Grundlagen

Grundlagen der ta-C Schichtherstellung

Einteilung der DLC-Schichttypen nach Jacob/Möller/Robertson
© Foto Fraunhofer IWS Dresden

Einteilung der DLC-Schichttypen nach Jacob/Möller/Robertson

Zu den diamantähnlichen Kohlenstoffschichten (DLC, diamond-like carbon) zählt man alle amorphen Kohlenstoffschichten mit einem signifikanten Anteil diamantartig gebundener Kohlenstoffatome. Neben den diamantartig gebundenen C-Atomen (sp3-hybridisiert) ist der Rest der C-Atome weitgehend grafitisch gebunden (sp2-hybridisiert). Außer dem sp3/sp2-Verhältnis ist noch der Anteil von Wasserstoff entscheident, da einige DLC-Schichten aus Kohlenwasserstoffen erzeugt werden und diese Schichten daher zwangsläufig einen gewissen H-Anteil aufweisen. Nach Jacob/Möller/Robertson kann man die DLC-Schichttypen in einem Phasendiagramm einordnen.

Die ta-C-Schichten enthalten keinen signifikanten H-Anteil, da sie nicht aus Kohlenwasserstoff, sondern aus festem Kohlenstoff (Grafit) gewonnen werden. Der sp3-Anteil in ta-C-Schichten liegt je nach Herstellungsbedingungen zwischen 50 und 90%. Damit reichen die ta-C-Schichten mit Abstand am weitesten an die Eigenschaften von kristallinem Diamant heran.

Voraussetzungen für die ta-C Schichtherstellung

20 µm dicke Diamor®-Schicht auf Stahl als Bruch-Querschnitt im Rasterelektronenmikroskop
© Foto Fraunhofer IWS Dresden

20 µm dicke Diamor®-Schicht auf Stahl als Bruch-Querschnitt im Rasterelektronenmikroskop

Die Abscheidung von ta-C-Schichten erfolgt im Hochvakuum mit Hilfe eines Kohlenstoff-Plasmas, wobei zwei entscheidende Bedingungen für einen hohen sp3-Anteil gegeben sein müssen: eine hohe kinetische Energie (einige 10 eV) aller  Beschichtungsteilchen sowie eine hinreichend niedrige Beschichtungstemperatur (< 150 °C). Der maximal mögliche sp3-Anteil von etwa 90 % wird mit Teilchenenergien von ca. 100 eV bei niedrigen Temperaturen (Raumtemperatur) erreicht.

Die für die ta-C-Abscheidung erforderlichen energiereichen Kohlenstoff-Plasmen können durch Vakuumbogenverdampfung (Arc), gepulste Laserablation (PLD) oder Hochleistungsimpulsmagnetronsputtern (HIPIMS) von Grafit-Targets erzeugt werden, wobei das PLD- und das HIPIMS-Verfahren bisher aus Effizienzgründen für die meisten industriellen Anwendungen ausscheiden.

Die hohe Effektivität des Arc-Verfahrens wurde am IWS mit der guten Steuerbarkeit des PLD-Verfahrens verknüpft und daraus die Laser-Arc-Technologie entwickelt.

ta-C Schichtbildung

Atomistische Simulation der ta-C-Struktur mit sp3- (dunkel) und sp2- (hell) hybridisierten C-Atomen
© Foto Fraunhofer IWS Dresden

Atomistische Simulation der ta-C-Struktur mit sp3- (dunkel) und sp2- (hell) hybridisierten C-Atomen

Diamor®-Schichtquerschnitt mit nanolagiger Struktur im Transmissionselektronen-mikroskop
© Foto Fraunhofer IWS Dresden

Diamor®-Schichtquerschnitt mit nanolagiger Struktur im Transmissionselektronen-mikroskop

Voraussetzung für die Bildung von sp3-Bindungen ist eine Subplantation, d.h. das Eindringen der Kohlenstoff-Beschichtungsteilchen durch die obersten Atomlagen der Schichtoberfläche. Durch Verdrängung der Nachbaratome entsteht eine kurzzeitige Hochdrucksituation mit gleichzeitiger starker lokaler Aufheizung – genau die für sp3-Diamantbindung günstigen Bedingungen. Durch eine rasche Abkühlung wird der Zustand eingefroren, d.h. eine Umwandlung in die eigentliche Gleichgewichtsstruktur sp2 verhindert. Durch die nachfolgend abgeschiedenen Kohlenstofflagen werden die Entspannungsmöglichkeiten zunehmend eingeschränkt, so dass die Struktur auch bei nachfolgender Erwärmung bis ca. 600°C ihren Bindungscharakter nicht ändern.

Bedingt durch die hohen Druckeigenspannungen in ta-C-Schichten (bis zu 10 GPa) tendieren diese ohne geeignete Maßnahmen zum Abplatzen vom Substrat, insbesondere bei größeren Schichtdicken. Dem kann man durch einen geeigneten nanolagigen Schichtaufbau entgegenwirken. Eine Mehrlagigkeit mit periodisch variierendem sp3-Anteil (und damit E-Modul, Dichte) ensteht von Natur aus durch die sich periodisch ändernden Beschichtungsbedingungen (vor allem Plasmaauftreffwinkel) an rotierend beschichteten Objekten. Durch eine gezielte Ausnutzung kann eine geeignete Nanostrukturierung der ta-C Schicht erreicht werden.

Mit einem optimiertem Übergangs- und Haftschichtaufbau in Kombination mit der Nanolagigkeit ist es am IWS gelungen, haftfeste ta-C Schichten mit Schichtdicken weit über 10 µm auf Hartmetallen und verschiedensten Stahlwerkstoffen abzuscheiden.