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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren zur Beschichtung
von Substraten, bei dem der Dampf eines in Form eines Precursors
vorliegenden Beschichtungsmaterials in einer Aktivierungszone aktiviert
und in Richtung auf das Substrat geführt wird, und die
Aktivierung durch ein mittels Glimmentladung erzeugtes Plasma erfolgt,
wobei zwischen dem erzeugten Plasma, das eine Plasmazone bildet,
und der Aktivierungszone mindestens eine Dissipationszone zur Herabsetzung
der Energie des Plasmas angeordnet ist.
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Durch
Aktivierung gasförmiger Ausgangsstoffe (Precursoren) in
einer Niederdruck-Glimmentladung können dünne
Schichten mit technisch nützlichen Eigenschaften hergestellt
werden. Als Precursoren werden meist Kohlenwasserstoffe mit geringem
Molekulargewicht (beispielsweise Methan oder Ethin) verwendet sowie auch
siliziumorganische Verbindungen, insbesondere Tetramethylsilan (TMS) und
Hexamethyldisiloxan (HMDSO) oder metallorganische Verbindungen.
Dementsprechend enthalten die hergestellten Schichten Kohlenstoff,
Wasserstoff, Silizium bzw. bestimmte Metalle sowie auch Stickstoff
oder Sauerstoff. Bei weniger hohem Vernetzungsgrad der Moleküle
in der Schicht spricht man von Plasmapolymerschichten, hoch vernetzte
kohlenstoffreiche Schichten werden DLC genannt (diamond-like carbon).
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Zur
chemischen Aktivierung der Precursoren werden verschiedene Formen
von Niederdruck-Glimmentladungen verwendet, z. B. eine Hochfrequenzentladung
zwischen im Vakuumraum parallel angeordneten Elektroden (Parallelplattenreaktor)
[
M. Grischke, K. Bewilogua, K. Trojan, H. Dimigen, Surface
and Coatings Technology 74–75 (1995), S. 739]
oder innerhalb einer Spule, in deren Inneren sich ein elektrisch
nichtleitendes Vakuumgefäß befindet. Weitere Formen
sind mikrowellenangeregte Entladungen, ohne oder mit Magnetfeld
(ECR-Entladung) [
D. Roth, B,. Rau, S. Roth, J. Mai, Surface
and Coatings Technology 68–69 (1994), S. 783]
sowie Magnetron-Entladungen mit Gleichspannung oder mittelfrequent
gepulster Gleichspannung oder Wechselspannung [
M. Grischke,
K. Bewilogua, H. Dimigen, Materials and Manufacturing Processes
8 (1993), S. 407] und Hohlkathoden-Glimmentladungen [
DE 198 34 733 ].
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Nachteilig
bei allen diesen Verfahren ist, dass die Precursor-Moleküle
durch die Einwirkung des Plasmas stets in sehr kleine Bestandteile
zerlegt werden. Dementsprechend sind die daraus entstehenden Schichten
extrem hoch vernetzt und im Wesentlichen anorganischer Natur. Solche
Schichten sind zwar oft sehr hart und chemisch beständig,
wichtige Eigenschaften des Precursors gehen aber häufig verloren.
Beispielsweise ist die Duktilität sehr gering (Bruch bei
Dehnung von meist weniger als 1%, d. h. ähnlich einer Keramik)
und spezifische optische Eigenschaften (z. B. die spektrale Absorption)
verändern sich stark.
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Aufgabe
der Erfindung ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben,
um aus gasförmigen, flüssigen oder festen Precursoren
eine Schicht auf einem Gegenstand, im Weiteren Substrat genannt, herzustellen,
welche die Moleküle des Precursors in wenig oder mäßig
veränderter, insbesondere nicht stark fragmentierter Form
enthält, so dass wesentliche Eigenschaften des Precursors
erhalten bleiben und die Schicht primär organischen oder
siliziumorganischen Charakter besitzt.
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Die
Aufgabe wird in Bezug auf das Verfahren durch die kennzeichnenden
Merkmale des Patentanspruchs 1 und in Bezug auf die Vorrichtung
durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 18 gelöst.
Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen
auf.
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Erfindungsgemäß wird
somit vorgeschlagen, dass der Dampf des Precursors in mindestens
einer sog. Aktivierungszone mittels eines durch mindestens eine
Plasmaelektrode erzeugten Plasmas, das mindestens eine Plasmazone
bildet, aktiviert wird. Wesentlich ist nun, dass zwischen der mindestens
einen Plasmazone und der mindestens einen Aktivierungszone mindestens
eine Dissipationszone zur Herabsetzung der Energie des Plasmas zwischengeschaltet
ist. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass anstelle
eines Plasmas nur bestimmte Teilchen, die in einem Plasma enthalten
sind oder entstehen, verwendet werden. Bevorzugt handelt es sich
hierbei um freie Elektronen.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren ist es dabei wesentlich,
dass die Erzeugung des Plasmas durch eine Glimmentladung, bevorzugt
durch eine Hohlkathodenglimmentladung erfolgt. Das Plasma wird dabei
im Wesentlichen durch freie Elektronen und Ionen gebildet. Die Anregung
hierfür kann durch Gleichspannung, gepulste Gleichspannung,
niedrig-, mittel- oder hochfrequente Wechselspannung oder auch durch
Mikrowellen erfolgen. Ein günstiger Bereich für
die Gleichspannung oder Wechselspannung, der an die Plasmaelektrode
und die Gegenelektrode, z. B. die Anode angelegt wird, liegt im
Bereich von 20 V bis 2000 V.
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Der
besondere Effekt dieses Plasmas besteht nun darin, dass nach Durchlaufen
dieser freien Elektronen durch eine sogenannte Dissipationszone, die
nachfolgend näher beschrieben wird, eine Herabsetzung der
Energie der Elektronen möglich wird.
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Die
entscheidenden Vorteile einer Glimmentladung zur Erzeugung des Plasmas
bestehen nun darin, dass eine Glimmentladung im Unterschied zu vielen
anderen Gasentladungen eine ausreichend hohe Plasmadichte aufweist
und im Unterschied zur Bogenentladung sich sehr gleichmäßig
auf ein großes Volumen ausdehnen lässt, was für
die gleichmäßige Beschichtung großer
Flächen sehr wichtig ist. Außerdem lassen sich
Glimmentladungen in sehr kurzer Zeit stabil ein- und ausschalten,
was für diskontinuierliche Beschichtungsprozesse beispielsweise
bei der wiederholten Beschichtung einzelner Gegenstände
sehr vorteilhaft ist.
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Wesentlich
beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist nun, dass das wie
vorstehend beschriebene Plasma mindestens eine sog. Plasmazone bildet.
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Die
in der mindestens einen Plasmazone enthaltenen insbesondere beweglichen
freien Elektronen werden nun über eine sog. Dissipationszone in
die Aktivierungszone geführt. Der Sinn der Dissipationszone
besteht darin, dass beim Durchlaufen der freien Elektronen durch
die Dissipationszone eine Minderung der Energie eintritt.
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Die
Ausbildung der Länge der Dissipationszone kann dabei derart
sein, dass bei dem in der Dissipationszone herrschenden Arbeitsdruck
die Energie der Elektronen in der folgenden Aktivierungszone im
Wesentlichen kleiner als 8 eV, bevorzugt kleiner als 3 eV, ist.
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Ein
weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung besteht nun darin, dass
diese sog. Dissipationszone so angeordnet und ausgebildet ist, dass
die sie durchlaufenden freien Elektronen direkt in die mindestens
eine Aktivierungszone geführt werden. Unter Aktivierungen
in der Erfindung wird hier folgendes verstanden: Bildung von Radikalen,
Ionisierung, Umwandlung in eine chemische Verbindung mit hoher chemischer
Reaktivität. Wesentlich ist nun, dass es durch dieses Verfahren
möglich ist, aus gasförmigen, flüssigen
oder festen Precursoren eine Schicht auf dem Substrat herzustellen,
welche die Moleküle des Precursors in wenig oder mäßig
veränderter, insbesondere nicht stark fragmentierter Form
enthält, so dass wesentliche Eigenschaften des Precursors
erhalten bleiben und die Schicht primär organischen oder
siliziumorganischen Charakter besitzt.
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Der
Arbeitsdruck in der mindestens einen Aktivierungszone beträgt
dabei günstigerweise 0,01 bis 100 mbar, bevorzugt 0,1 bis
10 mbar.
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Es
ist weiterhin bevorzugt, wenn die das Plasma bildenden Elektronen
innerhalb der mindestens einen Aktivierungszone im Wesentlichen
quer zur Richtung der Precursorrichtung geführt werden. Alternativ
ist es möglich, dass die das Plasma bildende Elektronen
innerhalb der mindestens einen Aktivierungszone im Wesentlichen
parallel zur Richtung der Precursorrichtung geführt werden.
Diese Ausführungsform hat dann den Vorteil, dass auch die
Elektronen in gleicher oder entgegengesetzter Richtung zur Precursorströmung
geleitet werden können und dadurch ein intensiver Kontakt
zum Precursordampf hergestellt wird.
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Der
Dampf des Precursors, der durch die Aktivierungszone in Richtung
des Substrats geführt wird, wird dadurch erzeugt, indem
der Precursor auf eine Temperatur gebracht wird, bei der er einen
für eine genügend schnelle Beschichtung ausreichenden
Dampfdruck aufweist. Bei Precursorn mit bei Umgebungsdruck geringem
Dampfdruck wird der Percursor in einem Verdampfer erwärmt.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren sind Precursoren aus
den Gruppen der Alkane, Alkene, Alkine, Arene, Cycloalkane, Terpene
oder Silane oder daraus abgeleiteten Verbindungen geeignet, wie
auch Precursorn aus den Gruppen der organischen Verbindungen, die
einen anorganischen Rest enthalten.
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Der
Precursordampf kann selbstverständlich dabei auch aus mehreren
unterschiedlichen Precursorstoffen bestehen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren eröffnet weiterhin
die Möglichkeit, dass eine Beeinflussung der Aktivierung
des Precursordampfes und der Schichtbildung dadurch vorgenommen
wird, dass mindestens ein Reaktivgas, welches z. B. in die Aktivierungszone
eingeführt wird, beispielsweise Wasserstoff, Sauerstoff
oder Stickstoff zugeführt wird. Ein Reaktivgas kann aber
auch in die Plasmazone, wobei es dann im Plasma direkt aktiviert
wird und von wo aus es anschließend in die Aktivierungszone
strömt, zugeführt werden. Eine weitere Beeinflussung
der Aktivierung des Precursordamfes und der Schichtbildung kann
dadurch erfolgen, dass Teilchen durch Kathodenzerstäubung
von einer Elektrode der Plasmazone abgetragen werden und mittels
Gasströmung in die Aktivierungszone geführt werden.
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Zur
Verminderung oder Vermeidung der Beschichtung der Flächen,
welche die Plasmazonen begrenzen, beispielsweise die Elektroden,
insbesondere die Kathode, kann durch die Plasmazone hindurch in
Richtung hin zur Aktivierungszone ein Spülgas geführt
werden, welches die Diffusion des Precursordampfes in die Plasmazone
hinein begrenzt. Zur Verminderung oder Vermeidung der Beschichtung
der Anode kann auch die Umgebung der Anode durch ein Spülgas
vom Precursordampf freigehalten werden. Dazu kann die Anode beispielsweise
als Hohlanode ausgebildet werden. Als bevorzugtes Spülgas
wird ein Inertgas, z. B. Argon, eingesetzt.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren ist es bevorzugt,
wenn die mindestens eine Dissipationszone und/oder die Aktivierungszone
und/oder die Plasmazone durch ein Gehäuse begrenzt werden.
Die Ausführungsform, bei der ein Gehäuse die Aktivierungszone
umschließt, hat den Vorteil, dass hier eine Vorrichtung
vorgesehen werden kann, die zur Erwärmung dient, so dass
eine Verminderung der Kondensation von Precursordampf eintritt.
Auch kann eine Erhöhung der Aktivierungsrate des Precursordampfes
durch Wärmezufuhr in die Aktivierungszone erreicht werden.
Ergänzend ist es möglich, dass eine Aufheizung
der innerhalb oder am Rande der Aktivierungszone angeordneten Anode
durch die auftreffenden Elektronen oder mittels einer Heizung erfolgt.
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Das
vorstehend beschriebene Verfahren ist insbesondere geeignet zur
Beschichtung organischer Substrate, von Substraten aus Metall, Glas, Kunststoff,
zur Herstellung von Barriereschichten, Korrosionsschutzschichten,
Verschleißschutzschichten, Kratzschutzschichten, insbesondere
aus Kunststoff und zur Herstellung organischer Schichten mit definierter
elektrischer Leitfähigkeit sowie zur Herstellung organischer
Schichten mit spezifischem spektralem Absorptionsgrad.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Beschichtung von
Substraten mit einem Beschichtungsmaterial mittels eines Plasmas
in einer Vakuumkammer, wobei mindestens eine Plasmaelektrode, mindestens
eine Gegenelektrode sowie mindestens ein Vorratsbehältnis
für das den Precursor enthaltene Beschichtungsmaterial
in der Vakuumkammer angeordnet ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
zeichnet sich besonders dadurch aus, dass das mindestens eine Vorratsgefäß so
ausgebildet und positioniert ist, dass der Dampf des Precursors über
mindestens eine Aktivierungszone auf das Substrat führbar
ist und die mindestens eine Plasmaelektrode eine Plasmazone vorgibt,
wobei die mindestens eine Plasmazone so ausgebildet und angeordnet
ist, dass zwischen der mindestens einen Akti vierungszone und der
mindestens einen Plasmazone mindestens eine Dissipationszone vorliegt.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung schlägt
hierzu vor, dass die mindestens eine Dissipationszone und/oder die
mindestens eine Aktivierungszone und/oder die mindestens eine Plasmazone
durch ein Gehäuse umschlossen ist. Dadurch werden dann
die entsprechenden Zonen, d. h. die mindestens eine Plasmazone,
die mindestens eine Aktivierungszone und die mindestens eine Dissipationszone
definiert. Hierbei ist es auch möglich, dass die Aktivierungszone
durch ein Gehäuse begrenzt ist, welches zusätzlich
in seiner Verlängerung auch das Substrat umschließt.
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Alternativ
kann auch eine Ausführungsform realisiert werden, bei der
das Gehäuse der mindestens einen Aktivierungszone so ausgebildet
ist, dass es vor dem Substrat endet und eine Ausströmungsöffnung
aufweist. Diese Ausströmungsöffnung des Gehäuses,
die die mindestens eine Aktivierungszone eingrenzt, kann z. B. in
Form eines Schlitzes zur Beschichtung großflächiger
Substrate ausgebildet sein, vorzugsweise in Verbindung mit einer
zueinander relativen Bewegung des Schlitzes und des Substrates. Die
Ausdehnung beträgt 0,1 bis 3 m, bevorzugt 0,3 bis 1 m.
Bei der Vorrichtung ist es weiterhin günstig, wenn die
Ausbildung der Aktivierungszone als in einer Richtung gleichmäßig
ausgedehnter Bereich zur gleichzeitigen Beschichtung großer
Flächen vorgenommen wird, wobei die Richtung parallel oder
etwa parallel zur Substratoberfläche ist. Die Ausdehnung beträgt
auch hier 0,1 bis 3 m, bevorzugt 0,3 bis 1 m.
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Die
Ausbildung der Plasmazone, der Dissipationszone und der Aktivierungszone
kann auch als in einer Richtung gleichmäßig ausgedehnter
Bereich zur gleichzei tigen Beschichtung großer Flächen
vorgesehen sein, wobei die Richtung parallel oder etwa parallel
zur Substratoberfläche ist. Die Ausdehnung beträgt
0,1 bis 5 m, bevorzugt 0,5 bis 2 m. Auch ist die Anordnung mehrerer
Plasmazonen und Aktivierungszonen nebeneinander in einer Richtung,
d. h. linear, oder in zwei Richtungen, d. h. flächig, zur gleichzeitigen
und gleichmäßigen Beschichtungen großer
Flächen möglich.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die mindestens
eine Plasmaelektrode bevorzugt als Hohlkathode ausgebildet. Die
mindestens eine Plasmazone und die mindestens eine Dissipationszone können
dabei auch die Form eines weitgehend isotropen Prismas aufweisen.
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Eine
andere Ausführungsform der Erfindung schlägt vor,
dass die mindestens eine Plasma- und Dissipationszone in einer Ebene,
welche senkrecht zur Hauptbewegungsrichtung der Elektronen liegt, näherungsweise
in Form eines anisotropen Rechtecks ausgebildet ist.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der 1 bis 5 sowie
zweier Verfahrensbeispiele näher beschrieben.
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Hierbei
zeigen
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1 den
schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2 den
schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
wobei hier ein Gehäuse vorgesehen ist, das gleichzeitig
das Substrat umschließt,
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3 eine
Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, wobei hier eine Hohlkathode vorgesehen ist,
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4 eine
weitere erfindungsgemäße Ausführungsform,
bei der die Plasmazone über eine im Winkel angeordnete
Dissipationszone mit der Aktivierungszone verbunden ist,
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5 eine
Vorrichtung, bei der sich die Elektronen in der Aktivierungszone
im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung des Precursordampfes
bewegen.
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Bei
der nachfolgenden Figurenbeschreibung werden für alle Ausführungsformen
für identische Teile gleiche Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt
eine Anordnung ohne Gehäuse, bei der eine Gegenelektrode 11,
die als Anode betrieben wird, bezogen auf die Aktivierungszone 5 gegenüber
der Dissipationszone 4 angeordnet ist und ein ebene Form
aufweist, beispielsweise in Form einer Platte, paralleler Stäbe
oder eines Netzes. Die Plasmaelektroden 10 definieren eine
Plasmazone 3, die in einer Ebene mit der Dissipationszone 4 angeordnet
ist. Das Substrat ist mit 1 bezeichnet und die erzeugte
Beschichtung mit 2. Die Elektronen aus dem Plasma der Glimmentladung
durchlaufen die Dissipationszone 4, geben dort einen Teil
ihrer Energie durch Stöße an die Gasteilchen ab
und durchqueren anschließend auf ihrem Weg zur Anode 11 die
Aktivierungszone 5, wo sie mit den Molekülen des
Precursordampfes zusammentreffen und dabei diesen Dampf aktivieren.
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In
der 1 ist der Precursor mit 7 und der Verdampfer
mit 6 bezeichnet. Die Anordnung und Ausbildung des Verdampfers 6 ist
so gewählt, dass der Dampf des Precursors 7 in
der Dichtung auf das Substrat 1 durch die Aktivierungszone 4 führt.
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In
der Vorrichtung nach 2 befindet sich die Anode 11 auf
der Seite der Dissipationszone 4. Die Elektronen werden
in der Dissipationszone 4 durch das vom Plasma 3 und
von der Anode 11 gebildete elektrische Feld in die Aktivierungszone 5 bewegt,
wo sie mit den Molekülen des Precursordampfes zusammentreffen
und dabei diesen Dampf aktivieren. Zur Sicherstellung einer innigen
Durchmischung des Precursordampfes mit den Elektronen sowie zur
gerichteten Lenkung des Precursordampfes zum Substrat 1 sind
die Aktivierungszone 5 und die Dissipationszone 4 sowie
auch die Plasmazone 3 von einem Gehäuse 12 umgeben.
Mit 2 ist die Beschichtung bezeichnet.
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Durch
den Spülgaseinlass 13 kann ein vorzugsweise inertes
Spülgas, beispielsweise Argon, eingelassen werden, welches
durch die hierdurch im Bereich der Elektroden 10, 11 und
der Dissipationszone entstehende Strömung die Ausbreitung
des Precursordampfes in diese Zonen behindert und dadurch diese
Zonen vor unerwünschten Veränderungen, wie beispielsweise
Belägen, schützt.
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Durch
den Spülgaseinlass 13 kann zusätzlich
oder alternativ ein Reaktivgas eingelassen werden, welches in der
Plasmazone 3 aktiviert wird, von dort in die Aktivierungszone 5 strömt
und dort die Aktivierung des Precursordampfes vorteilhaft beeinflusst
oder mit diesem vorteilhaft chemisch reagiert.
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Das
Substrat 1 befindet sich innerhalb des Gehäuses 12 der
Aktivierungszone 5 in einem Bereich mit erweitertem Querschnitt.
Zur allseitigen Beschichtung wird das Substrat 1 während
der Beschichtung gedreht.
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In
der Vorrichtung nach 3 ist die Plasmaelektrode 10 als
Hohlkathode ausgebildet. Durch die Ausbildung einer Hohlkathoden-Glimmentladung kann
so eine besonders hohe Plasmadichte und entsprechend ein großer
Elektronenstrom hin zur Aktivierungszone 5 erzeugt werden.
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Die
Anode 11 ist hier von gleicher Bauart wie die Kathode 10.
Dies vereinfacht die Konstruktion der Vorrichtung. Außerdem
können beim Anlegen einer Wechselspannung Anode 10 und
Kathode 11 periodisch vertauscht werden. Dadurch wird eine
besonders gleichmäßige Aktivierung erzielt. Weiterhin
wird die Entstehung unerwünschter Veränderungen
an den Elektroden 10, 11, d. h. an Anode und Kathode, wie
beispielsweise Beläge oder Materialabtrag, behindert und
eine übermäßige Erwärmung der
Elektroden vermieden.
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Durch
die Spülgaseinlässe 13 kann wie im Vorrichtungsbeispiel 2 dargestellt
ein Spülgas sowie zusätzlich oder alternativ ein
Reaktivgas eingelassen werden.
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Bei
ausreichend hoher Entladungsspannung kann in dieser Vorrichtung
die Kathodenoberfläche durch Ionenzerstäubung
abgetragen werden. Vor allem bei gleichzeitiger Verwendung eines
Spülgases wird dieses Kathodenmaterial in Form von Atomen oder
Clustern dem Precursordampf zugefügt und gelangt dadurch
auch mit in die Schicht. Dieses Material kann außerdem
chemische Reaktionen bei der Aktivierung und bei der Schichtbildung
beeinflussen und dadurch die Schichteigenschaften vorteilhaft verändern.
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Die
Vorrichtung nach 3 kann so ausgebildet sein,
dass die Plasmazonen 3 und die Dissipationszonen 4 die
Form eines weitgehend isotropen Prismas aufweisen, d. h. beispielsweise
mit etwa kreisförmigem oder etwa quadratischem Querschnitt, wobei
die Prismenachse die Achse der Aktivierungszone 5, die
ebenfalls eine weitgehend isotrope Form besitzt, senkrecht schneidet.
Zur Beschichtung großflächiger Substrate 1 kann
diese Vorrichtung auch so ausgebildet sein, dass die Plasmazonen 3 und
die Dissipationszonen 4 in einer Ebene, welche senkrecht
zur Hauptbewegungsrichtung der Elektronen liegt, näherungsweise
die Form eines stark anisotropen Rechteckes aufweisen. Die Verbindungsstelle von
Dissipationszone 4 und Aktivierungszone 5 hat dann
die Form eines Schlitzes. Ebenso hat in diesem Falle die substratseitige
Austrittsöffnung der Aktivierungszone die Form eines Schlitzes,
mit einer Breite von beispielsweise 0.5 cm oder 4 cm und einer Länge von
beispielsweise 20 cm oder 80 cm. Es handelt sich dabei also um eine
Linienquelle mit einer Länge von 20 cm bzw. 80 cm. Bei
dieser Ausbildung der Vorrichtung entspricht die Zeichnung in 3 einer Querschnittszeichnung,
wobei sich in beliebigen parallelen Ebenen im Bereich der linearen
Ausdehnung der Vorrichtung die gleiche Querschnittszeichnung ergibt.
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In
der Vorrichtung nach 4 ist die Anode 11 ebenfalls
als Hohlelektrode ausgebildet. Neben der Möglichkeit einer
wirksamen Reinhaltung der Anode 11 durch Spülung
mittels eines Spülgases ist diese Form vorteilhaft, weil
sich der Elektronenstrom hierbei relativ gleichmäßig
auf die Elektrodenoberfläche ver teilt und dadurch übermäßige örtliche
Erwärmungen vermieden werden.
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Die
Plasmazone 3 ist so angeordnet, dass nur ein sehr geringer
Teil der im Plasma entstehenden Photonen in die Aktivierungszone 5 gelangen kann.
Dadurch können unerwünschte photochemische Reaktionen
verhindert werden.
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Darüber
hinaus besitzt diese Vorrichtung Einströmöffnungen 14 für
einen weiteren Dampf oder ein Reaktivgas, der bzw. das dem Precursordampf 8 erst
zugefügt wird, nachdem dieser die Aktivierungszone bereits
verlassen hat.
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Außerdem
weist der Verdampfer 6 zwei Kammern für Precursoren 7 auf,
die auf unterschiedlicher Temperatur gehalten werden können.
Damit ist es möglich, zwei unterschiedliche Precursoren
mit vorgegebenen Anteilen gleichzeitig zu verdampfen.
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In 5 ist
eine Vorrichtung dargestellt, bei der sich die Elektronen in der
Aktivierungszone 5 im Unterschied zu den Vorrichtungen
nach 1 bis 4 nicht im Wesentlichen quer
zur Strömungsrichtung des Precursordampfes bewegen, sondern
im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung des Precursordampfes,
und zwar dieser entgegen gerichtet. Dadurch kann ein längerer
Weg der Elektronen durch die Aktivierungszone 5 erreicht
und mithin die Wahrscheinlichkeit aktivierender Zusammenstöße erhöht
werden.
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Zur
gleichmäßigen Aktivierung des Precursordampfes
sind außerdem Plasma- und die Dissipationszonen 3, 4 sowie
Anoden 10, 11 beidseitig oder ringförmig
um die (zylindrische) Aktivierungszone 5 angeordnet.
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Die
Spülung der Anoden 11, die wiederum als Hohlelektroden
ausgebildet sind, erfolgt durch ein Spülgas, welches die
Anoden 11 nicht selbst durchströmt. Dadurch lässt
sich die Bauart der Anoden vereinfachen.
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Verfahrensbeispiel 1
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Beschichtung
einer Tafel aus Polycarbonat mit einer Kratzschutzschicht.
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Verwendung
der Vorrichtung nach 3.
- 1. Nasschemische
Reinigung des Substrates.
- 2. Einbringung des Substrates in die Vakuumkammer.
- 3. Evakuierung der Vakuumkammer.
- 4. Aufheizung des Precursors im Verdampfer auf 180 °C.
- 5. Einlassen von Argon in den Spülgaseinlass beider
Hohlelektroden.
- 6. Einlassen von Transportgas in den Transportgaseinlass; Einstellung
des Druckes in der Aktivierungszone auf 1 mbar.
- 7. Anlegen einer Gleichspannung von 400 V an die Plasmaelektrode 10 (Minuspol)
und die Anode 11 (Pluspol). Es kommt zu einer Hohlkathodenglimmentladung
im Bereich der Plasmaelektroden. Die Elektronen queren auf ihrem
Weg zur Anode die Aktivierungszone.
- 8. Einlassen von Transportgas in den Verdampfer 6,
welches sich mit dem Precursordampf mischt und diesen durch die
Aktivierungszone zum Substrat transportiert. In der Aktivierungszone
wird der Precursordampf durch die Elektronen aus dem Plasma der
Hohlkathoden-Glimmentladung aktiviert und schlägt sich
anschließend auf dem Substrat als sehr feste Schicht ab.
- 9. Das Substrat wird gleichmäßig und in festem Abstand
seitlich zur Ausströmöffnung der Aktivierungszone
bewegt, wodurch es nach einiger Zeit ganzflächig beschichtet
ist.
- 10. Nach Fertigstellung der Schicht erfolgt das Abtrennen der
elektrischen Potentiale und Sperren der Gaszufuhr aller Gase.
- 11. Die Vakuumkammer wird belüftet und das Substrat
entnommen.
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Verfahrensbeispiel 2
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Beschichtung
eines Kunststoff-Substrates mit einer Barriereschicht
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Verwendung
der Vorrichtung nach 2.
- 1. Nasschemische
Reinigung des Substrates.
- 2. Einbringung des Substrates in die Vakuumkammer.
- 3. Evakuierung der Vakuumkammer.
- 4. Aufheizung des Precursors im Verdampfer auf 240 °C.
- 5. Einlassen von Argon in den Spülgaseinlass der Plasmaelektrode.
Einstellung des Druckes in der Aktivierungszone auf 0.3 mbar.
- 6. Anlegen einer mit 200 kHz gepulsten Gleichspannung von 300
V an die Plasmaelektrode 10 (Minuspol) und die Anode 11 (Pluspol).
Es kommt zu einer Glimmentladung im Bereich der Plasmaelektroden.
Die Elektronen werden von der Anode angezogen und gelangen dadurch
verstärkt in die Aktivierungszone. Der Precursordampf wird
in der Aktivierungszone durch die Elektronen aus dem Plasma der
Hohlkathoden-Glimmentladung aktiviert und schlägt sich
anschließend auf dem Substrat als sehr dichte Barriereschicht
ab.
- 7. Zur allseitig gleichmäßigen Beschichtung
wird das Substrat gleichmäßig um die eigene Achse gedreht.
- 8. Nach Fertigstellung der Schicht erfolgen das Abtrennen der
elektrischen Potentiale und das Abstellen des Spülgases.
- 9. Die Vakuumkammer wird belüftet und das Substrat
entnommen.
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- 1
- Substrat
- 2
- Schicht
- 3
- Plasmazone
- 4
- Dissipationszone
- 5
- Aktivierungszone
- 6
- Verdampfer
- 7
- Precursor
- 8
- Precursordampf
- 9
- Aktivierter
Precursordampf
- 10
- Plasmaelektrode
- 11
- Anode
- 12
- Gehäuse
- 13
- Spülgaseinlass
- 14
- Reaktivgaseinlass
- 15
- Transportgaseinlass
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - M. Grischke,
K. Bewilogua, K. Trojan, H. Dimigen, Surface and Coatings Technology
74–75 (1995), S. 739 [0003]
- - D. Roth, B,. Rau, S. Roth, J. Mai, Surface and Coatings Technology
68–69 (1994), S. 783 [0003]
- - M. Grischke, K. Bewilogua, H. Dimigen, Materials and Manufacturing
Processes 8 (1993), S. 407 [0003]