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" Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen
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harter Kohlenstoffschichten " Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Herstellen harter, vorzugsweise amorpher Kohlenstoffschichten auf Substraten
durch Zersetzen einer gasförmigen Kohlenwasserstoffver-bindung in einer'vorzugsweise
edeloashaltigen, ionisierten Gasatmosnhäre innerhalb einer Reaktionskammer unter
Verwendung eines auf negativem Potential liegenden Substrathalters.
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Durch den Aufsatz von Nyaiesh und Holland "The orowth of amorphois
and graphitic carbon layers under ion bombardment in an RF-plasma", veröffentlicht
in "Vacuum", Band 34, Nr. 5, 1984, Seiten 519 bis 522, ist es bekannt, zwischen
zwei Elektroden eine ionisierte Gasatmosphäre (Plasma) zu erzeugen, in der eine
Kohlenwasserstoffverbindung zersetzt wird. Eine der Komponenten, die ganz oder überwiegend
aus Kohlenstoff besteht, wird auf einer auf negativem
Potential
liegenden Oberfläche in Form einer dünnen Schicht niedergeschlagen, die durch das
negative Potential und den dadurch bedingten Ionenbeschuß verfestigt wird. Das negative
Potential der zu beschichtenden Oberfläche kann entweder durch das Anlegen von Gleichspannung
oder Hochfrequenz erzeugt werden. Auch bei Verwendung von Hochfrequenz ergibt sich
auf der zu beschichtenden Oberfläche dann ein negatives Potential, wenn diese Oberfläche
gegenüber der gesamten Oberfläche der Gegenelektrode kleiner ist. Als Gegenelektrode
ist in der Regel auch die innere Oberfläche der Vakuumkammer anzusehen, gegenüber
welcher der Substrathalter, der das Substrat mit der zu beschichtenden Oberfläche
trägt, isoliert ist. Bei einer solchen Konfiguration stellt sich beim Anlegen von
Hochfrequenz automatisch an dem Substrathalter eine negative Vorspannung ein, da
der Substrathalter die kleinere Gesamtoberfläcne aufweist, so daß der Substrathalter
die Funktion einer Katode hat.
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Die bekannten Verfahren haben jedoch den Nachteil einer schwierigen
Prozeßsteuerung, da die Geschwindigkeit der Gaszersetzung einerseits und die Niederschlagsrate
andererseits von der zugeführten Leistung pro Flächeneinheit der Elektroden abhängig
sind.
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Aus Wirtschaftlichkeitsgründen wird in der Regel eine hohe Niederschlagsrate
angestrebt, was den weiteren Nachteil mit sich bringt, daß auch die
thermische
Belastung des zu beschichtenden Substrats entsprechend hoch ist.
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Die Schwierigkeiten einer exakten Prozeßsteuerung werden besonders
dadurch verständlich, daß je nach dem eingestellten Verhältnis der Leistungsdichte
zum Partialdruck des Kohlenwasserstoffs eine ganze Palette von Schichten mit sehr
unterschiedlichen Eigenschaften gebildet werden kann. So reichen diese Schichteigenschaften
von einer weichen Polymerschicht über eine harte Polymerschicht und eine amorphe
Kohlenstoffschicht bis hin zu graphitischen Schichteigenschaften, wenn sich die
Betriebsparameter entsprechend ändern. Auf diese Eigenheiten des Prozesses wird
in der obigen Veröffentlichung von Nyaiesh und Holland besonders hingewiesen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der
eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, das einfach zu steuern ist und mit hoher
Reproduzierbarkeit zu außerordentlich harten, vorzugsweise amorphen Kohlenstoffschichten
führt.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch,
daß gegenüber dem Substrathalter mittels einer Magnetronkatode ein durch mindestens
ein geschlossenes Magnetfeld konzentriertes Plasma erzeugt wird.
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Magnetronkatoden sind an sich von Beschichtungsverfahren durch Katodenzerstäubung
her bekannt: Einem Target, das aus dem Beschichtungsmaterial oder einer Komponente
dieses Beschichtungsmaterials besteht, wird ein Magnetsystem in einer solchen räumlichen
Lage zugeordnet, daß sich über der Targetoberfläche ein geschlossener Tunnel aus
Magnetfeldlinien ausbildet, in dem das Plasma wie in einer "magnetischen Flasche"
festgehalten und konzentriert wird. Verschiedene Ausführungsformen derartiger Magnetronkatoden
sind in der DE-OS 22 43 708 beschrieben.
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Beim erfindungsgemän Verfahren befindet sich nun innerhalb des geschlossenen
magnetischen Tunnels zusätzlich auch noch die gasförmige Kohlenwasserstoffverbindung,
die infolge der hohen Energiedichte im Plasma außerordentlich rasch und wirksam
zersetzt wird, ohne daß hierzu der über die Substrate bzw.
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den Substrathalter fliessende Strom entsprechend erhöht werden müßte.
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Durch die erfindungsgemäße Verfahrensführung wird die Einstellung
des Substratpotential s über eine direkte Vorgabe einer Gleichspannung oder die
kapazitive Einkopplung von Hochfrequenz weitgehend frei wählbar.
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Mit anderen Worten: Die Vorgänge der Zersetzung der Kohlenwasserstoffverbindung
einerseits und des Niederschlags bzw. des lonenbeschusses der Schicht auf der Substratoberfläche
andererseits werden entkoppelt.
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Durch die getrennte Einstellbarkeit der Vorgänge an der Magnetronkatode
und der Vorgänge auf dem Substraten können trotz hoher Zersetzungsgeschwindigkeit
der Kohlenwasserstoffverbindungen und hoher Niederschlagsrate Schichten von ausgezeichneter
Härte erzielt werden, die reproduzierbar herstellbar sind. Durch die Einschliessung
des Plasmas durch das Magnetfeld in unmittelbarer Nähe der Magnetronkatode wird
außerdem die ansonsten unvermeidbare Erwärmung der Substrate stark reduziert, so
daß sowohl Substrate aus temperaturempfindlichen Werkstoffen beschichtet als auch
Schichten mit besserer Haftfestigkeit erzielt werden können. Es lassen sich auch
dickere Schichten mit geringen Eigenspannungen erzeugen. Bei den klassischen Verfahren
entstehen nämlich hohe Eigenspannungen, die zu einer Schichtablösung führen (sogenannte
"Kohäsivbrüche"), wenn die Schicht entsprechend dick ist.
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Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn man die der Substrathalter
zugeführte Leistung zwischen dem 0,05-und dem 0,2-Fachen der der Magnetronkatode
zugeführten Leistung wählt. Durch die bereits weiter oben beschriebene Entkopplung
erfolgt eine Trennung der Parameter in einen auf die Magnetronkatode bezogen Teil,
der die Abscheidungsrate auf dem Substrat bestimmt (elektrische Leistung pro Flächeneinheit
der Magnetronkatode), und in einen auf den Substrathalter
bezogenen
Teil, der die Wachstumsbedingungen der Schicht charakterisiert (Bias-Potential,
Hochfrequenzleistung pro Flächeneinheit des Substrathalters). Hinsichtlich der Wachstumbedingungen
wurden folgende Beobachtungen gemacht: Bei einer Zurücknahme der Hochfrequenzleistung
auf einen extrem kleinen Wert von nahezu Null entsteht eine schwammige Schicht eines
Polymerisats. Bei einer allmählichen Steigerung der Hochfrequenzleistuno nimmt der
Wasserstoffanteil in der Schicht ab und damit der Charakter eines Polymerisats.
Gleichzeitig nimmt auch die elektrische Leitfähigkeit ab, die Schichthärte hingegen
zu. Die gewünschten, typischen harten C-Schichten sind im Idealfall Nichtleiter.
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Es lassen sich bei einem Verhältnis von Leistung auf der Substratseite
zur Leistung an der Magnetronkatode im Bereich bis zu 20 % amorphe Kohlenstoffschichten
erzeugen, die Härtewerte von über HV0,01 1500 kp/mm2 herstellen, die nach dem Vickers
Mikrohärte-Meßverfahren gemessen wurden.
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In der Praxis wird daher der Fachmann zweckmäßig so vorgehen, daß
er die Leistung auf der Substratseite so lange steigert, bis die Leitfähigkeit der
Schicht verschwindet.
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Es ist dabei gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens besonders vorteilhaft,
wenn im Bereich der Magnetronkatode bis zu 10 Volumensprozent der gasförmigen Kohlenwasserstoffverbindungen
an Sauerstoff zugesetzt werden.
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Bei der Durchführung des Beschichtungsverfahrens kann nämlich im Bereich
neben der Magnetronkatode eine Abscheidung von Schichtmaterial mit geringer elektrischer
Leitfähigkeit bis hin zu isolierenden Eigenschaften erfolgen. Diese Beschichtung
kann in Abhängigkeit von ihrer elektrischen Leitfähigkeit und Schichtdicke verhindern,
daß neben der Magnetronkatode ein ausreichend hoher Elektronenstrom abgeführt werden
kann, der für den Betrieb der Magnetronkatode notwendig ist.
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Eine Verminderung der Niederschlagsrate für kohlenstoffhaltige Schichten
auf den neben der Magnetronkatode angeordneten Flächen und auch auf dem Target kann
dadurch erreicht werden, daß in das an diesen Bereich grenzende Plasma die vorstehend
beschriebene Menge an Sauerstoff eingeführt wird. Durch den Sauer-
stoff
kann ein Teil des sonst abgeschiedenen Kohlenstoffs als flüchtige COx-verbindung
über die Vakuumpumpen entfernt werden.
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Als Edel gase für die Gasatmosphäre kommen bevorzugt Argon und Neon
in Frage. Für die eigentlichen Prozeßgase, also die gasförmigen Kohlenstoffverbinduncen,
kommen bevorzugt folgende Verbindungen in Frage: Methan CH4 Ethan C2H6 Athylen C2H4
Acethylen C2H2 Benzol C6H6.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind bevorzugt schwarze harte
Kohlenstoffschichten herstelloar. Diese sind bevorzugt geeignet für folgende Anwendungsgebiete:
- Kameraindustrie: Kameragehäuse, Objektive, Zubehör - Dekorschichten für Uhrengehäuse,
Armbänder und andere Schmuckgegenstände, - Werkzeuge, insbesondere Schneidwerkzeuge.
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Als Substratwerkstoffe kommen dabei in Frage: Glas, Keramik, Metalle
wie Edelstahl, Messing, Titan, Werkzeugstähle sowie Hartmetalle.
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In der Regel ist die Magnetronkatode mit einem sogenannten Target
versehen. Das Targetmaterial wird dabei so ausgewählt, daß zunächst das Targetmaterial
- wie beim üblichen Katodenzerstäubungsprozeß -abgestäubt und auf den Substraten
niedergeschlagen wird und daß danach durch vermehrte Zuführung von gasförmigem Kohlenwasserstoff
ein Übergang vom reinen Aufstäubbetrieb zum Abscheidungsbetrieb aus der Gasphase
unter Verminderung der Zerstäubungsrate erreicht wird.
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Dabei erfolgt eine Abscheidung von elektrisch leitendem, kohlenstoffhaltigem
Feststoff über denjene gen Bereich des Targets > der beim vorausgegangenen Aufstäubbetrieb
die sogenannte Erosionszone bildet, in der das Targetmaterial zerstäubt wird.
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Durch die Abdeckung des Targetmaterials mit dem kohlenstoffhaltigen
Feststoff wird ein weiteres Zerstäuben von Metall verhindert.
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Dieser Obergang vom Aufstäuben einer metallischen Schicht zur Abscheidung
der harten Kohlenstoffschicht kann gemäß der weiteren Erfindung dazu benutzt werden,
auf dem Substrat zunächst eine sogenannte Haftschicht zu erzeugen, die die Verbindung
der C-Schicht mit dem Grundmaterial (Substrat) wesentlich verbessert.
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Hierbei wird gemäß der weiteren Erfindung bevorzugt so vorgegangen,
daß man auf der Magnetronkatode ein
Target aus einem Haftvermittler
aus der Gruppe der Metalle Tantal, Titan, Chrom, Wolfram oder einer Legierung aus
mindestens zwei dieser Metall anordnet und a) in Abwesenheit der gasförmigen Kohlenwasserstoffverbindung
eine Haftschicht aus den genannten Metallen bzw. einer Legierung daraus aufstäubt
und b) durch Zufuhr der gasförmigen Kohlenwasserstoffverbindung sowohl auf dem Target
als auch auf den Substraten eine Kohlenstoffschicht erzeugt.
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Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese Vorrichtung besitzt in herkömmlicher Weise eine
evakuierbare, auf Massepotential liegende Reaktionskammer, in der ein isolierter
Substrathalter angeordnet ist, der mit einer Spannungsquelle verbunden ist, wobei
die Reaktionskammer mit einem Gaseinlaß für eine gasförmige Kohlenwasserstoffverbindung
und ein Edelgas ausgestattet ist.
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Zur Lösung der gleichen Aufgabe ist erfindungsgemäß dem Substrathalter
gegenüber mindestens eine an eine weitere Spannungsquelle gelegte Magnetronkatode
angeordnet.
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In ganz besonders vorteilhafter Weise sind zwei der genannten Vorrichtungen
in spiegelsymmetrischer Anordnung zueinander vorgesehen, wobei sich das Substrat
oder die Substrate in der Symmetrieebene befinden oder im wesentlichen entlang der
Symmetrieebene bewegt werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes ergeben
sich aus den übrigen Unteransprüchen.
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Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung und ihre Wirkungsweise
werden nachfolgend anhand der Figuren und der Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen: Figur 1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
und Figur 2 in schematischer Darstellung einen Horizontalschnitt durch eine Produktionsvorrichtung
für Chargenbetrieb.
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In Figur 1 ist eine Reaktionskammer 1 dargestellt, die über einen
Saugstutzen 2 evakuierbar ist. In die Reaktionskammer 1 mündet eine Gasleitung 3,
die über Regelventile 4, 5 und 6 mit einer Gasquelle 7 für ein Edelgas, einer Gasquelle
8 für eine Kohlenwasserstoffverbindung sowie
mit einer Gasquelle
9 für Sauerstoff verbunden ist.
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Durch entsprechende Einstellung der Regelventile 4 bis 6 ist es möglich,
die Reaktionskammer 1 mit einem Gasgemisch der gewünschten Zusammensetzung zu beschicken.
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Aufgrund der Gasabsaugung durch den Saugstutzen Z einerseits und der
Gaszufuhr durch die Gasleitung 3 andererseits läßt sich in der Reaktionskammer 1
ein Gasdruck einstellen, bei dem eine Glimmentladung möglich ist. In der Regel geschieht
dies bei einem Gesamtdruck in der Reaktionskammer zwischen 3 x 10 3 und 1,2 x 10
2 mbar.
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In der Reaktionskammer 1 befindet sich auf einer tsolierstütze 10
ein Substrathalter 11, auf dem mehrere zu beschichtende Substrate 12 angeordnet
sind. Der Substrathalter 11 ist über eine Leitung 13 und eine Kapazität 14 mit einer
Spannungsquelle 15 verbunden, die im vorliegenden Fall als Hochfrequenzgenerator
ausgeführt ist.
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Hiermit ist es möglich, auch isolierende Schichten bzw. Schichten
auf isolierenden Substraten aufzubringen. Sofern es sich um elektrisch leitfähige
Schichten oder um Schichten auf elektrisch leitfähigen Substraten handelt, kann
an die Stelle der Kapazität 14 und des Hochfrequenzgenerators 15 auch eine Gleichspannungsquelle
treten. In jedem Falle ist die Spannungsquelle 15 regelbar.
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Oberhalb des Substrathalters 11 bzw. diesem gegenüber ist eine Magnetronkatode
16 angeordnet, die in herkömmlicher Weise ausgeführt ist: In einem kühlwasserdurchströmten
und aus amagnetischem Werkstoff bestehenden Hohl körper 17 ist eine konzentrische
Anordnung von Permanentmagneten 18 und 19 angeordnet, wobei die Permanentmagnete
18 und 19 eine entgegengesetzte Pol lage aufweisen. Die Rückseiten dieser Permanentmagnete
sind durch eine Jochplatte 20 miteinander verbunden. Auf der Stirnwand des Hohl
körpers 17 ist ein plattenförmiges Target 21 befestigt, das aus einem der weiter
oben beschriebenen Metalle bestehen kann. Die Vorderfläche des Targets und der Substrathalter
11 sind parallel zueinander ausgerichtet.
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Durch die Anordnung des aus den Teilen 18, 19 und 20 bestehenden Magnetsystems
bildet sich ein geschlossener magnetischer Tunnel aus, dessen Querschnitt durch
die gestrichelten Linien angedeutet ist.
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Die Magnetronkatode 16 ist an eine weitere Spannungsquelle 22 angeschlossen,
die als Gleichspannungsquelle ausgeführt ist. Zwischen dem Target 21 und dem Substrathalter
11 befindet sich noch eine ringförmige Anode 23, die mit der Reaktionskammer 1 verbunden
und dadurch an Masse gelegt ist. Oie Anordnung der Anode 23 ist nicht zwingend erforderlich,
da üblicherweise auch die aus Metall bestehende Reaktions-
kammer
1 eine Anodenfunktion ausübt. Die besondere Anode 23 kann jedoch zur Steuerung der
Entladung verwendet werden, allerdings muß sie gegebenenfalls abgeschirmt werden,
da die Anodenfunktion ansonsten durch die Kondensation von Isolierstoffmaterial
verloren geht.
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Während Figur 1 einen Vertikalschnitt durch eine prinzipielle Vorrichtung
zeigt, ist in Figur 2 ein Horizontalschnitt durch eine Reaktionskammer 31 dargestellt,
die in ihrem vorderen Teil eine Tür 30 aufweist. Bei der Vorrichtung nach Figur
2 ist der Substrathalter 32 als Drehkäfig ausgeführt und um die vertikale Achse
der Reaktionskammer 30 drehbar gelagert. Der Substrathalter 32 ist auf die in Figur
1 gezeigte Weise über eine Kapazität mit einer Spannungsquelle verbunden, die jedoch
in Figur der Einfachheit halber fortgelassen sind. Bei der seits des Rotationsweges
des Substrathalters 32 ist in praktisch spiegelsymmetrischer Anordnung je ein Paar
von Doppelkatoden 33/34 bzw. 35/36 angeordnet. Jede einzelne dieser Magnetronkatoden
33 bis 36 ist in analoger Weise wie die Magnetronkatode 16 in Figur 1 aufgebaut,
lediglich mit dem Unterschied, daß es sich in Figur 2 um langgestreckte Magnetronkatoden
handelt, deren längste Achse senkrecht zur Zeichenebene verläuft. In unmittelbarer
Nähe
der Magnetronkatoden 33 bis 36 sind Gaseinlässe 37 vorgesehen, durch die Edel- und/oder
Reaktionsgas in die eigentliche Reaktionszone eingeleitet wird. Die Ausdehnung des
Plasmas wird zusätzlich durch Blenden 38 beschränkt, die jedoch einen ausreichenden
Spalt für den Durchtritt der Substrate 39 freiläßt.
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An dem drehbaren Substrathalter 32 ist außerdem auf einem Teilumfang
eine zur Vorzerstäubung dienende Blende 40 befestigt, die zwischen zwei Atzblenden
41 eingeschwenkt werden kann. Weitere Einzelheiten eines drehbaren Substrathalters
in Verbindung mit einer Doppel katodenanordnung sind in der DE-OS 31 07 914 beschrieben.
Die dort dargestellte Vorrichtung ist jedoch ausschließlich für den Vorgang der
Katodenzerstäubung vorgesehen.
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Beispiel 1: Eine Anzahl von Uhrengehäusen und eine ebene polierte
Meßplatte aus Edelstahl wurden in einem alkdlischen Reinigungsbad entfettet und
von Oberflächenbelägen befreit. Anschliessend wurden sie in deionisiertem Wasser
abgespült und in Fluorkohlenwasserstoff getrocknet. Die Meßplatte diente zur Messung
von Schichtfarbe, Schichthärte und Haftfestigkeit.
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Uhrengehäuse und Meßplatte wurden als Substrate in eine Vorrichtung
gemäß Figur 2 eingesetzt, und zwar mittels eines herausnehmbaren Teils des Substrathalters
32. Die Substrate 39 wurden alsdann zwischen die beiden Atzblenden 41 und 42 geschwenkt.
Nach dem Schliessen der Tür 31 wurde die Vorrichtung (Typ Z 700 P 2/2; Hersteller:
Leybold-Heraeus GmbH) bis auf einen Druck von 4 x 10-5 5 mbar evakuiert. Alsdann
wurde Argon bis zu einem Druck von 1,8 x 10 2 mbar eingelassen, und eine geregelte
negative Gleichspannung von maximal 1800 V an den Substrathalter 32 angelegt. Die
Substrate wurden bei einem Strom von ca. 50 mA solange geätzt, bis eine metallisch
reine Substratoberfläche vorlag.
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Die Magnetronkatoden 33 und 34 waren mit aus Titan bestehenden Targets
mit den Abmessungen 500 x 88 mm bestückt. Die Blende 40 wurde zwischen die Magnetronkatoden
33 und 34 geschwenkt, und der Argondruck wurde auf 8 x 10 3 mbar abgesenkt. Bei
einem Potential von 0 Volt für den Substrathalter 32 wurden die Magnetronkatoden
33 und 34 mit einer negativen Gleichspannung verbunden und durch Vorzerstäuben bei
einer mittleren Leistungsdichte von 10 W cm -2> bezogen auf die angegebene Targetfläche,
gereinigt.
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Nachfolgend wurde an den Substrathalter 32 bei einem Potential von
-50 V und einer Frequenz von 13,56 Megaherz
eine Hochfrequenzleistung
von 500 W angelegt. Danach wurden die Substrate 39 zwischen die Magnetronkatoden
33 und 34 geschwenkt, und es wurde zunächst bei einer Leistungsdichte von 10 W cm
eine Titanschicht mit einer Dicke von 0,1 pm als Haftvermittler auf den Substraten
39 niedergeschlagen. Im Anschluß daran wurde ein vorher geeichter Gasfluß von C2H2
in die Vorrichtung eingelassen. Die Kalibrierung dieses Gasflusses geschah vor Prozeßbeginn
ohne Argoneinlaß in der Weise, daß ein Gesamtdruck von 2,5 x 10 3 mbar für das C2H2
beobachtet wurden.
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Durch den Zersetzungsprozeß für die C2H2-Moleküle im Plasma der Magnetronkatoden
33 und 34 wurden Kohlenstoff und Kohlenwasserstoff-Verbindungen auf die seitlich
neben den Magnetronkatoden befindlichen Wandbereiche, auf den Titantargets und auf
den Substraten 39 abgeschieden.
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Eine Untersuchung ergab, daß die auf den Substraten abgeschiedene
Schicht aufgrund der gewählten Substrat-Vorspannung einen hohen Anteil diamantähnlichen
Kohlenstoffs enthielt und elektrisch nichtleitend war. Am Target wurde durch den
Ionenbeschuß erreicht, daß in der Erosionszone, die beim Aufstäuben des Titans zu
beobachten war, eine elektrisch leitende Schicht kondensierte. Dies war notwendig,
um im Gleichspannungsbetrieb mit den Magnetronkatoden arbeiten zu können, und wurde
durch Abstimmung der Beschichtungsparameter Argondruck, Gasfluß C2H2 und des Katodenstroms
erreicht.
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Als Katodenspannung wurden für Katodenströme von 6 A im Prozeß Werte
zwischen -500 V und -600 V beobachtet. Die Prozeßdauer für die Beschichtung wurde
für die Einstellung einer Schichtdicke von ca. 2 um auf sieben Minuten eingestellt.
Nach Ablauf der Beschichtungszeit wurden die Magnetronkatoden und die Hochfrequenz
ausgeschaltet, und anschliessend wurden die Gaseinlässe für Argon und C2H2 unterbrochen.
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Nach einer Abkühizeit der Substrate von 5 Minuten unter Vakuum wurde
die Anlage geflutet und die Substrate wurden entnommen. Als Farbwerte wurden mittels
eines"Mac Beth bei Verwendung einer Lichtquelle vom Typ "C" die sogenannten CIELAB-Einheiten
wie folgt bestimmt: Brillanz: L* = 39,6 Grünwert: a* = -0,52 Gelbwert: b* = o,4.
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Dies bedeutet, daß eine dunkle farbneutrale Beschichtung vorliegt.
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Mit dem Kratztestgerät der Firma LSRH (Laboratoire Suisse de Recherches
Horlogerie) wurden unter Verwendung einer Diamantspitze mit Rockwell-Kegel 120 Grad
und einem spitzen Radius von 0,2 mm bei einer Ritzgeschwindigkeit von 10 mm/s als
kritische Last 0,4 kp bestimmt. Dies bedeutet, daß eine für dekorative Schichten
ausreichende Haftfestigkeit erzielt wurde.
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Auf der dünnen Schicht konnte mittels Vickers-Mikrohärteprüfung kein
Härtewert bestimmt werden, da ein Durchdrücken, d.h. ein Einfluß der Substrathärte
auf das Meßergebnis zu erwarten war. An einer unter gleichartigen Bedingungen nur
für den Zweck der Härtemessung hergestellten 5 um dicken Schicht wurden ~ 2 1700
kp mm HV0>01 gemessen. Dieser Härtewert kann auch für die vorliegende dünne Schicht
gelten, d.h.
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der Verschleißschutz durch die Schicht war bei der vorliegenden Schichtdicke
von 2 um ausreichend.
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Beispiel 2: Ein Kameragehäuse aus Messing wurde mit einer Reinigungslösung
unter Einsatz von Ultraschall gereinigt und anschliessend in deionsiertem Wasser
abgespült. Das Kameragehäuse wurde in Fluorkohlenwasserstoff getrocknet und anschliessend
als Substrat in die Katodenzerstäubungsvorrichtung gemäß Figur 2 eingesetzt.
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Die Magnetronkatoden 33 und 34 waren mit einem Target aus Chrom mit
den Abmessungen 500 x 80 mm bestückt.
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Nach dem Evakuieren der Vorrichtung auf 2 x 10 5 mbar wurde Argon
bis zu einem Druck von 1,2 x 10 2 mbar eingelassen.
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Der mit dem Substrat bestückte Substrathalter 32 wurde an Hochfrequenz
mit 13,56 MHz verbunden, und es wurde eine Substratvorspannung von -150 Volt bei
einer Leistung von 3 Kilowatt eingestellt.
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Das Substrat wurde für die Dauer von 10 Minuten geätzt, wobei der
Substrathalter 32 mit einer Drehzahl von 1 min -1 rotierte. Nach Beendigung des
Atzprozesses wurde die Hochfrequenzleistung auf 400 W reduziert, und der Argondruck
wurde auf 8 x 10 3 mbar abgesenkt. Die Blende 40 wurde nunmehr zwischen die Magnetronkatoden
33 und 34 geschwenkt und angehalten, und die Chrom-Targets wurden mit einer spezifischen
Leistung von 10 W cm -2 während einer Dauer von 2 Minuten gereinigt.
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Nach Beendigung des Vorzerstäubungsprozesses wurde das Substrat bei
einer Drehzahl des Substrathalters 32 von 2 min 1 in Abwesenheit des Kohlenwasserstoffgases
mit Chrom beschichtet, bis eine Schichtdicke von 0,2 um erreicht worden war. Anschliessend
wurde dem Argon eine vordosierte Menge C2H2 beigemischt. Dabei wurde der Durchfluß
für das C2H2 so bemessen, daß sich vor Prozeßbeginn ohne Argoneinlaß ein Gesamtdruck
von 2,5 x 10 3 mbar eingestellt hatte. Das Substrat wurde nun für die Dauer von
einer Stunde der Beschichtung eingesetzt, bis eine Schichtdicke von 2 um erreicht
worden war. Nach Abschluß der Beschichtung wurde ohne Gaseinlaß im Vakuum abgekühlt,
und anschliessend wurde die Vorrichtung belüftet.
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Das entnommene Substrat zeigte eine Beschichtung mit folgenden CIELAB-Werten:
Brillanz
L+ = 37,0 Rotwert : a* = 0,4 Gelbwert : b* = 0,6, wobei als Reflexionswert 9 % im
sichtbaren Bereich des Spektrums beobachtet wurden. Es handelte sich um eine praktisch
tiefschwarze Schicht, deren Härte mit der Härte von Schichten vergleichbar war,
die an stationären Substraten erzielt wurden. Die Verschleißbeständigkeit der Beschichtung
war infolgedessen hoch, d.h. die Beschichtung bot einen guten Schutz des Kameragehäuses
gegen Abrieb durch das Handling und die Benutzung der Kamera.
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3. CIELAB-Meßrnethode: Die vorstehend genannten CIELAB-Einheiten wurden
mittels einer Meßmethode bestimmt, die sich in den letzten Jahren bei den Herstellern
von Oberflächenschichten, insbesondere von Dekorationsschichten durchgesetzt hat.
Es handelt sich um eine colorimetrische Meßmethode, bei der ein MeBlichtstrahl einer
genortmen Lachtquelle mit ganz bestimmten spektralen Eigenschaften auf das Meßobjekt
gerichtet und der reflektierte Meßlichtanteil im optisch sichtbaren Wellenlängenbereich
des Spektrums ausgewertet wird. Durch eine rechnerische Auswertung läßt sich der
Grad der Helligkeit ebenso bestimmen, wie beispielsweise die maB-geblich den Goldfarbton
bestimmenden Farbanteile von Rot und Gelb.
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Die Grundlagen der Meßmethode sind beispielsweise bei R.M. German,
M.M. Guzowsky und D.C. Wright in "Journal of Metals", März 1980, Seiten 2O ff. sowie
von denselben Autoren in "Gold Bulletin", Juli 1980, Seiten 113 f=.
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beschrieben. Mehrere Hersteller von Seriengeräten für Farbmessungen
sind in dem Handbook of Optics" von Walter G. Driscol und W. Vaughan, MacGraw Hill-Book
Company, Ausgabe 1978 im Kaptiel 9 angegeben. Geräte mit Auswertungen speziell nach
CIELAB-Einheiten werden von folgenden Firmen vertrieben: Mac Beth (Newburgh N.Y./USA)
Hunterlab (Reston, Virginia/USA) Instr. Colour Syst. (Newsbury, Berkshire / GB)
Diano Corp. (USA - Typ Match Scan DTM lC4Sì.