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Heißdrahtaktiviertes CVD

2018-07-19T18:52:11

Die heißdraht-aktivierte CVD hat im Bereich der Verschleißschutzschichten wird zur Abscheidung von Diamantschichten genutzt. Das Verfahren kommt zum Einsatz, wenn chemische Reaktionen in der Gasphase (oberhalb der Substratoberfläche) nötig sind, um die Schichtbildung zu ermögliche. Die Aktivierung kann durch Flammen, mit einem Plasma oder mit heißen Drähten (Filamenten), die im Gasraum aufgespannt sind, erfolgen. Für Diamantschichten wird die Plasmaaktivierung angewandt, um Diamantschichten mit hoher Schichtstärke (Dickschichten) abzuscheiden. Diese bis zu 500 µm dicken Diamantschichten werden vom Substrat abgelöst und als Halbzeug für Diamantschneideinsätze in CVD-Diamant-Dickschichtwerkzeugen verwendet [VDI2841]. Sie ist darüber hinaus die häufigste verwendete Methode zur Abscheidung von Diamantdünnschichten, zum Beispiel auf Zerspanungswerkzeugen mit üblichen Dicken von 6 µm bis 15 µm.

Die Aktivierung bei der CVD-Diamantsynthese durch heiße Drähte (Oberflächentemperaturen 2000 °C bis 2800 °C) bewirkt eine Aufspaltung des Wasserstoffs in Radikale (Dissoziation). Diese sehr reaktionsfreudigen Wasserstoffradikale bewirken die notwendigen chemischen Reaktionen in der Gasphase und auf der Substratoberfläche für die Bildung von Diamant. Die Drähte bestehen üblicherweise aus den hochschmelzenden Metallen Tantal oder Wolfram. Sie werden in der Beschichtungsanlage aufgespannt und mit Stromdurchfluss aufgeheizt (Abb. 1). Da die in der Nähe der Drähte entstehenden Gaspezies nur eine geringe Lebensdauer haben, müssen sich die Drähte in der Nähe der Substratoberfläche mit einem Abstand von 5 mm bis 30 mm befinden. Die Drähte werden dazu meist gitterförmig angeordnet und können vertikal oder horizontal ausgerichtet sein. Die Substrate werden passend dazu entweder auf vertikalen Stabhalterungen oder auf einem horizontalen Tisch platziert. Die Aufspannung der Drähte muss so erfolgen, dass die durch das Aufheizen entstehende Verlängung der Drähte (bis zu mehreren Zentimetern) nicht zum Verbiegen führt. Die heißen Drähte heizen nicht nur die Gasphase sondern auch die Substrate, die zur Schichtbildung eine Temperatur zwischen 500 °C und 1000 °C haben sollten. Die Prozesse werden leistungs- oder temperaturgesteuert durchgeführt. Die Temperaturmessung erfolgt durch Thermoelemente in der Gasphase oder im Substrat.

Abb. 1: Schichtbildungsmechanismus der heißdrahtaktivierten CVD zur Diamantbeschichtung von Werkzeugen (Quelle: Fraunhofer IST)

 

Die Gasphase bei der CVD-Diamantsynthese besteht typisch aus 0,5 % bis 3 % Methan (CH4) in Wasserstoff (H2). Es sind über einhundert chemische Reaktionen bekannt, die sich während der CVD-Diamantprozesse ablaufen. Die wesentlichen bestehen neben der Wasserstoffdissoziation in der Bildung von Methylradikalen (CH3), die sich an der Substratoberfläche anlagern, sowie in der Rekombination der Wasserstoffradikale mit den Wasserstoffatomen der angelagerten Methylradikale, bis sich ein weiteres Methylradikal anlagern kann. Durch kontinuierliche Wiederholung des Prozesses entsteht Atom für Atom eine reine, wasserstofffreie Kohlenstoffschicht. Bei Einhaltung bestimmter Prozessfenster entsteht eine Kohlenstoffschicht im kristallinen Diamantgitter (Abb. 2). Bei veränderten Prozessbedingungen lassen sich Graphitschichten, amorphe Kohlenstoffschichten oder Mischungen daraus abscheiden.

Abb. 2: CVD-Diamantschicht auf einem Hartmetallsubstrat, präparierte Bruchfläche (Quelle: Fraunhofer IST)

 

Durch die komplexe Reaktionschemie sind die Schichtwachstumsraten bei der Diamantschichtbildung im Vergleich zu anderen CVD-Schichtsynthesen gering. Sie betragen in der Regel 0,1 µm/h bis 0,5 µm/h. Bei einer typischen Werkzeugschichtdicke von 12 µm dauern die Prozesse daher meist mehrere zehn Stunden. Neben der aufwändigen Substratvorbehandlung, die bei Hartmetallwerkzeugen nötig ist, ist das ein weiterer Grund dafür, dass Diamantbeschichtungen teurer sind als keramische Hartstoffbeschichtungen.

Autoren: Dr.-Ing. Jan Gäbler, Dr.-Ing. Jochen Brand, Dipl.-Ing. Hanno Paschke, Fraunhofer IST; Dr. Ingolf Endler, Fraunhofer IKTS

Literatur

Schultrich, B. Chemische Gasphasenabscheidung (CVD); Vakuum in Forschung und Praxis, 2016, 28(2), 36-37