Plasma-CVD von SiOCN Schichten auf nitrierten und postoxidierten Stählen

Abstract

Mit Hilfe von gepulsten Gleichspannungsglimmentladungsplasmen sollen zwei neuartige Schichtsysteme auf Si-O-C-N-Basis auf unterschiedlich vorbehandelten Stählen untersucht werden, da jene interessante Eigenschaften zeigen. Die Unterschiede ergeben sich durch die unterschiedlichen Gaszusammensetzungen. Eine der beiden Beschichtungen ist isulierend, die andere ist bei höheren Temperaturen leitfähig. Aus diesem Grund wird einmal im bipolaren und ein andermal im unipolaren Modus beschichtet. Für die Beschichtungen werden zwei unterschiedlichen Anlagenaufbauten verwendet. Zum einen ist die geerdete Reaktorwand teil der Gegenelektrode, zum anderen wird ein vom Kessel getrennter floatender Aufbau untersucht.Mit zeitaufgelösten Strom- und Spannungsverläufen sowie CCD-Kamerabildern kann die Entwicklung der Entladung verfolgt und die Stabilität des Plasmas bestimmt werden. Die Vorgänge am Interface werden insitu mittels spektroskopischer Ellipsometrie betrachtet und die Schicht selbst exsitu auf ihre chemische Struktur mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie hin untersucht. Um die Geschehnisse im Plasma und das Schichtwachstum besser verstehen zu können, wird mit Hilfe der Massenspektroskopie ein Teil der Gasphase aus dem Plasma extrahiert und untersucht. Anhand aller gesammelter Daten ist festzuhalten, dass die Hochtemperaturbeschichtung aus einer sp3-hybridisierten Kohlenstoffmatrix mit SiO2C2 und SiO3C als Siliziumkomponenten. Die Niedertemperaturbeschichtung zeigt eine glasähnliche Struktur, bestehend hauptsächlich aus SiO2C2 und SiO3O, mit sp3-hybridisiertem Kohlenstoff als Verunreinigung.Die optimale Hochtemperaturbeschichtung und auch Niedertemperaturbeschichtung ergeben sich im floatenden Aufbau mit zwei Anoden. In diesem Fall ist die Stromdichte in jedem Fall am größten, die Beglimmung gleichmäßig und die Stabilität des Plasmas am besten. Dadurch ist es für beide Schichtsysteme einfacher, eine homogene Entladung zu stabilisieren.<br />Durch die höhere Stromdichte ist weiters eine höhere Abscheiderate erzielbar. Um etwaige negative Einflüsse durch Verunreinigungen auszuschließen, ist eine Konditionierung der Anlage notwendig. Aus diesem Grund wird die Entfernung der Hochtemperaturbeschichtung von Anlagenaufbauten untersucht. Dies beinhaltet neben einer externen Reinigung der Aufbauten mittels Sandstrahlen auch das plasmatechnische Entschichten mit zwei verschiedenen Plasmen, nämlich ein reines Sauerstoff-Argon- und ein Tetrafluormethan-Sauerstoff-Argon-Gemisches.<br />Es ist festzuhalten, dass letzeres die Ätzrate von ungefähr 0,07 µm/h im Fall eines Sauerstoff-Argonplasmas auf 0,5 µm/h erhöhen.

Two entirely new layer systems based on Si-O-C-N are produced through pulsed DC-plasmas on three different pretreated steel substrates.<br />These systems differ in their properties due to different gas phases.<br />One layer is highly insulating and the other one is conducting at higher temperatures. Hence the deposition took place in either bipolar or unipolar puls modus. The layers are prepared using two different charging racks. One time the grounded wall is part of the counter electrode and the other time both electrodes were floating against the reactor wall.<br />To observe the time evolution of current and discharge pattern with voltage an oscilloscope and a CCD-camera with microsecond time resolution are used. The interface is being observed by in-situ spectroscopical ellipsometry and the chemical compounds are determined using x-ray photoelectron spectroscopy. To understand the processes in the plasma itself and to reconstruct the growth of the layer parts of the gas phase were extracted and analyzed by mass spectroscopy.<br />With all the data it is possible to say that the high temperature layer consists of a sp3-hybridized carbon matrix with SiO2C2 and SiO3C as silicon components. The low temperature layer shows a glassy structure consisting mainly of a mixture of SiO2C2 and SiO3C with sp3-hybridized carbon as impurity. For both types of layers the best result are achieved using the floating rack. This is due to a more stable plasma which allows higher current densities and higher growth rates. To avoid negative effects due to impurities in the deposition system it is necessary to work on a cleaning process. This process consists either of sandblasting or of a plasma induced etching using two different kinds of gas phase. One consists of a oxygen-argon mixture the other one of a tetrafluormethane-oxygen-argon-mixture. The result is that one can rise the etch rate from approximately 0,07 µm/h using only oxygen and argon to 0,5 µm/h adding tetrafluormethane to the gas phase.