EP2885443A1 - Apparatus for chemical vapour deposition having carbon fibre filaments - Google Patents

Apparatus for chemical vapour deposition having carbon fibre filaments

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Publication number
EP2885443A1
EP2885443A1 EP13758765.5A EP13758765A EP2885443A1 EP 2885443 A1 EP2885443 A1 EP 2885443A1 EP 13758765 A EP13758765 A EP 13758765A EP 2885443 A1 EP2885443 A1 EP 2885443A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coating
carbon fiber
filaments
fiber filaments
filament
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13758765.5A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Stefan Schneweis
Steffen Weller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
Original Assignee
Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Schunk Kohlenstofftechnik GmbH filed Critical Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
Publication of EP2885443A1 publication Critical patent/EP2885443A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/26—Deposition of carbon only
    • C23C16/27—Diamond only
    • C23C16/271—Diamond only using hot filaments
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating

Definitions

  • the invention relates to a system for coating surfaces of a substrate by the method of hot-filament chemical vapor deposition.
  • Chemical vapor deposition refers to a process for coating substrate surfaces in which a gas phase solid is deposited on the heated surface of a substrate due to chemical reactions of the supplied reaction gases, as opposed to physical vapor deposition in which the starting material by physical
  • Processes in the gaseous state is transferred.
  • the precipitating solid causes a layer growth on the substrate surface whose homogeneity and growth rate can be influenced by process parameters such as, for example, gas concentration and gas pressure or substrate temperature.
  • the CVD method is a preferred application in the Deposition of artificial crystalline diamond layers, for example to produce extremely wear-resistant mechanical components or to provide boron-doped diamond-coated electrodes with high efficiency for wastewater treatment for electrochemical applications.
  • the thermally excited variants include the hot-filament CVD process, which is recognized as a common method, in particular for the purpose of diamond deposition because of its cost-effective implementation in comparison to other variants and the simple control of the growth conditions.
  • the hot-filament CVD method tensioned wires (filaments) are subjected to an electrical voltage in the interior of a reactor housing, so that the filaments heat up their information about their finite electrical resistance and the current flow until annealing and the reaction gases are introduced The filaments are broken into radicals which cause a layer structure at the heated substrate surface arranged in the diffusion current of the reactants.
  • the radicals formed from the methane-hydrogen gas mixture introduced are deposited as crystalline diamond.
  • the growth rate and the morphology of the growth layer can be controlled within limits by changing the process parameters.
  • the most important process parameters include, in particular, the condition the filaments.
  • both the filament material and the diameter of the filament wires play an important role.
  • the filament material known from the prior art is in particular where lfram (W), tantalum (Ta) and rhenium (Re) are known, their influence on the diamond deposition resulting primarily from the different carburizing properties and surface activities. Since the carbon from the gas phase reacts with the hot filament (from W, Ta, Re), metal carbides form on the filament surface. A disadvantage turns out that the filaments are brittle by this carbide formation with increasing operating time, which makes their handling cumbersome and reduces the life of the higher brittleness.
  • the filament materials used according to the prior art have a high coefficient of thermal expansion, so that the filaments spanned in the holder sag during ongoing operation and must be permanently re-tensioned due to elaborate constructions, since the filament-substrate distance has a significant influence has the homogeneity of the layer growth and should therefore be kept as constant as possible.
  • the fixture must be able to compensate for the contraction of the filaments during the cooling phase in order to prevent the filaments from being torn.
  • the use of very thin filaments means, on the one hand, less radiation losses and, on the other hand, that more filaments can be incorporated into the reactor space, which in turn contributes to the deposition rate and the homogeneity of the layer growth is.
  • the known filament materials such as tungsten or tantalum
  • the wire diameter downwards is typically limited to diameters in the range of 90 ⁇ to 300 ⁇ , since the filament construction otherwise becomes too unstable. It thus turns out that the operation of a hot filament CVD system with the currently known filaments entails significant operating and maintenance costs of the CVD system due to the aforementioned technical disadvantages.
  • the present invention is therefore based on the object to provide a system for coating surfaces of a substrate by the hot filament CVD process, which has a high degree of efficiency and low operating and maintenance costs.
  • the filaments for the thermal excitation of the reaction gases consist of carbon fibers which have a coating.
  • the inventive construction of the filaments of carbon fibers allows the production and use of very thin wires.
  • Thin filaments have lower radiation losses and can therefore be arranged closer to one another and closer to the substrate at the same substrate temperature, which entails the advantage of a higher deposition rate and thus leads to decreasing coating costs.
  • a more homogeneous layer growth is achieved by the closer arrangement of the filaments.
  • Due to the lower radiation losses of the thin filaments made of carbon fiber filament arrays can be installed with large filament lengths and more rows of filaments, which allow an increase in the area to be coated and thus lead to a targeted cost reduction per area to be coated.
  • the filaments formed in the core of carbon fibers continue to have a coating.
  • the coating can influence the chemical behavior of the filaments; on the other hand, the coating can also serve to fulfill certain physical requirements, for example, to influence the mechanical, electrical or thermal properties of the filament in a targeted manner.
  • the coating of the carbon fiber filaments is single-layered or multi-layered.
  • the coating can be designed in one layer as a monolayer or as a multilayer multilayer. It may also be a partial or complete conversion of the base material into a carbide.
  • further coating layers can adapt the mechanical, electrical or thermal properties of the filament to the process requirements.
  • the strength, the electrical resistance or the radiating surface of the filament can be determined in accordance with the requirements by additional coating layers.
  • the coating layer of the carbon fiber filaments preferably consists of a high-temperature-stable metal or a metal carbide.
  • the filaments when coated with a metal carbide, the filaments are initially carbide-like on their surface, or carbide formation occurs at least faster with an initial metal coating, thus releasing less metal atoms, resulting in a higher degree of purity of the deposit.
  • the initial coating with a metal or metal carbide also acts against the embrittlement of the filaments and causes the filaments during operation no longer longer, but minimally shortened.
  • a complex retightening can be omitted, as filaments of this invention because of their minimal shortening (Wärmeausdehnungskoef- fizient approximately -0.
  • the filament holder can thus be made much simpler.
  • high-temperature-stable metal is advantageously one of the metals tantalum, hafnium, vanadium or tungsten use, preferably tantalum is used.
  • the coating layer of the carbon fiber filaments may consist of ceramic. Due to the high temperature resistance, a ceramic material is suitable
  • the coating layer of the carbon fiber filaments may consist of pyrocarbon.
  • the carbon fiber may consist of pyrocarbon.
  • an Abfo lungs of coating layers for example in the Abfo lays C-fiber core / TaC / PyC / TaC is conceivable to produce, for example, crack branches.
  • the uncoated carbon fiber filaments have a diameter in the range of 2 ⁇ to 8 ⁇ . This small diameter leads to low radiation losses and the resulting advantages set out above. Even with a plurality of applied coating layers results in a total diameter of the filament, which is lower by a factor of 5, than the diameter of the currently known thinnest filaments.
  • the carbon fiber filaments are designed as viscose fibers.
  • all carbon fibers can be used as fibers for a filament core, but viscose fibers (viscose filament yarn rayon) are suitable because of the high electrical conductivity
  • An advantage is the hot filament CVD system for diamond deposition designed.
  • crystalline diamond is deposited on a substrate.
  • the inventive design of the filaments as coated carbon fibers a high layer growth can be achieved and thus accelerate the production process and significantly reduce the manufacturing cost of the diamond electrodes.
  • the system described can be used for the production of arbitrary carbide and nitride compounds. Specifically, the production of silicon, boron and tantalum carbide comes here in question. With regard to the deposition of nitrogen-containing coatings, silicon, gallium or aluminum nitride are potential compounds.
  • the object underlying the invention is further solved in connection with the preamble of claim 10, characterized in that the coating of the carbon fiber filaments prior to their incorporation into the hot-filament CVD coating system in a separate coating plant is such that the Coated carbon fiber filaments unconnected as a continuous wire or already threaded on a bracket.
  • the filaments according to the invention can thus be provided completely with one or more coating layers before their intended installation in the reactor chamber in a separate coating installation, for example by continuous CVD coating.
  • the coating can be carried out in a cost-effective manner on the unassembled filaments present as continuous wires or the carbon fiber filament cores are first threaded onto their later support and coated together in a separate system.
  • the object is further achieved in connection with the preamble of claim 11, characterized in that the coating of the installed carbon fiber filaments in the hot-filament CVD coating system by direct heating in a holder on coating temperature and introducing appropriate reaction gases he follows.
  • the carbon fiber filament cores threaded onto the support are coated directly in the intended CVD system (in situ) together with the support.

Abstract

The invention relates to an apparatus for coating surfaces of a substrate by the method of chemical hot-filament vapour deposition, wherein the filaments for thermal excitation of the reaction gases consist of carbon fibres which have a coating and the coating of the carbon fibre filaments can consist of one or more layers. Forming the filaments according to the invention of coated carbon fibres makes it possible to produce and use particularly thin wires. The coating enables, firstly, the chemical behaviour of the filaments to be influenced while, secondly, the coating can also serve to meet particular physical requirements, for example to influence the mechanical, electrical or thermal properties of the filament in a targeted manner. Furthermore, the invention relates to a process for producing coated carbon fibre filaments.

Description

Anlage zur chemischen Gasphasenabscheidung mit Kohlenstofffaser-Filamenten  Plant for chemical vapor deposition with carbon fiber filaments
Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Beschichtung von Oberflächen eines Substrats nach dem Verfahren der chemischen Hot-Filament- Gasphasenabscheidung. The invention relates to a system for coating surfaces of a substrate by the method of hot-filament chemical vapor deposition.
Weiterhin betrifft die Erfindung Verfahren zur Herstellung beschichteter Kohlenstofffaser-Filamente. Die chemische Gasphasenabscheidung (CVD - Chemical Vapor Depositi- on) bezeichnet ein Verfahren zur Beschichtung von Substratoberflächen, bei dem auf Grund chemischer Reaktionen der zugeführten Reaktionsgase ein Feststoff aus der Gasphase an der erhitzten Oberfläche eines Substrates abgeschieden wird - im Gegensatz zur physikalischen Gaspha- senabscheidung, bei der das Ausgangsmaterial durch physikalischeFurthermore, the invention relates to methods for producing coated carbon fiber filaments. Chemical vapor deposition (CVD) refers to a process for coating substrate surfaces in which a gas phase solid is deposited on the heated surface of a substrate due to chemical reactions of the supplied reaction gases, as opposed to physical vapor deposition in which the starting material by physical
Prozesse in den gasförmigen Zustand überführt wird. Der sich niederschlagende Feststoff bewirkt auf der Substratoberfläche ein Schichtwachstum, dessen Homogenität und Wachstumsrate durch Prozessparameter wie beispielsweise Gaskonzentration und Gasdruck oder Substrat- temperatur beeinflussbar ist. Neben dem Einsatz in der Halbleiterfertigung findet das CVD-Verfahren eine bevorzugte Anwendung in der Abscheidung künstlicher kristalliner Diamantschichten, beispielsweise um extrem verschleiß feste mechanische Bauelemente herzustellen oder für elektrochemische Einsatzwecke Bor-dotierte Diamant-beschichtete Elektroden mit hohem Wirkungsgrad zur Abwasserbehandlung bereitzu- stellen. Processes in the gaseous state is transferred. The precipitating solid causes a layer growth on the substrate surface whose homogeneity and growth rate can be influenced by process parameters such as, for example, gas concentration and gas pressure or substrate temperature. In addition to the use in semiconductor manufacturing, the CVD method is a preferred application in the Deposition of artificial crystalline diamond layers, for example to produce extremely wear-resistant mechanical components or to provide boron-doped diamond-coated electrodes with high efficiency for wastewater treatment for electrochemical applications.
Es existieren verschiedene Varianten des CVD-Verfahrens, die unter anderem nach der Art der Zuführung der Aktivierungsenergie unterschieden werden können. So kann eine Aktivierung durch elektrische oder elektromagnetische Gasentladungen, die zur Ausbildung eines Plasmas führen, erfo lgen. Oder es findet ein thermisch aktivierter Prozess statt, bei dem die Reaktanden durch hohe Temperaturen gespalten werden und die so entstandenen Produkte zum Schichtaufbau beitragen. There are different variants of the CVD method, which can be distinguished among other things according to the type of supply of the activation energy. Thus, an activation by electrical or electromagnetic gas discharges, which lead to the formation of a plasma, erfo. Or a thermally activated process takes place in which the reactants are split by high temperatures and the resulting products contribute to layer buildup.
Zu den thermisch angeregten Varianten gehört das Hot-Filament-CVD- Verfahren, das insbesondere zum Zweck der Diamantabscheidung wegen seiner im Vergleich zu anderen Varianten kostengünstigen Umsetzung sowie der einfachen Kontrolle der Wachstumsbedingungen als gängiges Verfahren anerkannt ist. Bei dem Hot-Filament-CVD-Verfahren werden im Innenraum eines Reaktorgehäuses gespannte Drähte (Filamente) mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt, so dass sich die Filamente info lge ihres endlichen elektrischen Widerstands und des sich einstellenden Stromflusses bis zum Glühen erhitzen und die eingeleiteten Reaktionsgase an den Filamenten zu Radikalen aufgebrochen werden, die einen Schichtaufbau an der im Diffusionsstrom der Reaktanden angeordneten, erhitzten Substratoberfläche bewirken. So scheiden sich bei der Herstel- lung von Diamantbeschichtungen die aus dem eingeleiteten Methan- Wasserstoff-Gasgemisch entstandenen Radikale als kristalliner Diamant nieder. Die Wachstumsrate sowie die Morphologie der Wachstumsschicht lassen sich durch in Grenzen durch Veränderung der Prozessparameter steuern. Zu den wesentlichen Prozessparametern gehört neben der Sub- strattemperatur, dem Gasdruck, der Methankonzentration, der Gasflussrate und dem Filament-Substrat-Abstand vor allem die Beschaffenheit der Filamente . Hier wiederum spielen sowohl das Filamentmaterial als auch der Durchmesser der Filamentdrähte eine wichtige Rolle. The thermally excited variants include the hot-filament CVD process, which is recognized as a common method, in particular for the purpose of diamond deposition because of its cost-effective implementation in comparison to other variants and the simple control of the growth conditions. In the hot-filament CVD method, tensioned wires (filaments) are subjected to an electrical voltage in the interior of a reactor housing, so that the filaments heat up their information about their finite electrical resistance and the current flow until annealing and the reaction gases are introduced The filaments are broken into radicals which cause a layer structure at the heated substrate surface arranged in the diffusion current of the reactants. Thus, during the production of diamond coatings, the radicals formed from the methane-hydrogen gas mixture introduced are deposited as crystalline diamond. The growth rate and the morphology of the growth layer can be controlled within limits by changing the process parameters. In addition to the substrate temperature, the gas pressure, the methane concentration, the gas flow rate and the filament-substrate distance, the most important process parameters include, in particular, the condition the filaments. Here again, both the filament material and the diameter of the filament wires play an important role.
Als Filamentmaterial sind aus dem Stand der Technik insbesondere Wo lfram (W), Tantal (Ta) und Rhenium (Re) bekannt, wobei sich ihr Einfluss auf die Diamantabscheidung in erster Linie aus den unterschiedlichen Carburierungseigenschaften und Oberflächenaktivitäten ergibt. Da der Kohlenstoff aus der Gasphase mit dem heißen Glühdraht (aus W, Ta, Re) reagiert, bilden sich an der Filamentoberfläche Metallcarbide. Als Nachteil erweist sich, dass die Filamente durch diese Carbidbildung mit zunehmender Betriebsdauer spröde werden, was deren Handhabung umständlich gestaltet und die Lebensdauer durch die höhere Brüchigkeit senkt. Des Weiteren besitzen die nach dem Stand der Technik eingesetzten Filamentmaterialien einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizient, so dass die in der Halterung aufgespannten Filamente bei fort- schreitendem Betrieb durchhängen und durch aufwändige Konstruktionen permanent nachgespannt werden müssen, da der Filament-Substrat- Abstand einen wesentlichen Einfluss auf die Homogenität des Schichtwachstums besitzt und daher möglichst konstant gehalten werden sollte . Gleichzeitig muss die Halterung die Kontraktion der Filamente während der Abkühlphase kompensieren können, um ein Zerreißen der Filamente zu verhindern. The filament material known from the prior art is in particular where lfram (W), tantalum (Ta) and rhenium (Re) are known, their influence on the diamond deposition resulting primarily from the different carburizing properties and surface activities. Since the carbon from the gas phase reacts with the hot filament (from W, Ta, Re), metal carbides form on the filament surface. A disadvantage turns out that the filaments are brittle by this carbide formation with increasing operating time, which makes their handling cumbersome and reduces the life of the higher brittleness. Furthermore, the filament materials used according to the prior art have a high coefficient of thermal expansion, so that the filaments spanned in the holder sag during ongoing operation and must be permanently re-tensioned due to elaborate constructions, since the filament-substrate distance has a significant influence has the homogeneity of the layer growth and should therefore be kept as constant as possible. At the same time, the fixture must be able to compensate for the contraction of the filaments during the cooling phase in order to prevent the filaments from being torn.
Als weiterer Nachteil der nach dem Stand der Technik bekannten Filamente finden sich in den abgeschiedenen Schichten Spuren des Fila- mentmaterials wieder. Diese Verunreinigungen entstehen vornehmlich in dem Anfangsstadium des Schichtwachstums wenn die Carbidbildung an der Oberfläche der Filamente einsetzt und noch nicht vollständig abgeschlossen ist. As a further disadvantage of the filaments known from the prior art, traces of the filament material are found again in the deposited layers. These impurities are primarily formed in the initial stage of film growth when carbide formation begins at the surface of the filaments and is not yet fully completed.
Der Einsatz möglichst dünner Filamente bedeutet zum einen weniger Abstrahlungsverluste und zum anderen, dass mehr Filamente in den Reaktorraum eingebaut werden können, was wiederum der Abscheidegeschwindigkeit und der Homogenität des Schichtwachstums zuträglich ist. Bei den bekannten Filamentmaterialien wie Wolfram oder Tantal j edoch besteht der Nachteil, dass der Drahtdurchmesser nach unten hin typischerweise auf Durchmesser im Bereich von 90 μιη bis 300 μιη begrenzt ist, da die Filamentkonstruktion ansonsten zu instabil wird. Es zeigt sich somit, dass der Betrieb einer Hot-Filament-CVD-Anlage mit den derzeit bekannten Filamenten infolge der vorgenannten technischen Nachteile erhebliche Betriebs- und Wartungskosten der CVD- Anlage mit sich bringt. The use of very thin filaments means, on the one hand, less radiation losses and, on the other hand, that more filaments can be incorporated into the reactor space, which in turn contributes to the deposition rate and the homogeneity of the layer growth is. In the known filament materials such as tungsten or tantalum, however, there is the disadvantage that the wire diameter downwards is typically limited to diameters in the range of 90 μιη to 300 μιη, since the filament construction otherwise becomes too unstable. It thus turns out that the operation of a hot filament CVD system with the currently known filaments entails significant operating and maintenance costs of the CVD system due to the aforementioned technical disadvantages.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, eine Anlage zur Beschichtung von Oberflächen eines Substrats nach dem Hot- Filament-CVD-Verfahren zu schaffen, die ein hohes Maß an Effizienz aufweist und geringe Betriebs- und Wartungskosten verursacht. The present invention is therefore based on the object to provide a system for coating surfaces of a substrate by the hot filament CVD process, which has a high degree of efficiency and low operating and maintenance costs.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Filamente zur thermischen Anregung der Reak- tionsgase aus Kohlenstofffasern bestehen, die eine Beschichtung aufweisen. This object is achieved in conjunction with the preamble of claim 1 in that the filaments for the thermal excitation of the reaction gases consist of carbon fibers which have a coating.
Die erfindungsgemäße Ausbildung der Filamente aus Kohlenstofffasern ermöglicht die Herstellung und Verwendung besonders dünner Drähte. Dünne Filamente weisen geringere Abstrahlungsverluste auf und können daher enger aneinander und bei gleicher Substrattemperatur näher an dem Substrat angeordnet werden, was den Vorteil einer höheren Abschei- dungsrate mit sich bringt und damit zu sinkenden Beschichtungskosten führt. Gleichzeitig wird durch die engere Anordnung der Filamente ein homogeneres Schichtwachstum erzielt. Auf Grund der geringeren Abstrahlungsverluste der aus Kohlenstofffaser gefertigten dünnen Filamente können Filamentanordnungen mit großen Filamentlängen und mehr Filamentreihen installiert werden, die eine Vergrößerung der zu beschichteten Fläche erlauben und damit zu einer angestrebten Kostensenkung pro zu beschichtender Fläche führen. Die im Kern aus Kohlenstofffasern gebildeten Filamente weisen weiterhin eine Beschichtung auf. Durch die Beschichtung kann einerseits das chemische Verhalten der Filamente beeinflusst werden, andererseits kann die Beschichtung auch dazu dienen, bestimmte physikalische Anforde- rungen zu erfüllen, beispielsweise die mechanischen, elektrischen oder thermischen Eigenschaften des Filaments gezielt zu beeinflussen. The inventive construction of the filaments of carbon fibers allows the production and use of very thin wires. Thin filaments have lower radiation losses and can therefore be arranged closer to one another and closer to the substrate at the same substrate temperature, which entails the advantage of a higher deposition rate and thus leads to decreasing coating costs. At the same time a more homogeneous layer growth is achieved by the closer arrangement of the filaments. Due to the lower radiation losses of the thin filaments made of carbon fiber filament arrays can be installed with large filament lengths and more rows of filaments, which allow an increase in the area to be coated and thus lead to a targeted cost reduction per area to be coated. The filaments formed in the core of carbon fibers continue to have a coating. On the one hand, the coating can influence the chemical behavior of the filaments; on the other hand, the coating can also serve to fulfill certain physical requirements, for example, to influence the mechanical, electrical or thermal properties of the filament in a targeted manner.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist die Beschichtung der Kohlenstofffaser- Filamente einlagig oder mehrlagig ausgeführt. Die Beschichtung kann einlagig als Monolayer oder mehrlagig als Multilayer ausgebildet sein. Auch kann es sich um eine partielle oder vo llständige Umwandlung des Basismaterials in ein Carbid handeln. Bei der Ausgestaltung als Multilayer können weitere Beschichtungslagen die mechanischen, elektrischen oder thermischen Eigenschaften des Filaments an die Prozessanforderungen anpassen. So kann durch zusätzliche Beschichtungslagen beispiels- weise die Festigkeit, der elektrische Widerstand oder die abstrahlende Fläche des Filaments entsprechend den Anforderungen festgelegt werden. In an advantageous embodiment, the coating of the carbon fiber filaments is single-layered or multi-layered. The coating can be designed in one layer as a monolayer or as a multilayer multilayer. It may also be a partial or complete conversion of the base material into a carbide. When configured as a multilayer, further coating layers can adapt the mechanical, electrical or thermal properties of the filament to the process requirements. Thus, for example, the strength, the electrical resistance or the radiating surface of the filament can be determined in accordance with the requirements by additional coating layers.
Bevorzugt besteht die Beschichtungslage der Kohlenstofffaser-Filamente aus einem hochtemperaturstabilen Metall oder einem Metallcarbid. Die Filamente wirken somit bei Beschichtung mit einem Metallcarbid von Anfang an an ihrer Oberfläche carbidisch oder die Carbidbildung vollzieht sich bei einer anfänglichen Metallbeschichtung zumindest schneller, so dass weniger Metallatome abgegeben werden, was einen höheren Reinheitsgrad der Abscheidung zur Folge hat. Die anfängliche Beschich- tung mit einem Metall oder Metallcarbid wirkt zudem der Versprödung der Filamente entgegen und führt dazu, dass die Filamente während des Betriebs nicht mehr länger werden, sondern sich minimal verkürzen. Ein aufwändiges Nachspannen kann entfallen, da sich die erfindungsgemäßen Filamente infolge ihrer minimalen Verkürzung (Wärmeausdehnungskoef- fizient ca. -0. 1 [ 10~6/K]) durch die Temperaturerhöhung selbst spannen. Die Filamenthalterung kann somit deutlich einfacher ausgeführt sein. Als hochtemperaturstabiles Metall findet vorteilhafterweise eines der Metalle Tantal, Hafnium, Vanadium oder Wolfram Verwendung, wobei bevorzugt Tantal zum Einsatz kommt. The coating layer of the carbon fiber filaments preferably consists of a high-temperature-stable metal or a metal carbide. Thus, when coated with a metal carbide, the filaments are initially carbide-like on their surface, or carbide formation occurs at least faster with an initial metal coating, thus releasing less metal atoms, resulting in a higher degree of purity of the deposit. The initial coating with a metal or metal carbide also acts against the embrittlement of the filaments and causes the filaments during operation no longer longer, but minimally shortened. A complex retightening can be omitted, as filaments of this invention because of their minimal shortening (Wärmeausdehnungskoef- fizient approximately -0. 1 [10 -6 / K]) tension by the temperature increase itself. The filament holder can thus be made much simpler. As high-temperature-stable metal is advantageously one of the metals tantalum, hafnium, vanadium or tungsten use, preferably tantalum is used.
In weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung kann die Beschichtungslage der Kohlenstofffaser-Filamente aus Keramik bestehen. Auf Grund der hohen Temperaturbeständigkeit bietet sich ein keramischer Werkstoff zu In a further expedient embodiment, the coating layer of the carbon fiber filaments may consist of ceramic. Due to the high temperature resistance, a ceramic material is suitable
Beschichtung der Filamente an. Coating of the filaments.
Mit Vorteil kann bei einer mehrlagigen Ausbildung der Beschichtung die Beschichtungslage der Kohlenstofffaser-Filamente aus Pyrokohlenstoff bestehen. So ist es beispielsweise möglich, die Kohlenstofffaser zunächst mit einer Lage aus Pyrokohlenstoff zu beschichten, um den Durchmesser des Filaments hinsichtlich der mechanischen, elektrischen oder thermischen Eigenschaften auf die Prozesserfordernisse abzustimmen. Auch eine Abfo lge von Beschichtungslagen, beispielsweise in der Abfo lge C- Faserkern/TaC/PyC/TaC ist denkbar, um beispielsweise Rissverzweigungen zu erzeugen. Advantageously, in a multilayered coating, the coating layer of the carbon fiber filaments may consist of pyrocarbon. For example, it is possible to first coat the carbon fiber with a layer of pyrocarbon to tailor the diameter of the filament to the process requirements in terms of mechanical, electrical or thermal properties. Also, an Abfo lungs of coating layers, for example in the Abfo lays C-fiber core / TaC / PyC / TaC is conceivable to produce, for example, crack branches.
Mit Vorteil weisen die unbeschichteten Kohlenstofffaser-Filamente einen Durchmesser im Bereich von 2μιη bis 8 μιη auf. Dieser geringe Durchmesser führt zu geringen Abstrahlungsverlusten und den daraus resultie- renden, oben dargelegten Vorteilen. Auch mit mehreren aufgebrachten Beschichtungslagen ergibt sich ein Gesamt-Durchmesser des Filaments, der um den Faktor 5 niedriger ist, als die Durchmesser der derzeit bekannten dünnsten Filamente. Advantageously, the uncoated carbon fiber filaments have a diameter in the range of 2μιη to 8 μιη. This small diameter leads to low radiation losses and the resulting advantages set out above. Even with a plurality of applied coating layers results in a total diameter of the filament, which is lower by a factor of 5, than the diameter of the currently known thinnest filaments.
In bevorzugter Ausführung sind die Kohlenstofffaser-Filamente als Viskosefasern ausgeführt. Grundsätzlich sind alle Kohlenstofffasern als Fasern für einen Filamentkern verwendbar, j edoch eignen sich Viskosefasern (Viskosefilamentgarn Rayon) wegen des hohen elektrischen In a preferred embodiment, the carbon fiber filaments are designed as viscose fibers. In principle, all carbon fibers can be used as fibers for a filament core, but viscose fibers (viscose filament yarn rayon) are suitable because of the high electrical conductivity
Widerstandes besonders in der Funktion als Heizelement. Resistance especially in the function as a heating element.
Mit Vorteil ist die Hot-Filament CVD-Anlage zur Diamantabscheidung ausgelegt. In dieser Ausführung wird ausgehend von einem zugeführten Methan-Wasserstoff-Gasgemisch kristalliner Diamant an einem Substrat abgeschieden. Als herausragender Anwendungsfall lassen sich so Diamantelektroden mit hohem Wirkungsgrad herstellen, die beispielsweise zur elektrochemischen Behandlung von mit Schadstoffen verunreinigtem Wasser eingesetzt werden. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Filamente als beschichtete Kohlenstofffasern lassen sich ein hohes Schichtwachstum erzielen und damit der Produktionsprozess beschleunigen sowie die Herstellungskosten der Diamantelektroden signifikant senken. An advantage is the hot filament CVD system for diamond deposition designed. In this embodiment, starting from a supplied methane-hydrogen gas mixture, crystalline diamond is deposited on a substrate. As an outstanding application, it is thus possible to produce diamond electrodes with high efficiency, which are used, for example, for the electrochemical treatment of contaminated water with pollutants. The inventive design of the filaments as coated carbon fibers, a high layer growth can be achieved and thus accelerate the production process and significantly reduce the manufacturing cost of the diamond electrodes.
Neben der Abscheidung von Diamantschichten kann die beschriebene Anlage zur Herstellung beliebiger Carbid- und Nitridverbindungen genutzt werden. Speziell die Herstellung von Silizium-, Bor- und Tantal- carbid kommt hier in Frage. Bezüglich der Deposition von stickstoffhal- tigen Beschichtungen bieten sich Silizium-, Gallium- oder Aluminiumnitrid als potentielle Verbindungen an. In addition to the deposition of diamond layers, the system described can be used for the production of arbitrary carbide and nitride compounds. Specifically, the production of silicon, boron and tantalum carbide comes here in question. With regard to the deposition of nitrogen-containing coatings, silicon, gallium or aluminum nitride are potential compounds.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird weiterhin in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 10 dadurch gelö st, dass die Beschichtung der Kohlenstofffaser-Filamente vor deren Einbau in die Hot-Filament-CVD Beschichtungsanlage in einer separaten Beschich- tungsanlage derart erfolgt, dass die Kohlenstofffaser-Filamente unkonfektioniert als zusammenhängender Draht oder bereits auf einer Halterung aufgefädelt beschichtet werden. Die erfindungsgemäßen Filamente können somit vor ihrer bestimmungsgemäßen Installation in dem Reak- torraum in einer separaten Beschichtungsanlage, beispielsweise durch kontinuierliche CVD-Beschichtung, vollständig mit einer oder mehreren Beschichtungslagen versehen werden. Die Beschichtung kann in kostengünstiger Weise an den unkonfektioniert als zusammenhängende Drähte vorliegenden Filamenten vorgenommen werden oder die Kohlenstofffa- ser-Filamentkerne werden zunächst auf ihre spätere Halterung gefädelt und mit dieser zusammen in einer separaten Anlage beschichtet. Alternativ wird die Aufgabe weiterhin in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 1 dadurch gelöst, dass die Beschichtung der installierten Kohlenstofffaser-Filamente in der Hot-Filament-CVD Beschich- tungsanlage durch direktes Aufheizen in einer Halterung auf Beschich- tungstemperatur und Einleiten von entsprechenden Reaktionsgasen erfo lgt. In diesem Fall werden die auf die Halterung aufgefädelten Kohlenstofffaser-Filamentkerne direkt in der bestimmungsgemäßen CVD-Anlage (in situ) zusammen mit der Halterung beschichtet. The object underlying the invention is further solved in connection with the preamble of claim 10, characterized in that the coating of the carbon fiber filaments prior to their incorporation into the hot-filament CVD coating system in a separate coating plant is such that the Coated carbon fiber filaments unconnected as a continuous wire or already threaded on a bracket. The filaments according to the invention can thus be provided completely with one or more coating layers before their intended installation in the reactor chamber in a separate coating installation, for example by continuous CVD coating. The coating can be carried out in a cost-effective manner on the unassembled filaments present as continuous wires or the carbon fiber filament cores are first threaded onto their later support and coated together in a separate system. Alternatively, the object is further achieved in connection with the preamble of claim 11, characterized in that the coating of the installed carbon fiber filaments in the hot-filament CVD coating system by direct heating in a holder on coating temperature and introducing appropriate reaction gases he follows. In this case, the carbon fiber filament cores threaded onto the support are coated directly in the intended CVD system (in situ) together with the support.

Claims

Patentansprüche claims
1. Anlage zur Beschichtung von Oberflächen eines Substrats nach dem Verfahren der chemischen Hot-Filament-Gasphasenabscheidung, dadurch gekennzeichnet, 1. System for coating surfaces of a substrate according to the method of hot-filament chemical vapor deposition, characterized
dass die Filamente zur thermischen Anregung der Reaktionsgase aus Kohlenstofffasern bestehen, die eine Beschichtung aufweisen.  in that the filaments for thermal excitation of the reaction gases consist of carbon fibers which have a coating.
2. Anlage nach Anspruch 1, 2. Plant according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die Beschichtung der Kohlenstofffaser-Filamente einlagig oder mehrlagig ausgeführt ist.  the coating of the carbon fiber filaments is single-layered or multi-layered.
3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, 3. Plant according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass eine Beschichtungslage der Kohlenstofffaser-Filamente aus einem hochtemperaturstabilen Metall oder einem Metallcarbid besteht.  in that a coating layer of the carbon fiber filaments consists of a high-temperature-stable metal or a metal carbide.
4. Anlage nach Anspruch 3, 4. Plant according to claim 3,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass das hochtemperaturstabile Metall eines der folgenden Metalle ist: Tantal, Hafnium, Vanadium, Wolfram. that the high-temperature-stable metal is one of the following metals: tantalum, hafnium, vanadium, tungsten.
5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 5. Plant according to one of claims 1 to 4,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die Beschichtungslage der Kohlenstofffaser-Filamente aus Keramik besteht.  the coating layer of the carbon fiber filaments consists of ceramic.
6. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 6. Installation according to one of claims 1 to 5,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die Beschichtungslage der Kohlenstofffaser-Filamente aus Pyro- kohlenstoff besteht.  the coating layer of the carbon fiber filaments consists of pyr carbon.
7. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 7. Installation according to one of claims 1 to 6,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die unbeschichteten Kohlenstofffaser-Filamente einen Durchmesser im Bereich von 2μιη bis 8μιη aufweisen.  that the uncoated carbon fiber filaments have a diameter in the range of 2μιη to 8μιη.
8. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, 8. Installation according to one of claims 1 to 7,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die Kohlenstofffaser-Filamente als Viskosefasern ausgeführt sind.  that the carbon fiber filaments are designed as viscose fibers.
9. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 9. Plant according to one of claims 1 to 8,
gekennzeichnet durch  marked by
eine Auslegung zur Diamantabscheidung.  a design for diamond deposition.
10. Verfahren zur Herstellung beschichteter Kohlenstofffaser-Filamente, dadurch gekennzeichnet, 10. A process for producing coated carbon fiber filaments, characterized
dass die Beschichtung der Kohlenstofffaser-Filamente vor deren Einbau in die Hot-Filament-CVD Beschichtungsanlage in einer separaten Beschichtungsanlage derart erfolgt, dass die Kohlenstofffaser- Filamente unkonfektioniert als zusammenhängender Draht oder bereits auf einer Halterung aufgefädelt beschichtet werden.  that the coating of the carbon fiber filaments prior to their incorporation into the hot-filament CVD coating system in a separate coating system such that the carbon fiber filaments are unauffektioniert coated as a continuous wire or already threaded on a holder.
11. Verfahren zur Herstellung beschichteter Kohlenstofffaser-Filamente, dadurch gekennzeichnet, 11. A process for producing coated carbon fiber filaments, characterized
dass die Beschichtung der installierten Kohlenstofffaser-Filamente in der Hot-Filament-CVD Beschichtungsanlage durch direktes Aufheizen in einer Halterung auf Beschichtungstemperatur und Einleiten von Reaktionsgasen erfolgt. that the coating of installed carbon fiber filaments in the hot filament CVD coating system by direct heating in a holder on the coating temperature and introducing reaction gases is carried out.
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