Hochratesynthese von Hartstoffschichten auf Siliciumbasis - Qucosa ...

2. Stand der Forschung
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expansion in eine Vakuumkammer unterliegt die Mischung hohen Abkühlgeschwindigkeiten,
so dass die Keimbildung und das Wachstum nanoskaliger Partikel aus dem übersättigten
Dampf induziert wird. Die hohe Druckdifferenz zwischen dem Brennerinneren (> 10 5 Pa) und
der Reaktorkammer (ca. 10 2 Pa) bewirkt hohe Gasgeschwindigkeiten und somit eine starke
Beschleunigung der Partikel, die mit Geschwindigkeiten von über 1.000 m/s auf der Oberfläche
eines gekühlten Substrats auftreffen. Beim Aufprall kompaktieren die Partikel zu
Schichten, die keine weitere Nachbehandlung benötigen, obwohl diese die Schichteigenschaften
noch verbessern kann [Heb97].
Mittels HPPD werden unter Einsatz von SiCl4 und Methan Silicium- und Siliciumcarbidschichten
mit Abscheideraten von 3.600 µm/h bzw. 1.500 µm/h hergestellt. Die Größe der im
Flug vermessenen Partikel stimmt mit der Korngröße in den Schichten - durchschnittlich ca.
10 nm - überein. Wenn diese nanoskaligen Partikel zu einem dünnen Strahl fokussiert werden,
was mittels eines Blendensystems möglich ist, ist die Fertigung von nanostrukturierten
Bauteilen möglich. Zum Beispiel ist die Herstellung von SiC Türmen mit einem Durchmesser
von weniger als 100 nm und einer Höhe von über einem Zentimeter dokumentiert [Tym99].
Untersuchungen zum Abscheiden von Si-C(-N) Schichten aus flüssigen Precursoren sind der
Literatur weder für DC noch für HF Brennersysteme zu entnehmen.
2.3 Modelle zur Schichtentstehung
Die Mechanismen beim Abscheiden von Si-C(-N) Schichten in TPCVD Prozessen sind
bislang weder für gasförmige noch für flüssige Precursoren untersucht worden. Der einzige
Schichtwerkstoff, für dessen Synthese mittels TPCVD Modelle zur Schichtentstehung
entwickelt wurden, ist Diamant. Da der Kohlenstoff im Diamant sp 3 -hybridisiert vorliegt,
entspricht die Elektronenkonfiguration der des Siliciums und Kohlenstoffs im SiC. Darüber
hinaus weisen sowohl Diamant als auch SiC kovalenten Bindungscharakter auf. Aus diesem
Grund ist anzunehmen, dass das Abscheiden über vergleichbare Mechanismen erfolgt. Im
Folgenden sind Modelle für die einzelnen Prozessschritte von der Injektion der Precursoren
über deren Wechselwirkung mit dem Plasmastrahl bis hin zu Oberflächenreaktionen beim
Schichtwachstum für die TPCVD Diamantsynthese dargestellt.
2.3.1 Speziesbildung im Plasmastrahl
Beim Abscheiden von Schichten aus der Gasphase in thermischen Plasmen liegen die injizierten
Precursoren auf Grund der hohen Energiedichte (~ 20 kW/cm 3 für DC Plasmen,
~ 1 kW/cm 3 für HF Plasmen) in fast vollständig dissoziiertem Zustand vor [Gir93a]. Das gilt