DE102008044024A1

DE102008044024A1 - Beschichtungsverfahren sowie Beschichtungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102008044024A1
Application number: DE102008044024A
Authority: DE
Inventors: Ronald Neidhardt; Klaus Burghoff; Stefan Grosse; Carsten Herweg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-11-24
Filing date: 2008-11-24
Publication date: 2010-05-27
Also published as: WO2010057970A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein PE-CVD-Beschichtungsverfahren zum Beschichten metallischer Werkstücke (7), insbesondere von Komponenten von Kraftstoff-Einspritzsystemen, wobei die metallischen Werkstücke (7) mit einer hochfrequenten Wechselspannung oder einer gepulsten oder ungepulsten Gleichspannung beaufschlagt und einem Plasmastrom (9) aus einem Gasverteiler (2) ausgesetzt werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Werkstücke (7) ortsfest relativ zum Gasverteiler (2) angeordnet werden. Ferner betrifft die Erfindung eine Beschichtungsvorrichtung (1).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein PE-CVD-Beschichtungsverfahren (PE-CVD = plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung) gemäß Anspruch 1 sowie eine Beschichtungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 14.
Hochwertige Schutzschichten werden heute in plasmagestützten Verfahren in Batchanlagen oder in getakteten Mehrkammer-Batchanlagen abgeschieden. Die sich in Serie befindlichen Beschichtungsverfahren zielen auf möglichst große Batchgrößen ab, um die Beschichtungskosten gering zu halten. Bei den bekannten Beschichtungsvorrichtungen werden die Werkstücke (bis mehrere 10000 Stück) in einer Beschichtungskammer um bis zu drei Achsen rotierbar angeordnet, wobei die Beschichtungskammer mit Prozessgas zur Ausbildung eines Plasmas beschickbar ist. Während der Beschichtung werden die Werkstücke relativ zu den Gasaustrittsöffnungen (Gasverteiler, Gasdusche) rotiert, um eine gleichmäßige Abscheidung zu erreichen. Die Beschichtung erfolgt üblicherweise in Druckbereichen zwischen etwa 10^–1 bis etwa 10^–3 mbar, wobei Abscheideraten von typischerweise zwischen 1 und 2 μm/h realisiert werden können.
Nachteilig bei den sich in Serie befindlichen Beschichtungsverfahren ist es, dass mit diesen nicht wirtschaftlich kleine, an Vorfertigungsschritte angepasste Batchgrößen realisierbar sind. Ein weiterer wesentlicher Nachteil ist die lange Taktzeit bei bekannten Beschichtungsverfahren von bis zu mehreren Stunden.
Aus der DE 10 2007 035 518 A1 ist es bekannt, längliche, zylindrische Bauteile mit einem elektrisch induzierten Plasmastrom zu beschichten.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Beschichtungsverfahren sowie eine Beschichtungsvorrichtung vorzuschlagen, mit denen auch geringe Batchgrößen wirtschaftlich beschichtbar sind. Insbesondere sollen mit dem Verfahren und der Vorrichtung kurze Taktzeiten realisierbar sein.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Beschichtungsverfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Beschichtungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen. Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen verfahrensgemäß offenbarte Merkmale auch als vorrichtungsgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein. Ebenso sollen vorrichtungsgemäß offenbarte Merkmale als verfahrensgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Werkstücke nicht wie im Stand der Technik rotierbar anzuordnen, sondern bevorzugt ortsfest relativ zum Gasverteiler (Gasdusche), also ortsfest relativ zu den Gasaustrittsöffnungen, durch die Prozessgas und/oder Prozessflüssigkeit zur Bildung eines Plasmastroms ausströmt. Aufgrund der ortsfesten Anordnung der Werkstücke können hohe Abscheideraten von über 20 μm/h erreicht werden, wodurch insgesamt sehr kurze Taktzeiten realisierbar sind. Die Taktzeiten können weiter optimiert werden, wenn das Beschichtungskammervolumen (Prozesskammervolumen) minimiert wird, insbesondere indem die Werkstücke in einem möglichst geringen Abstand zu dem Gasverteiler angeordnet werden. Durch eine Minimierung des Beschichtungskammervolumens kann die Zeit, die benötigt wird, um die Beschichtungskammer zu evakuieren, auf ein Minimum reduziert werden. Mit einem nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Verfahren sowie einer entsprechend ausgebildeten Beschichtungsvorrichtung kann eine deutlich gesteigerte Abscheiderate bei zumindest gleichbleibender Schichtqualität realisiert werden. Insgesamt können vergleichsweise kostengünstige Beschichtungsvorrichtungen geschaffen werden, da keine aufwändige Kathodentechnik sowie kein Hochvakuum notwen dig sind. Das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren sowie eine nach dem Konzept der Erfindung ausgebildete Beschichtungsvorrichtung eignen sich zur Integration in Fertigungslinien. In den Rahmen der Erfindung fällt auch eine Ausführungsform, bei der die Werkstücke zwar nicht rotiert werden, bei der jedoch eine, vorzugsweise sehr langsame, translatorische Relativbewegung zwischen den Werkstücken und dem Gasverteiler realisiert ist. Bevorzugt werden die Werkstücke dabei translatorisch auf den Gasverteiler zu und/oder von diesem weg bewegt.
Bevorzugt ist die mittels des Beschichtungsverfahrens erhaltene Schutzschicht abriebsfest und schützt die Werkstücke vor Korrosion und/oder dient als Diffusionsschutz gegenüber Sauerstoff und/oder gegenüber Wasser/Wasserdampf und/oder dient als Schutz vor sonstigen chemischen Angriffen saurer oder basischer Medien. Zusätzlich oder alternativ kann die mindestens eine aufgebrachte Schicht als, insbesondere farbgebende und/oder strukturgebende, Dekorationsschicht realisiert werden. Bei Bedarf können auch die Werkstücke mittels des nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Verfahrens bzw. mittels der Vorrichtung nacheinander mehrere Schichten in derselben Beschichtungskammer aufgebracht werden, vorzugsweise zunächst eine Haftschicht, auf die die eigentliche Schutzschicht auf Basis von Kohlenwasserstoffen und/oder Silanen (Dotierungen mit z. B. N, O, F sind durch Zugabe weiterer Gase möglich) aufgebracht wird. Die Haftschicht kann beispielsweise mit Silan, Tetramethylsilan (TMS), Hexamethyldisilazan (HMDS), Hexamethyldisilazanoxid (HMDSO) oder Metallorganika realisiert werden. Als Prozessgas zur Ausbildung des Plasmastroms für den eigentlichen Beschichtungsprozess eignen sich insbesondere halogen-, silizium-, kohlenstoffhaltige und/oder metallorganische Monomere, d. h. niedermolekulare, vernetzbare Stoffe. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz von Acetylen und/oder Methan um eine reibarme, diamantähnliche Kohlenstoffschicht (DLC-Schicht) zu erhalten. Neben den gasförmigen Prekursoren ist auch das Einbringen von leichtflüssigen Ausgangsmaterialien mit einem hohen Anteil der schichtbildenden Spezies am Gesamtmolekulargewicht, wie beispielsweise Benzin oder Pentan möglich.
Bei Bedarf kann den Werkstücken eine Gegenelektrode zugeordnet werden, wobei sowohl die Gegenelektrode als auch den Gasverteiler potenzialfrei oder potenzialbehaftet eingesetzt werden können. Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn ausschließlich die Werkstücke eine spannungsbeaufschlagte Elektrode bilden, d. h. die die Werkstücke elektrisch kontaktierenden Mittel nicht unmittelbar mit Prozessgas und/oder Plasma beaufschlagt werden, um eine Abscheidekonzentration an den Werkstücken zu realisieren.
Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der der zum Einsatz kommende Gasverteiler mehrere Austrittsöffnungen aufweist, wobei die Austrittsöffnungen mit Vorteil derart beschaffen sind, dass das aus ihnen austretende Prozessgas unmittelbar nach dem Austritt aus den Austrittsöffnungen als Plasma aktiviert wird, d. h. gezündet wird. Diese Austrittsöffnungen können optional in Richtung der Werkstücke konisch erweiternd ausgeformt werden.
Besonders bevorzugt ist es, wenn jedem Werkstück mindestens eine, vorzugsweise ausschließlich eine, Austrittsöffnung zur direkten (unmittelbaren) Anströmung zugeordnet ist. Bevorzugt ist das insbesondere rotationssymmetrische Werkstück dabei koaxial zu einer die Austrittsöffnung durchsetzenden Längsmittelachse angeordnet. Nicht zu beschichtende Flächen des Werkstücks können wie bei herkömmlichen Beschichtungsverfahren mit leitenden und nichtleitenden Material maskiert werden. Mit Vorteil wird das Werkstück bzw. der in die Beschichtungskammer ragende Abschnitt direkt von dem Plasmastrom umströmt. Es existieren auch Bauteilgeometrien, bei denen die Anströmung nicht direkt über der Längsmittelachse des Werkstücks erfolgen muss. So kann es für Kolben, die nicht auf der Stirnfläche zu beschichten sind, auch sinnvoll sein, die Austrittsöffnungen in dem Gasverteiler gerade im Gitter versetzt zu den Bauteilen oder als Ringgasdusche koaxial zum Bauteil anzuordnen.
Das Beschichtungskammervolumen kann auf ein Minimum reduziert werden, wenn die Werkstücke in einem geringen Abstand zu den ihnen zugeordneten Austrittsöffnungen angeordnet sind. Bevorzugt beträgt der Abstand eines Werkstücks zu der ihm zugeordneten Austrittsöffnung weniger als 50 mm, vorzugsweise weniger als 30 mm. Durch die resultierende, unmittelbare Anströmung der Werkstücke mit dem Plasmastrom können hohe Abscheideraten erzielt werden.
Besonders bevorzugt ist es, die Werkstücke derart anzuordnen, dass diese sich entgegen der Strömungsrichtung erstrecken, d. h. dass die Längserstreckung der Bauteile parallel zur Strömungsrichtung des Plasmastroms bzw. der Plas maströme ausgerichtet ist, um die direkte Anströmung sowie die unmittelbare Umströmung der Werkstücke mit Plasmastrom zu erreichen.
Aufgrund der hohen erzielbaren Abscheiderate reicht es aus, wenn die Werkstücke weniger als 20 Minuten lang mit dem Plasmastrom beaufschlagt werden. Besonders bevorzugt ist die Zeitdauer, die die Werkstücke mit Plasmastrom beaufschlagt werden, aus einem Wertebereich zwischen weniger als 10 Sekunden und 20 Minuten.
In Weiterbildung der Erfindung werden mit Vorteil Beschichtungsraten von mehr als etwa 3 μm, vorzugsweise von mehr als 20 μm pro Stunde erreicht. Optimale Beschichtungsergebnisse werden erhalten, wenn die Werkstücke in der Beschichtungskammer, in der sie nachfolgend beschichtet werden, vorbehandelt und/oder gereinigt werden. Bevorzugt erfolgt die Vorbehandlung und/oder Reinigung durch den Einsatz von Reinigungsgasen, die durch Hochfrequenz oder gepulste Gleichspannung zu einem Plasma aktiviert werden. Ganz besonders bevorzugt kommen hierbei wasserstoff-, halogen-, sauerstoff-, fluor- und/oder stickstoffhaltige Gase zum Einsatz, die mittels Hochfrequenz zu einem Plasma aktiviert werden. Besonders bevorzugt ist der Einsatz von Edelgasen. Mit Vorteil beträgt der Druck bei der Vorbehandlungs- und/oder Reinigungsphase zwischen etwa 0,01 mbar und 50 mbar. Durch die Anregung des Reinigungs- bzw. Vorbehandlungsgases im Plasma bzw. durch dessen Fragmentierung entstehen Radikale und/oder Ionen, die eine intensive Oberflächenreinigung und/oder Aktivierung ermöglichen. Darüber hinaus ermöglicht die Vorbehandlung eine gute Anbindung (Haftung) der tatsächlichen Verschleißschutzbeschichtung oder einer Haftvermittlerschicht. Für die spätere Funktion der Schicht ist eine gute Haftung auf dem Substrat wünschenswert. Eine schlecht haftende Schicht würde sich nach den ersten Bewegungen des Bauteils relativ zum Gegenkörper vom Substrat lösen und das Bauteil nur noch uneffizient gegen Verschleiß schützen. Alternativ zu einer direkten Anstrahlung mit Reinigungsgas ist eine diffuse Verteilung des Reinigungsgases in der Kammer möglich – im Gegensatz zu dem zuvor beschriebenen eigentlichen Prozessgas. Die gesamte Vorbehandlungszeit beträgt bevorzugt wenige Sekunden bis einige Minuten – je nach Grundmaterial und Schichtart. Der sich in der Vorbehandlungskammer einstellende Druck hängt insbesondere vom Gasfluss und von der Saugleistung der Gaspumpe ab.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des Verfahrens, bei dem die Werkstücke mit einer Wechselspannungsfrequenz aus einem Wertebereich zwischen etwa 10 kHz und 6 GHz beaufschlagt werden. Ganz besonders bevorzugt wird die Frequenz aus einem Frequenzbereich zwischen etwa 20 kHz und 400 MHz gewählt, wobei es weiter bevorzugt ist, wenn die einzukoppelnde Leistung ungefähr 0,01–100 Watt pro cm² Werkstückfläche beträgt.
Die Erfindung führt auch auf eine Beschichtungsvorrichtung zum Beschichten metallischer Werkstücke, insbesondere von Düsennadeln für Kraftstoff-Injektoren. Ganz besonders bevorzugt ist die Beschichtungsvorrichtung zur Durchführung eines zuvor beschriebenen Verfahrens ausgebildet. Die Vorrichtung umfasst ein Gasverteiler, also eine Vielzahl von Gasaustrittsöffnungen zum Beaufschlagen der Werkstücke mit einem Plasmastrom, der durch Aktivieren von durch die Austrittsöffnungen ausströmendem Prozessgas und/oder zu verdampfende Prozessflüssigkeit erzeugt wird. Ferner umfasst die Beschichtungsvorrichtung Mittel zum Beaufschlagen der Werkstücke mit einer hochfrequenten Wechselspannung, wobei die einzukoppelnde Leistung bevorzugt zwischen etwa 0,01 Watt und etwa 100 Watt pro cm² Werkstückfläche entspricht. Die Beschichtungsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Werkstücke ortsfest relativ zum Gasverteiler positionierbar sind. Alternativ ist eine translatorische (nichtrotatorische) Relativbewegungsmöglichkeit zwischen den Werkstücken und dem Gasverteiler gegeben. Die Beschichtungsvorrichtung zeichnet sich ferner durch eine optimale Skalierbarkeit aus, insbesondere dann, wenn die Werkstücke, wie später noch erläutert werden wird, auf einer Elektrodenplatte (Werkstückträger) angeordnet werden. Die Größe der Elektrodenplatte kann an den Prozess angepasst werden. Es ist denkbar, Elektroden mit einer Flächenerstreckung von 1 cm × 1 cm bis > 1 m × 1 m einzusetzen. Bevorzugt werden die Werkstücke matrizenförmig in und/oder an der Elektrodenplatte angeordnet.
Besonders bevorzugt werden die Werkstücke hierzu auf einer Elektrodenplatte angeordnet, die vorzugsweise parallel zum Gasverteiler (Gasdusche) ausgerichtet ist, so dass die Werkstücke mit ihrer Längserstreckung parallel zum Plasmastrom ausgerichtet sind.
Bevorzugt werden die Werkstücke unmittelbar von dem Plasmastrom angeströmt, um die Abscheiderate weiter zu optimieren.
Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Beschichtungsvorrichtung, bei der ausschließlich die Werkstücke, die mit Spannung, insbesondere hochfrequenter Wechselspannung oder gepulster Gleichspannung, beaufschlagte Elektrode bilden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die die Werkstücke tragende Elektrodenplatte derart isoliert ist, dass der Plasmastrom die Elektrodenplatte (Trägerplatte) nicht unmittelbar beaufschlagen kann, sondern ausschließlich auf die Werkstücke auftrifft. Hierdurch kann der Abscheidevorgang auf die Werkstücke konzentriert werden. Bei Bedarf kann der vorzugsweise ausschließlich von den Werkstücken gebildeten Elektrode eine Gegenelektrode zugeordnet werden.
Bei Bedarf kann der Plasmastrom mittels Hilfselektroden vorteilhaft geformt werden, um Inhomogenitäten zu reduzieren. Dabei ist es möglich, mindestens eine Hilfselektrode zwischen den Werkstücken und/oder im Bereich der Austrittsöffnungen des Gasverteilers anzuordnen. Dabei können die Hilfselektroden sowohl auf dem Potential der Werkstücke, oder auf dem des Gasverteilers oder auf dem von Absaugöffnungen liegen. Auch ist es denkbar, die Hilfselektroden auf ein separat gesteuertes Potential zu legen, vorzugsweise aus einem Frequenzbereich zwischen etwa 0 und 400 MHz.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
Diese zeigen in:
1: ein erstes Ausführungsbeispiel einer Beschichtungsvorrichtung mit stehend angeordneten Werkstücken und
2: eine alternative Ausführungsform mit hängend angeordneten Werkstücken.
In den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
In 1 ist stark schematisiert eine Beschichtungsvorrichtung 1 zur Durchführung eines PE-CVD-Beschichtungsverfahrens gezeigt. Die Beschichtungsvorrichtung 1 umfasst einen metallischen Gasverteiler 2 (Gasdusche) mit einem Gaseinlass 3 sowie einer Verteilkammer 4, aus der eine Vielzahl von Austrittsöffnungen 5 ausmünden. Die Austrittsöffnungen 5 sind im Querschnitt konisch ausgeformt und erweitern sich hin zu einer Beschichtungskammer 6 (Prozesskammer), in die die Austrittsöffnungen 5 einmünden.
In der Beschichtungskammer 6 sind eine Vielzahl von metallischen Werkstücken 7, hier Düsennadeln für Kraftstoff-Injektoren, angeordnet. Die Werkstücke 7 sind in einer Elektrodenplatte 8 gehalten, die im Bereich der Beschichtungskammer 6 elektrisch isoliert ist bzw. mit einer Isolation versehen ist, so dass aus den Austrittsöffnungen 5 austretendes Prozessgas und/oder austretende, zu verdampfende Prozessflüssigkeit, das/die zu einem Plasmastrom 9 aktiviert wird, nicht in unmittelbarem Kontakt mit der Elektrodenplatte 8 kommen kann. Die Elektrodenplatte 8 ist mit an sich bekannten Mitteln 10 zum Beaufschlagen der Elektrodenplatte 8 mit einer Spannung kontaktiert. Der Gasverteiler 2 liegt auf Masse.
Wie sich aus 1 ergibt, ist jedem Werkstück 7 eine Austrittsöffnung 5 zugeordnet, wobei jedes Werkstück 7 koaxial zu einer gedachten, nicht eingezeichneten Längsmittelachse der zugehörigen Austrittsöffnung 5 angeordnet ist, so dass jedes Werkstück 7 unmittelbar mit Plasmastrom 9 beaufschlagbar ist. Es gibt auch Bauteilgeometrien, bei denen die Austrittsöffnungen mit Vorteil versetzt zu den Längsmittelachsen der Werkstücke 7 angeordnet sind. Die einzelnen Plasmaströme überschneiden sich in einem Bereich zwischen zwei benachbarten Werkstücken 7 und verlaufen parallel zu den Werkstücken 7.
Zu erkennen ist ferner, dass die Werkstücke 7 in einem geringen Abstand zu den zugehörigen Austrittsöffnungen 5, von in diesem Ausführungsbeispiel etwa 40 mm, angeordnet sind.
In der Elektrodenplatte 8 befinden sich jeweils zwischen zwei Werkstücken 7 Absaugöffnungen 11 zum Absaugen von Prozessgas und/oder Prozessflüssigkeit und/oder Plasma sowie zum Evakuieren der Beschichtungskammer 6 vor dem eigentlichen Beschichtungsvorgang.
Das über die düsenartigen Austrittsöffnungen 5 zugeführte Prozessgas wird im Plasma angeregt, zum Teil fragmentiert und ionisiert, und bildet die Plasmaströme 9 aus, die sich zum Teil auf den Werkstücken 7 als Schicht niederschlagen. Das Abpumpen des Plasmas aus den Absaugöffnungen 11 sorgt für einen Plasmastrom 9 auf der Außenseite der Werkstücke 7, der sich entlang der Werkstücke 7 erstreckt. Bei Bedarf können die Plasmaströme 9 über entsprechende Leitflächen beeinflusst und gesteuert werden. Im Plasmastrom 9 bildet sich, abhängig von der eingekoppelten Leistung, vom Gesamtdruck und von den Flächenverhältnissen zwischen der von den Werkstücken 7 gebildeten Elektrode und dem Gasverteiler 2 sowie einer fakultativ vorzusehenden, hier nicht gezeigten Gegenelektrode ein Potenzial (Self-Bias) aus. Dieses Potenzial bewirkt eine Beschleunigung der im Plasmastrom 9 befindlichen geladenen Ionen auf die Oberfläche der Werkstücke 7. Dieses Ionenbombardement bewirkt eine Kompaktierung der Schicht und eine Erhöhung der Schichthärte. Wichtig für die Funktionalität des Werkstückes 7 ist die Schichtdicke und die Härte von bis zu 50 GPa der Schicht. Der in der Beschichtungskammer 6 eingestellte Druck hängt vom Prozessgasfluss und von der Saugleistung einer nicht gezeigten, an der Beschichtungskammer über die Absaugöffnungen 11 angeschlossenen Vakuumpumpe ab. Er beträgt bevorzugt zwischen etwa 0,01 mbar und 50 mbar.
Vor dem zuvor beschriebenen Beschichtungsprozess können die Werkstücke 7 unmittelbar in der Beschichtungskammer 6 vorbehandelt und/oder gereinigt werden, wobei hierzu über den Gasverteiler 2 entsprechendes Reinigungsgas, insbesondere Edelgas, zugeführt wird, das als Plasmastrom 9 aktiviert wird. Alternativ werden die Werkstücke 7 nicht unmittelbar mit dem Reinigungsgas angeströmt, sondern letzteres wird diffus in der Beschichtungskammer 6 verteilt. Bevorzugt beträgt auch der Druck während dieser Vorbehandlungs- und Reinigungsphase 0,01 mbar bis 50 mbar.
Mit der in 1 gezeigten Beschichtungsvorrichtung 1 können Beschichtungszeiten von weniger als 10 oder 5 Minuten realisiert werden. Die Taktzeit inklusive Pumpzeiten beträgt etwa 10 Minuten. Zunächst wird die Elektrodenplatte 8 (Warenträger) eingeschleust. Das Restgas (Luft) wird bis zum Vorbehandlungsdruck abgepumpt und anschließend auf Arbeitsdruck durch Einlass eines Edelgases gebracht. Die Hochfrequenz oder die gepulste Gleichspannung wird während etwa 1 bis 10 Minuten angeschaltet. Durch Beimengungen von zunächst silizium haltigen Prozessgasen wird eine Haftschicht (Übergangsschicht) abgeschieden. Im nächsten Schritt wird das Reaktionsgas Acetylen eingespeist. Die Leistung der eingekoppelten Hochfrequenz kann während des Prozesses variiert werden. Die Gaszuführung wird anschließend beendet und das Restgas evakuiert.
2 zeigt eine alternative Beschichtungsvorrichtung 1. Der Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 besteht darin, dass die Werkstücke 7 hängend in der Beschichtungskammer 6 an einer Elektrodenplatte 8 (Werkstückhalter) angeordnet sind. Die Werkstücke 7 durchsetzen die Elektrodenplatte 8. Auf der von dem Gasverteiler 2 abgewandten Seite der Werkstücke 7 befindet sich eine Gegenelektrode 12, in die Absaugöffnungen 11 eingebracht sind. Die Gegenelektrode 12 liegt zusammen mit dem Gasverteiler 2 (Gasdusche) optional auf Masse, während die Elektrodenplatte 8 mit Mitteln 10 zum Beaufschlagen mit einer hochfrequenten Spannung oder einer gepulsten Gleichspannung verbunden ist. Im Fall einer hochfrequenten Anregung der Gegenelektrode 12 ist eine Phasenabstimmung mit der Hochfrequenz der Werkstücke 7 notwendig.
Alternativ zu einer in den 1 und 2 gezeigten planaren Ausführung der Elektrode 8 ist es alternativ denkbar, diese beispielsweise zylindrisch auszuformen. Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn die dann zylindrisch konturierte Elektrode 8 radial innerhalb des, vorzugsweise dann ebenfalls zylindrischen, Gasverteilers anzuordnen, so dass nicht wie in den gezeigten Ausführungsbeispielen ein Plasmastrom von oben nach unten, sondern in radialer Richtung erreicht wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102007035518 A1 [0004]

Claims

PE-CVD Beschichtungsverfahren zum Beschichten metallischer Werkstücke (7), insbesondere von Komponenten von Kraftstoff-Einspritzsystemen, wobei die metallischen Werkstücke (7) mit einer hochfrequenten Wechselspannung oder einer gepulsten oder ungepulsten Gleichspannung beaufschlagt und einem Plasmastrom (9) aus einem Gasverteiler (2) ausgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke (7) nicht rotierend, vorzugsweise ortsfest, relativ zum Gasverteiler (2) angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke (7) unmittelbar von dem Plasmastrom (9) angeströmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmastrom (9) über mindestens eine Absaugöffnung (11) abgesaugt wird, wobei vorzugsweise für jedes einzelne Werkstück (7) oder für jede Gruppe von Werkstücken (7) eine Absaugöffnung (11) vorgesehen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasverteiler (2) mehrere Austrittsöffnungen (5) aufweist, die vorzugsweise derart beschaffen, sich konisch erweiternd ausgeformt, sind, dass aus den Austrittsöffnungen (5) austretendes Prozessgas an den Austrittsöffnungen (5) als Plasma aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Werkstück (7) mindestens eine, vorzugsweise ausschließlich eine, Austrittsöffnung (5) zugeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke (7) jeweils weniger als 50 mm, vorzugsweise weniger als 30 mm beabstandet von der jeweiligen, ihnen zugeordneten Austrittsöffnung (5) angeordnet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke (7) mit ihrer Längserstreckung parallel zur Strömungsrichtung des Plasmastroms (9) angeordnet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke (7) weniger als 15 Minuten, vorzugsweise weniger als 10 Minuten, bevorzugt weniger als 5 Minuten mit dem Plasmastrom (9) beaufschlagt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke (7) mit einer Beschichtungsrate aus einem Bereich zwischen 2 μm und 100 μm pro Stunde beschichtet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke (7) in der Beschichtungskammer (6) vor dem Beschichtungsprozess in einem Plasma vorbehandelt und/oder gereinigt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke (7) mit einer Wechselspannungfrequenz aus einem Wertebereich zwischen 10 kHz und 6 GHz, vorzugsweise zwischen etwa 200 kHz und 400 MHz und/oder mit einer gepulsten Gleichspannung, insbesondere mit Zeitkonstanten zwischen 0,01 μs und 100 μs, beaufschlagt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bereits beschichtete Werkstücke mittels geeigneter Prozessgase entschichtet werden, insbesondere durch Zugabe von Ar, O₂, N₂, H₂, Kohlenwasserstoffen und/oder mindestens einer Fluorverbindung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasverteiler mit sich ändernden Gasmischungen und/oder Plasmen beaufschlagt wird, und somit die Werkstücke in einem Prozess sowohl gereinigt werden und, insbesondere danach, mit mindestens einer, insbesondere gradierten, Schicht beschichtet wird.
Beschichtungsvorrichtung zum Beschichten metallischer Werkstücke (7), insbesondere von Komponenten von Kraftstoff-Einspritzsystemen, vorzugsweise zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Gasverteiler (2) zum Beaufschlagen der Werkstücke (7) mit einem Plasmastrom (9) und mit Mitteln (10) zum Beaufschlagen der Werkstücke (7) mit einer hochfrequenten Wechselspannung oder gepulsten oder ungepulsten Gleichspannung, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke (7) nicht rotierbar, vorzugsweise ortsfest, relativ zu dem Gasverteiler (2) positionierbar sind.
Beschichtungsvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke (7) derart anordenbar sind, dass deren Längserstreckung parallel zum Plasmastrom (9) ausgerichtet ist.
Beschichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke (7) derart anordenbar sind, dass diese unmittelbar von dem Plasmastrom (9) anströmbar sind.
Beschichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasverteiler (2) mehrere Austrittsöffnungen (5) aufweist, und dass die Werkstücke (7) in einem Abstand von weniger als 50 mm, vorzugsweise weniger als 30 mm relativ zu den Austrittsöffnungen (5) anordenbar sind.
Beschichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnungen (5) derart beschaffen sind, insbesondere sich konisch erweiternd ausgeformt sind und/oder profiliert sind, dass aus den Austrittsöffnungen (5) austretendes Prozessgas an den Austrittsöffnungen (5) als Plasma aktiviert wird.
Beschichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Werkstück (7) mindestens eine, vorzugsweise ausschließlich eine, Austrittsöffnung (5) zugeordnet ist.
Beschichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke (7) in und/oder an einem, insbesondere als Elektrodenplatte (8) ausgebildeten, Werkzeughalter angeordnet sind, und dass ausschließlich die Werkstücke (7) eine mit Plasmastrom (9) beaufschlagbare Elektrode bilden.
Beschichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrode eine Gegenelektrode (12) zugeordnet ist, die vorzugsweise optional mit einer Hochfrequenz zwischen 100 kHz und 6 GHz oder alternativ mit einer Gleichspannung, insbesondere mit Zeitkonstanten zwischen 0,01 μs und 100 μs, beaufschlagbar ist.
Beschichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückhalter mit in einem Raster angeordneten Werkstücken, vorzugsweise mit definierten Schrittweiten, relativ zur Gasverteilung translatorisch verstellbar ist, und dass die Werkstücke, insbesondere während der Verstellbewegung, mit unterschiedlichen Gasen und/oder Prekursoren und/oder, insbesondere ätzenden und/oder beschichtenden, Plasmen beaufschlagbar sind.