DE10055609A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Beschichten eines Substrates mit amorphem Kohlenstoff diamantähnlicher Eigensschaften oder mit polykristallinem Diamant - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Beschichten eines Substrates mit amorphem Kohlenstoff diamantähnlicher Eigensschaften oder mit polykristallinem DiamantInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beschichten einer Substratoberfläche mit amorphem Kohlenstoff von diamantähnlichen Eigenschaften oder mit polykristallinem Diamant. Um eine hohe Auftragsrate sowie eine große Beschichtungsstärke und eine gute Bindung der aufgetragenen Schicht am Substrat erzielen zu können, wird erfindungsgemäß im Abstand zur Substratoberfläche eine Plasmawolke aus positiv geladenen Kohlenstoffionen und aus reaktivem, atomarem Wasserstoff erzeugt und die Kohlenstoffionen durch eine Beschleunigungsspannung oder durch ein Temperaturgefälle auf die Oberfläche des negativ geladenen Substrats oder weniger hoch als das Plasma temperierten Substrates niedergeschlagen, wo sie sich zu tetraedrisch gebundenen Kohlenstoffmolekülen mit gegenseitig stochastischer Lage oder zu polykristallinem Diamant vereinigen und auf der Substratoberfläche festsetzen. Die Plasmawolke wird im Vakuum aus einem Gemisch von Wasserstoff und Kohlenwasserstoff gebildet. Wesentlich dabei ist, daß die Plasmaerzeugung, abgesehen von einer Startphase mittels Lichtbogenzündung des Plasmas, ausschließlich durch kontinuierliche Energieanregung mittels eines fokussierten, mit seiner Achse zumindest annähernd parallel zur Substratoberfläche ausgerichteten und im Abstand zu ihr angeordneten Laserstrahls eines Kohlendioxid-Lasers erfolgt. Verschiedene Prozeßparameter werden genannt.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Beschichten eines Substrates mit amorphem. Kohlenstoff von dia
mantähnlichen Eigenschaften oder mit polykristallinem Diamant.
Die US-PS 5 346 729 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrich
tung zum Beschichten eines Substrates mit. Kohlenstoff von dia
mantähnlichen Eigenschaften. Dabei wird ein Precursorgas in
eine nicht-erwärmete Vakuumkammer, in der sich auch das zu be
schichtende Substrat befindet und in der ein Druck von etwa 1
bis 70 mbar herrscht, eingeleitet. Das Precursorgas besteht zu
etwa 1 bis 10 Vol.-% aus Kohlenwasserstoff, vorzugsweise Me
than, und im übrigen aus Wasserstoff. Durch eine dem Substrat
gegenüberliegend in der Vakuumkammer angeordnete Quarzglas
scheibe hindurch wird das eingeleitete Precursorgas mittels
gebündelten Sonnenlichts bei einer Energiedichte von etwa 40
bis 60 Watt/cm2 auf 750-950°C erwärmt. Unter der Annahme
einer Energiedichte von etwa 0,1 Watt/cm2 des natürlichen Son
nenlichtes müßte unter Berücksichtigung gewisser Reflexions-
oder Transmissionsverluste das Sonnenlicht großflächig einge
fangen und mindestens um den Faktor 104 verdichtet werden. Bei
einer Querschnittsfläche des Arbeitsstrahles von 100 cm2 müßte
der das Sonnenlicht einfangende Primärspiegel eine Fläche von
etwa 100 m2 haben, was auf eine bestimmte bauliche Größenord
nung der Anlage hinweist. Das in die Vakuumkammer gebündelt
eingestrahlte Sonnenlicht trifft zugleich auch auf das Sub
strat und erwärmt dieses auf etwa die gleiche Temperatur wie
das Prozeßgas. Die Substrattemperatur muß überwacht und gege
benenfalls durch eine Kühlung auf erträgliche oder prozeßopti
male Werte gehalten werden. Mit dem bekannten Verfahren soll
tetraedrisch gebundener, diamantähnlicher Kohlenstoff bei ei
ner Auftragsrate von 0,25-0,5 µm pro Stunde unter unmittel
barem Einsatz erneuerbarer Primärenergie aufgetragen werden
können. Nachteilig an diesem Verfahren ist neben dem hohen In
vestitionsaufwand für das Einfangen und Bündeln des Sonnen
lichtes und der Wetterabhängigkeit des Verfahrens vor allem
das Verfahrensergebnis einer enttäuschend geringen Auftragsra
te.
Bei dem in der US-PS 4 981 717 beschriebenen Verfahren zum Be
schichten eines Substrates mit Kohlenstoff von diamantähnli
chen Eigenschaften wird mit gepulstem Laserlicht, vorzugsweise
eines Kohlendioxid-Lasers mit einer Wellenlänge von 10,6 µm,
als Anregungsenergie gearbeitet. In eine evakuierte, das zu
beschichtende Substrat aufnehmende Arbeitskammer wird bei Ar
beitsdrücken von 1 bis 135 mbar ein im wesentlichen aus Was
serstoff und einem Kohlenwasserstoff bestehendes Precursorgas
eingeleitet, welches als eine prozeßwesentliche Komponente ei
nen sog. Intitiator enthält. Der Initiator ist so gewählt, daß
er die Energie des eingestrahlten Laserlichtes möglichst voll
ständig absorbiert und in Wärme umsetzt. Schwefelhexafluorid
(SF6) als Intitiator dämpft Laserlicht der Wellenlänge 10,6 µm
besonders gut unter Freisetzung entsprechend hoher Mengen an
Wärmeenergie. Der Laserstrahl wird durch ein für das Infrarot
licht des CO2-Lasers durchlässiges Eintrittsfenster in das in
der Arbeitskammer befindliche Precursorgas in Richtung auf das
Substrat eingestrahlt, wobei der Fokus des Laserstrahles je
doch einen Abstand von der Substratoberfläche hat. Der Laser
strahl wird - wie gesagt - gepulst eingestrahl mit einer Puls
frequenz von etwa 10 Hz, einer Pulsdauer von etwa 50 Nanose
kunden, einer Pulsenergie von etwa 2 Joule und einer Energie
dichte von 1014 W/cm2. Dies entspricht rein rechnerisch einer
Kurzzeit-Laserleistung während des Pulses von etwa 40 Megawatt
und einer durchschnittlichen Langzeit-Laserleistung von etwa
20 Watt. Durch die Fokussierung des Laserstrahles auf ein
kleines Volumen des Prozeßgases bei hoher Energiedichte wird
lokal und explosionsartig ein hoher Betrag an Wärmeneregie
freigesetzt. Dadurch werde nach den Aussagen der referierten
Druckschrift der Kohlenwasserstoff in hoch reaktive Ionen und
Radikale zerlegt und diesen Teilen zugleich eine hohe Bewe
gungsenergie von etwa 10 bis 100 Electronenvolt erteilt. Die
Explosion erzeuge aus dem Gasgemisch ein Plasma sowie eine
energiereiche Druckwelle darin. Die Gegenwart von anderen Ga
sen wie Stickstoff oder Luft unterstütze das Voranschreiten
der Druckwelle und die Plasmabildung im gesamten Arbeitsraum.
Die freigesetzten Kohlenstoff-, Kohlenwasserstoff- und anderen
Fragmente sowie Elektronen erhalten von dem Plasma die für die
Bildung diamantähnlicher Stoffe erforderliche Über
gangsenergie. Die Druckwelle - so wird ferner angenommen - er
zeuge einen zunächst auf die Substratoberfläche auftreffenden
Elektronenschauer, der diese lokal erwärme und sie für die da
nach auftreffenden Teile vorbereite. Die extreme Druckwelle
mit lokalen Druckstpitzen von mehreren Tausend Kilobar erwärme
die Substratoberfläche lokal auf mehrere Tausend Celsiusgrade.
Die Wirkungsdauer dieser Druck- und Temperaturspitzen sei je
doch trotz ihrer Kürze ausreichend, um die diamantähnlichen
Strukturen aus dem Precursorgas zu bilden und sie mit hoher
Bindungsenergie an die Substratoberfläche anzukoppeln. Die
Haftfestigkeit der diamantähnlichen Schicht auf der Substrato
berfläche wird mit über 69 MPa angegeben. Auch lassen sich an
geblich Schichtdicken über 10 µm Stärke bei guter Haftung auf
der Substratoberfläche aufbringen. Als besonderer Vorteil des
bekannten Verfahrens wird hervorgehoben, daß das Substrat
nicht erwärmt und daß es auch nicht auf ein bestimmtes, elek
trisches Potential gelegt zu werden braucht, was die Anwendung
des Verfahrens für bestimmte Substrat-Materialien überhaupt
erst eröffne bzw. das Verfahren and die Verfahrensvorrichtung
wesentlich vereinfache.
Ein weiteres unter Einsatz von Laserlicht arbeitendes Verfah
ren zum Auftragen von Kohlenstoff mit diamantähnlichen Eigen
schaften auf Substrate ist z. B. in der US-PS 5 554 415 be
schrieben. Von dieser Veröffentlichung sind mehrere, weitere
Druckschriften abgeleitet, nämlich die US-PS 5 620 754,
5 731 046, 5 635 243, 5 643 641 und 5 648 127, die alle auf
die gleichen Erfinder zurückgehen, im wesentlichen alle das
gleiche Verfahren behandeln und lediglich auf bestimmte Tei
laspekte des Verfahrens näher eingehen. Bei dem bekannten Ver
fahren werden gleichzeitig mehrere Laserlichtquellen unter
schiedlicher Wellenlänge, nämlich beispielsweise ein im UV-
Bereich (< 350 nm Wellenlänge) arbeitender Eximer-Laser, ein
im sichtbaren Bereich (400 . . . 780 nm) arbeitender Nd/YAG-Laser
und ein im IR-Bereich (< 800 nm) arbeitender CO2-Laser einge
setzt, die alle gleichzeitig auf ein und den selben Punkt der
Substratoberfläche fokussiert sind, wobei der Arbeitspunkt re
lativ zum Substrat kontinuierlicht verlagert wird. Die Be
schichtung wird auf dem Substrat punktweise im Skanningverfah
ren aufgebaut. Mit dem Eximer-Laser wird aus der Substratober
fläche lokal eine kleine Menge an Substrat-Werkstoff verdampft
und eine vorauslaufende Verdampfungsreaktion ausgelöst. Der
Nd/YAG-Laser und der CO2-Laser üben neben einer die Verdamp
fungsreaktion unterstützenden Wirkung vor allem eine stabili
sierende Funktion auf die Gasphase und die darin ablaufenden
Prozesse aus. Soweit der Substratwerkstoff nicht von Hause aus
Kohlenstoff-Atome enthält, die nach der Werkstoff-Verdampfung
zur Bildung der Diamantbeschichtung herangezogen werden kön
nen, muß das Substrat zuvor mit einen kohlenstoff-spendenden
Hilfsbelag überzogen werden oder es wird ein kohlenstoff-
spendendes Gas, z. B. Kohlenmonoxid und/oder Kohlendioxid an
die Behandlungsstelle eingedüst. Das Precursormaterial ist al
so, gegebenenfalls gemeinsam mit einem Zugabewerkstoff, das
Substrat selber. Es werden mittels fokussiertem Laserlicht auf
der Substratoberfläche die energetisch hoch angeregten Zustän
de in einem lokal eng begrenzten Bereich geschaffen, aus denen
heraus sich die diamantähnliche Beschichtung bilden soll. Vor
teilhaft an dem Verfahren ist, daß es bei normalem Umgebungs
luftdruck und bei Raumtemperatur arbeite. Nachteilig ist ne
ben dem investivem Aufwand für drei gleichzeitig zum Einsatz
gelangende Laser-Quellen und dem regelungstechnischen Aufwand
für ein ortssynchrones Skannen aller drei Brennpunkte vor al
lem die zu erwartende geringe Auftragsrate.
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der
Erfindung darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beschichten
eines Substrates mit amorphem Kohlenstoff von dia
mantähnlichen Eigenschaften oder mit polykristallinem Diamant
aufzuzeigen, bei dem/der eine hohe Auftragsrate sowie eine
große Beschichtungsstärke und eine gute Eindung der aufgetra
genen Schicht am Substrat erzielt werden können.
Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens erfindungsgemäß
auf zweierlei Weise gelöst, je nachdem ob eine Beschichtung
aus amorphem Kohlenstoff von diamantähnlichen Eigenschaften
oder eine Beschichtung von polykristallinem Diamant erzeugt
werden soll. Zur Erzeugung eines diamantähnlichen amorphem
Kohlenstoffniederschlages wird nach der Gesamtheit der Merkma
le von Anspruch 1 verfahren, wogegen zur polykristallinen Dia
mantabscheidung nach der Gesamtheit der Merkmale von Anspruch
2 verfahren wird. Auch für die Vorrichtungen gibt es erfin
dungsgemäß zwei entsprechend unterschiedliche Vorschläge. Die
Vorrichtung nach der Gesamtheit der Merkmale von Anspruch 27
erzeugt einen diamantähnlichen amorphem Kohlenstoffnieder
schlages, wogegen in der Vorrichtung nach Anspruch 28 der Dia
mant polykristallin auf dem Substrat abgeschieden wird.
Generell wird erfindungsgemäß nach anfänglich gesondertem Zün
den eines Plasmas aus dem Prozeß- und Precursorgas in einem
mäßigen Vakuum aus einem Gemisch von Wasserstoff und Kohlen
wasserstoff anschließend die Plasmawolke ausschließlich durch
kontinuierliche Energieanregung mittels eines fokusierten, mit
seiner Achse zumindest annähernd parallel zur Substratoberflä
che ausgerichteten und im Abstand zu ihr angeordneten Laser
strahls vorzugsweise eines Kohlendioxid-Lasers erzeugt. Die
Plasmawolke wird im Abstand zur Substratoberfläche erzeugt und
die positiv geladenen Kohlenstoffionen werden aus dem Plasma
durch eine Biasspannung oder durch ein Temperaturgefälle auf
das negativ gepolte Substrat beschleunigt, wo sie sich zu te
traedrisch gebundenen Kohlenstoffmolekühlen mit gegenseitig
stochastischer Lage oder zu polykristallinem Diamant vereini
gen und auf der Substratoberfläche festsetzen.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den jeweili
gen Unteransprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Er
findung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausfüh
rungsbeispieles nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen:
Fig. 1 eine auf das prinzipielle beschränkte Aufrißdarstellung
einer Verfahrensanlage zum Beschichten einer Substrato
berfläche mit amorphem Kohlenstoff von diamantähnlichen
Eigenschaften,
Fig. 2 eine orthogonal zu der Darstellung nach Fig. 1 gelegte
Aufrißdarstellung der Anlage nach Fig. 1,
Fig. 3 ein Raman-Verschiebungsdiagramm, welches an einer Be
schichtung mit amorphem Kohlenstoff von diamantähnli
chen Eigenschaften gewonnen wurde und welches in der
gezeigten Form für dies Kohlenstoffmorphologie typisch
ist,
Fig. 4 eine auf das prinzipielle beschränkte Aufrißdarstellung
einer Verfahrensanlage zum Beschichten einer Substrato
berfläche mit polykristallinen Diamant, und
Fig. 5 ein weiteres Raman-Verschiebungsdiagramm, welches an
einer Beschichtung mit polykristallinen Diamant gewon
nen wurde und welches in der in Fig. 5 gezeigten Form
für polykristallinen Diamant typisch ist.
Zunächst sei auf die Vorrichtung bzw. das Verfahren zum Be
schichten einer Substratoberfläche mit amorphem Kohlenstoff
von diamantähnlichen Eigenschaften nach den Fig. 1 und 2
bzw. dem Raman-Verschiebungsdiagramm nach Fig. 3 näher einge
gangen. Im Anschluß daran soll dann die in Fig. 4 gezeigte
modifizierte Vorrichtung bzw. das Verfahren zum Beschichten
einer Substratoberfläche mit polykristallinen Diamant und ein
Beispiel mit dem Raman-Verschiebungsdiagramm nach Fig. 5 er
läutert werden.
Die Vorrichtung zum Beschichten einer Substratoberfläche mit
amorphem Kohlenstoff von diamantähnlichen Eigenschaften nach
den Fig. 1 und 2 weist eine das zu behandelnde Substrat 7
aufnehmende, gasdicht verschließbare und durch eine ange
schlossene Vakuumpumpe 26 auf einen bestimmten Unterdruck eva
kuierbare Arbeitskammer 1 auf. Da je nach Einsatzgebiet mit
Absolutdrücken im Bereich von 1 bis 1000 mbar, vorzugsweise im
Bereich von 100 bis 200 mbar gearbeitet wird, muß die Vakuum
pumpe auf die Erzeugung derartiger Unterdrücke ausgelegt sein.
In der Regel ist eine Auslegung auf die Erzeugung eines Abso
lutdruckes von mindestens 100 mbar ausreichend.
Der untere Teil der Arbeitskammer ist beim dargestellten Aus
führungsbeispiel durch eine Aufnahmewanne 2 gebildet, in der
ein elektrisch und ferngesteuert mittels Verstellantriebe 5
betätigbarer Kreuzschlitten 4 aufgenommen ist. Der Kreuz
schlitten seinerseits trägt oberseitig einen an das jeweilige,
zu beschichtende Substrat 7 adaptierten Substratträger 6, der
schließlich lagedefiniert das Substrat aufnimmt. Da das Be
schichten der Substratoberfläche mit amorphem Kohlenstoff von
diamantähnlichen Eigenschaften bei einer geringen Oberflächen
temperatur durchgeführt werden soll, ist der Substratträger 6
- wie durch die strichpunktierten Linien angedeutet ist - über
Kühlleitungen 8 in einen Kühlkreislauf einbezogen. Zum Be
schichten des Substrats 7 mit amorphem Kohlenstoff von diaman
tähnlichen Eigenschaften muß das lagedefiniert im Substratträ
ger aufgenommene Substrat elektrisch isoliert in der Arbeits
kammer gehaltert und über eine mit ihm kontaktierte, nach au
ßerhalb der Arbeitskammer 1 führende, elektrische Leitung 29
seitens einer Spannungsquelle 16 auf ein negatives Potential
in Höhe von -100 bis -1000 Volt, vorzugsweise etwa -800 Volt
gelegt sein. Der Substraträger muß daher aus einem elekrisch
isolierenden Werkstoff bestehen und einer entsprechend hohen
Durchschlagspannung ohne weiteres standhalten können. Das Sub
strat selber muß zumindest oberflächlich elektrisch leitend
sein. Sofern also ein Substrat aus einem elektrisch nichtlei
tenden Werkstoff mit amorphem Kohlenstoff von diamantähnlichen
Eigenschaften beschichtet werden soll, muß das Substrat in dem
zu beschichtenden Bereich zuvor mit einem matallischen Belag
versehen werden.
Die Aufnahmewanne 2 umschließt die Erwähnten Teile etwa bis
zur Höhe des Substratträgers. Durch die Wandungen der Aufnah
mewanne sind die Leitungen für Kühlungen oder Spannungsversor
gung gasdicht hindurchgeführt, so daß die geschlossene Ar
beitskammer wirksam auf den geforderten, unterhalb des Umge
bungsluftdruckes liegenden Arbeitsdruck evakuiert werden kann
und sich - bei diesem geringen Arbeitsdruck - mit einem Pro
zeß- und Precursorgas definierter Zusammensetzung beschicken
läßt.
Der obere Teil der Arbeitskammer ist beim dargestellten Aus
führungsbeispiel als Abdeckhaube 3 ausgebildet, die sich gas
dicht auf den oberen Begrenzungsflansch der Aufnahmewanne auf
setzen läßt. Auch die Abdeckhaube weist zur Funktionserfüllung
verschiedene Merkmale auf. Oberseitig ist an der Abdeckhaube
ein Eintrittfenster 9 für einen von einem Laserresonator zuge
führten Laserstrahl vorgesehen.
An sich ist die Wellenlänge des Laserstrahles von untergeord
neter Bedeutung, solange nur sichergestellt ist, daß die
Strahlung im Bereich der Wärmestrahlung liegt und vom Prozeß-
und Precursorgas in einer wärmeerzeugenden Weise absorbiert
wird, so daß das gewünschte Plasma überhaupt erzeugt werden
kann. Mit Rücksicht auf die größte Verbreitung von CO2-Lasern
in der industriellen Praxis und deren vergleichsweise hohen
Leistungen wird jedoch empfohlen, vorliegend einen Kohlendio
xidlaser zu verwenden. Es wird mit Laserleistungen im Bereich
von 5 bis 10 kW, vorzugsweise 7 bis 8 kW gearbeitet.
Innerhalb der Arbeitskammer 1 ist unterhalb des Eintrittsfen
sters 9 ein gekühlter Umlenk- und Fokussierungsspiegel 10 zum
Fokussieren des durch das Eintrittsfenster zugeführten Laser
strahles angeordnet. Die Rückseite des Umlenk- und Fokussie
rungsspiegels ist mit Kühlwasser über die Kühlleitungen 11 be
aufschlagbar. Im übrigen ist der Spiegel 10 so justiert, daß
die Achse 30 des umgelenkten Laserstrahls 12 an dem zu be
schichtenden Substrat 7 etwa parallel und in einen Abstand A
vorbeiläuft. Der Querabstand des Fokus' 13 bzw. der Strahlach
se 30 von der zu beschichtenden Substratoberfläche 27 beträgt
1 bis 5 cm, vorzugsweise etwa 2 cm. Ferner ist der Spiegel be
züglich seiner Brennweite derart ausgebildet, daß der Fokus 13
des fokussierten Laserstrahls 12 - bei orthogonaler Sicht auf
die zu beschichtende Oberfläche 27 des Substrates 7 - etwa
mittig oberhalb des zu beschichtenden Bereiches des Substrates
liegt.
Der divergierende Teil des Laserstrahls 12 trifft auf die eine
Seitenwand der Abdeckhaube 3. Damit er diese nicht unkontrol
liert aufheizt, ist an der Auftreffstelle des Laserstrahles 12
ein Strahlansorber 15 abgebracht, der ebenfalls an einen Kühl
kreislauf angeschlossen ist.
Durch den fokussierten Laserstrahl läßt sich selbst bei den
eingesetzten Laserleistungen und den hohen, im Fokus auftre
tenden Energiedichten das Prozeß- und Precursorgas nicht ioni
sieren, sondern lediglich ein bereits bestehender Ionisie
rungszustand aufrecht erhalten. Deshalb muß zu Startzwecken
das Plasma auf andere Weise erzeugt werden. Aus diesem Grunde
ist innerhalb der Arbeitskammer 1 eine Einrichtung angeordnet,
mit der vorübergehend ein Plasma in dem Precursorgas zumindest
in der Nähe des Laserstrahlfocus' 13 gezündet werden kann. Bei
dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die
Einrichtung zum anfänglichen Zünden eines Plasmas aus dem Pre
cursorgas aus einem Paar gegenüberliegender, beweglicher, an
die unterschiedlichen Pole einer Spannungsquelle 19 ange
schlossener, sich nicht verzehrender Elektroden 17, 17' vor
zugsweise aus einer Wolfram-Legierung. Durch kleine Druckluft
zylinder 18, 18' können die axialbeweglich und elektrisch iso
liert geführten Elektroden 17, 17' aufeinander zu und mit ih
ren Spitzen in den Fokusbereich des Laserstrahles 12 hinein
bewegt werden, wodurch bei Spannungsbeaufschlagung ein Licht
bogen gezündet und eine Plasmawolke 14 initiiert werden kann.
Die so erzeugte Plasmawolke wird durch den fokussierten Laserstrahl
12 aufrechterhalten. Nach dem Zünden werden die Elek
troden 17, 17' durch Rückzugsfedern, die zugleich auch der
Spannungsversorgung dienen, wieder ganz aus dem Fokusbereich
herausbewegt.
Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß die Einrichtung
zum anfänglichen Zünden eines Plasmas aus dem Precursorgas al
ternativ auch als eine bewegliche Hilfselektrode, vorzugsweise
aus einer Wolframlegierung ausgebildet sein kann. Zum Bilden
einer Plasmawolke wird die Hilfselektrode mit ihrer Spitze ge
steuert in den Fokus des Laserstrahles hineinbewegt, wodurch
aufgrund der hohen Strahlenergie und der Festkörpereigenschaft
der Hilfselektrode ein Plasma unter Verzehr eines gewissen
Teiles der Hilfselektrode entsteht. Dieses elektrodengenerier
te Plasma dient als Initialisierung für die Fortführung eines
prozeßgas-generierten Plasmas. Nach dem Zünden dieses Plasmas
wird die Hilfselektrode ganz aus dem Fokusbereich herausbe
wegt. Eine weitere Alternative zur anfänglichen Initierung ei
nes Plasmas durch einen Lichtbogen besteht in einer Entla
dungszündung mittels eines Paares ortsfester Elektroden nach
dem Vorbild einer Gemischzündung in Verbrennungsmotoren durch
eine Zündkerze. Die Entladungszündung wird dabei seitens einer
Induktivität durch eine Stromunterbrechung ausgelöst.
Die einzelnen Komponenten des Prozeß- und. Precursorgases sind
in Gasflaschen 21, 22 und 23 für Argon (21), Wasserstoff (22)
und Methan (23) vorgehalten. Über jeweils ein Dosierventil 31
wird ein für die richtige Zusammensetzung des Prozeßgases er
forderliche Teilgasmenge freigegeben. Die Teilmengen werden in
einer Mischkammer 24 gemischt und über eine Dosierpumpe 25 in
gezielter über den Gaszufuhranschluß 20 in die Arbeitskammer
eingeschleust.
Mit einer derartigen Vorrichtung kann die Oberfläche 27 des
Substrates 7 mit amorphem Kohlenstoff von diamantähnlichen Ei
genschaften beschichtet werden. Nachdem das Substrat auf dem
Substratträger positioniert, die Arbeitskammer 1 geschlossen,
evakuiert und mit Prozeß- und Precursorgas beschickt ist, der
Laserstrahl eingeschaltet, eine anfängliche Plasmawolke gezün
det und das Substrat unter Biasspannung gesetzt ist, kann der
CVD-Beschichtungsvorgang mit der Laseranregung des Plasmas be
gonnen und fortgesetzt werden. Dabei wird mit dem im Abstand A
etwa parallel zur Substratoberfläche 27 geführten Laserstrahl
12 eine Plasmawolke 14 aus positiv geladenen Kohlenstoffionen
und aus reaktivem, atomarem Wasserstoffes erzeugt. Abgesehen
vor der anfänglich gesonderten Zündung des Plasmas wird die
Plasmawolke 14 aus einem Gemisch von einem Edelgas, von Was
serstoff und Kohlenwasserstoff anschließend ausschließlich
durch kontinuierliche Energieanregung mittels des fokusierten
Laserstrahls 12 erzeugt. Die Kohlenstoffionen des Plasmas wer
den durch eine Beschleunigungsspannung auf die Oberfläche 27
des negativ geladenen Substrats 7 niedergeschlagen, wo sie
sich zu tetraedrisch gebundenen Kohlenstoffmolekühlen mit ge
genseitig stochastischer Lage vereinigen und auf der Substra
toberfläche 27 festsetzen.
Zum Beschichten einer Substratoberfläche mit amorphem Kohlen
stoff von diamantähnlichen Eigenschaften enthält das Prozeßgas
etwa 10 Vol.-% Edelgas, insbesondere Argon und im übrigen ein
aus Wasserstoff und einem Kohlenwasserstoffgas, insbesondere
Methan bestehendes Precursorgas, wobei das Precursorgas sei
nerseits etwa 90 Vol.-% Kohlenwasserstoffgas, vorzugsweise Me
than, bezogen auf die Precursorgasmenge, enthält.
Mit dem im Zusammenhang mit der Anlage nach den Fig. 1 und
2 geschilderten Verfahren können alle denkbaren Werkstoffe,
d. h. Substrate aus Metall, Glas, Keramik oder Kunststoffe be
schichtet werden. Letzteres ist vor allem deshalb möglich,
weil das Beschichten etwa bei Raumtemperatur auf der Substrat
oberfläche stattfindet. Auf jedem Fall wird die Beschichtung
bei einer Oberflächentemperatur des Substrates 7 von weniger
als 300°C durchgeführt. Trotz einer Strahlungserwärmung des
Substrates seitens der Plasmawolke kann eine niedrige Oberflä
chentemperatur durch eine künstliche Kühlung des Substrates
sichergestellt werden, z. B. indem das Substrat zumindest mit
telbar, d. h. vom Substratträger 6 her, gekühlt wird.
Mit dem Verfahren kann auf dem Substrat 7 ein annähernd runder
Oberflächenbereich mit einer Fläche von etwa 2 cm2 gleichzei
tig beschichtet werden. Dabei können ebene, gewölbte, gewellte
oder gestufte Substrate 7 von runder, quadratischer oder läng
lich-rechteckiger Umrißform beschichtet und Beschichtungsstär
ken bis zu 15 µm und mehr aufgetragen werden. Das Substrat 7
wird während einer der gewünschten Beschichtungsstärke ent
sprechenden Beschichtungsdauer behandelt, wobei pro Minute ei
ne Beschichtungsstärke von etwa 0,5 bis 0,1 µm aufgetragen
wird.
Nachfolgend sei Beispiel für eine Beschichtung mit amorhem
Kohlenstoff von diamantähnlichen Eigenschaften referiert. Als
Substrat wurde ein Siliziumwafer verwendet, weil dieser Werk
stoff sich technisch am einfachsten für eine solche Beschich
tung eignet. Es sei aber gleich bemerkt, daß das Beschich
tungsverfahren nicht an diesen Werkstoff gebunden ist. Das
Substrat wurde in einem Alkoholbad im Ultraschall gereinigt
und so in die Arbeitskammer gegeben. Die darin vorliegenden
Arbeitsparameter waren folgende:
Arbeitsdruck (absolut): 400 mbar
Argon (Ar): 4,0 l/min
Wasserstoff (H2): 0,04 l/min
Methan (CH4): 0,36 l/min
Biasspannung: 400 Volt
Fokus-Abstand A: 20 mm
Laserleistung: 8 kW
Arbeitsdruck (absolut): 400 mbar
Argon (Ar): 4,0 l/min
Wasserstoff (H2): 0,04 l/min
Methan (CH4): 0,36 l/min
Biasspannung: 400 Volt
Fokus-Abstand A: 20 mm
Laserleistung: 8 kW
Mit diesen Arbeitswerten wurde das Substrat 20 Minuten lang
beschichtet, wobei eine Beschichtung mit amorhem Kohlenstoff
von diamantähnlichen Eigenschaften in einer Stärke von 150 nm
erzielt wurde. Das anhand dieser Beschichtung gewonnen Raman-
Verschiebungsdigramm ist in Fig. 3 gezeigt. Es zeigt den zur
amorhem Kohlenstoff typischen Verlauf mit einem stark ausge
prägten relativ breiten Intensitätsmaximum bei 1580 cm-1 und
ein schwaches Intensitätsmaximum bei etwa 1380 cm-1.
In Fig. 4 ist eine zu der Verfahrensanlage nach den Fig. 1
und 2 weitgehend gleiche, hinsichtlich einiger Merkmale jedoch
modifizierte Vorrichtung dargestellt, die zum Beschichten der
Oberfläche 27' eines Substrat 7' mit polykristallinem Diamant
verwendet werden kann. In Fig. 4 sind für gleiche Teile wie
in der Vorrichtung nach Fig. 1 und 2 gleiche Bezugszahlen und
für abweichende aber funktionsentsprechende Teile das gleiche,
mit einem hochgestellten Strich (') versehene Bezugszahl ver
wendet, so daß weitgehend auf die vorauf gegangene Beschreibung
verwiesen werden kann.
Auch bei der Vorrichtung nach Fig. 4 ist eine das zu behan
delnde Substrat 7' aufnehmende Arbeitskammer 1' vorgesehen,
die mit einem Precursorgas definierter Zusammensetzung be
schickbar ist. Da das Beschichten der Substratoberfläche 27'
mit polykristallinem Diamant in der Regel bei Umgebungsluft
druck durchgeführt wird, braucht die Arbeitskammer nicht gas
dicht abzuschließen. Sie muß lediglich sicherstellen, daß das
Prozeßgas oberhalb des Substrates in der gewünschten Zusammen
setzung gehalten werden kann. Hierbei ist es vorteilhaft, den
Prozeß mit einem wenige Millibar über dem Umgebungsluftdruck
durchzuführen, weil dann Prozeßgas lediglich an den offenen
Kammerstellen entweicht, jedoch keine Umgebungsluft in die
Kammer eindringen kann. Sofern in Ausnahmefällen die hier zu
behandelnde Art der Beschichtung bei einem geringen Unterdruck
innerhalb der Arbeitskammer durchgeführt werden sollte, so
kommen hier Drücke im Bereich von 500 bis 1000 mbar in Frage.
Das Substrat 7' wird ist lagedefiniert mittels eines Substrat
trägers 6 in der Arbeitskammer 1' gehaltert, wobei es vorlie
gend jedoch nicht auf eine elektrisch isolierende Halterung,
sondern um eine temperaturbeständige Halterung ankommt, weil
diese Art der Beschichtung bei erhöhten Oberflächentemperatu
ren im Bereich von 500 bis 1000°C, vorzugsweise bei etwa 800°C
stattfindet.
Die Arbeitskammer 1' weist oberseitig eine oberhalb des zu be
schichtenden Bereiches der Oberfläche 27' des Substrates liegende
Eintrittsöffnung 9' für einen von einem Laserresonator
zugeführten und durch eine Fokussierungsoptik 28 fokussierten
Laserstrahl 12' auf. Dieser wird so fokussiert, daß der Fokus
13 einen Abstand A von der zu beschichtenden Oberfläche 27'
des Substrates 7' von wenigstens etwa einem Zentimeter auf
weist und - bei orthogonaler Sicht auf die zu beschichtende
Oberfläche 27' des Substrates 7' - etwa mittig zu dem zu be
schichtenden Bereich liegt. Der divergierende, hinter dem Fo
kus 13 liegende Teil des Laserstrahles 12' trifft auf die zu
beschichtende Oberfläche 27' des Substrates 7', wodurch das
Substrat 7' im zu beschichtenden Bereich durch den divergie
renden Laserstrahl 12' erwärmt wird.
Auch bei der Vorrichtung nach Fig. 4 ist innerhalb der Ar
beitskammer 1' eine Einrichtung angeordnet, mit der vorüberge
hend ein Plasma in dem Precursorgas zumindest in der Nähe des
Laserstrahlfocus' 13 gezündet werden kann. In soweit kann auf
die Beschreibung im Zusammenhang mit der Vorrichtung nach den
Fig. 1 und 2 verwiesen werden.
Auch beim Beschichten der Substratoberfläche 27' mit polykri
stallinem Diamant wird im Abstand A zur Substratoberfläche ei
ne Plasmawolke 14' aus Kohlenstoffionen und aus reaktivem,
atomarem Wasserstoffes erzeugt. Das dabei verwendete Prozeßgas
enthält etwa 90 Vol.-% Edelgas, insbesondere Argon und im üb
rigen ein aus Wasserstoff und einem Kohlenwasserstoffgas, ins
besondere Methan bestehendes Precursorgas, wobei das Precur
sorgas seinerseits zu etwa 1 bis 5 Vol.-%, vorzugsweise etwa 3 Vol.-%
Kohlenwasserstoffgas, bezogen auf die Precursorgasmenge
enthält. Die Kohlenstoffionen werden bei diesem Beschichtungs
verfahren durch ein Temperaturgefälle zwischen der Plasmawolke
14' mit etwa 6000°C einerseits und Substratoberfläche 27' (et
wa 800°C) andererseits auf die Substratoberfläche niederge
schlagen, wo sie sich zu polykristallinem Diamant vereinigen
und auf der Substratoberfläche 27' festsetzen.
Auch für diese Beschichtungsart sei nachfolgend Beispiel refe
riert. Als Substrat wurde ein Wolframblech verwendet, weil
dieser Werkstoff besonders temperaturbeständig ist. Das Sub
strat wurde zunächst mit einer Diamantpaste poliert und an
schließend in einem Alkoholbad im Ultraschall gereinigt. Die
so vorbehandelte Probe wurde in die Arbeitskammer gegeben und
mit folgenden Arbeitsparameter beschichtet:
Arbeitsdruck: Umgebungsluftdruck
Argon (Ar): 30 l/min
Wasserstoff (H2): 2,94 l/min
Methan (CH4): 0,06 l/min
Oberflächentemperatur: gemäß Strahllage, Strahlleistung und Fokusabstand
Fokus-Abstand A: 35 mm
Laserleistung: 7 kW
Arbeitsdruck: Umgebungsluftdruck
Argon (Ar): 30 l/min
Wasserstoff (H2): 2,94 l/min
Methan (CH4): 0,06 l/min
Oberflächentemperatur: gemäß Strahllage, Strahlleistung und Fokusabstand
Fokus-Abstand A: 35 mm
Laserleistung: 7 kW
Mit diesen Arbeitswerten würde das Substrat 20 Minuten lang
beschichtet, wobei eine Beschichtung von polykristallinem Dia
mant in einer Stärke von 20 µm erzielt wurde. Das anhand die
ser Beschichtung gewonnen Raman-Verschiebungsdigramm ist in
Fig. 5 gezeigt. Es zeigt den für polykristallinem Diamant ty
pischen Verlauf mit einem stark ausgeprägten sehr schmalen und
spitzen Intensitätsmaximum bei 1332 cm-1 und ein schwaches und
sehr flaches Intensitätsmaximum bei etwa 1550 cm-1.
1
,
1
' Arbeitskammer
2
,
2
' Aufnahmewanne
3
,
3
' Abdeckhaube
4
Kreuzschlitten
5
Verstellantrieb
6
Objektträger
7
,
7
' Substrat
8
Substratkühlung
9
Eintrittsfenster (
Fig.
1
)
9
' Eintrittsöffnung (
Fig.
3
)
10
Umlenkspiegel
11
Spiegelkühlung
12
,
12
' Laserstrahl
13
Fokus
A Abstand des Fokus' von Substrat
A Abstand des Fokus' von Substrat
14
,
14
' Plasmawolke
15
Strahlabsorber
16
Bias-Spannungsquelle
17
,
17
' Zündelektrode
18
,
18
' Verschiebeantrieb
19
Zündtransformator
20
Gaszufuhr
21
Argonflasche
22
Wasserstoffflasche
23
Kohlenwasserstoffflasche
24
Mischkammer
25
Dosierpumpe
26
Vakuumpumpe
26
Vakuumpumpe
27
,
27
' Substratoberfläche
28
Fokussierungsoptik
29
Leitung für Bias-Spannung
30
Strahlachse
31
Dosierventile
Claims (34)
1. Verfahren zum Beschichten einer Substratoberfläche (27) mit
amorphem Kohlenstoff von diamantähnlichen Eigenschaften, bei
dem im Abstand (A) zur Substratoberfläche (27) eine Plasmawol
ke (14) aus positiv geladenen Kohlenstoffionen und aus reakti
vem, atomarem Wasserstoffes erzeugt wird und die Kohlenstoff
ionen durch eine Beschleunigungsspannung (Spannungsquelle 16)
auf die Oberfläche (27) des negativ geladenen Substrats (7)
niedergeschlagen werden, wo sie sich zu tetraedrisch gebunde
nen Kohlenstoffmolekühlen mit gegenseitig stochastischer Lage
vereinigen und auf der Substratoberfläche (27) festsetzen, wo
bei die Plasmawolke (14) aus einem Gemisch von einem Edelgas,
von Wasserstoff und Kohlenwasserstoff nach anfänglicher geson
derter Zündung des Plasmas anschließend ausschließlich durch
kontinuierliche Energieanregung mittels eines fokusierten (Fo
kus 13), mit seiner Achse zumindest annähernd parallel zur
Substratoberfläche (27) ausgerichteten und im Abstand (A) zu
ihr angeordneten Laserstrahls (12) erzeugt wird.
2. Verfahren zum Beschichten einer Substratoberfläche (27')
mit polykristallinem Diamant, bei dem im Abstand (A) zur Sub
stratoberfläche (27') eine Plasmawolke (14') aus positiv gela
denen Kohlenstoffionen und aus reaktivem, atomarem Wasserstof
fes erzeugt wird und die Kohlenstoffionen durch ein Tempera
turgefälle zwischen Plasmawolke (14') und Substratoberfläche
(27') auf diese (27') niedergeschlagen werden, wo sie sich zu
polykristallinem Diamant vereinigen und auf der Substratober
fläche (27') festsetzen, wobei die Plasmawolke (14') aus einem
Gemisch von einem Edelgas, von Wasserstoff und Kohlenwasser
stoff nach anfänglicher gesonderter Zündung des Plasmas an
schließend ausschließlich durch kontinuierliche Energieanre
gung mittels eines fokussierten Laserstrahls (12') erzeugt
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß als Edelgas Argon verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Prozeß der Plasmaerzeugung durch einen Lichtbogen gestar
tet und danach mit der Energieanregung durch Laserenergie
fortgesetzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
nach einem Start der Plasmaerzeugung die Zündelektroden (17,
17') seitlich aus der Plasmawolke (14, 14') herausgezogen wer
den.
6. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
als Zündelektroden (17, 17') solche aus einer Wolfram-Legie
rung verwendet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Prozeß der Plasmaerzeugung durch Beaufschlagung eines vor
übergehend in den Fokus des Laserstrahles gehaltenen, vorzugs
weise stiftförmigen Hilfskörpers gestartet und danach mit der
Energieanregung durch Laserenergie fortgesetzt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
als Hilfskörper eine Metallelektrode vorzugsweise aus einer
Wolframlegierung verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Plasma durch die Laserenergie eines Kohlendioxid-Lasers
erzeugt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Querabstand des Fokus' (13) bzw. der Strahlachse von der
zu beschichtenden Oberfläche (27, 27') des Substrats (7) 1 bis
5 cm, vorzugsweise etwa 2 cm beträgt.
11. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
als Kohlenwasserstoff im Precursorgas Methan verwendet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
Substrate (7) aus Metall, Glas, Keramik oder Kunststoffe be
schichtet werden.
13. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
auf dem Substrat (7) ein annähernd runder Oberflächenbereich
mit einer Fläche von etwa 2 cm2 gleichzeitig beschichtet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
ebene, gewölbte, gewellte oder gestufte Substrate (7) von run
der, quadratischer oder länglich-rechteckiger Umrißform be
schichtet werden.
15. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
Beschichtungsstärken bis zu 15 µm und mehr aufgetragen werden.
16. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Substrat (7) während einer der gewünschten Beschichtungs
stärke entsprechenden Beschichtungsdauer behandelt wird, wobei
pro Minute eine Beschichtungsstärke von etwa 0,5 bis 0,1 µm
aufgetragen wird.
17. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Prozeßgas etwa 90 Vol.-% Edelgas, insbesondere Argon und
im übrigen ein aus Wasserstoff und einem Kohlenwasserstoffgas,
insbesondere Methan bestehendes Precursorgas enthält.
18. Verfahren zum diamantähnlichen Beschichten mit amorphem
Kohlenstoff nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Precursorgas seinerseits etwa 90 Vol.-% Kohlenwasserstoff
gas und etwa 10 Vol.-% Wasserstoff, jeweils bezogen auf die
Precursorgasmenge, enthält.
19. Verfahren zum diamantähnlichen Beschichten mit amorphem
Kohlenstoff nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Beschichtung bei einem Kammerdruck von 1 bis 1000 mbar,
vorzugsweise von etwa 100 bis 200 mbar durchgeführt wird.
20. Verfahren zum diamantähnlichen Beschichten mit amorphem
Kohlenstoff nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Beschichtung bei einer Oberflächentemperatur des Substra
tes (7) von weniger als 300°C, vorzugsweise bei Raumtemperatur
durchgeführt wird.
21. Verfahren zum diamantähnlichen Beschichten mit amorphem
Kohlenstoff nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Substrat (7) zumindest mittelbar, d. h. vom Substratträger
(6) her gekühlt wird.
22. Verfahren zum diamantähnlichen Beschichten mit amorphem
Kohlenstoff nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Kohlenstoffionen auf die Oberfläche (27) des negativ gela
denen Substrats (7) durch eine Beschleunigungsspannung in Höhe
von -100 bis -1000 Volt, vorzugsweise etwa -800 Volt nie
dergeschlagen werden.
23. Verfahren zum Beschichten mit polykristallinem Diamant
nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Beschichtung bei einem Kammerdruck von 500 bis 1000 mbar,
vorzugsweise etwa dem Umgebungsluftdruck oder wenige Millibar
darüber durchgeführt wird.
24. Verfahren zum Beschichten mit polykristallinem Diamant
nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Beschichtung bei einer Oberflächentemperatur des Substra
tes (7) von 500 bis 1000°C, vorzugsweise bei etwa 800°C durch
geführt wird.
25. Verfahren zum Beschichten mit polykristallinem Diamant
nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Substrat (7) im zu beschichtenden Bereich durch den diver
gierenden Laserstrahl (12') erwärmt wird.
26. Verfahren zum Beschichten mit polykristallinem Diamant
nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Precursorgas seinerseits etwa 1 bis 5 Vol.-%, vorzugsweise
etwa 3 Vol.-% Kohlenwasserstoffgas, bezogen auf die Precursor
gasmenge und im übrigen Wasserstoff enthält.
27. Vorrichtung zum Beschichten einer Substratoberfläche (27)
mit amorphem Kohlenstoff von diamantähnlichen Eigenschaften,
welche Vorrichtung mit folgenden Merkmalen ausgestattet ist:
eine das zu behandelnde Substrat (7) aufnehmende, gasdicht verschließbare und auf einen bestimmten Unterdruck evaku ierbare Arbeitskammer (1), die mit einem Precursorgas defi nierter Zusammensetzung beschickbar ist,
die Arbeitskammer (1) weist oberseitig ein Eintrittfenster (9) für einen von einem Laserresonator zugeführten Laser strahl auf,
das Substrat (7) mit der zu beschichtenden Oberfläche (27) ist lagedefiniert mittels eines Substratträgers (6) elek trisch isoliert in der Arbeitskammer (1) halterbar und über eine mit dem Substrat (7) kontaktierte, nach außerhalb der Arbeitskammer (1) führende, elektrische Leitung (29) sei tens einer Spannungsquelle (16) auf ein negatives Potential gelegt,
innerhalb der Arbeitskammer (1) ist unterhalb des Ein trittsfensters (9) ein gekühlter (11) Umlenk- und Fokussie rungsspiegel (10) zum Fokussieren (Fokus 13) des durch das Eintrittsfenster (9) zugeführten Laserstrahles angeordnet, wobei die Achse (30) des umgelenkten, an dem zu beschich tenden Substrat (7) vorbeilaufenden, fokussierten Laser strahls (12) im Bereich des Fokus' (13) einen Abstand (A) von der zu beschichtenden Oberfläche (27) des Substrates (7) von wenigstens etwa einem Zentimeter aufweist und wobei der Fokus (13) - bei orthogonaler Sicht auf die zu be schichtende Oberfläche (27) des Substrates (7) - etwa mit tig zu dem zu beschichtenden Bereich liegt,
innerhalb der Arbeitskammer (1) ist eine Einrichtung ange ordnet, mit der vorübergehend ein Plasma in dem Precursor gas zumindest in der Nähe des Laserstrahlfocus' (13) gezün det werden kann.
eine das zu behandelnde Substrat (7) aufnehmende, gasdicht verschließbare und auf einen bestimmten Unterdruck evaku ierbare Arbeitskammer (1), die mit einem Precursorgas defi nierter Zusammensetzung beschickbar ist,
die Arbeitskammer (1) weist oberseitig ein Eintrittfenster (9) für einen von einem Laserresonator zugeführten Laser strahl auf,
das Substrat (7) mit der zu beschichtenden Oberfläche (27) ist lagedefiniert mittels eines Substratträgers (6) elek trisch isoliert in der Arbeitskammer (1) halterbar und über eine mit dem Substrat (7) kontaktierte, nach außerhalb der Arbeitskammer (1) führende, elektrische Leitung (29) sei tens einer Spannungsquelle (16) auf ein negatives Potential gelegt,
innerhalb der Arbeitskammer (1) ist unterhalb des Ein trittsfensters (9) ein gekühlter (11) Umlenk- und Fokussie rungsspiegel (10) zum Fokussieren (Fokus 13) des durch das Eintrittsfenster (9) zugeführten Laserstrahles angeordnet, wobei die Achse (30) des umgelenkten, an dem zu beschich tenden Substrat (7) vorbeilaufenden, fokussierten Laser strahls (12) im Bereich des Fokus' (13) einen Abstand (A) von der zu beschichtenden Oberfläche (27) des Substrates (7) von wenigstens etwa einem Zentimeter aufweist und wobei der Fokus (13) - bei orthogonaler Sicht auf die zu be schichtende Oberfläche (27) des Substrates (7) - etwa mit tig zu dem zu beschichtenden Bereich liegt,
innerhalb der Arbeitskammer (1) ist eine Einrichtung ange ordnet, mit der vorübergehend ein Plasma in dem Precursor gas zumindest in der Nähe des Laserstrahlfocus' (13) gezün det werden kann.
28. Vorrichtung zum Beschichten einer Substratoberfläche (27')
mit polykristallinem Diamant, welche Vorrichtung mit folgenden
Merkmalen ausgestattet ist:
eine das zu behandelnde Substrat (7') aufnehmende Arbeits kammer (1'), die mit einem Precursorgas definierter Zusam mensetzung beschickbar ist,
das Substrat (7') mit der zu beschichtenden Oberfläche (27') ist lagedefiniert mittels eines Substratträgers (6) in der Arbeitskammer (1') halterbar,
die Arbeitskammer (1') weist oberseitig eine oberhalb des zu beschichtenden Bereiches der Oberfläche (27') des Substrates liegende Eintrittsöffnung (9) für einen von einem Laserresonator zugeführten und durch eine Fokussierungsop tik (28) fokussierten Laserstrahl (12') auf,
der Fokus (13) des fokussierten Laserstrahls (12') weist einen Abstand (A) von der zu beschichtenden Oberfläche (27') des Substrates (7') von wenigstens etwa einem Zenti meter auf und liegt - bei orthogonaler Sicht auf die zu be schichtende Oberfläche (27') des Substrates (7') - etwa mittig innerhalb des zu beschichtenden Bereichs, wobei der divergierende, hinter den Fokus (13) liegende Teil des La serstrahles (12') auf die zu beschichtende Oberfläche (27') des Substrates (7') trifft,
innerhalb der Arbeitskammer (1') ist eine Einrichtung ange ordnet, mit der vorübergehend ein Plasma in dem Precursor gas zumindest in der Nähe des Laserstrahlfocus' (13) gezün det werden kann.
eine das zu behandelnde Substrat (7') aufnehmende Arbeits kammer (1'), die mit einem Precursorgas definierter Zusam mensetzung beschickbar ist,
das Substrat (7') mit der zu beschichtenden Oberfläche (27') ist lagedefiniert mittels eines Substratträgers (6) in der Arbeitskammer (1') halterbar,
die Arbeitskammer (1') weist oberseitig eine oberhalb des zu beschichtenden Bereiches der Oberfläche (27') des Substrates liegende Eintrittsöffnung (9) für einen von einem Laserresonator zugeführten und durch eine Fokussierungsop tik (28) fokussierten Laserstrahl (12') auf,
der Fokus (13) des fokussierten Laserstrahls (12') weist einen Abstand (A) von der zu beschichtenden Oberfläche (27') des Substrates (7') von wenigstens etwa einem Zenti meter auf und liegt - bei orthogonaler Sicht auf die zu be schichtende Oberfläche (27') des Substrates (7') - etwa mittig innerhalb des zu beschichtenden Bereichs, wobei der divergierende, hinter den Fokus (13) liegende Teil des La serstrahles (12') auf die zu beschichtende Oberfläche (27') des Substrates (7') trifft,
innerhalb der Arbeitskammer (1') ist eine Einrichtung ange ordnet, mit der vorübergehend ein Plasma in dem Precursor gas zumindest in der Nähe des Laserstrahlfocus' (13) gezün det werden kann.
29. Vorrichtung nach Anspruch 27 oder 28,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Laserresonator als ein CO2-Laser ausgebildet ist.
30. Vorrichtung nach Anspruch 27 oder 28,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Einrichtung zum anfänglichen Zünden eines Plasmas aus dem
Precursorgas als ein Paar beweglicher, an die unterschiedli
chen Pole eine Spannungsquelle (19) angeschlossener Elektroden
(17, 17') vorzugsweise aus einer Wolfram-Legierung ausgebildet
ist, welche Elektroden (17, 17') zum Zünden eines Lichtbogens
mit ihren Spitzen gesteuert in den Fokusbereich (13) des La
serstrahles (12, 12') hinein und/ oder aufeinander zu bewegbar
und nach dem Zünden ganz aus dem Fokusbereich wieder herausbe
wegbar sind (Antrieb 18, 18').
31. Vorrichtung nach Anspruch 27 oder 28,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Einrichtung zum anfänglichen Zünden eines Plasmas aus dem
Precursorgas als eine bewegliche Hilfselektrode, vorzugsweise
aus einer Wolframlegierung ausgebildet ist, welche Elektrode
zum Bilden einer Plasmawolke mittels des Laserstrahls mit ih
rer Spitze gesteuert in den Fokus des Laserstrahles hinein und
nach dem Zünden eines Plasmas ganz aus dem Fokusbereich wieder
herausbewegbar ist.
32. Vorrichtung zum Beschichten einer Substratoberfläche mit
amorphem Kohlenstoff von diamantähnlichen Eigenschaften, nach
Anspruch 27,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Spannungsquelle (16) für die Beschleunigungsspannung eine
Spannung in Höhe von -100 bis -1000 Volt, vorzugsweise etwa
-800 Volt besitzt.
33. Vorrichtung zum Beschichten einer Substratoberfläche mit
amorphem Kohlenstoff von diamantähnlichen Eigenschaften nach
Anspruch 27,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Laserstrahl (12) mit seiner Achse (30) zumindest annähernd
parallel zur Substratoberfläche (27) ausgerichtet ist.
34. Vorrichtung zum Beschichten einer Substratoberfläche mit
amorphem Kohlenstoff von diamantähnlichen Eigenschaften nach
Anspruch 27,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Vakuumpumpe (26) zum Evakuieren der Arbeitskammer (1) für
Unterdrücke bis mindestens 100 mbar ausgelegt ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2000155609 DE10055609A1 (de) | 2000-11-09 | 2000-11-09 | Verfahren und Vorrichtung zum Beschichten eines Substrates mit amorphem Kohlenstoff diamantähnlicher Eigensschaften oder mit polykristallinem Diamant |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2000155609 DE10055609A1 (de) | 2000-11-09 | 2000-11-09 | Verfahren und Vorrichtung zum Beschichten eines Substrates mit amorphem Kohlenstoff diamantähnlicher Eigensschaften oder mit polykristallinem Diamant |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10055609A1 true DE10055609A1 (de) | 2002-05-23 |
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ID=7662735
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DE2000155609 Withdrawn DE10055609A1 (de) | 2000-11-09 | 2000-11-09 | Verfahren und Vorrichtung zum Beschichten eines Substrates mit amorphem Kohlenstoff diamantähnlicher Eigensschaften oder mit polykristallinem Diamant |
Country Status (1)
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---|---|
DE (1) | DE10055609A1 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1627934A3 (de) * | 2004-08-13 | 2006-03-29 | Ngk Insulators, Ltd. | Dünnschichten und Verfahren zu ihrer Herstellung |
US7883750B2 (en) | 2003-02-18 | 2011-02-08 | Ngk Insulators, Ltd. | Thin films and a method for producing the same |
-
2000
- 2000-11-09 DE DE2000155609 patent/DE10055609A1/de not_active Withdrawn
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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EP1627934A3 (de) * | 2004-08-13 | 2006-03-29 | Ngk Insulators, Ltd. | Dünnschichten und Verfahren zu ihrer Herstellung |
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |