-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines plasmagestützten Prozesses zur Beschichtung mindestens eines Bauteils, wobei das mindestens eine Bauteil in einen Rezipienten eingebracht wird; ein Plasma in dem Rezipient erzeugt wird und das mindestens eine Bauteil aus der Gasphase heraus beschichtet wird. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Beschichtung mindestens eines Bauteils mittels eines plasmagestützten Prozesses, umfassend einen Rezipienten, in welchem ein Plasma erzeugbar ist und einen innerhalb des Rezipienten angeordneten Bauteilträger zur Aufnahme des mindestens einen Bauteils Die Beschichtung des mindestens einen Bauteils erfolgt aus der Gasphase.
-
Stand der Technik
-
Zur Vakuumbeschichtung von Bauteilen sind unter Anderem plasmagestützte Beschichtungsprozesse bekannt. Beispielsweise kann eine Beschichtung mittels Gasphasenabscheidung in Form eines PVD-Verfahrens (PVD= physical vapor deposition) oder in Form eines PECVD-Verfahrens (PECVD= plasma enhanced chemical vapor deposition) durchgeführt werden. Beim PVD-Verfahren wird das keramische oder metallische Beschichtungsmaterial (Target) mittels lonenbeschuss in die Gasphase überführt. Das Beschichtungsmaterial kann auch als Komposit vorliegen. Beim PECVD Verfahren werden die Feststoffe direkt aus einer chemisch erzeugten Gasphase abgeschieden. Die hierfür erforderliche Energie wird aus dem Plasma gewonnen, welches das Edukt in die verschiedenen Produkte (neutral, elektrisch geladen) zerlegt. Elektrisch geladene Teilchen können von entsprechenden Sonden erfasst werden.
-
Zur Überwachung und Analyse von plasmagestützten Beschichtungsprozessen gibt es neben der qualitativen, in-situ-fähigen optischen Emissionsspektroskopie die Möglichkeit zur Messung der Ladungsträger innerhalb des Plasmas mittels verschiedener Sonden. Hierbei wird eine Sonde in Form eines elektrisch leitfähigen Mediums in das ausgebildete Plasma eingeführt und die abfließenden Ladungsträger in Abhängigkeit von einer angelegten Sondenspannung erfasst. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in dem Artikel von G. Franz, „Low pressure plasmas and microstructuring technology“, Berlin (u.a.), Springer, 2009, p. 304, beschrieben. Eine Messkurve aus Strom und Spannung kann dabei in einer Strom-Spannungscharakteristik dargestellt werden.
-
Der schematische Aufbau einer elektrostatischen Einzelsonde, welche zur Messung der Ladungsträger innerhalb des Plasmas geeignet ist, ist beispielsweise in der Druckschrift „ESPION_Widescreen.pdf“, Hiden Analytical, 13 11 2018, beschrieben. Nachteilig bei einer Messung kann dabei jedoch eine lokale Störung des Plasmas durch die geometrischen Abmessungen der eingebrachten Sonde und die hierbei entstehende elektrische Raumladungsschicht sein.
-
Aus der aufgezeichneten Messkurve lassen sich unter anderem die Elektronentemperatur, Ladungsträgerdichte, das Plasmapotential sowie die Ladungsträgerverteilung bestimmten. Diese Kenngrößen können für die Bestimmung des Verhältnisses aus Ionen und schichtbildenden Teilchen herangezogen werden, das maßgebend für die erzielten Schichteigenschaften ist. Eine mögliche Art der Auswertung einer solchen Messkurve ist in dem Artikel von S. Ulrich, J. Ye und M. Stüber „Influence of Ar-N2 gas composition on the magnetronsputter deposition of cubic boron nitride films“, Surface and Coatings Technology, Nr. 205, 2010, beschrieben.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Es wird ein Verfahren zur Überwachung eines plasmagestützten Prozesses zur Beschichtung mindestens eines Bauteils vorgeschlagen. Dabei wird das zu beschichtende mindestens eine Bauteil in einen Rezipienten eingebracht und an einem innerhalb des Rezipienten angeordneten Bauteilträger zur Aufnahme des mindestens einen Bauteils befestigt. Innerhalb des Rezipienten wird ein Plasma erzeugt. Anschließend wird das mindestens eine Bauteil aus der Gasphase heraus beschichtet.
-
Bei dem Rezipient handelt es sich um ein Gefäß, das beispielsweise aus Edelstahl besteht, und in welchem die Beschichtung des mindestens einen Bauteils unter verhältnismäßig geringem Druck stattfindet. Nach dem Einbringen des mindestens einen Bauteils in den Rezipienten wird der Rezipient luftdicht verschlossen und im Inneren des Rezipienten wird ein Unterdruck erzeugt. Anschließend wird ein Gas, beispielsweise Argon, in den Rezipienten eingebracht. Aus dem in den Rezipienten eingebrachten Gas wird das Plasma erzeugt.
-
Die Beschichtung des mindestens einen Bauteils geschieht beispielsweise mittels des PVD-Verfahrens oder mittels des PECVD-Verfahrens. Beim PVD-Verfahren wird ein Festkörper (Target), das im Rezipienten vorliegt, teilweise verdampft. Die Verdampfung erfolgt beispielsweise durch den lonenbeschuss oder die Lichtbogenentladung. Beim PECVD-Verfahren liegt das Beschichtungsmaterial direkt in der chemischen Phase vor. Bei beiden Varianten der Gasphasenabscheidung gelangt das Beschichtungsmaterial aus der Gasphase als Schicht auf das Bauteil.
-
Während des besagten Beschichtungsprozesses wird zwischen dem zu beschichtenden mindestens einen Bauteil und dem Rezipienten eine Messspannung angelegt. Dabei wird ein von dem mindestens einen Bauteil abfließender Messstrom gemessen, und es wird ein Zusammenhang zwischen der Messspannung und dem Messstrom ausgewertet. Eine Messkurve, welche den Zusammenhang zwischen der Messspannung und dem Messstrom zeigt, kann dazu beispielsweise in Form einer Strom-Spannungscharakteristik dargestellt werden.
-
Während des Beschichtungsprozesses sind Ionen und Elektronen in dem Plasma innerhalb des Rezipienten vorhanden. Wenn an dem mindestens einen Bauteil eine negative Messspannung angelegt wird, so werden Ionen von dem mindestens einen Bauteil angezogen, und über das mindestens eine Bauteil fliesen Ionen in Abhängigkeit von der angelegten Messspannung aus dem Plasma ab. Die abfließenden Ionen führen durch Rekombination mit den in dem mindestens einen Bauteil befindlichen Elektronen zu einem messbaren elektrischen Strom. Wenn an dem mindestens einen Bauteil eine positive Messspannung angelegt wird, so werden Elektronen von dem mindestens einen Bauteil angezogen, und über das mindestens eine Bauteil fliesen Elektronen in Abhängigkeit von der angelegten Messspannung aus dem Plasma ab.
-
Aus der erfassten Strom-Spannungscharakteristik, welche auch als IV-Charakteristik bezeichnet wird, lassen sich unter anderem die Ladungsträgerdichte, das Plasmapotential und die Elektronentemperatur bestimmen. Anschließend kann über die aufgezeichnete beziehungsweise berechnete Strom-Spannungscharakteristik ein Prozessübertrag, die Prozessüberwachung oder Prozessoptimierung erfolgen.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Messspannung in Form einer Spannungsrampe angelegt. Zu Beginn der Messung hat die angelegte Messspannung dabei einen geringen Minimalwert. Während der Messung wird der Wert der Messspannung, vorzugsweise kontinuierlich, bis zu einem hohen Maximalwert erhöht.
-
Der Minimalwert der Messspannung ist vorzugsweise negativ, der Maximalwert der Messspannung ist vorzugsweise positiv. Die Spannungsrampe erstreckt sich also von dem negativen Minimalwert bis zu dem positiven Maximalwert. Vorzugsweise wird die Spannungsrampe dabei mehrfach nacheinander durchlaufen. Der Minimalwert beträgt beispielsweise - 30 V, der Maximalwert beträgt beispielsweise + 40 V.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der von dem Bauteil abfließende Messstrom außerhalb des Rezipienten in einem elektrischen Leiter gemessen. Der besagte elektrische Leiter, beispielsweise ein Messkabel, ist dazu mit dem Bauteil elektrisch verbunden und durch eine Wand des Rezipienten hindurch nach außen geführt. Die Durchführung des elektrischen Leiters kann beispielsweise über einen herkömmlichen CF-Flansch realisiert werden. Hierbei muss jedoch die Rotation des Bauteilträgers berücksichtigt werden und gegebenenfalls muss ein rotatorischer Signalabgriff oder eine Drehdurchführung vorgesehen werden.
-
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der von dem Bauteil abfließende Messstrom innerhalb des Rezipienten gemessen. Dabei werden aufgenommene Messwerte des Messstroms zu einer außerhalb des Rezipienten angeordneten Verarbeitungseinheit übertragen. Beispielsweise wird dazu ein vakuumtauglicher RFID-Transponder zur drahtlosen Signalübertragung der Messwerte zu der Verarbeitungseinheit verwendet. Auch ist eine Speicherung der Messwerte auf einem Medium innerhalb des Rezipienten denkbar. Die Messwerte werden dann zu einem späteren Zeitpunkt von dem Medium ausgelesen und zu der Verarbeitungseinheit übertragen. Je nach Ausführung gibt es aktive und passive Modelle, die sich in ihrer Wiederbeschreibbarkeit unterscheiden.
-
Es wird auch eine Vorrichtung zur Beschichtung mindestens eines Bauteils mittels eines plasmagestützten Prozesses vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst dabei einen Rezipienten, in welchem ein Plasma erzeugbar ist, und einen innerhalb des Rezipienten angeordneten Bauteilträger zur Aufnahme des mindestens einen Bauteils. Innerhalb des Rezipienten ist eine Beschichtungsmaterial-Gasphase erzeugbar, mit der das mindestens eine Bauteil beschichtbar ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet.
-
Bei dem Rezipient handelt es sich um ein Gefäß, das beispielsweise aus Edelstahl besteht, und in welchem die Beschichtung des mindestens einen Bauteils unter verhältnismäßig geringem Druck stattfindet. Nach dem Einbringen des mindestens einen Bauteils in den Rezipienten wird der Rezipient luftdicht verschlossen und im Inneren des Rezipienten wird ein Unterdruck erzeugt. Anschließend wird ein Gas, beispielsweise Argon, in den Rezipienten eingebracht. Aus dem in den Rezipienten eingebrachten Gas wird das Plasma erzeugt.
-
Die Vorrichtung umfasst ferner Mittel zum Anlegen einer Messspannung zwischen dem mindestens einen Bauteil und dem Rezipienten. Dabei handelt es sich beispielsweise um eine regelbare Spannungsquelle, mit welcher eine Spannungsrampe durchfahren werden kann. Die Spannungsrampe erstreckt sich von dem negativen Minimalwert, beispielsweise - 30 V, bis zu dem positiven Maximalwert, beispielsweise + 40 V.
-
Die Vorrichtung umfasst auch Mittel zum Messen eines von dem mindestens einen Bauteil abfließenden Stroms, insbesondere in Form eines geeigneten Stromsensors. Ferner umfasst die Vorrichtung Mittel zur Auswertung eines Zusammenhangs zwischen der Messspannung und dem Messstrom. Dabei handelt es sich beispielsweise um einen geeigneten Digitalrechner mit einem Prozessor, einer Speichereinheit und einer entsprechenden Software zur Erstellung einer Strom-Spannungscharakteristik und zur Auswertung des besagten Zusammenhangs zwischen der Messspannung und dem Messstrom.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung ferner einen mit dem Bauteil elektrisch verbindbaren elektrischen Leiter, welcher durch eine Wand des Rezipienten hindurch nach außen geführt ist. Der von dem Bauteil abfließende Messstrom fließt dabei durch den besagten Leiter, beispielsweise ein Messkabel. Dabei sind die Mittel zum Messen des von dem Bauteil abfließenden Messstroms außerhalb des Rezipienten angeordnet. Die Durchführung des elektrischen Leiters durch den Rezipienten kann beispielsweise über einen herkömmlichen CF-Flansch realisiert werden. Hierbei muss jedoch die Rotation des Bauteilträgers berücksichtigt werden und gegebenenfalls muss ein rotatorischer Signalabgriff oder eine Drehdurchführung vorgesehen werden.
-
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung ferner eine außerhalb des Rezipienten angeordnete Verarbeitungseinheit, zu welcher aufgenommene Messwerte des Messstroms übertragbar sind. Dabei sind die Mittel zum Messen des von dem Bauteil abfließenden Messstroms innerhalb des Rezipienten angeordnet. Beispielsweise wird dazu ein vakuumtauglicher RFID-Transponder zur drahtlosen Signalübertragung der Messwerte zu der Verarbeitungseinheit verwendet. Auch ist eine Speicherung der Messwerte auf einem Medium innerhalb des Rezipienten denkbar. Die Messwerte werden dann zu einem späteren Zeitpunkt von dem Medium ausgelesen und zu der außerhalb des Rezipienten angeordneten Verarbeitungseinheit übertragen. Je nach Ausführung gibt es aktive und passive Modelle, die sich in ihrer Wiederbeschreibbarkeit unterscheiden.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung ferner ein innerhalb des Rezipienten angeordnetes Target, mit dessen Material das Bauteil beschichtbar ist.
-
Bevorzugt umfasst der Bauteilträger einen Isolator, welcher ein darin aufgenommenes Bauteil elektrisch gegen den Rezipienten isoliert. Somit kann eine Messspannung zwischen dem Bauteil und dem Rezipienten angelegt werden, ohne dass ein Strom unmittelbar von dem Bauteil und zu dem Rezipienten fließt.
-
Vorteile der Erfindung
-
Die hier beschriebene Erfindung ermöglicht eine quantitative in-situ Messung der vorhandenen Ladungsträger in dem Plasma in dem Rezipienten während der Beschichtung eines Bauteils. Die Messung geschieht dabei analog zu aus dem Stand der Technik bekannten Messungen mit herkömmlichen elektrostatischen Sonden. Mittels der vorliegenden Erfindung lässt sich jedoch eine prozessabhängige Strom-Spannungscharakteristik (IV-Charakteristik) erfassen und ein Zusammenhang zwischen der Messspannung und dem Messstrom auswerten, ohne dabei zusätzlich das in dem Rezipienten befindliche Plasma zu stören. Somit sind negative, störende Auswirkungen der Messung auf den Beschichtungsprozess vorteilhaft verringert.
-
Bei der Messung erfolgt also keine zusätzliche Störung des Beschichtungsprozess, da eine herkömmliche elektrostatische Sonde nicht vorhanden ist. Die Messspannung ist unmittelbar direkt von dem Bauteil übernehmbar. Somit ergibt sich eine homogenere Beschichtung des Bauteils durch zusätzliche Kalibriermöglichkeiten, beispielsweise durch Anpassung der Leistungseinkopplung in Abhängigkeit des Messwertes. Ferner ist eine bessere Prozessübertragbarkeit auf einen anderen Rezipienten gegeben. Auch sind eine bessere Prozessoptimierung sowie eine bessere Prozessüberwachung gegeben. Ferner ist eine bessere vorbeugende Instandhaltung des Rezipienten möglich. Auch ist eine bessere Dokumentation eines durchgeführten Beschichtungsprozesses gegenüber einem Kunden möglich.
-
Figurenliste
-
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
-
Es zeigen:
- 1 eine Vorrichtung zur Beschichtung eines Bauteils mittels eines plasmagestützten Prozesses und
- 2 eine aufgenommene Messkurve in Form einer Strom-Spannungscharakteristik.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
-
1 zeigt eine Vorrichtung 10 zur Beschichtung eines Bauteils 12 mittels eines plasmagestützten Prozesses. Die Vorrichtung 10 umfasst einen Rezipienten 14. Bei dem Rezipient 14 handelt es sich um ein Gefäß, das vorliegend aus Edelstahl besteht, und in welchem mittels einer Pumpe ein Unterdruck erzeugbar ist.
-
Innerhalb des Rezipienten 14 ist ein Bauteilträger 16 zur Aufnahme des Bauteils 12 angeordnet. Der Bauteilträger 16 umfasst einen Isolator 18, welcher das darin aufgenommene Bauteil 12 elektrisch gegen den übrigen Bauteilträger 16 und gegen den Rezipienten 14 isoliert. Der Bauteilträger 16 umfasst auch eine Aufnahmeeinheit 22, welche den Isolator 18 und das darin aufgenommene Bauteil 12 trägt.
-
An den Rezipienten 14 ist eine hier nicht dargestellte Gasleitung angeschlossen. Die Gasleitung ist mit einer Gasflasche verbunden. In der Gasleitung ist ein Massendurchflussmesser angeordnet. Über die Gasleitung ist das für den Beschichtungsprozess erforderliche Prozessgas, beispielsweise Argon, Reaktivgas, beispielsweise Stickstoff oder Edukt, beispielsweise Acetylen, dem Rezipienten 14 zuführbar.
-
Innerhalb des Rezipienten 14 ist auch eine hier nicht dargestellte Plasmaquelle vorgesehen, welche die erforderlichen Ladungsträger für den Beschichtungsprozess aus dem Prozessgas erzeugt. Der Beschichtungsprozess erfolgt aus der Gasphase heraus, die sowohl physikalisch, beispielsweise mittels lonenbeschuss eines Targets, oder auf chemischen Weg mittels eines zusätzlichen Edukt erfolgen kann.
-
Die Vorrichtung 10 umfasst einen elektrischen Leiter 40, der in Form eines Messkabels ausgeführt ist. Der elektrische Leiter 40 ist mit dem Bauteil 12 elektrisch verbunden. Der elektrische Leiter 40 und das Bauteil 12 sind von dem Rezipienten 14, insbesondere von dem Bauteilträger 16, elektrisch isoliert. Der elektrische Leiter 40 ist durch eine Wand des Rezipienten 14 hindurch nach außen geführt.
-
Der Bauteilträger 16 ist innerhalb des Rezipienten 14 drehbar gelagert. Während des Beschichtungsprozesses rotiert der Bauteilträger 16 innerhalb des Rezipienten 14. Die Durchführung des elektrischen Leiters 40 durch die Wand des Rezipienten 14 hindurch umfasst daher eine hier nicht dargestellte Drehdurchführung, womit die besagte Rotation des Bauteilträgers 16 berücksichtigt wird.
-
Die Vorrichtung 10 umfasst eine Messeinheit 50, die vorliegend außerhalb des Rezipienten 14 angeordnet ist. Die Messeinheit 50 ist über den elektrischen Leiter 40 mit dem Bauteil 12 innerhalb des Rezipienten 14 verbunden. Die Messeinheit 50 ist elektrisch geerdet. Ebenso ist der Rezipient 14 elektrisch geerdet.
-
Die Messeinheit 50 weist Mittel zum Anlegen einer Messspannung UM zwischen dem Bauteil 12 und dem Rezipienten 14 auf. Bei den besagten Mitteln handelt es sich vorliegend um eine regelbare Spannungsquelle 42. Die Spannungsquelle 42 ist außerhalb des Rezipienten 14 angeordnet. Mit der Spannungsquelle 42 kann eine Spannungsrampe durchfahren werden kann. Die Spannungsrampe erstreckt sich von einem negativen Minimalwert, vorliegend - 30 V, bis zu einem positiven Maximalwert, vorliegend + 40 V.
-
Beim Anlegen der Messspannung UM zwischen dem Bauteil 12 und dem Rezipienten 14 fließt ein Messstrom IM von dem Bauteil 12 ab und durch den elektrischen Leiter 40 zu der Messeinheit 50. Es fließt kein Strom unmittelbar von dem Bauteil 12 zu dem Rezipienten 14.
-
Die Messeinheit 50 weist auch Mittel zum Messen des von dem Bauteil 12 abfließenden Messstroms IM auf. Bei den besagten Mitteln handelt es sich vorliegend um einen Stromsensor 44. Der Stromsensor 44 ist außerhalb des Rezipienten 14 angeordnet. Der Stromsensor 44 umfasst vorliegend einen Messwiderstand 46 und zwei Messpunkte 48. Der Messwiderstand 46 ist elektrisch zwischen den Messpunkten 48 angeordnet. Wenn der Messstrom IM durch den Messwiderstand 46 fließt, so fällt über dem Messwiderstand 46 eine Sensorspannung ab, die proportional zu dem Messstrom IM ist. Die Sensorspannung ist zwischen den Messpunkten 48 messbar.
-
Nach dem Einbringen des Bauteils 12 in den Rezipienten 14 wird der Rezipient 14 luftdicht verschlossen und im Inneren des Rezipienten 14 wird ein Unterdruck erzeugt. Anschließend wird ein Gas, beispielsweise Argon, in den Rezipienten 14 eingebracht. Aus dem in den Rezipienten 14 eingebrachten Gas wird ein Plasma 20 erzeugt. Der Beschichtungsprozess des Bauteils 12 findet in dem Rezipienten 14 also unter einem verhältnismäßig geringen Druck statt, wobei sich das Plasma 20 innerhalb des Rezipienten 14 befindet.
-
Während des besagten Beschichtungsprozesses wird zwischen dem Bauteil 12 und dem Rezipienten 14 die Messspannung UM angelegt. Dabei wird der von dem Bauteil 12 durch den elektrischen Leiter 40 abfließende Messstrom IM gemessen. Während dieser Messung werden Messwerte der Messspannung UM und Messwerte des Messstroms IM aufgenommen.
-
Aus den aufgenommenen Messwerten der Messspannung UM und des Messstroms IM wird eine Messkurve 60 erstellt, welche einen Zusammenhang zwischen der Messspannung UM und dem Messstrom IM zeigt. In der 2 ist beispielhaft eine solche aufgenommene Messkurve 60 in Form einer Strom-Spannungscharakteristik dargestellt.
-
Der Zusammenhang zwischen der angelegten Messspannung UM und dem gemessenen Messstrom IM wird anschließend ausgewertet. Dazu umfasst die Vorrichtung 10 hier nicht dargestellte Mittel zur Auswertung des Zusammenhangs zwischen der Messspannung UM und dem Messstrom IM. Bei den besagten Mitteln handelt es sich beispielsweise um einen geeigneten Digitalrechner mit einem Prozessor, einer Speichereinheit und einer entsprechenden Software zur Erstellung der Strom-Spannungscharakteristik und zur Auswertung des Zusammenhangs zwischen der Messspannung UM und dem Messstrom IM.
-
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
