobei jeder dieser Faktoren eine Geschwindigkeitsbegrenzung sein kann·
Es besteht eine reziproke Beziehung zwischen dem Partialdruck des MetdLdampfes oder Gases und dessen durchschnittlichem freien Weg, d.h. dem durchschnittlichen Abstand zwischen Kollision·
Bei niedrigen Partialdrücken Überschreitet der durchschnittliche freie Weg den Abstand von Quelle zu Substrat, und eine Kollision zwischen den Reaktionsteilnehmern kann lediglich auf dem Substrat eintreten· Wenn die Partialdrucke der Reaktionsteilnehmer erhöht werden, nimmt der freie durchschnittliche Weg ab und wird gegebenenfalls kleiner als der Abstand von Quelle zu Substrat, so daß Kollisionen zwischen den Reaktionsteilnehmern nun in der Dampfphase eintreten. Für größere Abscheidungsgesohwindigkeiten nuß die Zuführung von verdampften Metallatomen und Gasatomen, d.h. ihre Partialdrucke, gross sein, und somit tritt eine Kollision zwischen den Reaktionsteilnehmern primär in der Dampfphase ein.
Für hohe Abscheidungsgeschwindigkeiten kann eine adäquate Zuführung von Metallatomen in der Dampfphase duroh
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Verwendung einer Verdampfungsquelle hoher Abgabe erhalten werden, und eine adäquate Zuführung von Gasatomen wird geschaffen, indem ein ausreichend hoher Partialdiruck der Gasatome in der Gasphase geschaffen ist, woraus sich ein hoher Kollisionsgrad zwischen den Metall- und Gasatomen in der Dampfphase ergibt. Diese Bedingungen sind in reaktiven Verdampfungsverfahren in der Vergangenheit zur Herstellung von Oxid- und Nitridfilmen verwendet worden; jedoch sind Karbidfilme und die hohen Niederschlagsgeaohwindiglceiten gemäss vorliegender Erfindung nicht erhalten worden·
Eine der oben erwähnten Geschwindigkeitsbegrenzungen, welche das Gesamtausbringen der Reaktion beeinflussen, ist die Möglichkeit einer Reaktion, wenn zwei Reaktionsteilnehmer zusammenstoßeen. Diese Reaktion kann wahrscheinlich durch Aktivierung eines oder beider Reaktionsteilnehmer vergröesert werden.
Es wurden bestimmte Verbesserungen bei reaktiven Verdampf ungsverfahren durchgeführt, die weitgehend als Aktivierung bezeichnet sind und ein aktiviertes reaktives Verdampfungsverfahren schaffen. Nach der US-PS 2 920 002 werden dünne Filmoxide von Silizium, Zirkon, Titan, Aluminium, Zink und Zinn duroh reaktives Verdampfen erzeugt.
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Diese Reaktion wird durch. Ionisieren des Sauerstoffs angeregt, indem er durch eine Ionisationskammer geführt wird, welche zwei Elektroden mit einer elektrischen Energiezufuhr aufweist, die einige 1000 Volt an den Elektroden schafft. Der ionisierte Sauerstoff strömt aus der Ionisationskammer in die Vakuumkammer. Bei einer anderen Ausführung wird der Sauerstoff durch Durchgang durch ein magnetisches Feld während seines Weges in die Vakuumkammer ionisiert.
In dem Bericht τοη M.T. Wank und D.K. Winslow in Appl.Phys. Letter, 13, 286 (1968) ist der Niederschlag von Filmen von Aluminiumnitrid durch Verdampfung von Aluminium aus einem Hochfrequenztiegel und Reagieren des auf das Substrat niedergeschlagenen Aluminiums mit Stickstoffgas beschrieben, das mittels einer 50 Hertz-Entleerung am Ende eines Gaszuführungsrohres entfernt worden ist. Es wurden Niederschlagsgeschwindigkeiten von 0,1 bis 0,2 Mikrometer pro Minute erhalten.
In Journal Vac.Sei. Tech. 6, 592 (1969) und in der US-PS 3 551 312 ist die Erzeugung von dünnen Galliumnitridfilmen durch Niederschlag von reinem Gallium von einer durch Widerstand erhitzten Quelle auf ein Substrat in Gegenwart
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von aktiviertem Stickstoffgas beschrieben» Das Stickstoffgas wurde durch partielle Trennung in einer Mikrowellenentladung chemisch aktiv gemacht, die in der Leitung zwischen der Gasquelle und der Vakuumquelle angeordnet isto Es wurde auch die Verwendung von G-Ie ichstrom ent ladungen hoher Energie zwischen Elektroden vorgeschlagen, die einen intensiv sichtbaren Schein erzeugen können. Niederschlagsgeschwindigkeiten von 0,2 bis 0,3 Mikrometer pro Minute wurden erzielt.
In keiner der bekannten Veröffentlichungen ist die Erzeugung von Karbidfilmen durch reaktives Verdampfen in der Dampfphase, d.h. nicht auf dem Substrat und auch nicht die Erzeugung eines solchen Filmes bei hohen Abscheidungsgeschwindigiceiten von wenigstens ungefähr 0,8 Mikrometer pro Minute und bis zu 12 Mikrometer pro Minute und höher mit einer Dicke in dem Bereich von 25 bis 100 Mikrometer beschrieben.
Die Erfindung schafft eine physikalische Dampfabscheidung von Karbidfilmen durch reaktives Verdampfen mit aktivierten Metalldampf- und Kohlenwasserstoffgasatomen in der Dampfphase in einer Reaktionszone, d,h. in dem Raum zwischen dem Substrat und der Metallquelle. Das Metall wird erhitzt
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und in einer Vakuumkammer mittels eines Elektronenstrahls verdampft, um die Metalldampfatome in der Reaktionszone zu schaffen. Das Kohlenwasserstoffgas wird in die Reaktionszone eingeführt, und die Metalldampf- und Gasatome werden von einigen Elektronen des das Metall erhitzenden Elektronenstrahles aktiviert, die in die Reaktionszone mittels eines Hiederspannungsfeldes abgelenkt werden, das von einer Ablenkelektrode erzeugt wird, welche an der Reaktionszone angeordnet ist. Die Aktivierung der Reaktionsteilnehmer vergrössert die Wahrscheinlichkeit einer Reaktion zwischen ihnen und die Reaktion von Metalldampf-Kohlenwasserstoff gas wird mit einer hohen Wirksamkeit erzielt, wobei der gewünschte Metallkarbidfilm auf dem Substrat ausgebildet wird. Bei diesem Verfahren werden Abscheidungsgeschwindigkeiten erhalten, die wesentlich höher als die bekannten sind, und die Substrattemperatur ist nicht ein Begrenzungsfaktor wie bei der chemischen Dampfabscheidung. Die Wirkungen der Verbindungssynthese und des Filmwachsturnes sind getrennt· Die MikroStruktur der Ablagerung und somit deren physikalische und mechanische Eigenschaften sind von der Substrattemperatur abhängig, welche gewünschtenfalls geändert werden kann. Somit können die Eigenschaften der Abscheidung gesteuert werden, was einen wesentlichen Vorteil darstellt. Die Stöchiometrie der Verbindung, (d.h. das Verhältnis von Kationen zu Anionen) kann
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-Ιο-
variiert werden, indem das Verhältnis der eingeführten Reaktionsteilnehmer geändert wird« Dies ist ein Vorteil, da Eigenschaften oft durch Stöchiometrie gesteuert werden» Ablagerungsgeschwindigkeiten von 1 bis 12 Mikrometer pro Minute und höher werden erzielt.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, welche eine vertikale Schnittansicht einer Vakuumkammer und einer zugehörigen Anordnung zeigt, mittels welcher das Verfahren gemäss der Erfindung durchgeführt werden kann«
Die gezeigte Vorrichtung schließt eine Vakuumkammer ein, die eine herkömmliche Abdeckung oder einen Dom 1o aufweist, der auf einem Boden 11 mit einer Dichtungsscheibe 12 an dem unteren Band der Abdeckung 1o ruht.
Eine Stütz- bzw. Zuführeinheit 13 für eine Metallstange 14 kann in dem Boden 11 angeordnet sein» Die Einheit 13 schliesst einen (nicht gezeigten) Mechanismus zum Bewegen der Metallstange 14 aufwärts mit gesteuerter Geschwindigkeit ein. Kühlspulen 15 können in der Einheit 13 angeordnet sein und mit Kühlwasser von einer Kühlwasserquelle 16 gespeist werden. Eine Elektronenschleuder 2o ist in der Einheit 13 angeordnet und schafft einen Elektronenstrahl längs des Weges 21 zu der oberen Oberfläche der Metallstange 14»
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wobei die Elektronenschleuder von einer Energiezuführung 22 erregt wird.
Ein Substrat 24» auf welchem der Karbidfilm niedergeschlagen werden soll, ist in einem Rahmen 25 an einer Stange getragen, die sich aufwärts von diesem Boden 11 erstreckt. Das Substrat 24 kann mittels eines elektrischen-Widerstandserhitzers 27 erhitzt werden, der von einem Bügel 28 getragen ist. Energie für den Erhitzer 27 gelangt von einer Energiezuführung 29 über ein Kabel 3o. Die Temperatur des Substrates 24 wird auf einem gewünschten Wert mittels eines Thermoelementes 32 gehalten, das in Berührung mit der oberen Oberfläche des Substrats 24 ist, wobei das Thermoelement mit einem Regler 33 über eine Leitung 34 verbunden ist, wobei das Reglerausgangssignal die Energie von der Zuführung 29 zum Erhitzer 27 regelt.
Der gewünschte niedrige Druck wird innerhalb der Vakuumkammer mittels einer Vakuumpumpe 36 aufrechterhalten, die mit dem Inneren der Kammer über eine Leitung 37 verbunden ist. Gas von einer Gaszuführung 39 wird in die Zone zwischen der Metallstange 14 und dem Substrat 24 über eine Leitung 4o und eine Düse 41 eingeführt. Eine Blende 43 ist an einer Stange 44 angeordnet, die von Hand drehbar ist, um die Blende in und aus der Lage zwischen der Metallstange 14 und dem Substrat 24 zu bewegen.
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Eine Ablenkelektrode wie eine WoIframstange 46 ist von dem Boden 11 in der Reaktionszone zwischen der Metallstange 14 und dem Substrat 24 getragen. Ein elektrisches Potential wird für die Stange 46 von einer Spannungszuführung 47 über eine Leitung 48 geschaffen. Eine elektrisch isolierende Hülse 49 aus Glas ist für die Stange 46 innerhalb der Vakuumkammer vorgesehen, wobei die Metalloberfläche der Stange lediglich in der Zone zwischen der Quelle und dem Substrat freigelegt ist. Wenn ein Potential an diese Elektrode gebunden wird, werden einige Elektronen aus dem Strahl 41 in die Reaktionszone abgelenkt, wie dies mittels der gestrichelten linie 5o angedeutet ist» Die Schleuder 2o ist die bevorzugte Elektronenquelle für die Elektrode 46, jedoch könnte eine getrennte Elektronenschleuder gewünsentenfalls zugefügt werden.
Verschiedene Teile, welche in der oben beschriebenen Vorrichtung verwendet werden, können herkömmlich sein. Die Verdampfungskammer kann einen Durchmesser von 61 cm und eine Höhe von 91 cm haben und aus einer wassergekühlten, nicht rostenden Stahlglocke sein. Die Vakuumpumpe kann eine fraktionierende Diffusionspumpe mit einem Durchmesser von 25,4 cm mit einer flüssigen Stickstoffsperre sein. Die Einheit 13 kann eine Elektronenstrahlschleuder mit einem Durchmesser von 2,5 cm sein, welche von einer Stange gespeist wird und von einer selbstbeschleunigenden Ablenkungsart ist, wie beispielsweise Airco Temescal Modell RIH-270.
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Die Energiezufuhr 22 kann eine Airco Temescal Modell CV3O 30 kw-Einheit, die mit einer konstanten Spannung, wie beispielsweise 10 Kilovolt betrieben ist, mit einem variablen Emissionsdruck sein»
Verschiedene Substratgrössen und -formen können verwendet werden. Ein typisches Substrat ist ein Metallblech von 15,2 χ 15,2 cm und einer Dicke von caβ 5 MiIo Verschiedene Metalle werden verwendet, einschließlich nichtrostender Stahl, Kupfer, Titan und Zirkon. Bei einer Ausführungsform ist das Substrat ungefähr 20,3 cm oberhalb der Oberfläche der Metallteile H angeordnet. Der Erhitzer 27 kann ein 4 kw-Wolfram-Widerstandserhitzer sein, welcher ein Erhitzen des Substrates auf 7000C und höher bewirkt. Die Reaktion erfolgt primär in der Dampfphase in der Reaktionszone weg von dem Substrat, und die Reaktion ist unabhängig von der Substrattemperatur. Wie unten beschrieben ist, ist die Dichte der Abscheidung eine Funktion der Substrattemperatur, und wenn ein Karbiäpulver gewünscht ist, kann das Substrat bei Umgebungstemperatur gelassen werden oder auf eine relativ niedrige Temperatur erhitzt werden, woraus sich eine pulverförmige Ablagerung ergibt.,
Das Quellenmetall kann eine Stange oder ein Barren sein, und für die erwähnte Zuführeinrichtung hat die Stange einen Durchmesser von ca. 2 cm und eine Länge von 15,2 cm. Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium. Niob und Tantal wurden verwendet,
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um Karbidfilme herzustellenο Legierungen und Gemische von Metallen können Verwendet werden, um gemischte Karbide und Legierungskarbide zu erzeugen.
Ein Kohlenwasserstoffgas, das sich leicht trennt, ist für dieses Verfahren wünschenswert. Das Kohlenwasserstoffgas für die Reaktion wird in die Vakuumkammer durch eine Reihe von Nadelventilen eingeführt, und der bevorzugte Gasdruckbereich ist 2 χ 10 Torr bis 8 χ 10 Torr. Acetylen ist für diese Synthese von Karbiden das bevorzugte Gas und Äthylen kann ebenfalls verwendet werden.
Die Zuführung 47 schafft eine Niederspannung für die Ablenkelektrode 46 und ist vorzugsweise eine Gleichstromzuführung mit einer variablen Ausgangsspannung. Das Potential für die Ablenkelektrode liegt in dem Bereich von ca0 50 bis ca« 200 Volt und vorzugsweise in dem Bereich von 60 bis 100 Volt. Höhere Spannungen können verwendet werden, wenn dies erwünscht ist. Es wurde eine Gleichstromenergiezuführung, deren Spannung kontinuierlich variaL^l ist, (Lamda-Model 71) verwendet. Ein Wechselstrompotential wurde ebenfalls an der Ablenkelektrode mit Spannungen in dem gleichen Bereich verwendet .
Beispielsweise wurde Titankarbid mittels aktivierter reaktiver Verdampfungsabscheidung erzeugt, wobei Titanmetall und Acetylengas verwendet wurde mit der folgenden Reaktion:
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2 Ti (Dampf) + C2H2 (Gas)—>2 TiC (fest) + H2 (Gas)
Die Vakuumkammer wurde anfänglich auf einen Druck von 1O~ Torr gepumpt und dann mit dem Gas bei 10 Torr während einigen Minuten gespült· Die Kammer wurde wiederum heraub auf 10~ Torr gepumpt. Dieses Verfahren wurde verwendet, um das Vorhandensein von störenden Gasen auf ein Minimum herabzusetzen·
Als der Druck in der Kammer wiederum 10~ Torr war, wurde die Elektronenschleuder angeschaltet, und ein geschmolzenes Metallbad wurde mittels des Elektronenstrahles am oberen Ende der Stange H gebildet. Die Blende 43 war in der Lage, in welcher sie das Substrat 24 blockiert. Das Reaktionsgas wurde dann in die Vakuumkammer mit einer gesteuerten Geschwindigkeit eingeführt, um den gewünschten Kammerdruck zu erhalten. Die Energiezufuhr für die Ablenkelektrode wurde angeschaltet und das Potential bis zu Beginn der Reaktion vergrö'ssert, wie dies durch eine wesentliche Stromzunahme in der Elektrode 46 angezeigt wurde. Als Dauerbetriebszustände erhalten wurden, wurde die Blende 43 zu einer Seite bewegt, und der Karbidfilm wurde auf dem Substrat niedergeschlagen. Das Verfahren wurde fortgesetzt, bis die gewünschte Filmdicke erhalten wurde, wonach die Blende in die Block!erlage bewegt wurde und die verschiedenen Zuführungen abgeschaltet wurden.
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Der Gaspartialdruck innerhalb der Kammer, das Potential der Ablenkelektrode und der Strom des Elektronenstrahles, der erfordert war, um den Karbidfilm zu erzeugen, stehen in etwa in Wechselbeziehung und können über einen wesentlichen Bereich Variiert werdenο Bei höheren Elektronenstrahlströmen nimmt das zum Einleiten der Reaktion erforderliche Ablenkelektrodenpotential ab. Ähnlich nimmt bei höheren Gaspartialdrücken das erforderliche Elektrodenpotential abo Für das gegebene Beispiel wurde eine erfolgreiche Ausbildung von Karbidfilmen mit einer Elektronenschleuderkraft in dem Bereich von 1 KvY bis 3 KW mit einem Gaspartialdruck in dem Bereich von 1 χ 1o Torr bis 3 x 1o Torr und einem
4-
Elektrodenpotential in dem Bereich von 6o bis 9o YoIt erzielt. Die folgenden zusätzlichen Beispiele von Materialien, die bei der Erzeugung von Karbidfilmen mittels des erfindungsgemässen Verfahrens verwendet wurden, werden nachfolgend aufgeführt:
2 Zr + G2H2—=>2 ZrG + H2 2 Ta + C2H2 —>2 TaC + H2 2 Hf + C2H2—>2 HfC + H2 2 Ti + C3H4 —>2 TiC + H4
2 V +C2H2 ^2 VC + H2 2(Hfx - Zry) + C3H2 -^-2(Hfx - Zry)
y) + C3H2 2(Hfx Zry) C + H
2 Nb + C2H2 —v2NbC + H2 wobei χ = 97 und y = 3 ist.
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Acetylen (02H3) ist ein bevorzugtes Kohlenwasserstoffgas für das Verfahren, weil es ein höchst ungesättigter Kohlenwasserstoff ist· Methan (CH.) iat kein geeignetes Gas aufgrund der gesättigten Kohlenwasserstoffbindung. Äthylen (^2H/.) ist ein ungesättigtes Kohlenwasserstoff gas, das unter manchen Umständen verwendet werden kann.
Die Wirkungen der Ausbildung der Verbindung und Wachstum der Ablagerung sind getrennte Stufen bei diesem Verfahrene Die Eigenschaft der Abscheidung ändert sich mit der Substrattemperatur. In dem Bereich von O0C bis ungefähr 0,3 Tm (Tm ist dabei der Schmelzpunkt der Verbindung in Grad Kelvin) weist die Ablagerung weniger als die volle Dichte auf, wobei die Dichte mit der Ablagerungs temp era tür zunimmt. Die von der Abscheidung gezeigte Morphologie ist konische Kristalliten mit Porosität zwischen den Kristalliten. Solche Abscheidungen
zeigen Mikrohärtewerte von ca. 3000 kg/mm bei einer Belastung von 50 g für TiC mit einheitlicher Stöchiometrie und diese Mikrohärtewerte sind vergleichbar mit denen, die für TiC genannt sind, das künstlich mittels anderer Verfahren hergestellt ist. Bei Substrattemperaturen von etwas höher als 0,3 Tm wird die Abscheidung völlig dicht, und ihre Morphologie zeigt nun säulenförmige Körner über die Dicke der Abscheidung. Solch eine Struktur enthält einige Unvollständigkeiten (beispielsweise Porosität, Sprünge u.dgl.) und
weist so viel höhere Mikrohärtewerte von 4000 bis 5000 kg/mm bei 50 g Belastung auf. Dies muss erwartet werden, da die
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Eigenschaften von spröden Materialien, wie z.B« Keramik primär von dem Gehalt an Unvollkommenheiten beherrscht werden. r
Es wurde gefunden, daß die Sxöchiometrie der Karbidabscheidung (das Verhältnis von Kohlenstoff zu Metall) durch Indern der relativen Mengen der Reaktionsteilnehmer gesteuert werden kann. Beispielsweise wird das Verhältnis von Kohlenstoff zu Metall durch Zunehmen des Partialdruckes des Kohlenstoff enthaltenden Gases bei einer konstanten Verdampfungsgeschwindigkeit von Titan erhöht. Als Beispiel kann bei einer Verdampfungsgeschwindigkeit von 0,66 g/Minute Titan und einem Azetylendruck von einheitlicher Stöchiometrie (TiC1 Λ7 bei einer Abscheidungs-
i ,υ
geschwindigkeit von 4 Mikrometer/Minute und bei einem Abstand von Quelle zu Substrat von 20,3 cm erzeugt werden» Typische Filmdicken liegen im Bereich von 25 bis 100 Mikrometer»
Es wurden Abscheidungsgeschwindigkeiten von 1 bis 12 Mikrometer pro Minute erzielt. Höhere und geringere Geschwindigkeiten können erreicht werden, indem die Parameter des Systems geändert werden. Die Metallverdampfungsgeschwindigkeit kann gesteuert werden, indem der Ausgang der Elektronenschleuder 2o variiert wird, und der Gasdruck kann durch Einstellen eines ^entiles 41 in der Gasleitung 4o gesteuert werden.
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Claims (1)

  1. -19- . Patentans prüche
    1 β) Verfahren zum Abscheiden eines Karbidfilmes durch reaktives Verdampfen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Substrat in einem Vakuum gehalten wird, daß ein Metall mittels eines auf das Metall gerichteten Elektronenstrahles verdampft wird, daß ein Metalldampf in einer Zone zwischen dem Metall und dem Substrat erzeugt wird, daß ein Kohlenwasserstoffgas in die Zone eingeführt wird und ein elektrisches Niederspannungsfeld in dieser Zone zum Ablenken von Elektronen in diese Zone erzeugt wird, daß das Substrat auf eine vorbestimmte'Temperatur erwärmt wird, um eine vorbestimmte Dichte der Abscheidung auf dem Substrat zu erzeugen, wobei die Metalldampfatome und Gasatome in dieser Zone reagieren, und ein Metallkarbid auf dem Substrat abscheiden, wobei die Elektronen, welche von dem Feld abgelenkt werden, die Atome bei dieser Reaktion aktivieren.
    2o) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Niederspannungsfeld mit einem Potential von nicht mehr als einige 100 Volt erzeugt wird.
    3.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Niederspannungsfeld mit einem Gleiehstrompotential erzeugt wird.
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    -2ο-
    4·) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Niederspannungsfeld mit einem Wechselstrompotential erzeugt wird.
    5·) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlenwasserstoffgas aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Azetylen und Äthylen besteht.»
    6.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall aus der Gruppe enthaltend Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob und Tantal und Kombinationen daraus ausgewählt ist.
    7o) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlenwas s er st off gas Azetylen und das Metall Titan ist ο
    8o) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Partialdruck der G-asatome wenigstens ca» 10 ist»
    9·) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidungsgeschwindigkeit des Karbidfilmes auf dem Substrat wenigstens ungefähr 1 Mikrometer/Minute ist.
    Ιο.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativmengen von Metall, Dampf und Gas in der Zone gesteuert werden, um eine Metall-Kohlenstoffverbindung vorbestimmter Stöchiometrie zu erzeugenο
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    11.) Vorrichtung zum schnellen physikalischen Dampfabscheiden eines Karbidfilmes mittels aktivierter Reaktionsabscheidung, gekennzeichnet durch eine Vakuumkammer, eine Einrichtung zum Aufrechterhalten eines hohen Vakuums in dieser Kammer, eine Einrichtung zum Anordnen eines «Substrates in dieser Kammer; eine Elektronenschleuder zum Richten eines Elektronenstrahles auf das Quellenmaterial zum Erhitzen des Materials und zum Erzeugen eines Metalldampfes in einer Zone innerhalb dieser Kammer zwischen dem Quellenmetall und dem Substrat, durch eine Quelle an Kohlenwasserstoffgas; durch eine Einrichtung zum Einfuhren eines Gases von der Quelle in die Kammer in dieser Zone; durch eine Ablenkelektrode, welche in der Kamm er in dieser Zone angeordnet ist, und durch eine Einrichtung zum Verbinden einer elektrischen Energiezuführung mit dieser Elektrode zum Entwickeln eines Niederspannungsfeldes in dieser Zone und zum Ablenken von Elektronen in diese Zone zum Aktivieren von Metalldampfatomen und Gasatomen.
    12.7 Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Quellenmetall aus der Gruppe bestehend aus Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob und Tantal und Kombinationen daraus ausgewählt ist.
    13.) Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlenwasserstoffgas aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Azetylen und Äthylen besteht.
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    Η·) Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Quellenmaterial Titan und das Kohlenwasserstoffgas Azetylen ist.
    15«) Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Erhitzen des Substrates auf eine vorbestimmte !Temperatur vorgesehen ist, um eine vorbestimmte Dichte der Abscheidung auf dem Substrat zu erzeugen»
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DE19732330545 1972-06-16 1973-06-15 Verfahren und vorrichtung zum abscheiden von karbiden durch bedampfen Ceased DE2330545B2 (de)

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