J. Schalko:
"Deposition and Characterization of PECVD Carbon and Carbon Alloy Films in Various Modifications";
Betreuer/in(nen), Begutachter/in(nen): W. Fallmann; Institut für Industrielle Elektronik und Materialwissenschaften, 2002.
Die vorliegende Arbeit basiert auf laufenden Experimenten im Bereich der PECVD. Kürzlich entdeckte Kohlenstoffallotrope und Diamanten aus der Gasphase können mittels PECVD gewonnen werden. Das war die Hauptursache für die wissenschaftliche Untersuchung von PECVD Kohlenstoffschichten. Es sei auch erwähnt, daß Allotrope wie Diamanten, Fullerene, Graphit u.s.w. Spitzenwerte bei vielen Materialeigenschaften aufweisen und zusätzlich Kohlenstoff als Hauptelement in organischen Verbindungen unverzichtbar für lebende Organismen ist. Die Vielzahl der möglichen Bindungsarten in Verbindung mit genau der richtigen Größe um in vorhanden Lücken von Verbindungen und Kristallen zu passen, sind die Ursache für die Vielfalt der vorhandenen Materialien.
Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit allgemeinen Aspekten des Kohlenstoffatoms, Plasma Physik von PECVD Prozessen bei geringen Temperaturen und Drücken, Analyse von dünnen Kohlenstoffschichten und den Aktivitäten im Bereich von harten Kohlenstoffschichten am Institut für Industrielle Elektronik und Materialwissenschaften in der Vergangenheit.
Das Kohlenstoffatom wird unter besonderer Berücksichtigung seiner ungewöhnlichen Vielzahl von möglichen Bindungsarten (Hybridisierung) in Übereinstimmung mit den Lösungen der Schrödinger Wellenausbreitungsdifferentialgleichung betrachtet. Die Hybridisierung ermöglichte dabei die vorhandene Vielfalt der Kohlenstoffallotope. Ausgesuchte Allotrope werden im Bezug auf deren Eigenschaften und Relevanz diskutiert.
Im zweiten Teil dieser Abhandlung, unterteilt in drei Unterkapitel, werden die im Rahmen der Dissertation ausgeführten Arbeiten betrachtet. Das ersten Unterkapitel widmet sich der Ermittlung der Verdampfungsenthalpie und der Raumtemperaturdampfdruck von der organometallischen Verbindung Tetraethylgermanium. Diese Arbeit basiert auf der Diplomarbeit des Autors, der Konstruktion einer Vorrichtung zur Verdampfung von Flüssigkeiten als reaktiver gasförmiger Ausgangsstoff für PECVD Prozesse. Obwohl die Publikation neuer Materialwerte mit einer genauen Prüfung der Arbeit einhergehen wurden die vorgeschlagen Werte für Tetraethylgermanium akzeptiert. Im Anschluß wurde die Verdampfungsvorrichtung für Tetraethylgermanium zur Abscheidung von Kohlenstoff/Germanium-Mischschichten mit dielektrischen Eigenschaften genutzt. Dabei kamen stabförmige Elektroden zum Einsatz die in ihrem Inneren mit Elektromagneten bestückt waren. Damit war es möglich das Plasma und damit die Abscheidung auf den Bereich der Substrate zu beschränken. Abschließend werden die Ergebnisse der mit Dünnschichtanalysemethoden untersuchten Schichten präsentiert. In der Folge wurde die Stabelektrodennlage auch zur Abscheidung von gut hafteten Kohlenstoffschichten verwendet. Diese Arbeiten werden in Kapitel zwei betrachtet. Durch die Verwendung von niederfrequenten elektrischen Feldern zwischen den Stabelektroden und den Elektromagneten im Inneren ist das absputtern der Metalloberfläche mittels Argon möglich. Da harte Kohlenstoffschichten schlechte Haftungseigenschaften auf unterschiedlichen Substraten zeigen, ist diese Zwischenschicht für die Haftung unerläßlich. Ein Gemisch von Argon und Methan dient dabei als Ausgangsstoff. Die erhaltenen Schichten werden als Elektrodenmaterial in biomedizinischen Sensoren verwendet, da Kohlenstoff ein sehr inertes Verhalten im Bezug auf Belegung und chemischer Deaktivierung der Oberfläche zeigt. In Kapitel drei ist die Konstruktion und Inbetriebnahme einer Hochenergie- Plasmaanlage (bis zu 1000W RF Leistung und 1000°C Reaktortemperatur) beschrieben. Besonderer Wert wurde dabei auf die Hochtemperaturfestigkeit der Anlage gelegt was durch den Mangel an Erfahrung im Umgang mit Hochtemperaturmaterialien mit einer erheblichen Anzahl von Testversuchen verbunden war. Die Maschine wurde für die Abscheidung von polykristallinen Diamanten und für das Wachstum von C-Nanotubes konstruiert. Um das Verhältnis der Anzahl von Diamant- (sp3) zu Graphitbindung (sp2) zu bestimmen wurden erste Beschichtungsversuche ausgeführt und mittels RAMAN analysiert. Die Ergebnisse werden unter Berücksichtigung der vorhandenen Wachstumsmodellen in der aktuellen Literatur betrachtet. Schließlich gelang die Abscheidung von polykristalline Diamanten und C-Nanotubes auf Siliziumsubstraten. Die erhaltenen Schichten wurden mittels EDAX und RAMAN Analyse untersucht und die Ergebnisse in Verbindung mit den verwendeten Plasmaparametern diskutiert.
The following work is based on ongoing scientific investigations in the field of PECVD. Recently discovered allotropes of carbon and gas phase grown diamonds can be obtained by PECVD. This was a strong motivation for the investigation of thin PECVD carbon films besides the aspect that many carbon allotropes like diamond, fullerenes, graphite, a.s.o. are superior in their properties in addition to the fact that carbon is the main element in organic compounds and therefore indispensable for life. The surprising ability of bond transformations combined with just the accurate size for fitting into the atomic space of different molecules and crystals is the reason for the great variety of carbon alltropes and compounds.
The first part of this thesis considers general aspects of the element Carbon, low temperature low pressure plasma physics for thin carbon film deposition, thin carbon film analysis, and the state of the art in the field of plasma deposited hard carbon films at the Faculty of Electrical Engineering and Information Technology of the Vienna University of Technology.
In this section the element carbon is presented under the special aspect of the available variety of different atom to atom bond geometries (hybridization) in accordance with the solution of the Schrödinger wave equation. Due to hybridization different allotropes of carbon are occurring in nature. This variety of available materials is discussed in terms of properties and relevance.
In the second part the work performed during the presented thesis is discussed. This part is divided into three subdivisions. In the first subdivision the heat of evaporation and the saturated vapor pressure at room temperature of the organometallic compound tetraethylgermanium was determined. This work was based on the authors master thesis, the construction of an equipment for the evaporation of a liquid source for the application as reactive gaseous precursors in plasma CVD processes. Although new absolute material numbers are strongly discussed in the scientific community before publication the heat of evaporation and vapor pressure numbers became accepted.
In addition the equipment was used to perform plasma deposition experiments where tetraethylgermanium served as reactive gas for the deposition of carbon/germanium dielectric films. The deposition reactor was equipped with magnetic field assisted rod type electrodes to confine the radio frequency plasma deposition to predetermined areas where the substrates were located. Thin film analyses were applied to the layers and the results are presented.
The equipment was also used for the experiments discussed in subdivision two. The aim was to achieve well adhering thin carbon layers. The application of radio frequency and strong magnetic fields generated by electric coils located in the rod type electrodes enables the sputtering of the electrode metal surfaces by argon gas. A sputtered metal intermediate layer is indispensable for the deposition of hard carbon films since the latter show bad adherence on different substrates. In this case methane was used as gaseous precursor for the hard carbon film carried in an inert gas stream of argon. The obtained layers were used for biomedical applications as basic material for electro-chemical electrodes in microstructured sensors since carbon shows high inertness against coverage and poisoning of the surface.
Subdivision three deals with the construction and application of a high energy (max ratings: 1200W RF power, 1000°C substrate temperature) plasma machine. The focus of the final construction was on the high substrate temperature ability involving many tests due to the lack of high temperature material experience. The machine was designed for the deposition of polycrystalline diamond films and the growth of carbon nanotubes. Preliminary deposition experiments were performed to determine the amount of sp2 (carbon to carbon bond in graphite) to sp3 (diamond bond) bonding ratio by RAMAN scattering. The results are discussed with respect to the latest growth models for polycrystalline diamond films presented in the existing literature. Finally carbon nanotubes and polycrystalline diamond films were grown on silicon substrates. The obtained layers were analyzed by EDAX and RAMAN scattering, and the results are discussed with respect to the applied plasma parameters.