CN109477209A - 离子从等离子体到待涂覆的基底的改进的转向 - Google Patents

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Abstract

基底保持架(1)，其包括用于将电势US供给至基底(2)的第一触点(3)，其中，在基底保持架(1)的表面(11)上的充电区域(12)构造为能够通过从涂覆设备(100)的离子源(104)到达的离子(101、102)充电(13)，和/或设置第二触点(4)，能够通过第二触点以不同于电势US的能自由选择的电势UH加载在基底保持架(1)的表面(11)上的电极区域(14)。涂覆设备(100)，其具有至少一个离子源(104)和第一电压源(106)，第一电压源能够与待涂覆的基底(2)连接，从而能够通过由第一电压源(106)施加在基底(2)上的电势US使来自离子源(104)的气体离子(101)和/或涂覆材料(103)的离子(102)朝向基底(2)的方向加速，其中，至少一个邻近面(11、105)构造为能通过到达的离子(101、102)充电(13、113)，未到达基底(2)的离子(101、102)朝邻近面运动，和/或，设置至少一个第二电压源(107)，第二电压源能够与邻近面(11、105)连接，使得邻近面(11、105)能够以不同于电势US的能自由选择的电势UH加载。用于运行的方法和计算机程序产品。

Description

离子从等离子体到待涂覆的基底的改进的转向
技术领域
本发明涉及一种基底保持架和一种用于以来自等离子体的离子涂覆基底的涂覆设备以及一种用于运行涂覆设备的方法。
背景技术
在工业标准中的构件真空涂覆中，多个同时待涂覆的构件被编组为环绕中心等离子体的基底。基底作为涂覆材料的离子的来源起作用。通过施加高电压到各个基底上使离子朝基底的方向加速。因为离子以高的动能撞击在基底上，所以在那里形成高质量的涂层。
从DE 198 26 259 A1已知一种相应的设备。将产生等离子体和产生基底电压分开，允许调节基底温度以及使用不同类型的等离子体产生源。根据两极地脉冲激发的时间程序施加基底电压，以对抗充电效应。
JP 2001 107 729 A公开了在喷涂设备中不是以电压加载基底本身，而是以电压加载被埋入绝缘的基底保持架中的电极。通过这种电压与等离子体的相互作用使在基底表面上的电场均匀化，并且因此也使基底的具有所施加的涂层的覆盖层均匀化。
JP 2000 119 849 A公开了基底存放在绝缘的基底保持架上并且同时通过施加偏置电压到基底上将电荷从基底中导出。以此方式降低在气相的薄的涂覆中的电压。
发明内容
在本发明的框架下，开发了一种用于将基底装入涂覆设备中的基底保持架。在此，设置基底保持架的表面面向涂覆设备的离子源。基底保持架包括用于将电势US供给至基底的第一触点。
根据本发明，在基底保持架的表面上的充电区域构造为能够通过由涂覆设备的离子源到达的离子充电，和/或设置第二触点，通过所述第二触点能够被不同于电势US的、可自由选择的电势UH加载在基底保持架的表面上的电极区域。所述电势UH尤其能够是浮动电势或者地电势。
例如基底保持架的绝缘材料块能够提供充电区域。尤其是，基底保持架能够完全由绝缘材料制造。但是，基底保持架的表面也能够是导电的。所述表面能够例如完全或者部分设有遮盖层。遮盖层能够是自身绝缘的或者至少相对于基底保持架的表面绝缘。遮盖层能够例如包括电介质层，在所述电介质层上可选地还能够布置有金属层。但是，基底保持架的表面也能够是例如导电的并且在其平面内被分段为多个相互绝缘的区域。例如基底保持架能够由陶瓷制造，将被分段的导电表面作为涂层施加到所述陶瓷上。
所述段在此能够用作充电区域，击中的离子不能从段中流出。
如果在基底的导电表面上的区域通过遮盖层而构型为充电区域，则这个区域尤其也能够同时用作电极区域。
可见的是，通过充电区域和电极区域单个地或者组合地改进离子从等离子体到基底上的转向。尤其是，能够提高离子撞击到基底上的份额，而同时减小离子未到达基底并撞击到基底保持架或者涂覆设备的邻近面上的份额。
以高的能量撞击到邻近面上的离子能够在那里释放作为污物沉积在基底上的原子。这尤其涉及在本来的涂覆之前的清洁过程，在所述清洁过程中，通过以来自用作离子源的等离子体的、高能的气体离子(例如氩离子)进行扫射来剥落基底的表面的污物。如果这些气体离子例如撞击到金属的邻近面上，则所述气体离子能够在那里释放金属原子、如例如铁原子。
同时，未到达基底而撞击在邻近面上的离子不提供在基底的表面上。因此，基底表面的不处于朝离子源的直接视线中的区域可能离子供应不足。如果基底是例如具有侧凹部的复杂构件，其在加工期间可能必须转动或者重新定位。这不但涉及清洁而且涉及紧接着的涂覆。
根据本发明的基底保持架提供两种相互独立的结构性措施，所述结构性措施不但对抗在清洁时邻近面的不希望的剥落而且对抗基底表面的区域的离子供应不足。
在涂覆设备运行时，在基底保持架的表面上的充电区域通过充电的粒子(尤其气体离子和/或涂覆材料的离子)充电。由这种充电产生电场，总之所述电场降低离子源和基底保持架之间的自由空间中的电场。即，离子源的未到达基底的离子较弱地朝向基底保持架加速。令人意外的是，这具有下述作用：离子的未到达基底本身的至少一部分在朝向基底保持架的飞行轨迹上由于统计学的撞击过程然而还具有朝基底表面的方向的足够冲量分量并且撞击在基底表面上。由充电区域的电荷产生的电场能够根据其强度和到达的离子的速度使这些离子甚至直接朝基底表面转向，而为此还不需要统计学的撞击过程。
这些效应能够仅仅通过改动基底保持架实现，而不必在涂覆设备本身进行结构性的改变。尤其是，存在的涂覆设备能够加装根据本发明的基底保持架，而涂覆设备甚至不必为此满足特别的前提条件。
按照迄今为止的公知常识所具有的见解，在设备部件上通过由离子源到达的离子产生的充电效应仅仅被视为要避免的干扰效应，所述干扰效应正需要避免。因此，通常使基底保持架和另外的设备部件接地(未到达基底的离子朝所述另外的设备部件运动)，使得通过离子引入的电荷能够流出。发明人看到，能够有针对性地利用这种想象上的干扰效应，以改进所获得的涂层的质量。
如果在基底保持架的表面上设置有充电区域并且该充电区域能够以附加的、可自由选择的电势UH加载，则能够以还更大的程度和还更大的自由调整离子源、基底和基底保持架之间的电场，使得未到达基底本体的离子主动地朝基底的表面的方向转向。电势图(Potentiallandschaft)尤其能够构成为使得在基底的表面上从离子的角度来看，电势US在能量上处于最低和/或离子被基底保持架排斥。
除了基底保持架之外，本发明也提供一种涂覆设备，优化所述涂覆设备用于根据本发明的基底保持架，但是在没有这种基底保持架的情况下也具有相对于常规的涂覆设备的优点并且可作为单独的单元出售。
这种涂覆设备包括至少一个离子源和第一电压源，所述第一电压源能够与待涂覆的基底连接，从而能够通过由第一电压源施加在基底上的电势US使来自离子源的气体离子和/或涂覆材料的离子朝基底的方向加速。在此，离子源尤其能够是等离子体。在等离子体边界层那侧的自由空间中的电势图决定：离子在哪个方向上且以哪个速度从等离子体中运动出去。
根据本发明，至少一个邻近面构造为能够被到达的离子充电，未到达基底的离子朝所述邻近面运动。替代地或者组合地，设置至少一个第二电压源，所述第二电压源能够与所述邻近面连接，从而所述邻近面能够被不同于电势US的、可自由选择的电势UH加载。尤其是，邻近面能够以与之前描述的基底保持架相同的方式可充电地构造。电势UH尤其能够是浮动电势或者地电势。
根据涂覆设备、基底和所对应的基底保持架的几何结构，邻近面能够布置在基底保持架上和/或也能够布置在涂覆设备内部的其它位置上。例如离子的未到达基底的部分能够朝基底保持架运动并且另一部分朝真空接受器的壁运动。例如当等离子体作为离子源布置在涂覆设备的中心中并且待涂覆的基底围绕该等离子体编组时，会出现这样的情形。作用在基底上的电势US从等离子体中在径向上向外吸引离子。如果基底保持架例如固定在底板中或者固定在真空接受器的盖中，则未到达基底的离子优选朝真空接受器的侧壁运动。
一方面，涂覆设备与基底保持架如下地共同作用：与基底保持架的第二触点连接的第二电压源能够以电势UH加载基底保持架的表面的一部分。另一方面，也能够通过以到达的离子充电、通过以电势UH加载或者也通过两种措施的组合减小未到达基底的离子撞击在另外的不属于基底保持架的邻近面上的概率。这种效应分别与之前说明的基底保持架相同：将在离子源、基底和邻近面之间产生的电场改动为使得以高的能量防止离子撞击在邻近面上并且理想地使离子朝基底表面转向。
在本发明的另一特别有利的构型中，设置有用于第二电压源的调节器。该调节器有利地构造用于使电势UH如下地跟踪电势US的改变：从离子的角度来看，电势US在能量上低于电势UH。替代地或者也组合地，所述调节器构造用于使电势UH如下地跟踪离子容器的特性的改变和/或电势US的改变：从离子的角度来看，电势UH是排斥的。
离子从等离子体朝基底的方向获得的加速度源于静电力。这种力取决于等离子体和基底之间的电势差、所谓的等离子体边界层。等离子体边界层的电势又取决于等离子体的特性，例如其组成、压力和离子化。因此，纯的氩等离子体的等离子体边界层(如其被用于在本来的涂覆之前的基底的清洁)具有与下述等离子体的等离子体边界层不同的电势，所述等离子体附加地包括本来的涂覆材料。为了控制到达基底上的离子的动能并且因此也控制离子对基底的作用，在基底上的电势US被用作工艺参数。现在，调节器负责始终调整电势UH，以最小化离子到邻近面上的撞击。由此尤其能够确保等离子体的特性和/或US的改变不会意外地导致基底表面的区域离子供应不足。
在本发明的另一特别有利的构型中，根据本发明的基底保持架接入到第一电压源和基底之间的电连接中和/或第二电压源和邻近面之间的电连接中。例如第一电压源能够通过基底保持架的第一触点与基底连接，和/或第二电压源能够通过基底保持架的第二触点与基底保持架的电极区域连接。
如果在基底保持架上的区域或者具有电介质涂层或者其他绝缘遮盖层的其他邻近面上的区域以能充电的方式构造，则对于这种电介质的涂层或者绝缘的遮盖层的厚度存在着最小值。所述最小值由与材料相关的击穿强度产生。该厚度应如此选择：使得击穿强度在每个时间点大于在涂层或者遮盖层中的场强，所述场强基于表面电荷产生。最大的厚度由基底保持架的干扰轮廓限界，例如邻近的基底保持架和/或设备部件或等离子体自身。
即，根据应用，能够使用具有若干微米的厚度的薄涂层，但是也能够使用例如具有在多个厘米以内的厚度的、由陶瓷材料或者聚合物材料制成的绝缘层，用于实现充电区域。
根据之前所述，本发明也涉及一种用于运行涂覆设备的方法，在所述涂覆设备中，通过在基底上施加电势US使来自离子容器的气体离子和/或涂覆材料的离子加速到基底上。
根据本发明，被不同于电势US的电势UH加载至少一个邻近面，未到达基底的离子朝所述邻近面运动。在这里，尤其有利地选择排斥地作用到离子上的电势UH。这引起离子中的至少一些远离邻近面。电势UH尤其能够是浮动电势或者地电势。
特别有利地，选择电势US和UH的组合，所述组合使朝邻近面的方向飞行的离子朝基底转向。以此方式尤其能够完全地加工具有侧凹部的复杂构件的表面(从所述侧凹部出发，不存在朝离子源的方向的直接视线)，而构件不必在真空接受器中转动或者否则例如运动。能够节省在真空接受器中的机械式或者电式实施方案的相应花费。这不但适用于本来的涂覆而且适用于在这种涂覆之前的清洁。然而，如果存在用于基底在涂覆设备中的运动的器件，则这种运动能够与根据本发明的措施有利地共同作用。
由离子源的电势与电势US和UH相互配合地形成的电势图使离子根据其初始位置和其初始冲量按静电学的规律以确定的方式在确定的位置朝基底的表面转向。因为离子源(例如等离子体)在空间上伸展并且离子的初始冲量也具有一定宽度的分布，离子在基底的表面上的撞击位置也分布在具有确定的空间伸展的区域上。然而，特别是在大型的构件作为基底的情况下和/或在侧凹部的几何结构特别复杂的情况下，表面的一些部分仍然离子供应不足。为了特别在到离子源的直接视线的外部的区域中使在基底的表面上的离子总剂量均匀化，在本发明的另一特别有利的构型中使电势UH变化，以改变被转向的离子撞击在基底上的位置。
根据之前所述，所述方法展示与根据本发明的涂覆设备和/或与包括根据本发明的基底保持架的涂覆设备相互关联的特别有利的效应。然而，为了实现改进的目的，涂覆设备反之不必是根据本发明的设备。即所述方法也涉及一种能够独立出售的产品，所述产品能够作为扩展(Add-On)添加给已存在的涂覆设备。例如用于第二电压源的调节器的功能也能够体现在该扩展中。
所述方法尤其能够体现在计算机程序中。因此，本发明也涉及一种具有可机读的指令的计算机程序产品，当在计算机上和/或在控制仪(该控制仪具有连接在其上的涂覆设备)上实施所述指令时，所述指令将涂覆设备升级为根据本发明的涂覆设备，和/或所述指令使计算机、控制仪和/或涂覆设备实施根据本发明的方法。
本发明能够特别有利地用于分离DLC磨损保护层并且因此间接地改进喷射技术的、使用这类DLC层的所有部件。此外，本发明还能够用在所有基于低压的等离子体涂覆中，在所述等离子体涂覆中，使产生等离子体为一方面和通过偏差电压加速离子为另一方面相互脱耦。这不但在流水线式设备中适用而且在批量制造中适用。这类应用的实施例是磁控管喷涂、ECR源、低压弧或者其他离子源。
附图说明
接下来，参照附图与对本发明的优选实施例的说明一起详细地示出改进本发明的其他措施。
其示出了：
图1根据本发明的涂覆设备100的实施例；
图2根据本发明的基底保持架1的实施例；
图3现有技术中的干扰效应，本发明抵抗所述干扰效应。
具体实施方式
图1以俯视图示出涂覆设备100的实施例。涂覆设备100包括真空接受器110，在所述真空接受器的中心布置有带有等离子体边界层104a的等离子体作为离子源104。待涂覆的基底2a-2f通过环形导体111电式地相互连接并且被第一电压源106以电势US加载。该电势US对来自离子源104的离子101、102起吸引作用。
为了清洁基底2a-2f，调节离子源104，使得其仅仅发射氩离子101。氩离子101剥落基底2a-2f的污物。接着，调节离子源104，使得其也发射本来的涂覆材料103的离子102。涂覆材料103沉积在基底2a-2f上。基底2a-2f借助基底保持架1保持在真空接受器110中。基底保持架1在图1中所选择的角度中被基底2a-2f覆盖并且因此未被画入。
真空接受器110的内壁构成邻近面105，未打中基底2a-2f的离子101、102朝所述邻近面运动。该邻近面105设有绝缘的遮盖层113，所述遮盖层的厚度在图1中强烈地夸大地画入。此外，邻近面105通过第二电压源107被加载电势UH。所述电势UH被调节器108连续地跟踪，使得一方面从离子101、102的角度来看，电势US总是低于电势UH并且另一方面从离子102、102的角度来看，电势UH总是排斥的。
绝缘的遮盖层113和电势UH共同具有下述作用：未到达基底2a-2f的离子101、102至少局部地朝基底2a-2f的方向转向。经转向的离子101、102在没有转向的情况下可能会产生的飞行轨迹用虚线画入。
在基底2a-2f的清洁期间，转向一方面具有下述作用：邻近面105的较少的材料被剥落并且沉积在基底2a-2f上。另一方面，分别到达基底2a-2f的整个表面并且不仅仅到达处于朝向离子源104的直接视线中的部分区域。
在本来涂覆期间，转向与之相应地具有下述作用：涂覆材料103分别沉积在基底2a-2f的整个表面上并且没有子区域保持未涂覆。在磨损保护层的情况下这类的缺陷位置例如会引起在那里出现提高的磨损并且构件提早地发生故障。
图2示出根据本发明的基底保持架1的实施例。基底保持架1具有第一触点3，通过该第一触点能够以电势US加载基底2。附加地，所述基底保持架的导电的表面11具有充电区域12，所述充电区域设有绝缘的遮盖层13。此外，基底保持架1的整个表面11能够通过第二触点4以电势UH加载并且就此而言同时用作电极区域14。为了阐明作用，在图2中画入具有等离子体边界层104a的离子源以及离子101、102的包括其朝基底2的方向转向在内的飞行轨迹。基底2通过在基底保持架1上的绝缘的中间件15相对于基底保持架1绝缘，由此使电势US不相对于电势UH短路。
图3说明在现有技术中的干扰效应，本发明抵抗所述干扰效应。
图3a示出迄今为止的在清洁基底2时的情形。将气体离子101从离子源1朝向位于电势US上的基底2的方向加速。因为基底2与基底保持架1导电地连接，基底保持架1也位于电势US上并且与基底2同样强地吸引气体离子101。结果，外来原子16会由于气体离子101而从基底保持架1中脱离，所述外来原子作为污物21沉积在基底2上。此外，基底2的背离离子源104的侧未被气体离子101席卷。即，在那里一开始就存在的污物22不由于基底2的清洁而被清除并且会干扰涂覆材料103的施加。
图3b示出迄今为止的在基底2上由涂覆材料103制造涂层时的情形。涂覆材料103的离子102仅仅能够到达基底2的表面的大致一半。为了完整地涂覆基底2，例如必须使其转动。

Claims (11)

1.一种用于将基底(2)装入到涂覆设备(100)中的基底保持架(1)，所述基底保持架(1)的表面(11)面向所述涂覆设备(100)的离子源(104)，所述基底保持架包括用于将电势US供给至所述基底(2)的第一触点(3)，其特征在于，所述基底保持架(1)的表面(11)上的充电区域(12)构造为能够通过由所述涂覆设备(100)的离子源(104)到达的离子(101、102)充电(13)，和/或设置第二触点(4)，通过所述第二触点能够被不同于电势US的、能自由选择的电势UH加载所述基底保持架(1)的表面(11)上的电极区域(14)。
2.一种具有至少一个离子源(104)和第一电压源(106)的涂覆设备(100)，所述第一电压源能够与待涂覆的基底(2)连接，从而能够通过由所述第一电压源(106)施加在所述基底(2)上的电势US使来自所述离子源(104)的气体离子(101)和/或涂覆材料(103)的离子(102)朝所述基底(2)的方向加速，其特征在于，至少一个邻近面(11、105)构造为能够通过到达的离子(101、102)充电(13、113)，未到达所述基底(2)的离子(101、102)朝所述邻近面运动，和/或，设置至少一个第二电压源(107)，所述第二电压源能够与所述邻近面(11、105)连接，使得所述邻近面(11、105)能够被不同于电势US的、能自由选择的电势UH加载。
3.根据权利要求2所述的涂覆设备(100)，其特征在于，设置有用于所述第二电压源(107)的调节器(108)，所述调节器构造用于使所述电势UH如下地跟踪所述电势US的改变：从所述离子(101、102)的角度来看，电势US在能量上低于所述电势UH。
4.根据权利要求2至3中任一项所述的涂覆设备(100)，其特征在于，设置有用于所述第二电压源(107)的调节器(108)，所述调节器构造用于使所述电势UH如下地跟踪离子容器(104)的特性的改变和/或所述电势US的改变：从所述离子(101、102)的角度来看，电势UH是排斥的。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的涂覆设备(100)，其特征在于，根据权利要求1所述的基底保持架(1)接入到所述第一电压源(106)与所述基底(2)之间的电连接中和/或所述第二电压源(107)与所述邻近面(11)之间的电连接中。
6.一种用于运行涂覆设备(100)的方法，在所述涂覆设备中，通过在基底(2)上施加电势US使来自离子容器(104)的气体离子(101)和/或涂覆材料(103)的离子(102)朝所述基底(2)的方向加速，其特征在于，以不同于电势US的电势UH加载至少一个邻近面(11、105)，未到达所述基底(2)的离子(101、102)朝所述邻近面运动。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，选择对所述离子(101、102)起排斥作用的电势UH。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，选择电势US和UH的组合，所述组合使朝所述邻近面(11、105)的方向飞行的离子(101、102)朝所述基底(2)转向。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，使所述电势UH变化，以便改变被转向的离子(101、102)撞击在所述基底(2)上的位置(21)。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的方法，其特征在于，选择根据权利要求2至5中任一项所述的涂覆设备(100)和/或选择具有根据权利要求1所述的基底保持架(1)的涂覆设备(100)。
11.一种计算机程序产品，其包括可机读的指令，当在计算机上和/或在具有连接在其上的涂覆设备(100)的控制仪上实施所述指令时，所述指令将所述涂覆设备(100)升级为根据权利要求2至5中任一项所述的涂覆设备(100)，和/或所述指令使所述计算机、所述控制仪和/或所述涂覆设备(100)实施根据权利要求6至10中任一项所述的方法。
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