DE4030900A1 - Verfahren und einrichtung zum beschichten von teilen - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung
zum Beschichten von Teilen nach der Gattung der Ansprüche 1 und 5.
In einem bevorzugten Anwendungsgebiet, dem Werkzeugbau, wird die
Veredelung von Werkzeugen mit verschleißarmen, harten Schichten
schon seit einigen Jahren durchgeführt. Will man die bekannten
Verfahren wie Aufdampf- oder Sputtertechnik auf die Beschichtung von
tribologisch, d. h. durch Reibung und Verschleiß, hoch beanspruchten
Bauteilen übertragen, z. B. auf Komponenten von Kraftstoffeinspritz
anlagen, so ist neben den Verschleißeigenschaften der Schicht eine
reproduzierbar gute Schichthaftung von großer Bedeutung.
Bei diesen vakuumtechnischen Beschichtungsprozessen sind zwei Ver
fahrensschritte für die Schichthaftung entscheidend:
- 1. Die chemisch vorgereinigten Teile werden durch einen Sputter
ätzprozeß innerhalb einer Vakuumkammer von Kontaminationen
befreit. Dazu wird die Oberfläche der Bauteile einem intensiven
Beschuß von Ionen ausgesetzt, durch den ca. 50 bis 100 nm von
der Oberfläche abgetragen werden.
Die Effizienz dieses Prozesses steht dabei im umgekehrten Ver hältnis zum Prozeßdruck und im direkten Verhältnis zur Zahl der verfügbaren Ionen. - 2. Während der Beschichtung sollte die sich bildende Schicht einem
ständigen Ionenbeschuß ausgesetzt sein, der zum einen lose
haftende Schichtteile wieder entfernt, zum anderen eine Kompak
tierung der Schicht bewirkt (Ionplating-Effekt).
Auch hier ist eine große Ionenzahl bei geringem Prozeßdruck ge fordert.
Die heute gängigen Lösungen für den Verfahrensschritt 1. sind
Gleichspannungs- oder Hochfrequenz-Glimmentladungen, welche direkt
an die Bauteile angekoppelt sind bzw. Plasmaquelllen wie Sputter
kathoden oder Bogenentladungen, aus denen die Ionen auf das Bauteil
gezogen werden. All diese Verfahren haben spezifische Probleme wie
hoher Prozeßdruck im Rezipienten, geringe Plasmaionisierung oder
schwierige Bauteilankopplung an die Hochfrequenz.
Während des Beschichtungsprozesses ist bei den heute üblichen
Beschichtungsverfahren die Plasmadichte oft recht gering und meist
abhängig von der Beschichtungsrate, so daß der Ionenbeschuß der
Schicht und die Beschichtungsrate nicht unabhängig gewählt werden
können.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß durch das Ein
bringen einer Plasmaätzvorrichtung, die ein Plasma nach dem Prinzip
der Elektron-Zyklotron-Resonanz erzeugt auch bei niedrigen Drücken
eine hohe Ionendichte generiert werden kann. Auf diese Weise
ist es möglich, den Ätzprozeß bei Prozeßdrücken kleiner 10-1Pa
sehr effizient ablaufen zu lassen. Des weiteren kann der Übergang
vom Ätzen zum Beschichten in Folge der Druckkompatibilität der
Plasmaquelle mit herkömmlichen Beschichtungsquellen sowie der
physikalischen Unabhängigkeit von Plasmaquelle und Beschichtungs
quelle ohne Prozeßunterbrechung ablaufen und unabhängig gesteuert
werden. Außerdem führen sowohl der verbesserte Ätzprozeß vor der
Beschichtung als auch der verstärkte Ionenbeschuß während der
Beschichtung dazu, daß die Temperatur der Substrate gesenkt werden
kann und somit auch temperaturempfindliche Teile beschichtet werden
können.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor
teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch
angegebenen Einrichtung möglich.
Magnetfelder, die von in der Einrichtung angebrachten Magneten her
rühren, zwingen den sich bewegenden Elektronen des Plasmas eine
kreisförmige Bahn auf und erhöhen somit wegen der erhöhten Stoßrate
die Ionendichte im Raum vor den Magneten.
Wenn die von den Mikrowellenantennen eingekoppelte Mikrowellen
energie in ihrer Frequenz so gewählt wird, daß sie in Resonanz mit
den sich auf kreisförmigen Bahnen bewegenden Elektronen ist, wird
durch die optimale Energieaufnahme eine große Ionendichte im Plasma
erreicht.
Das Begrenzen der Antennenlänge auf ca. 1/4 der Wellenlänge der
Mikrowellenstrahlung vermeidet eine gegenseitige Beeinflussung der
Antennen untereinander und verringert die Belastung und die daraus
resultierende Erwärmung der koaxialen Leitungen.
Werden die Antennen von Hohlleitern umgeben, deren Ausgang in Rich
tung eines Magneten weist, so wird erreicht, daß die eingekoppelte
Mikrowellenleistung fast vollständig auf den Bereich vor den
Magneten gelenkt wird.
Durch das Anlegen eines negativen Potentials an die zu beschichten
den Teile wirkt auf die Ionen eine Kraftkomponente, die sie ver
stärkt auf die zu beschichtenden Teile lenkt. Das Anlegen eines
hochfrequenten Potentials ermöglicht es, nichtleitende Teile einem
erhöhten Ionenbeschuß auszusetzen, dabei reichen Frequenzen im
100 KHz-Bereich aus.
Insgesamt stellt die Integration einer Elektron-Zyklotron-Reso
nanz-Plasmaquelle in eine Beschichtungsanlage ein sehr vorteilhaftes
Verfahren dar, mit dem bei sehr niedrigen Drücken ein Plasma erzeugt
werden kann, welches als Ionenlieferant für einen Ätz- und Beschich
tungsprozeß dient. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau, der keine
räumliche Festlegung der Einzelkomponenten vorsieht und vakuum
technisch sehr einfach gestaltet ist, kann es nahezu in jedem
Beschichtungsrezipienten auch nachträglich eingebaut werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dar
gestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer
Vorteile näher erläutert. Es zeigt die Fig. 1 eine Draufsicht in
vereinfachter Darstellung auf eine Beschichtungsanlage mit zwei
Beschichtungsstationen. Die Fig. 2 und 3 zeigen eine Magnet
anordnung und eine Mikrowellenantenne. In der Fig. 4 ist eine
Mikrowellenantenne mit einem Hohlleiter im Schnitt gezeigt.
Die Abb. 1 zeigt eine Beschichtungsanlage 10, die von einem
luftdichten Außenmantel 12 umgeben ist. Die Beschichtungsanlage 10
weist eine Pumpe 14 auf, mit der sich die Anlage evakuieren läßt. Am
Außenmantel 12 angeflanscht liegen sich zwei Beschichtungspositionen
16 diametral gegenüber, die mit bekannten Magnetron-Sputterkathoden
18 ausgerüstet sind. Die Beschichtungsanlage 10 besitzt ferner einen
Drehkorb 20 zur Aufnahme von nicht dargestellten zu beschichtenden
Teilen, der sich fast über die gesamte Höhe der Beschichtungsanlage
10 erstreckt und zentral drehbar befestigt ist.
In der Nähe der Beschichtungspositionen 16 befinden sich vier
Magnete 22. Diese sind jeweils am Außenmantel 12 befestigt und
von Blechen 24 abgedeckt, welche als Beschichtungsschutz der
Magneten 22 dienen. Die Länge der Magneten 22 entspricht ungefähr
der Höhe des Drehkorbes 20. In Längsrichtung (Fig. 2) besteht jeder
Magnet aus drei zueinander parallelen Reihen von Einzelmagneten 26,
28, 30, die mit abwechselnder Magnetisierung angeordnet sind und
sich parallel zur Achse der Beschichtungsanlage 10 erstrecken. Die
beiden äußeren Magnetreihen 26, 30, die von gleicher Magnetisie
rungsorientierung sind, besitzen eine gegenüber der mittleren
Magnetreihe größere Länge und sind am oberen und unteren Ende über
jeweils einen Magneten 32 bzw. 34 gleicher Orientierung verbunden.
Hierdurch erhält man eine Lokalisierung des Magnetfelds auf einen
torusförmigen Bereich vor dem Magneten 22. Die Magnete 22 bestehen
aus Sm-Co und erfüllen ca. 1 cm vor ihrer Oberfläche die
Elektron-Zyklotron-Resonanzbedingung (Magnetfeldstärken 87,5 mT bei
2,45 GHz).
In unmittelbarer Nähe, seitlich oder auch direkt vor den Magneten
22, sind Mikrowellenantennen 36 angebracht, deren Antennenstäbe 38
sich parallel zur Achse der Beschichtungsanlage 10 erstrecken. Die
Mikrowellenantennen 36 sind mittels einer Vakuumdurchführung 40
(Fig. 3) durch den Boden der Beschichtungsanlage 10 hindurchge
führt. Am von der Beschichtungsanlage 10 aus gesehenen äußeren Ende
42 der Mikrowellenantenne 36 befindet sich ein koaxialer Kabel
anschluß 44 über den die Mikrowellenantenne 36 mit einem nicht dar
gestellten Mikrowellenerzeuger verbunden wird. Vom Kabelanschluß 44
führt eine Leitung 46 zum Antennenstab 38, von wo aus die Mikrowelle
in die Beschichtungsanlage 10 abgestrahlt wird. Die Mikrowellen
antenne 36 ist unterhalb des Antennenstabs 38 mit einem Bedampfungs
schutz 48 in Form einer runden Platte versehen. Die Länge der
Antennenstäbe 38 beträgt ca. 3 bis 4 cm, was ungefähr einem Viertel
der Wellenlänge der eingespeisten Mikrowellenstrahlung entspricht.
In den schraffierten Bereichen 50 der Abb. 1 wird bei
geeigneten Druckbedingungen (P 10-2-10 Pa) ein Plasma gezündet.
Um die zur Verfügung stehende Mikrowellenleistung besser nützen zu
können, wird mittels die Antennenstäbe 38 umschließenden Hohlleitern
52 die Mikrowelle auf die Magnete 22 gerichtet (Fig. 4).
Es ist ausreichend, die Mikrowellen auf einen Teilbereich des
Magneten 22 einzustrahlen. Das dort erzeugte Plasma breitet sich
infolge einer Driftbewegung der Elekronen über den gesamten torus
förmigen Bereich des Magnetfeldes aus. Dieser Drift beruht auf einer
Kraftkomponente, die in inhomogenen Magnetfeldern auftritt,
Die erzeugten Ionen können durch Anlegen eines hohen negativen
Potentials (ca. 0,5 bis 1 kV) an den Drehkorb und damit an die zu
beschichtenden Teile aus dem Plasma herausgezogen werden und eine
Sputterätzreinigung der Substrate bewirken. Durch Anlegen eines
hochfrequenten Potentials an die Substrate ist es auch möglich,
nicht leitende Substrate durch Ionenbeschuß zu reinigen. Dabei ist
es nicht notwendig mit Frequenzen im Megahertzbereich zu arbeiten.
Es reichen vielmehr die einfacher handhabbaren Frequenzen im Bereich
von ca. 100 kHz aus, bei denen auf exakte Senderanpassung durch
Anpaßnetzwerke verzichtet werden kann.
Unmittelbar nach Beendigung des Ätzprozesses, bei dem die zu
beschichtenden Teile von Verunreinigungen befreit worden sind,
überführt der Drehkorb 20 die Teile in die Beschichtungspositionen
vor den Magnetronsputterkathoden 18.
Während des Beschichtungsprozesses wird durch die Elektron-Zy
klotron-Resonanz-Plasmaquellen folgendes erreicht:
- 1. Durch Anlegen einer geringen Grundspannung (20 bis 100 V) an die zu beschichtenden Teile wird ein ständiger Ionenbeschuß bewirkt, der fortlaufend die Oberfläche reinigt und die sich bildende Schicht kompaktiert.
- 2. Bei Verwendung reaktiver Gase wird in den Plasmazonen 50 eine zusätzliche Aktivierung der Gase erreicht.
- 3. Bei Verwendung schichtbildender Gase (z. B. Azetylen) findet auch außerhalb der eigentlichen Beschichtszonen 54 eine Schicht abscheidung statt. (Die gleichzeitige Verwendung schicht bildender Gase in einem Plasma CVD-Prozeß (Chemical Vapoor Deposition) und von Sputterquellen ist eine bekannte Technik, um z. B. metallhaltige Kohlenstoffschichten herzustellen). Da diese Schichtabscheidung aus der Gasphase im Gleichgewicht sein muß mit der Metallabscheidung vor den Magnetronsputterkathoden 18, können letztere mit höherer Leistung betrieben werden, was insgesamt zu größeren Beschichtungsraten und somit zu geringeren Beschichtungszeiten führt.
Eine äußerst effiziente Elektron-Zyklotron-Resonanz-Plasmaquelle,
die nahezu in jedem Beschichtungsrezipienten auch nachträglich
eingebaut werden kann, enthält im wesentlichen die Einzelteile:
Einen oder mehrere Magnete 22, die in ihrer Länge der Höhe der
Beschichtungsanlage 10 angemessen sind, die ca. 1 cm über ihrer
Oberfläche die Elektron-Zyklotron-Resonanzbedingung erfüllen und mit
einem Bedampfungsschutz 24 versehen sind; Mikrowellenantennen 36,
mit einem koaxialen Anschluß 44, einer Vakuumdurchführung 40, einem
Bedampfungsschutz 48 und einem kurzen Antennenstab 38. Zur Ver
besserung der Effizienz können Hohlleiterelemente 52 vorgesehen
sein. Mit dieser Plasmaquelle läßt sich ein Plasma erzeugen, welches
als Ionenlieferant sowohl für Ätz- als auch Beschichtungsprozesse
dienen kann. Der Druckbereich, in dem das Plasma gezündet wird, ist
kompatibel mit den üblichen Magnetronsputter- bzw. Elektronen
strahl-Verdampfungseinrichtungen.
Claims (16)
1. Verfahren zum Beschichten von tribologisch hoch beanspruchten
Teilen, insbesondere von Komponenten von Kraftstoffeinspritz
anlagen, vorzugsweise mittels Sputter-Technik, dadurch
gekennzeichnet, daß dem Beschichtungsvorgang ein Plasmaätzprozeß
vorausgeht, bei dem das Plasma nach dem Prinzip der
Elektron-Zyklotron-Resonanz erzeugt wird und daß der Beschichtungs
vorgang und der Plasmaätzprozeß im gleichen Vakuum erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während
des Beschichtungsvorganges die zu beschichtenden Teile einem Ionen
beschuß ausgesetzt werden, wobei die Ionen durch ein mittels
Elektron-Zyklotron-Resonanz erzeugten Plasmas generiert werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Beschichtung mittels schichtbildender Gase in
einem Plasma CVD-Prozeß (chemical vapoor deposition) erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Beschichtung gleichzeitig mittels schichtbildender Gase und Sputter
quellen erfolgt.
5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der
Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung
mittels einer oder mehrerer Magnetron-Sputterkathoden (18) und/oder
mittels schichtbildender Gase in einem Plasma CVD-Prozeß erfolgt und
daß in die Einrichtung (10) eine oder mehrere Plasmaätzvorrichtungen
eingebaut sind, die nach dem Prinzip der Elektron-Zyklotron-Resonanz
arbeiten.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an einer
oder mehreren Stellen der Einrichtungsperipherie (12) Magnete (22)
vorzugsweise in der Nähe der Magnetron-Sputterkathoden (18) ange
bracht sind.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich
der/die Magnete (22) über fast die gesamte Höhe bzw. Länge der
Beschichtungseinrichtung (10) erstrecken.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß in der Nähe der Magnete (22) Mikrowellenantennen (36)
zur Einkopplung von Mikrowellen angebracht sind.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
Mikrowellenantennen (36) kurze Antennenstäbe (38) mit einer
Antennenstablänge von ca. 1/4 der Wellenlänge der Mikrowellen
strahlung besitzen.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß eine oder jede Mikrowellenantenne (36) von einem Hohl
leiter (52) umgeben ist, dessen Ausgang in Richtung eines Magneten
(22) weist.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß zur Aufnahme der zu beschichtenden Teile ein Drehkorb
(20) vorgesehen ist.
12. Einrichtung nach einem der Anspruche 5 bis 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß an die zu beschichtenden Teile ein negatives Potential
angelegt ist.
13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß an die zu beschichtenden Teile ein hochfrequentes
Potential angelegt ist.
14. Einrichtung nach einer der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekenn
zeichnet, daß in der Beschichtungseinrichtung (10) ein Druck
zwischen 10-2 und 10 Pa herrscht.
15. Einrichtung nach Anspruch 5, die folgende Teile enthält:
- a) Magnete (22), die ca. 1 cm über ihrer Oberfläche die Elektron-Zyklotron-Resonanzbedingung erfüllen,
- b) Bedampfungsschutz (24) für die Magnete (22),
- c) Mikrowellenantennen (36) mit einem koaxialen Anschluß (44), einer Vakuumdurchführung (40), einem Bedampfungsschutz (48) und einem kurzen Antennenstab (38).
16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein
oder mehrere, die Antennenstäbe (38) umfassende Hohlleiterelemente
vorgesehen sind.
Priority Applications (2)
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DE19904030900 DE4030900A1 (de) | 1990-09-29 | 1990-09-29 | Verfahren und einrichtung zum beschichten von teilen |
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DE19904030900 DE4030900A1 (de) | 1990-09-29 | 1990-09-29 | Verfahren und einrichtung zum beschichten von teilen |
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DE4030900A1 true DE4030900A1 (de) | 1992-04-02 |
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ID=6415280
Family Applications (1)
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DE19904030900 Ceased DE4030900A1 (de) | 1990-09-29 | 1990-09-29 | Verfahren und einrichtung zum beschichten von teilen |
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