DE19505258A1 - Plattierungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Plattie­ ren.

Allgemein wird die Vakuumbedampfung unterteilt in physikali­ sche Bedampfung (PVD) und chemische Bedampfung (CVD). Die physikalische Bedampfung kann weiter unterteilt werden in Verdampfung, Ionenplattierung und Zerstäubung.

Die Ionenplattierung kann weiter unterteilt werden in Ionen­ bogenplattierung, Hohlkathodenentladung-Ionenplattierung (HCD) und Multikathoden-Ionenplattierung. Diese verschiedenen Arten von Ionenplattierung können für verschiedene Zwecke verwendet werden und die Vor- und Nachteile der obigen Ionen­ plattierungen sind je nach dem unterschiedlich.

Mit den herkömmlichen Vakuumplattierungsvorrichtungen kann nur ein Typ von Plattierung in einer Kammer durchgeführt wer­ den. Gewöhnlich wird die Ionenbogenplattierung und die HCD- Plattierung in verschiedenen Kammern durchgeführt. Folglich muß eine gesonderte Vorrichtung für jede Art von Plattierung vorgesehen werden, was die Installationskosten von solchen Vorrichtungen in die Höhe treibt. Weiterhin ist es schwierig, die Plattierungsqualität einer solchen Vorrichtung zu erhö­ hen, da die Probleme von dem Plattierungsverfahren selbst ab­ hängen. Beispielsweise in dem Fall der Ionenbogenplattierung und der HCD-Plattierung ist die beschichtete Oberfläche nicht glatt und die Bindungsstärke des beschichteten Films ist nicht zufriedenstellend.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaf­ fen, bei der die Nachteile des Standes der Technik so weit wie möglich überwunden werden und die Plattierungsqualität verbessert wird.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen ge­ kennzeichnet.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung erlaubt die gleichzeitige Durchführung von verschiedenen Typen von Plattierungen. So kann vorteilhaft einen Ionenbogenplattierung und eine HCD- Plattierung gleichzeitig in einer Kammer ausgeführt werden, wobei in einer zweiten Kammer zur selben Zeit eine Zerstäu­ bungsplattierung laufen kann.

Weiterhin stellt die Erfindung eine Vorrichtung zum Ionen­ plattieren bereit, die einen Beschichtungsfilm mit ausge­ zeichneten Haftungseigenschaften liefert. Vorzugsweise ist ein Ionenstrahlerzeuger vorgesehen.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist vorteilhaft mit zwei Kammern ausgestattet und weist eine Vakuumpumpe sowie zwei Drosselventilen zur gemeinsamen Benutzung der Pumpe durch die beiden Kammern auf, wobei in einer Kammer eine Bogenquelle und eine HCD-Quelle zum gleichzeitigen Durchführen einer Ionenbogenplattierung und einer HCD-Plattierung vorgesehen sind und in der anderen Kammer eine Zerstäuberplattierungs­ einrichtung so angebracht ist, daß eine Zerstäubung gleich­ zeitig mit den Plattierungsvorgängen in der ersten Kammer ab­ laufen kann.

Die Vakuumpumpe wird von der ersten Kammer, in welcher sowohl die Ionenbogenplattierung wie auch HCD-Plattierung gleichzei­ tig durchgeführt werden, und der zweiten Kammer geteilt, in welcher Zerstäubungsplattierung durchgeführt wird. Da die Druckverhältnisse, die in der ersten Kammer und der zweiten Kammer erforderlich sind, verschieden sein können, sind zwei Drosselventile in einer Reihe von Leitungen vorgesehen, die die beiden Kammern verbinden.

Für die Vakuumbedampfung wird im allgemeinen ein zu plattie­ rendes Objekt an einer geeigneten Stelle in der Plattierungs­ kammer angeordnet. Ein Plattiermaterial wird unter dem Objekt vorgesehen und eine Heizungseinrichtung zum Verdampfen des Plattiermaterials wird darunter angeordnet. Durch die Hei­ zungseinrichtung beginnt das Plattiermaterial zu schmelzen und dann zu verdampfen. Wenn das Plattiermaterial verdampft ist, treten seine Moleküle aus dem Material durch die Moleku­ larbewegung aus und nähern sich dem zu plattierenden Objekt, was am Ende zum Ausbilden einer Haftungsschicht auf diesem führt.

Gemäß der Erfindung wird jedoch das Plattiermaterial auf ei­ nem Bogenzünder für die Ionenbogenplattierung angeordnet. Das Objekt und der Bogenzünder sind in dem oberen Teil der ersten Kammer angeordnet, um eine gleichzeitige HCD-Plattierung in derselben Kammer zu ermöglichen. Eine Einrichtung zum HCD- Plattieren ist entsprechend in dem unteren Teil der Kammer angebracht.

Der Bogenzünder erzeugt einen Bogen auf dem Plattiermaterial in der ersten Stufe und der Bogen wird dann von dem Material selbst stetig erzeugt. Das bedeutet, daß das Plattiermaterial selbst als eine Bogenquelle wirkt. Durch den Bogen wird das Plattiermaterial sofort geschmolzen und ionisiert. Die ioni­ sierten Teilchen des Plattiermaterials bewegen sich im Innen­ raum der Kammer, lagern sich an dem zu plattierenden Objekt mit einem großen Impuls an und bilden auf diesem einen Be­ schichtungsfilm.

Die Kammer ist mit inertem Gas gefüllt und unter Druck nahe dem Vakuumzustand von 1,33 × 10^-5 - 10^-6 bar (10^-2 - 10^-3 torr) gehalten. Zu dieser Zeit ist die Temperatur des Bogens etwa 4 × 10³ - 4 × 10⁴ K.

Außerdem wird eine Spannung von ungefähr 800-1000 V an das zu plattierende Objekt angelegt. Der anfänglich von dem Bo­ genzünder erzeugte Bogen bewegt sich auf der Oberfläche des Plattiermaterials mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 100 m/sec, was zum Schmelzen und Ionisieren des Plattierma­ terials führt. Beim Ionenbogenplattieren wird das Plattier­ material auf dem Bogenzünder angeordnet und daher ist ein Halter für das Material nicht notwendig.

Beim HCD-Plattieren wird ein Behälter mit Plattiermaterial auf den Boden der ersten Kammer gestellt und das zu plattie­ rende Objekt wird im unteren Teil der Kammer angeordnet. Folglich können die Ionenbogenplattierung und HCD-Plattierung gleichzeitig durchgeführt werden.

Die HCD-Quelle ist in dem unteren Teil der Wand der Kammer angebracht, so daß Thermoelektronen, die von der Quelle aus­ gegeben werden, mit dem zu plattierenden Objekt zusammen­ stoßen können.

Die HCD-Quelle umfaßt eine hohle Tantalstange, die in ein Rohr mit einem offenen Ende eingesetzt ist. Der Raum zwischen der Tantalstange und dem Rohr ist mit dem gleichen inerten Gas in die Kammer gefüllt, das sich in einem Plasmazustand befindet. Dieser Plasmazustand ist abgetrennt und verschieden von dem anderen Plasmazustand, der in der Kammer vorherrscht. Wenn eine Spannung an die kathodische Tantalstange angelegt wird, dann reagiert die Tantalstange mit dem inerten Gas in dem Plasmazustand. Wenn Argon-Ionen (Ar*) in dem Plasma mit der Tantalstange kollidieren, dann steigt die Temperatur der Stange auf über 2000°C und die Stange strahlt Thermoelektro­ nen ab. Der Fluß dieser Thermoelektronen wird dann nach unten zu dem Plattiermaterial in dem Behälter gelenkt und folglich kollidieren die Thermoelektronen mit dem Plattiermaterial und schmelzen es.

Wenn das Plattiermaterial schmilzt, werden Atome verdampft und entkommen dem Plattiermaterial. Um sicherzustellen, daß die Atome ionisiert werden und an dem zu plattierenden Objekt haften, sollte die Kammer in einem Plasmazustand gehalten werden, wenn das Plattiermaterial schmilzt. Die Elektronen in dem Plasmazustand kollidieren mit Atomen vom Plattiermaterial und die Atome werden in ionisierte Teilchen verwandelt. Das Plattiermaterial wird dadurch ionisiert, haftet an dem Objekt und bildet einen Beschichtungsfilm.

Hier bedeutet der Ausdruck Plasma ionisiertes Gas. Es gibt neutrales Gas, Ionen und Elektronen in dem Plasma, und das Plasma ist elektrisch neutral, weil die Anzahl von Ionen und Elektronen nahezu gleich ist.

Ein Plasmazustand wird in dem Raum zwischen der Tantalstange und dem Rohr mit dem inerten Gas gebildet, wohingegen ein an­ derer Zustand unterhalb des Objektes mit Atomen von dem Plattiermaterial gebildet wird.

Gemäß der Erfindung kann Zerstäubungsplattieren in der zwei­ ten Kammer durchgeführt werden. Die Kammer ist mit inertem Gas gefüllt und der Druck wird auf ungefähr 1,33 × 10^-7 bar (10^-4 torr) gehalten. Der Druck der Kammer zum Zerstäubungs­ plattieren kann auch niedriger gehalten werden als der in der ersten Kammer.

In der zweiten Kammer befindet sich das inerte Gas in einem Plasmazustand, ebenso wie in der ersten Kammer. Eine Hoch­ spannung wird an das Plattiermaterial angelegt und Atome lö­ sen sich aus dem Material durch eine Magnetron-Quelle ab. Die abgelösten Atome kollidieren mit den Ionen des inerten Gases in dem Plasmazustand und bilden dadurch einen anderen Plasma­ bereich.

Als nächstes wird eine Spannung an das zu plattierende Objekt angelegt, die als Kathode wirkt, und Ionen in dem Plasmazu­ stand von dem Plattiermaterial haften an dem Objekt und bil­ den auf diesem einen Beschichtungsfilm.

Gemäß der Erfindung kann Ionenbogenplattierung und HCD-Plat­ tierung gleichzeitig in einer Kammer ausgeführt werden und Zerstäubungsplattierung kann zur gleichen Zeit in der anderen Kammer ausgeführt werden. Vorteilhaft ist nur eine Pumpe vor­ gesehen (anstatt einer Vakuumpumpe in jeder Kammer wie in den herkömmlichen Vorrichtungen) und zwei Drosselventile sind nahe den Auslässen der Kammer vorgesehen, um die Kammern un­ ter verschiedenen Druckbedingungen zu halten, wenn dies er­ forderlich ist.

Das Drosselventil spielt eine wichtige Rolle bei der Erhal­ tung des Drucks in jeder Kammer nahe einem Vakuumzustand, be­ vor der Plattierungsvorgang beginnt.

Wenn die Flüssigkeit in einem viskosen Fließzustand ist, wo­ bei der Druck über 1,33 × 10^-6 bar (10^-3 torr) liegt, dann ist die Länge des Rohrs, das mit der Vakuumpumpe verbunden ist, eine wichtige Variable für die Menge des abgegebenen Gases. Andererseits, wenn der Druck der Kammer unter 1,33 × 10^-6 bar (10^-3 torr) ist nahe einem Hochvakuumzustand als ein Ergebnis einer stetigen Abgabe, das heißt in einem molekula­ ren Fließzustand, dann ist der Durchmesser des Rohres eine wichtigere Variable als die Länge des Rohres. Das Drosselven­ til ist daher vorgesehen, um den Flug der Flüssigkeiten in dem Kammern zu steuern.

Weiterhin ist die molekulare Bewegungsenergie der Ionen des Plattiermaterials gemäß der Erfindung erhöht durch einen Io­ nenstrahlerzeuger. Die Bindungsstärke des Beschichtungsfilms ist folglich verbessert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Aus­ führungsformen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1a eine Querschnittsansicht, die einen Verdampfungs­ plattiervorgang zeigt;

Fig. 1b eine Querschnittsansicht, die einen Ionenbogen-Plat­ tiervorgang zeigt;

Fig. 1c eine Querschnittsansicht, die einen Hohlkathoden­ entladung-Ionenplattierungsvorgang (HCD) zeigt;

Fig. 1d eine Querschnittsansicht, die einen Zerstäubungs­ plattierungsvorgang zeigt;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht, die eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Plattieren gemäß der Erfindung zeigt;

Fig. 3 ein Blockdiagramm, das den Plattierungsvorgang mit der Vorrichtung zum gleichzeitigen Plattieren gemäß der Erfindung zeigt;

Fig. 4a eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung zum gleichzeitigen Plattieren gemäß der Erfindung;

Fig. 4b eine Aufsicht auf die Vorrichtung zum gleichzeitigen Plattieren gemäß der Erfindung; und

Fig. 4c eine Vorderansicht der Vorrichtung zum gleichzeitigen Plattieren gemäß der Erfindung.

Mit Bezug auf die Fig. 1(a) und Fig. 1(b) ist das zu plattie­ rende Objekt M an einer geeigneten Stelle in der Plattie­ rungskammer A oder B angeordnet. In der Kammer A ist ein Plattiermaterial T auf einer Heizeinrichtung H für die Vaku­ umverdampfung angebracht. Ebenso ist in der Kammer B ein an­ deres Plattiermaterial T auf einem Bogenzünder I für eine Io­ nenbogenplattierung angeordnet. Das Plattiermaterial T wird geschmolzen und verdampft mit Hilfe der Heizeinrichtung H. Die verdampften Teilchen des Plattiermaterials T bewegen sich in dem Innenraum der Kammer A, haften an dem Objekt M und bilden einen Beschichtungsfilm auf der Oberfläche des Objektes.

Der Bogenzünder I in der Kammer B erzeugt einen stetigen Bo­ gen auf dem Plattierungsmaterial T.

Durch den Bogen wird das Plattierungsmaterial T sofort ge­ schmolzen und ionisiert. Die ionisierten Teilchen der Plat­ tiermaterials bewegen sich in dem Raum der Kammer B, lagern sich an das Objekt A mit einem groben Impuls an und bilden auf diesem einen Beschichtungsfilm.

Zu dieser Zeit ist die Kammer B mit inertem Gas wie bei­ spielsweise Argon gefüllt und in einem Vakuumzustand von 1,33 × 10^-5 - 10^-6 bar (10^-2 - 10^-3 torr) und einer hohen Temperatur von ungefähr 450°C gehalten. Eine Spannung von un­ gefähr 800-1000 V wird dann an das zu plattierende Objekt M angelegt. Der anfängliche Bogen, der durch den Bogenzünder I erzeugt wird, bewegt sich auf der Oberfläche des Plattierma­ terials T mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 100 m/sec, was zum Schmelzen und Ionisieren des Plattierungsmaterials T führt. Diese Ionen haften an dem Objekt M und bilden auf sei­ ner Oberfläche einen Beschichtungsfilm.

Mit Bezug auf Fig. 1(c) ist ein Behälter 3 mit Plattiermate­ rial T auf dem Boden der Kammer C angeordnet und ein zu plat­ tierendes Objekt M ist an einer geeigneten Stelle im oberen Teil der Kammer vorgesehen. Eine HCD-Quelle H ist an dem un­ teren Endteil der Wand der Kammer C angebracht. Der Fluß von Thermoelektronen, welche sich von der HCD-Quelle H lösen, wird durch ein Magnetfeld umgelenkt und kollidiert mit dem Plattiermaterial T.

Das Plattiermaterial T wird sofort geschmolzen durch die Thermoelektronen und in einen atomaren Zustand überführt. Die Atome entkommen dann dem Plattiermaterial T und beginnen eine Bewegung in der Kammer C und in Richtung des Objektes M. Diese Atome werden durch Kollision mit den Thermoelektronen in einen Plasmazustand ionisiert und bilden einen anderen Plasmabereich unter dem Objekt M, wenn die Ionen des Plattie­ rungsmaterials T anionisch werden. Eine Spannung wird an das Objekt M als eine Kathode angelegt und die Ionen des Plattie­ rungsmaterials T in dem Plasmazustand bewegen sich zu dem Ob­ jekt M und haften an diesem und bilden darauf einen Beschich­ tungsfilm.

Mit Bezug auf Fig. 1(d) ist ein zu plattierendes Objekt M in dem oberen Teil der Kammer D vorgesehen und Plattiermaterial T ist in dem unteren Teil angeordnet. Die Kammer D ist eben­ falls mit inertem Gas wie beispielsweise Argon gefüllt und in einem Plasmazustand gehalten. Der Druck der Kammer D liegt bei ungefähr bei 1,33 × 10^-7 bar (10^-4 torr) gehalten und die Temperatur ist nicht so hoch wie in den Kammern A, B oder C. Das Plattiermaterial T wird ebenfalls in einem atomaren Zu­ stand durch die angelegte Spannung überführt.

Die entkommenen Atome des Plattiermaterials werden in einem Plasmazustand in dem Raum nahe des Objektes M überführt, und die Ionen des Materials T haften an dem Objekt M.

Mit Bezug auf Fig. 2 ist eine Bogenquelle 1 und eine HCD- Quelle 2 in dem oberen bzw. unteren Teil der Wand der ersten Kammer E vorgesehen. Ein Objekt M₁ für die Ionenbogenplattie­ rung ist nahe der Bogenquelle 1 vorgesehen und ein Objekt M₂ für die HCD-Ionenplattierung ist darunter angeordnet. Ein Be­ hälter 3 mit Plattiermaterial T ist auf dem Boden der Kammer E angeordnet. Kein Halter ist hier für die Ionenbogenplattie­ rung notwendig.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist daher so gestaltet, daß Ionenbogenplattierung in dem oberen Teil der ersten Kam­ mer E und HCD-Ionenplattierung gleichzeitig in dem unteren Teil der selben Kammer E durchgeführt werden können.

Die erste Kammer E und die zweite Kammer F sind mit einer Va­ kuumpumpe 7 versehen, die mit Leitungen an zwei Drosselven­ tile angeschlossen ist. Gemäß der Erfindung kann der moleku­ lare Fluß in der Leitung durch Kontrolle der beiden Drossel­ ventile 4, die nahe an entsprechenden Auslässen der Kammern angeordnet sind, so gesteuert werden, daß die beiden Kammern auf unterschiedlichen und geeigneten Drücken gehalten werden.

Es sind zwei Bogenquellen 1, zwei HCD-Quellen 2 und zwei Be­ hälter 3 in der Ausführungsform gemäß der Erfindung vorgese­ hen. Jedoch ist die Anzahl der Bogenquellen 1, HCD-Quellen 2 und Behälter 3 nicht auf eine bestimmte Anzahl beschränkt.

Mit Bezug auf Fig. 3 wird nach dem Reinigen des zu plattie­ renden Objektes zur Entfernung von Unreinheiten das Objekt in die erste Kammer bzw. in der zweite Kammer gestellt. Das un­ nötige Gas, das in den beiden Kammern verblieben ist, wird abgelassen, wodurch Unreinheiten entfernt werden, und der Druck in den Kammern wird bei ungefähr 6,6 × 10^-9 bar (5 × 10^-6 torr) gehalten.

Oxide oder andere schädliche Materialien des Objektes werden dann durch Aufheizen des Objektes auf eine Temperatur von un­ gefähr 500°C entfernt. Während dieses Schrittes wird eben­ falls ein Ablassen zur Entfernung der aufgeheizten Oxidteil­ chen und anderen Materialien ausgeführt.

Als nächstes wird eine Plasmareinigung beim Füllen der Kam­ mern mit einem inerten Gas wie beispielsweise Argon durchge­ führt. Dann wird das Plattieren mittels Betriebs der Bogen­ quelle, HCD-Quelle oder Magnetron-Quelle durchgeführt.

Die Dicke der Plattierung kann beliebig gewählt werden, bei­ spielsweise zwischen 3-5 µm. Es ist wünschenswert, eine Grundierungsschicht auf dem Objekt zu bilden, so daß eine fe­ ste Haftung des Plattiermaterials an dem Objekt sicherge­ stellt ist. Beispielsweise in dem Fall einer Titanium-Nitrid- Plattierung wird eine vorläufige Plattierung unter Verwendung von Titanium als Plattiermaterial durchgeführt, um die Haf­ tungseigenschaft zu verbessern.

Da die Ionenbogenplattierung und die HCD-Plattierung gleich­ zeitig in der gleichen Kammer ausgeführt werden und die Grun­ dierungsschicht zuerst gebildet wird, ist die beschichtete Oberfläche glatt und die Haftungsstärke ausgezeichnet. Nach­ dem der Plattierungsvorgang abgeschlossen ist, wird das Ob­ jekt abgekühlt.

Mit Bezug auf Fig. 4(a) umfaßt die Vorrichtung gemäß der Er­ findung zwei Sichtfenster für jede Kammer. Der Vorgang der Plattierung kann auf diese Weise durch diese Fenster voll­ ständig beobachtet werden.

Mit Bezug auf Fig. 4(b) und Fig. 4(c) sind zwei Drosselventile nahe den Auslässen der ersten und der zweiten Kammer vorgese­ hen, wie in den Zeichnungen zu sehen ist.

Mit der Vorrichtung zum gleichzeitigen Plattieren kann gemäß der Erfindung die Ionenbogenplattierung und HCD-Ionenplattie­ rung gleichzeitig in der ersten Kammer ausgeführt werden und zur selben Zeit Zerstäubungsplattierung in der zweiten Kammer durchgeführt werden. Dadurch kann eine Plattierung von ausge­ zeichneter Qualität erreicht werden und die obigen Probleme der Ionenbogenplattierung und der HCD-Plattierung sind damit gelöst.

Zudem kann in einfacher Weise eine Vielschichtplattierung ausgeführt werden, wobei eine hohe Produktivität und eine Minderung der Kosten der Bildung der Beschichtungsfilme er­ reicht wird.

Claims (5)

1. Plattierungsvorrichtung, gekennzeichnet durch
eine erste Kammer (E) und eine zweite Kammer (F),
eine Vakuumpumpe (7), welche mit der ersten Kammer (E) und der zweiten Kammer verbunden ist,
zwei Drosselventile (4), die jeweils mit einer der beiden Kammern und der Pumpe (7) verbunden sind, durch
mehrere Arten von Plattierungsquellen (1, 3) in der ersten Kammer (E), durch die gleichzeitig Plattierungen, vor­ zugsweise Ionenbogenplattierungen und HCD-Ionenplattie­ rungen, durchführbar sind, und durch
eine weitere Plattierungsquelle (5) in der zweiten Kammer (F), durch die zur gleichen Zeit eine weitere Plattie­ rung, vorzugsweise Zerstäubungsplattierung, durchführbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bogenquelle (1) und eine HCD-Quelle (3) in einem oberen bzw. unteren Teil der ersten Kammer (E) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Plattierungsmaterial für die HCD-Plattierung in einem Behälter auf dem Boden der ersten Kammer (E) vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Plattierungsmaterial für die Ionenbogenplattierung direkt auf dem Bogenzünder angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zweite Kammer (F) in einem Plasma­ zustand mit inertem Gas gehalten ist, und der Druck der Kammer ungefähr 1,33 × 10^-7 bar (10^-4 torr) beträgt.