DE3821815A1 - Vorrichtung zur beschichtung eines laenglichen innenraums eines hohlkoerpers mit einer diamantartigen, harten kohlenstoffbeschichtung mit hilfe eines plasmagestuetzten cvd-verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beschichtung wenigstens einer Innenwand eines einen länglichen Innen­ raum aufweisenden Hohlkörpers mit einer diamantartigen, harten Kohlenstoffbeschichtung mit Hilfe eines plasma­ gestützten CVD-Verfahrens, wobei ein wenigstens ein Kohlenwasserstoffgas enthaltendes Prozeß­ gas durch den Innenraum des unbeheizten Hohlkörpers geleitet wird, in dem ein Plasma das Prozeßgas anregt, dissoziiert und ionisiert und die so entstandenen Ionen zur Ausbildung der Beschichtung auf die zu beschichtende Innenwand beschleunigt, mit einem HF-Generator, der an den Hohlkörper angeschlossen ist, mit einer Erdung zur Ausbildung des Plasmas zwischen dem Hohlkörper und der Erdung und mit einer in den Innenraum des Hohlkörpers mündenden Zufuhrleitung für die gesteuerte Einleitung des Prozeßgases in den Innenraum des Hohlkörpers.

Eine derartige Vorrichtung beschreibt die US-PS 43 82 100, und zwar dort insbesondere in Fig. 4a mit zugehöriger Beschreibung. Der Hohlkörper ist dort als Rohr ausgebildet und beide Stirnseiten des Rohres sind mit Isolierscheiben abgeschlossen, in die die aus Metall bestehenden Zufuhr­ leitungen für das Prozeßgas einmünden. Die Zufuhrleitungen sind geerdet, so daß das Plasma zwischen der metallischen Rohrwand und den zentrisch und stirnseitig in das Rohr einmündenden Zufuhrleitungen ausgebildet wird.

Mit dieser bekannten Vorrichtung lassen sich aber nur Rohre mit verhältnismäßig großem Innendurchmesser beschichten und auch nur mit verhältnismäßig niedrigen Abscheideraten. Dies beruht darauf, daß durch die geschilderte Anordnung der Erdungen das Plasma in ver­ hältnismäßig dünnen und langen Rohren nicht zufrieden­ stellend brennt, um die gesamte Innenwand eines solchen Rohres über deren gesamte Länge befriedigend beschichten zu können.

Dies US-PS beschreibt in einer anderen Ausführungsform - vergl. dort insbesondere Fig. 5a - die Beschichtung einer Scheibe mit einer diamantartigen Kohlenstoffschicht. Diese ist dort in ein Vakuumgefäß eingesetzt, in das eine Leitung für das Prozeßgas einmündet. Mit dieser Anordnung lassen sich enge Innenräume von Hohlkörpern überhaupt nicht beschichten, weil im Innenraum kein Plasma brennen kann.

Zum Stand der Technik wird auch noch verwiesen auf die US-PS 44 10 504, die schon die Beschichtung der Innenwand eines Glasrohres beschreibt, durch das ein Kohlenwasser­ stoffgas hindurch geleitet wird. Dort benutzt man aber nicht ein wie vorstehend definiertes plasmagestütztes CVD-Verfahren, sondern man erhitzt das Prozeßgas auf eine Temperatur zwischen etwa 1000 und 1200°C, um auf diese Weise die für die Abscheidung des Kohlenstoffs aus dem Prozeßgas notwendige Energie aufzubringen. Von diesem Verfahren macht die vorliegende Erfindung keinen Gebrauch, insbesondere wegen der hierbei notwendigen hohen Tempera­ turen, die einerseits einen besonderen apparativen Aufwand mit sich bringen und andererseits die Beschichtung zahl­ reicher Substrate nicht gestatten, weil diese bei den erwähnten hohen Temperaturen ihre Eigenschaften in uner­ wünschter Weise verändern, beispielsweise niedrigschmelzen­ de Metalle, legierte Stähle usf.

Die Erfindung vermeidet diese Nachteile. Ihr liegt, aus­ gehend von einer Vorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen, die Aufgabe zugrunde, diese so auszugestalten, daß auch verhältnismäßig enge Hohlräume mit Hilfe des plasmagestützten CVD-Verfahrens bei einer verhältnis­ mäßig hohen Abscheiderate beschichtet werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Erdung an ein Vakuumgehäuse angeschlossen ist, in das der Innenraum des Hohlkörpers einmündet und daß den Hohlkörper von der Einmündung beab­ standet umgibt.

Durch diese Maßnahmen ist es möglich, über die erwähnte Zufuhrleitung für das Prozeßgas in dem zu beschichtenden Innenraum eine hohe Ionendichte aufrecht zu erhalten, die zu der gewünschten hohen Abscheiderate führt, und zwar auch bei verhältnismäßig schmalen Innenräumen, bei­ spielsweise mit einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser bei etwa 10. Entsprechend der gewünschten hohen Ionen­ dichte wird man die Durchflußrate des Prozeßgases durch den zu beschichtenden Innenraum einstellen. Beispiele hierfür werden weiter unten angegeben. Das Plasma brennt im Innenraum an allen Stellen sehr gleichmäßig und es liegt dort eine verhältnismäßig gleichmäßige Ionendichte vor. Dies beruht darauf, daß der Gegenpol zur Ausbildung des Plasmas, d.h. die Erdung, nicht wie in der erwähnten US-PS 43 82 100 direkt an den Innenraum angrenzt, sondern von diesem einen fühlbaren Abstand einnimmt, so daß in dem dadurch ausgebildeten Plasmaraum ebenfalls ein Plasma brennen kann. Die Prozeßbedingungen in diesem Plasmaraum und auch die Zufuhrrate des Prozeßgases zum Innenraum werden nun so eingestellt, daß in dem zu beschichtenden Innenraum die angestrebte hohe Ionendichte herrscht und es kann im Plasmaraum daher ein zusätzliches Plasma brennen.

Abweichend vom Vorbild nach der erwähnten US-PS liegt bei der vorliegenden Erfindung die Zufuhrleitung also nicht an Erde. Dies erreicht man am einfachsten, wenn, wie dies bevorzugt wird, die Zufuhrleitung für das Prozeßgas aus Isoliermaterial besteht. Sofern man aber eine Zufuhrleitung aus Metall verwendet, so soll diese elektrisch isoliert sein, damit sie nicht als Erde wirken kann.

Eine wichtige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß an das Vakuumgehäuse ein zusätzlicher Anschluß mit einem Ventil für die Einleitung des Prozeß­ gases auch direkt in das Vakuumgehäuse vorgesehen ist. Dadurch kann man die Parameter des im Plasmaraum brennenden Plasmas geeignet einstellen.

Aus demselben Grunde ist an das Vakuumgehäuse auch eine Saugpumpe angeschlossen. Diese wird so eingestellt, daß die gewünschten Druckbedingungen sowohl in dem zu beschich­ tenden Innenraum wie auch im Plasmaraum eingehalten bleiben. Dies hängt natürlich von der Zufuhrrate des Prozeßgases in den Innenraum bzw. in den Plasmaraum ab.

Es wurde schon darauf hingewiesen, daß bei dem erfindungs­ gemäßen Verfahren der zu beschichtende Hohlkörper nicht gesondert beheizt wird. Durch das brennende Plasma erfährt er aber eine mehr oder weniger starke Erwärmung. Je nach der gewünschten Verfahrensführung kann es nun vorteilhaft sein, diese erzeugte Wärmemenge abzuleiten, damit der Hohlkörper eine bestimmte Temperatur nicht überschreitet, beispielsweise weil das Material des Hohlkörpers dann unerwünschte Eigenschaften annehmen würde. Bei diesen Verfahrensbedingungen ist es daher vorteilhaft, wenn der Hohlkörper gekühlt wird. Die Kühlung wird beispiels­ weise dadurch erreicht, daß man dem Hohlkörper eine ent­ sprechend große Masse mitteilt, so daß ausreichend Wärme vom Innenraum nach außen abgeführt wird. Zu demselben Zweck kann man auch einen Kühlkörper entsprechend großer Masse, ebenfalls aus Metall in Kontakt mit dem Hohlkörper bringen, und/oder man kühlt den Hohlkörper bzw. den Zusatz­ körper durch eine geeignete Kühlanlage, beispielsweise Kühlwasser.

Wenn man einen nach Art eines Sacklochs ausgebildeten Innenraum beschichten will, so wird man die Zufuhrleitung in den Innenraum bis zu einer geeigneten Tiefe einführen. Soll aber ein rohrförmig gestalteter Innenraum, der also beidseits offen ist, beschichtet werden, so wird man die Zufuhrleitung an eines der Enden des Rohres anschließen. Sofern man gesondert profilierte Flächen beschichten will, so kann man den Hohlkörper aus mehreren Hohlkörperteilen zusammensetzen, so daß nur die Innenflächen dieser Teile entsprechend beschichtet werden.

In der Regel besteht zumindest derjenige Teil des Hohl­ körpers, dessen Innenwand beschichtet werden soll, aus elektrisch leitfähigem Material, vorzugsweise aus Metall. Es kann aber auch Anwendungsfälle geben, bei denen Hohlkörper aus elektrisch nicht leitenden oder nur wenig leitenden Materialien entsprechend beschichtet werden und auch auf diesen Anwendungsfall bezieht sich die Erfindung.

Diese wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, aus denen sich weitere wichtige Merkmale ergeben. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch eine Ansicht der wesentlichen Bauelemente bei einer ersten Ausführungs­ form der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 einen gegenüber Fig. 1 vergrößerten Schnitt zur Darstellung des dort vorgesehenen Hohl­ körpers mit zugehörigen Bauelementen;

Fig. 3 einen Schnitt entsprechend Fig. 2 bei einer anderen Ausführungsform;

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen aus mehreren Platten zusammengesetzten Hohlkörper und

Fig. 5 eine Abänderung von Fig. 4.

Zunächst sei der grundsätzliche Aufbau der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung anhand von Fig. 1 erläutert. Danach ist ein Gehäuse 1 vorgesehen, in dem über eine zu einer Pumpe führende Pumpenleitung 2 ein Vakuum in einem vorbestimmten Unterdruckbereich aufrechterhalten wird. In das Gehäuse mündet außerdem eine erste Zufuhrleitung 3 für ein Prozeß­ gas ein sowie ggf. auch eine zweite Zufuhrleitung 4 für das Prozeßgas. In beiden Leitungen sind Ventile 5 vorge­ sehen, mit denen der Querschnitt der Leitungen mehr oder weniger geöffnet bzw. auch ganz geschlossen werden kann. Eine Vorratsquelle für das Prozeßgas ist bei Pos. 6 angedeutet.

Im Gehäuse 1 ist geeignet gehaltert und elektrisch isoliert vom Gehäuse eine Platte 7 angeordnet, auf der ein Hohl­ körper 8 steht. Der Hohlkörper hat einen länglichen Innenraum 9, dessen Wandung mit einer diamantartigen, harten Kohlenstoffbeschichtung versehen werden soll.

Zu diesem Zweck ist der Innenraum 9 über eine im Hohl­ körper 8 angelegte Verbindungsleitung 10 an die Zufuhr­ leitung 3 für das Prozeßgas angeschlossen und der Hohl­ körper 8 ist über eine Hochfrequenzleitung 11 und einen Kondensator 12 an einen HF-Generator 13 angeschlossen. Der elektrische Anschluß zwischen der Leitung 11 und dem Hohlkörper 8 kann auch über die Platte 7 erfolgen, sofern diese elektrisch leitend ist, wie dies in Fig. 1 ange­ deutet ist.

Im Betrieb wird das Prozeßgas über die Leitungen 3, 10 dem Innenraum 9 zugeführt, in dem ein geeignetes Vakuum herrscht. Über den Generator 13 wird dann im Innenraum ein Plasma erzeugt, so daß die Wandung des Innenraums in der vorstehend beschriebenen Art und Weise beschichtet wird.

Gleichzeitig kann das Prozeßgas über die Leitung 4 in einen Plasmaraum 14 eingegeben werden, in dem auch ein Plasma brennt, und zwar weil das Gehäuse 1 geerdet ist, wie bei Pos. 15 angedeutet.

Falls gewünscht kann dem Prozeßgas Wasserstoffgas zugesetzt werden, wodurch dann besonders eigenspannungsarme Beschich­ tungen abgeschieden werden, was wiederum Vorteile hat, wenn man größere Schichtdicken der Beschichtung erreichen will.

Fig. 2 zeigt in gegenüber Fig. 1 vergrößertem Maßstab den Hohlkörper 8 mit dem in seinem Innenraum brennenden Plasma, wobei auch die Beschichtung bei Pos. 16 angedeutet ist. Alternativ kann der Hohlkörper 8 auch als elektrisch leiten­ de, wärmeleitfähige Halterung für den zu beschichtenden Hohlkörper ausgebildet sein, der dann bei Pos. 16 angeordnet wird. Der Übergang zwischen der Leitung 10 und dem Innenraum 9 kann konisch sein, wie bei Pos. 17 angedeutet, oder auch als gleichbleibende Bohrung, wie bei Pos. 18 angedeutet.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Ausführungsform, bei der ein Sackloch 19 beschichtet werden soll. Hier ragt die Leitung 3 von der Mündung 20 des Sacklochs her in das Sackloch. Ansonsten ist der Aufbau bei der Anordnung nach Fig. 3 grundsätzlich wie vorher anhand von Fig. 1 beschrieben.

Fig. 4 zeigt die Zusammensetzung eines Hohlkörpers 8 durch mehrere ebene Platten 21 und in Fig. 5 wird der Innenraum 9, 19 durch eine Platte 21 und ein C-Profilstück 22 begrenzt.

Das verwendete Prozeßgas kann reiner Kohlenwasserstoff sein, zum Beispiel Acetylen, oder auch ein Gasgemisch, z.B. Acetylen, Wasserstoff und Argon. Das Werkstück wird auf der hochfrequenzgespeisten Elektrode in eine wärmeableitende, elektrisch leitfähige Halterung eingespannt. Durch die Öffnung in der Halterung wird das Prozeßgas in den Hohlraum so eingelassen, daß im Innenraum des Werkstücks eine elektrische Entladung gezündet werden kann. Dabei kann auch im Außenraum 14, also um das Werkstück bzw. die Halterung herum eine Entladung brennen.

Der Druck im Außenraum kann durch die separate Gaszuführung über die Leitung 4 eingestellt werden.

Das Werkstück bzw. der Hohlkörper 8 kann auch mit einer negativen Vorspannung versehen werden. Gegebenfalls muß die Halterung gekühlt werden, um die Beschichtungstem­ peratur an der Innenwand des Hohlkörpers niedrig zu halten.

Auf diese Weise wird zunächst die zu beschichtende Innen­ fläche sputtergereinigt, indem nämlich als Prozeßgas ein Edelgas, z.B. Argon, eingesetzt wird. Der Argon-Gasfluß beträgt hierbei z.B. 18 ml/min. Die negative Vorspannung lag bei etwa 150 V und der Druck im Außenraum bei 10 mTorr.

Anschließend wird unmittelbar das kohlenwasserstoffhaltige Prozeßgas zur Beschichtung über die Leitungen 3, 10 einge­ lassen und es wird eine Schicht aus diamantartigem Kohlen­ stoff auf der Innenfläche abgeschieden. Hierbei betrug der Gasfluß 28 ml/min bei einer negativen Vorspannung von 250 V. Der Druck im Außenraum 14 lag bei 25 mTorr.

Die hierbei erzielte Abscheiderate ist wesentlich höher als bei üblichen Beschichtungsverfahren, wo sie bei typ. 1 µm/h liegt. Bei der Erfindung betrug sie dagegen 3 µm/min. Bei engeren Rohren wurden auch schon 50 µm/min erhalten.

Der Gasausnutzungsgrad des erfindergemäßen Verfahrens ist sehr hoch. Er beträgt etwa 50%. Übliche Beschichtungs­ verfahren kommen auf lediglich etwa 5%.

Die abgeschiedenen Schichten sind eigenspannungsarm, so daß auch dicke Schichten, z.B. 50 µm dick aufgebracht werden können.

Beschichtet wurden Werkstücke mit einem Verhältnis von Rohrdurchmesser zu Rohrlänge im Bereich zwischen 20 mm zu 60 mm und 2 mm zu 20 mm. Aber auch Rohrdurchmesser größer als 20 mm bzw. kleiner als 2 mm lassen sich so be­ schichten.

Die Innenräume müssen nicht zylindrisch sein. Sie können vielmehr auch komplizierter geformt sein, beispielsweise konisch.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden besonders gute Ergebnisse, d.h. eingespannungsarme Schichten, erzielt, wenn man ein sauerstoffreies oder zumindest ein sauerstoff­ armes Prozeßgas einsetzt.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Beschichtung wenigstens einer Innen­ wand eines einen länglichen Innenraum aufweisenden Hohlkörpers mit einer diamantartigen, harten Kohlen­ stoffbeschichtung mit Hilfe eines plasmagestützten CVD-Verfahrens, wobei ein wenigstens ein Kohlenwasser­ stoffgas enthaltendes Prozeßgas durch den Innenraum des unbeheizten Hohlkörpers geleitet wird, in dem ein Plasma das Prozeßgas anregt, dissoziiert und ionisiert und die so entstandenen Ionen zur Aus­ bildung der Beschichtung auf die zu beschichtende Innen­ wand beschleunigt, mit einem HF-Generator, der an den Hohlkörper angeschlossen ist, mit einer Erdung zur Ausbildung des Plasmas zwischen dem Hohlkörper und der Erdung und mit einer in den Innenraum des Hohlkörpers mündenden zufuhrleitung für die gesteuerte Einleitung des Prozeßgases in den Innenraum des Hohl­ körpers, dadurch gekennzeichnet, daß die Erdung (15) an ein Vakuumgehäuse (1) ange­ schlossen ist, in das der Innenraum (9, 19) des Hohl­ körpers (8) einmündet und das den Hohlkörper (8) von der Einmündung (20) beabstandet umgibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhrleitung (3) für das Prozeßgas aus Isoliermaterial besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an das Vakuumgehäuse (1) ein zusätzlicher Anschluß (4) mit einem Ventil (5) für die Einleitung des Prozeßgases auch direkt in das Vakuumgehäuse (1) vor­ gesehen ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an das Vakuumgehäuse (1) eine Saugpumpe angeschlos­ sen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (8) gekühlt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Beschichtung der Innenwand eines beidseits offenen, rohrförmigen Innenraumes die Zufuhrleitung (3) an ein Ende des Rohres angeschlossen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Beschichtung der Innenwand eines nur einseitig offenen Innenraumes nach Art eines Sacklochs die Zufuhrleitung (3) in das Sackloch hineinragt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (8) aus mehreren leicht lösbar miteinander verbundenen Hohlkörperteilen (21, 22) besteht.