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Einrichtung zur großflächigen Abscheidung von haftfesten,
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insbesondere harten Kohlenstoffschichten Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur großflächigen Abscheidung von haftfesten,
insbesondere harten Kohlenstoffschichten auf Substraten mittels ionisierter Gase
und/oder Dämpfe. Der Einsatz derartiger Schichten kann sehr verschiedenartig sein.
Er reicht von Werkzeugen mit verbesserter Oberflächenhärte bis zu Plastwerkstoffen
mit erhöhter Kratzfestigkeit.
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Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Im Stand der Technik
ist die Erzeugung ionisierter Gase und/oder Dämpfe mittels Gleichspannungsentladung
und Niedervoltbogenentladung bekannt.
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Bei der Gleichspannungsentladung läßt sich die Erzeugung ionisierter
Gase und/oder Dämpfe ohne Zusatzmaßnahmen nur durch relativ hohen Druck in der Vakuumkammer
realisieren.
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Dadurch müssen die bekannten Nachteile, wie z. B. störender Gaseinbau
in den aus dem Plasma abgeschiedenen Schichten, in Kauf genommen werden. Durch Anwendung
einer Glühkatode als Elektronenemitter läßt sich der Arbeitsdruck in günstigere
Bereiche senken.
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Hierzu sind mehrere Varianten bekanntgeworden. Meist wird die Glühkatode
in einer kleinen separaten Kammer, die über
eine Öffnung mit der
eigentlichen Behandlungskammer verbunden ist, betrieben. In der kleinen Kammer wird
oft ein höherer Druck aufrechterhalten und die Entladung brennt zwischen Glühkatode
und einer in der Behandlungskammer befindlichen Anode, wobei zur Verstärkung und
Bündelung der Entladung ein Magnetfeld erzeugt wird (DE-PS 22 46 983, DE-PS 17 65
625). Dies erfordert einen hohen technischen Aufwand, wobei ohne weitere Maßnahmen
meist nur kleinere Oberflächen gleichmäßig behandelt werden können.
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Es ist weiterhin bekannt, die Geometrie der Entladungsquellen so zu
gestalten, daß eine optimale Behandlung z. B.
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von Targetoberflächen bei der Katodenzerstäubung oder von Substratflächen
bei Plasmabehandlungen möglich ist. Dies ist z. B. befriedigend für Gleichspannungsentladungsquellen
gelungen, wo die Anordnung von Katode, Anode und der sich dazwischen befindlichen
Auffängerflächen konzentrisch zueinander und zylindersymmetrisch erfolgt ist.
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Im Falle der Niedervoltbogenentladung bei relativ niedrigem Druck
mit Glühkatode gibt es Einrichtungen, die zwar in der Behandlungskammer angeordnet
sind, aber nur die Behandlung kleiner Plächen zulassen. Bei diesen Einrichtungen
sind deren Elektroden nacheinander auf einer Längsachse angeordnet. Dadurch wird
die Austrittsfläche für Elektronen bzw. für die in der Einrichtung entstehenden
Ionen durch die Größe der Absaugelektrodenöffnung bestimmt.
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Im Endeffekt bestimmt diese Größe die gleichmäßig behandelbare Fläche.
Einer Vergrößerung dieser Einrichtung zur Anwendung für industrielle Zwecke sind
Grenzen gesetzt, wobei dann auch die volle Gleichmäßigkeit nicht erreicht werden
kann.
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Speziell zur Kohlenstoffbeschichtung sind des weiteren komplizierte
Ionenstrahlquellen bekanntgeworden (z. B.
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Aisenberg, Chabot; J. Appl. Phys. 42 (1971) 2953), wobei der erhebliche
apparative und technologische Aufwand in keinem Verhältnis zur geringen zu beschichtenden
Fläche und somit einer industriellen Anwendung im Wege stehen.
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Ziel der Erfindung Das Ziel der Erfindung besteht darin, großflächige
Substrate mit einer haftfesten, insbesondere harten Kohlenstoffschicht, zum Zwecke
erhöhter Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit zu beschichten.
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Darlegung des Wesens der ;'Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe
zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, die mittels ionisierter Gase und/oder Dämpfe
auf großflächigen Substraten eine gleichmäßige haftfeste Beschichtung, insbesondere
mit harten Kohlenstoffschichten, ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß gegenüber den
Substraten eine Glühkatode angeordnet ist, der Reflektorelektroden zugeordnet sind,
derart, daß ihr Abstand untereinander und der Abstand einer hochtransparenten Anode
zwischen Glühkatode und Substrat zur Glühkatode etwa gleich der mittleren freien
Weglänge der Elektronen beträgt.
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Die Länge der Glühkatode beträgt vorteilhafterweise mindestens gleich
der axialen Ausdehnung der Substrate. Das Potential der Reflektorelektroden ist
gleich oder etwa gleich dem Potential der Glühkatode. Konstruktiv werden die Reflektorelektroden
als Bleche ausgebildet, die rechtwinklig zur Achse der Glühkatode angeordnet sind.
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Zur Gewährleistung einer gleichmäßigen Schichtdicke auch in den Randbereichen
der Substrate werden die äußeren Reflektorelektroden so angeordnet, daß sie die
Substrate mindestens um 1/3 des Abstandes der Reflektorelektroden untereinander
überragen.
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Mit dieser erfindungsgemäßen Einrichtung wird erreicht, daß die von
der Glühkatode emittierten Elektronen zwischen den Reflektorelektroden, in dadurch
gebildeten Entladungskammern, gut reflektiert werden und ein stabiles Plasma auch
bei niedrigen Drücken erzielt wird.
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Die emittierten Elektronen, die z. T. nach mehrfacher Reflexion an
den Reflektorelektroden zur Anode beschleunigt werden, sind in der Lage, insbesondere
in Nähe der Anode Gas- bzw. Dampfteilchen zu ionisieren, so daß sich im Arbeitsraum
ein diffuses Plasma ausbreitet. Die im Plasma vorhandenen Ionen werden von den temperierbaren
und auf einem gegenüber der Glühkatode negativen Potential liegen den Substraten
bzw. Substrathalter angezogen und wirken auf die Oberflächen der Substrate ein.
Die Substratstromdichte, die die Ioneneinwirkung kennzeichnet, stellt sich über
die gesamte Pläche weitgehend konstant ein.
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Diese Ionen, die je nach Verfahren und Arbeitsmedium unterschiedlich
sein können, z. B. Kohlenstoffionen aus einem Benzen-Arbeitsmedium, bilden auf der
Substratoberfläche eine haftfeste harte Schicht, im angegebenen Falle eine Kohlenstoffschicht0
Die Arbeitsweise der gesamten Einrichtung soll nachfolgend erläutert werden.
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Der Arbeitsraum wird durch bekannte Vakuunierzeuger evakuiert und
durch an sich bekannte Dosierventile werden die für die Erzeugung der haftfesten
harten Schichten erforderlichen Gase bzw. Dämpfe eingelassen und der gewünschte
Arbeitsdruck, eventuell nach Drosselung der Saugleistung der Vakuumerzeuger, eingestellt.
Durch Stromdurchgang wird die Glühkatode auf eine Temperatur aufgeheizt, die für
die RmisRion von Elektronen notwendig ist.
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Im Falle isolierender Substrate ist eine HF-Spannung günstig. Bei
Anwendung der Einrichtung für Plasma-aktive bzw.
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chemische Vorgänge und Ablagerprozesse ist i. a. keine Substratspannung
erforderlich, so daß die Substrate mit der geerdeten Ionisationskammerwand verbundensein
können.
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Das Vakuumgefäß kann sowohl aus Glas als auch aus Metall gefertigt
sein, wobei es dann Erdpotential besitzt und zwischen Erdpotential und Glühkatode
ein Widerstand zugeschaltet ist, der entsprechend der anderen gewählten Potentiale
zu dimensionieren ist. Insbesondere bei isolierenden Substraten ist es vorteilhaft,
unmittelbar vor den
Substraten eine auf negativen Potential liegende
Netzelektrode als Eeschleunigungselektrode anzuordnen.
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Bei wärmeempfindlichen Substraten, z. B. Plastwerkstoffen, ist es
vorteilhaft, zwischen Glühkatode und Anode an sich bekannte Strahlungsblenden anzuordnen,
die die geradlinige Wärmestrahlung verhindern.
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Die geometrisch konstruktive Gestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung
kann sowohl planparallel als auch konzentrisch mit innerer Glühkatode erfolgen.
Im Bedarfsfall, z. B. bei größeren zylinderförmigen Substraten, ist auch der umgekehrte
Fall möglich, daß das zentrische Substrat von Anode und Glühkatode mit Reflektorelektroden
umgeben ist.
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Eine planparallele Anordnung läßt sich sinnvoll mit einem Schleusen-Durchlaufsystem
verbinden. Ausführungen konzentrischer Anordnung mit zentrischer Glühkatode sind
im Ausführungsbeispiel dargestellt.
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Ausführungsbeispiel Die Erfindung soll nachfolgend an vier Ausführungsbeisoielen
näher erläutert werden.
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Die Zeichnung zeigt in Fig. 1 - einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße
Einrichtung mit zylinderförmiger Substratanordnung Fig. 2 - die Anordnung nach Fig.
1 mit Beschleunigungselektrode Fig. 3 - eine erfindungsgemäße Einrichtung mit planetenartiger
Substratanordnung Fig. 4 - eine Anordnung nach Fig. 1 mit Wärmestrahlungsblenden
In Fig. 1 ist ein Rezipient dargestellt, in dem eine erfindungsgemäße Einrichtung
angeordnet ist. Die Vakuumerzeugung und Zuführung des Reaktionsgases bzw. -dampfes
erfolgt über den Flanschanschluß und ist nicht näher dargestellt.
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Der eigentliche Arbeitsraum ist die mit 1 bezeichnete Ionisierungskammer.
Diese wird durch die Substratanordnung (Substrat und Substrathalter) 4 zylindrisch
nach außen begrenzt. Zentrisch ist die lonisierungseinrichtung angeordnet. Diese
besteht aus einer Glühkatode 5, sie ist spiralförmig, axial zur Substratanordnung
4 in gleicher Länge wie diese, um einen Haltestab angeordnet. Am gleichen Haltestab
sind auch die erfindungsgemäßen, im Beispiel scheibenartigen Reflektorelektroden
2, angeordnet. Die äußeren Reflektorelektroden 2 ragen axial um 1/3 des Maßes zwischen
den Reflektorelektroden 2 über die axiale Länge der Substratanordnung 4 hinaus.
Der Abstand zwischen den Reflektorelektroden 2 beträgt bei einem Arbeitsdruck von
5 x 10 2 Pa und dem Arbeitsmedium Benzen zur Lieferung von C-Ionen etwa 50 mm. Dieses
Maß gilt auch für den radialen Abstand zwischen der Glühkatode 5 und der konzentrisch
angeordneten hochtransparenten Anode 6. Der Raum zwischen den einzelnen Reflektorelektroden
2 und der Anode 6 bildet die eigentliche Entladungskammer 3, innerhalb dessen sich
ein Plasma ausbildet und das Arbeitsmedium ionisiert wird.
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Konstruktiv besteht die Glühkatode 5 aus einem hochschmelzenden Material,
z. B. Tantal 0,6mm2 und 350 mm Drahtlänge. Die Reflektorelektroden 2 bestehen aus
1 mm dicken Stahlblechscheiben, und die Anode 6 besteht aus gitterförmig angeordneten
Stahldrähten mit einem Durchmesser von 1 mm.
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Die erforderlichen elektrischen Spannungen werden im Beispiel über
den Rezipiententeller in bekannter Weise zugeführt.
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Wenn als Beispiel eine harte Kohlenstoffschicht auf die Substrate
abgeschieden werden soll, dann wird im Rezipient z. 3. eine Benzenatmosphäre von
1 x 1011 Pa erzeugt. An die Glühkatode wird eine Spannung von 30 V und ein Strom
von 35 A angelegt. Damit wird die Glühkatode 5 auf die für eine gute Elektronenemittierung
erforderliche Temperatur gebracht.
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Die Anode 6 liegt auf einer Spannung von +100 V gegenüber der Glühkatode
5 und es fließt ein Anodenstrom von 2 A. Die Substrat anordnung 4 liegt auf einer
negativen Spannung von
-600 V gegenüber Masse.
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Bei dieser Einrichtung bildet sich in der Ionisierungskammer 1 und
im gesamten Rezipienten ein diffuses Plasma aus.
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Durch das negative Potential der Substratanordnung 4 werden die Ionen
aus dem Plasma heraus auf die Substratanordnung 4 extrahiert. Die lonenstromdichte
beträgt bei einer negativen Spannung der Substratanordnung 4 von -600 V etwa 0,15
mAcm 2.
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Dieser Ionenstrom ist ausreichend für eine haftfeste Abscheidung einer
harten Kohlenstoffschicht, z. B. auf einen Werkzeugstahl zur Verschleißminderung.
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Im Bedarfsfall ist es auch möglich, mit der selben Einrichtung vor
dem Einlaß des Arbeitsmediums eine Edelgasatmosphäre zu erzeugen und durch Beschuß
der Substrate durch Anlegen einer Spannung von z. B. -2 kV mit Edelgasionen, z.
B. Argonionen, diese zu reinigen. Erst im zweiten Schritt werden nach Erzeugung
einer Atmosphäre aus dem Arbeitsmedium die schichterzeugenden Ionen auf dem Substrat
abgeschieden. Diese Verfahrensvariante dient vor allem einer hohen Haftfestigkeit.
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In Fig. 2 ist grundsätzlich die gleiche Einrichtung wie in Fig. 1
dargestellt. In Abweichung dazu wurde jedoch unmittelbar vor der Substratanordnung
4 eine Beschleunigungselektrode 8 angeordnet. diese liegt auf negativer Spannung
gegenüber Masse und ermöglicht insbesondere eine gute Beschichtung nichtleitender
Substrate, z. B. aus Plastwerkstoff.
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Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem mehre-,re Substrathalter
4 stabförmig und rotierbar ausgeführt werden, auf denen vorzugsweise scheibenförmige
Substrate 9 befestigt werden können.
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Fig. 4 zeigt die Draufsicht auf eine Einrichtung, die besonders zur
Beschichtung wärmeempfindlicher Substrate geeignet ist. Durch geeignet angeordnete
Strahlungsblenden 7 innerhalb der Einrichtung nach Fig. 1 zwischen Glühkatode 5
und Anode 6 kann die von der Katode auf den Substrathalter 4 treffende Wärmestrahlung
verringert werden.