Hochratesynthese von Hartstoffschichten auf Siliciumbasis - Qucosa ...

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4. Methodische Vorgehensweise
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4. Methodische Vorgehensweise
Methodisch ist die Arbeit so angelegt, dass die grundlegenden Zusammenhänge zwischen
Substratwerkstoff, Precursoren, Prozessführung und der Mikrostruktur der Schichten aufgeklärt
werden. Die Auswahl der Substratwerkstoffe erfolgt vor dem Hintergrund potenzieller
Anwendungsfelder für Si-C-N Schichtsysteme. Bei der Precursorauswahl sind neben wirtschaftlichen
und arbeitssicherheitstechnischen Aspekten aus wissenschaftlicher Sicht die molaren
Verhältnisse von Si zu C und N zu berücksichtigen und systematisch zu variieren. Um
den Einfluss der Prozessführung zu klären, muss ein möglichst weiter Parameterbereich für
die Temperatur- und Geschwindigkeitsfelder untersucht werden. Hieraus resultiert der Einsatz
unterschiedlicher Plasmabrenner, deren Plasmastrahlen unter den Prozessbedingungen umfassend
charakterisiert werden. In der Korrelation der Schichtmorphologie und -struktur mit den
Prozessbedingungen und den Precursoren werden unter Zuhilfenahme prozessdiagnostischer
Mittel die Abscheidemechanismen erarbeitet.
4.1 Substratwerkstoffe
Für TPCVD Prozesse können prinzipiell alle Werkstoffe als Substrat eingesetzt werden, die
unter den Prozessbedingungen beständig sind. Zum einen muss der Schmelzpunkt hoch genug
sein, um eine ausreichende Substrattemperatur für das Wirken der Schichtbildungsmechanismen
an der Oberfläche zu ermöglichen. Zum anderen muss der Dampfdruck niedrig genug
sein, damit das zu beschichtende Bauteil in der Niederdruckatmosphäre und insbesondere bei
Wärmezufuhr durch den Plasmastrahl nicht verdampft. Wenn das Gefüge des zu beschichtenden
Werkstoffs nicht beeinträchtigt werden darf, kann die maximal zulässige Substrattemperatur
auch deutlich weniger als die Schmelz- oder Zersetzungstemperatur betragen.
Weitere Beschränkungen in der Substratmaterialwahl beziehungsweise weitere Anforderungen
an die Prozessführung entstehen durch das thermische Ausdehnungsverhalten und die
Reaktivität des Substratmaterials mit dem Beschichtungswerkstoff. Je höher der Unterschied
der thermischen Ausdehnung von Substrat und Beschichtung ist, um so geringere Substrattemperaturen
während der Schichtsynthese sind möglich, um das Entstehen unzulässiger Eigenspannungen
oder gar das Versagen des Verbundes bei der Abkühlung zu vermeiden.
Besteht die Möglichkeit chemischer Reaktionen zwischen Substrat und Beschichtung unter
den Prozessbedingungen, so sind zumindest niedrige Diffusionskoeffizienten der jeweiligen
Elemente in den Reaktionszonen notwendig, um ein unzulässiges Wachstum einer Reaktionsschicht
zu vermeiden und die Schichtbildung zu erlauben. Silicium und Kohlenstoff gehen mit
einer Vielzahl von Metallen bereits im festen Zustand bei erhöhten Temperaturen Reaktionen