DE10253513B4

DE10253513B4 - Mehrplatz-Beschichtungsvorrichtung und Verfahren zur Plasmabeschichtung

Info

Publication number: DE10253513B4
Application number: DE2002153513
Authority: DE
Inventors: Gregor Arnold; Stephan Dr. Behle; Andreas LÜTTRINGHAUS-HENKEL; Matthias Dr. Bicker; Marten Dr. Walther
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2002-11-16
Filing date: 2002-11-16
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2022-11-17
Also published as: DE10253513A1

Abstract

Beschichtungsvorrichtung (1) zur Plasmabeschichtung von Werkstücken (25, 27) mit
– einem Reaktor (18) mit einem beweglichen Hülsenteil (19) und einer Grundplatte (33), wobei in aneinandergefügter Position zumindest eine abgedichtete Beschichtungskammer (15, 17) zwischen Hülsenteil (19) und Grundplatte (33) definiert wird, sowie
– einer Einrichtung (2) zur Einleitung elektromagnetischer Energie in die zumindest eine Beschichtungskammer (15, 17),
dadurch gekennzeichnet, dass
– der Reaktor (18) zumindest zwei Beschichtungsplätze (12, 14) aufweist,
– das Hülsenteil (19) zumindest eine Öffnung (6, 8) aufweist, in welche ein Zuführungsleiter (9, 7) der Einrichtung (2) zur Einleitung elektromagnetischer Energie eingreift und
– das Hülsenteil (19) zum Öffnen und Schließen der Beschichtungskammer (15, 17) entlang des zumindest einen Zuführungsleiters (9, 7) zur Grundplatte (33) beweglich angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Beschichtungsvorrichtung und ein Verfahren zur Plasmabeschichtung von Werkstücken, insbesondere eine Beschichtungsvorrichtung mit mehreren Beschichtungsplätzen und ein Verfahren zur gleichzeitigen Beschichtung mehrerer Werkstücke.
Die Barriereeigenschaften von Kunststoffbehältern wie etwa Kunststoffflaschen können durch Barriereschichten auf der Innen- oder Außenoberfläche solcher Behälter erheblich verbessert werden. Auf diese Weise können beispielsweise Lebensmittel vor den Einwirkungen von Sauerstoff geschützt werden, welcher durch die meisten Kunststoffarten verhältnismäßig gut hindurch diffundiert.

Derartige Beschichtungen können unter anderem mittels verschiedener CVD-Verfahren (CVD: "Chemical Vapor Deposition", chemische Dampfphasenabscheidung) auf den Behälterwandungen abgeschieden werden. Das Plasma wird dazu im allgemeinen bei niedrigem Druck in einer Gasatmosphäre gezündet, welche ein Precursor-Gas aufweist. Die im Plasma entstehenden Reaktionsprodukte schlagen sich dann auf dem zu behandelnden Werkstück als Beschichtung nieder. Die für die Zündung des Plasmas notwendige Niederdruckatmosphäre erfordert es, die Umgebung des Werkstücks zu evakuieren. Dies kann beispielsweise durch geeignete Schleusen geschehen, oder auch indem das Werkstück in den Reaktorraum unter Normaldruck eingebracht und dieser dann anschließend evakuiert wird. Die Gestaltung der Überführung des Werkstücks von einer Normaldruck-Atmosphäre in eine Niederdruckatmosphäre oder ein Vakuum ist dementsprechend ein Kernproblem hinsichtlich der Prozessgeschwindigkeit und der Kosten für eine CVD-Beschichtung.

Aus der WO 01/31680 A1 ist eine Vorrichtung für die Niederdruck-Plasmabehandlung von Behältern bekannt, bei welcher die Behandlungsstation einen feststehenden Hohlraum beinhaltet, welcher mit einem abnehmbaren Deckel verschlossen und geöffnet werden kann, wobei der Deckel einen Verbindungskanal aufweist, der im geschlossenen Zustand der Behandlungsstation eine Verbindung zu einem Vakuumkreislauf herstellt. Dabei werden die zu beschichtenden Behälter in den feststehenden Hohlraum eingesetzt und dann der Deckel verschlossen, woraufhin der Hohlraum evakuiert werden kann.

Diese Konstruktion ist jedoch insofern nachteilig, als der zu beschichtende Behälter mit einer komplizierten Bewegung entlang zweier zueinander senkrechter Richtungen in den Hohlraum befördert werden muss. Zudem ist der Behälter im Hohlraum, bis auf die im geschlossenen Zustand vom Deckel abgedeckte Öffnung, allseitig von den Hohlraumwandungen umgeben und lässt sich so nach erfolgter Beschichtung für eine Weiterbeförderung nur schwer greifen. Weiterhin ist der mögliche Durchsatz durch eine derartige Vorrichtung begrenzt, da der Bewegungsablauf für jeden einzelnen Behälter pro Beschichtungsvorgang wiederholt werden muss.

Die DE 100 54 653 A1 offenbart eine Beschichtungskammer mit einer zu einer Grundplatte beweglichen Hülse. Die Einkopplung elektromagnetischer Energie erfolgt mittels auf der Grundplatte angeordneter Stabantennen, welche in den zu beschichtenden Hohlkörper hineinragen und ein Plasma zur Außenbeschichtung des Hohlkörpers zünden können. Eine derartige Anordnung ist für Innenbeschichtungen nicht geeignet.

Die DE 100 10 642 A1 offenbart eine Anlage und ein Verfahren zur Plasmabeschichtung von mehreren, auf einer Grundplatte angeordneten Behältern, wobei die Grundplatte und eine Rohrstützplatte mit den Gaszuführungsrohren zu einer Behandlungskammer hin bewegt werden und mit dieser einen Reaktor bilden. Die Bewegung erfolgt über Gleitschienen und ist aufwendig gestaltet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Beschichtungsvorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mit welchen die Beförderung von Werkstücken aus und in den Beschichtungsreaktor vereinfacht und ein großer Durchsatz ermöglicht wird. Diese Aufgabe wird bereits in überraschend einfacher Weise durch eine Beschichtungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, sowie ein Verfahren zur Plasmabeschichtung von Werkstücken gemäß Anspruch 16 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Dementsprechend umfasst eine erfindungsgemäße Beschichtungsvorrichtung zur Plasmabeschichtung von Werkstücken

– einen Reaktor mit einem beweglichen Hülsenteil und einer Grundplatte, wobei zwischen Hülsenteil und Grundplatte in aneinandergefügter Position zumindest eine abgedichtete Beschichtungskammer definiert wird, sowie
– einer Einrichtung zur Einleitung elektromagnetischer Energie in die zumindest eine Beschichtungskammer. Der Reaktor weist außerdem zumindest zwei Beschichtungsplätze auf. Das Hülsenteil weist zumindest eine Öffnung auf, in welche ein Zuführungsleiter der Einrichtung zur Einleitung elektromagnetischer Energie eingreift, wobei das Hülsenteil zum Öffnen und Schließen der Beschichtungskammer entlang des zumindest einen Zuführungsleiters zur Grundplatte beweglich angeordnet ist. Auf diese Weise wird es erreicht, dass zumindest zwei Werkstücke gleichzeitig zugeführt, beschichtet und wieder herausgenommen werden können. Die erfindungsgemäße Anordnung mit beweglichem Hülsenteil erleichtert dabei den Bewegungsablauf für das Einsetzen und Herausnehmen der Werkstücke.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Plasmabeschichtung von Werkstücken, welches insbesondere in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Reaktor mit einem beweglichen Hülsenteil und einer Grundplatte durchgeführt werden kann, sieht entsprechend vor,

– zumindest zwei zu beschichtende Werkstücke auf der Grundplatte anzuordnen,
– das Hülsenteil mit der Grundplatte durch Bewegen des Hülsenteils zusammenzufügen, so dass in aneinander- oder zusammengefügter Position zumindest eine abgedichtete Beschichtungskammer zwischen Hülsenteil und Grundplatte definiert wird, in welcher sich wenigstens eines der Werkstücke befindet,
– das Hülsenteil zum Öffnen und Schließen der Beschichtungskammer entlang zumindest eines Zuführungsleiters zur Zuführung elektromagnetischer Energie zu bewegen,
– die Beschichtungskammer zu evakuieren,
– Prozessgas einzuleiten, und
– ein Plasma durch Einleiten elektromagnetischer Energie zu erzeugen.

Dadurch, dass der Beschichtungsvorgang gleichzeitig für zwei oder mehr Werkstücke durchgeführt wird, kann der Durchsatz durch die Vorrichtung um einen entsprechenden Faktor erhöht werden. Da das Hülsenteil beweglich gegenüber einer feststehenden Grundplatte ausgeführt ist, sind die Beschichtungsplätze für die Werkstücke gut zugänglich. Die Werkstücke müssen aufgrund des beweglichen Hülsenteils nicht in dieses eingeführt werden, sondern können in einfacher Weise an oder auf der Grundplatte angeordnet werden, wobei sich das Hülsenteil dann beim Schließen über die Werkstücke stülpt.

Die Erfindung erlaubt außerdem eine Konstruktion einer Beschichtungsanlage mit geringen bewegten Massen, da lediglich das Hülsenteil bewegt werden muss.

Besonders vorteilhaft ist es außerdem, wenn die Grundplatte Versorgungskanäle aufweist und das Evakuieren und/oder Belüftung und/oder das Zuführen von Prozessgas durch diese Versorgungskanäle erfolgt. Da die Grundplatte beim Öffnen und Schließen des Reaktors bezüglich der Beschichtungsvorrichtung in Ruhe bleibt, können auf diese Weise dynamische, beziehungsweise bewegte Vakuumverbindungen, wie zum Beispiel Wellschläuche und bewegte Dichtungen weitestgehend vermieden werden. Gerade diese Anordnung ermöglicht eine robuste, wartungsarme Konstruktion mit wenigen beweglichen Teilen. Außerdem können so Ventile, die zur Steuerung und Schaltung der Gaszuflüsse und Abfuhren eingesetzt werden, direkt an der Grundplatte nahe den Beschichtungskammern angeordnet werden. Daraus ergibt sich ein geringes Totvolumen.

Gemäß einer ersten Ausführungsform werden zumindest zwei voneinander getrennte Beschichtungskammern zwischen Hülsenteil und Grundplatte definiert. Durch getrennte Beschichtungskammern können sich die in den einzelnen Beschichtungsplätzen gezündeten Plasmen nicht gegenseitig beeinflussen und stören.

Es ist aber gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung auch möglich, eine gemeinsame Beschichtungskammer für zumindest zwei Beschichtungsplätze vorzusehen. Dies kann beispielsweise dann vorteilhaft sein, wenn die Werkstücke in einem gemeinsamen Plasma beschichtet werden.

Die Einrichtung zur Einleitung elektromagnetischer Energie weist wenigstens einen Zuführungsleiter auf, welcher die elektromagnetischen Felder in die Beschichtungskammer leitet. Dieser greift in eine Öffnung im Hülsenteil ein. Zur Abdichtung der Öffnung kann deren Rand und/oder der Leiter, etwa an einem Dichtungskragen, mit einer Dichtung versehen sein.

Für das Zünden und Aufrechterhalten des Plasmas werden im allgemeinen Mikrowellen oder Hochfrequenzfelder verwendet. Um diese Wellen transportieren zu können, umfasst der zumindest eine Zuführungsleiter bevorzugt einen Hohlleiter und/oder einen Koaxialleiter.

Das Hülsenteil zum Öffnen und Schließen der Beschichtungskammer ist entlang des oder der Zuführungsleiter/s beweglich ausgestaltet, beziehungsweise wird zum Öffnen und Schließen entlang des Zuführungsleiters zur Zuführung elektromagnetischer Energie bewegt. Auf diese Weise kann der Zuführungsleiter gleichzeitig als Führung für das Hülsenteil dienen.

Bevorzugt kann ferner die Einrichtung zur Einleitung elektromagnetischer Energie außerdem zumindest eine Einrichtung zur Erzeugung von elektromagnetischer Energie umfassen. Die für die Plasmaerzeugung verwendeten Felder werden so direkt in der Beschichungsvorrichtung erzeugt, so dass eine Zuführung von Mikrowellen oder Hochfrequenzwellen, die unter Umständen über schlecht handhabbare flexible Leiter geschehen müsste, entfallen kann. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Beschichtungsvorrichtung auf einer Transporteinrichtung einer Beschichtungsanlage bewegt wird.

Vorzugsweise umfasst das Einleiten elektromagnetischer Energie das Einleiten von Mikrowellen, um große Energiemengen in das Plasma einbringen zu können. Dazu kann die Einrichtung zur Erzeugung von elektromagnetischer Energie vorteilhaft zumindest einen Mikrowellenkopf umfassen. Dieser kann beispielsweise ein Magnetron als Mikrowellenquelle aufweisen. Besonders geeignet ist für die vom Mikrowellenkopf erzeugten Mikrowellen dabei eine Frequenz von 2,45 GHz.

Mit Vorteil kann die Einrichtung zur Einleitung elektromagnetischer Energie außerdem auch eine Einrichtung zur Aufteilung der elektromagnetischen Energie, beispielsweise in Form einer Hohlleiter- oder Impedanzstruktur umfassen. Mit einer solchen Einrichtung kann die von einer Quelle erzeugte Energie auf mehrere Beschichtungsplätze oder Beschichtungskammern verteilt werden. Eine solche Einrichtung kann beispielsweise eine Hohlleiter- oder Impedanzstruktur umfassen, wie sie in der früheren deutschen Patentanmeldung mit der Nummer 101 38 693.1-52, deren Offenbarung vollständig auch zum Gegenstand dieser Anmeldung gemacht wird, beschrieben ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein gepulstes Plasma durch Zuführen gepulster elektromagnetischer Energie erzeugt. Dementsprechend umfasst die Einrichtung zur Erzeugung von elektromagnetischer Energie bei dieser Ausführungsform der Erfindung eine Einrichtung zur Erzeugung gepulster elektromagnetischer Energie. Mittels gepulster elektromagnetischer Energie lässt sich ein gepulstes Plasma zur Anwendung des Plasmaimpuls-CVD- oder PICVD-Verfahrens (PICVD=Pulse Induced Chemical Vapor Deposition als Beschichtungsverfahren erzeugen. Gegenüber der plasmaunterstützten chemischen Dampfphasenabscheidung (PECVD), bei welcher das Plasma kontinuierlich aufrechterhalten wird, ist das PICVD-Verfahren unter anderem deshalb vorteilhaft, weil sich mit diesem Verfahren die Aufheizung der temperaturempfindlichen Kunststoffe reduzieren lässt. Außerdem wird während der Zeitphasen außerhalb der Pulse, in denen kein Plasma angeregt ist, ein Gasaustausch ermöglicht. Dies führt zu besonders reinen Schichten, da unerwünschte Reaktionsprodukte in den Pulspausen abgeführt und neues Precursor-Gas zugeführt werden können.

Eine Hauptanwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt in der Beschichtung hohlkörperförmiger Werkstücke, wobei dazu die Beschichtungsplätze vorteilhaft zur Aufnahme solcher Werkstücke ausgebildet sein können. Die Beschichtungsplätze können dabei insbesondere zur Aufnahme von Flaschen, Ampullen, Kalotten oder Glühbirnenkörpern ausgebildet sein. Ebenso ist aber auch eine Beschichtung massiver Körper, wie etwa massiver Kunststoff-Formteile mit der Beschichtungsvorrichtung möglich.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann insbesondere auch zur Innenbeschichtung hohlkörperförmiger Werkstücke ausgelegt sein. Demgemäß wird nach der Evakuierung in den Innenraum Prozessgas eingeleitet, so dass es bei Einstrahlung oder Zuführung elektromagnetischer Energie dort zu einer Zündung eines Plasmas und dem Abscheiden einer Beschichtung an den Innenwandungen der Werkstücke kommt. Dazu ist es auch von Vorteil, wenn die Beschichtungsplätze Dichtungen zur Abdichtung des Innenraums der hohlkörperförmigen Werkstücke aufweisen. Durch die Abdichtung des Innenraums von der Umgebung wird die Möglichkeit geschaffen, im Innenraum der Werkstücke und deren Umgebung unterschiedliche Atmosphären und/oder Drücke bereitzustellen. Beispielsweise kann die Umgebung des Werkstücks und dessen Innenraum simultan evakuiert werden, wobei der Innenraum bis zu einem Basisdruck, typischerweise < 0,1 mbar, evakuiert wird und die Umgebung des Werkstücks entweder i) ebenfalls unterhalb des Basisdrucks oder ii) auf einen festen Außendruck zwischen 10 und 100 mbar abgepumpt wird.

Anschließend kann beispielsweise im Innenraum das Prozessgas eingefüllt werden. Für eine reine Innenbeschichtung wird entsprechend nur dem Innenraum Prozessgas zugeführt. Auf diese Weise kann beispielsweise selektiv nur im Innenraum ein Plasma erzeugt werden, da die Gasdichte in der Umgebung für die Plasmabildung nicht ausreicht.

Um solche separat kontrollierbare atmosphärische Bedingungen schaffen zu können, ist es von Vorteil, wenn beispielsweise die Grundplatte separate Versorgungskanäle zur Evakuierung und/oder Belüftung und/oder Zuführung von Prozessgas für den Innenraum und die Umgebung der hohlkörperförmigen Werkstücke aufweist. Dabei können auch beispielsweise die Versorgungskanäle zweier oder mehrerer Beschichtungsplätze über gemeinsame weitere Versorgungskanäle oder Versorgungsleitungen zusammengeschaltet sein. Dies reduziert die effektive Gesamtlänge und Wandfläche der Versorgungskanäle und erhöht dadurch die Pumpleistung und den Gasdurchfluss.

Ebenso günstig für den Gasdurchfluss, hier speziell für den Durchfluss von Prozessgas, ist es, wenn die Zuführung oder Einleitung von Prozessgas in eine Beschichtungskammer über zumindest eine Gaslanze erfolgt. Die Gaslanze kann so angeordnet sein, dass sich deren eine oder mehrere Öffnung(en) im Plasma befinden. Auf diese Weise werden die Transportwege des Precursorgases im Plasma kurz gehalten, so dass es sich in möglichst kurzer Zeit möglichst gleichmäßig verteilt.

Die Gaslanze kann herein- und herausfahrbar ausgestaltet sein. Dies ist beispielsweise bei Innenbeschichtungen von Hohlkörpern sinnvoll, wenn die Gaslanze in das Innere des hohlkörperförmigen Werkstücks hineinragt und so beim Einsetzen oder Herausnehmen behindern würde. In diesem Fall kann die Gaslanze aus dem Innenraum des Werkstücks vor dem Herausnehmen herausgezogen und nach dem Einsetzen eines weiteren Werkstücks wieder in dieses eingeführt werden.

In besonders einfacher Weise kann die Bewegung der Gaslanze und auch insbesondere des Hülsenteils über mechanische Steuerkurven vermittelt werden. Diese können an einer Beschichtungsanlage angebracht sein und beispielsweise die Bewegung von Hülsenteil und/oder Gaslanze über an diesen angebrachte Kurvenrollen vermitteln. Die Steuerung des Öffnungs- und Schließvorgangs eines Beschichtungsreaktors mit mechanischen Steuerkurven sowie weitere konstruktive Details sind außerdem ausführlich in der deutschen Anmeldung mit der Nummer 102 28 898.4 beschrieben, deren Offenbarung vollumfänglich auch zum Gegenstand dieser Anmeldung gemacht wird.

Im folgenden wird die Erfindung näher anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Dabei verweisen gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche Teile.
Es zeigen:
1A eine Querschnittansicht durch eine Ausführungsform der Erfindung,
1B eine Variante der in 1A gezeigten Ausführungsform mit einzelnem Mikrowellenkopf zur gemeinsamen Versorgung der Beschichtungskammern,
2 eine weitere Variante der in 1A gezeigten Ausführungsform mit gemeinsamer Beschichtungskammer für zwei Beschichtungsplätze,
3 eine Querschnittansicht durch eine Ausführungsform der Erfindung mit Steuerung des Öffnungs- und Schließvorganges durch mechanische Steuerkurven,
4 eine schematische Aufsicht auf eine Beschichtungsanlage mit einer Vielzahl von erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtungen.
In 1 ist eine schematische Querschnittansicht durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung dargestellt, die als Ganzes mit 1 bezeichnet ist. Die Beschichtungsvorrichtung 1 umfasst einen Reaktor 18 mit einer Grundplatte 33 und einem beweglichen Hülsenteil 19, sowie eine Einrichtung 2 zur Einleitung elektromagnetischer Energie.
In aneinandergefügter Position, wie sie in 1 dargestellt ist, werden zwischen Hülsenteil 19 und Grundplatte 33 zwei abgedichtete Beschichtungskammern 15, 17 gebildet, welche jeweils einen Beschichtungsplatz 12, beziehungsweise 14 für ein Werkstück darstellen und in welche für die Beschichtung zum Zünden des Plasmas elektromagnetische Energie eingeleitet wird. Dementsprechend können bei der in 1 gezeigten Ausführungsform zwei Werkstücke gleichzeitig behandelt werden. Durch die Trennung der Kammern wird eine gegenseitige Beeinflussung der Plasmen während der Beschichtung vermieden. Die Abdichtung der Beschichtungskammern 15, 17 des Reaktors 2 gegenüber der Umgebung wird dazu durch Dichtungen 29 und 31 hergestellt, welche zwischen Grundplatte 33 und Hülsenteil 19 angeordnet sind.
Um Werkstücke 25,27 zu beschichten, werden diese auf der Grundplatte 33 angeordnet, das Hülsenteil 19 anschließend mit der Grundplatte 33 durch Bewegen des Hülsenteils 19 zusammengeführt, so dass in zusammengefügter Position beider Teile abgedichtete Beschichtungskammern 15, 17 zwischen Hülsenteil 19 und Grundplatte 33 definiert werden, in welcher sich die Werkstücke 25, 27 befinden, die Beschichtungskammern 15, 17 evakuiert, Prozessgas eingeleitet und schließlich ein Plasma durch Einleiten elektromagnetischer Energie erzeugt, so dass sich eine CVD-Beschichtung auf den an das Plasma angrenzenden Oberflächen der Werkstücke 25, 27 ausbildet.
Die Einrichtung 2 zur Einleitung elektromagnetischer Energie umfasst außerdem eine Einrichtung zur Erzeugung elektromagnetischer Energie aus zwei Mikrowellenköpfen 3 und 5, einen Rechteckhohlleiter 4 und zwei von diesem abzweigende Zuführungsleitungen 7 und 9, die bei der in 1 dargestellten Ausführungsform als Koaxialleiter ausgebildet sind. Die Mikrowellenköpfe 3, 5 erzeugen bevorzugt Mikrowellen mit der postalisch zugelassenen Frequenz 2,45 GHz.
Eine Variante der in 1A dargestellten Ausführungsform ist in 1B dargestellt. Diese Variante weist nur einen einzelnen Mikrowellenkopf 3 auf. Dabei sind beide Beschichtungskammern 15, 17 an den einzigen Mikrowellenkopf 3 angeschlossen. Mittels einer Impedanzstruktur oder Hohlleiterstruktur 10, wie sie beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 101 38 693.1-52 beschrieben ist, wird dann die Mikrowellenenergie auf die einzelnen Beschichtungskammern 15, 17 verteilt.
Das Hülsenteil 19 wird bei den in den 1A und 1B dargestellten Ausführungsformen zum Öffnen und Verschließen der Beschichtungskammer im wesentlichen senkrecht zur Grundplatte 33 entlang der Richtung A bewegt. Die Richtung A verläuft dabei entlang der Zuführungsleiter 7 und 9, so dass das Hülsenteil 19 entlang der Zuführungsleiter 7, 9 beweglich ist. Die Leiter dienen dabei gleichzeitig als Führung für das Hülsenteil 19. Zum Öffnen und Schließen der Beschichtungskammern 15, 17 wird dementsprechend das Hülsenteil 19 bewegt, während die Grundplatte 33 festgehalten wird.
Das Hülsenteil 19 weist ferner Öffnungen 6 und 8 auf, in welche die Zuführungsleiter 7 und 9 der Einrichtung 2 zur Einleitung elektromagnetischer Energie eingreifen. Die Koaxialleiter, beziehungsweise Zuführungsleiter 7 und 9 sind mit Dichtungskragen 71 und 91 versehen, welche beim Schließen der Beschichtungskammern 15, 17 gegen Dichtungen 21 und 23 gepresst werden, die am Hülsenteil 19 angebracht sind und so die Beschichtungskammern 15 und 17 vakuumdicht verschließen. Die Koaxialleiter 7, 9 sind außerdem mit dielektrischen Fenstern 11 und 13 für die Einkopplung der Mikrowellen in den Niederdruck- oder Vakuumbereich des Reaktors 18 versehen.
Die in 1 gezeigte Ausführungsform ist speziell für die Beschichtung von hohlkörperförmigen Werkstücken 25 und 27 ausgebildet, wobei in 1 beispielhaft Flaschen als Werkstücke 25, 27 dargestellt sind. Die Grundplatte 33 weist Dichtungen 51 und 53 auf, welche das Innere der hohlkörperförmigen Werkstücke 25 und 27 gegenüber der Umgebung vakuumdicht abschließen. Damit können innerhalb und außerhalb des Werkstücks unterschiedliche Drücke eingestellt werden, beispielsweise um eine reine Innenbeschichtung oder auch eine reine Außenbeschichtung oder unterschiedliche Beschichtungen im Innenraum und auf der Außenoberfläche der Werkstücke 25, 27 herstellen zu können.
Für die Außenbeschichtung können dazu Versorgungskanäle 46 vorgesehen sein, welche in die Beschichtungskammern 15, 17 der Beschichtungsplätze 12, 14 einmünden und über ein Ventil 74 mit einer nicht dargestellten Gasversorgung verbunden sind. Nach der Evakuierung der Beschichtungskammern 15, 17 kann dann über die Kanäle 46 Prozessgas auch der Umgebung der Werkstücke zugeführt und durch Zündung eines Plasmas in diesem Bereich auch eine äußere Beschichtung vorgenommen werden.
Um die Beschichtungskammern 15, 17 evakuieren und belüften zu können, sind in der Grundplatte Versorgungskanäle 35, 37, 39, 41, 43 und 45 vorgesehen. Durch Anordnung der Versorgungskanäle im feststehenden Teil der Beschichtungsanlage, und zwar der Grundplatte 33, werden dynamische Dichtungen oder bewegte Zuleitungen vermieden. Die Versorgungskanäle 5, 37, 39, 41, 43 und 45 können dabei sowohl als Abpumpkanäle zur Evakuierung und Abfuhr von Prozessgas, als auch als Belüftungskanäle zur Belüftung der Beschichtungskammern vor dem Herausnehmen der Werkstücke dienen.
Damit sich unterschiedlichen Drücke oder Gasatmosphären im Innenbereich und der Umgebung der Werkstücke herstellen lassen, weist die Grundplatte separate Versorgungskanäle zur Evakuierung und Belüftung für den Innenraum 22, 24 der Werkstücke einerseits und die Umgebung der hohlkörperförmigen Werkstücke 25, 27 andererseits auf. Im einzelnen dienen dabei die Versorgungskanäle 43 und 45 zur Evakuierung und Belüftung der Umgebung und die Versorgungskanäle 37, 39 zur Evakuierung und Belüftung des Innenraums 22, 24 der Werkstücke 25, 27.
Ferner sind die Versorgungskanäle 43, 45 für die Umgebung und die Versorgungskanäle 37, 39 für den Innenbereich beider Beschichtungsplätze jeweils zusammengeschaltet und münden in einen gemeinsamen Versorgungskanal 41 für die Umgebung, beziehungsweise einen Versorgungskanal 35 für die Innenräume 22, 24 der Werkstücke. Dies reduziert die erforderlichen Biegungen in den Versorgungskanälen, sowie deren Gesamtlänge und erhöht dementsprechend den Leitwert.
Die Zuführung des Prozessgases für die Innenbeschichtung der Werkstücke 25, 27 erfolgt über Gaslanzen 55 und 57, die während der Beschichtung in das Innere der Werkstücke hineinragen. Diese sind bei der in 1A dargestellten Ausführungsform mittels dynamischer, an der Grundplatte 33 angeordneter Dichtungen 47, beziehungsweise 49 gegenüber der Umgebung der Beschichtungsvorrichung 1 abgedichtet. Der Fluss des Prozessgases wird durch ein Ventil 60 ein- und ausgeschaltet und geregelt. Bei der in 1B dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Dichtungen 47, 49 an den Gaslanzen 55, 57 befestigt und die Dichtungsringe der Dichtungen 47, 49 axial angeordnet, so dass die Gaslanze bei Aus- und Einfahren nicht am Dichtungsring reibt. Dementsprechend erfolgt hier keine dynamische Dichtung, sondern der Dichtring dichtet beim Hereinfahren der Gaslanze dann ab, wenn er in herangefahrener Position der Gaslanzen angedrückt wird.
An den Zuführungskanal 35 für die Evakuierung der Innenräume 22, 24 der Werkstücke 25, 27 sind außerdem Pumpeinrichtungen 63, 65 und 67 über Ventile 62, 64 und 66 angeschlossen. Dabei dient die Pumpeinrichtung 63 für die Abfuhr von Prozessgas und die Pumpeinrichtungen 65 und 67 für die Evakuierung, wobei die Pumpeinrichtungen unterschiedliche Enddrücke erreichen können und zur Evakuierung und der Abfuhr von Prozessgas nacheinander zugeschaltet werden, so dass ein mehrstufiges Pumpsystem realisiert wird. Selbstverständlich können aber auch einstufige Pumpsysteme oder Systeme mit noch mehr Stufen verwendet werden. Vorteilhaft kann die erste Pumpstufe unter Verwendung der Pumpeinrichtung 67 für eine Evakuierung ausgehend von Atmosphärendruck bis auf etwa 50 mbar ausgelegt sein. Als weitere Pumpstufe kann dann mittels der Pumpeinrichtung 65 dann ausgehend von dem mit der ersten Pumpstufe erreichten Druck bis auf den Basisdruck abgepumpt werden, der typischerweise in einem Bereich zwischen 0,1 bis 0,3 mbar liegt. Alternativ kann, insbesondere um nur eine Innenbeschichtung der Werkstücke vorzunehmen, der Innenraum 22, 24 der Werkstücke 15, 17 bis zu einem Basisdruck < 0,1 mbar und die Umgebung der Werkstücke 15, 17 auf einen festen Außendruck zwischen 10 und 100 mbar abgepumpt werden. Auf diese Weise muss außen nicht der Basisdruck erreicht werden. Dadurch lässt sich unter anderem die Pumpzeit durch Verringern des Pumpvolumen nach Erreichen des Außendruck-Niveaus verkürzen, da ab diesem Punkt nur noch der Innenraum gepumpt werden braucht.
Schließlich wird einströmendes Prozessgas mit einer dritten Pumpstufe mit der Pumpeinrichtung 63 abgesaugt und so ein Gasaustausch von Prozessgas und eine Stabilisierung des Drucks in den Beschichtungskammern erreicht.
Der Versorgungskanal 41 ist ferner über eine mit einem Ventil 73 geschaltete Bypass-Leitung 75 mit dem Versorgungskanal 35 verbunden. Auf diese Weise können auch die Umgebungen der Werkstücke in den Beschichtungskammern 15, 17 evakuiert werden. Dazu wird während des Abpumpvorgangs mittels des Ventils 73 die Bypass-Leitung 75 geöffnet, so dass die Pumpeinrichtungen 65 und 67 über diese Leitung mit den Versorgungskanälen 43 und 45 verbunden werden. Nach Abschluß der Evakuierung werden dann die Ventile 73, 66 und 64 geschlossen und Prozessgas strömt nach Öffnen des Ventils 60 über die Lanzen 55, 57 in die Innenräume der Werkstücke und wird nach Öffnen des Ventils 62 durch die Pumpeinrichtung 63 kontinuierlich abgepumpt. Ferner strömt nach Zünden des Plasmas ständig frisches Gas über die Gaslanzen 55 und 57 und/oder die Kanäle 46 ein und verbrauchtes Gas und Reste von unverbrauchtem Prozessgas werden über das geöffnete Ventil 62 durch die Pumpeinrichtung 63 abgepumpt.
Nach abgeschlossener Beschichtung können dann durch Öffnen der Ventile 61 und 77 sowohl die Innenräume, als auch die umgebenden Beschichtungskammern 15, 17 belüftet werden. Daraufhin herrscht Normaldruck in den Beschichtungskammern und den Werkstücken und der Reaktor kann ohne großen Kraftaufwand geöffnet werden.
In 2 ist eine Variante der in 1 gezeigten Ausführungsform dargestellt. Bei dieser Variante ist im Unterschied zu der anhand von 1 beschriebenen Ausführungsform eine gemeinsame Beschichtungskammer 15 für zwei Beschichtungsplätze 12 und 14 vorgesehen. Dazu weist das Hülsenteil 19 nicht zwei getrennte Hülsen, wie im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel, sondern vielmehr eine gemeinsame Hülse auf, welche sich beim Schließen über beide Werkstücke, beziehungsweise über beide Beschichtungsplätze stülpt. Dementsprechend benötigt die Beschichtungsvorrichtung auch nur einen Versorgungskanal 41 für die Evakuierung und Belüftung der Reaktorkammer oder Beschichtungskammer 15.
In 3 ist eine Querschnittansicht durch eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei welcher das Öffnen und Schließen der Beschichtungskammern durch mechanische Steuerkurven bewerkstelligt wird. Der Übersichtlichkeit halber sind in 3 die Zuführungskanäle, sowie die Pumpen und Regelventile nicht dargestellt.
Am Hülsenteil 19 der Beschichtungsvorrichtung 1 befindet sich ein Arm 81. Am Arm 81 sind Kurvenrollen 84, 85 und 86 angeordnet. Die Kurvenrollen 84, 85 und 86 umgreifen eine mechanische Steuerkurve 80, an welcher die Beschichtungsvorrichtung 1 in Transportrichtung vorbeigefahren wird. Die Steuerkurve 80 erstreckt sich ebenfalls entlang der Transportrichtung und ist in geeigneter Weise gebogen, so dass sich deren Querschnittsprofil entlang der Richtung A verschiebt. Dadurch wird beim Vorbeibewegen der Beschichtungsvorrichtung entlang der Steuerkurve der Arm und das mit diesem verbundene Hülsenteil 19 ebenfalls entlang der Richtung A bewegt, wodurch die Beschichtungskammern zum Einsetzen von Werkstücken in die Beschichtungsplätze 12 und 14 oder zum Herausnehmen der Werkstücke geöffnet und geschlossen werden.
In gleicher Weise kann auch die Bewegung der Gaslanzen 55 und 57 gesteuert werden. Dazu sind die Gaslanzen an einem Träger 78 befestigt, an welchem ebenfalls ein Arm 83 angebracht ist. Der Arm 83 ist wiederum mit Kurvenrollen 87, 88 und 98 versehen, welche eine weitere mechanische Steuerkurve 82 umgreifen. Die Bewegung der Gaslanzen erfolgt in analoger Weise, wie oben anhand der Bewegung des Hülsenteils 19 beschrieben wurde. Die Kanäle in der Grundplatte 33, in denen sich die Gaslanzen 55 und 57 bewegen, werden dabei durch dynamische Dichtungen 47 und 49 mit einer Leckrate < 0,1 mbar l/s gasdicht gegen Atmosphäre abgedichtet, so dass im Rahmen der Leckrate kein Gas aus der Umgebung in das Innere der hohlkörperförmigen Werkstücke 25 und 27 gelangen kann. Anders als in 3 dargestellt, können auch nicht dynamische, an den Gaslanzen 55, 57 befestigte Dichtungen 47, 49 mit axialem Dichtring verwendet werden, wie sie anhand von 1B beschrieben wurden.
In 4 ist eine schematische Aufsicht auf eine Beschichtungsanlage 90 zum Beschichten von Werkstücken 25 dargestellt, die mit einer Vielzahl von erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtungen 1 ausgestattet ist. Die Beschichtungsanlage 90 umfasst eine Rundlauf-Transporteinrichtung oder einen Rundläufer 91, an welchem beispielhaft zwölf der erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtungen 1 angeordnet sind. Die Beschichtungsanlage umfasst ferner eine feststehend montierte Steuerkurve 80 zur Steuerung des Öffnungs- und Schließvorgangs der Beschichtungseinrichtungen 1.
Die Beschichtungseinrichtungen 1 weisen außerdem jeweils Arme 81 auf, die wie anhand von 3 dargestellt wurde, an den jeweiligen Hülsenteilen der Reaktoren befestigt sind und durch Vorbeibewegen an der Steuerkurve 80 bewegt werden.
Die Werkstücke 25 werden über eine Förderschiene 94 einem Zuteilrad 92 zugeführt, welches dann die Werkstücke zu den Beschichtungsplätzen der Beschichtungsvorrichtungen 1 transportiert. Die Werkstücke werden dann in geeigneten Aufnahmen in den Beschichtungsplätzen der Beschichtungsvorrichtungen fixiert. Bei Drehung des Rundläufers werden die Hülsenteile durch Vorbeibewegen an der Steuerkurve wie oben beschrieben geschlossen und die Beschichtungskammern der Reaktoren evakuiert. Im Falle hohlkörperförmiger Werkstücke können dann ebenfalls über eine Steuerkurve gesteuert Gaslanzen in die Werkstücke eingeführt werden. Daraufhin wird Prozessgas eingelassen und die Beschichtung durch Einstrahlung von Mikrowellen vorgenommen, während sich der Rundläufer 91 weiterdreht.
Nach abgeschlossener Behandlung der Werkstücke werden dann, wieder vermittelt durch die Steuerkurve 80, die Hülsenteile der Beschichtungsvorrichtungen 1 angehoben und die Kammern geöffnet, woraufhin die beschichteten Werkstücke 25 von einem Förderrad 93 abgenommen und einer Transportschiene 96 für den Weitertransport zugeführt werden.

1: Beschichtungsvorrichtung
2: Einrichtung zur Einleitung
: elektromagnetischer Energie
3, 5: Mikrowellenköpfe
6, 8: Öffnungen in Hülsenteil
7, 9: Zuführungsleiter, Koaxialleiter
11, 13: dielektrische Fenster
12, 14: Beschichtungsplätze
15, 17: Beschichtungskammer
18: Reaktor
19: Hülsenteil
21, 23 ,29, 31, 47,: Dichtungen
49, 51, 53
22, 24: Innenraum hohlkörperförmiger Werkstücke
25, 27: Werkstücke
33: Grundplatte
35, 37, 39, 41, 43,: Versorgungskanäle
45, 46
55, 57: Gaslanze
60, 61, 62, 64, 66,: Ventil
73, 74, 77
63, 65, 67: Pumpeinrichtungen
71, 91: Dichtungskragen
75: Bypass-Leitung
78: Träger für Gaslanzen
80, 82: mechanische Steuerkurven
81, 82: Führungsarm
84–89: Kurvenrollen
90: Beschichtungsanlage
92, 93: Zuteilrad
94, 96: Förderschiene

Claims

Beschichtungsvorrichtung (1) zur Plasmabeschichtung von Werkstücken (25, 27) mit – einem Reaktor (18) mit einem beweglichen Hülsenteil (19) und einer Grundplatte (33), wobei in aneinandergefügter Position zumindest eine abgedichtete Beschichtungskammer (15, 17) zwischen Hülsenteil (19) und Grundplatte (33) definiert wird, sowie – einer Einrichtung (2) zur Einleitung elektromagnetischer Energie in die zumindest eine Beschichtungskammer (15, 17), dadurch gekennzeichnet, dass – der Reaktor (18) zumindest zwei Beschichtungsplätze (12, 14) aufweist, – das Hülsenteil (19) zumindest eine Öffnung (6, 8) aufweist, in welche ein Zuführungsleiter (9, 7) der Einrichtung (2) zur Einleitung elektromagnetischer Energie eingreift und – das Hülsenteil (19) zum Öffnen und Schließen der Beschichtungskammer (15, 17) entlang des zumindest einen Zuführungsleiters (9, 7) zur Grundplatte (33) beweglich angeordnet ist.
Beschichtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (33) Versorgungskanäle (35, 37, 39, 41, 43, 45) zur Evakuierung und/oder Belüftung und/oder Zuführung von Prozessgas aufweist.
Beschichtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (18) zumindest zwei voneinander getrennte Beschichtungskammern (15, 17) für zumindest zwei Beschichtungsplätze (12, 14) aufweist.
Beschichtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (18) eine gemeinsame Beschichtungskammer (15, 17) für zumindest zwei Beschichtungsplätze (12, 14) aufweist.
Beschichtungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Zuführungsleiter (9, 7) einen Hohlleiter und/oder einen Koaxialleiter umfasst.
Beschichtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (2) zur Einleitung elektromagnetischer Energie zumindest eine Einrichtung (3, 5) zur Erzeugung von elektromagnetischer Energie umfasst.
Beschichtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (3, 5) zur Erzeugung von elektromagnetischer Energie zumindest einen Mikrowellenkopf (3, 5) umfasst.
Beschichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (2) zur Einleitung elektromagnetischer Energie zumindest eine Einrichtung (10) zur Aufteilung der elektromagnetischen Energie umfasst.
Beschichtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (3, 5) zur Erzeugung von elektromagnetischer Energie eine Einrichtung zur Erzeugung gepulster elektromagnetischer Energie umfasst.
Beschichtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsplätze (12, 14) zur Aufnahme hohlkörperförmiger Werkstücke (25, 27), insbesondere zur Aufnahme von Flaschen, Ampullen, Kalotten oder Glühbirnenkörpern ausgebildet sind.
Beschichtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsplätze (12, 14) Dichtungen (51, 53) zur Abdichtung des Innenraums (22, 24) der hohlkörperförmigen Werkstücke (25, 27) aufweisen.
Beschichtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (33) separate Versorgungskanäle (35, 37, 39, 41, 43, 45) zur Evakuierung und/oder Belüftung und/oder Zuführung von Prozessgas für den Innenraum (22, 24) und die Umgebung der hohlkörperförmigen Werkstücke (25, 27) aufweist.
Beschichtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungskanäle (37, 39, 43, 45) zweier oder mehrerer Beschichtungsplätze (12, 14) über gemeinsame weitere Versorgungskanäle (35, 41) oder Versorgungsleitungen zusammengeschaltet sind.
Beschichtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsvorrichtung (1) zur Zuführung von Prozessgas zu einer Beschichtungskammer (15, 17) zumindest eine Gaslanze (55, 57) aufweist.
Beschichtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsvorrichtung (1) zur Bewegung des Hülsenteils (19) zum Öffnen und Schließen des Reaktors (18) und/oder einer Gaslanze (55, 57) mechanische Steuerkurven (80, 82) aufweist.
Verfahren zur Plasmabeschichtung von Werkstücken (25, 27), insbesondere in einer Vorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, mit einem Reaktor (18) mit einem beweglichen Hülsenteil (19) und einer Grundplatte (33), wobei – zumindest zwei zu beschichtende Werkstücke (25, 27) auf der Grundplatte (33) angeordnet werden, – das Hülsenteil (19) und die Grundplatte (33) durch Bewegen des Hülsenteils zusammengeführt werden, so dass in zusammengefügter Position zumindest eine abgedichtete Beschichtungskammer (15, 17) zwischen Hülsenteil (19) und Grundplatte (33) definiert wird, in welcher sich wenigstens eines der Werkstücke (25, 27) befindet, – das Hülsenteil (19) zum Öffnen und Schließen der Beschichtungskammer (15, 17) entlang zumindest eines Zuführungsleiters (7, 9) zur Zuführung elektromagnetischer Energie bewegt wird, – die Beschichtungskammer (15, 17) evakuiert wird, – Prozessgas eingeleitetwird und – ein Plasma durch Einleiten elektromagnetischer Energie erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Hülsenteil (19) zum Öffnen und Schließen der Beschichtungskammer (15, 17) im Wesentlichen senkrecht zur Grundplatte (33) bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Evakuieren und/oder eine Belüftung und/oder das Zuführen von Prozessgas durch Versorgungskanäle (35, 37, 39, 41, 43, 45) in der Grundplatte erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein gepulstes Plasma durch Zuführen gepulster elektromagnetischer Energie erzeugt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 19 gekennzeichnet durch eine Beschichtung hohlkörperförmiger Werkstücke (25, 27), wobei die Umgebung und der Innenraum der Werkstücke (25, 27) getrennt evakuiert werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 20 gekennzeichnet durch eine Beschichtung hohlkörperförmiger Werkstücke (25, 27), wobei in den Innenraum (22, 24) der Werkstücke (25, 27) Prozessgas eingeleitet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 21 gekennzeichnet durch eine Beschichtung hohlkörperförmiger Werkstücke (25, 27), wobei zum Evakuieren der Beschichtungskammer (15, 17) der Innenraum der Werkstücke (22 ,24) bis zu einem Basisdruck < 0,1mbar und die Umgebung der Werkstücke (15, 17) entweder ebenfalls unterhalb des Basisdrucks oder auf einen festen Außendruck zwischen 10 und 100 mbar abgepumpt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitung von Prozessgas in eine Beschichtungskammer (15, 17) über zumindest eine Gaslanze (55, 57) erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma durch Einleiten von Mikrowellen erzeugt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegen des Hülsenteils (19) über mechanische Steuerkurven (80, 82) vermittelt wird.