DE112010005668T5 - Plasma-Verarbeitungsvorrichtung - Google Patents

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Paulo José Da Rocha Mordente
Alexandre Nunes Padial
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Mahle Metal Leve SA
Mahle International GmbH
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Mahle Metal Leve SA
Mahle International GmbH
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    • H05H1/48Generating plasma using an arc
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Abstract

Die Erfindung zielt darauf ab, eine Plasmaverarbeitungsvorrichtung (100) mit ebenen hohlen Kathoden (3, 4) bereitzustellen, die ein Plasma (9) mit Hilfe eines elektrischen Lichtbogens im Hochfrequenzbereich erzeugt, wobei ein Magnetfeld (6) von einem rotierenden Magnetsatz (11) geliefert wird, das das Plasma (9) einschließen kann, wodurch ein gleichmäßiger Verbrauch der ebenen hohlen Kathoden (3, 4) möglich wird. Eine kontinuierliche Zufuhr der Kathoden ist sichergestellt, die Abscheidungsraten von Hartschichten begünstigt, die höher sind als beim herkömmlichen physikalische Abscheidungsvorgang aus der Dampfphase (PVD), und geringere Werte der inneren Spannung. Die Plasmaverarbeitungsvorrichtung (100) besitzt mindestens zwei Plasmaquellen (10), die im Wesentlichen einander gegenüberliegend angeordnet sind und zu denen ein Magnetsatz (11) gehört. Die mindestens zwei Plasmaquellen (10) sind so angeordnet, dass sie das zu beschichtende Substrat (8) so umgeben, dass ein Magnetfeld (6) mit einem eingeschlossenen Plasma (9) erzeugt wird. Dabei ändert sich die magnetische Intensität, die an die ebenen hohlen Kathoden (3, 4) angelegt wird, von einer ersten Intensität, die sich im Wesentlichen in einem Mittenbereich befindet, auf eine zweite Intensität, die sich im Wesentlichen an den Randbereichen befindet, und die zweite Intensität ist geringer als die erste Intensität.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufbereiten von ebenen hohlen Kathoden mit Hilfe eines Plasmas, das mit einem Magnetfeld kooperiert, welches das erzeugte Plasma magnetisch einzuschließen vermag. Ziel ist ein Verdampfen der Kathoden, so dass man deren Material als harte Schutzschicht auf ein Substrat aufbringen kann.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Auf dem Gebiet der Oberflächenbehandlung scheidet man je nach vorgesehener Aufgabe Schichten auf unterschiedliche Weise ab. Unter den verschiedenen Möglichkeiten betrifft die Erfindung Oberflächenbehandlungen, welche auf einer Abscheidung aus Plasma basieren.
  • Die bekanntesten Vorgehensweisen, bei denen ein Plasma für die Schichtablagerung verwendet wird, sind Sputtern (Kathodenzerstäubung) und der elektrische Lichtbogen (auch als Kathoden-Lichtbogen bezeichnet). Die Sputtertechnik arbeitet verglichen mit dem elektrischen Lichtbogen mit einer geringeren Ionendichte und folglich wesentlich kleineren Abscheidungsraten. Die Plasmaabscheidungstechnik, die mit einem elektrischen Lichtbogen arbeitet, weist dagegen aufgrund der erzeugten hohen Ionendichte deutlich höhere Abscheidungsraten auf und gilt als wirkungsvollere Vorgehensweise für die Plasmabearbeitung von Überzugsschichten, beispielsweise Hartschichten (Fachleuten als Hartbeschichtung bekannt).
  • Die Entladung über einen elektrischen Lichtbogen wird zwischen zwei nebeneinander angeordneten Elektroden erzeugt, die durch einen gewissen Abstand getrennt sind, wobei der Lichtbogen durch eine vorbestimmte Energiequelle aufrechterhalten wird. Eine kontinuierliche Gasströmung wird bereitgestellt, die durch einen Bereich fließen muss, in der sich der stabilisierte Lichtbogen befindet, und den Bereich als Plasmastrom verlässt. In den meisten Fällen wird der elektrische Lichtbogen durch Gleichstrom-Energiequellen (DC) erzeugt.
  • Seit etwa 1983 werden Energiequellen entwickelt, die statt dessen mit Wechselstrom im Hochfrequenzbereich (RF) arbeiten. Seit dieser Zeit sucht man nach einer besseren Wirkung und hat dafür diverse Kathodenanordnungen verwendet. Eine dieser Vorgehensweisen ist in dem Dokument WO-9511322 dargestellt, in dem ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben sind, die eine Plasmaentladung durch eine lineare Anordnung von kreisförmigen hohlen Kathoden erzeugen können. Die in dem Dokument WO 9511322 beschriebene Vorgehensweise liefert zufriedenstellende Ergebnisse für gewisse Leistungsbereiche (beispielsweise einen Bereich, der das Sputtern fördert). Es soll nicht unerwähnt bleiben, dass in diesem Dokument der Einsatz von Energiequellen sowohl im Gleichstrombereich (DC) als auch im Wechselstrombereich (AC) vorgesehen ist.
  • Der Anmelder hat einige Untersuchungen hinsichtlich der in dem Dokument WO 9511322 beschriebenen Vorgehensweise vorgenommen und herausgefunden, dass für höhere Leistungsbereiche, in denen Entladungen über einen elektrischen Lichtbogen erzeugt werden können, die Ergebnisse lokale Unterschiede an den Kathoden zeigen, und zwar insbesondere bei nur einer der kreisförmigen hohlen Kathoden. Dies trägt zu einer heterogenen Abscheidung auf dem zu beschichtenden Material und zu einer unerwünschten ungleichmäßigen Abnutzung der Kathoden bei.
  • Zum Beseitigen der Schwierigkeiten bei der Plasmaabscheidung beschreibt das Dokument DE 4235953 eine Vorrichtung, die aus ebenen hohlen Kathoden besteht, die zum Sputtern betreibbar sind. In diesem Dokument wird nur vorgeschlagen, dass die Energiequelle im Gleichstrombereich (DC) arbeitet.
  • Um bessere Bedingungen für den Plasmabetrieb zu ermöglichen wurden Vorrichtung erstellt, in denen ebene hohle Kathoden verwendet werden, die mit einem elektrischen Lichtbogen und zusammen mit einem Magnetfeld arbeiten.
  • Das nächstliegende Dokument zum Stand der Technik ist die US 6,351,075 , in der eine Vorrichtung beschrieben ist, die ebene hohle Kathoden besitzt und im Bereich des elektrischen Lichtbogens arbeitet, um Plasma zu erzeugen. In dieser Schrift ist zudem beschrieben, dass das erzeugte Plasma mit einem variablen magnetischen Feld wechselwirkt, wobei das Magnetfeld durch einen Satz rotierender Permanentmagnete erzeugt wird. Dieses Dokument behandelt hauptsächlich das Erzielen eines Plasmastroms, dessen Ausbildung in der Kathode von den variablen magnetischen Feldlinien geführt wird. Das Dokument zeigt Querschnitte der Kathoden, die es ermöglichen zu bestätigen, dass eine Winkelveränderung des Magnetsatzes den magnetischen Feldlinien erlaubt, in unterschiedlicher Weise mit der Kathodenentladung zu wechselwirken. Änderungen in der Entladung der hohlen Kathoden ermöglichen Änderungen bei den heißen Bereichen der Kathoden, d. h. andere Erosionsbereiche der Kathoden.
  • Die Lehren des US-Patents 6,351,075 sind jedoch nicht in der Lage, eine der größten Schwierigkeiten hinsichtlich des homogenen Verbrauchs der Kathodenplatten zu beseitigen. Wie in 5 angegeben und in besonderen Untersuchungen festgestellt, kann man erkennen, dass die äußeren Bereiche der Kathode stärker erodiert werden als ihre Mittenabschnitte.
  • Es werden also vorteilhaftere Bedingungen für die Plasmaabscheidung erreicht, es war jedoch gerade nicht möglich, eine Plasmaerzeugungsvorrichtung zu erzielen, die einen homogenen und kontinuierlichen Verbrauch der ebenen hohlen Kathoden fördert.
  • Bisher erlaubt es die Standfestigkeit der ebenen hohlen Kathoden beim Herstellen nicht, einen Produktionsvorgang aufrechtzuerhalten, der ohne den häufigen (und mühsamen) vorzeitigen Austausch der Kathoden auskommt. Dieser Zustand wird durch die ungleichmäßige Erosion der Kathoden verursacht, die im wesentlichen an deren äußeren Abschnitten auftritt. Damit ist es erforderlich, das Kathodenmaterial häufig auszutauschen, und dies führt zu einer wenig wirksamen Produktion.
  • Zudem muss man betonen, dass sich auch unter regulären Betriebsbedingungen der heiße Bereich der Kathoden an ihren äußeren Abschnitten befindet. Dadurch treten gewisse Unregelmäßigkeiten in der Plasmaerzeugung auf, da eine verstärkte Erzeugung in den Randbereichen der Platten Unterschiede in der Intensität und Verteilung der abzuscheidenden Teilchen verursacht. Dieser Umstand bewirkt, dass die Teilchen die Oberfläche des zu behandelnden Materials entweder mit sehr hoher Energie oder sehr geringer Energie erreichen. Dies trägt direkt zum Vorhandensein einer unerwünschten Schwankung der inneren Spannung der Schicht bei, die mit dem Vorgehen gemäß dem Stand der Technik abgeschieden wurde. D. h., die innere Spannung der Schicht, die auf dem Teil abgeschieden wurde, wächst an.
  • Hinsichtlich der vorstehenden Erläuterungen und der Abscheidung von Hartschichten (Hartbeschichtungen) auf Metallteilen ist es sehr wichtig, dass die inneren Spannungen klein bleiben, damit die Schicht gut haften kann und die Beschichtungsbehandlung Standfestigkeit zur Folge hat.
  • Es war bisher nicht möglich, eine Plasmaverarbeitungsvorrichtung zu erhalten, die den Abscheidungsvorgang durch Plasma wirksam kontrolliert und die mit einer Hochfrequenz-Energiequelle arbeitet, und zwar im Bereich des elektrischen Lichtbogens, und zusammen mit ebenen hohlen Kathoden, wobei das erzeugte Plasma in ein Magnetfeld eingeschlossen ist, damit die Beschichtung mit einer besseren Haftung und einem besseren Zusammenhalt und geringen inneren Spannungen erfolgt.
  • AUFGABEN DER ERFINDUNG
  • Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Plasmaverarbeitungsvorrichtung bereitzustellen, die das Beschichten mit einer besseren Haftung und einem besseren Zusammenhalt und geringen inneren Spannungen ermöglicht.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Plasmaverarbeitungsvorrichtung bereitzustellen, die im Bereich des elektrischen Lichtbogens mit ebenen hohlen Kathoden arbeitet, und zusammen mit einem Magnetfeld, das eine homogene Plasmaverteilung für einen kontinuierlichen Vorschub der Kathoden ermöglicht.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Diese Aufgaben werden gelöst durch das Bereitstellen einer Plasmaverarbeitungsvorrichtung, umfassend Mittel zum Erzeugen einer Plasmaentladung, und Mittel zum Einschließen der Plasmaentladung in ein Magnetfeld, und zwar insbesondere durch einen Hohlkathoden-Lichtbogen, wobei die Plasmaverarbeitungsvorrichtung mindestens zwei Magnetfeld-Erzeugungssätze aufweist, und jeder Satz mindestens eine erste rotierende magnetische Komponente und mindestens eine zweite rotierende magnetische Komponente umfasst, mindestens zwei Plasmaquellen, wobei jede Plasmaquelle eine erste ebene Kathode parallel zu und gegenüber einer zweiten ebenen Kathode aufweist, zwischen denen ein Abstand vorhanden ist, und zu jeder Plasmaquelle ein Magnetfeld-Erzeugungssatz gehört; wobei die Plasmaquelle an eine Energiequelle angeschlossen ist, die mit Hochfrequenz arbeitet; die mindestens zwei Plasmaquellen um das zu beschichtende Teil herum angeordnet sind, damit ein Magnetfeld mit einem geschlossenen Plasma erzeugt wird; und die an die ebenen Kathoden angelegte magnetische Intensität zwischen einer ersten Intensität schwankt, die sich im Wesentlichen in einem Mittenbereich befindet, und einer zweiten Intensität, die sich im Wesentlichen an den Rändern befindet, wobei die zweite Intensität geringer ist als die erste Intensität.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Erfindung wird nun ausführlicher beschrieben, und zwar anhand der Ausführungsbeispiele, die in den Zeichnungen dargestellt sind. Es zeigt:
  • 1 eine Seitenansicht einer Plasmaquelle;
  • 2a eine perspektivische Ansicht einer Plasmaverarbeitungsvorrichtung der Erfindung zusammen mit einer Ausführungsform von Magneten;
  • 2b einen Querschnitt der Plasmaverarbeitungsvorrichtung in 2a;
  • 2c einen Schnitt durch die Plasmaverarbeitungsvorrichtung in 2b entlang der Linie B-B;
  • 2d eine perspektivische Ansicht einer Plasmaverarbeitungsvorrichtung der Erfindung zusammen mit einer Ausführungsform von Magneten, die sich von der Ausführungsform in 2a unterscheidet;
  • 3 eine Draufsicht einer Plasmaverarbeitungsvorrichtung, die aus vier Plasmaerzeugungseinheiten besteht;
  • 4 eine Draufsicht einer Plasmaverarbeitungsvorrichtung, die aus drei Plasmaerzeugungseinheiten besteht; und
  • 5 eine Draufsicht einer Plasmaverarbeitungsvorrichtung, die aus zwei Plasmaerzeugungseinheiten besteht.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
  • Die Erfindung schlägt vor eine Plasmaerzeugungsvorrichtung 100 mit innovativen Merkmalen, welche eine bessere Kontrolle des Abscheidungsvorgangs erlaubt sowie den Einsatz in der Industrie.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Plasmaquelle 10 der Erfindung ist in der Zeichnung von 1 dargestellt, die eine Plasmaquelle 10 mit ebenen hohlen Kathoden zeigt. Die Kathoden umfassen eine erste ebene Kathode 3, die parallel zu und gegenüber einer zweiten ebenen Kathode 4 angeordnet ist. Die Plasmaquelle 10 besitzt auch eine Hochfrequenz(RF)-Energiequelle 5, die einen elektrischen Lichtbogen ausbildet, der die Plasmaentladung fördert.
  • Zusätzlich zu 1 ist in 2a, 2b, 2c und 2d eine Plasmaquelle 10 skizziert, zu der ein Magnetfeld-Erzeugungssatz 11 gehört, dargestellt in 2b und 3, wobei der Magnetfeld-Erzeugungssatz 11 aus mindestens einer ersten rotierenden magnetischen Komponente 1 und mindestens einer zweiten rotierenden magnetischen Komponente 2 besteht, und die rotierenden magnetischen Komponenten 1, 2 einander gegenüberliegend (eine an jeder Seite des Kathodenpaars 3, 4) angeordnet sind, und mit entsprechenden entgegengesetzten Polaritäten, damit die magnetischen Feldlinien von einem Südpol zu einem Nordpol verlaufen und ein Magnetfeld ausbilden.
  • In 2a und 2d kann man sehen, dass die rotierenden magnetischen Komponenten 1, 2 unterschiedlich aufgebaut sein können. Die rotierenden magnetischen Komponenten 1, 2 können als ein einziger Magnet ausgebildet sein oder aus mehreren Magneten 21 bestehen, die benachbart zueinander angeordnet sind.
  • In der bevorzugten Ausführungsform, siehe 2a, können die rotierenden magnetischen Komponenten 1, 2 eine Drehbewegung mit den Achsen ausführen, an denen die Magnete 21 angebracht sind (dies bedeutet, dass die Magneten 21 fest mit den Achsen verbunden sind). Wahlweise können die Achsen feststehen und die Magnete 21 können eine Drehbewegung um die Achsen ausführen.
  • In der in 2b offenbarten Ausführungsform müssen die rotierenden magnetischen Komponenten 1, 2 eine gewisse V- oder U-förmige Anordnung einhalten. Das Drehen der magnetischen Komponenten 1, 2 erfolgt bevorzugt durch das Drehen der Magnete 21 um eine feststehende Achse. Ist andernfalls in einer V-förmigen Anordnung eine feste Verbindung zwischen den Achsen und den Magneten 21 erforderlich, so müssen die Achsen in zwei unabhängige Achsen auf jeder Seite der Kathoden 3, 4 aufgeteilt werden. Anders ausgedrückt führt dies zu vier rotierenden magnetischen Komponenten 1, 2, die für die V-förmigen Anordnung zu Paaren gruppiert sind, wobei je ein Paar auf einer Seite der Kathoden 3, 4 plaziert ist.
  • Wie 5 beispielhaft zeigt, werden in der Plasmaerzeugungsvorrichtung 100 der Erfindung mindestens zwei Plasmaquellen 10 eingesetzt. Jede Quelle hat einen Magnetsatz 11, und die Plasmaquellen 10 sind im Wesentlichen einander gegenüberliegend angeordnet und umgeben das zu beschichtende Teil 8, damit ein Magnetfeld 6 erzeugt wird, das das geschlossene Plasma 9 einschließen kann. Offensichtlich kann man diese Anzahl jedoch frei verändern, ohne dass die entstehende Erfindung den Schutzumfang der Ansprüche verlässt.
  • Zusätzlich erhalten die Plasmaquellen 10 der Erfindung ein Gas 7 an den Enden der ebenen hohlen Kathoden 3, 4, die weiter vom zu beschichtenden Teil 8 entfernt sind. Dieses Gas 7 durchströmt den Raum zwischen den ebenen hohlen Kathoden 3, 4 und erlaubt das Ausbilden eines Plasmas in Bereich des elektrischen Lichtbogens, d. h. in dem Bereich der ebenen Kathoden 3, 4, der dem zu beschichtenden Teil/Substrat 8 am nächsten liegt (Austrittsbereich), wobei der Strom des Gases 7 durch die hohlen Kathoden die Übertragung der durch das Plasma ionisierten Teilchen auf die Oberfläche des zu beschichtenden Teils verstärkt.
  • Bevorzugt – jedoch nicht zwingend – wird die Erfindung durch 3 dargestellt, die eine nicht einschränkende bevorzugte Ausführungsform der Plasmaerzeugungsvorrichtung 100 darstellt, die aus vier Plasmaquellen 10 besteht. Jede Quelle hat einen Magnetfeld-Erzeugungssatz 11, und die Plasmaquellen 10 sind einander gegenüberliegend angeordnet und umgeben das zu beschichtende Substrat 8. Man beachte, dass jede Plasmaquelle 10 wie in 1 und 2 beschrieben aufgebaut ist. D. h., jede Plasmaquelle wird mit einem Gas 7 gespeist und besitzt eine (RF)-Energiequelle 5. Die Darstellung in 3 zeigt vier Plasmaquellen 10 und vier Magnetfeld-Erzeugungssätze 11, die in den Austrittsbereichen der ebenen hohlen Kathoden 3, 4 angeordnet sind.
  • Zudem zeigt 3 eine Anordnung der Erfindung in einer Bearbeitungssituation, in der es möglich ist, dass die ebenen hohlen Kathoden 3, 4 in einem geschlossenen Kasten 12 angeordnet sind. Der geschlossene Kasten 12 kann in seinem Inneren einen Unterdruck bereitstellen. Man beachte, dass der Unterdruck für eine korrekte Prozedur mit dieser Verfahrensweise in der Regel erforderlich ist. Damit umschließt der geschlossene Kasten das Plasma 9 in seinem Inneren und das zu beschichtende Substrat 8.
  • Der geschlossene Kasten 12 gehört zu der Vorrichtung. Die rotierenden Magnetfeld-Erzeugungssätze 11 sind außerhalb des geschlossenen Kastens 12 angebracht. Wahlweise können die rotierenden Magnetfeld-Erzeugungssätze 11 innerhalb des geschlossenen Kastens 12 angeordnet werden.
  • Wie bereits erwähnt ist eine erste magnetische Komponente 1 so gegenüber einer zweiten magnetischen Komponente 2 angeordnet, dass ihre Nord- und Südpole entgegengesetzt sind. Somit bilden sie zusammen mit den anderen Magnetfeld-Erzeugungssätzen 11 ein Magnetfeld 6, das das Plasma 9 homogen und ohne irgendeinen Plasmaverlust oder -austritt einschließt. Das ausgebildete Magnetfeld 6 wird durch eine geeignete/synchronisierte Drehbewegung der ersten und der zweiten magnetischen Komponente 1, 2 einer jeden Plasmaquelle 10 kontrolliert. Dabei arbeiten alle rotierenden magnetischen Sätze 11 synchron am Aufbau des gewünschten Magnetfelds 6 (mit gestrichelten Linien dargestellt), das auf das Innere der Unterdruckkammer beschränkt ist, die der geschlossene Kasten 12 darstellt. Zusätzlich ist das zu beschichtende Substrat 8 innerhalb des eingeschlossenen Plasmas 9 angeordnet. Bei Bedarf kann es sich drehen, damit Qualität und Quantität der Beschichtung bestmöglich ausfallen.
  • Wahlweise kann die Erfindung den Aufbau gemäß 4 und 5 aufweisen. Wesentlich für die korrekte Gestaltung der Erfindung ist, dass mindestens zwei Plasmaquellen 10, die jeweils einen magnetischen Satz 11 aufweisen, im Wesentlichen einander gegenüberliegend angeordnet sind und das zu beschichtende Teil 8 umgeben, damit ein geschlossenes Magnetfeld 6 erzeugt wird, das das Plasma 9 einschließen kann.
  • Die genannten Bedingungen für die Anordnung der Elemente, aus denen die Plasmaerzeugungsvorrichtung 100 besteht, sind sehr wichtig, damit das erzeugte Plasma 9 tatsächlich ohne Verluste innerhalb eines Magnetfelds 6 eingeschlossen wird.
  • Die Erfindung bietet eine innovative Eigenschaft, die es dem Magnetfeld 6 ermöglicht, einen homogenen Verbrauch der ebenen hohlen Kathoden 3, 4 beizubehalten, wenn im HF-Bereich gearbeitet wird.
  • Offenkundig hängt die gebildete Plasmamenge von diversen Prozessvariablen ab. Es ist jedoch interessant zu berichten, dass unabhängig von diesen Variablen der Bereich der Plasmaausbildung in dem Abschnitt erfolgt, in dem sich der Lichtbogen befindet. In diesem Bereich werden die heißen Zonen und die Erosionszonen des Kathodenmaterials ausgebildet.
  • Anders als im herkömmlichen Fall zeigen die ebenen hohlen Kathoden 3, 4 verglichen mit anderen Zonen der gleichen Kathode keine bevorzugten Verdampfungszonen, die einen höheren Verbrauch dieser Bereiche fördern. Eine solche Charakteristik erzielt man mit Hilfe eines geeignet geformten Magnetfelds 6, das bewirkt, dass die Randbereiche der Kathoden 3, 4, die in der Regel Zonen mit erhöhter Abtragung sind, ein Magnetfeld erfahren, dessen Intensität sich vom Mittenbereich der Kathoden 3, 4 unterscheidet. Die auf die ebenen hohlen Kathoden 3, 4 ausgeübten Intensitäten ändern sich also von einer ersten Intensität, die man im Wesentlichen im Mittenabschnitt antrifft, auf eine zweite Intensität, die im Wesentlichen an den Kathodenrändern auftritt, wobei die zweite Intensität geringer ist als die erste Intensität.
  • Zum Herstellen eines solchen Zustands haben die Randbereiche der ersten und zweiten rotierenden magnetischen Komponenten 1, 2 in Längsrichtung gesehen bevorzugt jedoch nicht zwingend eine geringere magnetische Intensität als der Mittenabschnitt der rotierenden magnetischen Komponenten 1, 2 (2a).
  • Wahlweise können die magnetischen Komponenten 1, 2 in einer anderen Konfiguration (Beispiel in 2d) eine konstante Intensität aufweisen. Die rotierenden magnetischen Komponenten 1, 2 müssen dann jedoch in Form eines Bogens (”U”) oder eines ”V” ausgebildet sein, oder in irgendeiner anderen Form, die es gestattet, dass die Mittenabschnitte der rotierenden magnetischen Komponenten 1, 2 näher an den ebenen hohlen Kathoden 3, 4 liegen, und die Randbereiche der rotierenden magnetischen Komponenten 1, 2 weiter von den ebenen hohlen Kathoden 3, 4 entfernt sind. Diese Form und Anordnung bezüglich der hohlen ebenen Kathoden 3, 4 bewirkt, dass die ebenen hohlen Kathoden 3, 4 die gleiche magnetische Intensität erfahren wie in der Anordnung in 1
  • Damit besteht kein Unterschied zwischen den Anordnungen in 2a und 2d bezüglich der Intensität des Magnetfelds 6, das an die Kathoden 3, 4 angelegt wird. Anders beschrieben ist in der Anordnung nach 2a die Entfernung von den rotierenden magnetischen Komponenten 1, 2 zu den hohlen Kathoden 3, 4 konstant, und die magnetische Intensität der Magneten 21 ändert sich von den Rändern zur Mitte. In der Anordnung nach 2d ändert sich die Entfernung der rotierenden magnetischen Komponenten 1, 2 von ihren Rändern zur Mitte, die magnetische Intensität bleibt jedoch gleich.
  • Es sei nochmals darauf hingewiesen, dass jede magnetische Komponente 1, 2 aus einer Anzahl Segmente 21 bestehen kann, wobei jedes Segment seine eigene Polung und Intensität aufweist, solange sich in der gegenüberliegenden magnetischen Komponente ein zugehöriges Segment befindet, das eine entsprechende umgekehrte Polung aufweist.
  • Diese innovative Anordnung der Plasmaerzeugungsvorrichtung 100 ist sehr wichtig und vorteilhaft für die Industrie. Im Betrieb unterliegen die ebenen hohlen Kathoden 3, 4 einem konstanten Verbrauch, der das Zuführen der ebenen hohlen Kathoden 3, 4 mit einem System erlaubt, das das zu verdampfende Material kontinuierlich oder intermittierend in den Bereich des Kathodenaustritts nahe bei den Magneten verschiebt. Es ist daher nicht erforderlich, die Anlage immer wieder für einen Austausch der ebenen hohlen Kathoden 3, 4 anzuhalten.
  • Aus industrieller Sicht bietet die Erfindung zwei große Vorteile. Zum einen ist eine sehr signifikante Produktivitätssteigerung zusammen mit geringeren Kosten sichergestellt, und zum anderen ist eine wirkungsvolle Qualitätssteigerung der Abscheidung gesichert.
  • Die Produktivitätssteigerung wird dadurch erzielt, dass der Reaktor eine sehr hohe Verdampfungsrate liefert und damit eine ebenso hohe Abscheidungsrate auf dem zu schützenden Substrat 8. Die Produktivität wird auch dadurch gesteigert, dass es nicht mehr nötig ist, die ebenen hohlen Kathoden 3, 4 häufig auszutauschen, bevor sie praktisch vollständig verbraucht sind. Da es über die Länge der Magnete keine Bereiche mit einem verstärkten Verbrauch der Kathoden gibt – ein Zustand, der gemäß dem Stand der Technik im nordamerikanischen US-Patent 6351075 auftritt – kann man nun die ebenen hohlen Kathoden 3, 4 bis zum vollständigen Verbrauch kontinuierlich zuführen.
  • In 2a und 2d kann man sehen, dass die hohlen Kathoden 3, 4 bevorzugt durch Kühler 15 an den Enden gekühlt werden. Gemäß dem Stand der Technik werden die Kühler in der Regel statisch an den hohlen Kathoden 3, 4 befestigt, so dass der Verbrauch der hohlen Kathoden 3, 4 den Abstand zwischen dem Kathoden-Plasmaaustritt und dem Substrat 8 erhöht. Anders ausgedrückt bewegt sich bei herkömmlichen Vorgehensweisen der Verbrauch der Kathoden in der gleichen Richtung, in der sie zugeführt werden, d. h. beginnend vom nächstgelegenen Abschnitt zum entferntesten Abschnitt des Substrats 8. Abgesehen von weiteren Nebeneffekten bewirkt dies auch, dass die Materialabscheidung auf dem Substrat 8 nicht homogen ist.
  • In der Erfindung sind die Kühler 15 sehr nahe an den hohlen Kathoden 3, 4 angeordnet, berühren diese jedoch nicht. Sie sind jedoch so nahe positioniert, dass der Wärmeübergang von den hohlen Kathoden 3, 4 auf die Kühler 15 möglich ist. Diese Vorgehensweise unterscheidet sich vom Stand der Technik, da nun die Kühler 15 statisch sind, sie sich aber beim Verbrauch der hohlen Kathoden 3, 4 in der Richtung zum Substrat 8 bewegen, damit der Abstand erhalten bleibt. Diese Neuerung erlaubt eine homogene Materialabscheidung auf dem Substrat 8, und zudem kann die Anlage so konzipiert werden, dass die hohlen Kathoden 3, 4 kontinuierlich zugeführt werden. Die Wahrscheinlichkeit für unbeabsichtigte Stillstände sinkt damit auf nahezu null.
  • Diese Charakteristik ist außerordentlich innovativ, insbesondere bei Beschichtungen von Metallteilen im Plasma, das mit einem elektrischen Lichtbogen erzeugt wird. Beabsichtigt man das Ausbilden von harten Überzügen (Hartbeschichtungen), die große Mengen an abgeschiedenen Teilchen erfordern, so ist die Erfindung in ihrem industriellen Nutzen absolut unerlässlich, da sie Abscheidungsraten erlaubt, die sehr viel höher sind als gemäß dem stand der Technik. Zudem kann man eine ziemlich erhebliche Senkung der Produktionskosten erzielen, wenn das vorzeitige Ersetzen der Kathoden 3, 4 aufgrund der Ausbildung lokaler Erosionsbereiche in den Kathoden über die Länge der Magnete unterbleibt.
  • Da es durch ein verbessertes Magnetfeld 6 möglich ist, das Plasma 9 in einem geschlossenen Unterdruckbereich einzuschließen, ist eine homogene Kontrolle der Teilchenabscheidung auf der Oberfläche des Substrats 8 sichergestellt, und man erzielt zusätzlich zu diesen Vorteilen eine Prozessstabilität, die eine bessere Haftung und einen besseren Zusammenhalt der Beschichtung ermöglicht sowie eine verringerte innere Spannung. Ist die herzustellende Beschichtung eine Hartschicht, deren Härte bevorzugt größer als 900 Vickers ist, ist es sehr wichtig, dass die Prozesssteuerung das Erzielen einer Schicht mit wenig inneren Spannungen ermöglicht, damit die Beschichtung gut haftet.
  • Damit wurde ein Produkt erfolgreich entwickelt, das es ermöglicht, einen andauernden und homogenen Einschluss des Plasmas 9 in einer Unterdruckumgebung und während des Herstellungsvorgangs zu erreichen. Eine höhere Verdichtung des Plasmas 9 ist möglich, und eine bessere Fähigkeit der Plasmakonzentration für die Teilchenabscheidung auf der Oberfläche des zu beschichtenden Substrats 8. Folglich erzielt man bessere Werte für die Homogenität der Materialabscheidung bei geringen Werten der inneren Spannungen, und zwar durch einen homogenen Verbrauch der ebenen hohlen Kathoden 3, 4, der so weit gehen kann, dass die Kathoden 3, 4 nahezu vollständig aufgezehrt sind.
  • Nach der Beschreibung von Beispielen für die bevorzugten Ausführungsformen ist klar, dass der Bereich der Erfindung weitere mögliche Abwandlungen einschließt, die nur durch die Inhalte der beigefügten Ansprüche begrenzt sind, wobei mögliche Äquivalente eingeschlossen sind.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 9511322 [0005, 0005, 0006]
    • DE 4235953 [0007]
    • US 6351075 [0009, 0010, 0051]

Claims (8)

  1. Plasmaverarbeitungsvorrichtung (100), umfassend Mittel zum Erzeugen einer Plasmaentladung, und Mittel zum Einschließen der Plasmaentladung in ein Magnetfeld (6), und zwar insbesondere durch einen Hohlkathoden-Lichtbogen, wobei die Plasmaverarbeitungsvorrichtung (100) aufweist: mindestens zwei Magnetfeld-Erzeugungssätze (11), wobei jeder Satz mindestens eine erste rotierende magnetische Komponente (1) und mindestens eine zweite rotierende magnetische Komponente (2) umfasst, mindestens zwei Plasmaquellen (10), wobei jede Plasmaquelle (10) eine erste ebene Kathode (3) parallel zu und gegenüber einer zweiten ebenen Kathode (4) aufweist, zwischen denen ein Abstand vorhanden ist, und zu jeder Plasmaquelle (10) ein Magnetfeld-Erzeugungssatz (11) gehört; wobei die Plasmaverarbeitungsvorrichtung (100) dadurch gekennzeichnet ist, dass: die Plasmaquelle (10) an eine Energiequelle (5) angeschlossen ist, die mit Hochfrequenz arbeitet; die mindestens zwei Plasmaquellen (10) um das zu beschichtende Teil (8) herum angeordnet sind, damit ein Magnetfeld (6) mit einem geschlossenen Plasma (9) erzeugt wird; und die an die ebenen Kathoden (3, 4) angelegte magnetische Intensität zwischen einer ersten Intensität schwankt, die sich im Wesentlichen in einem Mittenbereich befindet, und einer zweiten Intensität, die sich im Wesentlichen an den Rändern befindet, wobei die zweite Intensität geringer ist als die erste Intensität.
  2. Plasmaverarbeitungsvorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathoden (3, 4) kontinuierlich zugeführt werden.
  3. Plasmaverarbeitungsvorrichtung (100) nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die magnetische Intensität der ersten magnetischen Komponente (1) und der zweiten magnetischen Komponente (2) von einer ersten Intensität, die sich im Wesentlichen in einem Mittenbereich befindet, auf eine zweite Intensität ändert, die sich an den Rändern befindet, wobei die zweite Intensität geringer ist als die erste Intensität.
  4. Plasmaverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaquellen im Wesentlichen einander gegenüberliegend angeordnet sind.
  5. Plasmaverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung für Metallteile gedacht ist.
  6. Plasmaverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Hartschicht ist.
  7. Plasmaverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Härte hat, die größer als 900 Vickers ist.
  8. Plasmaverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede magnetische Komponente (1, 2) aus einer Anzahl Segmente besteht, von denen jedes seine eigene Polarität und Intensität hat.
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