WO2001040543A1 - Verfahren zur erzeugung von funktionsschichten mit einer plasmastrahlquelle - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erzeugung einer Beschichtung auf einem Substrat (12) unter Verwendung mindestens einer im Feinvakuum bis zum atmosphärennahen Druckbereich betreibbaren Plasmastrahlquelle (5) vorgeschlagen. Die Plasmastrahlquelle (5) erzeugt dazu ein Plasma (10), das in Form eines Plasmastrahles (17) aus der Plasmastrahlquelle (5) austritt und auf ein Substrat (12) einwirkt. Dem Plasma (10) wird dabei weiter mindestens ein Precursor-Material (16, 16') zugeführt, das in dem Plasmastrahl (17) bis auf atomare oder molekulare Ebene aufgebrochen oder modifiziert und danach auf dem Substrat (12) abgeschieden wird.

Description

Verfahren zur Erzeugung von Funktionsschichten mit einer Plasmastrahlquelle
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Herstellung von Funktionsschichten mit einer Plasmastrahlquelle nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Stand der Technik
In vielen Industriezweigen besteht ein steigender Bedarf an dünnen, harten Schichten mit definierten physikalischen und chemischen Eigenschaften, die Bauteile oder Oberflachen von Werkstoffen vor Verschleiß oder Korrosion schützen sollen. Typische bekannte Schichten bestehen aus einer oder mehreren Lagen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen, Qualitats- merkmalen und Funktionalitaten. So werden Schichten beispielsweise aus der Gasphase im Hochvakuum mit PACVD- Prozessen („physically aided chemical vapour deposition") oder PVD-Prozessen („physical vapour deposition") qualitativ hochwertig, dicht, homogen und flachig abgeschieden.
Beide genannte Verfahren zeichnen sich durch atomares Wachstum der Schichten beim Abscheiden aus, d.h. einzelne Atome oder kleine Cluster werden auf dem Substrat abgelagert, wobei die Erzeugung der dabei eingesetzten Plasmen mit elektrischen oder elektromagnetischen Feldern des gesamten Frequenzspektrums erfolgt. Der Abscheidevorgang ist dabei jedoch durch Diffusionsprozesse bestimmt und leidet an geringen Beschichtungsraten und einem für die Art dieser Verfahren typischen Batch-Betrieb . Beide Punkte sind für den Einsatz in der Serienfertigung nachteilig.
Andererseits werden bei bekannten Plasmaspritzverfahren im Grobvakuum bis zum atmospharennahen Druckbereich pulverformige mikroskalige Partikel in eine Plasmastrahlquelle oder einen Plasmastrahl eingeführt, dort angeschmolzen und teilweise verdampft, und dann mit hoher Geschwindigkeit gerichtet auf ein Substrat plattiert. Damit werden mit relativ hohen Abscheideraten poröse Schichten mit unterschiedlichen Funktionalitaten abgeschieden, die jedoch nicht die Homogenitat und Kompaktheit typischer PACVD-Schichten erreichen. Die Vorteile des Plasmaspritzens liegen andererseits in der stark lokalisierten Beschichtung und den hohen Abscheideraten. Die Erzeugung des Plasmastrahles erfolgt weiter üblicherweise mit Gleichspannung, neuentwickelte Plasmaquellen mit induktiver Hochfrequenzeinkopplung sind jedoch ebenfalls bereits bekannt. Letztere haben den Vorteil, daß die eingeführten Pulverpartikel eine längere Verweildauer in dem Plasmastrahl aufweisen und damit starker aufgeschmolzen werden.
So ist aus E. Pfender und C.H. Chang, „Plasma Spray Jets and Plasma-Particulate Interaction: Modelling and Experiments", Tagungsband des VI. Workshop Plasmatechnik, TU Illmenau, 1998, bekannt, in einer Plasmastrahlquelle über außen anliegende hochfrequente Wechselstrome und eine induktive Hochfrequenzeinkopplung mit einer Spule in einem topfformigen zylindrischen Brennerkorper ein Plasma zu erzeugen, das in Form eines Plasmastrahles aus der Plasmastrahlquelle austritt. Weiter ist daraus bereits bekannt, als Gas Helium, Argon oder Sauerstoff einzusetzen und dieses Gas über eine Gaszufuhrung in den Brennerkorper rückseitig konzentrisch einzuleiten. Ebenso ist bekannt, neben diesem Gas zusatzlich ein Hullgas zuzuführen, das dieses umgibt und das dazu dient, eine zu starke Erwärmung oder eine schädigende Einwirkung des erzeugten Plasmastrahles auf den topfformigen Brennerkorper zu minimieren. Dem dem Plasmastrahl zugefuhrten Gas kann weiterhin ein metallisches Pulver zugesetzt sein, so daß, analog dem bekannten Plasmaspritzen mit mikroskaligen Pulvern, ein oberflächliches Anschmelzen dieser Partikel im Plasmastrahl erfolgt, die dann außerhalb der Plasmaquelle auf einem Substrat abgeschieden werden.
Der Nachteil dieses Verfahrens ist zunächst die hohe Rauhigkeit und geringe mechanische Festigkeit der abgeschiedenen Schichten, was im wesentlichen darauf beruht, daß die zugefuhrten Pulverpartikel in dem Plasmastrahl aufgrund der sehr hohen Stromungsgeschwindigkeit nur kurze Zeit den hohen Plasmatemperaturen von teilweise mehr als 9000 K ausgesetzt sind, so daß sie nicht vollständig aufgeschmolzen, sondern oberflächlich lediglich angeschmolzen werden. Insbesondere findet kein Aufschmelzen und Auseinanderbrechen der zugefuhrten Partikel auf atomares oder molekulares Niveau statt. Als dünne Verschleißschutzschichten oder Hartstoffschichten mit Schichtdicken von einigen Mikrometern sind derartige Schichten somit vielfach ungeeignet. Weiterhin ist die Zusammensetzung der derart abgeschiedenen Schichten bisher im wesentlichen auf Metalle bzw. Metallegierungen und Metalloxide beschrankt.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemaße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, daß damit die bisher bestehende Lücke zwischen bekannten PACVD-Prozessen und Plasmaspritzprozessen geschlossen wird.
Dazu wird mit einer Plasmastrahlquelle in einer abgewandelten Prozeßfuhrung im Feinvakuum bis zum atmospharennahen Druckbereich ein Abscheideverfahren durchgeführt, das eine gerichtete, lokale PACVD-Beschichtung als Funktionsbeschichtung auf einem Substrat ermöglicht. Dabei werden keine Partikel von mehreren Mikrometern bis zu Submillimeter Große auf dem Substrat plattiert, d.h. oberflächlich angeschmolzen und/oder lediglich teilweise verdampft, sondern es werden Precursor-Materialien, gegebenenfalls mit einem Inertgas, Tragergas oder Reaktivgas vermischt, eingesetzt und innerhalb des erzeugten Plasmas auf atomare oder molekulare Ebene aufgebrochen bzw. fragmentiert und dabei gleichzeitig zumindest teilweise chemisch angeregt und/oder ionisiert. Je nach Prozeßbedingungen bilden sich dabei in dem Plasmastrahl auch neue Verbindungen aus den zugefuhrten Precursor-Materialien, die dann letztendlich gerichtet mit relativ hoher Geschwindigkeit auf ein Substrat auftreffen und dort als Funktionsschicht abgeschieden werden.
Der Kern des erfindungsgemaßen Verfahrens besteht demnach in der Verknüpfung einer Plasmastrahlquelle mit dem Einsatz von Precursor-Materialien sowie der Wahl von Prozeßparametern, die zwischen denen der klassischen PACVD und der Plasmastrahlverfahren liegen, zu einem Verfahren, das als Hochrate-PACVD- Prozeß bezeichnet bzw. verwendet werden kann.
Die wesentlichen Vorteile des erfindungsgemaßen Verfahrens liegen dabei in der kostengünstigen Abscheidung dichter, qualitativ hochwertiger, teilweise harter bis superharter Schichten mit einer Plasmastrahlquelle bei gleichzeitig hohen Abscheideraten. Daruberhinaus handelt es sich bei dem erfindungsgemaßen Verfahren um Verfahren mit gegenüber bekannten PECVD-Verfahren geringerem oder in speziellen Fallen sogar keinem Aufwand für die Vakuumtechnik, da vielfach ein Fein- oder Grobvakuum oder sogar der atmospharennahe Druckbereich zur Durchfuhrung ausreichend bzw. geeignet ist. Gleichzeitig werden vorteilhaft die typischen hohen Gas- oder Partikelaustrittsgeschwindigkeiten von Plasmastrahlquellen genutzt, um einen effektiven Strom an Precursormaterial auf die zu beschichtende Oberflache zu bringen, wodurch deutlich höhere Schichtwachstumsraten ermöglicht werden als bei einem rein diffusivem Materialtransport, wie dies bei bekannten CVD- oder PECVD-Verfahren üblich ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteranspruchen aufgeführten Maßnahmen.
So eignen sich als Precursor-Material besonders gasformige organische sowie siliziumorganische oder metallorganische Verbindungen. Daneben kann auch eine Mischung aus diesen Gasen eingesetzt werden.
Das erfindungsgemaße Verfahren ist jedoch nicht auf gasformige Precursor-Materialien beschrankt, sondern diese können auch in flussiger Form, als submikro- oder nanoskalige Partikel, insbesondere Pulverpartikel aus Hartstoffen oder Keramiken wie Nitriden, insbesondere Bornitriden, Siliziumnitriden oder Metallnitriden wie TiN, Oxiden wie Aluminiumoxid, Titandioxid oder einem Siliziumdioxid, Suiziden oder Siliziumverbindungen, sowie auch als flussige Suspensionen, insbesondere mit darin suspendierten nanoskaligen Partikeln aus obigen Materialklassen, dem Plasma oder der Plasmastrahlquelle zugeführt werden. Darüber hinaus eignen sich auch Mischungen aus obigen Materialien für das erfindungsgemaße Verfahren. Als Gas für die Plasmastrahlquelle zur Erzeugung des Plasmas oder/und als Tragergas für das Precursor-Material kommen Inertgase wie Argon oder Stickstoff in Frage. Als Reaktivgase für eine chemische Reaktion mit dem Precursor-Material werden bevorzugt Sauerstoff, Stickstoff, Ammoniak, Methan, Acetylen, Silan und Wasserstoff verwendet.
Zur Vermeidung von Kontaminationen und Abscheidungen sowie zur Verminderung der thermischen Belastung des Brennerkorpers und zur besseren Fokussierung des erzeugten Plasmastrahles innerhalb der Plasmastrahlquelle kann dem Brennerkorper zusatzlich vorteilhaft ein das erzeugte Plasma zylindrisch umgebendes Hullgas wie beispielsweise Wasserstoff oder Argon zugeführt werden.
Im übrigen kann alternativ oder zusatzlich dazu ein dem Plasma zugefuhrtes Precursor-Material auch über eine außerhalb der Plasmastrahlquelle angeordnete, den Plasmastrahl insbesondere konzentrisch umgebende Dusche dem Plasmastrahl zugeführt werden. Dazu eignet sich auch eine bevorzugt in der Umgebung der Austrittsoffnung der Plasmastrahlquelle angeordnete Düse, mit der das Precursor-Material in den Plasmastrahl injiziert wird. Diese Düse kann darüber hinaus oder alternativ dazu auch zur Zufuhr eines Quenchgases zur Kühlung genutzt werden.
Für das erfindungsgemaße Verfahren eignen sich Plasmastrahlquellen, die bei einem Druck von 10"4 inbar bis zu 1,5 bar im Prozeßraum arbeiten, wobei das Plasma auf verschiedenste Weise, beispielsweise über eine Gleichstromanregung, eine hochfrequente Wechselstromanregung, eine Mikrowellenanregung oder eine Anregung mit unipolaren oder bipolaren Spannungspulsen, gezündet bzw. aufrechterhalten werden kann.
So ist ein besonders wichtiger Vorteil des erfindungsgemaßen Verfahrens dessen Vielseitigkeit hinsichtlich der Darstellung unterschiedlichster Schichtsysteme. Dies gilt insbesondere für die Kombination verschiedener, jeweils als Material bekannter Precursor-Materialien und die Variationsbreite der Prozeßbedingungen, die sich wiederum auf die erzielbaren Schichteigenschaften auswirken.
Durch das erfindungsgemaße Verfahren lassen sich somit auch unterschiedlichste Schichtsysteme erzeugen, die sich durch die Variation der Schichtzusammensetzung als Funktion der Zeit ergeben.
Insbesondere erlaubt das erfindungsgemaße Verfahren auch eine zeitliche Veränderung der Zusammensetzung der Precursor- Materialien in dem Plasma bzw. der Prozeßfuhrung bei der Abscheidung und damit die Herstellung einer Abfolge von Teilschichten, die einen kontinuierlichen Übergang in der MaterialZusammensetzung aufweisen.
Insgesamt lassen sich in der erläuterten Weise Schichten oder Schichtsysteme abscheiden, die aus Metallsiliziden, Carbiden, Oxiden, Nitriden, Boriden, Sulfiden, amorphem bis hin zu kristallinen Kohlenstoff, kohlenwasserstoffhaltigen Materialien, Siliziumwasserstoff oder auch aus einer Mischung dieser Materialien bestehen.
Auch die Darstellung von Schichten mit stark unterschiedlicher Morphologie und damit unterschiedlichen Eigenschaften selbst bei gleicher Materialzusammensetzung ist durch die Wahl der Prozeßparameter möglich. Hierfür entscheidend ist die Einstellung des Durchflusses an Precursor-Material, die Korngroße des zugefuhrten Pulvers bzw. des gegebenenfalls in einer Suspension enthaltenen Precursor-Materials, der Prozeßdruck sowie die Art, Zusammensetzung und Menge des zugefuhrten Gases bzw. Hullgases. Durch Wahl dieser Parameter sind amorphe, nanokristalline, mikrokristalline bis hin zu grober kristalline Phasen darstellbar.
Zeichnung
Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und in der nachfolgenden Beschreibung naher erläutert. Es zeigt Figur 1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Plasmastrahlquelle zur Durchfuhrung des erfindungsgemaßen Verfahrens und Figur 2 eine modifizierte Plasmastrahlquelle mit veränderter Gasfuhrung .
Ausfuhrungsbeispiele
Zur Durchfuhrung des erfindungsgemaßen Verfahrens eignet sich beispielsweise eine aus E. Pfender und C.H. Chang, „Plasma Spray Jets and Plasma-Particulate Interaction: Modelling and Experiments", Tagungsband des VI. Workshop Plasmatechnik, TU IIlmenau, 1998, bekannte Plasmastrahlquelle 5.
Dieser Plasmastrahlquelle 5 mit einem zylindrischen Brennerkorper 11 wird gemäß Figur 1 über eine Zufuhrung 13 und eine zylindrische Hülse 14 ein Injektorgas 15 axial zugeführt. Mit dem Injektorgas 15 kann weiter optional direkt auch ein Precursor-Material 16 λ dem Brennerkorper 11 zugeführt werden. Daruberhinaus kann dem Injektorgas 15 zumindest zeitweise auch ein weiteres Gas als Zentralgas 22 zugesetzt sein. In dem Brennerkorper 11 wird dann über eine elektromagnetische Kopplung durch nicht dargestellte, an sich bekannte Bauteile ein Plasma 10 gezündet und kontinuierlich betrieben, welches in Form eines Plasmastrahles 17 aus der Plasmastrahlquelle 5 austritt. Außerdem ist eine Gaszufuhrung 21 in Form einer Gasdusche zur optionalen konzentrischen Einleitung eines Hullgases 19 in den Brennerkorper 11 vorgesehen. Das Hullgas 19 wird dazu außerhalb der Hülse 14 derart eingeleitet, daß es eine unerwünscht starke Aufheizung oder Beschichtung der Innenwände des Brennerkorpers 11 unterdruckt. Wahlweise können jedoch auch dem Hullgas 19 Precursor-Materialien beigemischt werden.
Das Plasma 10 tritt somit in Form eines Plasmastrahles 17 aus dem Brennerkorper 11, der eine typische Hohe von ca. 10 cm hat, aus und trifft in einer Entfernung von typischerweise ca. 10 cm bis 100 cm auf ein Substrat 12 auf, um dort eine Funktions- beschichtung 18 abzuscheiden.
Die Figur 2 zeigt eine Modifikation der Bauweise der Plasmastrahlquelle 5, wobei auf die Einleitung eines Hullgases 19 und die Verwendung der Hülse 14 verzichtet wurde. In Figur 2 wird dem Plasma 10, das als Plasmastrahl 17 aus dem Brennerkorper 11 austritt, jedoch außerhalb der Plasmastrahlquelle 5 ein weiteres Precursor-Material 16 zugeführt. Dazu ist eine zusatzliche, den Plasmastrahl 17 konzentrisch umgebende Dusche 20 vorgesehen. Diese Dusche 20 kann optional in eine Düse, die am Ausgang der Plasmastrahlquelle 5, d.h. im Bereich des Austrittes des Plasmastrahles 17 aus der Plasmastrahlquelle 5, adaptiert ist, integriert werden.
In einer weiteren Variante des erfindungsgemaßen Verfahrens kann in Abwandlung der Figur 2 auf eine axiale Injektion des ersten Precursor-Materials 16 Λ in den Brennerkorper 11 auch verzichtet werden, indem beispielsweise ein Reaktivgas wie Sauerstoff oder Wasserstoff in den Brennerkorper 11 als Injektorgas 15 eingeführt wird, das dann zunächst das Plasma 10 erzeugt und dem dann außerhalb der Plasmastrahlquelle 5 das Precursor-Material 16 über die konzentrische Dusche 20 zugeführt wird. Dabei reagiert das Plasma 10 außerhalb der Plasmastrahlquelle 5 mit dem Precursor-Material 16, indem es beispielsweise eine chemische Reaktion des Precursor-Materials 16 induziert (thermische Aktivierung oder Zufuhr einer Reaktionskomponente) oder das Precursor-Material 16 auf atomare bzw. molekulare Ebene aufbricht und gleichzeitig zumindest teilweise chemisch aktiviert bzw. ionisiert. Das zugefuhrte Injektorgas 15 kann jedoch ebenso lediglich ein Inertgas wie Argon oder ein Tragergas wie Stickstoff sein, das der Plasmastrahlquelle 5 gemäß Figur 1 oder 2 gleichzeitig mit dem Precursor-Material 16 zugeführt wird.
Die wesentlichen Verfahrensparameter beim Betrieb der Plasmastrahlquelle 5, die der Fachmann im einzelnen für die jeweils abzuscheidende Funktionsbeschichtung über einfache Vorversuche ermitteln muß, sind die in das Plasma 10 eingekoppelte Leistung, die Art der Plasmaanregung im Brennerkorper 11, der Abstand zwischen der Austrittsoffnung des Brennerkorpers 11 und dem Substrat 12, die Art und Menge der zugefuhrten Precursor-Materialien 16, 16 , der Gasfluß des Injektorgases 15, des Hullgases 19 und des Zentralgases 22 sowie der Druck bei dem die Plasmastrahlquelle 5 betrieben wird.
Insbesondere muß eine gewisse Mindestleistung in das Plasma 10 eingekoppelt werden, um eine erforderliche minimale Energiedichte zu gewahrleisten, die dann zum Teil wieder über Stoße und Strahlung an das schichtbildende Precursor-Material 16, 16 λ abgegeben wird. Außerdem kann über die Lange des Plasmastrahles 17 die Aufenthaltsdauer der eingebrachten Partikel bzw. Precursor-Materialien 16, 16 Λ im Plasmastrahl 17 beeinflußt werden, die wiederum wahrend dieser Flugzeit Energie aus dem Plasmastrahl 17 aufnehmen. Erst wenn die Aufenthaltsdauer und damit die aufgenommene Energie ausreichend groß ist, ist beispielsweise ein vollständiges Aufbrechen eines eingebrachten Precursor-Materials 16, 16 Λ bis auf die atomare bzw. molekulare Ebene gewahrleistet.
Ein erstes Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung sieht vor, daß in der Plasmastrahlquelle 5 durch induktiv eingekoppelte Hochfrequenz und unter Zufuhr eines Reaktivgases wie Sauerstoff, oder Wasserstoff als Injektorgas 15 in dem Brennerkorper 11 gemäß Figur 1 ein Plasma 10 erzeugt wird. Die eingekoppelte Leistung betragt dabei ca. 20 kW, der Druck ca. 200 mbar, der Gasfluß des Zentralgases 22 ca. 20 SLpM (Standard liter per minute) , der Gasfluß des Hullgases 19 ca. 70 SLpM, der Gasfluß des zugefuhrten Reaktivgases ca. 10 SLpM und der Abstand zwischen der Austrittsoffnung des Brennerkorpers 11 und dem Substrat 12 ca. 20 cm. Das Zentralgas 22 und das Hullgas 19 ist jeweils Argon. Weiterhin wird über die Zufuhrung (Injektor) 13 ein gasformiges Precursor-Material 16 Λ mit einem Gasfluß von 5 SLpM zugeführt.
Dieses Precursor-Material 16 Λ ist beispielsweise eine siliziumorganische Verbindung wie Hexamethylsilan (HMDS) oder Tetramethylsilan (TMS) , eine titanorganische Verbindung oder, insbesondere zur Abscheidung von amorphen Kohlenstoffschichten oder kohlenwasserstoffhaltigen Materialien, eine rein organische Verbindung wie Acetylen oder Methan. In dem Plasma findet mit dem Precursor-Material 16 λ dann eine chemische Reaktion und Umsetzung statt, so daß sich das Precursor-Material 16 in atomarer oder molekularer Form als Funktionsbeschichtung 18 auf dem Substrat 12 abscheidet.
Das Precursor-Material 16 λ kann im übrigen alternativ oder zusatzlich auch gemäß Figur 2 über die Gaszufuhrung 20 in Form einer Düse, einer Gasdusche oder einem Injektor dem Plasmastrahl 17 zugeführt werden. Als gemäß Figur 1 zugefuhrtes Hullgas 19 eignet sich weiter auch Wasserstoff. Darüber hinaus kann das zugefuhrte Injektorgas 15 anstelle eine Reaktivgases wie Sauerstoff auch lediglich ein Tragergas wie Stickstoff oder ein Inertgas wie Argon sein, das dem Brennerkorper beispielsweise nanoskalige Pulver als Precursor- Material 16 λ zufuhrt.
Da je nach Wahl des Injektorgases 15 eine chemische Reaktion mit diesem Gas und dem Precursor-Material 16 und/oder ein Aufschmelzen des Precursor-Materials 16, 16 Λ stattfindet, kann über die Wahl des Injektorgases 15 somit auch die Zusammensetzung der Funktionsbeschichtung 18 gezielt beeinflußt werden.
Das erläuterte Ausfuhrungsbeispiel ist weiterhin nicht beschrankt hinsichtlich der konkreten Form des Precursor- Materials 16 bzw. 16 . Dieses kann gasformig, flussig oder pulverformig sein, und auch aus einer Mischung verschiedener Precursor-Materialien bestehen. So kann das Precursor-Material 16, 16 Λ in flussiger Form, beispielsweise in Form von Isopro- panol oder Aceton mit einem Durchfluß von bevorzugt 1 bis 10 ml pro Minute, zugeführt werden, und sich in dem Plasmastrahl 17 oder dem Plasma 10 chemisch umsetzen oder mit dem Injektorgas 15 reagieren. Auch eine Zufuhr einer Suspension, eines Pulvers oder einer Pulvermischung als Precursor-Material 16, 16 λ über die Dusche 20 oder die Zufuhrung 13 in den Plasmastrahl 17 oder das Plasma 10 ist im Rahmen dieses Ausfuhrungsbeispiels möglich.
Im Fall der Zufuhr einer Suspension oder eines Pulvers als Precursor-Material 16, 16 λ liegen die Partikel in der Suspension oder die Pulverpartikel zweckmäßig als nanoskalige Teilchen vor, da auf diese Weise je nach Prozeß und Material erreicht werden kann, daß sie innerhalb des Plasmastrahles 17 vollständig, d.h. bis auf atomare Ebene, fragmentiert werden. Durch das zumindest sehr weitgehende Aufbrechen, insbesondere Aufschmelzen oder Verdampfen, der zugefuhrten Feststoffe in dem Plasmastrahl 17 wird darüber hinaus erreicht, daß die einzelnen Atome oder Moleküle gerichtet und mit hoher Geschwindigkeit auf das Substrat 12 auftreffen.
Offensichtlich können in dem erläuterten Ausfuhrungsbeispiel weiterhin auch verschiedene Injektorgases 15 mit verschiedenen Precursor-Materialien 16, 16 kombiniert werden. Es erlaubt somit insbesondere amorphe Kohlenstoffschichten sowie Schichten und Schichtsysteme aus Metallsiliziden, -carbiden, -oxiden, -ni- triden, -sulfiden oder -boriden sowie entsprechenden Siliziumverbindungen auf dem Substrat 12 abzuscheiden, wobei als zusatzlicher Parameter auch eine zeitliche Veränderung der Art und Menge des zugefuhrten Precursor-Materials 16, 16 zur Verfugung steht, um eine Abfolge unterschiedlich zusammengesetzter und/oder unterschiedlich strukturierter Schichten zu erzeugen.
Insbesondere kann der Plasmastrahlquelle 5 über die Zufuhrung 13 beispielsweise ein nanoskaliges Pulver wie TiC zusammen mit Sauerstoff als Injektorgas 15 zugeführt werden, so daß bei entsprechender Einstellung der Verfahrensparameter im Plasma 10 bzw. im Plasmastrahl 17 von den TiC-Partikeln über hochenergetische Gasbestandteile Kohlenstoff abgesputtert wird, der im weiteren mit dem zugefuhrten Sauerstoff zu CO: reagiert und abgepumpt wird, so daß sich auf dem Substrat 12 schließlich eine amorphe Ti02-Schicht abscheidet.
Ein zweites Ausfuhrungsbeispiel sieht in Weiterfuhrung des vorhergehenden Ausfuhrungsbeispiels vor, daß eine zusatzliche, getrennt ansteuerbare PVD- (physical vapour deposition) oder CVD-Vorrichtung (chemical vapour deposition) vorgesehen ist, die in an sich bekannter Weise eine beispielsweise amorphe Schicht als Matrixschicht auf dem Substrat 12 abscheidet. Diese CVD- oder PVD-Vorrichtung wird dabei bevorzugt zumindest zeitweise mit einer Abscheidung von Precursor-Materialien 16, 16 λ mit der Plasmastrahlquelle 5 gemäß dem vorstehenden Ausfuhrungsbeispiel kombiniert.
Insbesondere ist vorgesehen, daß entweder der CVD-Prozeß über eine entsprechende CVD-Vorrichtung kontinuierlich betrieben wird, und diesem CVD-Prozeß lediglich zeitweise die Plasmastrahlquelle 5 zur Abscheidung der Funktionsbeschichtung zugeschaltet wird, oder aber daß die Plasmastrahlquelle 5 kontinuierlich betrieben und die CVD-Vorrichtung lediglich zeitweilig zugeschaltet wird.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Erzeugung einer Beschichtung auf einem Substrat (12) mit mindestens einer vom Feinvakuum bis zum atmospharennahen Druckbereich betreibbaren Plasmastrahlquelle (5), die ein Plasma (10) erzeugt, das in Form eines Plasmastrahles (17) aus der Plasmastrahlquelle (5) austritt und auf das Substrat (12) einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß dem Plasma (10) mindestens ein Precursor-Material (16, 16λ) zugeführt wird, das in dem Plasmastrahl (17) bis auf atomare oder molekulare Ebene aufgebrochen oder modifiziert wird, und das danach auf dem Substrat (12) abgeschieden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Precursor-Material (16, 16Λ) in dem Plasmastrahl (17) zumindest teilweise ionisiert und/oder chemisch aktiviert wird, oder daß das Precursor-Material (16, 16λ) in dem Plasma (10) einer chemischen Reaktion unterzogen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die Plasmastrahlquelle (5) über mindestens eine Zufuhrung
(13) ein Gas (15, 22) eingeleitet wird, wobei das Gas (15, 22) ein Tragergas für das Precursor-Material (16, 16Λ), insbesondere Stickstoff, ein Intertgas, insbesondere Argon, ein Reaktivgas für eine chemische Reaktion mit dem Precusor-Material (16, 16Λ), insbesondere Sauerstoff, Stickstoff, Ammoniak, Silan, Acetylen, Methan oder Wasserstoff, ein gasformiges Precursor-Material (16 ) oder eine Mischung aus diesen Gasen ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in die Plasmastrahlquelle (5) ein das Plasma (10) zumindest bereichsweise zylindrisch umgebendes Hullgas (19) , insbesondere ein Inertgas wie Argon, eingeleitet wird.
5. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmastrahlquelle
(5) bei einem Druck von 10"4 mbar bis zu 1,5 bar betrieben wird
6. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma (10) über eine Gleichstromanregung, eine hochfrequente Wechselstromanregung, eine Mikrowellenanregung oder eine Anregung mit unipolaren oder bipolaren Spannungspulsen erzeugt wird.
7. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Precursor-Material
(16, 16 ) eine organische, eine siliziumorganische oder eine metallorganische Verbindung ist.
8. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Precursor-Material
(16, 16Λ) dem Plasma (10) in gasformiger oder flussiger Form, als mikro- oder nanoskalige Pulverpartikel, als flussige Suspension, insbesondere mit darin suspendierten mikro- oder nanoskaligen Partikeln oder als Mischung von gasfomigen oder flussigen Stoffen mit Feststoffen zugeführt wird.
9. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Precursor-Material
(16) über eine außerhalb der Plasmastrahlquelle (5) angeordnete, den Plasmastrahl (17) insbesondere konzentrisch umgebende Dusche (20) oder mittels einer in einer Umgebung des Austrittes des Plasmastrahles (17) aus der Plasmastrahlquelle (5) angeordnete Düse dem Plasmastrahl (17) zugeführt wird.
10. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substrat (12) eine zumindest weitgehend amorphe Schicht abgeschieden wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Plasma (10) zumindest zeitweilig ein erstes und ein zweites Precursor-Material (16, 16 ) zugeführt werden, wobei das erste Precursor-Material ein nanoskaliges Pulver oder eine Suspension eines nanoskaligen Pulvers ist, und wobei das zweite Precursor- Material ein mikroskaliges Pulver oder eine Suspension eines mikroskaligen Pulvers ist.
12. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Plasma (10) zumindest zeitweilig ein erstes Precursor-Material und ein zweites Precursor-Material zugeführt werden, wobei das erste Precursor- Material gasformig oder flussig ist und nach der Abscheidung auf dem Substrat (12) eine zumindest weitgehend amorphe Schicht bildet, und wobei das zweite Precursor-Material ein nanoskaliges Pulver oder eine Suspension eines nanoskaligen Pulvers ist.
13. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zeitweilig auf dem Substrat (12) mittels eines separaten CVD-Prozesses und/oder eines separaten PACVD-Prozesses eine Schicht, insbesondere eine amorphe Matrixschicht, abgeschieden wird.
14. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der CVD-Prozeß oder der PACVD-Prozeß zumindest zeitweilig gleichzeitig mit der Abscheidung des Precursor-Materials (16, 16λ) mit der Plasmastrahlquelle (5) auf dem Substrat (12) eingesetzt wird.
15. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Precusor- Material eine zumindest weitgehend amorphe Matrixschicht auf dem Substrat (12) bildet, und daß das zweite Precursor-Material insbesondere nanoskalige Partikel bildet, die in die Matrixschicht eingebettet sind.
16. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Beschichtung (18) auf dem Substrat (12) eine Schicht oder eine Abfolge von Schichten abgeschieden wird, die aus einem Metallsilizid, einem Metallcarbid, Siliziumcarbid, einem Metalloxid, einem Siliziumoxid, einem Metallnitrid, Siliziumnitrid, einem Metallborid, einem Metallsulfid, amorphem Kohlenstoff oder aus einer Mischung dieser Materialien besteht.
17. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über eine zeitliche Veränderung der Zusammensetzung des Precursor-Materials (16, 16Λ) eine Abfolge von Schichten als Beschichtung (18) abgeschieden wird.
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