DE3030454C2 - Vorrichtung zur großflächigen Abscheidung von haftfesten, insbesondere harten Kohlenstoffschichten - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung 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.
• Im Stand der Technik ist die Erzeugung ionisierter Gase und/oder Dämpfe mittels Gleichspannungsentladung und Niedervoltbogenentladung bekannt.
• Bei der Gleichspannungsentladung läßt sich die Erzeugung ionisierter Gase und/oder Dämpfe ohne Zusatzmaßnahmen nur durch relativ hohen Druck in der Vakuumkammer realisieren. 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.
• 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.
• Es ist weiterhin bekannt, die Geometrie der Entladungsquellen so zu gestalten, daß eine optimale Behandlung z. B. 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.
• 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 Flächen 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. 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.
• Speziell zur Kohlenstoffbeschichtung sind des weiteren komplizierte Ionenstrahlquellen bekanntgeworden (z. B. 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.
• Das Ziel der Erfindung besteht darin, großflächige Substrate mit einer haftfesten, insbesondere harten Kohlenstoffschicht, zum Zwecke erhöhter Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit zu beschichten.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die mittels ionisierter Gase und/oder Dämpfe auf großflächigen Substraten eine gleichmäßige haftfeste Beschichtung, insbesondere mit harten Kohlenstoffschichten, ermöglicht.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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 liegenden Substraten bzw. Substrathalter angezogen und wirken auf die Oberflächen der Substrate ein. Die Substratstromdichte, die die Ioneneinwirkung kennzeichnet, stellt sich über die gesamte Fläche weitgehend konstant ein. Diese Ionen, die je nach Verfahren und Arbeitsmedium unterschiedlich sein können, z. B. Kohlenstoffionen aus einem Benzol-Arbeitsmedium, bilden auf der Substratoberfläche eine haftfeste harte Schicht, im angegebenen Falle eine Kohlenstoffschicht.
• Die Arbeitsweise der gesamten Vorrichtung soll nachfolgend erläutert werden.
• Der Arbeitsraum wird durch bekannte Vakuumerzeuger 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 Emission von Elektronen notwendig ist.
• Im Falle isolierender Substrate ist eine Hochfrequenz-Spannung günstig. Bei Anwendung der Einrichtung für Plasma-aktive bzw. chemische Vorgänge und Ablagerprozesse ist i. a. keine Substratspannung erforderlich, so daß die Substrate mit der geerdeten Ionisationskammerwand verbunden sein können. 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 Beschleunigungselektrode anzuordnen.
• Bei wärmeempfindlichen Substraten, z. B. Plastwerkstoffen, ist es vorteilhaft, zwischen Glühkatode und Anode an sich bekannte Strahlungsblenden anzuordnen, die die geradlinige Wärmestrahlung verhindern.
• Die geometrisch konstruktive Gestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 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.
• Eine planparallele Anordnung läßt sich sinnvoll mit einem Schleusen-Durchlaufsystem verbinden. Ausführungen konzentrischer Anordnung mit zentrischer Glühkatode sind im Ausführungsbeispiel dargestellt.
Ausführungsbeispiel
• Die Erfindung soll nachfolgend an vier Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in
• Fig. 1 - einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 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 Vorrichtung angeordnet ist. Die Vakuumerzeugung und Zuführung des Reaktionsgases bzw. -dampfes erfolgt über den Flanschanschluß und ist nicht näher dargestellt.
• 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 Ionisierungseinrichtung 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 × 10^-2 Pa und dem Arbeitsmedium Benzol 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.
• Konstruktiv besteht die Glühkatode 5 aus einem hochschmelzenden Material, z. B. Tantal 0,6 mm² 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. Die erforderlichen elektrischen Spannungen werden im Beispiel über den Rezipiententeller in bekannter Weise zugeführt.
• Wenn als Beispiel eine harte Kohlenstoffschicht auf die Substrate abgeschieden werden soll, dann wird im Rezipient z. B. eine Benzolatmosphäre von 1 × 10^-1 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 Elektronenemission erforderliche Temperatur gebracht. Die Anode 6 liegt auf einer Spannung von +100 V gegenüber der Glühkatode 5 und es fließt ein Anodenstrom von 2 A. Die Substratanordnung 4 liegt auf einer negativen Spannung von -600 V gegenüber Masse.
• Bei dieser Vorrichtung bildet sich in der Ionisierungskammer 1 und im gesamten Rezipienten ein diffuses Plasma aus. Durch das negative Potential der Substratanordnung 4 werden die Ionen aus dem Plasma heraus auf die Substratanordnung 4 extrahiert. Die Ionenstromdichte beträgt bei einer negativen Spannung der Substratanordnung 4 von -600 V etwa 0,15 mA · cm^-2.
• Dieser Ionenstrom ist ausreichend für eine haftfeste Abscheidung einer harten Kohlenstoffschicht, z. B. auf einen Werkzeugstahl zur Verschleißminderung.
• 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.
• 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.
• Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem mehrere Substrathalter 4 stabförmig und rotierbar ausgeführt werden, auf denen vorzugsweise scheibenförmige Substrate 9 befestigt werden können.
• Fig. 4 zeigt die Draufsicht auf eine Vorrichtung, 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.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur großflächigen Abscheidung von haftfesten, insbesondere von harten Kohlenstoffschichten, mittels ionisierten Gasen und/oder Dämpfen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Glühkatode (5) gegenüber den Substraten angeordnet ist und daß der Glühkatode (5) Reflektorelektroden (2) zugeordnet sind, derart, daß ihr Abstand untereinander sowie der Abstand einer hochtransparenten Anode (6), zwischen Glühkatode (5) und Substraten, zur Glühkatode (5) etwa gleich der mittleren freien Weglänge der Elektronen entspricht.

2. Vorrichtung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Glühkatode (5) mindestens gleich der axialen Ausdehnung der Substrate ist.

3. Vorrichtung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektorelektroden (2) auf Katodenpotential liegen.

4. Vorrichtung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektorelektroden (2) rechtwinklig zur Achse der Glühkatode (5) angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Punkt 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Reflektorelektroden (2) die Substrate mindestens um ¹/₃ des Abstandes der Reflektorelektroden (2) untereinander überragen.

6. Vorrichtung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (6) und die Substrate konzentrisch zur Glühkatode (5) angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar vor den Substraten eine Beschleunigungselektrode (8) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Glühkatode (5) und Anode (6) Strahlungsblenden (7) angeordnet sind.