VDI 2840 - Beuth Verlag

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– 10 – VDI 2840 Entwurf Alle Rechte vorbehalten © Verein Deutscher Ingenieure, Düsseldorf 2004 Nr. 2.5: Tetraedrische wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten ta-C:H Auch bei den wasserstoffhaltigen amorphen Kohlenstoffschichten können sich überwiegend sp 3 - Hybridisierungen zwischen den Kohlenstoffatomen ausbilden [7]. Diese ta-C:H-Schichten werden zurzeit noch nicht industriell eingesetzt. Da sie jedoch bereits weit erforscht sind und ihre Eigenschaften bekannt sind, wurden sie in diese Richtlinie aufgenommen. Die modifizierten wasserstoffhaltigen amorphen Kohlenstoffschichten teilen sich nach den Modifizierungselementen in zwei weitere Gruppen auf: die metallhaltigen und die mit Nichtmetallen modifizierten wasserstoffhaltigen amorphen Kohlenstoffschichten. Die zusätzlich eingebauten Elemente werden mit ihren Kürzeln ebenfalls mit Doppelpunkt an die Abkürzung a-C:H angehängt (z. B. a-C:H:Si:O). Nr. 2.6: Metallhaltige wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten a-C:H:Me Die metallhaltigen wasserstoffhaltigen amorphen Kohlenstoffschichten enthalten metallische Elemente, z. B. Wolfram (a-C:H:W) oder Titan (a-C:H:Ti). Die Motivation besteht, wie bei den metallhaltigen wasserstofffreien amorphen Kohlenstoffschichten, darin, die tribologischen Eigenschaften der Schicht zu beeinflussen (siehe Abschnitt 4.2.1, Nr. 2.3). Nr. 2.7: Modifizierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten a-C:H:X Die mit Nichtmetallen modifizierten wasserstoffhaltigen amorphen Kohlenstoffschichten enthalten nichtmetallische Elemente, wie z. B. Silicium (Si), Sauerstoff (O), Stickstoff (N), Fluor (F) oder Bor (B), die teilweise auch Carbide bilden können (z. B. Si und B). Damit lassen sich spezielle Eigenschaften der Schicht, z. B. die Oberflächenenergie (Adhäsionsneigung, Benetzung), verändern. Weitere Eigenschaften, die mit diesen Zusatzelementen beeinflusst werden können, sind Temperaturbeständigkeit, Transluzenz, Farbe und UV- Beständigkeit. 4.3 Kristalline Kohlenstoffschichten Die kristallinen Kohlenstoffschichten teilen sich auf in Diamantschichten und in Graphitschichten. Unterscheiden lassen sie sich, wie in Abschnitt 3.2 erläutert, durch die Hybridisierung der Kohlenstoffbindungen. Die Kohlenstoffatome der Graphitschichten sind sp 2 -hybridisiert, die der Dia- Lizenzierte Kopie von elektronischem Datenträger mantschichten sind sp 3 -hybridisiert. Beide Schichten enthalten neben dem Kohlenstoff an den Korngrenzen auch sehr geringe Mengen Wasserstoff. 4.3.1 Diamantschichten Die Diamantschichten weisen einen sehr großen Schichtdickenbereich von typisch 1 µm bis 2 mm auf und werden bei Beschichtungstemperaturen von ca. 600 bis 1000 °C abgeschieden. Die CVD-Diamantschichten sind polykristallin, das heißt, die Schicht stellt einen Vielkristall bestehend aus einzelnen, direkt aneinandergrenzenden Kristalliten dar. Abzugrenzen sind sie gegen den Schneidstoff „Polykristalliner Diamant“, den man „PKD“ abkürzt (englisch „PCD“, „polycrystalline diamond“). Hierbei handelt es sich um einen Verbundwerkstoff, der Diamant enthält. Zu seiner Herstellung werden Diamantkristallkörner mit Größen im Mikrometerbereich zusammen mit einem metallischen Binder, z. B. Cobalt, gemischt, gepresst und gesintert. PKD stellt keine Schicht dar, sondern wird als massiver Schneidstoff, meist in Plattenform verarbeitet. Nach DIN ISO 513 wird PKD mit den Kennbuchstaben DP bezeichnet. Bei den Diamantschichten unterscheidet man die Diamantdünnschichten und die Diamantdickschichten. Unter einer Diamantdünnschicht versteht man üblicherweise eine Schicht mit maximal ca. 40 µm Dicke (siehe Tabelle 2). Diamantdickschichten haben typischerweise Dicken von 0,3 bis 2,0 mm, können in bestimmten Fällen jedoch auch Schichtdicken bis hinunter zu ca. 20 µm aufweisen. Im Dickenbereich zwischen ca. 20 und 40 µm gibt es also sowohl Diamantdünnschichten als auch Diamantdickschichten. Als zusätzliches Unterscheidungsmerkmal wird daher die weitere Verarbeitung der Schicht herangezogen. Diamantdünnschichten dienen der direkten Beschichtung von Bauteilen, z. B. Werkzeugen. Diamantdickschichten werden dagegen in der Regel auf einem Hilfssubstrat abgeschieden und anschließend von diesem Substrat abgelöst. Diese Diamantplatten werden dann als freistehender Diamant, z. B. als Strahlungsfenster, eingesetzt oder auf Träger montiert, in der Regel durch Vakuumlöten, um daraus z. B. Werkzeuge herzustellen. Da es sich dann nicht mehr explizit um eine Schicht handelt, spricht man dann oft nicht mehr von CVD- Diamantschichten, sondern von CVD-Diamant. Technologisch gibt es keine prinzipiellen Unterschiede zwischen der Abscheidung von Diamantdünnschichten und der Abscheidung von Diamantdickschichten. Im Unterschied zu konventionellen CVD-Verfahren muss bei der CVD-Abscheidung
Alle Rechte vorbehalten © Verein Deutscher Ingenieure, Düsseldorf 2004 Entwurf VDI 2840 – 11 – von Diamant eine Aktivierung der Gasphase erfolgen. Es werden dazu sehr hohe Gastemperaturen von über 2500 °C erzeugt, um bestimmte chemische Reaktionen in der Gasphase zu initiieren. Die Aktivierung kann mit einem Plasma (PA-CVD), mit durch Widerstandsheizung elektrisch aufgeheizten Drähten (Heißdraht-Verfahren, Hot- Filament-Verfahren), mit einer Flamme oder mit einem Laserstrahl erfolgen. Prinzipiell können mit allen Aktivierungsverfahren sowohl Dünnschichten als auch Dickschichten hergestellt werden. Für Dickschichten hat die plasmaaktivierte Abscheidung die größte Verbreitung. Für Dünnschichten sind Plasmaaktivierung und Heißdrahtaktivierung ungefähr gleich stark verbreitet. Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal der Diamantschichten besteht in der Dotierung. Neben den üblicherweise undotierten Schichten gibt es sowohl bei den Dünnschichten als auch bei den Dickschichten dotierte Varianten (Nr. 3.3 und Nr. 3.5), um eine elektrische Leitfähigkeit zu erzeugen. Bei den Diamantdickschichten kann man so außerdem eine Farbgebung erreichen. (Mit Bor erreicht man eine Blaufärbung des Diamanten, mit Stickstoff eine gelbe oder braune Farbe.) Die Diamantdünnschichten haben in der Regel aufgrund der Schichtrauheit und der Korngrenzen ein graues Aussehen. Abgelöste Diamantdünnschichten zeigen wie die Diamantdickschichten eine gewisse Transluzenz. Zum Aufwachsen von Diamantschichten müssen sich im Allgemeinen Diamantkeime auf der Substratoberfläche befinden, die als Startkristalle dienen und von denen aus die Schicht wächst. Das kann entweder dadurch geschehen, dass kleine, nanometergroße Diamantkristalle aufgebracht werden, oder in-situ durch das Auftreffen von beschleunigten Kohlenstoffmolekülen im Vakuum, z. B. durch das Anlegen einer Spannung an das Substrat (Bias-Bekeimung). Nr. 3.1: Nanokristalline CVD-Diamantschichten Die undotierten Diamantdünnschichten werden aufgeteilt nach ihrer Kristallitgröße. Zur Herstellung von nanokristallinen Diamantschichten (Bild 7) werden die Wachstumsbedingungen so eingestellt, dass ständig neue Keime entstehen. Ein Größenwachstum einzelner Kristallite ist so nicht möglich. Die Kristallitgröße bleibt über die gesamte Schichtdicke stets im Nanometerbereich, so dass die Schichten im Vergleich zu den statistisch orientierten, mikrokristallinen Diamantschichten keine erkennbare Struktur und eine wesentlich glattere Lizenzierte Kopie von elektronischem Datenträger Oberfläche aufweisen (Bild 8). Als Maßstab zur Unterscheidung dient die sichtbare laterale Kristallitgröße an der Schichtoberseite. Bild 7. Schematisches Wachstumsmodell einer nanokristallinen Diamantschicht unten: Substratseite; oben: Wachstumsseite; Schwarz sind die Keime dargestellt, unten: vor der Beschichtung aufgebrachte Keime; in der Schicht bilden sich während des Wachstums Sekundärkeime. Bild 8. REM-Aufnahme der präparierten Bruchfläche einer nanokristallinen Diamantschicht auf Hartmetall Nr. 3.2: Mikrokristalline CVD-Diamantschichten Die standardmäßigen Diamantschichten werden mikrokristallin abgeschieden. Die Kristallite wachsen dabei, ausgehend von den Keimen, je nach ihrer Kristallorientierung unterschiedlich schnell, so dass langsam wachsende von schnell wachsenden Kristalliten überwachsen werden (Bild 9). Dadurch wird die Kristallitgröße an der Oberfläche der Schicht mit zunehmender Schichtdicke stetig größer und es bildet sich das typische Aussehen einer mikrokristallinen CVD-Diamantschicht mit scharfkantigen Kristallflächen (Bild 10). Wenn alle Kristallorientierungen zufällig und gleichmäßig verteilt vorkommen, nennt man diese Schichten statistisch orientiert.
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