DE19742691C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Beschichtung von Substraten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beschichtung von Substraten nach der Methode der Plasmastrahlverdampfung, wobei Feststoffe in ein Aerosol überführt und das Aerosol in ein induktiv gekoppeltes Plasma eingebracht werden und wobei durch Verdampfung aus dem Plasma ein Substrat beschichtet wird. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf die zuge­ hörige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem Plasmabrenner und einem demgegenüber beweglich angeordneten Substrathalter zur Beschichtung eines auf einem Substrat­ halter als Substrat angeordneten Gegenstandes.

In induktiv angeregten Hochfrequenzplasmen hoher Leistungs­ dichte werden Temperaturen um 10.000 K bei Strömungsgeschwin­ digkeiten im Bereich von 10 m/s erreicht. Diese Eigenschaften erlauben es im Idealfall, praktisch beliebige Substanzen vollständig zu verdampfen, wenn sie passend aufbereitet und mit hinreichend kleiner Rate in das Plasma eingebracht wer­ den. Bei geeigneter Prozeßführung können aus der im Plasma enthaltenen Dampfphase dünne Schichten vorgegebener Zusammen­ setzung mit hoher Aufwachsrate auf Substraten abgeschieden werden, was beispielsweise aus der GB 22 64 718 bekannt ist. Anwendungen dieses als sog. Plasma-Kurzzeitverdampfung (Plasma Flash Evaporation ≘ PFE) oder aber auch im deutschen Sprachgebrauch als Plasmastrahlverdampfung bekannten Verfah­ rens sind beispielsweise die Herstellung hochtemperatur­ supraleitender (HTSL-)Schichten aus Yttrium-Barium-Kupferoxid und die Deposition wärmedämmender Schichten aus Zirkonoxid auf thermisch hoch belasteten Maschinenteilen, wie z. B. Tur­ binenschaufeln.

Die zu verdampfenden Ausgangsstoffe werden, dem Stand der Technik entsprechend, zu Aerosolen aufbereitet, welche die zu verdampfenden Substanzen als Feinstpulver oder Flüssigkeits­ tröpfchen enthalten, und durch eine Sonde in das Plasma ein­ gebracht. Im Falle der Erzeugung von Schichten aus Zirkonoxid (ZrO₂) kann die Ausgangssubstanz beispielsweise als Zirkon­ xidpulver vorliegen.

Wird ein Pulver mit hoher Schmelz- und Verdampfungstempera­ tur, wie z. B. ZrO₂, verwendet, kommt es vor, daß nicht alle Partikel vollständig verdampfen. Ferner ist es sowohl bei festen als auch bei flüssigen Ausgangsstoffen möglich, daß der im Plasma erzeugte Dampf vor Erreichen des Substrates zu festen oder schmelzflüssigen Partikeln kondensiert. In beiden Fällen wird der Schichtaufbau auf dem Substrat durch Auf­ lagerungen unerwünschter Partikel gestört.

Dem Stand der Technik entsprechend ist der Substrathalter bei der Beschichtung mit Induktionsplasmen im allgemeinen eine im rechten Winkel zum anströmenden Plasma angeordnete wasser­ gekühlte ebene Platte. Aus J. Mater. Res. 9 (1994), Seiten 1089 bis 1097 ist darüber hinaus ein Substrathalter bekannt, der aus einem rotierenden Zylinder mit senkrecht zur Plasma­ flamme gelagerten Drehachse besteht. Allen dem Stand der Technik entsprechenden Substrathaltern ist gemeinsam, daß sie unmittelbar, d. h. im rechten Winkel, vom Plasma beaufschlagt werden, so daß auch das Substrat in der Regel vom senkrecht anströmenden Plasma getroffen wird.

Im einzelnen ist aus der US 5 453 306 A ein Plasmastrahlver­ dampfungsverfahren der eingangs genannten Art zur Herstellung von Oxidschichten bekannt, bei dem das Plasma senkrecht auf das Substrat auftrifft. Ein ganz entsprechendes Verfahren ist aus der EP 0 452 006 A2 bekannt, bei dem das zu verdampfende Material als Pulver- oder Flüssigkeitsaerosol vorliegen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Beschichtung mit einem Verfahren zur Plasmastrahlverdampfung zu verbessern und die zugehörige Vorrichtung zu schaffen.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Beschichtung weitgehend allein aus der Dampfphase erfolgt und daß keine festen und/oder flüssigen Partikel auf das Substrat gelangen, wozu das Substrat parallel zur Strömungsrichtung des Plasmas angeordnet ist. Vorzugsweise wird mit letzterem bewirkt, daß die festen und/oder flüssigen Partikel am Substrat vorbei­ fliegen.

Bei der zugehörigen Vorrichtung ist der Substrathalter gegenüber dem Plasmabrenner derart orientiert, daß die Sub­ stratoberfläche weitgehend parallel zur Strömungsrichtung des Plasmas verläuft. Insbesondere kann der Substrathalter aus koaxial zueinander angeordneten Rohren bestehen, zwischen denen ein Kühlmittel strömt. Dabei hat das ringartige Rohr die gleiche Orientierung wie die Plasmaquelle, wobei das Substrat auf der Innenfläche des inneren Rohres angeordnet ist.

Mit der Erfindung ist gewährleistet, daß die Schichtabschei­ dung bevorzugt aus der Dampfphase erfolgt. Der angestrebte Vorteil einer Schichtabscheidung vorzugsweise aus der Dampf­ phase ergibt sich daraus, daß feste oder flüssige, also nicht verdampfte Partikel vermöge ihrer Trägheit ihre im Plasma erlangte, parallel zur Strömung gerichtete Bewegung beibehal­ ten. Atome und Moleküle dagegen besitzen eine der Strömungs­ geschwindigkeit überlagerte Maxwellsche Geschwindigkeits­ verteilung mit Geschwindigkeitskomponenten, die auf alle Richtungen, insbesondere auch senkrecht zur Strömungsrich­ tung, gleichmäßig verteilt sind. Dies hat zur Folge, daß nicht verdampfte Partikel am Substrat vorbeifliegen, während der Dampf, soweit er eine hinreichende Geschwindigkeits­ komponente senkrecht zum Substrat besitzt, dort kondensiert.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungs­ beispiels anhand der Zeichnung. Die einzige Figur zeigt als Längsschnitt eine solche Anordnung, mit der das neue Ver­ fahren realisiert wird.

In der Figur ist ein induktiv angeregter Plasmabrenner 1 nur schematisch dargestellt. Eine solche Plasmaquelle ist vom Stand der Technik bekannt: Eine Induktionsspule 2, die von einem Hochfrequenzgenerator gespeist wird, umschließt koaxial ein zylindrisches äußeres Rohr 3 aus einem hochtemperatur­ festen Isolierstoff. Zwischen dem äußeren Rohr 3 und einem koaxial dazu angeordneten inneren Rohr 4 fließt ein Hüllgas­ strom 5, der die für den gewünschten Prozeß benötigten Gase enthalten kann. Durch das innere Rohr 4 strömt ein weiteres Gas 6. Im Bereich der Induktionsspule 2 vermischen sich die Gasströme 5 und 6 und bilden unter dem Einfluß der durch die Induktionsspule 2 eingekoppelten Energie ein induktiv an­ geregtes thermisches Plasma 7, das als Flamme in eine hier nicht dargestellte Reaktionskammer einströmt.

Mittels einer solchen "Sonde" kann aus dem Plasma auf ein Substrat, das sich auf einem Substrathalter befindet, eine Schicht abgeschieden werden. Der Substrathalter 30 besteht in diesem Fall aus zwei gleich langen, koaxial zueinander an­ geordneten zylindrischen Rohren 34 (innen) und 35 (außen), deren Zwischenraum 36 eine Zylinderschale bildet, die an beiden Längsseiten durch kreisringförmige Scheiben 37 und 38 abgeschlossen ist. Der Zwischenraum zwischen den Rohren 34 und 35 wird von einer Kühlflüssigkeit K durchströmt, die durch Rohrstutzen 39 ein- und ausströmt. Der so gebildete Substrathalter ist vorzugsweise koaxial bezüglich der Längs­ achse 1 des Plasmabrenners angeordnet und wird von der langgezogenen Plasmaflamme 7 durchströmt.

Das zu beschichtende Substrat kann mit dem Innenrohr 34 identisch sein. Es kann aber auch in geeigneter Weise, z. B. durch Schweißen, Löten, Klammern, Verschrauben, an der Wan­ dung des inneren Zylinders 34 befestigt sein. Durch axiale Bewegung kann der Substrathalter in Positionen mit für die jeweilige Schicht günstigen Plasmabedingungen gebracht werden.

Bei der Beschichtung gewölbter Flächen auf ihrer konvexen Seite kann der Erfindungsgedanke dadurch verwirklicht werden, daß der zu beschichtende Körper mit der zu beschichtenden Fläche parallel zur Strömungsrichtung der Flamme angeordnet wird. Handelt es sich um einen Hohlkörper, ist es vorteil­ haft, wenn dieser von einer Kühlflüssigkeit durchströmt wird. Ferner kann es vorteilhaft sein, den zu beschichtenden Körper in radialer oder axialer Richtung bezüglich der Plasmaflamme zu bewegen.

Claims (7)

1. Verfahren zur Beschichtung von Substraten nach der Methode der Plasmastrahlverdampfung, wobei Feststoffe in ein Aerosol überführt und das Aerosol in ein induktiv gekoppeltes Plasma eingebracht werden und wobei durch Verdampfung aus dem Plasma ein Substrat beschichtet wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Beschichtung weitgehend allein aus der Dampfphase erfolgt und keine feste und/oder flüssige Partikel auf das Substrat gelangen, wozu das Sub­ strat parallel zur Strömungsrichtung des Plasmas angeordnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die festen und/oder flüssigen Parti­ kel am Substrat vorbeifliegen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Substrat während der Beschichtung gekühlt wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 3, mit einem Plasmabrenner und einem demgegenüber beweglich angeordneten Substrathalter zur Beschichtung eines auf dem Substrathalter als Substrat angeordneten Gegenstandes, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Substrathalter (30) gegenüber dem Plasmabrenner (1) derart orientiert ist, daß die Substrat­ oberfläche (34) parallel zur Strömungsrichtung (1) des Plas­ mas (7) verläuft.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Substrathalter (30) aus koaxial zueinander angeordneten Rohren (34, 35) besteht, zwischen denen ein Kühlmittel (K) strömt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die koaxialen Rohre (34, 35) eine gemeinsame Achse (1) mit der Plasmaquelle (7) haben.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Substrat auf der inneren Ober­ fläche des inneren Rohres (34) angeordnet ist.