DE19960092A1 - Beschichtungsverfahren - Google Patents

Abstract

Zum Beschichten von Werkstücken in einer Vakuumkammer wird ein Werkstück einem Plasma ausgesetzt und daraus resultierende Reaktions- oder Zerfallsprodukte des Prozeßgases werden auf dem Werkstück abgeschieden. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß zwei Pole, von denen einer das Werkstück (2) selbst oder eine unmittelbar hinter dem Werkstück (2) angeordnete Elektrode (7) ist, und der andere eine Gegenelektrode ist, mit einer Wechselspannung im Frequenzbereich 10 KHz bis 100 MHz beaufschlagt werden, um das Plasma zwischen den Polen zu erhalten, und daß eine Strom von Prozeßgas durch eine Öffnung (3) der Gegenelektrode auf das Werkstück (2) gelenkt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschich­ ten von Werkstücken, bei dem ein Prozeßgas in einer Vakuumkammer einem Plasma ausgesetzt und daraus re­ sultierende Reaktions- oder Zerfallsprodukte des Prozeßgases auf dem Werkstück abgeschieden werden. Derartige Verfahren und Apparaturen für ihre Durch­ führung sind bekannt. Die Beschichtung erfolgt bei diesen Verfahren üblicherweise in Druckbereichen von 10^-1 bis 10^-3 mbar mit Abscheideraten von typi­ scherweise von 1 bis 2 µm pro Stunde. Zur Erzielung dieser Drücke sind aufwendige Anlagentechniken und Pumpsysteme erforderlich. Außerdem ist aufgrund der geringen Abscheideraten eine lange Verweildauer der Werkstücke in der Vakuumkammer notwendig, um eine erforderliche Schichtdicke zu erzielen. Beide Fak­ toren machen die Beschichtung von Werkstücken durch Vakuumabscheidung kostspielig.

Es sind daher als preisgünstigere Alternativen auch Randschichtverfahren und Lackierverfahren im Ge­ brauch. Randschichtverfahren erzeugen eine Oberflä­ chenbeschichtung nicht durch Materialauftrag, son­ dern durch stoffliche Umwandlung des Materials des Werkstücks an seiner Oberfläche auf einer Tiefe von ca. 10 bis einige Hundert µm. Es liegt auf der Hand, daß die chemische Beschaffenheit der auf die­ se Weise erzeugbaren Oberflächenbeschichtungen en­ gen Beschränkungen unterliegt. Außerdem sind mit diesem Verfahren bisher keine Schichten erzielbar, die sehr reibungsarm sind. Die mit einem solchen Verfahren erreichbaren Mikrohärten sind auf ca. 1200 bis 1400 HV beschränkt.

Ein sehr preiswertes Beschichtungsverfahren ist das Lackieren; allerdings ist die Verschleißfestigkeit von Lackschichten, auch solchen auf Ormocer-Basis, kleiner als die von Randschichten oder von plas­ magestützt erzeugten Schichten.

Vorteile der Erfindung

Durch die vorliegende Erfindung wird ein Plasma- Beschichtungsverfahren vorgeschlagen, das die Er­ zeugung von Schichten mit guter Verschleißfestig­ keit mit hoher Abscheidungsrate bei geringen Anfor­ derungen an die Vakuumkammer ermöglicht und so die Kosten einer Plasmabeschichtung erheblich redu­ ziert. Diese Vorteile werden dadurch erreicht, daß bei einem Verfahren der eingangs definierten Art das Werkstück mit einer mittel- oder hochfrequenten Wechselspannung beaufschlagt wird, die an dem Werk­ stück das benötigte Plasma erzeugt, und daß das zur Schicht-Abscheidung benötigte Prozeßgas (das auch ein Gasgemisch sein kann), durch eine Öffnung der Gegenelektrode auf das Werkstück gelenkt wird.

Dabei kann die Öffnung als Düse gestaltet werden, die zumindest oberflächlich aus leitfähigem Materi­ al besteht und somit einen elektrischen Gegenpol zum Werkstück darstellen kann.

Unter einer Wechselspannung wird bei der vorliegen­ den Erfindung eine Spannung mit wechselndem Vorzei­ chen im weitesten Sinne, zum Beispiel auch eine bi­ polar gepulste Gleichspannung oder eine modulierte oder gepulste Sinus- oder Rechteck-Wechselspannung oder dergleichen verstanden.

Gemäß einer ersten Variante der vorliegenden Erfin­ dung wird die Gegenelektrode auf Massepotential ge­ halten und das Werkstück mit Wechselpotential be­ aufschlagt. Bei einer zweiten Variante wird die Ge­ genelektrode auf Wechselpotential gelegt und das Werkstück auf Masse gehalten. Eine weitere Alterna­ tive ist denkbar, bei der die Gegenelektrode und das Werkstück beziehungsweise die ihm zugeordnete Elektrode jeweils erdfrei an eine Wechselspannung angeschlossen sind.

Das Verfahren wird vorzugsweise bei Drücken von 10^-2 bis 100 mbar, insbesondere bei 10^-1 bis 100 mbar eingesetzt, also bei wesentlich höheren Drücken, als sie herkömmlicherweise bei Plasmabeschichtungs­ verfahren üblich ist. Bei diesen Drücken ist die mittlere freie Weglänge des Restgases in der Vaku­ umkammer in der gleichen Größenordnung oder kleiner als deren Abmessungen, so daß sich zwischen der Dü­ se und einer Stelle der Vakuumkammer, wo das Pro­ zeßgas abgepumpt wird, eine Strömung ausbilden kann. Um diese Strömung für den Beschichtungsprozeß nutzbar zu machen, ist vorzugsweise die Düse derart orientiert, beziehungsweise Düse, Werkstück und Ab­ pumpstelle so angeordnet, daß das Prozeßgas an ei­ ner in Strahlrichtung hinter dem Werkstück liegen­ den Stelle der Vakuumkammer abgepumpt wird.

Zusätzlich können Gasleitplatten eingesetzt werden, um die Gasströmung noch gezielter auf das Werkstück auszurichten oder um das Werkstück herumzuführen. Auf diese Weise kann die Strömung optimiert werden. Insbesondere können durch die Auslegung der Gasströmung und geeignete Wahl des Abstands zwi­ schen dem Werkstück und der den Gegenpol bildenden Elektrode die Verweilzeit der Gasspezies im Plasma und so die Abscheiderate und die Schichthärte kon­ trolliert werden. Der Abstand zwischen der Öffnung der Gegenelektrode und dem Werkstück beträgt einige Millimeter bis einige Zentimeter.

Die Gerichtetheit der Gasströmung bietet außerdem den Vorteil, daß sich im Plasmavolumen bildende Staubpartikel aus dem Prozeßraum abtransportiert werden und sich somit nicht auf dem Werkstück nie­ derschlagen können, oder daß die Bildung von Staub gegebenenfalls sogar ganz unterbunden wird.

Eine geeignete Leistung der Wechselspannung liegt im Bereich von 1 bis 100 Watt pro Quadratzentimeter zu beschichtender Oberfläche des Werkstücks.

Trotz der mit dem Verfahren ermöglichten sehr hohen Abscheiderate werden qualitativ sehr hochwertige Schichten mit hoher Verschleißfestigkeit erhalten.

Die Schichten sind zudem sehr eigenspannungsarm, was die Abscheidung auch dicker Schichten erlaubt.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist die Mög­ lichkeit, bei entsprechender Ausrichtung der Gasströmung oder Auslegung des Plasmavolumens eine Oberflächenbeschichtung auf einem Werkstück nur lo­ kal begrenzt zu erzeugen. Gegenüber herkömmlichen Verfahren, die die Maskierung von nicht zu be­ schichtenden Oberflächenteilen und die Entfernung der Maske nach vollzogener Beschichtung vorsehen, werden auf diese Weise zwei Verfahrensschritte ein­ gespart.

Für eine möglichst effektive Nutzung des Prozeßga­ ses ist es zweckmäßig, wenn die Form der Düse an die Form des zu beschichtenden Teils des Werkstücks (auch an die Form des Werkstücks als Ganzes, wenn dieses ganzflächig beschichtet wird) angepaßt wird.

Diese Anpassung kann zum Beispiel darin bestehen, daß für ein einzelnes, kompaktes Werkstück eine Dü­ se verwendet wird, deren Querschnittsfläche und eventuell auch Form dem Querschnitt des Werkstücks entspricht, daß bei einem langgestreckten Werkstück eine schlitzförmige Düse eingesetzt wird oder daß zur Beschichtung einer Anordnung von Werkstücken eine Düse mit einer Mehrzahl von Öffnungen einge­ setzt wird.

Die Verhältnisse der Querschnitte von Gasdüse und Werkstück können kleiner oder größer als 1 gewählt werden. Das eingestellte Flächenverhältnis beein­ flußt die Schichteigenschaften, insbesondere die Schichtmikrohärte.

Wenn das Werkstück leitfähig ist, kann es selbst als Elektrode, die das Plasma erzeugt, dienen. Wenn es nicht leitfähig ist, muß eine eigenständige Elektrode vorgesehen werden, die in unmittelbarem Kontakt zu dem Werkstück stehen sollte, so daß das Plasma von den durch das Werkstück durchgreifenden Feldern der Elektrode erzeugt wird. Plasma und Elektrode sind dann praktisch durch das Werkstück voneinander getrennt. Um eine unerwünschte Abschei­ dung von Reaktions- oder Zerfallsprodukten des Pro­ zeßgases auf der Elektrode zu vermeiden, ist diese vorzugsweise so geformt, daß ihre aktive Oberfläche von dem Werkstück abgedeckt und so gegen die Reak­ tions- oder Zerfallsprodukte abgeschirmt wird.

Die hier das Plasma anregende Wechselspannung kann einen weitgehend beliebigen, insbesondere einen si­ nus-, rechteck-, dreieck- oder pulsförmigen zeitli­ chen Verlauf besitzen.

Das Prozeßgas kann wenigstens einen Kohlenwasser­ stoff, wie etwa Ethylen, eine siliziumorganische Verbindung oder eine metallorganische Verbindung als Quelle für das auf dem Werkstück abzuscheidende Schichtmaterial umfassen. Derartige Schichtmate­ rialguellen erlauben die Abscheidung der gewünsch­ ten Schicht bei Prozeßtemperaturen von 200°C oder weniger, was die Beschichtung von Werkstücken aus einer Vielzahl von Kunststoffmaterialien sowie von Metallen und insbesondere von gehärtetem Stahl ohne Härteverluste ermöglicht. Wenn die Temperaturbe­ ständigkeit des Werkstücks größer ist, so daß eine Prozeßtemperatur von ca. 400° oder mehr gefahren werden kann, können auch weitere Gase, insbesondere Halogenide, wie etwa TiCl₄ verwendet werden, ohne daß die Schichteigenschaften durch den zusätzlichen Einbau von Halogeniden gemindert werden.

Diese Gase können einzeln oder auch gemischt ver­ wendet werden und weiterhin mit Reaktivgasen wie zum Beispiel O₂, N₂, H₂O₂, H₂, NH₃ sowie mit Inertga­ sen wie Ar, He, Ne, Kr gemischt werden. Dabei erge­ ben sich je nach Gasmischung beziehungsweise in Ab­ hängigkeit von Veränderung der Prozeßparameter und Anlagenkonfiguration unterschiedliche Schichtsyste­ me.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze einer Vakuumkam­ mer zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens; und

Fig. 2, 3, 4 und 5 jeweils eine konkretisierte Ausge­ staltung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 veranschaulicht schematisch das Prinzip der Erfindung. In einer Vakuumkammer 1 ist ein zu be­ schichtendes Werkstück 2 mit seiner zu beschichten­ den Oberfläche einer Düse 3 zugewandt montiert, die das Ende einer Zuführleitung 15 für Prozeßgas bil­ det. Ein Pol eines Hochfrequenznetzteils 4 ist mit dem Werkstück 2 über eine Leitung 5 verbunden und beaufschlagt es mit einer Wechselspannung im Fre­ quenzbereich 10 kHz bis 100 MHz, vorzugsweise im Bereich einige 10 MHz. Das Werkstück 2 bildet so eine erste Elektrode.

Der zweite Pol des Hochfrequenznetzteils ist mit der metallischen Wand der Vakuumkammer 1 und über diese mit der Zuführleitung 15 elektrisch leitend verbunden und mit diesen Teilen gemeinsam geerdet. Die Düse 3 bildet auf diese Weise eine Gegenelek­ trode, die dem Werkstück 2 gegenüberliegt und es erlaubt, in dem aus der Düse 3 austretenden Prozeß­ gas im Bereich zwischen der Düse 3 und dem Werk­ stück 2 ein Plasma anzuregen.

Abweichend von der in Fig. 1 dargestellten Anord­ nung können auch das Werkstück 2 und die Wand der Vakuumkammer 1 gemeinsam mit einem Pol des Hochfre­ quenznetzteils 4 verbunden und geerdet sein, und die Zuführleitung 15 beziehungsweise die Düse 3 ist gegen die Kammer 1 elektrisch isoliert und mit dem zweiten Pol des Hochfrequenznetzteils 4 verbun­ den. Einer weiteren Variante zufolge können sowohl das Werkstück 2 als auch die Düse 3 beziehungsweise die Zuführleitung 15 jeweils mit einem Pol des Hochfrequenznetzteils 4 verbunden und gegen die Kammer 1 elektrisch isoliert sein und so erdfrei betrieben werden.

Eine Pumpe 6 ist über einen der Düse 3 gegenüber­ liegenden Ansaugstutzen 14 an die Vakuumkammer 1 angeschlossen und hält ihr Inneres auf einem Druck im Bereich 10^-1 bis 10 Millibar. Für die Erzeugung eines solchen Grobvakuums ist eine mechanische Pum­ pe, etwa eine Drehschieberpumpe, ausreichend; zwei­ stufige Pumpstände, die zusätzlich zu einer mecha­ nischen Vorpumpe noch eine Öldiffusions- oder Tur­ bopumpe oder dergleichen enthalten, sind nicht er­ forderlich.

Unter dem Einfluß des vom Werkstück 2 ausgehenden Feldes bildet sich ein Plasma, das das durch die Düse 3 eingelassene Prozeßgas umsetzt. Hierdurch bildet sich auf dem Werkstück eine Schicht. Das Prozeßgas strömt kontinuierlich von der Düse 3 um das Werkstück 2 herum und wird durch die Pumpe 6 abgepumpt.

Bei einem konkreten Anwendungsversuch wurde ein planares Bauteil als Werkstück 2 verwendet und mit einer Wechselspannung von 13,56 MHz mit ca. 200 Watt beaufschlagt. Als Prozeßgas wurde C₂H₂ verwen­ det, das mit einem Gasfluß von 360 sccm über die lochförmige Düse 3 mit einem Durchmesser von 0,5 mm auf die Oberfläche geblasen wurde. Der Abstand zwi­ schen der Düse 3 und der Oberfläche des Werkstücks 2 betrug 2 cm, der Druck in der Apparatur betrug 10^-1 Millibar. Die Prozeßtemperatur lag bei ca. 150°C. Auf der Oberfläche wurde eine amorphe, dia­ mantähnliche Kohlenstoffschicht (DLC) abgeschieden.

Die Abscheiderate betrug 100 µm pro Stunde auf ei­ ner Fläche von ca. 0,5 cm². Versuche mit größeren Abständen zwischen Düse und Werkstück liefern er­ wartungsgemäß geringere Abscheideraten.

Die Trockenreibung der Schichten gegen Stahl betrug µ = 0,1 bis µ = 0,2, vergleichbar mit in konventionel­ len Verfahren abgeschiedenen hochwertigen DLC- Schichten.

Die Schichtmikrohärte betrug im Bereich der höch­ sten Abscheiderate 3600 HV, das E-Modul der Schicht betrug 180 MegaPascal (MPa). Die Werte zeigen, daß trotz der sehr hohen Abscheiderate qualitativ sehr hochwertige Schichten mit hoher Verschleißfestig­ keit abgeschieden werden.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, Gegenstände, die bereits mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben worden sind, tragen die glei­ chen Bezugszeichen und haben, soweit nicht anders angegeben, die gleichen Merkmale wie mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben.

Das Werkstück 2 ist im Fall der Fig. 2 ein zylin­ drischer Körper, der auf einer tellerartigen Elek­ trode 7 plaziert ist. Diese Elektrode verbindet das Werkstück 2 mit der Leitung 5 zum (nicht darge­ stellten) HF-Netzteil. Eine dielektrische Abschir­ mung 8 überdeckt die der Düse 3 zugewandte Oberflä­ che der Elektrode, das heißt ihre für die Plasmaer­ zeugung aktive Oberfläche, überall dort, wo sie nicht in Kontakt mit dem Werkstück 2 ist, und ver­ hindert zum einen die Abscheidung von Material di­ rekt an der Elektrodenoberfläche und zum anderen die elektrischen Überschläge, die sich zwischen Masse und den mit Wechselpotential beaufschlagten Flächen bilden können.

Bei einer Weiterbildung dieses Ausführungsbeispiels ist zusätzlich eine dielektrische Abschirmung 8' vorgesehen, die in Fig. 2 gestrichelt dargestellt ist. Sie erstreckt sich auch über die Ränder und die Rückseite der Elektrode 7, so daß diese auf ih­ rer gesamten Oberfläche, dort, wo sie nicht in Kon­ takt mit dem Werkstück 2 ist, abgeschirmt ist, so­ wie über die Oberfläche der Leitung 5. Durch diese großflächige Abschirmung wird eine zusätzliche Ab­ sicherung gegen ungewollte Materialabscheidung und elektrische Überschläge erreicht.

C₂H₂ als Prozeßgas wurde mit einem Gasfluß von 360 sccm über die lochförmige Düse 3 mit 4 mm Durchmes­ ser auf die Oberfläche des Werkstücks 2 geblasen. Der Druck in der Apparatur 1 betrugt 2 × 10^-1 Milli­ bar. Auf der Oberfläche des Werkstücks 2 wurde lo­ kal im direkt vom Gasfluß aus der Düse angeströmten Bereich eine amorphe, diamantähnliche Kohlenstoff­ schicht (DLC) abgeschieden. Die Abscheiderate be­ trug ca. 100 µm pro Stunde auf einer Fläche von ca. 1 cm². Die Schichtmikrohärte betrug im Bereich der höchsten Abscheiderate 3200 HV, das E-Modul der Schicht betrug 180 GigaPascal (GPa).

Fig. 3 zeigt eine Weiterentwicklung des mit Bezug auf Fig. 2 beschriebenen Verfahrens. Die Elektrode 8 beziehungsweise das darauf befindliche Werkstück 2 rotiert und kann bei Bedarf auch axial verschoben werden, um das Werkstück 2 auf seinem gesamten Um­ fang beziehungsweise seiner gesamten freien Ober­ fläche zu beschichten. Desgleichen besteht die Mög­ lichkeit, mehrere Werkstücke 2 auf der Elektrode 7 anzuordnen, diese wieder bei Bedarf um die eigene Achse zu drehen sowie tangential zur Düse 3 zu ver­ schieben, um diese mehreren Werkstücke 2 in einem durchlaufähnlichen Verfahren jeweils lokal, oder rundum zu beschichten.

Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt aus einem Aufbau, der bei einem weiteren Anwendungsbeispiel des er­ findungsgemäßen Verfahrens eingesetzt wird. Der Aufbau, der im Inneren der Vakuumkammer 1 angeord­ net ist, umfaßt einen langgestreckten Saugkasten 9, der über ein oder mehrere Saugstutzen wie den in der Figur aufgeschnitten gezeigten Saugstutzen 10 mit der Pumpe 6 verbunden ist. Der Saugkasten 9 trägt an seiner Oberseite zwischen zwei Ansaug­ schlitzen 11 eine das Werkstück 2 tragende Elektro­ de 7, wie sie bereits mit Bezug auf Fig. 2 be­ schrieben worden ist. Die Ansaugschlitze 11 saugen das Prozeßgas aus der unmittelbaren Umgebung des Werkstücks 2 ab, noch bevor es sich stark in der Vakuumkammer verteilen kann.

Gasleitplatten 12, die jeweils jenseits der Ansaug­ schlitze 11 auf der Oberseite des Saugkastens 9 ru­ hen, bilden einen tunnelartigen, an seinen Stirn­ seiten offenen Aufbau. An ihren vom Saugkasten 9 abgewandten Enden begrenzen die Gasleitplatten 12 eine schlitzförmige Düse 3, die sich dem Werkstück 2 zugewandt über im wesentlichen die ganze Länge des Aufbaus erstreckt.

Auch bei diesem Anwendungsbeispiel sind die mit Be­ zug auf Fig. 1 beschriebenen verschiedenen Mög­ lichkeiten gegeben, die Wechselspannung zum Erzeu­ gen eines Plasmas anzulegen. Die Elektrode 7 bezie­ hungsweise das Werkstück 2 können mit einem Pol ei­ ner (in der Figur nicht gezeigten) Wechselspan­ nungsversorgung verbunden sein, deren anderer Pol auf Massepotential liegt und mit der Düse 3 sowie mit den Gasleitplatten 12, sofern diese leitfähig sind, leitend verbunden ist. Alternativ kann der mit dem Werkstück 2 und der Elektrode 7 verbundene Pol geerdet sein und die Düse 3 wird mit Wechselpo­ tential beaufschlagt. Auch eine massefreie Beschal­ tung sowohl der Düse 3 als auch des Werkstücks 2 und der Elektrode 7 mit der Wechselspannung ist möglich.

Die Elektrode 7 ist an ihren vertikalen Seitenflä­ chen an der Unterseite und den Stirnflächen mit dielektrischen Abschirmungen 8 versehen, die das von der Elektrode 7 erzeugte Plasma auf einen Raum­ bereich oberhalb des Werkstücks 2 begrenzen.

Die Gasleitplatten 12 verhindern eine übermäßige Verteilung des Prozeßgases im Innern der Vakuumkam­ mer 1 und leiten es gezielt an der Oberfläche des Werkstücks 2 entlang den Ansaugschlitzen 11 und so­ mit schließlich der Pumpe 6 zu. Mit Hilfe eines solchen Aufbaus können auch große Werkstückflächen schnell und bei geringem Einsatz an Prozeßgas be­ schichtet werden.

Das Werkstück 2 kann dabei auf der Elektrode 7 sta­ tionär gehalten oder auf der Elektrodenfläche ent­ langbewegt werden.

Insbesondere in letzterem Fall könnte die schlitz­ förmige Düse 3 auch durch eine Mehrzahl von in Längsrichtung des tunnelartigen Aufbaus hinterein­ ander angeordneten Lochdüsen ersetzt werden. Ein solcher Aufbau erlaubt die Erzeugung von reibarmen und verschleißfesten Oberflächenschichten bei kur­ zen Prozeßzeiten von weniger als 1 Minute in einem durchlauffähigen Prozeß und damit in einem wirt­ schaftlichen und kostengünstigen Verfahren.

Wenn das Werkstück 2 nichtleitend ist, so ist es wichtig, daß ein enger, möglichst formschlüssiger Kontakt zwischen ihm und der Plasmaelektrode 7 be­ steht, um Entladungen zwischen den beiden zu ver­ meiden.

Das Verfahren beziehungsweise der Aufbau eignen sich insbesondere zum Erzeugen einer verschleißmin­ dernden Beschichtung auf Gummiteilen wie etwa Scheibenwischern. Solche Werkstücke können bequem in Form eines Endlosbandes an der Oberfläche der stationär gehaltenen Elektrode in Längsrichtung des tunnelartigen Aufbaus gefördert werden, um sie in einem kontinuierlichen Prozeß schnell und preiswert zu beschichten.

Fig. 5 skizziert eine Abwandlung des mit Bezug auf Fig. 2 beschriebenen Verfahrens. Hier werden zur Anströmung des Werkstücks 2 mit dem Prozeßgas eine Mehrzahl von an einem als eine Gegenelektrode wir­ kenden Rohr verteilten Lochdüsen 3 von einem Durch­ messer von 0,8 mm benutzt. Das Rohr steht dem Werk­ stück in einem Abstand von 10 mm gegenüber. Das Werkstück 2 wird über eine von ihm verdeckte Elek­ trode 7 mit einer Wechselspannung mit einer Fre­ quenz von 13,56 MHz und einer Leistung von ca. 10 Watt pro cm² Oberfläche des Werkstücks 2 beauf­ schlagt. Der Druck in der Vakuumkammer beträgt ca. 1,6 Millibar. Die Abscheidung ist jeweils auf klei­ ne Flächenbereiche von ca. 0,25 cm² Oberfläche ge­ genüber jeder Düse 3 lokalisiert. Die Abscheiderate erreicht hier ca. 10 µm pro Minute bei einer Mikro­ härte von 1400 HV. Um eine homogene Beschichtung des Werkstücks auf seiner gesamten den Düsen zuge­ wandten Oberfläche zu erzielen, wird das Werkstück vor den Düsen bewegt, wie durch die Pfeile 13 ange­ deutet. Die Bewegung kann in einer Richtung, wie in der Figur angedeutet, oder auch in zwei Richtungen, in Form eines zeilenweisen Abtastens der Werkstück­ oberfläche, erfolgen. Auch bei dieser Abwandlung können Leitplatten zum Führen des Prozeßgases in der Umgebung der Werkstücke vorgesehen werden.

Gemäß einer weiteren, nicht zeichnerisch darge­ stellten Variante der Erfindung kann ein Werkstück auch innerlich beschichtet werden, indem die Düse, aus der das Prozeßgas austritt, in einen Hohlraum des Werkstücks eingeführt wird.

Claims (26)

1. Verfahren zum Beschichten von Werkstücken, bei dem ein Werkstück (2) in einer Vakuumkammer (1) ei­ nem Prozeßgas ausgesetzt wird und daraus resultie­ rende Reaktions- oder Zerfallsprodukte auf dem Werkstück (2) abgeschieden werden, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwei Pole, von denen einer das Werk­ stück (2) selbst ist, und der andere eine Gegen­ elektrode ist, mit einer Wechselspannung im Fre­ quenzbereich 10 kHz bis 100 MHz beaufschlagt wer­ den, um das Plasma zwischen den Polen zu erhalten, und daß ein Strom vom Prozeßgas durch eine Öffnung (3) der Gegenelektrode auf das Werkstück (2) ge­ lenkt wird.

2. Verfahren zum Beschichten von Werkstücken, bei dem ein Werkstück (2) in einer Vakuumkammer (1) ei­ nem Prozeßgas ausgesetzt wird und daraus resultie­ rende Reaktions- oder Zerfallsprodukte auf dem Werkstück (2) abgeschieden werden, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwei Pole, von denen einer eine un­ mittelbar hinter dem Werkstück (2) angeordnete Elektrode (7) ist, und der andere eine Gegenelek­ trode ist, mit einer Wechselspannung im Frequenzbe­ reich 10 kHz bis 100 MHz beaufschlagt werden, um das Plasma zwischen den Polen zu erhalten, und daß ein Strom von Prozeßgas durch eine Öffnung (3) der Gegenelektrode auf das Werkstück (2) gelenkt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Werkstück (2) elektrisch nichtleitend ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Werkstück (2) in unmittelba­ rem Kontakt mit der Elektrode (7) gebracht wird, und daß die Form der Elektrode (7) an die des Werk­ stücks (2) angepaßt ist.

5. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Werkstück (2) die aktive Oberfläche der mit Leistung versorgten Elektrode überdeckt und gegen die Reaktions- oder Zerfalls­ produkte abschirmt.

6. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine dielektrische Abschirmung (8) nicht von dem Werkstück (2) bedeckte Oberflä­ chenbereiche der Elektrode gegen elektrische Über­ schläge abschirmt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (2) oder die hinter dem Werkstück (2) angeordnete Elek­ trode (7) mit einem Wechselpotential beaufschlagt und die Gegenelektrode auf Erdpotential gehalten wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß das Werkstück (2) oder die hinter dem Werkstück (2) angeordnete Elektrode (7) auf Erdpotential gehalten und die Gegenelektro­ de mit einem Wechselpotential beaufschlagt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die zwei Pole erdfrei sind.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in der Vakuumkammer (1) zwischen 10^-2 und 10 mbar gehalten wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die eingespeiste Leistung der Wechselspannung 1 bis 100 Watt pro cm² zu beschichtender Oberfläche des Werkstücks (2) be­ trägt.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die das Plasma an­ regende Wechselspannung einen sinus-, rechteck-, dreieck- oder pulsförmigen zeitlichen Verlauf be­ sitzt.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom des Pro­ zeßgases gezielt auf einen Teil der Oberfläche des Werkstücks (2) gerichtet wird, um bevorzugt diesen Teil zu beschichten.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Prozeßgas an einer in Gasströmungsrichtung hinter dem Werkstück liegenden Stelle (9, 14) der Vakuumkammer (1) abge­ pumpt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Gasleitplatten (12) verwendet werden, um das Prozeßgas um das Werkstück (2) herum zu lei­ ten.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Prozeßgas we­ nigstens einen Kohlenwasserstoff, eine siliciumor­ ganische Verbindung oder eine metallorganische Ver­ bindung umfaßt.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Prozeßgas wenig­ stens ein Halogenid umfaßt.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Prozeßgas ferner wenigstens ein Reaktivgas wie etwa O₂, N₂, H₂O₂, H₂, NH₃ oder ein Inertgas wie etwa ein Edelgas umfaßt.

19. Vakuumkammer, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Kammer (1), einer Leitung (15) zum Zufüh­ ren eines Prozeßgases in die Kammer (1), Mitteln zum Evakuieren der Kammer (1) und zwei Polen, die mit einer Wechselspannung beaufschlagbar sind, um ein Plasma zwischen den Polen zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pol als eine Gegenelektrode mit einer Öffnung (3) ausgebildet ist, wobei die Leitung (15) auf die Öffnung (3) mündet und die Öffnung (3) geformt ist, um einen Prozeßgasstrahl in Richtung des anderen Pols in die Kammer (1) ab­ zugeben.

20. Vakuumkammer nach Anspruch 19, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der andere Pol das Werkstück (2) ist.

21. Vakuumkammer nach Anspruch 19, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der andere Pol eine unmittelbar hin­ ter dem Werkstück (2) angeordnete Elektrode (7) ist.

22. Vakuumkammer nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Öff­ nung (3) an die des zu beschichtenden Werkstücks (2) angepaßt ist.

23. Vakuumkammer nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abpumpstelle (9, 14) in der Kammer (1) in Verlängerung der Aus­ trittsrichtung des Prozeßgasstrahls hinter dem an­ deren Pol angeordnet ist.

24. Vakuumkammer nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Öff­ nung (3) und dem anderen Pol Gasleitplatten (12) angeordnet sind.

25. Vakuumkammer nach Anspruch 23 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasleitplatten (12) einen tunnelartigen Aufbau zum Aufnehmen oder Hindurchbe­ wegen des langgestreckten Werkstücks (2) bilden.

26. Vakuumkammer nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß ein Saugkasten (9) zum Absaugen des Prozeßgases aus der unmittelbaren Umgebung des Werkstücks innerhalb der Kammer (1) angeordnet ist.