Grundlagenuntersuchungen zur Laser- Plasma-CVD Synthese von Diamant und amorphen Kohlenstoffen

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1 Grundlagenuntersuchungen zur Laser- Plasma-CVD Synthese von Diamant und amorphen Kohlenstoffen Von Dr.-Ing. Michael Sebastian Universität Stuttgart Herbert Utz Verlag Wissenschaft München

2 D 93 Als Dissertation genehmigt von der Fakultät für Konstruktions- und Fertigungstechnik der Universität Stuttgart Hauptberichter: Mitberichter: Prof. Dr. rer. nat. habil. Friedrich Dausinger Prof. Dr. rer. nat. habil. Rainer Gadow Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugleich: Dissertation, Stuttgart, Univ., 2002 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, der Entnahme von Abbildungen, der Wiedergabe auf photomechanischem oder ähnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben auch bei nur auszugsweiser Verwendung vorbehalten. Copyright Herbert Utz Verlag GmbH 2002 ISBN X Printed in Germany Herbert Utz Verlag GmbH, München Tel.: 089/ Fax: 089/

3 Inhaltsverzeichnis Kurzfassung 5 Inhaltsverzeichnis 7 Abkürzungen und Formelzeichen 12 Extended Abstract 16 1 Einleitung Hintergrund und Motivation der Arbeit Zielsetzung und Aufbau der Arbeit 20 2 Schichttechnologie Werkstoffe PVD- und CVD-Verfahren der Dünnschichttechnologie Physical Vapor Deposition (PVD-Verfahren) Laser PVD Chemical Vapor Deposition (CVD-Verfahren) Thermische CVD Plasmaaktivierte CVD Laser CVD 30 3 Einteilung der Kohlenstoffmodifikationen Graphit und graphitische Materialien Kristallstruktur von einkristallinem Graphit Struktur graphitischer Materialien Eigenschaften und Anwendungen Diamant Kristallstruktur von Diamant Eigenschaften und Anwendungen Amorphe Kohlenstoffe Struktur amorpher Kohlenstoffe Eigenschaften und Anwendungen 39 4 Charakterisierung der Kohlenstoffmodifikationen Charakterisierung der Mikrostruktur Ramanspektroskopie Der Ramaneffekt 43

4 8 Inhaltsverzeichnis Ramanspektren von Graphit und graphitischen Materialien Ramanspektren von Diamant Ramanspektren amorpher Kohlenstoffe Meßaufbau zur Ramananalyse Rasterelektronenmikroskopie Röntgendiffraktometrie Mechanische Eigenschaften Mikrohärte Kritische Last des Versagens (Scratch-Test) Oberflächenrauheit Schichtdicke 53 5 Verfahren zur Synthese der sp 3 -Phase Synthese von Diamant Nukleations- und Wachstumsprozeß CVD-Syntheseverfahren Synthese von diamantähnlichem amorphem Kohlenstoff Nukleations- und Wachstumsprozeß PVD-Syntheseverfahren 62 6 Laser-Plasma-Technologie Das Plasma Plasmatemperatur Dissoziation, Ionisation und Rekombination im Plasma Das Laserplasma Einkoppelbarkeit elektromagnetischer Strahlung in Plasmen Absorptionsprozesse im Laserplasma Direkte Ionisation von Atomen oder Molekülen Multiphotonenabsorption Inverse Bremsstrahlung Verlustprozesse im Laserplasma Ambipolare Diffusion Strahlungsrekombination Dreierstoßrekombination Bilanzgleichungen und Existenzkurven Plasmazündung und kontinuierliche optische Entladung (COD) Einfluß der Gaskomposition auf die Plasmaeigenschaften Dissoziation von Wasserstoff und Methan Ionisation von Argon, Wasserstoff und Kohlenstoff 81

5 Inhaltsverzeichnis Enthalpie der Prozeßgase im Plasma Wärmeleitfähigkeit von Argon-Wasserstoff-Gasgemischen 85 7 LPCVD-Synthese von Diamant Aufbau der Versuchsanlage Versuchsrezipient Laser und Strahlführung Substrathalter Gase und Gasregelung Zündelektroden Auswahl der Prozeßparameter Auswahl der Gaszusammensetzung Bestimmung der Prozeßgasmengen Einfluß der Prozeßtemperatur und des Arbeitsabstandes Auswahl der Substratwerkstoffe Carbidbildende Werkstoffe Sinterhartmetall Stahl Substratvorbehandlung Zusammenfassende Darstellung der Prozeßparameterauswahl Experimentelle Ergebnisse Einfluß des H 2 /CH 4 -Verhältnisses Einfluß der Substrattemperatur Mechanische Eigenschaften Mikrohärte Oberflächenrauheit Schichthaftung Diskussion der Ergebnisse Einfluß der Prozeßparameter Homogenität und Reproduzierbarkeit LPCVD-Synthese amorpher Kohlenstoffe Aufbau der Versuchsanlage Vakuumkammer Laser und Strahlführung Substrathalter Gasregelung Druckregelung Zündelektroden 112

6 10 Inhaltsverzeichnis 8.2 Auswahl der Prozeßparameter Auswahl der Gaszusammensetzung Bestimmung der Prozeßgasmengen Bestimmung der Substrattemperatur Bestimmung der erreichbaren Teilchenenergien Substratauswahl und vorbehandlung Zusammenfassende Darstellung der Prozeßparameterauswahl Experimentelle Ergebnisse Einfluß der Biasspannung Einfluß des H 2 /CH 4 Verhältnisses Mechanische Eigenschaften Schichtdicke und Wachstumsrate Mikrohärte Oberflächenrauheit und Haftfestigkeit Diskussion der Ergebnisse Einfluß der Prozeßparameter Homogenität und Reproduzierbarkeit Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis 139

7 1 Einleitung Die zunehmende Belastung unserer Umwelt durch Haushalte, Verkehr und Produktion, sowie der globale ökonomische Wettbewerb erfordern eine ökologische und ökonomische Umorientierung, sowohl bei der Entwicklung neuer Produkte, als auch bei den eingesetzten Fertigungsverfahren. In diesem Zusammenhang hat insbesondere der Schutz von Bauteiloberflächen vor Reibung, Verschleiß und Korrosion in den letzten Jahren wesentlich an Bedeutung gewonnen. 1.1 Hintergrund und Motivation der Arbeit Wurden in der Vergangenheit durch Verschleiß und Korrosion beanspruchte Bauteile, soweit dies technologisch möglich war, in Massivbauweise dargestellt, eröffnen heutzutage moderne Verfahren der Oberflächentechnologie neue Möglichkeiten, dem Verschleißproblem effizient zu begegnen. Ziel der Oberflächentechnologie ist es, ausschließlich die beanspruchte Bauteiloberfläche mit einem geeigneten Oberflächenschutz zu versehen [1]. Für den Grundkörper verwendet man ein einfaches Material, dessen Oberfläche durch eine spezifische Materialmodifikation den geforderten mechanischen, optischen, elektrischen oder chemischen Eigenschaften angepaßt werden kann. Die fertigungstechnischen Vorteile, die sich aus dieser Strategie der Oberflächenmodifizierung ergeben, lassen sich wie folgt beschreiben [2]: Ressourcenschonung seltener Rohstoffe, sowie Vermeidung ökonomischer Abhängigkeiten von strategischen Materialien. Produktionskostensenkung durch Verwendung billiger Grundwerkstoffe mit hochwertigen Beschichtungen. Optimale Paarung von Grund- und Oberflächenwerkstoffeigenschaften. Steigerung der Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit von Bauteilen.

8 1.1 Hintergrund und Motivation der Arbeit 19 Die Auswahl eines geeigneten Verfahrens zur Oberflächenmodifikation ist nicht nur abhängig von den spezifischen Anforderungen an die Funktionsfläche des Bauteils, sondern auch von den Kombinationsmöglichkeiten zwischen Grund- und Oberflächenwerkstoff, und insbesondere von der Effizienz des jeweiligen Verfahrens. In diesem Zusammenhang gewinnen unter den Beschichtungsverfahren der Dünnschichttechnologie die PVD- (Physical Vapor Deposition) und CVD- (Chemical Vapor Deposition) Verfahren zunehmend an Bedeutung. Denn aufgrund ihrer verfahrensspezifischen Merkmale stellen sie eine interessante Ergänzung zu klassischen Beschichtungsverfahren, wie etwa dem thermischen Spritzen oder dem Auftragsschweissen dar [3]: Eine Vielzahl an Substratmaterialien, wie z.b. Metalle, Legierungen, Keramik, Glas, Plastik, etc. können beschichtet werden. Der Aufbau von Schichtsystemen, sogenannten Multilayern, wird möglich. Als letzter Prozeß in der Fertigungskette entfällt durch die Dünnschichttechnologie die Nachbearbeitung von Bauteilen. Durch die Dünnschichttechnologie wird die Synthese einer Vielzahl an Schichtmaterialien erst möglich. Zwei Materialien, die sich mit Hilfe der Dünnschichttechnologie synthetisieren lassen, und die sich durch ihre tribologischen Eigenschaften insbesondere als Verschleißschutzschichten eignen, sind der Diamant und die amorphen Kohlenstoffe. Ihre industrielle Bedeutung resultiert aus einer einzigartigen Kombination herausragender physikalischer und chemischer Eigenschaften: Diamant besitzt unter allen Werkstoffen die größte Härte von 90 GPa. Darüber hinaus zeichnet er sich als sehr guter Wärmeleiter aus und besitzt einen Reibungskoeffizient, der vergleichbar dem von Stahl gegen Eis bei 0 C ist. Die amorphen Kohlenstoffe, allen voran ihr härtester Vertreter, der sogenannte diamantähnliche Kohlenstoff (Diamond Like Carbon, DLC), besitzt ebenfalls eine sehr hohe Härte von bis zu 80 GPa und ist gegenüber vielen Chemikalien inert. Darüber hinaus zeichnet er sich insbesondere aufgrund seiner geringen Oberflächenrauheit von weniger als 1 nm durch einen sehr niedrigen Reibungskoeffzienten aus [4]. Trotz der Vielzahl an existierenden PVD- und CVD-Verfahren zur Synthese beider Materialien konnte sich deren Einsatz am Markt bislang nicht in gewünschtem Maße durchsetzen. Die Ursachen hierfür sind in der mangelnden Effizienz, Prozeßtechnik und Flexibilität der Syntheseverfahren zu suchen, die den flächendeckenden

9 20 1 Einleitung industriellen Einsatz begrenzen, bzw. lediglich in Produktnischen erlauben [5]. Da die Filmwachstumsrate des Verfahrens in erster Näherung linear mit der Prozeßtemperatur korreliert, eröffnen neue, lasergestützte Verfahren, und unter diesen insbesondere das Laser-Plasma-CVD-Verfahren, neue Chancen. Denn die hohen Plasmatemperaturen, welche durch eine kontinuierliche optische Entladung der Gasatmosphäre im Fokus eines CO 2 -Laserstrahls entstehen, gewährleisten eine effiziente Zerlegung der Prozeßgase und ermöglichen Schichtwachstumsraten von mehreren Mikrometern pro Minute [6]. 1.2 Zielsetzung und Aufbau der Arbeit Im Rahmen dieser Arbeit soll aus oben genannten Gründen das sogenannte Laser- Plasma-CVD-Verfahren als effizientes Verfahren zur Synthese von Verschleißschutzschichten aus Diamant und den amorphen Kohlenstoffen qualifiziert werden. Im Einzelnen sind hierzu folgende Aufgaben zu lösen: Entwicklung von Systemtechnik: Dies beinhaltet die Darstellung geeigneter Versuchsanlagen, die den spezifischen Nukleations- und Wachstumsbedingungen der verschiedenen Materialien gerecht werden. Grundlagenuntersuchungen zu Fragen der Plasmastabilität in Abhängigkeit der Prozeßgase, sowie der Laserleistung, bzw. der Laserintensität. Synthese der jeweiligen Materialien in Abhängigkeit der einzelnen Prozeßparameter und Analyse der Schichten hinsichtlich Struktur, Wachstumsverhalten und Qualität. Gesamtziel dieser Arbeit ist es, ein umfassendes Prozeßverständnis zur Laser-Plasma- CVD-Synthese von Diamant und den amorphen Kohlenstoffen zu erhalten, welches es ermöglicht, Verfahrensempfehlungen zu geben, bzw. Verfahrensgrenzen aufzuzeigen. Der Aufbau der Arbeit gliedert sich wie folgt: In Kapitel 2 werden die Verfahren der Dünnschichttechnologie, insbesondere die PVD- (Physical Vapor Deposition) und CVD- (Chemical Vapor Deposition) Verfahren, vorgestellt. Die jeweiligen Unterkapitel beschreiben die Verfahrenscharakteristika der PVD- und CVD- Technologien, sowie deren Werkstoff- und Applikationsspektrum.

10 1.2 Zielsetzung und Aufbau der Arbeit 21 In Kapitel 3 werden die Kohlenstoffmodifikationen Graphit, Diamant und das Spektrum der amorphen Kohlenstoffe anhand des Hybridisierungszustandes des C- Atoms vorgestellt. Jedes Unterkapitel beschreibt den Aufbau, die wesentlichen physikalischen Eigenschaften und die technische Anwendung des jeweiligen Materials. Kapitel 4 stellt die Charakterisierungsmöglichkeiten der Mikrostruktur und der mechanischen Eigenschaften der Kohlenstoffmodifikationen vor. Unter den Methoden zur Bestimmung der Mikrostruktur kommt insbesondere der Ramanspektroskopie eine ausführliche Darstellung zuteil, da sie bei einer relativ einfach gehaltenen Meßtechnik eindeutig zwischen Graphit- und Diamantbindungen der Kohlenstoffatome unterscheiden kann. Zur Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften der Schichten werden die entsprechenden Meß- und Prüfverfahren vorgestellt. Kapitel 5 stellt die grundlegenden Unterschiede zwischen der Synthese von Diamant und den amorphen Kohlenstoffen anhand von Nukleations- und Wachstumsmodellen vor. Die jeweiligen Verfahren der CVD- und PVD-Technologien, ihre Besonderheiten, Möglichkeiten und Grenzen werden vorgestellt. Nach diesen einleitenden Kapiteln wird in Kapitel 6 die Laser-Plasma-Technologie dargestellt. Aufbauend auf den Grundlagen der Plasmaphysik werden im Folgenden die Wechselwirkung des Laserstrahls mit der Gasatmosphäre und die dabei auftretenden Effekte sowohl mikroskopisch, als auch makroskopisch beschrieben. Die Einflüsse und Spezifika der Gasart auf das Laserplasma schließen das Kapitel ab. In den Kapiteln 7 und 8 werden die Grundlagenuntersuchungen zur Laser-Plasma- CVD-Synthese von Diamant und den amorphen Kohlenstoffen vorgestellt. Beide Kapitel sind analog aufgebaut und gliedern sich in je fünf Teile: Im ersten Teil des jeweiligen Kapitels wird der Versuchsaufbau, abgeleitet von den jeweiligen Nukleations- und Wachstumsbedingungen, beschrieben. Im zweiten Teil werden die prozeßspezifischen Merkmale herausgearbeitet und bewertet. Der dritte Teil bezieht sich auf die Synthese und Analyse der Filme in Abhängigkeit der ermittelten Prozeßparameter. Im letzten Teil erfolgt die Diskussion der Ergebnisse. Kapitel 9 schließt die Arbeit mit der Zusammenfassung und dem Ausblick ab.

11 2 Schichttechnologie Die Veränderung der anwendungsrelevanten Eigenschaften von Bauteil- und Werkzeugoberflächen ist Motivation für den Einsatz moderner Schichttechnologien in der industriellen Fertigung. Ziel aller Verfahren ist, die Funktionalität eines Bauteils oder Werkzeuges durch eine geeignete Oberflächenmodifikation zu verbessern, bzw. neue Anwendungsmöglichkeiten für deren Einsatz zu erschließen. 2.1 Werkstoffe Unter den Methoden zur Oberflächenmodifikation von Feststoffen unterscheidet man zwischen der Modifizierung der oberflächennahen Randzone eines Grundmaterials oder der Erzeugung einer Auftragsschicht auf dem Grundmaterial. Randschichten sind in ihrer chemischen Zusammensetzung zumindest teilweise durch das Grundmaterial festgelegt. Hingegen erlaubt die Erzeugung von Auftragsschichten eine hohe Variabilität bezüglich möglicher Materialkombinationen von Schicht- und Grundmaterial. Im Folgenden sind einige Anwendungsbeispiele für Auftragsschichten aufgelistet: Verschleißschutzschichten In der Werkzeugindustrie werden Bohrer, Fräser, Wendeschneidplatten und Schneidwerkzeuge zur Erhöhung der Standzeit mit Hartstoffschichten, z.b. aus Titannitrid, kubischem Bornitrid, Diamant und DLC beschichtet [7]. Beschichtungen von Kolben, Kolbenringen, Ventilen und Gleitlagern aus Zinn, Eisen, Chrom oder Chromnitrid finden im Motorenbau Verwendung als Einlaufhilfe und zur Verbesserung der Notlaufeigenschaften bei Mangelschmierung [8,9,10]. Korrosionsschutzschichten Beschichtungen aus Zink, Chrom oder Nickel auf Stahl gehören seit langem zu den