DE69605280T2

DE69605280T2 - Verfahren zum aufbringen diamantähnlicher kohlenstoff-filme

Info

Publication number: DE69605280T2
Application number: DE69605280T
Authority: DE
Inventors: Jesse N. Matossian; Ronghua R. Wei
Original assignee: Hughes Electronics Corp
Current assignee: DirecTV Group Inc
Priority date: 1995-10-12
Filing date: 1996-10-09
Publication date: 2000-03-23
Anticipated expiration: 2016-10-10
Also published as: DE69605280D1; JPH10500391A; EP0797688A1; CA2207235A1; EP0797688B1; IL121019A0; MX9704312A; WO1997013886A1; CA2207235C; US5712000A; KR980700451A

Description

Diese Erfindung betrifft eine Plasmaionenabscheidung einer Schicht auf ein Substrat, und insbesondere die Abscheidung einer diamantähnlichen Kohlenstoffschicht in großem Umfang und mit niederem Druck.
DE 40 02 681 offenbart ein Verfahren zum Beschichten von Formen zur Glasformung mit einem amorphen harten i-Kohlenstoff ("DLC-Kohlenstoff") unter Verwendung einer Vorrichtung, die eine Vakuumkammer und Plasmamittel aufweist, die eine Kathodenelektrode und eine Anodenelektrode zum Ausbilden eines Plasmas und einer Vorspannung zwischen der Anode und dem Substrathalter zum negativen Vorspannen des Substrats umfaßt.
Diamantähnlicher Kohlenstoff, manchmal auch als DLC bekannt, ist ein Feststoff, der Kohlenstoff oder Kohlenstoff und Wasserstoff enthält und eine amorphe Struktur aufweist. DLC hat eine Härte und eine Verschleißfestigkeit, die sich Diamant annähert. Die Härte und die Verschleißfestigkeit von DLC sind den von vielen herkömmlich verfügbaren Schutzbeschichtungen, wie Carbiden oder Nitriden überlegen. Der Reibungskoeffizient von DLC ist sogar geringer als der von Diamant und anderen üblichen Beschichtungen. Der trockene Reibungskoeffizient von DLC ist vergleichbar mit dem von vielen ölgeschmierten Materialien. Da DLC amorph ist, bedeckt es Oberflächen gleichmäßig, ohne die in kristallinen Beschichtungen vorhandenen Variationen. Aufgrund dieser Kombination von Eigenschaften werden DLC-Beschichtungen für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet, bei denen Verschleißfestigkeit und eine geringe Reibung wichtig ist.
Diamantähnlicher Kohlenstoff wird zur Beschichtung von Oberflächen angewandt, um deren Eigenschaften zu verbessern. Eine Anzahl von Anwendungstechnologien sind verfügbar, einschließlich der Ionenstrahl- und der plasmaunterstützten Abscheidungs-/Beschichtungstechnik. Bei der Ionenstrahllösung wird ein kohlenstoffhaltiger Zwischenstoff dissoziiert und in einer Quelle ionisiert, und die resultierenden Ionen werden beschleunigt, um auf einem Beschichtungssubstrat aufzutreffen. Die Ionenstrahlbeschichtung erfordert eine Sichtlinie von der Quelle zu dem Beschichtungssubstrat, und deshalb erfordert die Beschichtung von großen unregelmäßigen Substraten eine umfangreiche Manipulation des Substrats, um den Ionenstrahl auf die verschiedenen Bereiche des Substrats zu bringen.
Bei den plasmaunterstützten Beschichtungstechniken wird ein Plasma gebildet, und der kohlenstoffhaltige Zwischenstoff wird in das Plasma injiziert. Der Zwischenstoff dissoziiert, und die sich ergebenden Kohlenstoffionen scheiden sich auf der Oberfläche des Beschichtungssubstrats aus dem Plasma ab. Die verschiedenen Plasmabeschichtungstechniken unterscheiden sich in der Art, wie das Plasma gebildet wird, und in der Art, wie eine Spannung an das Beschichtungssubstrat angelegt wird. Herkömmliche plasmaunterstützte Techniken verwenden Hochfrequenzenergie, Mikrowellen-, Elektronen-Zyklotronresonanz-, oder Hochdruck-DC-Energie, um das Plasma zu bilden. Diese verschiedenen Techniken leiden bei ihrer Anwendung daran, daß ihnen eine Steuerbarkeit der Ionenenergie fehlt, und leiden an der Unfähigkeit, auf große Systeme leicht skaliert zu werden, die zur Beschichtung großer Artikel, wie bspw. Fahrzeuggußformen oder einer großen Anzahl von kleinen Artikeln zur gleichen Zeit von Interesse sind. Der Grund für die Unfähigkeit, das Verfahren zu skalieren, liegt in der Schwierigkeit, die Hochfrequenz- und Mikrowellenenergie in große Volumen effizient einzukoppeln.
Es gibt ein Bedürfnis für eine verbesserte Lösung zum Abscheiden von diamantähnlichem Kohlenstoff auf ein einzelnes oder eine Vielzahl von Beschichtungssubstraten in großem Maßstab und in einer hochkontrollierten Weise. Die vorliegende Erfindung erfüllt dieses Bedürfnis und liefert ferner damit verbundene Vorteile.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zum Abscheiden in großem Umfang von diamantähnlichem Kohlenstoff auf Beschichtungssubstrate vor, und sieht beschichtete Substrate vor, die mit dem Verfahren erzeugt wurden. Der Lösungsweg der Erfindung erlaubt Beschichtungssubstrate sehr großer Größe und einfache oder komplexe Formen, oder eine große Anzahl an kleinen Beschichtungssubstraten einfacher oder komplexer Formen, die kostengünstig mit einem diamantähnlichen Kohlenstoff beschichtet werden sollen. Der Prozeß ist einfach steuerbar und erzielt eine gute Reproduzierbarkeit. Keine Manipulation der Teile ist erforderlich, um eine Beschichtung der Oberfläche des Substrats, einschließlich der Abscheidung in Vertiefungen, Löchern und anderen Bereichen außerhalb der Sichtweite zu errei chen. Viele Plasmaquellen sind nicht erforderlich, um komplex geformte Substrate oder viele Substrate zu beschichten, können aber in einigen Fällen verwendet werden.
Erfindungsgemäß verwendet ein Verfahren zum Abscheiden einer diamantähnlichen Kohlenstoffschicht mit einer präzise gesteuerten Ionenenergie auf ein Beschichtungssubstrat ein Beschichtungsgerät, das eine Beschichtungskammer mit einer Beschichtungskammerwand, eine Vakuumpumpe, die steuerbar mit der Beschichtungskammer in Verbindung steht, eine Quelle eines kohlenstoffhaltigen Gases, die steuerbar mit der Beschichtungskammer in Verbindung steht, Mittel zum Erzeugen eines Plasmas in dem innerhalb der Beschichtungskammer enthaltenen Gases, einen Beschichtungssubstratträger innerhalb der Beschichtungskammer und eine Vorspannungs/Strom-Quelle umfaßt, die steuerbar mit dem Beschichtungssubstratträger und der Wand der Beschichtungskammer verbunden ist. Das Verfahren umfaßt das Abstützen eines Beschichtungssubstrats auf einem Beschichtungssubstratträger, das Evakuieren der Beschichtungskammer, das Einführen eines kohlenstoffhaltigen Gases in die Beschichtungskammer aus einer Quelle mit einem kohlenstoffhaltigen Gas und einem Druck von etwa 0,00133 bis 1,33 Pa (etwa 0,01 bis etwa 10 Millitorr), und das Abscheiden einer diamantähnlichen Kohlenstoffschicht auf dem Substrat bei einer Substrattemperatur von nicht mehr als 300ºC, und vorzugsweise bei einer Temperatur so gering wie möglich. Die Verwendung eines relativ geringen Drucks minimiert den Ladungsaustausch in dem Plasma und die konsequente Herabsetzung der Ionenenergie. Der Schritt des Abscheidens umfaßt die Schritte eines Erzeugens eines Plasmas in dem kohlenstoffhaltigen Gas innerhalb der Beschichtungskammer, und das negati ve Vorspannen des Beschichtungssubstrats relativ zu der Beschichtungskammerwand.
Das erfindungsgemäß verwendete Gerät umfaßt eine Quelle für ein umhüllendes Plasma. Der hier verwendete Ausdruck "umhüllendes Plasma" bezeichnet ein Plasma mit niederem Druck, das das Werkstück umgibt, mit der Ausnahme von Bereichen der Oberfläche des Werkstücks, die absichtlich von dem Plasma abgeschirmt sind, bspw. maskierte Bereiche oder Bereiche, die einen Werkstückträger kontaktieren, und das auch einen geringen Ladungsaustausch hat. Ein umhüllendes Plasma, in das das Werkstück vollständig eingetaucht ist, soll von einem gebietsweisen (regionalen) Plasma unterschieden werden, das erzeugt werden kann, bspw. an einer Stelle, wo ein Ionenstrahl auf eine Oberfläche auftrifft. Obgleich bei beiden ein Plasma erzeugt wird, ergeben sich ganz unterschiedliche Probleme, da im Falle eines umhüllenden Plasmas es eine Aufgabe ist, ein Plasma zu erzeugen, das das Werkstück vollständig umschließt (außer den maskierten Bereichen oder den Tragebereichen, wie zuvor ausgeführt), und das gleichmäßig ist, um das Werkstück gleichmäßig zu behandeln. Wie nachfolgend noch diskutiert wird, existiert weder eine solche Aufgabe noch eine Beschränkung im Falle eines regionalen Plasmas.
Der Lösungsweg der Erfindung unterscheidet sich von den früheren Plasmaprozeß-Lösungswegen, bei denen ein umhüllendes Plasma verwendet wird, um eine gleichmäßige Beschichtung auf einem Substrat zu erzeugen. In der Glühentladungstechnik ist der Druck groß, im Bereich von 1,33 Pa (10 Millitorr) bis zu einigen Torr. Plasmaerzeugung entsteht aus einer Spannung, die zwischen dem Werkstück und der Kammer angelegt wird. Die Steu erbarkeit der Plasmaionenenergie ist aufgrund des Ladungsaustausches begrenzt. Da das Substrat die Quelle der emittierten Elektroden ist, wenn eine elektrisch isolierende DLC-Schicht abgeschieden wird, entstehen häufig Lichtbögen mit der damit verbundenen Beschädigung/Zerstörung der Schicht und des Substrats sowie des Endes des Beschichtungsprozesses. In der verstärkten Glühentladungstechnik ist ein separater Heizfadenemitter vorgesehen, allerdings ist der Kammerdruck weiterhin hoch, 1,995 bis 33,25 Pa (etwa 15-250 Millitorr), und der Ladungsaustausch begrenzt wiederum die Ionenenergie und die Beschichtungseffizienz. In einem Plasmaquellenprozeß ist die Plasmaquelle entfernt und nicht lokal. Entsprechend ist es schwierig, ein gleichmäßiges Plasma um das Werkstück zu erhalten.
Bei dem vorliegenden Lösungsweg umfaßt das Mittel zum Erzeugen eines Plasmas vorzugsweise einen Heizfaden mit einer Heizfadenstromquelle, die an dem Heizfaden zur Elektronenerzeugung angeschlossen ist, obgleich andere Elektronenquellen, wie bspw. eine Hohlkathode ebenfalls verwendet werden könnten. Eine Entladespannungsquelle spannt den Heizfaden bezüglich der Wand der Beschichtungskammer steuerbar vor. Im Betrieb wird der Heizfaden auf eine thermionische Temperatur erhitzt, um Elektronen zu emittieren. Die Kammerwand ist die Anode bezüglich des kathodischen Heizfadens, so daß die emittierten Elektroden zu der Kammer gezogen werden, um energetisch mit dem Gas innerhalb der Kammer in Wechselwirkung zu treten. Das kohlenstoffhaltige Gas dissoziiert und ionisiert, so daß es Kohlenstoffionen in dem Plasma erzeugt. Wasserstoffionen und andere Radikale, die sich aus der Dissoziierung ergeben, können ebenfalls vorhanden sein. Das Beschichtungssubstrat wird bezüglich der Wand der Beschichtungskammer und damit des Plasmas negativ vorgespannt (entweder mit einer gleichmäßigen Gleichspannung oder gepulst), so daß die positiven Ionen von dem Plasma zu dem Beschichtungssubstrat gelenkt werden, um sich dort abzuscheiden.
Die Plasmabildung und der Beschichtungsvorgang laufen deshalb unabhängig voneinander ab und sind getrennt steuerbar. Die Spannung und die Plasmadichte werden gewählt, um zu gewährleisten, daß das Ionenschild, das die Ionenhülle, die das Beschichtungssubstrat umgibt, relativ dünn ist. Der Druck wird gleichzeitig so gewählt, daß der Ladungsaustausch innerhalb der Hülle minimal ist. Das Erzielen einer befriedigenden Abscheidung bei einer dünnen Ionenhülle und einem geringen Ladungsaustausch ist wünschenswert, da die Dicke der Ionenhülle die kleinste Dimension bestimmt, bspw. eine Vertiefungsbreite, die beschichtet werden kann, und der Ladungsaustausch beeinflußt die Ionenenergie. Im vorliegenden Fall liegt die kleinste Abmessung, in der eine Abscheidung erfolgen kann, im Bereich von 0,5 Millimeter, was sehr viel kleiner ist als mit der Ionenstrahlbeschichtung erreicht werden kann.
Die vorliegende Erfindung liefert einen Fortschritt bei der Abscheidung von diamantähnlichen Kohlenstoffschichten. Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierteren Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, die beispielhaft die Prinzipien der Erfindung darstellen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Blockflußdiagramm für ein Verfahren zum Abscheiden einer diamantähnlichen Kohlenstoffschicht,
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Geräts; und
Fig. 3 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Beschichtungssubstrats mit einer diamantähnlichen Kohlenstoffschicht-Beschichtung darauf, die erfindungsgemäß erzeugt wurde.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das den Lösungsweg der Erfindung darstellt. Ein Beschichtungsgerät ist vorgesehen, Bezugszeichen 20. Ein bevorzugtes Beschichtungsgerät 40 ist in Fig. 2 dargestellt. Das Gerät 40 umfaßt eine Kammer 42 mit einer vakkumdichten Kammerwand 44. Die Kammer 42 muß eine ausreichende Größe aufweisen, um ein Beschichtungssubstrat 46 (oder viele Substrate) darin aufzunehmen. Das Beschichtungssubstrat kann aus einem beliebigen bearbeitbaren Material hergestellt sein, und einige Beispiele von Interesse sind ein unlegierter Kohlenstoffstahl, Werkzeugstahl, Edelstahl, Aluminiumlegierungen und Titanlegierungen. Das Beschichtungssubstrat 46 wird bevorzugt von einem Träger 48 gestützt, der gegenüber der Kammerwand 44 elektrisch isoliert ist (mit der Ausnahme, daß eine elektrische Beschichtungssubstrat-Vorspannung angelegt wird, wie nachfolgend erläutert). Optional können Temperatursteuermittel vorgesehen sein, wie bspw. ein zusätzlicher Erhitzer 45 oder eine Kühlungsspule 47, um das Substrat 46 innerhalb eines für die Beschichtung erwünschten Temperaturbereichs zu halten. Der Erhitzer 45 kann gleichermaßen eine Kühlplatte oder eine andere Vorrichtung aufweisen, die dazu dient, das Beschichtungssubstrat auf einer gewünschten Temperatur zu halten. In den meisten Fällen werden jedoch keine Temperatursteuerungsmittel benötigt, und das Substrat kann innerhalb eines gewünschten Temperaturbereichs zur Beschichtung über die Steuerung der Plasmaparameter gehalten werden.
Die Atmosphäre innerhalb der Kammer 42 wird durch eine Kombination aus Evakuieren und Befüllen gesteuert. Eine Vakuumpumpe 50 steht in Verbindung mit dem Inneren der Kammer 42 über einen steuerbaren Absperrschieber 52. Die Vakuumpumpe 50 umfaßt vorzugsweise sowohl eine Diffusionspumpe als auch eine mechanische Pumpe ausreichender Größe, um ein vernünftig großes Vakuum im Bereich von 1,33 · 10&supmin;&sup5; Pa (106 Torr) innerhalb der Kammer 42, falls gewünscht, zu erzielen. Das Vakuumniveau kann jedoch durch Betätigung des Absperrschiebers 52 gesteuert werden, und kann insbesondere für ein kleineres Vakuum, falls gewünscht, eingestellt werden.
Nach der Evakuierung wird die Kammer 42 mit einem kohlenstoffhaltigen reaktionsfähigen Gas aus einer Gasquelle 54 befüllt. Die Gasquelle umfaßt eine Gasversorgung 56, die mit dem Inneren der Kammer 52 über ein Befüllungsventil 58 in Verbindung steht. Die Gasquelle 54 liefert eine reaktionsfähige gasförmige Kohlenstoffquelle; ein siliziumenthaltendes Gas oder eine Mischung aus einem siliziumenthaltenen Gas und Wasserstoff; eine Mischung aus einem siliziumenthaltenen Gas, einem kohlenstoffenthaltenen Gas und Wasserstoff; ein beliebiges dieser Gase, die miteinander oder mit einem Inertgas gemischt sind; oder ein Inertgas aus der Gasversorgungs 56. Die reaktionsfähige gasförmige Kohlenstoffquelle kann eine beliebige Quelle sein, die zersetzbar ist, um Kohlenstoffionen und/oder einen aktivierten gasförmigen Kohlenstoff zu erzeugen, der auf dem Beschichtungssubstrat 46 abgeschieden werden kann. Die bevorzugten reaktionsfähigen gasförmigen Kohlenstoffquellen sind Methan (CH&sub4;), Acetylen (C&sub2;H&sub2;), Buten und Toluol.
Der gesamte Gasdruck innerhalb der Kammer 42 wird auf etwa 0,00133-1,33 Pa (0,01 bis etwa 10 Millitorr) gesteuert/geregelt. Eine angenehme Art und Weise, den Gasdruck genau zu regeln, besteht darin, den Absperrschieber 52 zu öffnen, um der Vakuumpumpe 50 zu ermöglichen, die Kammer 42 auf ein etwas höheres Vakuum (d. h. einen geringeren Druck) als gewünscht zu pumpen. Das Befüllungsventil 58 wird falls notwendig geöffnet, um es dem Gas aus der Versorgung 56 zu ermöglichen, in die Kammer 52 zu strömen, um den gewünschten Gesamtdruck einzustellen. Das Vakuum innerhalb der Kammer 42 ist somit ein kontinuierlich gepumptes dynamisches Vakuum, das geeignet ist, die gewünschte Atmosphäre in einem stabilen Zustand zu halten, und um Verunreinigungen wegzutragen, die möglicherweise aus dem Beschichtungssubstrat 46 oder der Kammerwand 44 herausgetrieben werden können. Alternativ, aber auch innerhalb des Rahmens der Erfindung, kann die Kammer 42 statisch gepumpt werden, indem die Kammer mit der Vakuumpumpe 50 evakuiert und der Absperrschieber 52 geschlossen wird. Das Gas wird dann durch das Ventil 58 bis zum Erreichen des gewünschten Drucks zurückgefüllt, und das Ventil 58 wird geschlossen.
Im Betrieb wird das Beschichtungssubstrat 46 innerhalb der Kammer 42, vorzugsweise auf einem Träger 58, Bezugszeichen 22, getragen. Die Kammer 42 wird evakuiert, Bezugszeichen 24, und die erforderliche Gasatmosphäre wird eingebracht, Bezugszeichen 26. Die Atmosphäre kann anfänglich eine Inertatmosphäre sein, um eine Sputterreinigung der Oberfläche des Substrats zu ermöglichen, wobei die Atmosphäre danach zu der kohlenstoffhaltigen Quelle gewechselt wird. Diamanthaltiger Kohlenstoff wird abgeschieden, Bezugszeichen 28. Während des Abscheidens ist die Temperatur des Substrats nicht größer als 300ºC, und bevorzugt so nieder wie möglich. Falls die Temperatur größer als 300ºC ist, wird eine kohlenstoffhaltige Schicht auf oder gerade unter der Oberfläche des Substrats ausgebildet, aber die Schicht ist nicht ein diamantähnlicher Kohlenstoff sondern typischerweise ein Graphit.
Um einen diamantähnlichen Kohlenstoff abzuscheiden, wird ein örtliches (lokales) Plasma innerhalb der Kammer 42 erzeugt, indem eine örtliche umhüllende Plasmaquelle 60 innerhalb der Kammer 42, Bezugszeichen 30, betrieben wird. Wie zuvor erläutert, unterscheidet sich eine örtliche umhüllende Plasmaquelle von einer entfernten Plasmaquelle, die in einer anderen Kammer arbeiten kann, was eine Diffusion des Plasmas in die Prozeßkammer 52 erfordert. Sie unterscheidet sich auch von einer regionalen Plasmaquelle, die ein Plasma an einem spezifischen Ort auf einer Oberfläche, auf die ein Ionen- oder anderer Strahl gerichtet ist, erzeugt.
Die Plasmaquelle 60 umfaßt einen Elektronenemitter, vorzugsweise in Form eines oder mehrerer Heizfäden 62, die innerhalb der Kammer 42 und besonders bevorzugt benachbart zu der Kammerwand 44 angeordnet sind. Mehr als ein Heizfaden kann an verschiedenen Stellen um den Umfang der Kammer 42 herum ange ordnet werden, um die Form und Dichte des resultierenden Plasmas einzustellen, um das innerhalb der Kammer positionierte Beschichtungssubstrat(e) vollständig und gleichmäßig zu umhüllen. Das Plasma ist eher teilweise ionisiert als schwach ionisiert oder voll ionisiert. Ein "teilweise ionisiertes" Plasma ist ein Plasma mit einem Ionen/Atomverhältnis in dem Plasma von etwa 0,01-0,10. Ein schwach ionisiertes Plasma besitzt ein Ionen/Atomverhältnis von weniger als etwa 0,01, während ein vollionisiertes Plasma ein Ionen/Atomverhältnis von mehr als etwa 0,10 aufweist.
Eine Emitterstromquelle 64 beaufschlagt den Heizfaden 62 mit einer Spannung VFILAMENT und versorgt somit den Heizfaden 62 mit einem Strom. Der durch den Heizfaden 62 fließende Strom erhitzt den Heizfaden und bewirkt die Emission von Elektronen aus dem Heizfaden in das Innere der Kammer 62. Eine Heizfadenvorspannung 66, die den Heizfaden 62 bezüglich der Kammerwand 44 negativ vorspannt, VDISCHARGE, von typischerweise etwa 30-150 Volt, wird zwischen dem Heizfaden 62 und der Kammerwand 44 angelegt.
Thermionische Elektronen, die aus dem Heizfaden 62 emittieren, werden in das Innere der Kammer 42 durch die Vorspannung 66 getrieben. Die Elektronen gelangen in Wechselwirkung mit dem Gas in der Kammer 42, um ein Plasma 68 zu erzeugen, das kohlenstoffhaltige Ionen, Radikale und atomaren und molekularen Wasserstoff enthält.
Eine Beschichtungssubstrat-Vorspannung 70, VBIAS, vorzugsweise von 0 bis etwa 3000 Volt, wird zwischen dem Beschichtungssubstrat 46 (oder einem Abschnitt des Trägers 48, der in elektrischer Verbindung mit dem Beschichtungssubstrat 46 ist) und der Kammerwand 44 angelegt, Bezugszeichen 32. Das Beschichtungssubstrat 46 wird bezüglich der Kammerwand 44 durch die Spannung 70 negativ oder kathodisch gemacht. Das kathodische Potential des Beschichtungssubstrats 46 beschleunigt Kohlenstoff- und Wasserstoffionen in dem Plasma 68 in Richtung des Beschichtungssubstrats 46, um sich darauf abzuscheiden. Die Vorspannungsquelle 70 kann eine gepulste oder eine konstante Gleichspannungsquelle sein.
Eine Schicht 80 eines diamantähnlichen Kohlenstoffs wird auf einer Oberfläche 82 des Beschichtungssubstrats 46, wie in Fig. 3 dargestellt, abgeschieden. Der diamantähnliche Kohlenstoff kann beinahe reiner Kohlenstoff sein, oder kann Kohlenstoff mit darin aufgelöstem Wasserstoff sein. Die Zusammensetzung der Beschichtung kann auch andere Elemente enthalten, die in einem kohlenstoffhaltigen Gas vorhanden sind und in dem Plasma frei werden, wenn sich das Gas zersetzt. Dotierungselemente können als getrennte Gase aus der Gasversorgung 56, falls gewünscht, eingeführt werden. All diese kohlenstoffbasierten Zusammensetzungen und Zusammensetzungsvariationen sind mit dem Ausdruck "diamantähnlicher Kohlenstoff", wie er hier verwendet wird, umfaßt.
Die Schicht 80 wird auf allen freigelegten Oberflächen 82 des Beschichtungssubstrats 46 abgeschieden. In der Darstellung von Fig. 3 gibt es keine Abscheidung auf einer Bodenoberfläche 84, da bei dem bevorzugten Lösungsweg die Bodenoberfläche 84 während der Abscheidung auf dem Substratträger 48 liegt. Bereiche der Oberfläche können bewußt maskiert werden, um ein Abscheiden - falls gewünscht - zu verhindern. Ein Abscheiden kann jedoch leicht auf allen Oberflächen des Beschichtungssubstrats 46 erreicht werden, indem das Substrat von dem Träger schwebend gehalten wird.
Ein Merkmal des vorliegenden Lösungswegs ist, daß die Schicht 80 in Vertiefungen, wie der Vertiefung 88 abgeschieden werden kann. Da das Plasma das Beschichtungssubstrat umhüllt, ist eine Sichtlinie von der Quelle zu dem Substrat nicht erforderlich. Der Wert der Vorspannung 70 und die Plasmadichte ermöglichen eine relativ dünne, das Beschichtungssubstrat umgebende Ionenhülle. Die Dimension der Ionenhülle bestimmt die kleinste Vertiefung, in der eine Abscheidung erfolgen kann, und im Falle der typischerweise für die Vorspannung 70 verwendeten Spannungen kann die Abscheidung in Vertiefungen mit einem Durchmesser erfolgen, der kleiner als 0,5 Millimeter ist.
Eines der Probleme, die man üblicherweise beim Abscheiden einer von diamantähnlichen Kohlenstoffschichten auf einigen Substraten unter Verwendung früherer Prozesse erfährt, ist das Erreichen einer guten Haftung zwischen der DLC-Schicht und dem Substrat. In vielen Fällen, insbesondere bei metallischen Substraten, ist es notwendig, eine Bondschicht auf dem Substrat vor dem Abscheiden der diamantähnlichen Kohlenstoffschicht aufzubringen. Bei dem vorliegenden Lösungsweg wurden zwei Verfahren entwickelt, um die Haftung der DLC-Schicht auf dem Substrat zu erhöhen.
Bei der ersten Technik wird die Oberfläche des Beschichtungssubstrats zuerst durch eine Sputterreinigung gereinigt. Argon wird aus der Gasversorgung 56 zugeführt, um ein Plasma zu bilden. Argon-Ionen treffen auf die Oberfläche des Beschich tungssubstrats, um es durch Sputtern zu reinigen und die Bereiche des Substrats nahe der Oberfläche zu entfernen. Andere aktive Gase, wie Wasserstoff, können zum Reinigen ebenfalls verwendet werden. Nach Abschluß der Reinigung wird das Reinigungsgas aus dem System gepumpt, und die kohlenstoffhaltige Gasquelle wird eingeführt. Das Abscheiden wird mit kohlenstoffhaltigen Ionen hoher Energie bei einem Potential von etwa 1500-3000 Volt und einer geringen Stromdichte von weniger als 0,1 Milliampere/cm² durchgeführt, was durch Einstellen der Vorspannung und der Heizfadenemission erzielt wird. Eine dünne Carbidschicht, typischerweise etwa 0,1 Mikrometer dick, wächst langsam auf dem Beschichtungssubstrat, um als eine Übergangsschicht zu dienen. Nachdem die Übergangsschicht gebildet ist, werden die Beschichtungsparameter variiert, um die Ionenenergie auf wenige 100 (typischerweise weniger als 600) Volt zu reduzieren und die Stromdichte auf etwa 5 Milliampere/cm² oder weniger zu erhöhen. Die höhere Stromdichte führt zu einer schnelleren Abscheidung der diamantähnlichen Kohlenstoffschicht, die die Übergangsschicht überdeckt. Die sich ergebende diamantähnliche Kohlenstoffschicht haftet gut an dem Beschichtungssubstrat. Dieser Lösungsweg wurde für Aluminium-, M-2 Werkzeugstahl- und 304 Edelstahl-Beschichtungssubstrate nachgewiesen.
Bei der, zweiten Technik wird ein amorphes hydriertes Silizium oder eine hydrierte Siliziumcarbidbondschicht vor dem Abscheiden der DLC-Schicht, wie zuvor ausgeführt, aufgetragen. Die Bondschicht wird bei einem Ausführungsbeispiel aufgetragen, indem ein hochkonzentriertes Siliziumwasserstoff (SiH&sub4;) oder ein anderes Silizium enthaltendes Gas, 100 Prozent bis wenige Prozent in einer Mischung mit Wasserstoff oder Helium, bspw., verwendet wird. Nach dem Argon-Sputterreinigen wird der Sili ziumwasserstoff oder dessen Mischung in die Kammer eingeführt. Indem der Heizfaden erhitzt und eine Entladespannung angelegt wird, wird das Plasma gebildet. Das Plasma zersetzt den Siliziumwasserstoff und erzeugt Siliziumionen und andere Radikale in dem Plasma zusammen mit Wasserstoff. Eine Schicht aus hydriertem Silizium (a-Si : H) wird abgeschieden, wenn eine Vorspannung an dem Beschichtungssubstrat angelegt wird. Falls zusätzlich zu dem Siliziumwasserstoffgas ein kohlenstoffhaltiges Gas, wie bspw. Methan, der Kammer während des Auftragens der Bondschicht hinzugefügt wird, wird eine hydrierte Siliziumcarbid (a-SiXC : H)-Bondschicht ausgebildet. Typische Betriebsparameter für die Abscheidung der (a-Si : H)- oder der (a-SixC : H)- Bondschicht sind ein Druck in der Kammer von 0,0665 Pa (0,5 Millitorr), eine Entladespannung von 50 Volt, eine Vorspannung von 400 Volt und eine Stromdichte von 0,1 bis 3 Milliampere/cm².
Die Verwendung eines Siliziumwasserstoffgases in hohen Konzentrationen kann Sicherheitsbedenken während der Handhabung und der Entlüftung hervorrufen. Demgemäß besteht ein alternativer Lösungsweg darin, ein Siliziumwasserstoff geringer Konzentration, im Bereich von 1,35 Volumenprozent, in einer Mischung mit Helium oder Wasserstoff zu verwenden. Aufgrund der geringen Konzentration des Siliziumwasserstoffs in der Mischung ist eine Hochdruckverarbeitung für eine hohe Abscheiderate für die Bondschicht bevorzugt. Eine Glühentladungstechnik kann für diesen Abschnitt der Verarbeitung verwendet werden. Wie zuvor erläutert, wird ein amorphes a-SiXC : H erhalten, falls ein kohlenstoffhaltiges Gas der Kammer auch hinzugefügt wird. Typische Betriebsparameter sind ein Gasdruck von 199,5 Pa (1,5 Torr) (1,35 Volumenprozent Siliziumwasserstoff in Wasserstoff), eine negative Vorspannung von 800 Volt und eine Stromdichte von 1 Milliampere/cm².
Nach dem Abscheiden der Bondschicht aus a-Si : H oder a-SixC : H durch eines dieser Verfahren wird die Kammer evakuiert, und Methan oder eine andere kohlenstoffhaltige Gasquelle wird in die Kammer für die DLC-Abscheidung, wie zuvor beschrieben, eingeführt.
Die nachfolgenden Beispiele dienen dazu, Aspekte der Erfindung darzustellen. Sie sollen jedoch nicht als Beschränkung der Erfindung in irgendeine Richtung interpretiert werden.

Beispiel 1

Eine diamantähnliche Kohlenstoffschicht von etwa 4 Mikrometer Dicke wurde auf ein flaches Stück eines Aluminium-390- Beschichtungssubstrats aufgebracht, indem der Lösungsweg von Fig. 1 und das Gerät von Fig. 2 verwendet wurden. Nachdem das Beschichtungssubstrat eingebracht war, wurde die Kammer 42 auf ein Vakuum von 4 · 10&supmin;&sup5; Pa (3 · 10&supmin;&sup6; Torr) gepumpt und mit Argon auf einen Druck von 6,65 · 10&supmin;³ Pa (5 · 10&supmin;&sup5; Torr) gefüllt. Das Beschichtungssubstrat wurde für 20 Minuten mit Argon sputtergereinigt, wobei eine Vorspannung von 70-1100 Volt und eine Stromdichte von 0,3 Millampere/cm² verwendet wurde. Die Argonströmung wurde stetig zurückgefahren, und eine Methanströmung wurde in die Kammer 42 bis zu einem Druck von 6,65 · 10&supmin;³ Pa (5 · 10&supmin;&sup4; Torr) eingeführt, während das Plasma aufrechterhalten wurde, so daß sich keine Schmutzschicht auf dem Beschichtungssubstrat zurückbilden konnte. Die Vorspannung und die Stromdichte wurden auf den gleichen Werten wie bei der Sputterreini gung für eine Stunde gehalten, um die Übergangsschicht mit einer Dicke von etwa 0,1 Mikrometer abzuscheiden. Die Spannung wurde danach auf 500 Volt reduziert, und die Stromdichte wurde auf 5 Milliampere pro Quadratzentimeter für eine Zeitdauer von einer Stunde erhöht, um eine gleichmäßige Schicht einer diamantähnlichen Kohlenstoffschicht 80 mit einer Dicke von etwa 4 Mikrometern abzuscheiden.

Beispiel 2

Beispiel 1 wurde wiederholt, mit der Ausnahme, daß das Beschichtungssubstrat ein M-2 Werkzeugstahl war. Die Betriebsparameter und die Ergebnisse waren im wesentlichen die gleichen.

Beispiel 3

Beispiel 1 wurde wiederholt, mit der Ausnahme, daß das Beschichtungssubstrat ein 304 Edelstahl war. Die Betriebsparameter und die Ergebnisse waren im wesentlichen die gleichen.

Beispiel 4

Beispiel 1 wurde wiederholt, mit der Ausnahme, daß das Beschichtungssubstrat ein Kraftfahrzeugkolben war, der aus einer Al-390-Legierung hergestellt wurde. Die Betriebsparameter waren im wesentlichen die gleichen.
Nach dem Abscheiden der diamantähnlichen Kohlenstoffschicht wurde der Kolben sorgfältig geprüft. Die diamantähnliche Kohlenstoffschicht war etwa 4 Mikrometer dick. Sie war im wesentlichen gleichmäßig auf der äußeren als auch der inneren Wand des Kolbens und in den Kolbenringnuten auf dem äußeren Durchmesser des Kolbens.

Beispiel 5

Beispiel 1 wurde wiederholt, mit der Ausnahme, daß eine große Beschichtungskammer, 4 Fuß Durchmesser auf 8 Fuß Länge, verwendet wurde, und die Substrate 304 Edelstahl, M2 Werkzeugstahl und Aluminium-390 waren. Im wesentlichen wurden die gleichen Ergebnisse erzielt.

Beispiel 6

Eine DLC-Schicht von etwa 2 Mikrometer Dicke wurde auf flachen Teilen aus 304 Edelstahl abgeschieden, nachdem das erste Abscheiden einer Schicht aus a-Si : H unter Verwendung des Glühentladeverfahrens abgeschieden wurde. Nachdem die Substrate geladen wurden und die Kammer auf etwa 0,0027 Pa (etwa 0,02 Millitorr) gepumpt wurde, wurden die Teile für 5 Minuten bei 450 Volt und 0,5 Milliampere/cm² als Stromdichte mit Argon sputtergereinigt. Eine Vorspannung von 800 Volt wurde an die Substrate angelegt, um eine Glühentladung bei einer Stromdichte von etwa 1 Millampere/cm² zu erzeugen. Nach 30 Minuten der Abscheidung des a-Si : H auf die Oberfläche des Substrats wurde der Gasstrom unterbrochen und die Kammer ausgepumpt. Methan wurde bis zu einem Druck von 0,0665 Pa (0,5 Millitorr) in die Kammer eingeführt. Eine Entladung von 75 Volt und ein Strom von 1 Ampere wurde durch Verwendung des Heizfadens erzeugt, und eine Vorspannung von 200 Volt wurde an die Teile mit einer Stromdichte von 0,7 Milliampere/cm² angelegt. Die sich daraus ergebende DLC-Schicht war etwa 2 Mikrometer dick und die darunter liegende a-Si : H-Siliziumbondschicht war 0,1-0,2 Mikrometer dick.

Beispiel 7

Proben der Beschichtungssubstrate, die nach den Beispielen 1-3 und 6 hergestellt wurden, wurden mit einer Raman- Spektroskopie untersucht, um die Eigenschaft der diamantähnlichen Kohlenstoffschichten zu verifizieren. Zum Vergleich wurde eine Probe mit einer diamantähnlichen Kohlenstoffschicht analysiert, die auf einem 304 Edelstahl mit einem herkömmlichen Ionenstrahlprozeß abgeschieden wurde. Die Beschichtungen in den vier Fällen wurden als im wesentlichen gleich herausgefunden, womit verifiziert wurde, daß das Plasmaionenabscheidungsverfahren der Erfindung zur Abscheidung einer akzeptablen diamantähnlichen Kohlenstoffschicht geeignet ist.

Claims

1. Verfahren zum Abscheiden einer diamantähnlichen Kohlenstoffschicht auf einem Abscheidesubstrat (46) in einem Abscheidegerät mit einer Abscheidekammer (42), die eine Abscheidekammerwand (44) aufweist, mit den Schritten:

- Vorsehen eines Abscheidesubstrats (46);

- Erzeugen (30) eines Plasmas (68) in einem kohlenstoffhaltigen Gas, das einen Druck von etwa 0,00133 bis etwa 1,33 Pa (0,01-10 Millitorr) besitzt und das mit dem Abscheidesubstrat (46) in Kontakt kommt;

- Abscheiden (28) einer diamantähnlichen Kohlenstoffschicht aus dem Plasma (68) auf dem Substrat (46), wobei das Substrat (46) eine Temperatur von nicht mehr als 300ºC hat; und

- negatives Vorspannen des Abscheidesubstrats (46) relativ zu der Abscheidekammerwand (44).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Vorsehens eines Abscheidesubstrats (46) die Schritte umfaßt:

- Vorsehen (20) eines Abscheidegeräts (40), mit

-- der Abscheidekammer (42), die die Abscheidekammerwand (44) aufweist,

-- einer Vakuumpumpe (50), die steuerbar mit der Abscheidekammer (42) in Verbindung steht;

-- einer Quelle (54) eines kohlenstoffhaltigen Gases, die steuerbar mit der Abscheidekammer (42) in Verbindung steht;

-- Mitteln zum Erzeugen eines Plasmas (68) in einem Gas, das in der Abscheidekammer (42) enthalten ist;

-- einem Träger (48) für das Abscheidesubstrat innerhalb der Abscheidekammer (42); und

-- einer Vorspannungs/Stromquelle (70), die mit dem Träger (48) des Abscheidesubstrats und der Wand (44) der Abscheidekammer (42) zum negativen Vorspannen des Abscheidesubstrats (46) steuerbar verbunden ist;

- Tragen (22) eines Abscheidesubstrats (46) auf dem Abscheidesubstrat-Träger (48); und

- Evakuieren (24) der Abscheidekammer (42).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des negativen Vorspannens des Abscheidesubstrats (46) den Schritt umfaßt:

- negatives Vorspannen des Abscheidesubstrats (46) relativ zu der Abscheidekammerwand (44) mit einer Spannung von 0 bis etwa 3000 Volt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des negativen Vorspannens des Abscheidesubstrats (46) die Schritte umfaßt:

- anfängliches Vorspannen des Abscheidesubstrats (46) mit einer relativ hohen Spannung, die bei einem relativ geringen Strom für eine erste Zeitdauer angelegt wird; und

- anschließendes Vorspannen des Abscheidesubstrats (46) mit einer relativ geringen Spannung, die bei einem relativ hohen Strom für eine zweite Zeitdauer angelegt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des negativen Vorspannens des Abscheidesubstrats (46) den Schritt umfaßt:

- negatives Vorspannen des Abscheidesubstrats (46) relativ zu der Abscheidekammerwand (44) mit einer durchgehenden Gleichspannungs-Vorspannungs/Stromquelle (70).

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des negativen Vorspannens des Abscheidesubstrates (46) den Schritt umfaßt:

- negatives Vorspannen des Abscheidesubstrats (46) relativ zu der Abscheidekammerwand (44) mit einer pulsierenden Vorspannungs/Stromquelle.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Vorsehens (20) eines Abscheidegeräts (40) den Schritt des Vorsehens eines Mittels zum Erzeugen eines Plasmas umfaßt und Vorsehen

- eines Heizfadens (62);

- einer Heizfadenstromquelle (64), die steuerbar mit dem Heizfaden (62) verbunden ist; und

- einer Entladespannungsquelle (66), die steuerbar mit dem Heizfaden (62) und der Abscheidekammerwand (44) verbunden ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (30) des Erzeugens eines Plasmas (68) die Schritte umfaßt:

- Durchleiten eines ausreichenden Stroms durch den Heizfaden (62) mit der Stromquelle (64), um den Heizfaden (62) auf eine thermionische Temperatur zu erhitzen; und

- Vorspannen des Heizfadens (62) bezüglich der Abscheidekammerwand (44) mit einer Spannung von etwa 30 bis etwa 150 Volt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Schritt, nach dem Schritt (22) des Tragens und vor dem Schritt (24) des Evakuierens:

- Präparieren der Oberfläche (82) des Abscheidesubstrats (46) zum Abscheiden einer diamantähnlichen Kohlenstoffschicht.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (20) des Vorsehens eines Abscheidesubstrats (46) den Schritt umfaßt:

- Vorsehen einer Quelle (54) eines Inertgases, die steuerbar mit der Abscheidekammer (42) in Verbindung steht; und wobei der Schritt des Präparierens die zusätzlichen Schritte umfaßt:

- Einbringen (26) eines Inertgases in die Abscheidekammer (42) aus der Inertgas-Quelle (54);

- Erzeugen (30) eines Plasmas (68) in dem Inertgas innerhalb der Abscheidekammer (42); und

- Negatives Vorspannen (32) des Abscheidesubstrats (46) relativ zu der Abscheidekammerwand (44) mit der Vorspannungsquelle (70).

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Vorsehens eines Abscheidesubstrats (46) den Schritt umfaßt:

- Vorsehen einer Quelle (54) eines siliziumhaltigen Gases, die steuerbar mit der Abscheidekammer (42) in Verbindung steht; und

wobei der Schritt des Präparierens die zusätzlichen Schritte umfaßt:

- Einbringen (26) eines siliziumhaltigen Gases in die Abscheidekammer (42) aus der Quelle (54) des siliziumhaltigen Gases;

- Erzeugen (30) eines Plasmas (68) in dem siliziumhaltigen Gas innerhalb der Abscheidekammer (42); und

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Erzeugens (30) eines Plasmas (68) in einem kohlenstoffhaltigen Gas den Schritt umfaßt:

- Einführen eines Gemisches aus einem kohlenstoffhaltigen Gas und einem zweiten Gas.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-12, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Erzeugens eines Plasmas (68) in einem kohlenstoffhaltigen Gas den Schritt umfaßt:

- Einbringen eines kohlenstoffhaltigen Gases, das aus der folgenden Gruppe ausgewählt wird: Methan, Acetlyen, Buten und Toluol.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-13, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Tragens (22) eines Abscheidesubstrats (46) den Schritt umfaßt:

- Vorsehen eines Abscheidesubstrats (46), das aus einem der nachfolgenden Materialien hergestellt ist: Aluminium, einer Titanlegierung, einem unlegierten Kohlenstoffstahl, einem Werkzeugstahl und einem Edelstahl.