DE10104614A1 - Plasmaanlage und Verfahren zur Erzeugung einer Funktionsbeschichtung - Google Patents

Abstract

Es wird eine Plasmaanlage mit einer induktiv gekoppelten Hochfrequenz-Plasmastrahlquelle (5) mit einem einen Plasmaerzeugungsraum (27) begrenzenden Brennerkörper (25) mit einer Austrittsöffnung (26) für den Plasmastrahl (20), einer den Plasmaerzeugungsraum (27) bereichsweise umgebenden Spule (17), einer Zuführung (10) zur Zufuhr eines Gases und/oder Precursor-Materials in den Plasmaerzeugungsraum (27) und einem mit der Spule (17) in Verbindung stehenden Hochfrequenzgenerator (16) zur Zündung des Plasmas (21) und Einkoppelung einer elektrischen Leistung in das Plasma (21) vorgeschlagen. Daneben weist die Plasmastrahlquelle (5) ein elektrisches Bauteil auf, mit dem die Intensität des Plasmastrahles (20) zeitlich periodisch veränderbar ist. Weiter ein Verfahren zur Erzeugung der Funktionsbeschichtung auf einem Substrat (19) mit der Plasmaanlage vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Plasmaanlage mit einer induktiv gekoppelten Hochfrequenz-Plasmastrahlquelle und ein Verfah­ ren zur Erzeugung einer Funktionsbeschichtung auf einem Sub­ strat nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.

Stand der Technik

Das Aufbringen von Funktionsschichten auf Substrate ist ein weit verbreitetes Verfahren, um Oberflächen von Werkstücken bzw. Bauteilen gewünschte Eigenschaften zu geben. Ein übli­ ches Verfahren, um derartige Funktionsschichten zu erzeugen, ist das Plasmabeschichten im Feinvakuum oder Hochvakuum, was aufwendige Evakuierungstechniken erfordert und zudem nur re­ lativ geringe Beschichtungsraten liefert. Daher ist dieses Verfahren zeitintensiv und teuer.

Zur Beschichtung von Substraten im subatmosphärischen und atmosphärischen Druckbereich eignen sich insbesondere ther­ mische Plasmen, mit denen hohe Beschichtungsraten im Bereich von mm/h erreichbar sind. Besonders vielversprechend unter den thermischen Plasmaquellen ist die induktiv gekoppelte Hochfrequenz-Plasmastrahlquelle (HF-ICP-Strahlquelle), wie sie aus E. Pfender und C. H. Chang "Plasma Spray Jets and Plasma Particulate Interaction: Modelling and Experiments", Tagungsband des 6. Workshop Plasmatechnik, TU Illmenau, 1998, bekannt ist. Zudem ist in der Anmeldung DE 199 58 474.5 auch bereits ein Verfahren zur Erzeugung von Funkti­ onsschichten mit einer derartigen Plasmastrahlquelle vorge­ schlagen worden.

Die Vorteile der HF-ICP-Strahlquelle liegen einerseits im Bereich der Arbeitsdrücke in der Quelle, die üblicherweise von 50 mbar bis hin zu 1 bar und mehr reichen, und anderer­ seits in der großen Vielfalt der einsetzbaren und mit einer derartigen Plasmastrahlquelle abscheidbaren Materialien. Insbesondere sind dadurch, dass die Ausgangsstoffe axial in den sehr heißen Plasmastrahl eingebracht werden, auch Hart­ stoffe mit sehr hohen Schmelztemperaturen verwendbar. Ein weiterer Vorteil der HF-ICP-Strahlquelle liegt darin, dass diese ohne Elektroden arbeitet, d. h. es sind Verunreinigun­ gen der zu erzeugenden Schichten durch das Elektrodenmateri­ al aus der Strahlquelle ausgeschlossen.

Nachteilig bei bekannten HF-ICP-Strahlquellen und Plasmaan­ lagen mit derartigen Plasmastrahlquellen sind die hohen Tem­ peraturen im Plasmastrahl von einigen 1000°C, denen weitge­ hend auch das zu beschichtende Substrat ausgesetzt ist. In­ sofern ist die Auswahl einsetzbarer Substrate deutlich ein­ geschränkt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war die Bereitstellung einer Plasmaanlage mit einer induktiv gekoppelten Hochfre­ quenz-Plasmastrahlquelle und eines damit durchführbaren Ver­ fahrens zur Erzeugung einer Funktionsbeschichtung auf einem Substrat, wobei die Temperaturbelastung des Substrates bei der Erzeugung der Funktionsbeschichtung gegenüber dem Stand der Technik deutlich reduziert ist.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Plasmaanlage und das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung einer Funktionsbeschichtung auf ei­ nem Substrat mittels zeitlich veränderter Plasmaintensität hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die Temperatur, der das Substrat ausgesetzt ist, gegenüber dem Stand der Technik auf weniger als die Hälfte abgesenkt wer­ den kann.

Weiter ist vorteilhaft, dass durch die erfindungsgemäße Plasmaanlage die Vorteile eines im atmosphärischen oder at­ mosphärennahen Druckbereichs ablaufenden Hochratenabscheide­ verfahrens mit einer Absenkung der Substrattemperatur und einer Veränderung der chemischen Vorgänge im erzeugten Plas­ ma verbunden werden.

Insbesondere ist vorteilhaft, dass es sich bei dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren nicht um ein Hochvakuumverfahren han­ delt, was aufwendige Einrichtungen zur Gewährleistung dieses Hochvakuums überflüssig macht.

Vorteilhaft ist weiterhin, dass das erfindungsgemäße Verfah­ ren auf nahezu allen technisch relevanten Substratmateriali­ en, wie beispielsweise Stahl und gegebenenfalls auch Polyme­ ren einsetzbar ist, und dass gleichzeitig eine große Auswahl an Materialien bzw. Zusammensetzungen der zu erzeugenden Be­ schichtung, beispielsweise auch isolierende Materialien wie Keramiken oder Sintermetalle, zur Verfügung stehen.

Weiter wird durch die zeitlich periodische Veränderung der Intensität des Plasmastrahles, die bevorzugt soweit geht, dass der Plasmastrahl zwischen Intensitätsmaxima gelöscht wird, in dem Plasmastrahl regelmäßig ein chemischer bzw. plasmaphysikalischer Ungleichgewichtszustand vorliegt, der vielversprechende Ansätze zur Erzeugung bisher unbekannter Schichtsysteme, beispielsweise keramischer Schichten oder Schichtsysteme, ermöglicht.

Insbesondere bilden die genannten Ungleichgewichtszustände, die vor allem beim Zünden und Erlöschen des Plasmas vorlie­ gen, bei geeigneter Pulsung des Plasmastrahles zeitlich be­ trachtet einen wesentlichen Teil der Gesamtzeit, während der der Plasmastrahl auf das Substrat einwirkt, so dass die in diesen Ungleichgewichtszuständen ablaufenden chemischen Vor­ gänge zu einem dominierenden Faktor für die gesamte Abschei­ dung von Funktionsbeschichtungen mit einer solchen Plasmaan­ lage bzw. einer solchen Plasmastrahlquelle werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.

So ist besonders vorteilhaft, wenn neben einem in der Inten­ sität zeitlich periodisch schwankenden Plasmastrahl das be­ arbeitete Substrat auf einer Substratelektrode angeordnet ist, die mit einer Spannung beaufschlagt wird, die gegenpha­ sig oder zeitlich korreliert zu der Veränderung der Intensi­ tät des Plasmastrahles verändert, vorzugsweise gepulst wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die Zufuhr des Gases bzw. Precursor-Materials zu dem Plasma bzw. dem Plasmastrahl zeitlich mit der schwankenden Intensität des Plasmastrahles zu korrelieren, insbesondere zu synchronisieren.

Schließlich ist vorteilhaft, wenn zumindest zeitweise während der Erzeugung der Funktionsschicht zwischen dem Inneren der Kam­ mer und dem Plasmaerzeugungsraum ein möglichst ausgeprägter Druckgradient erzeugt wird, der eine Beschleunigung von in dem Plasmastrahl enthaltenen Teilchen auf das Substrat bewirkt. Auf diese Weise werden auch tiefere Hohlräume in der Oberfläche des Substrates besser von dem Plasmastrahl erreicht und es kommt zu einer verbesserten Haftung der Funktionsschicht auf dem Sub­ strat.

Zeichnungen

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und in der nach­ folgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Plasmastrahlquelle im Schnitt, Fig. 2 den zeitlich periodischen Verlauf der Span­ nung an der Plasmastrahlquelle, die Fig. 3a bis 3h den als Funktion der Zeit in seiner Intensität variierenden Plasmastrahl, Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel für eine Plas­ maanlage mit einer Plasmastrahlquelle und Fig. 5 ein zwei­ tes Ausführungsbeispiel für eine Plasmaanlage mit einer Plasmastrahlquelle. Die Fig. 6 zeigt einen aus der Plasma­ strahlquelle gemäß Fig. 4 austretenden Plasmastrahl.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung geht zunächst aus von einer grundsätzlich aus E. Pfender und C. H. Chang "Plasma Spray Jets and Plasma Particulate Interaction: Modelling and Experiments", Ta­ gungsband des 6. Workshop Plasmatechnik, TU Illmenau, 1998, oder DE 199 58 474.5 bekannten Plasmastrahlquelle 5.

Diese Plasmastrahlquelle 5 weist einen topfförmigen Brenner­ körper 25 mit einem rückseitigen Injektor als Zuführung 10 zur Zufuhr eines Injektorgases 11 auf. Weiter ist eine erste zylindrische Hülse 14 und eine zweite zylindrische Hülse 15 vorgesehen, wobei in das Innere der ersten Hülse 14 über ei­ ne geeignete, nicht dargestellte erste Zufuhr ein Zentralgas 12 und in das innere der zweiten Hülse 15 über eine geeigne­ te, nicht dargestellte zweite Zufuhr ein Hüllgas 13 zuge­ führt wird.

Der Brennerkörper 25 weist weiter auf seiner der Zuführung 10 abgewandten Seite eine beispielsweise kreisförmige Aus­ trittsöffnung 26 mit einem Durchmesser von beispielsweise 1 cm bis 10 cm, insbesondere 3 cm auf, die mit einer ent­ sprechend der Form des zu erzeugenden Plasmastrahles 21 ge­ formten Öffnungsblende 22 versehen ist. Weiter ist in den Brennerkörper 25 in einer Umgebung der Austrittsöffnung 26 eine wassergekühlte Kupferspule 17 integriert, die elek­ trisch mit einem Hochfrequenz-Generator 16 verbunden ist.

Bei Zufuhr des Injektorgases 11, des Zentralgases 12 sowie des Hüllgases 13 wird über die Spule 17 und den Hochfre­ quenz-Generator 16 eine elektrische Leitung von 500 W bis 50 kW, insbesondere 1 kW bis 10 kW, bei einer Hochfrequenz von 0,5 MHz bis 20 MHz, insbesondere 0,5 bis 4 MHz, in das Innere des Brennerkörpers 25 eingekoppelt, so dass in einem Plasmaerzeugungsraum 27 ein Plasma 21 aus reaktiven Teilchen gezündet und aufrechterhalten werden kann, das in Form eines Plasmastrahles 20 aus der Austrittsöffnung 26 des Brenner­ körpers 25 austritt. Dieser Plasmastrahl 20 wirkt dann wei­ ter auf ein gegenüber der Austrittsöffnung 26 beispielsweise in einem Abstand von 5 cm bis 50 cm angeordnetes Substrat 19, beispielsweise ein Stahlstück ein, das sich auf einem Substratträger oder einer Substratelektrode 18 befindet.

In Fig. 1 ist weiter gegenüber dem Stand der Technik zu­ sätzlich vorgesehen, dass in den Hochfrequenz-Generator 16 ein elektrisches Bauteil 28 integriert ist, mit dem die von dem Hochfrequenz-Generator 16 an die Spule 17 abgegebene elektrische Leistung zeitlich periodisch veränderbar ist, so dass sich darüber auch die Intensität des erzeugten Plasma­ strahles zeitlich periodisch verändert.

Das in den Brennerkörper 25 über die Zuführung 10 bzw. In­ jektor eingebrachte Injektorgas 11 ist beispielsweise ein Precursor-Material zur Erzeugung einer Funktionsbeschichtung auf dem Substrat 19. Als Zentralgas 12, das optional zugege­ ben wird, eignet sich beispielsweise ein mit dem Injektorgas 11 reagierendes Gas. Das zugeführte Hüllgas 13, das vorzugs­ weise Argon ist, schützt einerseits die Wände des Brenner­ körpers 25 und dient darüber hinaus dazu, das erzeugte Plas­ ma 21 über die Austrittsöffnung 26 strahlförmig aus der Plasmastrahlquelle 5 herauszublasen, so dass dieses als ge­ bündelter bzw. geführter Plasmastrahl 20 auf das Substrat 19 einwirkt. Dazu wird das Hüllgas 13 mit einem Gasfluss von 5000 sccm bis 100000 sccm ("cm³/min bei Normaldruck"), vor­ zugsweise 20000 sccm bis 70000 sccm eingeführt.

Die zeitlich periodische Veränderung der Intensität des Plasmastrahles 20 mittels des elektrischen Bauteils 28, das im Übrigen auch als separates Bauteil zwischen Spule 17 und Hochfrequenz-Generator 16 geschaltet sein kann, erfolgt mit einer Frequenz von 1 Hz bis 10 kHz, insbesondere 50 Hz bis 1 kHz zwischen einer einstellbaren oberen Grenze und einer einstellbaren unteren Grenze der Intensität. Bevorzugt wird die untere Grenze auf Null gesetzt, so dass der Plasmastrahl 20 über eine vorgebbare Zeitdauer periodisch erlischt. Al­ ternativ kann jedoch ebenso vorgesehen sein, die Intensität des Plasmastrahles 20 zwischen den beiden genannten Grenzen nahezu in jeder gewünschten Form zu variieren, beispielswei­ se ohne dass das Plasma 21 zwischenzeitlich erlischt. Insbe­ sondere kann die Intensität des Plasmastrahles 20 hinsicht­ lich der sich ergebenden Einhüllenden rechteckförmig, sinus­ förmig, sägezahnförmig, rechteckförmig oder dreieckförmig, gegebenenfalls mit einem geeigneten Offset, variieren.

Zu weiteren bekannten Einzelheiten zu dem Aufbau der Plasma­ strahlquelle 5 sowie dem damit durchgeführten Verfahren zur Erzeugung von Funktionsschichten sei auf die Anmeldung DE 199 58 474.5 verwiesen.

Die Fig. 2 erläutert, wie sich die Intensität des Plasma­ strahles 20 als Funktion der Zeit verändert, wenn das elek­ trische Bauteil 28 den Hochfrequenz-Generator entsprechend steuert bzw. die Zufuhr elektrischer Leistung zu der Spule 17 entsprechend variiert. Dabei ist in Fig. 2 auf der Ordi­ nate die an der Spule 17 anliegende hochfrequente Spannung U aufgetragen, deren Betrag bzw. deren Form der Einhüllenden näherungsweise der Intensität des Plasmastrahles 20 propor­ tional ist.

Die Intensität des aus der Austrittsöffnung 26 des Brenner­ körpers 25 austretenden Plasmastrahls 20 der Plasmastrahl­ quelle 5 wird mit Hilfe der Fig. 3a bis 3h für verschie­ dene Zeiten t zwischen t = 0,3 ms und t = 13,3 ms erläutert. Dabei tritt der Plasmastrahl 20 zur Zeit t = 0 gemäß Fig. 3a zunächst mit hoher Intensität aus der Austrittsöffnung 26 aus, diese Intensität vermindert sich dann gemäß Fig. 3b deutlich, so dass der Plasmastrahl 20 kurz danach vollstän­ dig erlischt. Anschließend wird der Plasmastrahl 20 gemäß den Fig. 3c bis 3e dann neu gezündet, wobei der kurz zu­ rückschwingt, bevor er sich gemäß den Fig. 3f bis 3h dann kontinuierlich ausdehnt, so dass nach ca. 13,3 ms der Aus­ gangszustand gemäß Fig. 3a nahezu wieder erreicht ist. Das Pulsen des Plasmastrahls 20 gemäß den Fig. 3a bis 3h wird durch eine Veränderung der in die Spule 17 eingekoppelten elektrischen Hochfrequenzleistung bewirkt. Die Fig. 3a bis 3h zeigen insbesondere, dass der Plasmastrahl 20 als freier und weitgehend gebündelter Plasmastrahl 20 mit gerin­ ger Divergenz aus der Plasmastrahlquelle 5 austritt.

Die Fig. 4 erläutert eine Plasmaanlage mit einer üblichen Kammer 40, in der das Substrat 19 auf einem Substratträger 18 gegenüber der Austrittsöffnung 26 der Plasmastrahlquelle 5 angeordnet ist, so dass der Plasmastrahl 20 über die Austrittsöffnung 26 in die Kammer 40 eintreten und dort auf das Substrat 19 einwirken kann. Insbesondere ist in Fig. 4 vor­ gesehen, dass der Substratträger 18 mit Hilfe einer Halte­ rung 32 in der Kammer 40 gehalten und über eine Kühlwasser­ zufuhr 31 mit Kühlwasser 39 kühlbar ist.

Gemäß Fig. 4 herrscht im Inneren der Plasmastrahlquelle 5, d. h. in einem ersten Druckbereich 30, ein erster Druck p₁ zwischen 10 mbar und 2 bar, insbesondere zwischen 50 mbar und 1 bar, sowie im Inneren der Kammer 40, d. h. in einem zweiten Druckbereich 33, ein zweiter Druck p₂, der von Größe der Austrittsöffnung 26 und der Menge des zugeführten Hüll­ gases 13 bzw. Injektorgases 11 sowie auch der Leistungsfä­ higkeit der mit der Kammer 40 in Verbindung stehenden Pumpen abhängig ist. Bevorzugt liegt dieser Druck p₂ durch eine entsprechend hohe Pumpleistung deutlich niedriger als der Druck p₁, d. h. beispielsweise unter 100 mbar, insbesondere unter 10 mbar. Weiter dient als Hüllgas 13 in Fig. 4 Argon, das mit einem Gasfluss von 40000 sccm bis 60000 sccm in die Plasmastrahlquelle 5 eingeführt wird.

Insbesondere besteht dadurch, dass gemäß Fig. 4 die Plasma­ strahlquelle 5 bzw. die Erzeugung des Plasmas 21 räumlich von der Erzeugung der Funktionsbeschichtung auf dem Substrat 19 getrennt ist, die Möglichkeit, den Plasmastrahl 20 in der Kammer 40 beispielsweise bei einem Druck von 1 mbar bis 10 mbar einzusetzen, was dazu führt, dass der Plasmastrahl 20 beim Austritt aus der Plasmastrahlquelle 5, in deren In­ nerem ein deutlich höherer Druck von beispielsweise 500 mbar herrscht, stark beschleunigt und gleichzeitig expandiert wird. Dies ist in Fig. 4 durch den sich bei dem Austritt aus der Austrittsöffnung 26 aufweitenden Plasmastrahl 20 schematisch angedeutet.

Ein derartig expandierter bzw. beschleunigter Plasmastrahl 20, bei dem die in dem Plasmastrahl enthaltenen reaktiven Teilchen durchaus Schallgeschwindigkeit oder auch Über­ schallgeschwindigkeit erreichen können, ist in der Lage, auf dem Substrat 19 auch in dort vorhandene tiefe Hohlräume ein­ zudringen. Weiterhin führt eine derartige Expansion des Plasmastrahls 20 zu einer plötzlichen Abkühlung des Plasmas 21, was einerseits die Temperaturbelastung des Substrates 19 weiter senkt und andererseits zu plasmachemischen Vorteilen hinsichtlich einer Steigerung der Beschichtungsrate und ei­ ner Erhöhung der Qualität der erzeugten Beschichtung auf dem Substrat führt.

Insbesondere wird durch die räumliche Entkoppelung der Vor­ gänge in der Kammer 40 von der Plasmastrahlquelle 5 gewähr­ leistet, dass sich der Plasmastrahl 20 auch in einem Feinva­ kuum von 1 mbar in der Kammer 40 einsetzen lässt, ohne dass sich der Plasmamodus, der durch die Plasmastrahlquelle 5 vorgegeben wird, verändert.

Die Beschleunigung und Expansion des Plasmastrahls 20 in dem Betriebsmodus gemäß Fig. 4 wird mit Hilfe der Fig. 6 näher erläutert, wo der Austritt eines derartigen beschleunigten Plasmastrahls 20 aus der Austrittsöffnung 26 in die Kammer 40 dargestellt ist. Insbesondere sind dort deutlich soge­ nannte Verdichtungsknoten 23 (Mach'sche Knoten) erkennbar, was anzeigt, dass der Plasmastrahl 20 näherungsweise mit Schallgeschwindigkeit aus der Austrittsöffnung 26 austritt, und dass damit die in dem Plasmastrahl 20 enthaltenen Teil­ chen am Ort des Substrates 19 zumindest teilweise auf eine Geschwindigkeit beschleunigt werden, die vergleichbar oder sogar größer als die Schallgeschwindigkeit in dem Plasma­ strahl 20 ist.

Durch den ausgeprägten Druckgradienten zwischen der Plasma­ strahlquelle 5 und der Kammer 40, der das in dem Plasma 21 bzw. dem Plasmastrahl 20 vorhandene ionisierte Gas mit hoher Geschwindigkeit in die Kammer 40 einsaugt, wird zudem er­ reicht, die beiden Bereiche 30, 33 über die Austrittsöffnung 26 bezüglich der jeweils dort herrschenden Drücke weitgehend entkoppelt sind.

Bevorzugt sind die jeweiligen Drücke so gewählt, dass das Verhältnis des Druckes in dem ersten Druckbereich 30 zu dem Druck in dem zweiten Druckbereich 33 größer als 1,5, insbe­ sondere größer 3, ist. Beispielsweise wird über eine mit der Kammer 40 verbundene, nicht dargestellte Pumpeinrichtung ei­ ne Druckdifferenz von mehr als 100 mbar zwischen dem Plasma­ erzeugungsraum 27 im Inneren der Plasmastrahlquelle 5 und dem Inneren der Kammer 40 aufrechterhalten.

Insgesamt hat das Beschleunigen und Expandieren des Plasma­ strahls 20 gemäß Fig. 4 den Vorteil, dass auch komplizierte Geometrien des Substrates 19 problemlos mit Beschichtungen zu versehen sind, und dass die größere Querschnittsfläche des Plasmastrahls 20 am Ort des Substrates 19 zu einer ver­ kürzten Beschichtungszeit bei gleichzeitig verbesserter Ho­ mogenität der Bearbeitung des Substrates 19 führt.

Die Halterung 32 gemäß Fig. 4 im Übrigen dient dazu, das Substrat 19 in den Plasmastrahl 20 einzubringen, so dass dieses dort von diesem umströmt und die Oberfläche des Sub­ strates 19 bearbeitet und mit der gewünschten Funktions­ schicht versehen oder beschichtet wird. Dabei kommen durch die hohe Geschwindigkeit der reaktiven Teilchen in dem Plas­ mastrahl 20 nicht nur tiefere Hohlräume in dem Substrat 19 mit dem Plasma 21 in Kontakt, sondern es verkleinert sich auch die Diffusionsgrenzschicht zwischen Substrat 19 und Plasma 21, was die Diffusion reaktiver Plasmabestandteile auf die Oberfläche des Substrates 19 erleichtert und so die erforderliche Dauer der Behandlung des Substrates 19 mit dem Plasmastrahl 20 verkürzt.

Die Fig. 5 erläutert ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Plasmaanlage mit einer Plasmastrahlquelle 5. Dabei ist zu­ sätzlich zu Fig. 4 vorgesehen, dass das Substrat 19 auf ei­ ner Substratelektrode 18 angeordnet ist, die über eine Gene­ ratorzuleitung 36 mit einem Substratgenerator 37 verbunden ist, so dass darüber das Substrat 19 mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden kann. Durch die so in die Sub­ stratelektrode 18 eingekoppelte elektrische Leistung bzw. Spannung werden in dem Plasma 21 bzw. dem Plasmastrahl 20 enthaltene Ionen auf das Substrat 19 hin beschleunigt und treffen dort mit erhöhter Energie auf. Im Übrigen ist in Fig. 5 eine übliche Isolierung 34 zur elektrischen Trennung der Halterung 32 und der Kühlwasserzufuhr 31 von der Sub­ stratelektrode 18 vorgesehen. Zur effektiven Bewegung des Substrates 19 gegenüber dem Plasmastrahl 20 insbesondere während der Erzeugung der Funktionsschicht ist die Halterung 32 des Substrates 19 weiter bevorzugt in allen drei Raum­ richtungen beweglich bzw. drehbar ausgebildet.

Im Einzelnen beaufschlagt der Substratgenerator 37 die Sub­ stratelektrode 18 mit einer elektrischen Spannung von typi­ scherweise 10 V bis 5 kV, insbesondere 50 V bis 300 V, bei einer Frequenz von 0 Hz bis 50 MHz, insbesondere 1 kHz bis 50 kHz. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Ausführungs­ beispiels gemäß Fig. 5 ist zudem vorgesehen, dass die von dem Substratgenerator 37 erzeugte Spannung zeitlich korre­ liert, insbesondere gegenphasig, zu der Veränderung der In­ tensität des Plasmastrahles 21 mit der Plasmastrahlquelle 5 verändert, vorzugsweise gepulst wird.

Varianten des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 5 sehen zweckmäßige, auf den Einzelfall angepasste Veränderungen der Form der in die Substratelektrode 18 eingekoppelten elektri­ schen Spannung vor. Dazu kann deren Amplitude, Frequenz und/oder Flankensteilheit verändert werden, es kann ein Offset einer positiven oder negativen Gleichspannung einge­ setzt werden oder die eingesetzte Spannung wird gepulst. Zu­ dem ist es nicht zwingend sondern lediglich vorteilhaft, wenn die eingesetzte elektrische Spannung periodisch verän­ dert wird.

Hinsichtlich der Drücke in dem ersten Druckbereich 30 bzw. dem zweiten Druckbereich 33 gemäß Fig. 5 ist vorteilhaft, wenn innerhalb der Plasmastrahlquelle 5 ein Druck von mehr als 1 mbar, insbesondere 50 mbar bis 1 bar herrscht, während in der Kammer 40 ein deutlich niedriger Druck von unter 50 mbar, insbesondere 1 mbar bis 10 mbar, aufrechterhalten wird. Dieser Druck gewährleistet, dass in der Kammer 40 eine ausreichende mittlere freie Weglänge der Ionen aus dem Plas­ ma 21 gegeben ist, so dass die an der Substratelektrode 18 angelegte elektrische Spannung noch zu einem nennenswerten Effekt, d. h. zu einer Beschleunigung der in dem Plasmastrahl 20 vorhanden Ionen in Richtung auf das Substrat 19, führt. Insofern arbeitet das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 in der Kammer 40 mit einem Druck, der deutlich unterhalb des allgemein eingesetzten Druckes bei der Erzeugung von Be­ schichtungen mit Hilfe von induktiv gekoppelten Hochfre­ quenz-Plasmastrahlquellen liegt. Auf diese Weise ist es mit der Plasmaanlage gemäß Fig. 5 ohne Weiteres möglich, Be­ schichtungen auf dem Substrat 19 zu erzeugen, die ansonsten lediglich über CVD-Verfahren herstellbar sind, insbesondere DLC-Schichten ("diamond-like-carbon").

Insgesamt lassen sich mit Hilfe der vorgenannten Ausfüh­ rungsbeispiele eine große Vielzahl von Beschichtungen auf technisch relevanten Substratmaterialien herstellen, wobei die Substrate 19 sowohl elektrisch leitend als auch elek­ trisch isolierend sein können. Insbesondere lassen sich mit Hilfe der vorgenannten Plasmaanlage und des erläuterten Ver­ fahrens harte Kohlenstoff-Schichten im Grobvakuum erzeugen. Daneben lässt sich die erläuterte Plasmaanlage aber auch zur Behandlung der Oberfläche des Substrates 19, beispielsweise zum Carbonisieren, Nitrieren oder auch zum Aufheizen einset­ zen.

Hinsichtlich der in die Plasmastrahlquelle 5 einführbaren Materialien zur Abscheidung einer Beschichtung auf dem Sub­ strat 19 im Rahmen der vorstehenden Beispiele sei zunächst auf die Anmeldung DE 199 58 474.5 verwiesen. Insbesondere ist vorgesehen, dass dem Plasma 21 über die als Injektor ausgebildete Zuführung 10 in der Plasmastrahlquelle 5 und/oder dem Plasmastrahl 20 über eine nicht dargestellte Zufuhreinrichtung in der Kammer 40 mindestens ein gasförmi­ ges oder ein mikroskaliges oder ein nanoskaliges Precursor- Material, eine Suspension eines solchen Precursor-Materials oder ein Reaktivgas zugeführt wird, dass in modifizierter Form, insbesondere nach Durchlaufen einer chemischen Reakti­ on oder einer chemischen Aktivierung, auf dem Substrat 19 die Funktionsbeschichtung bildet oder in diese integriert wird. Weiter kann dem Plasma 21 in der Plasmastrahlquelle 5 bzw. über die Zufuhreinrichtung auch in der Kammer 40 ein Trägergas für das Precursor-Material, insbesondere Argon und/oder ein Reaktivgas für eine chemische Reaktion mit dem Precursor-Material, insbesondere Sauerstoff, Stickstoff, Am­ moniak, ein Silan, Acetylen, Methan oder Wasserstoff zuge­ führt werden.

Bevorzugt ist das Precursor-Material eine organische, eine siliziumorganische oder eine metallorganische Verbindung, die dem Plasma 21 und/oder dem Plasmastrahl 20 in gasförmiger oder flüssiger Form, als mikroskalige oder nanoskalige Pulverpartikel, als flüssige Suspension, insbesondere mit darin suspendierten mikroskaligen oder nanoskaligen Parti­ keln, oder als Mischung von gasförmigen oder flüssigen Stof­ fen mit Feststoffen zugeführt wird. Auf diese Weise kann mit der erläuterten Plasmaanlage bzw. mit dem erläuterten Ver­ fahren als Funktionsbeschichtung auf dem Substrat 19 bei­ spielsweise eine Schicht oder eine Abfolge von Schichten er­ zeugt werden, die ein Metallsilizid, ein Metallcarbid, ein Siliziumcarbid, ein Metalloxid, ein Siliziumoxid, ein Me­ tallnitrid, Siliziumnitrid, ein Metallborid, ein Metallsul­ fid, amorphen Kohlenstoff, diamantähnlichen Kohlenstoff oder eine Mischung dieser Materialien enthält.

Abschließend sei noch ausgeführt, dass der Hochfrequenz- Generator 16 bevorzugt ein Tetroden-Generator ist, der es in besonders einfacher Weise ermöglicht, den Plasmastrahl 20 in der erläuterten Weise intensitätsmoduliert zu erzeugen, so dass über diese Intensitätsmodulation die sich einstellende Temperatur des Substrates 19 im wesentlichen durch die mitt­ lere Leistung des Plasmastrahls 20 gegeben ist. Somit er­ laubt es das erfindungsgemäße Verfahren kurzzeitig auch sehr hohe Leistungen des Plasmastrahls 20 einzusetzen, ohne dass das Substrat 19 thermisch überlastet wird.

Zudem kann auch vorgesehen sein, dass die Regelung der der Plasmastrahlquelle 5 zugeführten Gase, beispielsweise des Zentralgases 12, des Injektorgases 11 oder des Hüllgases 13, mit der zeitlichen Modulation der Intensität des Plasma­ strahles 20 und/oder der zeitlichen Veränderung der an der Substratelektrode 18 anliegenden elektrischen Spannung kor­ reliert wird.

Claims (17)

1. Plasmaanlage mit mindestens einer induktiv gekoppel­ ten Hochfrequenz-Plasmastrahlquelle mit einem einen Plasma­ erzeugungsraum (27) begrenzenden Brennerkörper (25) mit ei­ ner Austrittsöffnung (26) für den Plasmastrahl (20), einer den Plasmaerzeugungsraum (27) bereichsweise umgebenden Spule (17), mindestens einer Zuführung (10) zur Zufuhr eines Gases und/oder eines Precursor-Materials in den Plasmaerzeugungs­ raum (27) und einem mit der Spule (17) in Verbindung stehen­ den Hochfrequenzgenerator (16) zur Zündung des Plasmas (21) und Einkoppelung einer elektrischen Leistung in das Plasma (21), dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisches Bauteil (28) vorgesehen ist, mit dem die Intensität des Plasmastrah­ les (20) zeitlich periodisch veränderbar ist.

2. Plasmaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Bauteil (28) in den Hochfrequenzgenera­ tor (16) integriert oder zwischen Spule (17) und Hochfre­ quenzgenerator (16) geschaltet ist.

3. Plasmaanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Brennerkörper (25) topfförmig ausgebildet ist und die Spule (17) den Brennerkörper (25) in einer Umge­ bung der Austrittsöffnung (26) umgibt oder dort in diesen integriert ist, dass eine erste Zuführung (10) zur Zufuhr eines Injektorgases (11) in den Plasmaerzeugungsraum (27), insbesondere eines Precursor-Materials zur Erzeugung einer Funktionsbeschichtung auf einem Substrat (19) mit dem Plas­ mastrahl (20), und mindestens eine zweite Zuführung zur Zu­ fuhr eines mit dem Injektorgas (11) reagierenden Zentralga­ ses (12) in den Plasmaerzeugungsraum (27) und/oder eines den Brennerkörper (25) von dem darin erzeugten Plasma (21) zu­ mindest bereichsweise trennenden, insbesondere das Plasma (21) konzentrisch umgebenden Hüllgases (13) in den Plasmaer­ zeugungsraum (27) vorgesehen ist.

4. Plasmaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit der Plasmastrahlquelle (5) über die Aus­ trittsöffnung (26) in Verbindung stehende Kammer (40) vorge­ sehen ist, in der ein dem Plasmastrahl (20) der Plasma­ strahlquelle (5) ausgesetztes Substrat (19) anordbar ist, wobei eine elektrisch mit einem Substratgenerator (37) ver­ bundene Substratelektrode (18) vorgesehen ist, auf der das Substrat (19) angeordnet wird.

5. Plasmaanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kammer (40) eine Zufuhr­ einrichtung, insbesondere ein Injektor oder eine Gasdusche, zur Zufuhr eines Reaktivgases und/oder eines Precursor- Materials zu dem Plasmastrahl (20) vorgesehen ist.

6. Verfahren zur Erzeugung einer Funktionsbeschichtung auf einem in einer Kammer (40) angeordneten Substrat (19), wobei mittels einer induktiv gekoppelten Hochfrequenz- Plasmastrahlquelle (5) ein Plasma (21) mit reaktiven Teil­ chen erzeugt wird, das über eine Austrittsöffnung (26) in Form eines Plasmastrahles (20) aus der Plasmastrahlquelle (5) in die damit verbundene Kammer (40) eintritt und auf das Substrat (19) derart einwirkt, dass auf dem Substrat (19) eine Funktionsbeschichtung erzeugt oder abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmastrahl (20) bei dem Einwirken auf das Substrat (19) in seiner Intensität zeit­ lich periodisch verändert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des Plasmastrahls (20) mit einer Fre­ quenz von 1 Hz bis 10 kHz, insbesondere 50 Hz bis 1 kHz, verändert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Intensität des Plasmastrahls (20) zwi­ schen einer einstellbaren oberen und einer einstellbaren un­ teren Grenze verändert und insbesondere der Plasmastrahl (20) über eine einstellbare Zeitdauer periodisch auch ge­ löscht wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Spule (17) eine elektrische Leistung von 500 Watt bis 50 kW, insbesondere 1 kW bis 10 kW, bei einer Hochfrequenz von 0,5 MHz bis 20 MHz in das Plasma (21) eingekoppelt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma (21) mittels Zufuhr eines Gases, insbesondere Argon, mit einem Gasfluss von 5000 sccm bis 100000 sccm, insbesondere 20000 sccm bis 70000 sccm, zu der Plasmastrahlquelle (5) über die Austrittsöffnung (26) strahlförmig aus der Plasmastrahlquelle (5) herausgeblasen und in die Kammer (40) geführt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem Plasma (21) über eine Zuführung (10) in der Plasmastrahlquelle (5) und/oder dem Plasmastrahl (20) über eine Zufuhreinrichtung in der Kammer (40) mindestens ein insbesondere gasförmiges oder mikroskaliges oder nanoskaliges Precursor-Material, eine Suspension eines sol­ chen Precursor-Materials oder ein Reaktivgas zugeführt wird, das in modifizierter Form, insbesondere nach Durchlaufen ei­ ner chemischen Reaktion oder einer chemischen Aktivierung, auf dem Substrat (19) die Funktionsbeschichtung bildet oder in diese integriert wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Plasma (21) ein Trägergas für das Precursor-Material, insbesondere Argon, und/oder ein Reak­ tivgas für eine chemische Reaktion mit dem Precusor- Material, insbesondere Sauerstoff, Stickstoff, Ammoniak, Si­ lan, Acetylen, Methan oder Wasserstoff, zugeführt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Precursor-Material eine organische, eine siliziumorganische oder eine metallorganische Verbin­ dung ist, die dem Plasma (21) und/oder dem Plasmastrahl (20) in gasförmiger, dampfförmiger oder flüssiger Form, als mi­ kro- oder nanoskalige Pulverpartikel, als flüssige Suspensi­ on, insbesondere mit darin suspendierten mikro- oder nanoskaligen Partikeln, oder als Mischung von gasfömigen oder flüssigen Stoffen mit Feststoffen zugeführt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Inneren der Kammer (40) und dem Plasmaerzeugungsraum (27) zumindest zeitweise ein Druckgradient erzeugt wird, der eine Beschleunigung von in dem Plasmastrahl (20) enthaltenen Teilchen auf das Substrat (19) bewirkt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmastrahlquelle (5) in ihrem Inneren bei einem Druck von 1 mbar bis 2 bar, insbesondere 50 mbar bis 1 bar, betrieben wird, und dass der Druck in dem Inneren der Kammer (40) unter 50 mbar, insbesondere zwischen 1 mbar bis 10 mbar, gehalten wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (19) auf einer mit einer elektrischen Spannung von 10 Volt bis 5 kV, insbesondere 50 Volt bis 300 Volt, bei einer Frequenz von 0 bis 50 MHz, insbesondere 1 kHz bis 100 kHz, beaufschlagten Substratelek­ trode (18) angeordnet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung gegenphasig oder zeitlich korreliert zu der Veränderung der Intensität des Plasmastrahles (21) ver­ ändert, insbesondere gepulst wird.