DE19952465C1

DE19952465C1 - Verfahren zur Herstellung einer haftfesten, diamantähnlichen Kohlenstoffschicht auf einer Substratoberfläche

Info

Publication number: DE19952465C1
Application number: DE1999152465
Authority: DE
Inventors: Sven Meier; Andreas Baranyai
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1999-10-29
Filing date: 1999-10-29
Publication date: 2001-03-01
Anticipated expiration: 2019-10-30

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Herstellung einer haftfesten, amorphen Kohlenwasserstoffschicht auf einer Substratoberfläche mittels ionenunterstützter Abscheidung, mit einer Substratelektrode, deren Oberfläche die Substratoberfläche bildet, auf der die a-C:H-Schicht abgeschieden wird. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass während des Abscheidevorganges die Oberfläche der Substratelektrode zumindest zeitweise auf Temperaturen von unter 203 K gekühlt wird.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer haftfesten, amorphen Kohlenwasserstoffschicht auf einer Substratoberfläche mittels ionenunterstützer Abscheidung, mit einer Substratelektrode, deren Oberfläche die Substratoberfläche bildet, auf der die amorphe Kohlenwasserstoffschicht abgeschieden wird.

Stand der Technik

Amorphe Kohlenwasserstoffschichten, so genannte a-C : H-Schichten weisen z. T. außerordentlich große Eigenhärten auf und eignen sich insbesondere zur Erhöhung der Standzeit von Schneidwerkzeugen. Zur Herstellung von a-C : H-Schichten werden in der Regel Kohlenwasserstoffe in gasförmiger Form in eine Beschichtungskammer eingeleitet, in der ein Plasma aufrechterhalten wird und in der das zu beschichtende Substrat auf einem kathodischen Potenzial liegt, wodurch es zur plasmaunterstützten Abscheidung einer Kohlenstoffschicht auf der Substratoberfläche kommt. Derart hergestellte a-C : H-Schichten weisen zwar Schichthärten von über 2000 HV auf, insbesondere bei größeren Schichtdicken kommt es jedoch zu Schichtabplatzungen von der Oberfläche des Substrates, wodurch der technische Einsatz derartiger Schichten auf Grund der nur begrenzten Belastbarkeit gering ist. Die Schichtabplatzungen rühren von mechanischen Spannungen innerhalb der a-C : H- Schicht her, die gegenüber der Haftfestigkeit zwischen a-C : H-Schicht und Substratoberfläche dominieren.

Es gibt eine Reihe von Ansätzen, um die Haftfestigkeit von a-C : H-Schichten auf Substratoberflächen zu verbessern.

In der DD 1 46 623 wird vorgeschlagen variable Inertgas-Kohlenwasserstoff- Gemische in die Beschichtungskammern einzuleiten.

Ein anderer Ansatz verfolgt die DE 33 16 693, in der ein Verfahren beschrieben wird, bei dem die Haftfestigkeit durch Vorsehen einer Zwischenschicht aus einem Polymer der Gruppe Siloxane erhöht wird. Diese Polymere weisen jedoch eine geringe Eigenhärte auf, wodurch die Härte des Gesamtschichtaufbaus stark in Mitleidenschaft gezogen wird.

Den gleichen Weg beschreibt die Lehre der DE 37 02 242 A1, bei der eine haftvermittelnde Schicht zwischen der Kohlenstoffschicht und der Substratoberfläche aus Silizium-Kohlenstoff und Silizium-Stickstoff-Verbindungen verwendet wird. Diese Zwischenschicht weist im Gegensatz zur Polymer-Zwischenschicht-Lösung eine hohe Haftfestigkeit zum Substrat sowie auch zur a-C : H-Schicht auf und erweist sich als gut für einen gezielten Abbau hoher Eigenspannungen innerhalb der a-C : H- Schicht zum Substrat.

Die bekannten Verfahren zur gezielten Einbringung einer Zwischenschicht weisen jedoch den Nachteil auf, dass das Vorsehen von Zwischenschichten mit erhöhtem verfahrenstechnischen Aufwand verbunden ist, wodurch die Herstellungskosten, und damit verbunden die Produktkosten, entsprechend hoch sind.

Aus der US 5,279,867 geht ein Verfahren zur Beschichtung von organischen Trägersubstraten mit einem anorganischen Schichtüberzug hervor. Zu Zwecken der Substratschonung bedingt durch die hohen Prozesstemperaturen während des Abscheidevorganges wird das Trägersubstrat gekühlt. Es hat sich zudem herausgestellt, dass die Abscheidegeschwindigkeit, insbesondere bei Substrattemperaturen zwischen 0° und -70°C gesteigert werden können.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung einer haftfesten, diamantähnlichen Kohlenstoffschicht auf einer Substratoberfläche mittels ionenunterstützter Abscheidung, mit einer Substratelektrode, deren Oberfläche die Substratoberfläche bildet, auf der die diamantähnliche Kohlenstoffschicht abgeschieden wird, derart auszubilden, dass sowohl die Haftung zwischen der diamantähnlichen Kohlenstoffschicht auf der Substratoberfläche mindestens von gleicher Güte ist, wie bei gattungsgemäßen Kohlenstoffschichten, jedoch soll das Herstellungsverfahren wesentlich vereinfacht werden, wodurch die Produktionskosten deutlich reduziert werden sollen. Insbesondere gilt es nach einem Schichtverbund zu suchen, der auch ohne Zwischenschichten auskommt.

Die Lösung der der Erfindung zu Grunde liegenden Idee ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart ausgebildet, dass während des Abscheidevorganges die Oberfläche der Substratelektrode zumindest zeitweise auf Temperaturen von unter 203 Kelvin gekühlt wird.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass sich durch gezielte Kühlung der Substratoberfläche deutlich unter Raumtemperatur, vorzugsweise unter Verwendung kryotechnischer Kühlverfahren, durch das Erreichen von Substratelektroden- Oberflächentemperaturen von bis hinab zu 10 Kelvin möglich sind, eine extrem hohe Haftfestigkeit zwischen der diamantähnlichen Kohlenstoffschicht und der Substratelektroden-Oberfläche einstellt.

Erreichbar sind diese tiefen Temperaturen, indem spezielle Kühlmittel in das Innere der Substratelektrode eingeleitet werden, um von innen die Substratelektroden- Oberfläche effektiv zu kühlen. Beispielsweise eigenen sich zum Kühlen der Substratelektrode auf Temperaturen bis hinab zu ca. 190 Kelvin Alkohole. Für weiter tiefer liegende Temperaturen eignet sich flüssiger Stickstoff, der zum einen als günstige Kältequelle dient und Oberflächentemperaturen an der Substratelektrode zwischen 70 Kelvin bis 170 Kelvin ermöglicht.

Die im Rahmen von PVD (physical vapor deposition) oder PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) verwendete Substratelektrode liegt auf kathodischem Potenzial und wird von den, im Plasma enthaltenen positiv geladenen Ionen regelrecht bombardiert, wodurch sich eine weitgehend homogene a-C : H- Schicht auf der Substratelektroden-Oberfläche abscheidet. Die in den vorstehend genannten Depositionsverfahren auftretenden Plasmen werden als kalte Plasmen bezeichnet und weisen typischerweise Ionentemperaturen zwischen 300 und 400°C auf. Durch die Kühlung der Substratelektrode auf Temperaturen weit unter Raumtemperatur muss das Material, aus der die Substratelektrode gefertigt ist, den sich einstellenden großen Temperaturunterschied von bis zu 600°C standhalten.

Es zeigt sich, dass die Haftfestigkeit zwischen der sich auf der Substratelektroden- Oberfläche abscheidenden a-C : H-Schicht und eben dieser mit abnehmender Substratelektroden-Oberflächentemperatur deutlich zunimmt. D. h., besonders hohe Haftfestigkeiten werden bei Temperaturen von 70 Kelvin und darunter erreicht. Dies jedoch setzt kyrotechnische Kühlmaßnahmen voraus, die wie vorstehend dargelegt, die Verwendung tiefgekühlter Alkohole bzw. flüssigen Stickstoffs vorsehen.

Die Kühlung der Substratelektroden-Oberfläche sollte bevorzugt während des gesamten Verlaufs des Depositionsverfahrens erfolgen, es ist jedoch auch möglich, die Kühlung der Substratelektroden-Oberfläche zeitlich dynamisch durchzuführen. Dies gilt es im Einzelfall bei entsprechender Verwendung unterschiedlicher Beschichtungsmaterialien zu optimieren.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer haftfesten, amorphen Kohlen wasserstoffschicht auf einer Substratoberfläche mittels ionenunterstützer Abscheidung, mit einer Substratelektrode, deren Oberfläche die Substratoberfläche bildet, auf der die a-C : H-Schicht abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, dass während des Abscheidevorganges die Oberfläche der Substratelektrode zumindest zeitweise auf Temperaturen von unter 203 K gekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratelektrode auf Temperaturen bis hinab zu 10 K gekühlt wird, vorzugsweise auf Temperaturen zwischen 70 und 170 K.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung der Substratelektrode mittels Alkohol oder flüssigem Stickstoff als Kühlmittel erfolgt, das zur Kühlung die Substratelektorde im Inneren durchströmt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ionenunterstütze Abscheidung im Rahmen eines kalten Plasmaabscheideverfahren erfolgt, wie PVD oder PECVD.