DE10202311B4

DE10202311B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Plasmabehandlung von dielektrischen Körpern

Info

Publication number: DE10202311B4
Application number: DE10202311A
Authority: DE
Inventors: Gregor Dipl.-Ing. Arnold; Stephan Dr. Behle; Matthias Dr. Bicker; Andreas Dipl.-Ing. Lüttringhaus-Henkel
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2002-01-23
Filing date: 2002-01-23
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2022-01-24
Also published as: US20030159654A1; DE10202311A1; JP2003306773A; JP4116454B2; US20070148368A1

Abstract

Vorrichtung zur PECVD-Beschichtung und/oder Plasmakonditionierung von Werkstücken, umfassend eine Transporteinrichtung (12) und
eine Plasmaerzeugungseinrichtung (44, 45), welche im Betrieb in einen Bereich (47) der Vorrichtung elektromagnetische Energie einstrahlt,
wobei
die Transporteinrichtung eingerichtet ist, die Werkstücke kontinuierlich durch den Bereich (47) zu führen,
und eine Einrichtung, um einen Teil eines Werkstücks gasdicht unter Bildung eines Hohlraums von der Umgebung abzuschließen, sowie eine Einrichtung, um den Hohlraum zu evakuieren,
und
bei welcher die Plasmaerzeugungseinrichtung zumindest einen Feldapplikator (44, 45) mit einer Antennenanordnung aus zwei kreisförmig gebogenen, in radialer Richtung beabstandeten Platten umfasst und die Werkstücke durch die Transporteinrichtung (12) entlang eines kreisförmigen Weges zwischen den Platten geführt werden,
oder bei welcher der zumindest eine Feldapplikator (44, 45) eine Antennenanordnung aus zwei parallelen Platten umfaßt und die Werkstücke durch die Transporteinrichtung (12) entlang eines geradlinigen Weges zwischen den Platten geführt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Plasmabehandlung von dielektrischen Körpern, insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Plasmabeschichtung oder Plasmakonditionierung dielektrischer Körper.
Die Erzeugung der Schichten wird unter anderem mittels verschiedener chemischer Dampfphasenabscheidungs-Verfahren (CVD-Verfahren) vorgenommen.
Bei den CVD-Verfahren geschieht die Abscheidung einer Schicht durch eine gasförmige reaktive chemische Verbindung in der Umgebung des zu behandelnden Werkstücks, die durch den Eintrag von Energie ionisiert wird. Die Reaktionsprodukte schlagen sich auf der Oberfläche des Werkstückes nieder und bilden eine Schicht, die sich in ihrer Zusammensetzung von den Ausgangsmaterialien unterscheidet, wobei die endgültige Reaktion der Zwischenprodukte aus der Dampfphase zum Material der Schicht in der Regel erst auf der Oberfläche des Werkstücks stattfindet. Dadurch, daß verschiedenste Edukte miteinander gemischt werden können, lassen sich mit CVD-Verfahren sehr vielfältige Schichten mit unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften erzeugen. Als Edukte können sowohl gasförmige, als auch verdampfbare Substanzen verwendet werden.
Im Einzelnen wird zwischen thermischen CVD-Verfahren und plasmaunterstützten CVD-Verfahren (PECVD-Verfahren) unterschieden.
Bei der thermischen CVD-Beschichtung wird die Reaktion der Edukte thermisch induziert, was in der Regel Prozeßtemperaturen zwischen 600°C und 1300°C voraussetzt. Aufgrund der erforderlichen relativ hohen Substrattemperaturen sind nicht alle Werkstoffe für die Beschichtung mittels thermischer CVD-Abscheidung geeignet.
Bei der PECVD-Abscheidung wird hingegen ein Plasma durch Ionisierung mittels äußerer elektromagnetischer Felder erzeugt, so daß die erforderlichen Prozeßtemperaturen niedriger liegen. Üblicherweise werden dazu Beschichtungstemperaturen eingesetzt, die zwischen 500°C und Raumtemperatur liegen.
Für die industrielle Herstellung dünner Schichten auf Substraten werden Plasmabeschichtungsanlagen eingesetzt, die als Lang- oder Rundläufer ausgelegt sind. Bei diesen Anlagen werden jedem zu beschichtenden Werkstück elektromagnetische Felder für die Erzeugung des Plasmas einzeln über eine individuelle elektromagnetische Versorgung zugeführt. Dazu befindet sich beispielsweise über dem Werkstück eine Haube, über welche die elektromagnetischen Felder eingestrahlt werden.
Dies erfordert jedoch ein aufwendiges System, falls ein kontinuierlicher Prozeßablauf realisiert werden soll. Für einen solchen kontinuierlichen Herstellungsprozeß, bei dem sich die Werkstücke durch die Beschichtungsapparatur bewegen, müßten die Einrichtungen zur Zuführung elektromagnetischer Energie mit den sich bewegenden Werkstücken mitgeführt werden. Ein kontinuierlicher Produktionsprozeß ist aber besonders vorteilhaft, da er gegenüber Prozeßzeitschwankungen relativ unempfindlich ist. So ergibt sich etwa bei längerer Beschichtungsdauer ein geringerer Einfluß auf den Anlagenausstoß. Umgekehrt lassen sich bei gleicher Beschichtungsdauer verglichen mit einem diskontinuierlichen Prozeßablauf mehr Körper oder Werkstücke pro Zeiteinheit beschichten.

Aus der DE 41 20 176 C1 ist eine Vorrichtung zur Beschichtung von kalottenförmigen Substraten bekannt, bei welcher mehrere Beschichtungskammern zu einer Kalottenbeschichtungsstation zusammengefasst sind. Die Kalotten werden über ein gemeinsames Gasleitungssystem evakuiert. Um im evakuierten Inneren der Kalotten ein Plasma zur Schichtabscheidung zu zünden, wird Mikrowellenenergie mittels eines Hohlleiterkreuzes verteilt und zu den Kalotten geleitet. Hier ergibt sich allerdings das Problem, daß die Mikrowellenenergie gleichmäßig aufgeteilt werden muß, um in allen Kalotten eine nahezu gleiche Mikrowellenleistung zu erhalten.

Die US 6,294,226 B1 offenbart eine Vorrichtung zur Innenbeschichtung von Plastikflaschen mit DLC-Filmen. Dazu werden die Flaschen jeweils in Kammern eingesetzt, die äußere Elektroden bilden. Eine innere Elektrode wird in die Flasche eingeführt und ein Hochfrequenzfeld zwischen der inneren und äußeren Elektrode erzeugt. Allerdings können sich entlang der Umfangsrichtung der Flasche Feldinhomogenitäten ergeben, etwa wenn innere und äußere Elektrode nicht genau zentriert sind. Eine ähnliche Anordnung mit einer Innenelektrode ist auch aus der DE 199 16 478 A1 bekannt.

Aus der DE 43 42 463 C2 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Beschichten von optischen Linsen bekannt, wobei die Linsen mittels plasmaunterstützter chemischer Dampfphasenabscheidung in einem Durchlaufverfahren beschichtet werden. Das Feld zur Erzeugung des Plasmas wird durch langgestreckte Elektroden bereitgestellt, an welchen die Linsen vorbeigeführt werden. Allerdings muß hier die gesamte Anlage evakuiert werden, um eine Beschichtung durchzuführen. Außerdem kann das Zünden des Plasmas in der evakuierten, mit Prozessgas gefüllten Anlage zu einem Schichtniederschlag auf den Anlagenteilen führen.

Auch bei der aus der DE 40 10 663 A1 bekannten Anlage zur Beschichtung von Vorderflächenspiegeln wird eine Vakuumkammer mit den darin angeordneten, auf einem Drehkäfig befestigten Werkstücken evakuiert. Die Werkstücke werden in einer Planetenbewegung in der Kammer bewegt, die Beschichtung erfolgt unter anderem durch plasmagestütze chemische Dampfphasenabscheidung, wobei Mikrowellen durch eine Hornantenne eingestrahlt werden. Das damit erzeugte Plasma ist auf einen kleinen Bereich der Kammer beschränkt. Zur Homogenisierung der räumlichen Ratenverteiluing der Abscheidung werden die Substrate daher in einer komplizierten Planetenbewegung durch das Plasma geführt.

Aus der DE 196 40 528 A1 ist eine Anordnung bekannt, mit welcher Teile mittels eines Plasmas behandelt werden, wobei die Teile einzeln in Vakuumbehälter verpackt werden. Durch äußere Einstrahlung eines Wechselfeldes, etwa durch parallele Platten, werden die Teile dann im Vakuumbehälter behandelt. Diese Anordnung ist zur Abscheidung von Schichten jedoch eher ungeeignet, da in diesem Fall auch die Vakuumbehälter beschichtet werden.

Die DE 44 21 103 A1 beschreibt eine potentialführende Elektrode für plasmagestützte Abscheidungen. Die Elektrode ist in Form eines langgestreckten Zylinders ausgebildet und über die Länge in mehrere elektrisch einzeln ansteuerbare Elektrodenabschnitte unterteilt. Diese Ausgestaltung der Elektrode dient dazu, bei größeren Substraten die Ausbildung stehender Wellen und damit verbundene Febldinhomogenitäten zu vermeiden. Diese Antenne und deren Ansteuerung ist allerdings vergleichsweise aufwendig.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, mit welchen in einfacher Weise ein kontinuierlicher Produktionsprozeß bei der Plasmainnenbeschichtung von Werkstücken mit verbesserter Feldhomogenität unter Vermeidung der Nachteile aus dem Stand der Technik erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird in überraschend einfacher Weise mit einer Vorrichtung sowie einem Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.

Vorteilhafte und/oder bevorzugte Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.

Erfindungsgemäß ist somit eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung von Werkstücken vorgesehen, die eine Transporteinrichtung und eine Plasmaerzeugungseinrichtung umfaßt, welche im Betrieb in einen Bereich der Vorrichtung elektromagnetische Energie einstrahlt, wobei die Transporteinrichtung die Werkstücke kontinuierlich durch den Bereich führt.

Der Bereich, in welchen die Plasmaerzeugungseinrichtung elektromagnetische Energie einstrahlt und durch welche die Werkstücke kontinuierlich hindurchgeführt werden, wird im folgende auch als Beschichtungsbereich bezeichnet. Als Plasmabehandlung ist sowohl die PECVD-Beschichtung, als auch eine Plasmakonditionierung zu verstehen. Eine Plasmakonditionierung wird beispielsweise in einer Sauerstoffatmosphäre erreicht, wodurch durch das Sauerstoffplasma Sauerstoffradikale in den behandelten Oberflächenbereich eingebaut werden, wodurch die Oberfläche für weitere Bearbeitungsschritte konditioniert wird.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber bekannten, als Lang- oder Rundläufer mit individuellen Beschichtungskammern ausgeführten Systemen liegt in einer geringeren Empfindlichkeit gegenüber Prozeßzeitschwankungen. Sollen beispielsweise Werkstücke mit einer Beschichtung versehen werden, die eine vergleichsweise längere Beschichtungsdauer erfordert, so ergibt sich durch den kontinuierlichen Bearbeitungsvorgang ein geringerer Einfluß auf den Ausstoß der Beschichtungsanlage. Ebenso läßt sich damit bei gleicher Beschichtungsdauer ein höherer Durchsatz erreichen, was eine größere Wirtschaftlichkeit bei der Produktion zur Folge hat.

Die Plasmaerzeugungseinrichtung zur Einstrahlung der elektromagnetischen Energie in den Bereich der Vorrichtung umfasst zumindest einen Feldapplikator. In der bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Vorrichtung auch eine Quelle zur Erzeugung elektromagnetischer Energie, welche mit dem Feldapplikator verbunden ist, so daß die von der Quelle erzeugte Energie auf den Feldapplikator übertragen und von diesem in den Bereich zur Plasmaerzeugung eingestrahlt werden kann.

Gemäß einer Ausführungsform werden die Werkstücke durch die Transporteinrichtung entlang eines kreisförmigen Weges durch die Vorrichtung geführt. Dies läßt sich beispielsweise dadurch erreichen daß die Transporteinrichtung einen Rundlauftisch umfaßt, auf welchen die Werkstücke gesetzt werden.

Die Vorrichtung kann aber auch ebenso als Langläufer-System ausgelegt sein. Demgemäß werden die Werkstücke durch die Transporteinrichtung entlang eines geradlinigen Weges geführt.

Für die Rundläufer-Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst der Feldapplikator eine Antennenanordnung aus zwei kreisförmig gebogenen, in radialer Richtung beabstandeten Platten. Die Platten bilden so eine Antennenanordnung, die unter Zuführung einer elektrischen Wechselspannung ein sich in radialer Richtung zwischen den beiden Platten erstreckendes elektrisches Wechselfeld verursachen. Unter geeigneter Gasatmosphäre wird durch die Einwirkung des Wechselfeldes ein Plasma zwischen den einander zugewandten Flächen der beiden Platten erzeugt, durch welches dann die Werkstücke zur Beschichtung und/oder Konditionierung mittels der Transporteinrichtung kontinuierlich hindurchgeführt werden.

Ebenso sind auch parallel angeordnete, ebene Platten für die Erzeugung eines elektromagnetischen Wechselfeldes geeignet bei der Verwendung eines Langläufersystems.

Das von der Quelle erzeugte und vom Feldapplikator abgestrahlte elektromagnetische Feld kann je nach Verwendungszweck ein kontinuierliches oder gepulstes elektromagnetisches Wechselfeld sein. Auch eine gepulste Gleichspannung ist geeignet. Die Pulsfrequenz liegt dazu bevorzugt in einem Bereich zwischen 0,001 kHz und 300 kHz.

Für die Erzeugung des elektromagnetischen Feldes ist neben den oben beschriebenen Antennenformen auch ein Feldapplikator geeignet, der eine Antennenanordnung aus einem oder mehreren elektrisch leitfähigen Stäben umfaßt. Diese Stäbe können dabei sowohl parallel als auch senkrecht zur Laufrichtung des Werkstücks angeordnet sein, wobei in diesem Zusammenhang als Laufrichtung die Laufrichtung des Werkstücks an dem Punkt verstanden werden soll, an welchem sich das Werkstück am nächsten zur Antennenanordnung befindet.

Derartige Feldapplikatoren sind besonders für den Einsatz von elektromagnetischen Feldern im Hochfrequenz- oder Radiofrequenzbereich geeignet. Jedoch können auch andere Frequenzbereiche ausgenutzt werden, um ein Plasma für die Plasmabehandlung zu erzeugen. Beispielsweise können Mikrowellen für die Erzeugung und Aufrechterhaltung des Plasmas verwendet werden. Hierzu eignen sich insbesondere Stabantennen, Schlitzstrahler oder Hornstrahler als Feldapplikatoren. Auch Rechteck- oder Rundhohlleiter, die am Ende, welches zum Werkstück zeigt, für den Austritt der Strahlung offen sind, können vorteilhaft verwendet werden.

Um das elektromagnetische Feld im Beschichtungsbereich zu verstärken, ist es weiterhin von Vorteil, den Beschichtungsbereich als Rechteck- oder Zylinderresonator auszulegen.

Unabhängig von der Frequenz der genutzten elektromagnetischen Quelle lassen sich mehrere der oben aufgeführten Abstrahlelemente über- und nebeneinander anordnen, so daß die Vorrichtung flexibel unterschiedliche Körperhöhen beschichten kann. Beispielsweise können jeweils zwei oder mehrere Abstrahlelemente mit einer elektromagnetischen Quelle verbunden sein. Je nach Körperhöhe können sie zu oder abgeschaltet werden.

Die erfindungsgemäße Plasmabehandlung ist insbesondere für Werkstücke geeignet, welche dielektrische Materialteile aufweisen. Insbesondere ist vorgesehen, Werkstücke mit dielektrischen Materialteilen aus Kunststoff, Keramik oder Glas zu behandeln,

Die Vorrichtung ist durch den kontinuierlichen Beschichtungsprozeß und den damit verbundenen Durchsatz auch besonders gut geeignet für die Beschichtung von Massenartikeln, wie beispielsweise von Flaschen, die so beispielsweise preisgünstig mit einer Diffusionssperrschicht versehen werden können.

Für die Plasmabeschichtung geeignet haben sich dabei unter anderem Kunsstoffmaterialien, wie polycyclische Kohlenwasserstoffe, Polycarbonate, Polyethylentherephthalate, Polystyrol, Polyethylen, insbesondere HDPE, Polypropylen, Polymethylacrylat und PES erwiesen.

Die Vorrichtung ist dazu eingerichtet, eine Behandlung von innenliegenden Oberflächen oder konvexen Oberflächen, wie etwa die CVD-Beschichtung von Reflektoren von Halogenlampen oder eine Innenbeschichtung von Flaschen vorzunehmen. Dazu umfaßt die Vorrichtung zusätzlich eine Einrichtung, um einen Teil eines Werkstücks, insbesondere den inneren Teil eines hohlen oder konkaven Werkstücks gasdicht unter Bildung eines Hohlraums von der Umgebung abzuschließen. Beispielsweise würde ein solcher gasdichter Hohlraum aus der Reflektorinnenseite eines Halogenstrahlers und einem Flansch gebildet werden, wobei der Reflektor zur Herstellung des Hohlraums auf geeigneten Dichtungen einer Transporteinheit der Transporteinrichtung befestigt wird.

Der so gebildete Hohlraum kann dann mit einer geeigneten Einrichtung evakuiert und mit einem Gas befüllt werden, welches für die vorgesehene Plasmabehandlung die notwendige Zusammensetzung aufweist.

Vorteilhaft kann das in den Hohlraum gefüllte Gas eine andere Zusammensetzung und einen anderen Druck als die äußere Umgebung aufweisen, wobei der Druck im Hohlraum vorzugsweise niedriger als der Außendruck ist. Die Energie des von der Plasmaerzeugungseinrichtung abgestrahlten elektromagnetischen Felds und/oder die Druckdifferenz zwischen der Umgebung und dem Hohlkörper kann dann im Falle einer reinen Innenbeschichtung so eingestellt werden, daß nur in dem Hohlraum, jedoch nicht im Außenraum ein Plasma erzeugt wird.

Die Parameter für die Erzeugung und die Intensität eines Plasmas lassen sich auch mit geeigneten Magnetfeldern beeiflussen. Demgemäß ist eine Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem Teil des Beschichtungsbereichs, in welchem das Plasma brennt, vorteilhaft. Insbesondere kann mit einem solchen magnetischen Confinement bei niedrigen Gasdichten und damit verbundenen großen freien Weglängen der Gasmoleküle der Bereich begrenzt und definiert werden, in welchem das Plasma erregt und aufrechterhalten wird.

Vorteilhaft kann die Transporteinrichtung auch individuelle Transporteinheiten zur Aufnahme der Werkstücke aufweisen. Diese Transporteinheiten dienen zur Befestigung der Werkstücke und/oder zur Abdichtung konkaver Flächen der Werkstücke, Herstellung des erforderlichen Innendrucks und Zufuhr von Prozeßgas für Innenbeschichtungen.

Um besonders gleichmäßige Beschichtungen zu erzielen, können die Transporteinheiten auch um eine Achse rotieren, so daß die zu beschichtenden Oberflächenbereiche einer im zeitlichen Mittel gleichmäßigen Plasmaintensität ausgesetzt werden.

Im Rahmen der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Plasmabehandlung von Werkstücken vorgesehen. Hierzu wird ein elektromagnetisches Feld in einem Bereiches erzeugt, um innerhalb dieses Bereichs ein Plasma zu erregen, wobei das Werkstück dann mittels des vom elektromagnetischen Feld erzeugten Plasmas behandelt wird, während das Werkstück kontinuierlich durch den Bereich hindurchgeführt wird.

Mit diesem Verfahren lassen sich vorteilhaft PECVD-Beschichtungen herstellen, wobei dazu der Schritt des Behandelns des Werkstücks den Schritt des Beschichtens des Werkstücks durch plasmaimpulsinduzierte Dampfphasenabscheidung umfaßt.

Zusätzlich oder alternativ zur PECVD-Beschichtung ist das Verfahren auch in vorteilhafter Weise geeignet, um Werkstücke, insbesondere deren Oberfläche mittels des Plasmas zu konditionieren. Der Prozeßschritt des Plasmakonditionierens des Werkstücks dient der vorbereitenden Behandlung der Oberflächen für eine anschließende Weiterverarbeitung. Beispielsweise kann die Oberfläche durch Einbringen von Radikalen aktiviert werden. Eine solche Aktivierung kann unter anderem dadurch vorgenommen werden, daß die Plasmabehandlung in einer Gasatmosphäre vorgenommen wird, die Sauerstoff aufweist.

Für die Innenbeschichtung von Werkstücken, beziehungsweise für die Beschichtung einzelner, insbesondere konkaver Oberflächen umfaßt der Schritt des Behandelns des Werkstücks mit einem Plasma den Schritt des Erzeugens des Plasmas im Inneren eines Hohlkörpers, der zumindest teilweise vom Werkstück begrenzt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere auch dafür verwendet werden, auf die Materialteile eine Diffusionssperrschicht aufzubringen. Solche Diffusionssperrschichten finden beispielsweise bei Kunststofflaschen vielfache Verwendung.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
Dabei zeigen
1 eine Aufsicht auf eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beschichtungsapparatur,
2 eine schematische Ansicht einer Feldapplikatoranordung gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beschichtungsapparatur, und
3 einen schematische Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beschichtungsapparatur.
1 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur kontinuierlichen Plasmabeschichtung oder Plasmakonditionierung von dielektrischen Körpern. Die Vorrichtung dient vorzugsweise zur Behandlung von Werkstücken aus Kunststoff, Keramik oder Glasmaterialien. Die in 1 gezeigte Ausführungsform der Vorrichtung 1 ist in der Form eines Rundläufers aufgebaut.
Die zu behandelnden Werkstücke 9 werden über eine Einschleusungssektion 2 in die Hauptkammer 11 der Vorrichtung geschleust. In der Hauptkammer befindet sich unter Unterdruck das Gas, bzw. das Gasgemisch für die Plasmabehandlung. Typische Drücke für die Plasmabehandlung liegen zwischen 10^–3 mbar und 1 mbar. Beim Vorgang des Einschleusens der Werkstücke 9 in die Gasatmosphäre werden diese auf Transportsegmente 8 eines Rundlauftisches 12 gesetzt und werden anschließend auf dem rotierenden Tisch 5 durch verschiedene Sektionen der Hauptkammer geführt. Dabei gelangen die Werkstücke zunächst in eine Konditionierungssektion 3. In dieser Sektion werden für die Plasmabehandlung notwendige Vorbehandlungen durchgeführt. Beispielsweise kann sich in dieser Sektion eine Heizung 31 befinden, welche die Werkstücke auf die für die Plasmabehandlung notwendige Temperatur aufheizt. Andere Vorbehandlungen können das Vorheizen und/oder das Konditionieren mittels eines Plasmas, sowie das Reinigen und Sterilisieren der Werkstücke sein.
Durch die Rotation des Rundlauftisches 12 werden die Werkstücke 9 nach der Konditionierung oder Vorbereitung in der Konditionierungssektion durch die Beschichtungssektion 4 geführt. Wesentlicher Bestandteil der Beschichtungssektion ist eine Feldapplikator-Anordnung für elektromagnetische Energie, durch welche das gezündete Plasma aufrechterhalten wird. Die Feldapplikator-Anordnung setzt sich in der in 1 gezeigten Ausführungsform aus den Antennen 44 und 45 zusammen, welche sich entlang eines Teils des Weges erstrecken, auf dem die Werkstücke durch die Vorrichtung zur kontinuierlichen Plasmabeschichtung geführt werden. Die Antennen 44 und 45 sind in der in 1 gezeigten Ausführungsform zwei als Anode und Kathode ausgebildete, konzentrische Platten, zwischen welchen sich das elektromagnetische Feld zur Aufrechterhaltung des Plasmas erstreckt.
An die Antennen 44 und 45 wird ein von einer Quelle 46 erzeugtes Feld angelegt. Geeignet für die Aufrechterhaltung eines Plasmas zwischen den Antennen ist dabei ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld, welches gepulst oder kontinuierlich sein kann. Ebenso ist aber auch eine Versorgung mit einem gepulsten Gleichspannungssignal möglich, wobei die DC-Quelle bevorzugt in einem Frequenzbereich zwischen 1 Hz und 300kHz gepulst wird.
Eine Zündvorrichtung 42 im Bereich der Antennenanordnung dient dazu, das Plasma zu zünden, welches dann vom elektromagnetischen Feld zwischen den Antennen 44 und 45 weiter aufrechterhalten wird. Die Zündvorrichtung kann beispielsweise aus einer Elektrode oder einem Elektrodenpaar bestehen, an welche eine gepulste Hochspannung angelegt wird. Die Elektrode kann als Glühdraht ausgebildet sein, so daß das Gas durch die vom Glühdraht durch Glühemission emittierten und durch die angelegte Hochspannung beschleunigten Elektronen stoßionisiert wird.
Zur Überwachung des Plasmabeschichtungs- oder Plasmakonditionierungsprozesses können im Bereich der Beschichtungssektion 4 weiterhin Sensoren zur Überwachung der Beschichtung und des Plasmas angeordnet sein. Geeignet hierfür sind beispielsweise optische Sensoren zur Erfassung der begleitenden Lichtemission des Plasmas, wobei eine spektrale Analyse des Lichts auch Aufschluß über die Gaszusammensetzung liefert und Parameter für die Prozeßsteuerung bereitstellen kann. Auch die Schichtdicke des auf den Werkstücken abgeschiedenen Materials kann mit optischen Sensoren, beispielsweise über ellipsometrische Messungen kontrolliert werden.
Ein magnetisches Confinement des Plasmas läßt sich durch Anlegen geeigneter Magnetfelder erreichen. Beispielsweise kann dazu, wie in 1 gezeigt, ein Paar von Sektormagneten 43 benutzt werden, die oberhalb und unterhalb des Rundlauftisches 12 angeordnet sind und ein axiales Feld in Richtung der Drehachse des Tisches 12 erzeugen. Geeignet sind aber ebenso Felder mit Magnetfeldkomponenten in Transportrichtung oder senkrecht dazu in radialer Richtung.
Nach der Beschichtungssektion 4 durchlaufen die Werkstücke auf dem Rundlauftisch 12 eine Nachbehandlungssektion 5. In der Nachbehandlungssektion können Prozesse zur Nachbehandlung und zum Vorbereiten für das abschließende Ausschleusen durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Nachbehandlungssektion 5 Kühlelemente 51 aufweisen, mittels welchen die zuvor in der Konditionierungssektion 3 aufgeheizten Werkstücke wieder abgekühlt werden, so daß größere Temperaturspannungen in den Werkstücken durch ungleichmäßiges Abkühlen in dichterer Atmosphäre nach dem Ausschleusen vermieden werden.
Die Werkstücke gelangen abschließend in eine Ausschleusungssektion 6, in welcher die Werkstücke aus der Hauptkammer 11 ausgeschleust werden.
2 zeigt eine schematische Ansicht der in 1 dargestellten Feldapplikatoranordnung. Die Feldapplikatoranordnung gemäß dieser Aussführungsform umfaßt eine Antennenanordnung aus zwei kreisförmig gebogenen, in radialer Richtung beabstandeten Platten 44 und 45.
Das Anlegen eines elektromagnetischen Wechselfeldes an diese Platten bewirkt ein elektrisches Wechselfeld, welches sich in radialer Richtung erstreckt, wie anhand der Pfeile angedeutet ist.
Der Rundlauftisch 12 ist so angeordnet, daß die auf dem Tisch aufgesetzten Werkstücke 9 auf einem kreisförmigen Weg zwischen den konzentrisch angeordneten Platten und durch das von den Platten abgestrahlte elektromagnetische Wechselfeld kontinuierlich hindurchbewegt werden.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Plasmabehandlung. Die Vorrichtung umfaßt eine Transporteinrichtung 12. Die Transporteinrichtung kann, wie bei der vorher beschriebenen Ausführungsform ein Rundlauftisch oder auch in der Form eines Langläufers für einen geradlinigen Transport ausgeführt sein.
Die beispielhaft anhand von 3 beschriebene Vorrichtung ist insbesondere für die Innenbeschichtung von Werkstücken mit hohlen oder konkaven Oberflächen, wie etwa Reflektoren für Halogenlampen geeignet. Insbesondere lassen sich mit dieser Vorrichtung auch Flaschen innen beschichten. Beispielsweise können die Flaschen mit einer Diffusionssperrschicht versehen werden.
Die hohlen Werkstücke 9 werden zunächst mittels einer Aufsetzeinrichtung 70 auf Dichtungen 73 von Transporteinheiten 8 der Transporteinrichtung 12 aufgesetzt, so daß ein Hohlraum geschaffen wird, der teilweise von der konkaven Oberfläche 91 des Werkstücks 9 begrenzt wird und diesen von der Umgebung gasdicht abschließt.
Über einen Kanal 71 kann anschließend der Hohlraum evakuiert werden. Über den Kanal läßt sich dann ein für die CVD-Beschichtung oder Oberflächenkonditionierung geeignetes Gas einleiten. Der Gasdruck im Inneren ist dabei vorzugsweise geringer als der Druck in der Umgebung und liegt im Bereich zwischen 10^–3 mBar und 1 mBar.
Zur Plasmaerzeugung weist die Vorrichtung eine Quelle 46 für elektromagnetische Energie auf, die über eine geeignete Verbindung 49 an eine Antennenanordnung angeschlossen ist. In diesem Beispiel besteht die Antennenanordnung aus einem elektrisch leitfähigen Stab 48 oder mehreren parallel angeordneten Stäben 48. Die Stäbe sind in diesem Ausführungsbeispiel parallel zu der durch den Pfeil in 3 angedeuteten Laufrichtung angeordnet.
Zwischen der Transporteinrichtung 12 und der Antennenanordnung 48 wird im Bereich 47 durch Abstrahlung der von der Quelle 46 erzeugten Energie ein elektromagnetisches Feld erzeugt. Dieses Feld führt im Hohlraum der sich während des Transportvorgangs in diesem Bereich befindenden Werkstücke 9 zur Erzeugung eines Plasmas in den jeweiligen abgeschlossenen Hohlräumen. Außerhalb der Werkstücke ist die Gasdichte jedoch zu groß und die damit verbundene freie Weglänge der Gasmoleküle zu klein, um die Ionisationsenergie der Gasmoleküle durch Beschleunigung im elektromagnetischen Feld zu überwinden. Dadurch kann eine Plasma-Innenbehandlung der Werkstücke, wie etwa eine CVD-Beschichtung von Reflektoren durchgeführt werden.
Die Transporteinheiten 8 sind so auf der Transporteinrichtung 12 angeordnet, daß sie eine Rotation um eine Achse 72 durchführen. Die Werkstücke 9 werden so während des Beschichtungsvorgangs im Beschichtungsbereich 47 um ihre Längsachse gedreht. Dadurch werden ungleichmäßige Beschichtungen die durch Inhomogenitäten des elektromagnetischen Feldes in der Beschichtungsregion 47 verursacht werden, ausgeglichen.

Claims

Vorrichtung zur PECVD-Beschichtung und/oder Plasmakonditionierung von Werkstücken, umfassend eine Transporteinrichtung (12) und eine Plasmaerzeugungseinrichtung (44, 45), welche im Betrieb in einen Bereich (47) der Vorrichtung elektromagnetische Energie einstrahlt, wobei die Transporteinrichtung eingerichtet ist, die Werkstücke kontinuierlich durch den Bereich (47) zu führen, und eine Einrichtung, um einen Teil eines Werkstücks gasdicht unter Bildung eines Hohlraums von der Umgebung abzuschließen, sowie eine Einrichtung, um den Hohlraum zu evakuieren, und bei welcher die Plasmaerzeugungseinrichtung zumindest einen Feldapplikator (44, 45) mit einer Antennenanordnung aus zwei kreisförmig gebogenen, in radialer Richtung beabstandeten Platten umfasst und die Werkstücke durch die Transporteinrichtung (12) entlang eines kreisförmigen Weges zwischen den Platten geführt werden, oder bei welcher der zumindest eine Feldapplikator (44, 45) eine Antennenanordnung aus zwei parallelen Platten umfaßt und die Werkstücke durch die Transporteinrichtung (12) entlang eines geradlinigen Weges zwischen den Platten geführt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Plasmaerzeugungseinrichtung zumindest eine Quelle (46) zur Erzeugung elektromagnetischer Energie umfaßt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der zumindest eine Feldapplikator (44, 45) zumindest einen elektrisch leitfähigen Stab umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei sich der zumindest eine Stab parallel zur Laufrichtung des Werkstücks erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei sich der zumindest eine Stab senkrecht zur Laufrichtung des Werkstücks erstreckt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der zumindest eine Feldapplikator (44, 45) zumindest eine Stabantenne aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der zumindest eine Feldapplikator (44, 45) zumindest einen Schlitzstrahler aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der zumindest eine Feldapplikator (44, 45) zumindest einen Hornstrahler aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der zumindest eine Feldapplikator (44, 45) zumindest einen an einem Ende offenen Rund- oder Rechteckhohlleiter aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Bereich (47) einen Rechteck- oder Zylinderresonator umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die zumindest eine Quelle (46) ein kontinuierliches oder gepulstes hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die zumindest eine Quelle (46) eine gepulste Gleichspannung erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Pulsfrequenz zwischen 0,001 kHz und 300 kHz liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die zumindest eine Quelle (46) Mikrowellen erzeugt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Werkstücke dielektrische Materialteile aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die dielektrischen Materialteile aus Glas, Kunststoff oder Keramik bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, wobei die dielektrischen Materialteile Flaschen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 15, 16 oder 17, wobei die dielektrischen Materialteile zumindest einen Kunststoff aus einer Gruppe umfaßt, die sich aus polycyclischen Kohlenwasserstoffen, Polycarbonaten, Polyethylentherephthalaten, Polystyrol, Polyethylen, insbesondere HDPE, Polypropylen, Polymethylacrylat und PES zusammensetzt.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend eine Einrichtung, um den Hohlraum mit einem Gas zu befüllen.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Hohlraum mit einem Gas befüllt wird, welches einen anderen Druck als die äußere Umgebung aufweist und/oder eine andere Zusammensetzung aufweist und wobei die von der Plasmaerzeugungseinrichtung in den Bereich (47) eingestrahlte Energie nur im Hohlraum des Werkstücks ein Plasma erzeugt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, weiter umfassend eine Einrichtung (43) zum Erzeugen eines Magnetfelds im Bereich (47) des Plasmas.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei die Transporteinrichtung (12) Transporteinheiten (8) zur Aufnahme der Werkstücke (9) umfaßt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei die Transporteinheiten sich im Bereich (47) um eine Achse drehen.
Verfahren zur PECVD-Beschichtung und/oder Plasmakonditionierung von Werkstücken, umfassend die Schritte: Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes innerhalb eines Bereiches (47) zur Erzeugung eines Plasmas innerhalb dieses Bereichs, Behandeln eines Werkstücks (9) mittels des vom elektromagnetischen Feld erzeugten Plasmas, wobei die Werkstücke kontinuierlich durch den Bereich (47) hindurchgeführt werden, und wobei jeweils ein Teil der Werkstücke gasdicht unter Bildung eines Hohlraums von der Umgebung abgeschlossen und der Hohlraum evakuiert wird, und der Schritt des Behandelns des Werkstücks mit einem Plasma den Schritt des Erzeugens des Plasmas im Inneren eines Hohlkörpers umfaßt, der zumindest teilweise vom Werkstück begrenzt wird, wobei das Feld durch zwei radial beabstandete kreisförmig gebogene Platten erzeugt wird, zwischen denen die Werkstücke entlang eines kreisförmigen Transportweges hindurchgeführt werden, oder wobei das Feld durch zwei parallele Platten erzeugt wird, zwischen denen die Werkstücke entlang eines geradlinigen Weges hindurchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei der Schritt des Behandelns des Werkstücks (9) den Schritt des Beschichtens des Werkstücks durch plasmaimpulsinduzierte Dampfphasenabscheidung umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, wobei der Schritt des Behandelns des Werkstücks (9) den Schritt des Plasmakonditionierens des Werkstücks umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei der Schritt des Plasmakonditionierens den Schritt des Plasmakonditionierens in einer Gasatmosphäre, welche Sauerstoff aufweist, umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, wobei der Schritt des Behandelns des Werkstücks (9) den Schritt des Drehens des Werkstücks (9) um eine Achse (72) umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 28, wobei der Schritt des Behandelns des Werkstücks den Schritt des Beschichtens einer Flasche umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei der Schritt des Beschichtens einer Flasche den Schritt des Innenbeschichtens einer Flasche umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 30, wobei der Schritt des Behandelns des Werkstücks den Schritt des Aufbringens einer Diffusionssperrschicht umfaßt.