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DE19740610C2 - Silicon carbide coating on a substrate and method for producing a silicon carbide coating on a substrate and use of the silicon carbide coating - Google Patents

Silicon carbide coating on a substrate and method for producing a silicon carbide coating on a substrate and use of the silicon carbide coating

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DE19740610C2
DE19740610C2 DE1997140610 DE19740610A DE19740610C2 DE 19740610 C2 DE19740610 C2 DE 19740610C2 DE 1997140610 DE1997140610 DE 1997140610 DE 19740610 A DE19740610 A DE 19740610A DE 19740610 C2 DE19740610 C2 DE 19740610C2
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layer
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Siliziumkarbidbeschichtung auf einem Substrat und ein Verfahren zur Herstellung einer Siliziumkarbidbeschichtung sowie die Verwendung der Siliziumkarbidbeschichtung auf einem Substrat.The present invention relates to a silicon carbide coating on a substrate and a Process for producing a silicon carbide coating and the use of the Silicon carbide coating on a substrate.

Einfachschichten aus Siliziumkarbid auf Substraten, beispielsweise metallischen oder glasartigen Substraten, werden weitverbreitet zur Oberflächenvergütung eingesetzt. Siliziumkarbid- Hartstoffschichten auf solchen Substraten stellen einen Schutz gegenüber korrosiven bzw. ätzenden Stoffen bereit und bieten darüber hinaus aufgrund ihrer Kratzfestigkeit einen mechanischen Schutz. Dabei liegen für solche Anwendungszwecke besonders geeignete Schichtdicken der Siliziumkarbidschichten in Größenordnungen von größer als 300 nm.Single layers of silicon carbide on substrates, for example metallic or glass-like Substrates are widely used for surface treatment. silicon carbide Hard material layers on such substrates provide protection against corrosive or corrosive substances and also offer a due to their scratch resistance mechanical protection. There are particularly suitable ones for such applications Layer thicknesses of the silicon carbide layers in orders of magnitude of greater than 300 nm.

Ein Problem derartiger Siliziumkarbidschichten liegt jedoch darin, daß Schutzschichten mit einer Dicke, die ausreichenden mechanischen Anforderungen genügt, aufgrund der Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Siliziumkarbid und Substrat zu Rißbildungen und Abplatzungen neigen. Daher können Schichten, die als Korrosionsschutzschichten dienen, ihre Schutzfunktion nicht mehr ausüben.A problem with such silicon carbide layers, however, is that protective layers with a Thickness that meets sufficient mechanical requirements due to the difference in thermal expansion coefficient between silicon carbide and substrate to cracking and flaking tend. Therefore, layers that serve as anti-corrosion layers can no longer perform their protective function.

Zur Überwindung dieses Problems wird in der DE 44 29 825 C1 vorgeschlagen, eine aus Siliziumkarbid und mindestens einer weiteren, eine geringere Härte und einen kleineren Elastizitätsmodul als Siliziumkarbid aufweisenden Komponente, zusammengesetzte Schicht auf Quarzglas aufzubringen. Diese Schicht soll dabei als Gradientenschicht aufgebaut sein, d. h. die Konzentration der weiteren Komponente nimmt über die Schichtdicke von innen nach außen ab. Als weitere Komponente soll eine siliziumhaltige Substanz eingesetzt werden, die insbesondere Silizium, Silizumnitrid und/oder Siliziumoxid enthält.To overcome this problem, DE 44 29 825 C1 proposes one out Silicon carbide and at least one other, a lower hardness and a smaller one Modulus of elasticity as a component comprising silicon carbide, composite layer Apply quartz glass. This layer should be constructed as a gradient layer, i. H. the Concentration of the other component increases over the layer thickness from the inside to the outside from. A silicon-containing substance is to be used as a further component, the contains in particular silicon, silicon nitride and / or silicon oxide.

Im Abstract des Japanischen Patents JP 60-052 577 A wird eine hitzebeständige Beschichtung vorgestellt. Diese Beschichtung besteht aus einer Schichtenfolge, die abwechselnd Siliziumkarbidschichten und Siliziumdioxidschichten aufweist. Die Siliziumkarbidschichten gewährleisten dabei die Hitzebeständigkeit, während die dünneren Siliziumdioxidschichten für Festigkeit sorgen. The abstract of Japanese patent JP 60-052 577 A describes a heat-resistant coating presented. This coating consists of a layer sequence that alternates Has silicon carbide layers and silicon dioxide layers. The silicon carbide layers ensure heat resistance, while the thinner silicon dioxide layers for Ensure firmness.  

Im Fachbuch von Rother/Vetter "Plasmabeschichtungsverfahren und Hartstoffschichten" Dt. Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1992 auf den Seiten 202-204 wird die Bedeutung mehrlagiger Schichten auf der Basis monophasiger, mehrphasiger oder mehrkomponentiger Einzelschichten erläutert. Danach werden häufig zwischen den Substraten und den funktionellen Schichten Zwischenschichten als Haftvermittler und Diffusionsschutzschichten aufgebracht. Ferner wird erwähnt, dass Schichten, die aus extrem dünnen Einzelschichten aufgebaut sind, einen sehr hohen Rißwiderstand haben. Zur Überwindung der oben erwähnten Probleme mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten finden sich keine Hinweise.In the specialist book by Rother / Vetter "Plasma coating processes and hard material layers" Dt. Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1992 on pages 202-204 the Importance of multilayered layers based on monophase, multiphase or multi-component individual layers explained. After that, often between the substrates and the functional layers, intermediate layers as adhesion promoters and Diffusion protection layers applied. It also mentions that layers that are extremely thin individual layers are built up, have a very high crack resistance. to Overcoming the above-mentioned problems with different thermal There are no indications of expansion coefficients.

In der EP 0 328 571 ist eine Magnetronzerstäubungsanlage und ein zugehöriges Verfahren beschrieben. Dabei wird ausgeführt, dass in der Magnetronzerstäubungsanlage ausgewählte Zerstäubungseinrichtungen bzw. Ionenstrahlquellen betrieben werden können um ausgewähltes Material abscheiden zu können. Beim Anströmen des zu beschichtenden Substrates mit einem Gas, in dem sich die zerstäubten Materialien befinden, wird das aufzubringende Material auf dem Substrat abgeschieden. Damit können Schichtsysteme auf ein Substrat aufgebracht werden. Es wird erwähnt, dass kohlenstoffhaltige Gemische und Oxide aufgebracht werden können.EP 0 328 571 describes a magnetron sputtering system and an associated method described. It is stated that selected in the magnetron sputtering system Atomizing devices or ion beam sources can be operated around selected To be able to deposit material. When flowing onto the substrate to be coated with a Gas, in which the atomized materials are located, the material to be applied on deposited on the substrate. Layer systems can thus be applied to a substrate become. It is mentioned that carbon-containing mixtures and oxides are applied can.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Siliziumkarbidbeschichtung zu schaffen, die zwar eine Dicke aufweist, die den mechanischen Anforderungen in ausreichendem Maße genügt, die aber nicht zu Rißbildungen oder Abplatzungen neigt und auf den Substraten gut haftet. Darüber hinaus liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung solch einer Siliziumkarbidbeschichtung bereitzustellen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch die Siliziumkarbidbeschichtung nach Anspruch 1 sowie durch das Verfahren nach Anspruch 6 gelöst. The present invention is therefore based on the object of a silicon carbide coating to create, which has a thickness that meets the mechanical requirements in sufficient measure is sufficient, but which does not tend to cracking or flaking and on adheres well to the substrates. In addition, the present invention has the object to provide a method for producing such a silicon carbide coating. According to the present invention, the object is achieved by the silicon carbide coating Claim 1 and solved by the method according to claim 6.  

Die bevorzugten Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.The preferred embodiments are the subject of the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Siliziumkarbidbeschichtung ist darüber hinaus vorteilhaft als Korrosionsschutzbeschichtung verwendbar.The silicon carbide coating according to the invention is also advantageous as Corrosion protection coating can be used.

Insbesondere wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Verfahren zur Herstellung einer Siliziumkarbidbeschichtung bereitgestellt, durch das auch Schutzschichten ausreichender Dicke rißfrei und guthaftend auf Substraten abgeschieden werden können.In particular, a method for Manufacture of a silicon carbide coating provided by that too Protective layers of sufficient thickness without cracks and well adhering to substrates can be separated.

Die vorliegende Erfindung beruht im wesentlichen auf der Erkenntnis, daß sich die Dünnschichteigenschaften des Beschichtungsmaterials Siliziumkarbid wesentlich von den Volumeneigenschaften dieses Materials unterscheiden. Daher kann durch Aufbringen eines Schichtenstapels aus dünnen Siliziumkarbidschichten und Substratmaterialschichten bewirkt werden, daß sich der thermische Ausdehnungskoeffizienten von Siliziumkarbid an den des Substrats anpaßt. Dadurch kann das der Erfindung zugrunde liegende Problem hinsichtlich der Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Schicht und Substrat gelöst werden.The present invention is essentially based on the finding that the Thin film properties of the coating material silicon carbide significantly distinguish the volume properties of this material. Therefore, by Application of a layer stack of thin silicon carbide layers and Substrate material layers are caused that the thermal Coefficient of expansion of silicon carbide matches that of the substrate. Thereby can the problem underlying the invention with respect to the difference of thermal expansion coefficient between layer and substrate solved become.

Hinreichend dünne Schichten zeigen nämlich auch bei hohen Unterschieden in den Ausdehnungskoeffizienten gute Haftung auf diversen Substratmaterialien und stehen aufgrund ihrer geringen Dicke unter einer reduzierten externen mechanischen Spannung. Durch das Aufbringen von Schichtenfolgen, die beispielsweise aus einer Siliziumkarbidschicht und dem Substratmaterial bestehen, können somit hohe Gesamtschichtdicken aufgebracht werden, die sonst bei gleicher Schichtdicke abplatzen bzw. reißen würden.Sufficiently thin layers show even with large differences in the Expansion coefficient good adhesion to various substrate materials and stand due to their small thickness under a reduced external mechanical Tension. By applying layer sequences, for example from a Silicon carbide layer and the substrate material can be high Total layer thicknesses are applied, which otherwise with the same layer thickness would flake off or tear.

Innerhalb der Schichtenfolge kann die Schichtdicke der Siliziumkarbidschichten und/oder der Substratmaterialschichten variieren. Beispielsweise kann die Schichtdicke der einzelnen Siliziumkarbidschichten vom Substrat zur Oberfläche hin zunehmen und/oder die Schichtdicke der einzelnen Schichten aus Substratmaterial kann vom Substrat zur Oberfläche hin abnehmen.The layer thickness of the silicon carbide layers can be within the layer sequence and / or the substrate material layers vary. For example, the Layer thickness of the individual silicon carbide layers from the substrate to the surface  increase and / or the layer thickness of the individual layers of substrate material can decrease from the substrate to the surface.

Die Mindestschichtdicke der dünnen Siliziumkarbidschichten liegt dabei bei 2 nm, und die Höchstschichtdicke der dünnen Siliziumkarbidschichten liegt bei 200 nm. Innerhalb dieser Grenzen ist es zur Erzielung optimaler mechanischer Eigenschaften der abgeschiedenen Siliziumkarbidbeschichtung vorteilhaft, möglichst viele dünne Siliziumkarbidschichten abzuscheiden. So ist es bevorzugt, beispielsweise eine Siliziumkarbidschichtdicke von 300 nm eher durch 10 dünne Siliziumkarbidschichten mit 30 nm als durch 6 dünne Siliziumkarbidschichten mit 50 nm zu realisieren.The minimum layer thickness of the thin silicon carbide layers is 2 nm, and the maximum layer thickness of the thin silicon carbide layers is 200 nm. It is within these limits to achieve optimal mechanical properties the deposited silicon carbide coating advantageous, as many thin as possible Deposit silicon carbide layers. So it is preferred, for example one Silicon carbide layer thickness of 300 nm rather through 10 thin silicon carbide layers with 30 nm than with 6 thin silicon carbide layers with 50 nm.

Die jeweils herzustellenden Schichtenstapel aus Siliziumkarbid/Substrat weisen eine Gesamtdicke von mehreren hundert nm bis zum µm-Bereich auf. Die Gesamtdicke wird dabei je nach Art der Anwendung eingestellt.The silicon carbide / substrate layer stack to be produced in each case has a Total thickness from several hundred nm down to the µm range. The total thickness is set depending on the type of application.

Vorzugsweise erfolgt die Abscheidung der Siliziumkarbidschichten und der Substratmaterialschichten durch CVD beispielsweise in nur einem Reaktor. Das heißt, durch Hin- und Herschalten zwischen verschiedenen Ausgangsmaterialgasen kann eine erwünschte Schichtenfolge bequem realisiert werden, so daß auch viele sehr dünne Schichten ökonomisch aufzubringen sind. Die Siliziumkarbidschichten können aber auch durch Sputtern oder andere in der Festkörpertechnologie verwendete Abscheideverfahren aufgebracht werden.The silicon carbide layers and the are preferably deposited CVD substrate material layers, for example, in only one reactor. This means, by switching back and forth between different raw material gases a desired sequence of layers can be easily realized, so that many very thin layers are to be applied economically. The silicon carbide layers can but also used by sputtering or others in solid state technology Deposition processes are applied.

Als Beispiel wird nun ein Verfahren beschrieben, bei dem Quarzglas zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit in Flußsäure mit Siliziumkarbid beschichtet wird.As an example, a method will now be described in which quartz glass is used for raising the corrosion resistance in hydrofluoric acid is coated with silicon carbide.

Auf einer optischen glatten Oberfläche (d. h. die Oberflächenrauhtiefe ist kleiner als 40 nm) eines Quarzglassubstrats werden durch ein thermisch aktiviertes chemisches Gasphasenverfahren (CVD) bei einer Temperatur von 600 bis 1000°C und einem Druck von 26,6 Pa (200 mTorr) abwechselnd 20 nm dicke Siliziumkarbidschichten und 20 nm dicke Siliziumdioxidschichten aufgebracht, bis eine Gesamtschichtdicke von 520 nm erreicht ist. Als Ausgangsmaterialgase für die Siliziumkarbidschichten können dabei wahlweise Silan und Acetylen oder Hexamethylendisilazan (HMDS) verwendet werden. Durch diesen Stapelschichtaufbau wird eine Anpassung der Siliziumkarbidstruktur an die Siliziumdioxidstruktur erzwungen. Die geringere Schichtdicke der einzelnen Siliziumkarbidschichten führt zu einer Reduktion der externen mechanischen Spannungen, die ein Abplatzen der Schicht nicht mehr erlauben.On an optically smooth surface (i.e. the surface roughness is less than 40 nm) of a quartz glass substrate are replaced by a thermally activated chemical Gas phase process (CVD) at a temperature of 600 to 1000 ° C and one Pressure of 26.6 Pa (200 mTorr) alternating 20 nm thick silicon carbide layers and 20 nm thick silicon dioxide layers applied until a total layer thickness of 520 nm is reached. As raw material gases for the silicon carbide layers  can be silane and acetylene or hexamethylene disilazane (HMDS) be used. This stacked layer structure makes it possible to adapt the Silicon carbide structure forced onto the silicon dioxide structure. The lesser Layer thickness of the individual silicon carbide layers leads to a reduction in external mechanical stresses that no longer flake off the layer allow.

Das Quarzsubstrat mit der sich ergebenden Siliziumkarbidbeschichtung weist somit eine deutlich bessere Korrosionsbeständigkeit gegenüber Flußsäure auf, da aufgrund der Stapelschichtstruktur keine Rißbildung und kein Abplatzen der Beschichtung verursacht wird.The quartz substrate with the resulting silicon carbide coating thus points a significantly better corrosion resistance to hydrofluoric acid due to the stacked layer structure no cracking and no flaking of the coating is caused.

Claims (15)

1. Siliziumkarbidbeschichtung auf einem metallischen oder glasartigen Substrat, insbesondere einem Quarzsubstrat, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumkarbidbeschichtung aus einer Schichtenfolge aus einzelnen Siliziumkarbidschichten und Schichten aus Substratmaterial aufgebaut ist, die jeweils dünn im Vergleich zur Gesamtdicke der Siliziumkarbidbeschichtung sind.1. silicon carbide coating on a metallic or glass-like substrate, in particular a quartz substrate, characterized in that the silicon carbide coating is constructed from a layer sequence of individual silicon carbide layers and layers of substrate material, each of which is thin compared to the total thickness of the silicon carbide coating. 2. Siliziumkarbidbeschichtung nach Anspruch 1, bei der die Schichtdicke der einzelnen Siliziumkarbidschichten vom Substrat zur Oberfläche hin zunimmt.2. silicon carbide coating according to claim 1, wherein the layer thickness of the individual silicon carbide layers increases from the substrate to the surface. 3. Siliziumkarbidbeschichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Schichtdicke der einzelnen Schichten aus Substratmaterial vom Substrat zur Oberfläche hin abnimmt.3. silicon carbide coating according to claim 1 or 2, wherein the layer thickness of the individual layers of substrate material decreases from the substrate to the surface. 4. Siliziumkarbidbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Mindestschichtdicke der einzelnen Siliziumkarbidschichten 2 nm beträgt.4. Silicon carbide coating according to one of claims 1 to 3, wherein the The minimum layer thickness of the individual silicon carbide layers is 2 nm. 5. Siliziumkarbidbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Höchstschichtdicke der einzelnen Siliziumkarbidschichten 200 nm beträgt. 5. silicon carbide coating according to one of claims 1 to 4, wherein the The maximum layer thickness of the individual silicon carbide layers is 200 nm.   6. Verfahren zur Herstellung einer Siliziumkarbidbeschichtung auf einem metallischen oder glasartigen Substrat, insbesondere einem Quarzsubstrat, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Substrat eine Schichtenfolge aus einzelnen Siliziumkarbidschichten und Schichten aus Substratmaterial aufgebracht wird, wobei die einzelnen Schichten jeweils dünn im Vergleich zur Gesamtdicke der Siliziumkarbidbeschichtung sind. 6. Process for producing a silicon carbide coating on a metallic or glassy substrate, in particular a quartz substrate, characterized in that a layer sequence of individual silicon carbide layers and layers on the substrate is applied from substrate material, the individual layers each thin in Are compared to the total thickness of the silicon carbide coating.   7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet dass zur Herstellung der Schichtenfolge in dem dem Substrat zugewandten Bereich der Schichtenfolge eine Siliziumkarbidschicht einer gewählten Dicke aufgebracht wird, wobei in Richtung des dem Substrat abgewandten Bereichs der Schichtenfolge Siliziumkarbidschichten mit zunehmender Dicke aufgebracht werden.7. The method according to claim 6, characterized in that for the production of Layer sequence in the region of the layer sequence facing the substrate Silicon carbide layer of a selected thickness is applied, in the direction of the Region of the layer sequence facing away from the substrate with silicon carbide layers increasing thickness can be applied. 8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Schichtenfolge in dem dem Substrat zugewandten Bereich der Schichtenfolge eine Substratschicht einer gewählten Dicke aufgebracht wird, wobei in Richtung des dem Substrat abgewandten Bereichs der Schichtenfolge Substratschichten mit abnehmender Dicke aufgebracht werden.8. The method according to claim 6 or 7, characterized in that for the production of Layer sequence in the region of the layer sequence facing the substrate Substrate layer of a selected thickness is applied, in the direction of the Region of the layer sequence facing away from the substrate Thickness can be applied. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Schichtenfolge Siliziumkarbidschichten mit einer Dicke von mindestens 2 nm aufgebracht werden.9. The method according to any one of claims 6 to 8, characterized in that for Production of the layer sequence of silicon carbide layers with a thickness of at least 2 nm be applied. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Schichtenfolge Siliziumkarbidschichten mit einer Dicke von höchstens 200 nm aufgebracht werden. 10. The method according to any one of claims 6 to 9, characterized in that for Production of the layer sequence of silicon carbide layers with a thickness of at most 200 nm are applied.   11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung der Siliziumkarbidschichten und der Schichten aus Substratmaterial durch ein CVD-Verfahren erfolgt.11. The method according to any one of claims 6 to 10, characterized in that the deposition of the silicon carbide layers and the layers of substrate material done by a CVD process. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung der Siliziumkarbidschichten und der Schichten aus Substratmaterial durch Sputtern erfolgt.12. The method according to any one of claims 6 to 10, characterized in that the deposition of the silicon carbide layers and the layers of substrate material done by sputtering. 13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung der Siliziumkarbidschichten und der Schichten aus Substratmaterial durch ein LPCVD- Verfahren erfolgt.13. The method according to claim 11, characterized in that the deposition the silicon carbide layers and the layers of substrate material by an LPCVD Procedure is carried out. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung der Siliziumkarbidschichten und der Schichten aus Substratmaterial in einem Reaktor erfolgt.14. The method according to any one of claims 6 to 13, characterized in that the deposition of the silicon carbide layers and the layers of substrate material takes place in a reactor. 15. Verwendung der Siliziumkarbidbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als Korrosionsschutzbeschichtung.15. Use of the silicon carbide coating according to one of claims 1 to 5 as a corrosion protection coating.
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