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Verfahren zum Herstellen einer schweroxidierbaren Schicht auf
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einem Körper aus einem leichtoxidierenden Metall oder einer entsprechenden
Metallegierung Die Erfindung betriff-t ein Verfahren zum Herstollen einer Schicht
aus einem schweroxidierbaren Material auf einer Oberfläche eines Körpers aus einem
leichtoxidierenden Metall 1 oder einer entsprechenden Metallegierung mittels Kathodenuenstäubung
unter noch reinem, strömendem Inertgas, bei dem der Körper zunächt einer Ätzbehandlung
unterzogen und anschließend auf stern so gereinigten Körper die Schicht aufgestäubt
wird.
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Werkstoffe, die insbesondere in Einrichtungen der Tieftemperaturtechnik
verwendet werden sollen, müssen in vielen Fällen vorbestimmte Festigkeitswerte bei
statischen, dynamischen und stoßartigen Beanspruchengen haben. Zur Bestimmung vin
Längenänderungen des zu untersuchenden Werkstoffes bei solchen Peanspruchungen werden
häufig Dehnungsmeßstreifen verwendet. Diese Dehnungsmeßstreifen werden antweder
direkt auf dem zu untersuchenden Probeköpper aufeklebt. Es können aber auch Dehnungsmeßvorrichtungen
verwndet werden, die auf dem zu untersuchenden Probekorper aufgesetzt werden Solche
Dehungsmeßvorrichtungen enthalten in ailgemennen zur etwa U-förmig gestaltetes Rahmenelement
mit zwei annähernd parallel verlaufenden Schenkeln. An diesen Schenkeln, die als
Biegefedern gestalten sind, können Dehnungsmeßstreifen angebracht sein.
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Bei einer Dehnung oder Stauchung des Probekörpers werden dann diese
Biegefedern gebogen. Die an ihnen angeordneten Dehnungsmeßstreifen rufen dann ein
der Verformung entsprechendes Signal hervor.
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Das Rahmenelement und insbesondere seine beiden Biegefedern können
vorteilhaft aus Titan oder einer Titanlegierung bestehen.
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Diese Materialien sind unmagnetisch und deshalb auch für Messungen
bei hohen Magnetfeldern geeignet. Ferner behalten sie bei tiefen Temperaturen gute
elastische Federeigenschaften. Darüber hinaus ist ihre spezifische Dichte und somit
ihre abzukühlende Masse verhältnismäßig klein, so daß ein entsprechend geringer
Kühlmittelbedarf und eine entsprechend kurze Abkühlzeit erforderlich ist.
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Auf Teilen aus Titan oder Titanlegierungen bildet sich jedoch bereits
bei Raumtemperatur sehr leicht eine Titanoxidschicht.
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Diese Oxidschicht kanUsich vom Metalluntergrund aufgrund mechanischer
Beanspruchungen, beispielsweise bei Raumtemperatur aufgrund von Dehnungen oder Stauchungen
der Metalloberfläche, lösen. Insbesondere kann sie auch aufgrund eines vom Titanmetall
verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten nach einer Abkühlung auf tiefe Temperaturen
leicht vom Metalluntergrund abplatzen. Soll nun ein Dehnungsmeßstreifen auf einer
Titanfläche aufgeklebt werden, so ist eine Haftgrundvorbereitung erforderlich, um
eine ausreichende Adhäsion des Klebers auf der Metalloberfläche zu ermöglichen.
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Zur Haftgrundvorbereitung ist es bekannt, die Flachseiten der metallisch
blanken Biegefedern mit einer dünnen oxidationshindernden Schicht zu versehen. Als
Schichtmaterial kann Gold vorgesehen sein, das auf die Biegefedern aufgedampft oder
aufgespritzt oder auf elektrostatischem Wege auf den Biegefedern abgeschieden wird.
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Ein geeignetes Verfahren zur Abscheidung dünner Schichten, beispielsweise
aus Gold, auf einem Trägerkörper ist die Kathodenzerstäubung, die beispielsweise
in der Zeitschrift "Vakuumtechnik", 24. Jahrgang, 1975, Heft 1, Seiten 1 bis 11
beschrieben ist.
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Bei diesem Verfahren wird zwischen zwei Elektroden in einem Plasma,
für das ein Edelgas, beispielsweise Argon, unter einem vorbestimmten Druck vorgesehen
wird, ein Gasentladungsprozeß hervor-
gerufen. In dem hierfür erforderlichen
elektrischen Feld werden die Gasionen in Richtung auf die Kathode beschleunigt.
Wenn sie auf der Kathodenoberfläche, die auch als Target bezeichnet wird, mit einer
Energie von einigen keV auftreffen, lösen sie einerseits Sekundär-Elektronen aus,
die für die Aufrechterhaltung des Gasentladungsprozesses erforderlich sind; andererseits
schlagen sie durch Stoßprozesse Targetmaterial heraus.
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Diese meist elektrisch neutralen Partikel aus Targetmaterial diffundieren
durch das Gas und treffen mit mittleren Energien von einigen eV auf die Anode, an
der ein zu beschichtender Körper, der auch als Substrat bezeichnet wird, angeordnet
ist. Die Partikel schlagen sich dort zu einer dünnen Schicht nieder. Der Druck in
dem Reaktionsraum zwischen den Elektroden kann zweckmäßig dadurch konstant gehalten
werden, daß gerade so viel Gas zugeführt wird, wie an anderer Stelle abgepumpt wird.
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Eine hohe Ionisierung des Gases kann durch Anlegen eines hochfrequenten
Wechselfeldes mit Frequenzen von einigen Megahertz erhalten werden. Bei einer entsprechenden
Anlage kann beispielsweise in der Verbindungsleitung zwischen einem Hochfrequenzgenerator
und der Zerstäubungskathode ein Kondensator liegen.
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Aufgrund der höheren Beweglichkeit der Elektronen gegenüber den Ionen
gelanger während der positive Halbwelle an der Kathode vielmehr Elektronen an diese
Elektrode als Innen während der negativen Halbwelle. Dadurch lädt sich diese Elektrode
solange negativ auf, bis ein Gleichgewicht zwischen dem Ionen- und Elektronenstrom
entsteht. Die Folge davon ist, daß nur noch die Elektrode mit dem Targetmaterial
Atome oder Ionen abstäubt, in deren Zuleitung der Kondensator liegt.
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Mit einer entsprechenden Hochfrequenzzerstäubungsanlage kann auf einem
Körper aus einem leichtoxidierenden Metall oder einer entsprechenden Metallegierung,
insbesondere aus Titan, eine schweroxidierbare Metallschicht, beispielsweise aus
Gold, aufgebracht werden. Zuvor wird im allgemeinen die Oberfläche des zu beschichtenden
Körpers gesäubert, insbesondere von absorbierten Gasen, um die Haftung der anschließend
aufzubringenden Schnicht
zu verbessern. Durch Anlegen der Hochfrequenzspannung
allein an die Elektrode mit demzu beschichtenden Körper wird dieser ständig einem
Ionenbeschuß ausgesetzt. Dieser Reinigungsprozeß wird auch als Ionenätzen bezeichnet.
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Nach dieser Reinigung wird auf dem Körper durch Kathodenzerstäuben
die Schicht aus dem schweroxidierbaren Material abgeschieden.
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Es hat sich jedoch gezeigt, daß trotz des dem Aufstäuben vorhergehenden
Ionenätzens die abgeschiedene dünne Schicht aus dem schweroxidierbaren Material
nicht ausreichend auf dem Körper aus dem leichtoxidierenden Metall haftet. So läßt
sich beispielsweise eine nach diesem bnnten Verfahren abgeschiedene Goldschicht
verhältnismäßig leicht von einer Titanoberfläche ablösen. Die Ursache hierfür ist
eine sehr dünne Oxidschicht, die auch nach dem Ionenätzen die Metalloberfläche noch
bedeckt.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren anzugehen, bei
dem diese Schwierigkeiten weitgehend ausgeschlossen sind.
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Mit diesem Verfahren soll also auf einer Oberfläche aus einem leichtoxidierenden
Metall, insbesondere aus Titan, eine Schicht aus einem schweroxidierbaren Material,
beispielsweise Gold, so abgeschieden werden, daß eine innige Verbindung zwischen
dem Metall der Oberfläche und dem Schichtmaterial entsteht, d.h. die Schicht sich
nur schwer von der Metalloberfläche ablösen läßt.
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Diese Aufgabe wird für das eingangs genannte Verfahren erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß der Körper mit der auf ihm abgeschiedenen Schicht über einen
Zeitraum zwischen 1 und 100 Minuten bei einer Temperatur zwischen 1000 und 8000C
unter einem Inertgas oder im Vakuum getempert wird.
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Die Vorteile dieses Verfahrens liegen insbesondere darin, daß eine
gute Haftung des Schichtmateg ; dadurch erreicht wird,
daß die noch
vorhandene Oxidschicht zwischen dem aufgestäubten Schichtmaterial und dem Metall
des Körpers weitgehend abgebaut wird, indem sich der Sauerstoff dieser Schicht in
dem Metall des Körpers löst. Es kann so eine unmittelbare Verbindung zwischen dem
Metall des Körpers und dem aufgestäubten Schichtmaterial hergestellt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens nach der Erfindung wird zur
Temperung der beschichtete Körper vorteilhaft durch Beschuß mit Ionen aus dem Inertgas
erhitzt. Diese Ionenätzung entspricht somit im wesentlichen dem Heizvorgang, der
dem Beschichtungsvorgang vorangeht,-und läßt sich leicht in der Kathodenzerstäubungsanlage
ohne zusätzlichen apparativen Aufwand vornehmen. Der beschichtete Körper wird auf
diese Weise vorteilhaft 10 bis 20 Minuten lang auf einem Temperaturniveau zwischen
200 und 4000C gehalten.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug
genommen, in der schematisch eine Kathodenzerstäubungsanlage veranschaulicht ist,
anhand derer das Verfahren nach der Erfindung nachfolgend beschrieben wird.
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Die in der Figur angedeutete Kathodenzerstäubungsanlage, die auch
als Diodenzerstäubungsanla bezeichnet wird, enthält einen Rezipienten 2, der mit
einem Gaseinlaßstutzen 3 sowie mit einem Anschlußstutzen 4 zum Abpumpen des im Innenraum
5 des Rezipienten befindlichen Gase versehen ist. An dem oberen Deckelteil des Rezipienten
2 ist isoliert eine als ebene Platte gestaltete Kathode 6 angeordnet. Ihr gegenüber
befindet sich eine am unteren Bodenteil des Rezipienten 2 befestigte Halterung 7,
die mit einer sich nach der Kathode 6 hin öffnenden Vertiefung versehen ist. In
dieser Vertiefung ist isoliert eine ebenfalls als ebene Platte gestaltete Anode
8 angeordnet. Auf ihrer freien oberen Flachseite, die in einer parallelen Ebene
zu der ihr zugewandten freien unteren Flachseite der Kathode 6 liegt, befindet sich
ein Substrat 9. Die Anode 8 wird deshalb auch als Substratträger bezeichnet. Das
Substrat 5 tsfitXein Körper aus einem
leichtoxidierenden Metall,
beispielsweise aus Titan oder einer Titanlegierung mit hohem Titangehalt. Es kann
beispielsweise ein Schenkel des Rahmenkörpers einer Dehnungsmeßvorrichtung sein,
auf dem ein Dehnungsmeßstreifen aufgeklebt werden soll.
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Die der Anode 8 bzw. dem Substrat 9 zugewandte Flachseite der Kathode
6 ist mit einem schweroxidierbaren Material, beispielsweise mit einer Folie 10 aus
Gold abgedeckt. Diese Folie wird auch als Target bezeichnet. Das Target 10 ist in
einem vorgegebenen Abstand d parallel zu der zu beschichtenden Oberfläche des Substrates
9 angeordnet.
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Mit dieser Kathodenzerstäubungsanlage lassen sich Zerstäubungsverfahren
mit Gleichstrom oder Wechselstrom mit niedriger Frequenz oder Hochfrequenz durchführen.
Hierzu wird die Anode zumeist auf Erdpotential und an die Kathode eine negative
Hochspannung zwischen 1000 und 3000 V gelegt. Unterhalb eines vorgegebenen Druckes
im Innenraum 5 des Rezipienten 2 wird eine Gasentladung hervorgerufen, bei der durch
den Aufprall der beschleunigten positiven Gasionen auf das Target die als Kathodenzerstäubung
bekannte Erscheinung hervorgerufen wird.
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Zur Verbesserung der lonenausbeute können in dieser Diodenanordnung
Hochfrequenzfelder vorgesehen werden, in dem an die Elektroden eine entsprechende
hochfrequente Wechsel spannung angelegt wird.
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Sowohl die Kathode 6 als auch die Anode 8 können gekühlt werden.
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In der Figur ist deshalb an diesen Elektroden ein Kühlmitteleinlaß
11 bzw. 12 und ein Kühlmittelauslaß 13 bzw. 14 angedeutet.
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Ferner kann im Innenraum des Rezipienten 2 zwischen den beiden Elektroden
6 und 8 mindestens eine Blende 16 vorgesehen sein, um ein Abscheiden von Targetmaterial
auf dem Substrat unterbinden zu können.
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In der Figur ist darüber hinaus eine Dunkelraumabschirmung 17 um die
Kathode 6 angedeutet, mit der ein Zerstäuben der Rtick-
seite der
Kathode oder der Zuleitungen zur Kathode verhindert werden soll. Um ein entsprechendes
Zerstäuben der Anode 8 zu verhindern, umschließt sie die Halterung 7 entsprechend
in einem vorbestimmten geringen Abstand.
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Vor Beginn des eigentlichen Zerstäubungsprozesses wird bei noch geschlossenem
Gaseinlaß 3 der Innenraum 5 des Rezipienten 2 zunächst solange evakuiert, bis sich
in ihm ein Druckanstiegswert kleiner 10 9 bar m3/sec einstellt.
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Sobald dieser Wert erreicht ist , wird an dem Gaseinlaß 3 dem Innenraum
5 ein hochreines Inertgas, beispielsweise Argon von 99,9997 % Reinheit, zugeführt.
Uber ein in der Figur nicht dargestelltes DosErventil wird der Gasstrom durch den
Rezipienten-Innenraum 5 so einreguliert, daß ein vorbestimmter Arbeitsdruck, beispielsweise
von etwa 3 10 5 bar erreicht wird. Dieser Arbeitsdruck kann dynamisch konstant gehalten
werden, d.h. am Einlaß 3 wird soviel Gas zugeführt, daß sich bei einem gleichzeitigen
Abpumpen des Rezipienten-Inneraums 5 an dem Anschluß 4 der gewünschte Arbeitsdruck
einstellt.
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Anschließend wird in dem Innenraum 5 zwischen der Kathode 6 und der
Anode 8 ein Plasma des Inertgases durch Gasentladung erzeugt.
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In einem ersten Schritt wird nun das Substrat 9 ionengeätzt, indem
ihm eine negative Vorspannung gegenüber dem Plasma gegeben wird. Hierzu kann die
Energie von einem in der Figur nicht dargestellten Hochfrequenzgenerator der Anode
8 und dem Substrat 9 über eine Zuführungsleitung 19 zugeführt werden.
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Die Blende 16 wird dabei zweckmäßig geschlossen gehalten. Sie liegt
elektrisch auf Erdpotential und bildet so mit den übrigen geerdeten Teilen des Rezipientengehäuses
eine Gegenelektrode. Es findet dann nur eine Zerstäubung des Substrates 9 statt,
da shieflurch gereinigt wird. Es wird dadurch eine bessere Haftfähigkeit der Substratoberfläche
für eine auf ihr abzuscheidende Schicht erreicht. Die Dauer dieses Ätzvorganges
des
Substrates 9 liegt vorteilhaft zwischen 10 Minuten und 2 Stunden.
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Nach dem Ätzen des Substrates erfolgt der eigentliche Zerstäubungsprozeß.
Hierzu wird die Blende 16 geöffnet und die Anode 8 mit dem Substrat 9 geerdet. An
die Kathode 6 mit dem Target 10 wird die negative Hochfrequenzwechselspannung gelegt
und zwischen den beiden Elektroden die Gasentladung hervorgerufen. Die Ionen des
dabei entstehenden Plasmas aus dem Inertgas werden auf die Kathode hin beschleunigt
und schlagen aus dem Target 10 Partikel heraus, die sich auf dem Substrat ablagern.
Je nach Dauer des Zerstäubungsvorganges und der von dem Hochfrequenzgenerator zugeführte
Leistung wird dabei auf der Substratoberfläche ein entsprechend dicker Film aus
dem Targetmaterial abgeschieden. Dieser Film ist in der Figur durch eine gestrichelte
Linie 20 angedeutet.
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Es hat sich jedoch herausgestellt, daß trotz des vorançgegangenen
Ionenätzens das Substratmaterial von einer, wenn auch sehr dünnen Oxidschicht nicht
zu befreien ist, so daß sich der auf dem Substrat 9 abgeschiedene Film 20 verhältnismäßig
leicht von dem Substrat wieder ablösen kann. Gemäß der Erfindung wird deshalb das
Substrat 9 mit dem Film 20 noch getempert. Bei diesem Vorgang, der vorteilhaft eine
bis hundert Minuten, vorzugsweise zehn bis zwanzig Minuten dauertisoll das Substrat
9 und der Film 20 auf eine Temperatur zwischen 100 und 8000C, vorzugsweise zwischen
200 und 4000C erhitzt werden. Während dieses Verfahrensschrittes werden die zwischen
dem abgeschiedenen Film 20 und dem Substrat 9 noch vorhandenen Oxidschichten abgebaut,
indem sich der Sauentoff dieser Oxidschichten in dem Substratmaterial löst. Es kann
so eine unmittelbare Verbindung zwischen dem abgeschiedenen Film 20 und der Substratoberfläche
erreicht werden. Auf dem Film,der dann sehr gut auf dem Substratmaterial haftet,
kann anschließend beispielsweise Sn Dehungsmeßstreifen aufgeklebt werden.
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In einem Ausführungsbeispiel wurde eine Dioden-Hochfrequenzzerstäubungsanlage
verwendet,
deren Elektrodenabstand d etwa 55 mm betrug. Die Frequenz des Generators lag bei
13,56 Megahertz. Die Gaszufuhr wurde während des Zerstäubens so eingestellt, daß
sich unter gleichzeitigem Abpumpen des Innenraumes des Rezipienten mit einer Saugleistung
von 300 1 pro Sekunde ein Druckanstiegswert kleiner 3 . 10-10 bar m3/sec einstellte.
Hierdurch und aufgrund der Verwendung von hochreinem Argon mit einer Freizeit von
99,9997 % konnte der Verunreinigungspcgel der Arbeitsatmosphäre sehr niedrig gehalten
werden. Das Substrat bestand aus einem etwa 1 mm dicken Titanblech und lag auf dem
Substratteller. Zunächst wurde das Titansubstrat bei einem Druck von 2,7 . 10-5
bar etwa 50 min.
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lang mit einer abgegebenen Leistung von etwa 1,6 W/cm² ionengeätzt.
Anschließend wurde bei dem gleichen Arbeitsdruck das Titansubstrat etwa 1 Stunde
lang mit Gold bestäubt, wobei die abgegebene Leistung etwa 4,6 W/cm² betrug. Nach
dem so auf dem Titansubstrat ein Goldfilm mit einer Schichtdicke von einigen /um
abgeschieden war, wurde das Titansubstrat mit dem auf ihm aufgebrachten Goldfilm
etwa 20 Minuten noch einmal ionengeätzt.
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Zur Temperung des beschichteten Substrates 9 20 kann vorteilhaft noch
einmal ein lonenätzen vorgenommen werden Es ist jedoch auch möglich, mittels eines
in der Figur nicht dargestellten Heizelementes unter Vakuum mit einem Restgasdruck,
der kleiner als 10 7 bar ist, das Substrat entsprechend zu erhitzen.
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In dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel des Verfahrens nach der
Erfindung ist zwar son einer Abscheidung von Gold auf Titan ausgegangen worden.
Dieser Verfahren ist jedoch ebenso gut für Substrate aus den Metallen der IV., V.
oder VI. Nebengruppe des Periodensystems oder einer Legierung mit einem hohem Gehalt
eines dieser Elemente anwendbar, auf denen Schichten aus Metallen der I. Nebengruppe
oder der Platinmetall abgeschieden werden sollen.
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11 Patentansprüche 1 Figur
L e e r s e i t e