DE4118072A1 - Verfahren zum oberflaechenbeschichten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Substraten, wobei das Substrat mit einem Plasma in Kontakt gebracht wird.

Ein häufig verwandetes Beschichtungsverfahren stellt das PACVD-Verfahren (Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition) dar, bei dem durch Ionisation der Moleküle und Atome eines geeigneten Substanzengemisches ein Plasma erzeugt und dieses in Kontakt mit der Oberfläche eines meist erhitzten Substrates gebracht wird. Das Plasma kann dabei beispielsweise mittels Entladungselektroden erzeugt werden. Hierbei werden Ladungsträger in einem starken elektrischen Feld beschleunigt, welche wiederum mittels Stoßionisation weitere Ladungsträger erzeugen. Das derart ionisierte Gas bildet zwischen den Elektroden ein soge­ nanntes quasineutrales Plasma. Zusätzlich zur Ladungsträger­ erzeugung durch Stoßionisation tritt bei einer Bogenent­ ladung eine Glühemission von Elektronen aus der Kathode auf.

Solche Bogenentladungen bilden beispielsweise in der DE-OS 38 30 430 das Plasma zur Beschichtung von Substraten zwischen zwei Elektroden. Das derart erzeugte Plasma läßt sich mittels eines von außen angelegten Magnetfeldes bewegen. Im Verfahren gemäß dieser Schrift wird das Plasma mittels eines Magnetfeldes auf das in der Nähe der Entla­ dungselektroden angeordnete Substrat zubewegt und mit ihm in Kontakt gebracht, worauf sich auf der Oberfläche des Substrats ein Überzug bildet.

Die Art der durch derartige Verfahren aufgebrachten Beschichtungen ist von der chemischen Zusammensetzung des Plasmas abhängig. Schichten aus Metallen, Boriden, Car­ biden, Nitriden, Oxiden oder Silicaten dienen als Ver­ schleiß-, Korrosions- oder Oxidationsschutz oder sollen die Gleiteigenschaften des Substrats verbessern. Die Schicht­ dicken liegen meist im Bereich mehrerer Mikrometer. Diamant­ kohlenstoffschichten zeigen extrem hohe Härte, hohe chemische Stabilität, hohen Verschleißwiderstand, hohe optische Transparenz und hohe Wärmeleitfähigkeit.

Um eine höhere Bindung der Schicht an das Substrat mittels Diffusionsprozesse zu erzielen, werden die Substrate meist erhitzt. Diese Erhitzung wirkt sich oft nachteilig auf die Substrate selbst aus, da Deformationen, Strukturänderungen und Änderungen der mechanischen Festigkeit auftreten können.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß das Plasma nicht direkt auf das zu beschichtende Substrat gerichtet aufge­ bracht werden kann. Die Beschichtung der das Substrat umgebenden Gegenstände, wie etwa die Innenwände des Beschichtungsbehälters, Substrathaltevorrichtungen etc., ist die unerwünschte Folge. Gleichzeitig wird dadurch Energie und Plasmasubstanz verschwendet.

Schließlich ist eine Vergrößerung der Entladungsvorrich­ tungen mit Schwierigkeiten verbunden, wodurch die Größe der zu beschichtenden Substrate begrenzt bleibt. In der DE-OS 38 30 430 sind demgemäß die Abmessungen der Substrate auf wenige Zentimeter beschränkt.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist deshalb die Entwicklung eines verbesserten Verfahrens zur Beschichtung von Substra­ ten, die mit einem Plasma in Kontakt gebracht werden, bei dem die obengenannten Nachteile vermieden werden, und insbe­ sondere ein zielgerichtetes Aufbringen der Schicht möglich wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Bestandteile eines Plasmas oder Bestandteile in einem Plasma mittels Stoßwellen auf dem Substrat abgeschieden werden.

Die erfindungsgemäße Verwendung von Stoßwellen hat den Vor­ teil, daß aufgrund der Gasströmung in der Stoßwelle, die sich beide in gleicher Richtung ausbreiten, das Plasma gerichtet auf das Substrat aufgebracht werden kann. Dabei lassen sich Stoßwellen verschiedener Wellenfronten erzeugen, z. B. konzentrisch auf einen Punkt zulaufende oder ebene Wellenfronten. Die Strömungsgeschwindigkeiten im Gas sind meist etwas kleiner als die Ausbreitungsgeschwindig­ keiten der Stoßwellen, beide Geschwindigkeiten liegen jedoch im allgemeinen im Überschallbereich.

Daraus resultiert ein weiterer Vorteil des erfindungsge­ mäßen Verfahrens. Die auftretenden Gasimpulse sind meist so hoch, daß das Substrat mit hohen Drücken beschichtet werden kann. Je nach Zusammensetzung des Substrats kann dadurch eine erhöhte Haftfestigkeit der Schicht resultieren. Die Substrate müssen dann nicht mehr wie bisher auf so hohe Temperaturen aufgeheizt werden, damit sich eine fest haftende Schicht aufgrund von Diffusionsprozessen bilden kann.

Des weiteren herrschen in den Verdichtungszonen der Stoß­ wellen extrem hohe Temperatur- und Druckwerte, so daß chemische Reaktionen möglich werden, die bei den bisherigen chemischen Beschichtungsverfahren nur schwer zu erzielen waren oder ganz ausblieben. Insbesondere die Bildung diamantartiger Schichten kann durch diese außergewöhnlichen thermodynamischen Bedingungen unterstützt werden.

Auch zum Abscheiden von Schichten aus Bestandteilen im Plasmagas, beispielsweise staubförmiges Wolframcarbid, welche von den Stoßwellen auf das Substrat transportiert werden, ist dieses Verfahren gut anzuwenden.

Eine geeignete Möglichkeit, die Beschichtung der Substrate mittels Stoßwellen in einem Plasma auszuführen, besteht darin, das Plasma und die Stoßwellen in einem Behälter, der zur Beschichtung geeignete Substanzen enthält, durch elektromagnetische Induktion zu erzeugen.

Geeignet sind hierfür beispielsweise ein kugel- oder zylinderförmiger Rezipient, in dessen Mitte sich das Substrat befindet, und der aus dielektrischem Material gefertigt ist, sowie eine den Rezipienten umgebende Kurzschlußspule (Kupferschleife), die mit einem Kondensator, der von einer Batterie aufgeladen wird, verbunden ist. Wird dieses System mittels eines Schalters kurzgeschlossen, so entlädt sich der Kondensator mit einer dem System charakteristischen Eigenfrequenz und Abklingzeit. Das resultierende induzierte elektro­ magnetische Wechselfeld, das in das Rezipienteninnere greift, kann bei genügend hohen Feldstärken eine ringförmige Gasentladung verursachen. Die entstehenden Ionen nahe der Rezipientenwand bilden einen starken Ringwechselstrom, der aufgrund des die Spule durch­ setzenden Magnetfeldes nach innen getrieben wird. Stoß­ ionisationen erzeugen aus dem Gas im Rezipienten ein Plasma. Dieses Plasma verhindert ein weiteres Vordringen des Ringstroms in den Innenraum, wodurch Schwingungen in Form von nach innen laufenden Stoßwellen angeregt werden. Diese konvergenten Stoßwellen treffen auf das in der Mitte des Rezipienten angeordnete Substrat mit hohem Druck auf und führen dort zu einem Abscheiden von Bestandteilen des Plasmas auf der Substratoberfläche.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens ist die Verwendung eines Stoßwellenrohrs zur Erzeu­ gung von Plasma und Stoßwellen. Nach der Art des induktiv­ hydrodynamischen Stoßwellenrohrs werden Stoßwellen im Plasma dadurch erzeugt, daß an die Mittelachse des oben geschilderten Rezipienten ein Laufrohr angebracht wird, in das sich die Stoßwellen nach Kurzschließen der Spule hinein ausbreiten. Der durch das Entladen der Kurzschlußspule hervorgerufene hohe Druck in der Mitte des Rezipienten verursacht im angeschlossenen Laufrohr, in dem noch der ursprüngliche niedrige Druck herrscht, ein Fortschreiten von Stoßwellen und eine Plasmaströmung mit Überschall­ geschwindigkeit in das Laufrohr hinein. Das am Ende des Laufrohrs angebrachte Substrat wird auf diese Weise von der auftreffenden Plasmaströmung beschichtet.

Zur Erzeugung einer diamantkohlenstoffähnlichen Beschichtung wird ein Gas, vorzugsweise Argon oder Wasserstoff, mit einem Kohlenstoffträger, vorzugsweise Methan, gemischt, in einen Rezipienten geleitet und nach einer der oben beschriebenen Methoden die Substrat­ beschichtung ausgeführt. Die in den Verdichtungszonen der Stoßwellen im Plasma herrschenden thermodynamischen Bedingungen eignen sich hervorragend für diamantähnliche Beschichtungen.

Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel anhand der einzigen Zeichnung das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutern.

Die Zeichnung stellt schematisch eine zum Beschichten von Substraten geeignete Anordnung dar, mit der sich beispiels­ weise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren diamantartige Schichten erzeugen lassen.

In dieser Zeichnung ist ein zylinderförmiger Rezipient 1 dargestellt, dessen Abmessungen in der Höhe 300 mm und im Durchmesser 200 mm betragen. Dieser Rezipient 1 ist von einer Kupferspule 3 umgeben, die über einen nicht darge­ stellten Kondensator (15µF) aufgeladen wird. Die Lade­ spannung beträgt etwa 15 kV. Die Eigenfrequenz des aus Spule, Leitung und Kondensator bestehenden kurzgeschlossenen Schwingkreises beträgt dann ungefähr 50 kHz.

In den Rezipienten 1 wird zunächst ein metallisches Werk­ stück als Substrat 4 eingebracht und befestigt. In dem gasdichten Rezipienten 1 wird dann ein Vakuum erzeugt, in welches anschließend Methan als Kohlenstoff-Träger zu 30 vol.-% und Argon zu 70 vol.-% eingeleitet wird, bis ein Arbeitsdruck von etwa 5 × 10^-4 bar erreicht ist. Die Stoßwellen breiten sich bei diesen Fülldrücken nach Kurz­ schließen des Spulensystems mit über 5 Mach aus.

Die Beschichtungsergebnisse zeigen, daß Temperatur und Druck des Plasmas in den Verdichtungszonen der Stoßwellen bei dieser Versuchsanordnung zur Erzeugung von diamantartigen Strukturen ausreichen. Das Verfahren erweist sich als gut geeignet, je nach Behandlungsdauer Schichten diamantartiger Zusammensetzung unterschiedlicher Dicke auf den Werkstücken niederzuschlagen.

Claims (4)

1. Verfahren zum Beschichten von Substraten, wobei das Substrat mit einem Plasma in Kontakt gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß Bestandteile eines Plasmas oder Bestandteile in einem Plasma mittels Stoßwellen auf dem Substrat (4) abgeschieden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma und die Stoßwellen in einem Rezipienten (1), der zur Beschichtung geeignete Substanzen enthält, durch elektromagnetische Induktion erzeugt werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma und die Stoßwellen in einem Stoßwellenrohr, das wenigstens zu einem Teil mit zur Beschichtung geeigneten Substanzen gefüllt ist, erzeugt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Erzeugung einer diamantkohlenstoffhaltigen Beschichtung, dadurch gekennzeichnet, daß als zur Beschichtung geeignete Substanzen ein Gas mit einem Kohlenstoff-Träger verwendet wird.