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– 20 – VDI 2840 Entwurf Alle Rechte vorbehalten © Verein Deutscher Ingenieure, Düsseldorf 2004 Versuche zur Temperaturbeständigkeit lassen sich durch Heizen der Proben in Öfen durchführen. Masseverluste werden durch Gravimetrie gemessen, siehe auch [29]. 5.1.13 Wärmeleitfähigkeit Diamant besitzt mit großem Abstand die höchste Wärmeleitfähigkeit aller bekannten Stoffe. Daher ist er für thermische Anwendungen ein sehr interessantes Material, z. B. als Wärmespreizer für die Mikroelektronik. Bei den zurzeit vorhandenen Anwendungen der amorphen Kohlenstoffschichten spielt die Wärmeleitfähigkeit keine Rolle. Es sind daher keine Werte angegeben. Zur Messung der Wärmeleitfähigkeit von CVD- Diamantschichten kommen mehrere Verfahren zum Einsatz. Als Beispiele lassen sich Festkörpermethoden, wie die Heizbalkenmethode, Methoden, die die Ausbreitung von Wärmewellen akustisch (photoakustisches Verfahren) oder optisch mit einem Laser (Mirage-Technik) detektieren, Puls-Verfahren, wie die Konvergenz- Wärmewellen-Technik, das Laser-Flash- Verfahren oder die laserinduzierte thermische Gitterspektroskopie, oder auch die holographische Interferometrie nennen, siehe auch DIN 30 905, [30; 31]. Es muss beachtet werden, dass die Wärmeleitfähigkeit parallel zur Oberfläche auf Grund der zahlreicheren Korngrenzen geringer ist als senkrecht dazu. Die Wärmeleitfähigkeit von Diamant hat ihr Maximum bei 100 bis 200 K, siehe auch: [32; 33]. 5.1.14 Wärmeausdehnung Die Wärmeausdehnung von abgelöstem CVD- Dickschicht-Diamant lässt sich mit Differential- Dilatometern bestimmen [34]. Die Werte können auch auf Dünnschicht-Diamant übertragen werden. Tabelle 3. Substrate (linker Tabellenteil), Erläuterung siehe Textteil Literatur zur Wärmeausdehnung der amorphen Kohlenstoffschichten siehe [35]. 5.1.15 Härte und Elastizitätsmodul Härte und Elastizitätsmodul (E-Modul) an beschichteten Teilen werden mit der Universalhärteprüfung bestimmt (ISO 14 577-1). Es handelt sich dabei um eine registrierende Eindruckprüfung unter Prüfkrafteinwirkung. Das heißt, die Bestimmung der Größe des Eindrucks erfolgt nicht nachträglich optisch wie bei Brinell, Vickers oder Rockwell, sondern es wird während der Belastung die Eindringtiefe als Näherungswert gemessen. Die Eindringtiefe darf maximal ein Zehntel der Schichtdicke der zu prüfenden Schichten betragen, da sonst die Eigenschaften des Grundwerkstoffs die Messung beeinflussen. Mit so genannten Nanoindentorgeräten, die z. B. auch als Vorsatzgeräte für Rastersondenmikroskope erhältlich sind, kann diese Voraussetzung erreicht werden. Die registrierende Härtemessung, das heißt die kontinuierliche Aufzeichnung von Kraft und Eindringtiefe, hat bei dünnen Schichten den Vorteil, dass man den Beginn der Messverfälschung durch den Grundwerkstoff in einem Absinken des Härtewertes erkennt [36]. Diamantschichten lassen sich auf Grund der annähernd gleichen Härte zwischen Indentor und Probe mit diesem Verfahren nicht messen; anwendbare Verfahren sind in [37; 38] beschrieben. Die E-Moduln aller Kohlenstoffschichttypen lassen sich außerdem mit laserinduzierten Ultraschall- Oberflächenwellen bestimmen (DIN 50 992-1), siehe auch [39]. Schicht-Nr. 1 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 Bezeichnung Empfohlene Abkürzung Plasmapolymerschicht wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschicht Tetraedrischewasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschicht metallhaltigewasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschicht WasserstoffhaltigeamorpheKohlenstoffschicht TetraedrischewasserstoffhaltigeamorpheKohlenstoffschicht Metallhaltigewasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht – a-C ta-C a-C:Me a-C:H ta-C:H a-C:H:Me (Me = W, Ti ...) Beschichtbare Materialien alle vakuumtauglichen Beschichtungstemperatur in °C Lizenzierte Kopie von elektronischem Datenträger Raumtemperatur bis 300 Modifiziertewasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht a-C:H:X (X = Si, O, N, F, B ...)
Alle Rechte vorbehalten © Verein Deutscher Ingenieure, Düsseldorf 2004 Entwurf VDI 2840 – 21 – 5.1.16 Spezifischer elektrischer Widerstand Die Messung des elektrischen Flächenwiderstandes erfolgt üblicherweise mit der Vier-Punkt-Sonden- Methode. Hierbei werden vier Messspitzen in einer linearen Anordnung auf die Schicht gedrückt (DIN 50 431, ASTM F 1711). Durch Differentialmessungen der Einzelwiderstände lässt sich dann der Flächenwiderstand berechnen. 5.2 Beschichtbare Substratmaterialien Hinweise zu den beschichtbaren Substraten gibt Tabelle 3. Die amorphen Kohlenstoffschichten lassen sich auf allen Substratwerkstoffen abscheiden, wenn diese vakuumtauglich sind, das heißt nicht ausgasen. Durch die hohen Abscheidetemperaturen und auf Grund von chemischen Randbedingungen können Diamantschichten dagegen nur auf der angegebenen, sehr eingegrenzten Palette von Substratwerkstoffen abgeschieden werden. Generell ist es bei Diamantschichten weitaus schwieriger als bei den amorphen Kohlenstoffschichten, anwendungsgerechte Haftfestigkeiten zu erzielen. Die wichtigste Voraussetzung für Substratwerkstoffe zur Diamantbeschichtung ist, dass sie eine ausreichend hohe Temperaturbeständigkeit aufweisen. Weiterhin müssen sie der Gaszusammenset- Tabelle 3. Substrate (rechter Tabellenteil), Erläuterung siehe Textteil zung widerstehen können, die bei der Diamantschicht vorherrscht. Meistens wird mit sehr reaktionsfreudigen Wasserstoffradikalen gearbeitet, die viele Werkstoffe angreifen. Außerdem muss die Löslichkeit von Kohlenstoff im Substratwerkstoff beachtet werden. Bei hoher Löslichkeit, z. B. bei Eisenwerkstoffen wie Stahl, ist eine befriedigende Diamantbeschichtung nicht möglich. Bei Hartmetallen, also gesintertem Wolframcarbid, müssen zahlreiche Werkstoffparameter, u. a. der Gehalt an Cobaltbinder, beachtet werden, um haftfeste Diamantschichten zu erhalten. Im Bereich der Metalle laufen zurzeit FuE-Arbeiten zur Abscheidung auf Niob, Titan, Molybdän, Wolfram, Tantal, Nickel, Kupfer, Platin, Iridium, Chrom und anderen. Am weitesten entwickelt als metallische Substratmaterialien sind Niob und Titan. Die Diamantdickschichten werden nur abgelöst weiterverarbeitet, daher sind hier keine Substratmaterialien angegeben. Hergestellt werden sie durch Abscheidung auf z. B. Molybdän oder Silicium. Bei allen Beschichtungswerkstoffen müssen neben der chemischen Zusammensetzung stets weitere Eigenschaften wie Rauheit und Verschmutzung beachtet werden, um gute Haftfestigkeiten zu erreichen. 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 nanokristalline CVD-Diamantschicht mikrokristalline CVD-Diamantschicht dotierte CVD-Diamantschicht CVD-Diamant dotierter CVD-Diamant Graphitschicht – – – – – – Hartmetalle, Silicium, Keramiken, Kohlenstoff-Werkstoffe, Gläser, Metalle (Einschränkungen siehe Textteil) 800 bis 1000 (siehe Textteil) Lizenzierte Kopie von elektronischem Datenträger
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