DE68926742T2

DE68926742T2 - Vorrichtung und verfahren zur beschichtung von materialien durch einen pulsierenden plasmastrahl

Info

Publication number: DE68926742T2
Application number: DE68926742T
Authority: DE
Inventors: Asko Anttila; Juha-Pekka Hirvonen; Jari Koskinen
Original assignee: SITRA FOUNDATION
Current assignee: SITRA FOUNDATION
Priority date: 1988-01-18
Filing date: 1989-01-18
Publication date: 1996-12-12
Anticipated expiration: 2009-01-19
Also published as: US5078848A; AU2933189A; EP0396603B1; WO1989006708A1; ATE139805T1; JP2749679B2; EP0396603A1; FI79351C; JPH03502344A; DE68926742D1; FI880203A0; FI79351B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beschichtung von Materialien.
Beschichtungen, die aus Diamantmaterial bestehen oder diesem ähneln, besitzen Eigenschaften, die ähnlich zu entsprechenden herkömmlichen Diamanten sind. Die erste Eigenschaft ist Härte. Eine andere signifikante mechanische Eigenschaft ist ein geringer Reibungskoeffizient. Die Verschleißfestigkeit ist ebenso außergewöhnlich. Des weiteren bleibt solch eine Beschichtung in allen bekannten Arten von Säure und Lauge unverändert. Diamant und diamantähnliche Materialien sind deshalb besonders für die Beschichtung von Gegenständen geeignet, die Verschleiß oder Korrosion ausgesetzt sind, z.B. Lager ohne Schmierung. Ein weiterer bemerkenswerter Faktor ist der hohe Brechungskoeffizient von Diamanten.
In der Mikroelektronik bieten die hohe Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit von Diamanten und diamantenähnlichen Beschichtungen wesentliche Vorteile. Um höhere Komponentendichten und Geschwindigkeiten zu erzielen, ist es notwendig, die Baugröße integrierter Schaltkreise zu verringern. Dies gestaltet es schwieriger, die durch den elektrischen Strom erzeugte Wärme zu entfernen, und bedeutet auch, daß eine gute wärmeleitfähigkeit wichtiger als zuvor ist.
In der derzeitigen Praxis werden diamantartige Beschichtungen durch direkte Behandlung mit Ionenstrahlen erzeugt, die auf der Erhöhung der Energie von Ionen basiert. Bei der direkten Beschichtungen mit einem Ionenstrahl wächst die Beschichtung auf der Oberfläche des Zielmaterials direkt von dem Ionenstrahl, von dem Verunreinigungen mittels eines Trennmagneten entfernt worden sind. Das größte Problem bei diesem Verfahren ist die Schwierigkeit, eine Ionenquelle mit ausreichender Leistungsfähigkeit aufzubauen. Ein anderes derzeit verwendetes Verfahren zum Auftragen einer Diamantbeschichtung basiert auf plasmaunterstützter Dampfbeschichtung (plasma-assisted vapour phase deposition (PAVCD)). Bei diesem Verfahren wird ein kristalliner Diamant aus einer Mischung aus Methan und Wasserstoff gezüchtet. Anders als das auf der Verwendung eines energetischen Ionenstrahls zum Bilden einer Diamantbeschichtung basierende Verfahren, die bei Raumtemperatur durchgeführt werden können, erfordert das PAVCD-Verfahren eine hohe Temperatur im Bereich von 800ºC. Dies stellt einen erheblichen Nachteil dar im Hinblick auf die Beschichtung herkömmlicher Stoffe, die in Werkzeugen oder Aufbauten verwendet werden.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beschichtung eines Substrats ist aus der Druckschrift "Proceedings of the IEEE, Band 60, Nr. 8, August 1972, Seiten 977-991, A.S. GILMOUR JR. & D.L. LOCKWOOD: Pulsed Metallic Plasma Generators" bekannt. Diese Druckschrift beschreibt die Ablenkung eines Plasmas als Folge der Verwendung einer Magnetfeldspule auch in dem Fall, in dem die Magnetfeldspule in bezug auf die Achse des Erzeugers geneigt wird.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beschichten eines Substrats vorzusehen, worin die oben beschriebenen Nachteile ausgeschaltet werden.
Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren umfassend die Merkmale von Anspruch 1 und eine Vorrichtung umfassend die Merkmale von Anspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die Vorteile des Verfahrens sind, daß es einfach ist und es gestattet, daß selbst große Oberflächen beschichtet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung besteht der Plasmastrahl aus Partikeln, die zumindest von einer Elektrode emittiert werden.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung wird die Beschichtung in einem Vakuum ausgeführt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung verwendet das Beschichtungsverfahren ein gasförmiges Medium, das mit geladenen Partikeln reagiert.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung wird der Plasmastrahl durch ein Magnetfeld abgelenkt, das mittels einer gebogenen Spule erzeugt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist die Vorrichtung mit einer Diode versehen, die parallel mit dem Kondensator verbunden ist, um eine Oszillation der Spannung zu verhindern.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung der Erfindung ist die Vorrichtung mit zumindest einem Zündvorrichtungskreis zum Erzeugen eines Lichtbogens zwischen den Elektroden versehen.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Elektroden eine zylinderförmig Form besitzt.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Elektroden vollständig oder teilweise innerhalb der Spule angeordnet ist.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Elektroden mit zumindest einem Loch versehen ist, durch das der Plasmastrahl gelenkt wird.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Zündvorrichtungskreis einen Metallstab im Inneren jeder zylinderförmigen Elektrode umfaßt, einen anderen Kondensator und eine Spannungsquelle, die verwendet werden, um einen Zünd- Lichtbogen zwischen der Elektrode und dem Stab zu erzeugen.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Zündvorrichtungskreis zumindest eine externe Zündstrecke oder einen Schalter besitzt.
Im folgenden wird die Erfindung eines Beispieles mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, die einen Plasmabeschleuniger und einen zu beschichtenden Gegenstand darstellt. Für die Beschichtung eines Stoffes erzeugt der Plasmabeschleuniger eine Plasmawolke aus Kohlenstoff. Diese Wolke wird in Richtung des zu beschichtenden Gegenstandes beschleunigt und durch das Magnetfeld abgelenkt, woraufhin der Plasmastrahl die Oberfläche des Gegenstandes trifft. Sowohl der Plasmabeschleuniger als auch der zu beschichtende Gegenstand sind in einem Vakuum angeordnet. Der Plasmabeschleuniger besitzt eine zylinderförmige Kathode 1 aus festem Kohlenstoff, die mit dem negativen Anschluß der ersten Spannungsquelle 2 und mit dem ersten Anschluß des ersten Kondensators C1 verbunden ist. Die scheibenförmige Anode 3, die ein Loch in der Mitte besitzt, ist mit einer zylinderförmigen Spule 4 verbunden, die aus einem Kupferleiter gebildet ist. Die Spule wird gebogen und mit einem Ende mit dem positiven Anschluß der ersten Spannungsquelle 2 und mit dem anderen Anschluß des ersten Kondensators C1 verbunden. Mit den Anschlüssen des Kondensators C1 sind ebenfalls eine Diode D und ein einstellbarer Widerstand R verbunden. Die Kathode 1 ist teilweise und die Anode 3 vollständig im Inneren der Spule 4.
Im Inneren der Kathode 1 ist ein Metallstab 5. Die Kathode 1 und der Stab 5 bilden zusammen eine zweite Spannungsquelle 6 und, zusammen mit einem zweiten Kondensator C2, einen Zündvorrichtungskreis. Die zweite Spannungsquelle 6 ist einstellbar. Die Kathode 1 ist mit dem positiven Anschluß der zweiten Sapnnungsquelle 6 und dem ersten Anschluß des zweiten Kondensators C2 verbunden. Der Metallstab 5 ist mit dem negativen Anschluß der zweiten Spannungsquelle und mit dem anderen Anschluß des zweiten Kondensators C2 verbunden.
Der Plasmabeschleuniger führt die Beschichtung einer Metallplatte 7 wie folgt aus. Die erste Spannungsquelle 2 lädt den ersten Kondensator C1, der parallel mit der Spannungsquelle verbunden ist. Die zweite Spannungsquelle 6 lädt den zweiten Kondensator C2, der in ähnlicher Weise parallel zu dieser verbunden ist, bis ein überspringen eines Funkens über den Luftspalt zwischen der Kathode 1 und dem Metallstab 5 auftritt, so daß ein Lichtbogen in dem Luftspalt erzeugt wird. Dieser Lichtbogen entlädt den zweiten Kondensator C2 und erzeugt entsprechend einen Lichtbogen zwischen der Kathode 1 und der Anode 3. Als Folge daraus beginnt die Kathode einen Strahl von Kohlenstoffpartikeln zu emittieren, der aus geladenen Ionen und ungeladenen Atomen besteht. Der Lichtbogen zwischen der Kathode 1 und der Anode 3 entlädt den ersten Kondensator C1, und der Lichtbogen wird ausgelöscht, wenn die Spannung des Kondensators unter das Maß fällt, das zum Aufrechterhalten des Lichtbogens erforderlich ist. In dieser Weise wird ein pulsierender Plasmastrahl aus Kohlenstoffionen und Kohlenstoffatomen erzeugt. Die Dauer eines Pulses wird durch die Kapazität des ersten Kondensators C1 bestimmt.
Parallel zum ersten Kondensator C1 sind eine Diode D, deren Funktion es ist, die umgekehrte Spannung zu entfernen, die über den ersten Kondensator durch den oszillierenden Stromkreis bestehend aus dem Kondensator C1 und der Spule 4 erzeugt wird, und ein einstellbarer Widerstand R, der die Diode D schützt, verbunden.
Der Plasmastrahl wird mittels des Magnetfeldes, das durch die Spule 4 erzeugt wird, beschleunigt. Da die Spule 4 eine gekrümmte Form besitzt, folgen die geladenen Ionen, die durch das Loch 8 in der Anode 3 hindurchtreten, der Krümmung des magnetischen Feldes, wohingegen ungeladene Teilchen geradeaus nach der Platte 7 fortschreiten. Auf diese Weise werden ungeladene Partikel von den geladenen Ionen getrennt. Die zu beschichtende Platte 7 wird nahe zu jenem Ende der Spule 4 angeordnet, das mit der ersten Spannungsquelle 2 und dem ersten Kondensator C1 verbunden ist. Da das durch die Spule 4 erzeugte magnetische Feld die geladenen Ionen ablenkt, aber nicht den Durchtritt ungeladener Partikel beeinflußt, wird die zu beschichtende Platte nur von Ionen getroffen, die durch das Magnetfeld beschleunigt worden sind.
Wenn ein Ion mit ausreichender Energie, die durch das Magnetfeld mitgeteilt wurde, die Oberfläche der Platte 7 trifft, kann es in das Oberflächenmaterial eindringen. Im Verlauf der nächsten 10&supmin;¹¹ s. macht der mikroskopische Bereich um das eindringende Ion bemerkenswerte Veränderungen durch. Ein signifikanter Anteil der Atome in der Plattenoberfläche wurden von ihren normalen Gitterpositionen verschoben und der Anteil von Lücken und Zwischengitteratomen kann ein Maß von einigen Prozent erreichen. Die Bedingungen im Inneren einer Kaskade wie dieser entsprechen einer Temperatur von einigen Tausend Grad Celsius, obwohl die Umgebungstemperatur unverändert bleibt. Des weiteren nimmt der Druck an den Kanten der Kaskade zu. Als Folge des beschriebenen Verfahrens wird eine diamantenähnliche Beschichtung auf der Oberfläche der Platte 7 erzeugt.
Anstelle eines Vakuums, ist es ebenfalls möglich, ein gasförmiges Medium zu verwenden, das mit den Ionen in der Oberfläche des zu beschichtenden Materials reagiert und beispielsweise eine Beschichtung aus Bornitrit erzeugt. Im Zündvorrichtungskreis wird der Lichtbogen zwischen der Kathode 1 und dem Metallstab 5 automatisch ausgelöscht, wenn die Spannung über dem zweiten Kondensator C2 hinweg unter das Maß fällt, das zum Aufrechterhalten des Lichtbogens benötigt wird. Der Zündvorrichtungskreis kann eine externe Funkenstrecke 9 oder einen Schalter zum Auslöschen des Lichtbogens zwischen der Kathode 1 und dem Metallstab 5 zu einem gewünschten Zeitpunkt verwenden.
Es ist für den Fachmann offensichtlich, daß verschiedene Ausführungsformen der Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt sind, sondern daß diese anstelle dessen innerhalb des Schutzumfangs der folgenden Ansprüche verändert werden können.

Claims

1. Verfahren zum Beschichten eines Substrats, umfassend die Schritte:

- Erzeugen eines pulsierenden Plasmastrahls aus Ionen und ungeladenen Partikeln eines Beschichtungsmaterials;

- Beschleunigen und Lenken der Ionen des Plasmastrahls entlang eines gekrümmten Magnetfeldes zum Substrat; wobei

- die Krümmung des Magnetfeldes so gewählt wird, daß die ungeladenen Partikel des Plasmas nicht das Substrat erreichen.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin der Plasmastrahl durch eine Lichtbogenentladung erzeugt wird, die zwischen einer Kathode (1), die aus dem Beschichtungsmaterial besteht, und einer Anode (3) erzeugt wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, worin die Lichtbogenentladung pulsierend ist.

4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das gekrümmte magnetische Feld durch eine Spule (4) mit einer gekrümmten Form erzeugt wird.

5. Vorrichtung zum Beschichten eines Substrats umfassend:

- eine Elektrode (1) aus Beschichtungsmaterial und eine andere Elektrode (3);

- mindestens eine Spannungsquelle (2) und mindestens einen Kondensator (C1) zum Erzeugen eines pulsierenden Plasmastrahles bestehend aus dem Beschichtungsmaterial; und

- zumindest eine Ablenkspule (4) zum Erzeugen eines gekrümmten Magnetfeldes; wobei

- das gekrümmte Magnetfeld die Ionen des Plasmastrahles beschleunigen und die Ionen zu dem Substrat (7) so lenken, daß die ungeladenen Partikel des Plasmastrahles geradeaus an dem Substrat (7) vorbei fortschreiten.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, worin zumindest eine der Elektroden (1, 3) eine zylinderförmige Form besitzt.

7. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 und 6, worin zumindest eine der Elektroden vollständig oder teilweise im Inneren der Spule (4) angeordnet ist.

8. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, weiterhin umfassend einen Zündvorrichtungskreis zum Erzeugen eines Zünd- Lichtbogens zwischen der Elektrode (1) aus Beschichtungsmaterial und der anderen Elektrode (3), wobei der Zündvorrichtungskreis einen leitfähigen Stab (5) im Inneren der Elektrode (1) aus Beschichtungsmaterial umfaßt, der eine zylinderförmige Form besitzt, und einen anderen Kondensator (C2) und eine Spannungsquelle (6) umfaßt.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, worin der Zündvorrichtungskreis mit zumindest einer externen Funkenstrecke (9) oder einem Schalter versehen ist.