Sputter deposition of amorphous carbon thin films in argon, neon and helium atmospheres

Amorphe Kohlenstoffschichten können durch Magnetronsputtern aus festen Kohlenstoffmaterialien abgeschieden werden. Die abgeschiedenen Schichten besitzen eine breite Palette von Eigenschaften, welche sie für zahlreiche Anwendungen einsetzbar macht. In dieser Arbeit wurde der Einfluss des Prozessgases, der Biasspannung und der Leistungsdichte auf den Abscheidungsprozess und die Eigenschaften von amorphen Kohlenstoffschichten, welche durch Magnetronsputtern eines Graphittargets abgeschieden worden sind, untersucht. Kohlenstoffschichten mit Dicken zwischen 1.3 und 2.5 μm wurden in Argon-, Neon- und Heliumatmosphären bei Leistungsdichten zwischen 4.4 und 28 W/cm² abgeschieden. Es wurde festgestellt, dass die Substrattemperatur mit zunehmender Leistungsdichte, Biasspannung und Wärmeleitfähigkeit des Prozessgases ansteigt. Die Mikrostruktur der Schichten wurde sowohl durch Röntgenbeugung als auch mittels Ramanspektroskopie charakterisiert. Es zeigte sich, dass die Beschichtungen hauptsächlich aus nanokristallinem Graphit, mit überwiegendem sp2 Bindungsanteil bestanden. Der Graphit-Anteil nimmt mit steigender Substrattemperatur und Leistungsdichte zu. Weiters sanken mit zunehmendem Graphit-Anteil der elektrische Widerstand, der Elastizitätsmodul und die Härte. Bei hohen Biasspannungen abgeschiedene Schichten weisen einen hohen Verunreinigungsgehalt auf, was zu erhöhten Eigenspannungswerten und damit zu hoher Härte führt. Die Eigenspannungen lagen zwischen -300 und -2900 MPa und Härtewerte von 9.5 bis 33 GPa wurden erreicht. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Substrattemperatur und der Verunreinigungsgrad die einflussreichsten Faktoren sind. Der resultierende Einfluss auf die Mikrostruktur der amorphen Kohlenstoffschichten führte zu Änderungen der mechanischen und elektrischen Eigenschaften.