DE10123583B4

DE10123583B4 - Apparatus and method for coating and / or surface treatment of substrates by means of low pressure plasma and use of the device

Info

Publication number: DE10123583B4
Application number: DE2001123583
Authority: DE
Inventors: Thomas Jung
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2001-05-15
Filing date: 2001-05-15
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2021-05-16
Also published as: WO2002092871A3; DE10123583A1; WO2002092871A2; AU2002312757A1; EP1388161A2

Abstract

Vorrichtung zur Beschichtung und/oder Oberflächenbehandlung von Substraten mittels Niederdruck-Plasma, in der im Inneren mindestens ein Substrat angeordnet ist, mit mindestens einer Kathode und mindestens einer Anode zur Erzeugung einer Glimmentladung sowie mindestens einer Gaszuleitung, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Substrat und Kathode und zu diesen beabstandet mindestens eine mit Durchbrechungen versehene Hilfselektrode unter Ausbildung eines von einem Innenraum getrennten Außenraumes zwischen Hilfselektrode und Kathode, die über die gesamte Fläche einen gleichmäßigen Abstand aufweisen, angeordnet ist.contraption for coating and / or surface treatment of substrates by means of low-pressure plasma, in the interior at least a substrate is arranged, with at least one cathode and at least an anode for generating a glow discharge and at least a gas supply line, characterized in that between the substrate and cathode and spaced therefrom at least one perforated Auxiliary electrode to form a separate from an interior outer space between auxiliary electrode and cathode, which is evenly spaced over the entire surface have, is arranged.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Beschichtung und/oder Oberflächenbehandlung mittels Niederdruck-Plasma.The The invention relates to an apparatus and a method for coating and / or surface treatment by means of low-pressure plasma.

Durch Aktivierung gasförmiger Ausgangsstoffe (Precursoren) in einer Niederdruck-Glimmentladung können dünne Schichten mit technisch wertvollen Eigenschaften hergestellt werden. Als Precursoren werden meist Kohlenwasserstoffe mit geringem Molekulargewicht verwendet sowie auch siliziumorganische Verbindungen wie Silan oder metallorganische Verbindungen. Dementsprechend enthalten die hergestellten Schichten Kohlenstoff, Wasserstoff, Silizium bzw. bestimmte Metalle sowie auch Stickstoff oder Sauerstoff. Bei geringem Vernetzungsgrad der Moleküle in der Schicht spricht man von Plasmapolymerschichten, hochvernetzte kohlen stoffreiche Schichten werden DLC genannt (diamondlike carbon, Synonym a-C:H).By Activation of gaseous Precursors in a low pressure glow discharge can thin layers produced with technically valuable properties. As precursors mostly low molecular weight hydrocarbons are used as well as organosilicon compounds such as silane or organometallic Links. Accordingly, the produced layers contain Carbon, hydrogen, silicon or certain metals as well also nitrogen or oxygen. At low degree of crosslinking the molecules in the layer one speaks of plasma polymer layers, highly cross-linked Carbon-rich layers are called DLC (diamondlike carbon, Synonym a-C: H).

Zur chemischen Aktivierung der Precursoren werden verschiedene Formen von Niederdruck-Glimmentladungen verwendet. So ist aus M. Grischke et al., Surface and Coatings Technology 74-75 (1995) Seite 739 eine Hochfrequenzentladung zwischen im Vakuumraum parallel angeordneten Elektroden (Parallelplattenreaktor) oder innerhalb einer Spule, in deren inneren sich ein elektrisch nichtleitendes Vakuumgefäß befindet, bekannt. Aus D. Roth et al., Surface and Coatings Technology 68-69 (1994) Seite 783 sind mikrowellenangeregte Entladungen, ohne oder mit Magnetfeld (ECR-Entladung) sowie aus B. Grischke et al., Materials and Manufacturing Processes 8 (1993) Seite 407 sind Magnetron-Entladungen mit Gleichspannung oder mittelfrequenter Puls- oder Wechselspannung bekannt.to Chemical activation of the precursors takes different forms used by low pressure glow discharges. This is from M. Grischke et al., Surface and Coatings Technology 74-75 (1995) page 739 High-frequency discharge between electrodes arranged in parallel in the vacuum space (Parallel plate reactor) or within a coil, in the inner an electrically non-conductive vacuum vessel is known. From D. Roth et al., Surface and Coatings Technology 68-69 (1994) page 783 microwave excited discharges, with or without magnetic field (ECR discharge) as well from B. Grischke et al., Materials and Manufacturing Processes 8 (1993) page 407 are DC or DC magnetron discharges medium-frequency pulse or AC voltage known.

Nachteilig bei allen diesen Verfahren ist, daß die erreichbare Schichtabscheidegeschwindigkeit (Rate) für viele Anwendungen zu gering ist. Bei der Abscheidung der sehr dichten und harten DLC-Schichten beträgt sie meist nicht mehr als 2 bis 5 μm/h. Aufgrund der hohen Kosten von Vakuumbeschichtungsanlagen sind die Beschichtungskosten hoch und damit die wirtschaftlichen Verwendungsmöglichkeiten dieser Schichten stark eingeschränkt.adversely in all of these methods, the achievable layer deposition rate (rate) for many Applications is too low. At the deposition of the very dense and hard DLC layers usually not more than 2 to 5 μm / h. Due to the high cost of vacuum coating systems are the Coating costs high and thus the economic uses of these layers severely restricted.

Hauptgründe für die geringe Rate sind die geringe Plasmadichte und der niedrige Arbeitsdruck der Verfahren (der Druck liegt meist bei einigen 10^–5 bar). In der DE 198 34 733 C1 wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Plasmabehandlung beschrieben, die/das bei einem deutlich höherem Druck arbeitet (0,1–1 mbar). Die Vorrichtung besteht aus einem Gefäß, das in seinem Inneren vollständig als Kathode einer Glimmentladung, insbesondere einer Hohlkathoden-Glimmentladung, wirkt und in das die zu behandelnden Gegenstände eingebracht werden. Mit dieser Vorrichtung kann eine Plasmabehandlung oder eine Plasmabeschichtung (CVD-Prozeß) mit höherer Rate als bei den anderen Verfahren durchgeführt werden, da die Hohlkathoden-Glimmentladung sich bei höherem Druck stabil und gleichmäßig räumlich verteilt betreiben läßt als eine gewöhnliche Glimmentladung.The main reasons for the low rate are the low plasma density and the low working pressure of the process (the pressure is usually a few 10 ^-5 bar). In the DE 198 34 733 C1 a device and a method for plasma treatment is described which operates at a significantly higher pressure (0.1-1 mbar). The device consists of a vessel which acts in its entirety completely as the cathode of a glow discharge, in particular a hollow cathode glow discharge, into which the objects to be treated are introduced. With this apparatus, a plasma treatment or a plasma coating (CVD process) can be carried out at a higher rate than in the other methods, since the hollow cathode glow discharge can be stably and uniformly distributed at a higher pressure than an ordinary glow discharge.

Diese Vorrichtung hat jedoch zwei entscheidende Nachteile. Erstens geht der Vorteil der hohen Plasmadichte schnell verloren, wenn die innere Größe der Hohlkathode den Bereich einiger Zentimeter übersteigt, da der Hohlkathodeneffekt an eine bestimmte Größe des Produktes aus Hohlkathodengröße und Gasdruck gebunden ist. Bei einer Vergrößerung der Hohlkathode kann zwar zur Erhaltung des Hohlkathodeneffektes der Druck vermindert werden, jedoch führt diese Druckverminderung ebenfalls zu einer Verringerung der Plasmadichte. Man kann mit dieser Vorrichtung also nur sehr kleine Bauteile mit hoher Rate beschichten.These However, the device has two major disadvantages. First, it works the advantage of high plasma density is lost quickly when the inner Size of the hollow cathode exceeds the range of a few centimeters, since the hollow cathode effect to a certain size of the product of hollow cathode size and gas pressure is bound. At an enlargement of the Although hollow cathode can be used to maintain the hollow cathode effect of Pressure be reduced, however, this pressure reduction leads also to a reduction of the plasma density. You can with this Device so only very small components at a high rate coat.

Zweitens wird bei Verwendung der Vorrichtung als Plasmaquelle für CVD-Prozesse neben der gewünschten Beschichtung der Bauteile auch die Kathode beschichtet, was nach einiger Zeit zu Veränderungen der Entladung und damit zur Veränderung des Beschichtungsprozesses und der Schichteigenschaften führt. In der Regel wird sich außerdem die auf der Kathodenoberfläche abgeschiedene Schicht, wenn sie eine bestimmte Dicke erreicht hat, in kleinen Teilen ablösen (Flitter), die sich teilweise auf der Substratoberfläche niederschlagen und damit die Schichteigenschaften beeinträchtigen können.Secondly becomes when using the device as a plasma source for CVD processes next to the desired Coating of the components also coated the cathode, which after some time to change the discharge and thus the change of the Coating process and the layer properties leads. In The rule will be moreover that on the cathode surface deposited layer when it reaches a certain thickness, detach in small parts (Baubles), which partially precipitate on the substrate surface and thus may affect the layer properties.

Weiterhin ist aus der DE 196 25 977 A1 eine Vorrichtung zur Beschichtung und/oder Oberflächenbehandlung von Substraten im Niederdruckplasma bekannt.Furthermore, from the DE 196 25 977 A1 a device for coating and / or surface treatment of substrates in low-pressure plasma known.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Beschichtung von Substraten mittels Niederdruckplasma mit einer hohen Schichtabscheiderate bereitzustellen.task The present invention is therefore the disadvantages described to eliminate the prior art and an apparatus and a method for coating substrates by means of low-pressure plasma with a To provide high Schichtabscheiderate.

Diese Aufgabe wird durch die gattungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das gattungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 20 gelöst. Die weiteren Unteransprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. Die Ansprüche 28 bis 30 beschreiben die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.These Task is by the generic device with the characterizing Features of claim 1 and the generic method with the characterizing Characteristics of claim 20 solved. The further subclaims show advantageous developments. The claims 28 to 30 describe the Use of the device according to the invention.

Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung zur Beschichtung und/oder Oberflächenbehandlung von Substraten mindestens eine Kathode und mindestens eine Anode zur Erzeugung einer Glimmentladung sowie einen Innenraum, in dem mindestens ein Substrat angeordnet ist, auf. Zusätzlich ist zwischen Substrat und Kathode und zu diesen beabstandet mindestens eine mit Durchbrechungen versehene Hilfselektrode angeordnet. Durch diese Hilfselektrode wird ein Außenraum zwischen der Hilfselektrode und der Kathode ausgebildet. Die Ausgestaltung der Hilfselektrode kann sowohl in Form eines gewebten Drahtnetzes, als Lochplatte mit runden oder eckigen Löchern oder als Anordnung von Stäben mit rundem oder eckigem Querschnitt in ebener oder gekrümmter Form vorliegen. Ebenso sind aber auch alle weiteren bekannten Formen von Durchbrechungen möglich.According to the invention the device for coating and / or surface treatment of substrates at least one cathode and at least one anode for generating a glow discharge and an interior in which at least one substrate is arranged on. additionally is between substrate and cathode and spaced therefrom at least an apertured provided with auxiliary electrode arranged. By this auxiliary electrode becomes an outer space between the auxiliary electrode and the cathode formed. The design of the auxiliary electrode can both in the form of a woven wire mesh, as a perforated plate with round or angular holes or as an arrangement of bars with a round or angular cross-section in a plane or curved shape available. Likewise, however, all other known forms of breakthroughs possible.

Bevorzugt weist der Innenraum mindestens eine Zuleitung für ein Reaktivgas und/oder ein Inertgas auf. Bei Zuleitung lediglich eines Inertgases kann so eine Oberflächenbehandlung des Substrates im Innenraum erfolgen. Wird dagegen ein Reaktivgas in den Innenraum eingeleitet, kann eine Beschichtung des im Innenraum befindlichen Substrates erfolgen.Prefers the interior has at least one supply line for a reactive gas and / or a Inert gas on. When supplying only an inert gas can so a surface treatment of the substrate in the interior. On the other hand, it becomes a reactive gas introduced into the interior, can be a coating of the interior located substrate.

In einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Innenraum mindestens eine Anode auf. Ebenso ist es auch möglich, daß die Anode außerhalb des Innenraumes angeordnet ist und über die Gasatmosphäre mit dem Innenraum in Kontakt steht.In an advantageous development, the interior at least an anode on. Likewise, it is also possible that the anode is outside the interior is arranged and via the gas atmosphere with the Interior is in contact.

Die Vorrichtung kann im Innenraum mindestens eine elektrische isolierte Halterung für mindestens ein Substrat aufweisen.The Device can be at least one electrical isolated in the interior a Mount for have at least one substrate.

Bevorzugt ist die Hilfselektrode über die gesamte Fläche mit einem gleichmäßigen Abstand zur Kathode angeordnet. Dieser beträgt bevorzugt zwischen 1 und 5 cm. Ebenso ist es auch möglich, daß im Außenraum mindestens eine weitere Hilfselektrode angeordnet ist, wodurch weitere Außenräume ausgebildet werden können.Prefers is the auxiliary electrode over the entire area with an even distance arranged to the cathode. This is preferably between 1 and 5 cm. Likewise, it is also possible that in the outer space at least one further auxiliary electrode is arranged, whereby further Outdoor spaces formed can be.

In einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Außenraum mindestens eine Zuleitung für ein Inert- und/oder Reaktivgas auf. Ebenso kann der Außenraum auch mindestens eine Anode aufweisen.In According to an advantageous development, the exterior space has at least one supply line for a Inert and / or Reactive gas on. Likewise, the outdoor space can also at least one Anode have.

Die Ausgestaltung der Kathode kann in Form einer ebenen oder gekrümmten Platte, die auch strukturiert sein kann, ebenso aber auch als parallele Stäbe und/oder als Netz erfolgen. Weiter ist es bevorzugt, wenn die Kathode auf der der Hilfselektrode zugewand ten Seite mit einer dielektrischen Schicht versehen ist.The Embodiment of the cathode can be in the form of a flat or curved plate, which can also be structured, but also as parallel bars and / or take place as a network. Further, it is preferable if the cathode is on the auxiliary electrode side facing th with a dielectric Layer is provided.

Die Kathode weist bevorzugt eine Kühlvorrichtung, z.B. in Form einer Wasserkühlung, auf. Die soll dazu dienen, daß eine zu starke Aufheizung der Vorrichtung aufgrund der hohen Plasmatemperaturen vermieden werden kann. Zusätzlich kann für diesen Zweck die Vorrichtung auch noch durch ein Gehäuse umgeben sein, das die Kathode an der dem Außenraum abgewandten Seite umgibt. Dieses Gehäuse kann z.B. aus Abschirmblechen aufgebaut sein. In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung weist diese eine Kathode auf, die als geschlossenes Gebilde in Form eines Quaders oder eines Zylinders ausgebildet ist. Diese Kathode kann mindestens eine verschließbare Öffnung aufweisen, durch die mindestens ein Substrat eingebracht und entnommen werden kann. Ebenso kann die Kathode jeweils mindestens eine verschließbare Öffnung für die Gaszuleitung und die Gasabsaugung aufweisen. Eine weitere verschließbare Öffnung der Kathode kann für die Einbringung und Entnahme mindestens einer Energiequelle verwendet werden.The Cathode preferably has a cooling device, e.g. in the form of a water cooling, on. The should serve that one Too strong heating of the device due to the high plasma temperatures can be avoided. additionally can for For this purpose, the device also surrounded by a housing be that surrounds the cathode on the side facing away from the outside space. This case can e.g. be constructed of shielding. In another advantageous development of the device, this has a cathode on, as a closed structure in the form of a cuboid or a Cylinder is formed. This cathode may have at least one closable opening, through the at least one substrate can be introduced and removed. Likewise, the cathode can in each case at least one closable opening for the gas supply line and have the gas extraction. Another closable opening of the Cathode can for the introduction and removal of at least one energy source used become.

Alternativ kann die Vorrichtung auch als offenes System konstruiert sein, wobei zwei parallel angeordnete großflächige Kathoden verwendet werden und der Innenraum von den anderen Raumrichtungen frei zugänglich ist. Ebenso kann die Kathode auch als Mantelfläche eines Zylinders mit offenen Stirnflächen ausgebildet sein.alternative The device may also be constructed as an open system, wherein two parallel arranged large-area cathodes be used and the interior of the other spatial directions freely accessible is. Likewise, the cathode can also be formed as a lateral surface of a cylinder with open end faces be.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung und/oder Beschichtung von Substraten mittels Plasmaerzeugung in einer einzigen Vorrichtung bereitgestellt. Die Herstellung hochwertiger Schichten wie beispielsweise DLC erfordert einen intensiven Ionenbeschuß während der Schichtabscheidung. Der entscheidende Parameter für Hochrateprozesse ist dabei in der Regel nicht die Energie der auftreffenden Ionen, sondern ihre Häufigkeit (Stromdichte). Bei Substratoberflächen, die sich in einem Glimmentladungsplasma befinden, kann die Ionenstromdichte dadurch erhöht werden, daß die elektrische Substrat-Vorspannung (Bias) erhöht wird. Dies hat aber gleichzeitig zur Folge, daß auch ein Anstieg der Ionenenergie zu verzeichnen ist. Dies führt wiederum zu unerwünschten Effekten wie Erwärmung oder Schichtdefekten.According to the invention is a Surface treatment method and / or coating substrates by plasma generation in a single device provided. The production of high quality Layers such as DLC require intense ion bombardment during the Layer deposition. The crucial parameter for high-rate processes is usually not the energy of the impinging ions, but their frequency (Current density). For substrate surfaces that are in a glow discharge plasma can be increased, the ionic current density can be increased by the electrical Substrate bias increases becomes. At the same time, however, this also results in an increase in ion energy to be recorded. This in turn leads too unwanted Effects such as warming or layer defects.

Erfindungsgemäß wird daher die Vorrichtung durch eine zwischen Substrat und Kathode angeordnete und zu beiden beabstandeten, mit Durchbrechungen versehene Hilfselektroden in einen Innenraum und einen Außenraum aufgeteilt, in dem jeweils mittels Glimmentladung ein Plasma erzeugt wird, wobei die beiden Plasmen miteinander über die Hilfselektrode in Wechselwirkung stehen. Anhand der Druckverhältnisse und der angelegten elektrischen Potentiale werden die beiden Plasmen derart gekoppelt, daß das innere Plasma vom äußeren Plasma mit zusätzlichen Ladungsträgern versorgt wird, wodurch die Plasmadichte des inneren Plasmas erhöht wird. Dies führt dazu, daß eine höhere Schichtabscheiderate im Innenraum realisiert werden kann. Dies hat den Vorteil, daß bei größeren Bauteilen der Innenraum räumlich vergrößert werden kann, indem der Abstand zwischen Hilfselektrode und Kathode verringert wird, ohne daß sich aufgrund der dadurch bedingten Abschwächung des Hohlkathodeneffektes die Plasmadichte verringert. Für die Plasmaentladung zwischen der Hilfselektrode und der Kathode kann der Hohlkathodeneffekt unabhängig vom Druck und anderen Parametern optimal eingestellt werden, da der Abstand zwischen Netz und Kathodenkasten frei wählbar ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt es somit, unabhängig von der Substratvorspannung eine große Zahl zusätzlicher Ionen aus dem äußeren Plasma durch das Netz hindurch zur inneren Plasmaentladung und damit zum Substrat zu leiten. Da der Hohlkathodeneffekt zwischen Kathode und Hilfselektrode auch dann auftritt wenn beide Elektroden nicht genau das gleiche Potential besitzen, kann die Art und Intensität der Beeinflussung der Plasmaentladung im Innenraum durch die Plasmaentladung im Außenraum zusätzlich gesteuert werden.According to the invention, therefore, the device is divided by an arranged between the substrate and cathode and spaced apart, provided with perforations auxiliary electrodes in an interior and an outer space, in each of which by means of glow discharge a plasma is generated, wherein the two plasmas interact with each other via the auxiliary electrode , Based on the pressure conditions and the applied electrical potentials, the two plasmas are coupled in such a way that the inner plasma is supplied with additional charge carriers by the outer plasma, whereby the plasma density of the inner plasma is increased. This causes a higher Schichtab Separation rate can be realized in the interior. This has the advantage that in larger components, the interior space can be increased by the distance between the auxiliary electrode and the cathode is reduced without reducing the plasma density due to the consequent attenuation of the hollow cathode effect. For the plasma discharge between the auxiliary electrode and the cathode of the hollow cathode effect can be optimally adjusted regardless of the pressure and other parameters, since the distance between the grid and the cathode box is arbitrary. The device according to the invention thus makes it possible, regardless of the substrate bias, to conduct a large number of additional ions from the outer plasma through the network to the inner plasma discharge and thus to the substrate. Since the hollow cathode effect between cathode and auxiliary electrode also occurs when both electrodes do not have exactly the same potential, the type and intensity of the influence of the plasma discharge in the interior can be additionally controlled by the plasma discharge in the outer space.

Bevorzugt wird das Verfahren bei einem Arbeitsdruck in der Vorrichtung zwischen 0,01 und 10 mbar, bevorzugt zwischen 0,1 und 1 mbar durchgeführt.Prefers the process is interposed at a working pressure in the device 0.01 and 10 mbar, preferably carried out between 0.1 and 1 mbar.

Die Glimmentladungen erfolgen bevorzugt über Anoden, wobei an der Kathode und der Hilfselektrode eine Gleichspannung, eine gepulste Gleichspannung, eine Wechselspannung, eine Hochfrequenzspannung oder Mikrowelle zwischen 100 und 1000 V gegenüber den Anoden angelegt wird.The Glow discharges are preferably carried out via anodes, wherein at the cathode and the auxiliary electrode is a DC voltage, a pulsed DC voltage, an AC voltage, a high frequency voltage or a microwave between 100 and 1000 V opposite the anodes is applied.

Bevorzugt ist es möglich, an das Substrat eine negative Vorspannung in Form einer Gleichspannung, gepulsten Gleichspannung, Wechselspannung, Hochfrequenzspannung oder Mikrowelle im Bereich zwischen –400 V und –5 V anzulegen.Prefers Is it possible, to the substrate a negative bias in the form of a DC voltage, pulsed DC voltage, AC voltage, high frequency voltage or microwave in the range between -400 V and -5 V.

Bevorzugt werden die Plasmen durch Mikrowelleneinspeisung, Teslaspulen oder andere Magnetfelder zusätzlich unterstützt.Prefers are the plasmas by microwave feed, Tesla coils or other magnetic fields in addition supported.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird an die Kathode und an die Hilfselektrode ein gleiches elektrisches Potential angelegt. Es ist aber genauso möglich, daß an beiden Elektroden ein unterschiedliches elektrisches Potential anliegt.In a preferred embodiment of the process becomes the same at the cathode and at the auxiliary electrode electrical potential applied. But it is equally possible that both Electrodes a different electrical potential is applied.

In einer alternativen Ausführungsform erfolgt eine Oberflächenbehandlung von Substraten, indem im Innenraum wie im Außenraum ein Inertgas eingeleitet wird. Als Inertgas wird hierbei bevorzugt ein Edelgas verwendet. Als Oberflächenbehandlung kommen hierbei z.B. eine Reinigung oder Aktivierung des Substrates in Frage. Wird das Verfahren in der anderen Alternative zur Beschichtung von Substraten durchgeführt, wird in den Innenraum ein Reaktivgas eingeleitet, das bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe der Kohlenwasserstoffe, z.B. Methan, Ethin, der Silane z.B. Tetramethylsilan, Hexamethyldisilan, der metallorganischen Verbindungen, Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff. Im Außenraum kann dabei sowohl ein Inertgas als auch ein Reaktivgas eingeleitet werden. Die störende Beschichtung der Innenseiten der Kathode kann wirksam vermindert oder ganz unterdrückt werden, da die Hilfselektrode zur Gastrennung verwendet wird. Die progressive Beschichtung der Hilfselektrode kann vermindert oder beseitigt werden, indem die Gasströmung und die Entladungsbedingungen so eingestellt werden, daß das durch die mit Durchbrechungen versehene Hilfselektrode strömende nicht schichtbildende Inertgas das schichtbildende Reaktivgas aus der Umgebung der Hilfselektrode verdrängt, ferner dadurch, daß die erhöhte Temperatur der Hilfselektrode die Kondensation schichtbildender Teilchen verhindert, oder daß durch Ionenbeschuß der Hilfselektrode kondensierte Teilchen nach kurzer Zeit wieder desorbieren oder abgestaubt werden.In an alternative embodiment a surface treatment takes place of substrates by introducing an inert gas inside and outside becomes. In this case, a noble gas is preferably used as the inert gas. Come as a surface treatment here e.g. a cleaning or activation of the substrate in question. If the method in the other alternative to the coating of Substrates performed, a reactive gas is introduced into the interior, which is preferred selected is selected from the group of hydrocarbons, e.g. Methane, ethyne, the Silanes e.g. Tetramethylsilane, hexamethyldisilane, organometallic Compounds, hydrogen, nitrogen and oxygen. Outside can be initiated both an inert gas and a reactive gas become. The disturbing Coating the inside of the cathode can be effectively reduced or completely suppressed because the auxiliary electrode is used for gas separation. The progressive coating of the auxiliary electrode can be reduced or be eliminated by the gas flow and the discharge conditions be adjusted so that by the apertured auxiliary electrode does not flow layer-forming inert gas, the layer-forming reactive gas from the Surrounding the auxiliary electrode displaced, further characterized in that the elevated temperature the auxiliary electrode prevents the condensation of layer-forming particles or that through Ion bombardment of Auxiliary electrode desorb condensed particles after a short time again or dusted off.

Weiter ist es bevorzugt, daß vor der Zündung der Glimmentladung das Substrat in den Innenraum eingebracht wird und anschließend die Vorrichtung evakuiert wird.Further it is preferred that before the ignition of the Glow discharge, the substrate is placed in the interior and subsequently the device is evacuated.

Verwendung findet die erfindungsgemäße Vorrichtung vor allem für die Oberflächenbehandlung von Substraten, z.B. zur Reinigung, Aktivierung oder Konversion von Substraten. Ebenso kann die Vorrichtung zur Herstellung von Verschleißschutz-, Korrosionsschutzschichten, von optischen oder elektrischen Funktionsschichten, von Barriereschichten und/oder Antihaftschichten verwendet werden. Besonders bevorzugt ist hierbei die Beschichtung von Substraten mit Plasmapolymerschichten, amorphen oder kristallinen Kohlenstoffschichten, silizium- und/oder metallhaltigen Schichten.use finds the device according to the invention especially for the surface treatment of Substrates, e.g. for cleaning, activation or conversion of Substrates. Likewise, the device for the production of wear protection, Anticorrosion coatings, of optical or electrical functional layers, of barrier layers and / or non-stick layers. Particularly preferred here is the coating of substrates with plasma polymer layers, amorphous or crystalline carbon layers, silicon and / or metal-containing layers.

Anhand der folgenden Figuren und Beispiele sollen die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren näher beschrieben werden, ohne dieses auf diese Beispiele einzuschränken.Based The following figures and examples are to the device according to the invention and the method according to the invention described in more detail without limiting it to these examples.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung in der geschlossenen Form. 1 shows a device according to the invention in the closed mold.

Die Gegenelektrode (1) hat die Form eines weitestgehend geschlossenen metallischen Zylinders und wird von außen über eine Wasserkühlung (2) gekühlt. Der innere Durchmesser des Zylinders beträgt etwa 30 cm, seine Länge etwa 50 cm. Innerhalb dieses Zylinders befindet sich ein weiterer Zylinder, bestehend aus einem Metallnetz mit einer Maschenweite von etwa 5 mm, der Netzelektrode (3). Der Abstand zwischen beiden Zylindern beträgt an allen Stellen etwa 3 cm. Beide Zylinder sind miteinander elektrisch leitend verbunden. In der Wand des äußeren Zylinders befinden sich gleichmäßig verteilt mehrere Öffnungen für Inertgase (4, 5, 6, 7), durch die Argon eingelassen werden kann. Im durch die Netzelektrode (3) begrenzten inneren Zylinder befinden sich mehrere Einströmöffnungen für Reaktivgase (8, 9), eine Anode (10), ein elektrisch isolierter Substrathalter (11) und das Substrat (12) selbst. Der Deckel und der Boden beider Zylinder weisen an einer Stelle eine Ausströmöffnung mit einem Durchmesser von etwa 3 cm auf. Die Deckel beider Zylinder sind fest montiert, die Böden können als eine Einheit leicht entfernt werden, um das Bauteil ein- oder auszubringen.The counterelectrode ( 1 ) has the shape of a largely closed metallic cylinder and is externally via a water cooling ( 2 ) cooled. The inner diameter of the cylinder is about 30 cm, its length about 50 cm. Within this cylinder is another cylinder, consisting of a metal mesh with a mesh size of about 5 mm, the mesh electrode ( 3 ). The distance between both cylinders is on all places about 3 cm. Both cylinders are electrically connected to each other. In the wall of the outer cylinder are evenly distributed a plurality of openings for inert gases ( 4 . 5 . 6 . 7 ) through which argon can be admitted. Im through the mesh electrode ( 3 ) limited inner cylinder there are several inlet openings for reactive gases ( 8th . 9 ), an anode ( 10 ), an electrically isolated substrate holder ( 11 ) and the substrate ( 12 ) itself. The lid and the bottom of both cylinders have at one point an outflow opening with a diameter of about 3 cm. The covers of both cylinders are fixed, the trays can be easily removed as a unit to insert or remove the component.

2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung in der offenen Form. 2 shows a device according to the invention in the open mold.

Die Gegenelektrode (1, 1') hat in dieser Variante die Form zweier ebener, paralleler metallischer Platten von etwa 30 cm Breite und etwa 80 cm Länge. Der Abstand der Platten zueinander beträgt an allen Stellen etwa 12 cm. Zwischen beiden Platten sind zwei ebene metallische Netze als Netzelektroden (3, 3') mit einer Maschenweite von etwa 3 mm parallel zu den Platten angeordnet. Der Abstand zwischen beiden Netzen beträgt etwa 8 cm, die Abstände zwischen den Netzen und den Platten jeweils etwa 2 cm. Die Platten sind im Inneren mit Wasserkühlungen (2, 2') gekühlt. Die Zwischenräume zwischen Platten und Netzen sind nach außen mittels Abschirmblechen (13, 13') verschlossen, so daß kein Austausch von Gasen oder Ladungsträgern mit dem Außenraum stattfinden kann. Beide Platten (1, 1') und beide Netzelektroden (3, 3') sind untereinander elektrisch leitend verbunden, jedoch sind die Netzelektroden gegenüber den Platten elektrisch isoliert. Die Platten sind mit ihrer kürzeren Seite aufrecht angeordnet. Unterhalb des Zwischenraumes zwischen beiden Platten ist ein elektrisch isolierter Substrathalter (11) angeordnet, der eine Anzahl kleiner Substrate (12) in linearer Anordnung über eine Länge von 70 cm aufnehmen kann. Zur Sicherstellung einer sehr gleichmäßigen Rundumbeschichtung der Substrate ist für jedes Substrat eine Drehbewegung um eine zentrale senkrechte Achse vorgesehen. In den beiden Zwischenräumen zwischen Netzelektroden (3, 3') und Platten (1, 1') sind Gaslanzen (4, 4', 5, 5') angeordnet, in die Argon eingelassen werden kann. Im Zwischenraum zwischen beiden Netzen befinden sich vier Gaslanzen (8, 8', 9, 9') für die Einleitung von Reaktivgasen. Im Außenraum oberhalb des von den Netzen gebildeten Zwischenraumes befindet sich eine stabförmige Anode (10).The counterelectrode ( 1 . 1' ) has in this variant the form of two flat, parallel metallic plates of about 30 cm wide and about 80 cm in length. The distance between the plates is about 12 cm at all points. Between both plates are two planar metallic nets as grid electrodes ( 3 . 3 ' ) with a mesh size of about 3 mm parallel to the plates. The distance between the two nets is about 8 cm, the distances between the nets and the plates each about 2 cm. The plates are inside with water cooling ( 2 . 2 ' ) cooled. The spaces between plates and nets are outward by means of shielding plates ( 13 . 13 ' ), so that no exchange of gases or charge carriers with the outside space can take place. Both plates ( 1 . 1' ) and both network electrodes ( 3 . 3 ' ) are electrically conductively connected to each other, but the power electrodes are electrically insulated from the plates. The plates are upright with their shorter side. Below the space between the two plates is an electrically insulated substrate holder ( 11 ) having a number of small substrates ( 12 ) can be received in a linear arrangement over a length of 70 cm. To ensure a very uniform all-round coating of the substrates, a rotational movement about a central vertical axis is provided for each substrate. In the two spaces between network electrodes ( 3 . 3 ' ) and plates ( 1 . 1' ) are gas lances ( 4 . 4 ' . 5 . 5 ' ), in which argon can be admitted. In the space between the two networks are four gas lances ( 8th . 8th' . 9 . 9 ' ) for the introduction of reactive gases. In the outer space above the space formed by the nets is a rod-shaped anode ( 10 ).

Beispiel 1example 1

Beschichtung eines leitfähigen Substrates mit einer amorphen Kohlenstoffschicht mit folgenden Verfahrensschritten

1. Naßchemische Reinigung des Substrates.
2. Einbringung des Substrates in die in einer Vakuumkammer angeordnete Plasmaquelle.
3. Evakuierung der Vakuumkammer und der Plasmaquelle.
4. Einlassen von Argon in den Zwischenraum zwischen Netz und Gegenelektrode mit einem Druck von 0,5 mbar.
5. Anlegen einer Gleichspannung von 400 V an Netz und Gegenelektrode (Minuspol) und an eine Anode (Pluspol) sowie einer Vorspannung von –100 V an das Substrat. Es kommt zu Hohlkathodenentladungen im Netz-Innenraum und zwischen Netz und Gegenelektrode. Durch die Substratvorspannung werden Argon-Ionen aus dem Hohlkathodenplasma zum Substrat beschleunigt und führen bei ihrem Auftreffen zu einer Oberflächenreiniqung und Aktivierung. Beides gewährleistet später eine feste Schichtanbindung.
6. Einlassen von Tetramethylsilan (TMS) in den Netz-Innenraum mit einem Partialdruck von 0,1 mbar. Es kommt zu einer Beschichtung des Substrates mit einer siliziumhaltigen Kohlenstoffschicht als Haftschicht.
7. Gleitender Austausch des TMS gegen Ethin zur Abscheidung einer Übergangsschicht.
8. Alleinige Einspeisung von Ethin in den Netz-Innenraum mit einem Partialdruck von 0,3 mbar. Es kommt zu einer Beschichtung des Substrates mit einer amorphen Kohlenstoffschicht.
9. Abtrennen der elektrischen Potentiale und Sperren der Gaszufuhr.
10. Belüftung der Vakuumkammer und Entnahme des Substrates.

Coating of a conductive substrate with an amorphous carbon layer with the following process steps

1. Wet chemical cleaning of the substrate.
2. introduction of the substrate in the arranged in a vacuum chamber plasma source.
3. Evacuation of the vacuum chamber and the plasma source.
4. Intake of argon into the space between the net and counterelectrode with a pressure of 0.5 mbar.
5. Apply a DC voltage of 400 V to the mains and counterelectrode (negative pole) and to an anode (positive pole) and a bias voltage of -100 V to the substrate. It comes to hollow cathode discharges in the network interior and between the network and counter electrode. The substrate bias accelerates argon ions from the hollow cathode plasma to the substrate and results in surface cleanup and activation upon impact. Both later ensure a solid layer connection.
6. Introduction of tetramethylsilane (TMS) into the network interior with a partial pressure of 0.1 mbar. It comes to a coating of the substrate with a silicon-containing carbon layer as an adhesive layer.
7. Sliding exchange of the TMS for ethyne for deposition of a transition layer.
8. Sole supply of ethyne into the network interior with a partial pressure of 0.3 mbar. It comes to a coating of the substrate with an amorphous carbon layer.
9. Separating the electrical potentials and blocking the gas supply.
10. Ventilation of the vacuum chamber and removal of the substrate.

Beispiel 2Example 2

Beschichtung eines isolierenden Substrates mit einer Plasmapolymerschicht mit folgenden Verfahrensschrit ten

1. Naßchemische Reinigung des Substrates.
2. Einbringung des Substrates in die in einer Vakuumkammer angeordnete Plasmaquelle.
3. Evakuierung der Vakuumkammer und Plasmaquelle.
4. Einlassen von Argon in den Zwischenraum zwischen Netz und Gegenelektrode mit einem Druck von 0,3 mbar.
5. Anlegen einer Gleichspannung von 400 V an Netz und Gegenelektrode (Minuspol) und an eine Anode (Pluspol). Es kommt zu Hohlkathodenentladungen im Netz-Innenraum und zwischen Netz und Gegenelektrode. Aus dem Hohlkathodenplasma gelangen schnelle Elektronen und Ionen zum Substrat und bewirken bei ihrem Auftreffen eine Desorption von Adsorbaten sowie eine Aktivierung der Oberfläche. Beides gewährleistet später eine feste Schichtanbindung.
6. Einlassen von Tetramethylsilan (TMS) in den Netz-Innenraum mit einem Partialdruck von 0,2 mbar. Es kommt zu einer Beschichtung des Substrates mit einer Plasmapolymerschicht.
7. Abtrennen der elektrischen Potentiale und Sperren der Gaszufuhr.
8. Belüftung der Vakuumkammer und Entnahme des Substrates.

Coating an insulating substrate with a plasma polymer layer th following Verfahrensschrit th

1. Wet chemical cleaning of the substrate.
2. introduction of the substrate in the arranged in a vacuum chamber plasma source.
3. Evacuation of the vacuum chamber and plasma source.
4. Intake of argon into the gap between the net and counterelectrode with a pressure of 0.3 mbar.
5. Apply a DC voltage of 400 V to the mains and counterelectrode (negative pole) and to an anode (positive pole). It comes to hollow cathode discharges in the network interior and between the network and counter electrode. From the hollow cathodes plasma reach fast electrons and ions to the substrate and cause a desorption of adsorbates as well as an activation of the surface. Both later ensure a solid layer connection.
6. Introduction of tetramethylsilane (TMS) into the network interior with a partial pressure of 0.2 mbar. It comes to a coating of the substrate with a plasma polymer layer.
7. Disconnecting the electrical potentials and blocking the gas supply.
8. Ventilation of the vacuum chamber and removal of the substrate.

Claims

Device for coating and / or surface treatment of substrates by means of low-pressure plasma, in which at least one substrate is arranged inside, with at least one cathode and at least one anode for generating a glow discharge and at least one gas supply line, characterized in that between substrate and cathode and spaced apart therefrom are at least one auxiliary electrode provided with perforations to form an outer space between auxiliary electrode and cathode which is separated from an inner space and which has a uniform spacing over the entire surface.

Device according to claim 1, characterized in that that the interior at least one supply line for a reactive gas and / or a Inert gas has.

Device according to at least one of claims 1 or 2, characterized in that the interior space at least one anode having.

Device according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that the interior at least one electrically insulated bracket for having at least one substrate.

Device according to at least one of claims 1 to 4, characterized in that the auxiliary electrode as a woven Wire mesh, as a perforated plate with round or square holes or as an arrangement of bars with a round or angular cross-section in a plane or curved shape is trained.

Device according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that the auxiliary electrode via the the whole area with an even distance between 1 and 5 cm to the cathode is arranged.

Device according to at least one of claims 1 to 6, characterized in that in the outer space at least one further Auxiliary electrode is arranged.

Device according to at least one of claims 1 to 7, characterized in that the outer space at least one supply line for a Inert gas has.

Device according to at least one of claims 1 to 8, characterized in that the outer space at least one anode having.

Device according to at least one of claims 1 to 9, characterized in that the cathode is in the form of a plane or curved plate, which can be structured, formed as parallel bars and / or as a network is.

Device according to at least one of claims 1 to 10, characterized in that the cathode on the auxiliary electrode facing side is provided with a dielectric layer.

Device according to at least one of claims 1 to 11, characterized in that the cathode is a cooling device, in particular a water cooling, having.

Device according to at least one of claims 1 to 12, characterized in that the cathode at the outer space opposite side of a housing, in particular from shielding plates, is surrounded.

Device according to at least one of claims 1 to 13, characterized in that the device as a closed casing with a cuboid or cylindrical Cathode is formed.

Device according to claim 14, characterized in that that the case at least one closable opening, for introducing or removing substrates.

Device according to at least one of claims 14 or 15, characterized in that the housing in each case at least one closable opening for the gas supply line and the gas extraction contains.

Device according to at least one of claims 14 to 16, characterized in that the Ge housing at least one closable opening, for introducing or removing an energy source.

Device according to at least one of claims 1 to 13, characterized in that the device as an open system two parallel ordered large-area cathodes and the interior is otherwise freely accessible.

Device according to at least one of claims 1 to 13, characterized in that the housing as a lateral surface of a Cylinder with open faces is trained.

Process for surface treatment and / or coating of substrates by plasma generation in a device thereby characterized in that the device is characterized by an intermediate substrate and cathode arranged and spaced at both, with openings provided auxiliary electrode in an interior and an exterior space is divided, in each case by applying a DC voltage between 300 and 800 V at the cathode and auxiliary electrode opposite the Anode is generated by glow discharge a plasma, wherein the both plasmas together the auxiliary electrode interact as well as the pressure conditions and the applied electrical potentials are coupled in such a way that the inner plasma to increase its ion current density from the outer plasma supplied with additional charge carriers becomes.

Method according to claim 20, characterized in that that the working pressure in the device is between 0.01 and 10 mbar, is preferably set between 0.1 and 1 mbar.

Method according to at least one of claims 20 to 21, characterized in that the substrate has a negative bias in the range between -200 and -50 V is created.

Method according to at least one of claims 20 to 22, characterized in that the plasmas via microwave feed or generated by a Tesla coil.

Method according to at least one of claims 20 to 23, characterized in that at the cathode and the auxiliary electrode an equal electrical potential is applied.

Method according to at least one of claims 20 to 23, characterized in that at the cathode and the auxiliary electrode a different electrical potential is applied.

Method according to at least one of claims 20 to 25, characterized in that for the surface treatment of the substrate, in particular a cleaning or activation in the interior and in the outer space an inert gas, preferably a noble gas, is introduced.

Method according to at least one of claims 20 to 26, characterized in that for coating the substrate in the interior a reactive gas selected from the group of hydrocarbons, in particular methane, ethyne, the silanes, in particular tetramethylsilane, Hexamethylsilane, the organometallic compounds, hydrogen, Nitrogen and oxygen and introduced an inert gas in the outer space becomes.

Use of the device after at least one the claims 1 to 19 for surface treatment of substrates, in particular the cleaning, the activation or Conversion.

Use of the device after at least one the claims 1 to 19 for the production of anti-wear, anti-corrosion coatings, as optical or electrical functional layers and / or non-adhesive layers.

Use of the device according to claim 30 for Coating of substrates with plasma polymer layers, amorphous or crystalline carbon layers, silicon and / or metal-containing layers.