WO2020201184A1 - Verfahren zur überwachung eines plasmagestützten prozesses zur beschichtung eines bauteils und vorrichtung zur beschichtung eines bauteils - Google Patents

Verfahren zur überwachung eines plasmagestützten prozesses zur beschichtung eines bauteils und vorrichtung zur beschichtung eines bauteils Download PDF

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plasma
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Patrick Hofmann
Matthias Mueller
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Robert Bosch Gmbh
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    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
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    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
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    • H01J37/32935—Monitoring and controlling tubes by information coming from the object and/or discharge

Definitions

  • the invention relates to a method for monitoring a plasma-assisted process for coating at least one component, the at least one component being introduced into a recipient; a plasma is generated in the recipient and the at least one component is coated from the gas phase.
  • the invention also relates to a device for coating at least one component by means of a plasma-assisted process, comprising a recipient in which a plasma can be generated and a component carrier arranged within the recipient for receiving the at least one component. The at least one component is coated from the gas phase.
  • PVD physical vapor deposition
  • PECVD plasma enhanced chemical vapor deposition
  • the coating material can also be present as a composite.
  • the solids are separated directly from a chemically generated gas phase. The energy required for this is obtained from the plasma, which breaks down the educt into the various products (neutral, electrically charged). Electrically charged particles can be detected by appropriate probes.
  • a probe in the form of an electrically conductive medium is inserted into the plasma that has formed and the charge carriers flowing away are detected as a function of an applied probe voltage.
  • Such a method is for example in the article by G. Franz, "Low pressure plasmas and microstructuring technology", Berlin (et al.), Springer, 2009, p. 304.
  • a measurement curve consisting of current and voltage can be displayed in a current-voltage characteristic.
  • a method for monitoring a plasma-assisted process for coating at least one component is proposed.
  • the at least one component to be coated is introduced into a recipient and fastened to a component carrier arranged inside the recipient for receiving the at least one component.
  • a plasma is created inside the recipient generated.
  • the at least one component is then coated from the gas phase.
  • the recipient is a vessel made of stainless steel, for example, and in which the coating of the at least one component takes place under relatively low pressure.
  • the recipient is hermetically sealed and a negative pressure is generated inside the recipient.
  • a gas, for example argon, is then introduced into the recipient. The plasma is generated from the gas introduced into the recipient.
  • the at least one component is coated, for example, using the PVD method or using the PECVD method.
  • a solid (target) that is present in the recipient is partially vaporized. Evaporation takes place, for example, through ion bombardment or arc discharge. That lies with the PECVD process
  • Coating material directly in the chemical phase In both variants of gas phase deposition, the coating material from the gas phase reaches the component as a layer.
  • Measurement voltage applied A measurement current flowing away from the at least one component is measured, and a relationship between the measurement voltage and the measurement current is evaluated.
  • a measurement curve that shows the relationship between the measurement voltage and the measurement current can be displayed in the form of a current-voltage characteristic, for example.
  • ions and electrons are present in the plasma within the recipient. If a negative measuring voltage is applied to the at least one component, ions are attracted to the at least one component, and ions flow away from the plasma via the at least one component depending on the applied measuring voltage. The outflowing ions lead to a measurable one through recombination with the electrons located in the at least one component electricity. If a positive measurement voltage is applied to the at least one component, electrons are attracted to the at least one component, and electrons flow away from the plasma via the at least one component depending on the applied measurement voltage.
  • the measurement voltage is applied in the form of a voltage ramp.
  • the applied measurement voltage has a low minimum value.
  • the value of the measurement voltage is increased, preferably continuously, up to a high maximum value.
  • the minimum value of the measurement voltage is preferably negative, the maximum value of the measurement voltage is preferably positive.
  • the voltage ramp thus extends from the negative minimum value to the positive maximum value.
  • the voltage ramp is preferably run through several times in succession.
  • the minimum value is, for example - 30 V, the maximum value is, for example, + 40 V.
  • the measuring current flowing away from the component is measured outside the recipient in an electrical conductor.
  • Said electrical conductor for example a measuring cable, is electrically connected to the component and through a wall of the measuring conductor.
  • the electrical conductor can be implemented, for example, using a conventional CF flange.
  • the rotation of the component carrier must be taken into account and, if necessary, a rotary signal pick-up or a rotary feedthrough must be provided.
  • the measuring current flowing away from the component is measured within the recipient.
  • There recorded measured values of the measuring current are transmitted to a processing unit arranged outside the recipient.
  • a vacuum-compatible RFID transponder is used for wireless signal transmission of the measured values to the processing unit. Also is one
  • a device for coating at least one component by means of a plasma-assisted process comprises a recipient, in which a plasma can be generated, and a component carrier arranged within the recipient for receiving the at least one component. There is one within the recipient
  • Coating material gas phase can be generated, with which the at least one component can be coated.
  • the device according to the invention is set up to carry out the method according to the invention.
  • the recipient is a vessel made of stainless steel, for example, and in which the coating of the at least one component takes place under relatively low pressure.
  • the recipient is hermetically sealed and a negative pressure is generated inside the recipient.
  • a gas, for example argon, is then introduced into the recipient. The plasma is generated from the gas introduced into the recipient.
  • the device further comprises means for applying a measuring voltage between the at least one component and the recipient.
  • a measuring voltage between the at least one component and the recipient.
  • This is, for example, a controllable voltage source with which a voltage ramp can be run through.
  • the voltage ramp extends from the negative minimum value, for example -30 V, to the positive maximum value, for example + 40 V.
  • the device also comprises means for measuring a current flowing away from the at least one component, in particular in the form of a suitable one Current sensor.
  • the device also includes means for evaluating a relationship between the measurement voltage and the measurement current.
  • This is, for example, a suitable digital computer with a processor, a memory unit and corresponding software for creating a current-voltage characteristic and for evaluating the said relationship between the measurement voltage and the measurement current.
  • the device further comprises an electrical conductor which can be electrically connected to the component and which is led to the outside through a wall of the recipient.
  • the measuring current flowing from the component flows through said conductor, for example a measuring cable.
  • the means for measuring the measuring current flowing away from the component are arranged outside the recipient.
  • the implementation of the electrical conductor through the recipient can be
  • the device further comprises one arranged outside of the recipient
  • the Processing unit to which recorded measured values of the measured current can be transmitted.
  • the means for measuring the measuring current flowing away from the component are arranged within the recipient.
  • a vacuum-compatible RFID transponder becomes a wireless one
  • the device further comprises a target which is arranged within the recipient and whose material can be used to coat the component.
  • the component carrier preferably comprises an insulator which has a therein
  • Picked up component is electrically isolated from the recipient.
  • a measurement voltage can be applied between the component and the recipient without a current flowing directly from the component and to the
  • the invention described here enables a quantitative in-situ measurement of the charge carriers present in the plasma in the recipient during the coating of a component.
  • the measurement takes place analogously to measurements known from the prior art with conventional electrostatic probes.
  • a component that is present in the plasma in the recipient during the coating of a component.
  • IV characteristics Detect process-dependent current-voltage characteristics (IV characteristics) and evaluate a relationship between the measurement voltage and the measurement current, without additionally disturbing the plasma in the recipient. This advantageously reduces negative, disruptive effects of the measurement on the coating process.
  • Coating process because there is no conventional electrostatic probe.
  • the measurement voltage can be taken directly from the component. This results in a more homogeneous coating of the component through additional calibration options, for example by adapting the power coupling as a function of the measured value.
  • the process can be better transferred to another recipient. There is also better process optimization and better process monitoring. Furthermore, better preventive maintenance of the recipient is possible. There is also better documentation of a carried out
  • Figure 1 shows a device for coating a component by means of a
  • FIG. 2 shows a recorded measurement curve in the form of a current-voltage characteristic.
  • FIG. 1 shows a device 10 for coating a component 12 by means of a plasma-assisted process.
  • the device 10 includes a
  • the recipient 14 is a vessel which in the present case consists of stainless steel and in which a vacuum can be generated by means of a pump.
  • a component carrier 16 for receiving the component 12 is arranged within the recipient 14.
  • the component carrier 16 comprises an insulator 18, which electrically isolates the component 12 received therein from the rest of the component carrier 16 and from the recipient 14.
  • the component carrier 16 also includes a receiving unit 22 which carries the insulator 18 and the component 12 received therein.
  • a gas line is connected to the recipient 14.
  • the gas line is connected to a gas bottle.
  • a mass flow meter is arranged in the gas line.
  • the process gas required for the coating process e.g. argon,
  • Reactive gas for example nitrogen or starting material, for example acetylene
  • a plasma source is also provided within the recipient 14, which generates the required charge carriers for the
  • Coating process generated from the process gas takes place from the gas phase, which can take place both physically, for example by means of ion bombardment of a target, or chemically by means of an additional educt.
  • the device 10 comprises an electrical conductor 40, which is designed in the form of a measuring cable.
  • the electrical conductor 40 is electrically connected to the component 12.
  • the electrical conductor 40 and the component 12 are electrically insulated from the recipient 14, in particular from the component carrier 16.
  • the electrical conductor 40 is led through a wall of the recipient 14 to the outside.
  • the component carrier 16 is rotatably mounted within the recipient 14. During the coating process, the component carrier 16 rotates within the
  • Recipients 14 The implementation of the electrical conductor 40 through the wall of the recipient 14 therefore includes a not shown here
  • the device 10 comprises a measuring unit 50, which in the present case is arranged outside of the recipient 14.
  • the measuring unit 50 is connected to the component 12 within the recipient 14 via the electrical conductor 40.
  • the measuring unit 50 is electrically grounded.
  • the recipient 14 is also electrically grounded.
  • the measuring unit 50 has means for applying a measuring voltage UM between the component 12 and the recipient 14.
  • the said means are a controllable voltage source 42.
  • the voltage source 42 is arranged outside of the recipient 14.
  • a voltage ramp can be run through with the voltage source 42. The voltage ramp extends from a negative minimum value, in this case - 30 V, to a positive maximum value, in this case + 40 V.
  • a measuring current IM flows away from the component 12 and through the recipient 14 electrical conductor 40 to the measuring unit 50. No current flows directly from the component 12 to the recipient 14.
  • the measuring unit 50 also has means for measuring the measuring current IM flowing off the component 12.
  • the said means are a current sensor 44.
  • the current sensor 44 is arranged outside of the recipient 14.
  • the current sensor 44 comprises a measuring resistor 46 and two measuring points 48.
  • the measuring resistor 46 is arranged electrically between the measuring points 48. When the measuring current IM flows through the measuring resistor 46, a sensor voltage that is proportional to the measuring current IM drops across the measuring resistor 46.
  • the sensor voltage can be measured between the measuring points 48.
  • the recipient 14 is hermetically sealed and a negative pressure is generated inside the recipient 14.
  • a gas for example argon, is then introduced into the recipient 14.
  • a plasma 20 is generated from the gas introduced into the recipient 14.
  • the coating process of the component 12 takes place in the recipient 14 under a relatively low pressure, the plasma 20 being located within the recipient 14.
  • the measurement voltage UM is applied between the component 12 and the recipient 14.
  • the measuring current IM flowing from the component 12 through the electrical conductor 40 is measured.
  • measured values of the measured voltage UM and measured values of the measured current IM are recorded.
  • Measurement current IM a measurement curve 60 is created which shows a relationship between measurement voltage UM and measurement current IM.
  • a recorded measurement curve 60 is shown as an example in the form of a current-voltage characteristic.
  • the device 10 comprises means, not shown here, for evaluating the relationship between the applied measurement voltage UM and the measured measurement current IM.
  • At said means is, for example, a suitable digital computer with a processor, a memory unit and a

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines plasmagestützten Prozesses zur Beschichtung mindestens eines Bauteils (12), wobei das mindestens eine Bauteil (12) in einen Rezipienten (14) eingebracht wird; ein Plasma (20) in dem Rezipienten (14) erzeugt wird; das mindestens eine Bauteil (12) aus der Gasphase heraus beschichtet wird; zwischen dem mindestens einen Bauteil (12) und dem Rezipienten (14) eine Messspannung (UM) angelegt wird; ein von dem Bauteil (12) abfließender Messstrom (IM) gemessen wird; und ein Zusammenhang zwischen der Messspannung (UM) und dem Messstrom (IM) ausgewertet wird. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung (10) zur Beschichtung mindestens eines Bauteils (12) mittels eines plasmagestützten Prozesses, umfassend einen Rezipienten (14), in welchem ein Plasma (20) erzeugbar ist, einen innerhalb des Rezipienten (14) angeordneten Bauteilträger (16) zur Aufnahme des mindestens einen Bauteils (12), Mittel zum Anlegen einer Messspannung (UM) zwischen dem mindestens einen Bauteil (12) und dem Rezipienten (14), Mittel zum Messen eines von dem mindestens einen Bauteil (12) abfließenden Messstroms (IM) und Mittel zur Auswertung eines Zusammenhangs zwischen der Messspannung (UM) und dem Messstrom (IM). Dabei ist die Vorrichtung (10) zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zur Überwachung eines plasmagestützten Prozesses zur Beschichtung eines Bauteils und Vorrichtung zur Beschichtung eines Bauteils
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines plasmagestützten Prozesses zur Beschichtung mindestens eines Bauteils, wobei das mindestens eine Bauteil in einen Rezipienten eingebracht wird; ein Plasma in dem Rezipient erzeugt wird und das mindestens eine Bauteil aus der Gasphase heraus beschichtet wird. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Beschichtung mindestens eines Bauteils mittels eines plasmagestützten Prozesses, umfassend einen Rezipienten, in welchem ein Plasma erzeugbar ist und einen innerhalb des Rezipienten angeordneten Bauteilträger zur Aufnahme des mindestens einen Bauteils Die Beschichtung des mindestens einen Bauteils erfolgt aus der Gasphase.
Stand der Technik
Zur Vakuumbeschichtung von Bauteilen sind unter Anderem plasmagestützte Beschichtungsprozesse bekannt. Beispielsweise kann eine Beschichtung mittels Gasphasenabscheidung in Form eines PVD-Verfahrens (PVD= physical vapor deposition) oder in Form eines PECVD-Verfahrens (PECVD= plasma enhanced Chemical vapor deposition) durchgeführt werden. Beim PVD-Verfahren wird das keramische oder metallische Beschichtungsmaterial (Target) mittels
lonenbeschuss in die Gasphase überführt. Das Beschichtungsmaterial kann auch als Komposit vorliegen. Beim PECVD Verfahren werden die Feststoffe direkt aus einer chemisch erzeugten Gasphase abgeschieden. Die hierfür erforderliche Energie wird aus dem Plasma gewonnen, welches das Edukt in die verschiedenen Produkte (neutral, elektrisch geladen) zerlegt. Elektrisch geladene Teilchen können von entsprechenden Sonden erfasst werden. Zur Überwachung und Analyse von plasmagestützten Beschichtungsprozessen gibt es neben der qualitativen, in-situ-fähigen optischen Emissionsspektroskopie die Möglichkeit zur Messung der Ladungsträger innerhalb des Plasmas mittels verschiedener Sonden. Hierbei wird eine Sonde in Form eines elektrisch leitfähigen Mediums in das ausgebildete Plasma eingeführt und die abfließenden Ladungsträger in Abhängigkeit von einer angelegten Sondenspannung erfasst. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in dem Artikel von G. Franz, "Low pressure plasmas and microstructuring technology", Berlin (u.a.), Springer, 2009, p. 304, beschrieben. Eine Messkurve aus Strom und Spannung kann dabei in einer Strom-Spannungscharakteristik dargestellt werden.
Der schematische Aufbau einer elektrostatischen Einzelsonde, welche zur Messung der Ladungsträger innerhalb des Plasmas geeignet ist, ist
beispielsweise in der Druckschrift " ESPION_Widescreen.pdf", Hiden Analytical, 13 11 2018, beschrieben. Nachteilig bei einer Messung kann dabei jedoch eine lokale Störung des Plasmas durch die geometrischen Abmessungen der eingebrachten Sonde und die hierbei entstehende elektrische
Raumladungsschicht sein.
Aus der aufgezeichneten Messkurve lassen sich unter anderem die
Elektronentemperatur, Ladungsträgerdichte, das Plasmapotential sowie die Ladungsträgerverteilung bestimmten. Diese Kenngrößen können für die
Bestimmung des Verhältnisses aus Ionen und schichtbildenden Teilchen herangezogen werden, das maßgebend für die erzielten Schichteigenschaften ist. Eine mögliche Art der Auswertung einer solchen Messkurve ist in dem Artikel von S. Ulrich, J. Ye und M. Stüber "Influence of Ar-N2 gas composition on the magnetronsputter deposition of cubic boron nitride films", Surface and Coatings Technology, Nr. 205, 2010, beschrieben.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zur Überwachung eines plasmagestützten Prozesses zur Beschichtung mindestens eines Bauteils vorgeschlagen. Dabei wird das zu beschichtende mindestens eine Bauteil in einen Rezipienten eingebracht und an einem innerhalb des Rezipienten angeordneten Bauteilträger zur Aufnahme des mindestens einen Bauteils befestigt. Innerhalb des Rezipienten wird ein Plasma erzeugt. Anschließend wird das mindestens eine Bauteil aus der Gasphase heraus beschichtet.
Bei dem Rezipient handelt es sich um ein Gefäß, das beispielsweise aus Edelstahl besteht, und in welchem die Beschichtung des mindestens einen Bauteils unter verhältnismäßig geringem Druck stattfindet. Nach dem Einbringen des mindestens einen Bauteils in den Rezipienten wird der Rezipient luftdicht verschlossen und im Inneren des Rezipienten wird ein Unterdrück erzeugt. Anschließend wird ein Gas, beispielsweise Argon, in den Rezipienten eingebracht. Aus dem in den Rezipienten eingebrachten Gas wird das Plasma erzeugt.
Die Beschichtung des mindestens einen Bauteils geschieht beispielsweise mittels des PVD- Verfahrens oder mittels des PECVD-Verfahrens. Beim PVD- Verfahren wird ein Festkörper (Target), das im Rezipienten vorliegt, teilweise verdampft. Die Verdampfung erfolgt beispielsweise durch den lonenbeschuss oder die Lichtbogenentladung. Beim PECVD-Verfahren liegt das
Beschichtungsmaterial direkt in der chemischen Phase vor. Bei beiden Varianten der Gasphasenabscheidung gelangt das Beschichtungsmaterial aus der Gasphase als Schicht auf das Bauteil.
Während des besagten Beschichtungsprozesses wird zwischen dem zu beschichtenden mindestens einen Bauteil und dem Rezipienten eine
Messspannung angelegt. Dabei wird ein von dem mindestens einen Bauteil abfließender Messstrom gemessen, und es wird ein Zusammenhang zwischen der Messspannung und dem Messstrom ausgewertet. Eine Messkurve, welche den Zusammenhang zwischen der Messspannung und dem Messstrom zeigt, kann dazu beispielsweise in Form einer Strom-Spannungscharakteristik dargestellt werden.
Während des Beschichtungsprozesses sind Ionen und Elektronen in dem Plasma innerhalb des Rezipienten vorhanden. Wenn an dem mindestens einen Bauteil eine negative Messspannung angelegt wird, so werden Ionen von dem mindestens einen Bauteil angezogen, und über das mindestens eine Bauteil fliesen Ionen in Abhängigkeit von der angelegten Messspannung aus dem Plasma ab. Die abfließenden Ionen führen durch Rekombination mit den in dem mindestens einen Bauteil befindlichen Elektronen zu einem messbaren elektrischen Strom. Wenn an dem mindestens einen Bauteil eine positive Messspannung angelegt wird, so werden Elektronen von dem mindestens einen Bauteil angezogen, und über das mindestens eine Bauteil fliesen Elektronen in Abhängigkeit von der angelegten Messspannung aus dem Plasma ab.
Aus der erfassten Strom-Spannungscharakteristik, welche auch als IV- Charakteristik bezeichnet wird, lassen sich unter anderem die
Ladungsträgerdichte, das Plasmapotential und die Elektronentemperatur bestimmen. Anschließend kann über die aufgezeichnete beziehungsweise berechnete Strom-Spannungscharakteristik ein Prozessübertrag, die
Prozessüberwachung oder Prozessoptimierung erfolgen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Messspannung in Form einer Spannungsrampe angelegt. Zu Beginn der Messung hat die angelegte Messspannung dabei einen geringen Minimalwert. Während der Messung wird der Wert der Messspannung, vorzugsweise kontinuierlich, bis zu einem hohen Maximalwert erhöht.
Der Minimalwert der Messspannung ist vorzugsweise negativ, der Maximalwert der Messspannung ist vorzugsweise positiv. Die Spannungsrampe erstreckt sich also von dem negativen Minimalwert bis zu dem positiven Maximalwert.
Vorzugsweise wird die Spannungsrampe dabei mehrfach nacheinander durchlaufen. Der Minimalwert beträgt beispielsweise - 30 V, der Maximalwert beträgt beispielsweise + 40 V.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der von dem Bauteil abfließende Messstrom außerhalb des Rezipienten in einem elektrischen Leiter gemessen. Der besagte elektrische Leiter, beispielsweise ein Messkabel, ist dazu mit dem Bauteil elektrisch verbunden und durch eine Wand des
Rezipienten hindurch nach außen geführt. Die Durchführung des elektrischen Leiters kann beispielsweise über einen herkömmlichen CF- Flansch realisiert werden. Hierbei muss jedoch die Rotation des Bauteilträgers berücksichtigt werden und gegebenenfalls muss ein rotatorischer Signalabgriff oder eine Drehdurchführung vorgesehen werden.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der von dem Bauteil abfließende Messstrom innerhalb des Rezipienten gemessen. Dabei werden aufgenommene Messwerte des Messstroms zu einer außerhalb des Rezipienten angeordneten Verarbeitungseinheit übertragen. Beispielsweise wird dazu ein vakuumtauglicher RFID-Transponder zur drahtlosen Signalübertragung der Messwerte zu der Verarbeitungseinheit verwendet. Auch ist eine
Speicherung der Messwerte auf einem Medium innerhalb des Rezipienten denkbar. Die Messwerte werden dann zu einem späteren Zeitpunkt von dem Medium ausgelesen und zu der Verarbeitungseinheit übertragen. Je nach Ausführung gibt es aktive und passive Modelle, die sich in ihrer
Wiederbeschreibbarkeit unterscheiden.
Es wird auch eine Vorrichtung zur Beschichtung mindestens eines Bauteils mittels eines plasmagestützten Prozesses vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst dabei einen Rezipienten, in welchem ein Plasma erzeugbar ist, und einen innerhalb des Rezipienten angeordneten Bauteilträger zur Aufnahme des mindestens einen Bauteils. Innerhalb des Rezipienten ist eine
Beschichtungsmaterial-Gasphase erzeugbar, mit der das mindestens eine Bauteil beschichtbar ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet.
Bei dem Rezipient handelt es sich um ein Gefäß, das beispielsweise aus Edelstahl besteht, und in welchem die Beschichtung des mindestens einen Bauteils unter verhältnismäßig geringem Druck stattfindet. Nach dem Einbringen des mindestens einen Bauteils in den Rezipienten wird der Rezipient luftdicht verschlossen und im Inneren des Rezipienten wird ein Unterdrück erzeugt. Anschließend wird ein Gas, beispielsweise Argon, in den Rezipienten eingebracht. Aus dem in den Rezipienten eingebrachten Gas wird das Plasma erzeugt.
Die Vorrichtung umfasst ferner Mittel zum Anlegen einer Messspannung zwischen dem mindestens einen Bauteil und dem Rezipienten. Dabei handelt es sich beispielsweise um eine regelbare Spannungsquelle, mit welcher eine Spannungsrampe durchfahren werden kann. Die Spannungsrampe erstreckt sich von dem negativen Minimalwert, beispielsweise - 30 V, bis zu dem positiven Maximalwert, beispielsweise + 40 V.
Die Vorrichtung umfasst auch Mittel zum Messen eines von dem mindestens einen Bauteil abfließenden Stroms, insbesondere in Form eines geeigneten Stromsensors. Ferner umfasst die Vorrichtung Mittel zur Auswertung eines Zusammenhangs zwischen der Messspannung und dem Messstrom. Dabei handelt es sich beispielsweise um einen geeigneten Digitalrechner mit einem Prozessor, einer Speichereinheit und einer entsprechenden Software zur Erstellung einer Strom-Spannungscharakteristik und zur Auswertung des besagten Zusammenhangs zwischen der Messspannung und dem Messstrom.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung ferner einen mit dem Bauteil elektrisch verbindbaren elektrischen Leiter, welcher durch eine Wand des Rezipienten hindurch nach außen geführt ist. Der von dem Bauteil abfließende Messstrom fließt dabei durch den besagten Leiter, beispielsweise ein Messkabel. Dabei sind die Mittel zum Messen des von dem Bauteil abfließenden Messstroms außerhalb des Rezipienten angeordnet. Die Durchführung des elektrischen Leiters durch den Rezipienten kann
beispielsweise über einen herkömmlichen CF-Flansch realisiert werden. Hierbei muss jedoch die Rotation des Bauteilträgers berücksichtigt werden und gegebenenfalls muss ein rotatorischer Signalabgriff oder eine Drehdurchführung vorgesehen werden.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung ferner eine außerhalb des Rezipienten angeordnete
Verarbeitungseinheit, zu welcher aufgenommene Messwerte des Messstroms übertragbar sind. Dabei sind die Mittel zum Messen des von dem Bauteil abfließenden Messstroms innerhalb des Rezipienten angeordnet. Beispielsweise wird dazu ein vakuumtauglicher RFID-Transponder zur drahtlosen
Signalübertragung der Messwerte zu der Verarbeitungseinheit verwendet. Auch ist eine Speicherung der Messwerte auf einem Medium innerhalb des
Rezipienten denkbar. Die Messwerte werden dann zu einem späteren Zeitpunkt von dem Medium ausgelesen und zu der außerhalb des Rezipienten
angeordneten Verarbeitungseinheit übertragen. Je nach Ausführung gibt es aktive und passive Modelle, die sich in ihrer Wiederbeschreibbarkeit
unterscheiden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung ferner ein innerhalb des Rezipienten angeordnetes Target, mit dessen Material das Bauteil beschichtbar ist. Bevorzugt umfasst der Bauteilträger einen Isolator, welcher ein darin
aufgenommenes Bauteil elektrisch gegen den Rezipienten isoliert. Somit kann eine Messspannung zwischen dem Bauteil und dem Rezipienten angelegt werden, ohne dass ein Strom unmittelbar von dem Bauteil und zu dem
Rezipienten fließt.
Vorteile der Erfindung
Die hier beschriebene Erfindung ermöglicht eine quantitative in-situ Messung der vorhandenen Ladungsträger in dem Plasma in dem Rezipienten während der Beschichtung eines Bauteils. Die Messung geschieht dabei analog zu aus dem Stand der Technik bekannten Messungen mit herkömmlichen elektrostatischen Sonden. Mittels der vorliegenden Erfindung lässt sich jedoch eine
prozessabhängige Strom-Spannungscharakteristik (IV-Charakteristik) erfassen und ein Zusammenhang zwischen der Messspannung und dem Messstrom auswerten, ohne dabei zusätzlich das in dem Rezipienten befindliche Plasma zu stören. Somit sind negative, störende Auswirkungen der Messung auf den Beschichtungsprozess vorteilhaft verringert.
Bei der Messung erfolgt also keine zusätzliche Störung des
Beschichtungsprozess, da eine herkömmliche elektrostatische Sonde nicht vorhanden ist. Die Messspannung ist unmittelbar direkt von dem Bauteil übernehmbar. Somit ergibt sich eine homogenere Beschichtung des Bauteils durch zusätzliche Kalibriermöglichkeiten, beispielsweise durch Anpassung der Leistungseinkopplung in Abhängigkeit des Messwertes. Ferner ist eine bessere Prozessübertragbarkeit auf einen anderen Rezipienten gegeben. Auch sind eine bessere Prozessoptimierung sowie eine bessere Prozessüberwachung gegeben. Ferner ist eine bessere vorbeugende Instandhaltung des Rezipienten möglich. Auch ist eine bessere Dokumentation eines durchgeführten
Beschichtungsprozesses gegenüber einem Kunden möglich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Vorrichtung zur Beschichtung eines Bauteils mittels eines
plasmagestützten Prozesses und
Figur 2 eine aufgenommene Messkurve in Form einer Strom- Spannungscharakteristik.
Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 10 zur Beschichtung eines Bauteils 12 mittels eines plasmagestützten Prozesses. Die Vorrichtung 10 umfasst einen
Rezipienten 14. Bei dem Rezipient 14 handelt es sich um ein Gefäß, das vorliegend aus Edelstahl besteht, und in welchem mittels einer Pumpe ein Unterdrück erzeugbar ist.
Innerhalb des Rezipienten 14 ist ein Bauteilträger 16 zur Aufnahme des Bauteils 12 angeordnet. Der Bauteilträger 16 umfasst einen Isolator 18, welcher das darin aufgenommene Bauteil 12 elektrisch gegen den übrigen Bauteilträger 16 und gegen den Rezipienten 14 isoliert. Der Bauteilträger 16 umfasst auch eine Aufnahmeeinheit 22, welche den Isolator 18 und das darin aufgenommene Bauteil 12 trägt.
An den Rezipienten 14 ist eine hier nicht dargestellte Gasleitung angeschlossen. Die Gasleitung ist mit einer Gasflasche verbunden. In der Gasleitung ist ein Massendurchflussmesser angeordnet. Über die Gasleitung ist das für den Beschichtungsprozess erforderliche Prozessgas, beispielsweise Argon,
Reaktivgas, beispielsweise Stickstoff oder Edukt, beispielsweise Acetylen, dem Rezipienten 14 zuführbar. Innerhalb des Rezipienten 14 ist auch eine hier nicht dargestellte Plasmaquelle vorgesehen, welche die erforderlichen Ladungsträger für den
Beschichtungsprozess aus dem Prozessgas erzeugt. Der Beschichtungsprozess erfolgt aus der Gasphase heraus, die sowohl physikalisch, beispielsweise mittels lonenbeschuss eines Targets, oder auf chemischen Weg mittels eines zusätzlichen Edukt erfolgen kann.
Die Vorrichtung 10 umfasst einen elektrischen Leiter 40, der in Form eines Messkabels ausgeführt ist. Der elektrische Leiter 40 ist mit dem Bauteil 12 elektrisch verbunden. Der elektrische Leiter 40 und das Bauteil 12 sind von dem Rezipienten 14, insbesondere von dem Bauteilträger 16, elektrisch isoliert. Der elektrische Leiter 40 ist durch eine Wand des Rezipienten 14 hindurch nach außen geführt.
Der Bauteilträger 16 ist innerhalb des Rezipienten 14 drehbar gelagert. Während des Beschichtungsprozesses rotiert der Bauteilträger 16 innerhalb des
Rezipienten 14. Die Durchführung des elektrischen Leiters 40 durch die Wand des Rezipienten 14 hindurch umfasst daher eine hier nicht dargestellte
Drehdurchführung, womit die besagte Rotation des Bauteilträgers 16
berücksichtigt wird.
Die Vorrichtung 10 umfasst eine Messeinheit 50, die vorliegend außerhalb des Rezipienten 14 angeordnet ist. Die Messeinheit 50 ist über den elektrischen Leiter 40 mit dem Bauteil 12 innerhalb des Rezipienten 14 verbunden. Die Messeinheit 50 ist elektrisch geerdet. Ebenso ist der Rezipient 14 elektrisch geerdet.
Die Messeinheit 50 weist Mittel zum Anlegen einer Messspannung UM zwischen dem Bauteil 12 und dem Rezipienten 14 auf. Bei den besagten Mitteln handelt es sich vorliegend um eine regelbare Spannungsquelle 42. Die Spannungsquelle 42 ist außerhalb des Rezipienten 14 angeordnet. Mit der Spannungsquelle 42 kann eine Spannungsrampe durchfahren werden kann. Die Spannungsrampe erstreckt sich von einem negativen Minimalwert, vorliegend - 30 V, bis zu einem positiven Maximalwert, vorliegend + 40 V.
Beim Anlegen der Messspannung UM zwischen dem Bauteil 12 und dem
Rezipienten 14 fließt ein Messstrom IM von dem Bauteil 12 ab und durch den elektrischen Leiter 40 zu der Messeinheit 50. Es fließt kein Strom unmittelbar von dem Bauteil 12 zu dem Rezipienten 14.
Die Messeinheit 50 weist auch Mittel zum Messen des von dem Bauteil 12 abfließenden Messstroms IM auf. Bei den besagten Mitteln handelt es sich vorliegend um einen Stromsensor 44. Der Stromsensor 44 ist außerhalb des Rezipienten 14 angeordnet. Der Stromsensor 44 umfasst vorliegend einen Messwiderstand 46 und zwei Messpunkte 48. Der Messwiderstand 46 ist elektrisch zwischen den Messpunkten 48 angeordnet. Wenn der Messstrom IM durch den Messwiderstand 46 fließt, so fällt über dem Messwiderstand 46 eine Sensorspannung ab, die proportional zu dem Messstrom IM ist. Die
Sensorspannung ist zwischen den Messpunkten 48 messbar.
Nach dem Einbringen des Bauteils 12 in den Rezipienten 14 wird der Rezipient 14 luftdicht verschlossen und im Inneren des Rezipienten 14 wird ein Unterdrück erzeugt. Anschließend wird ein Gas, beispielsweise Argon, in den Rezipienten 14 eingebracht. Aus dem in den Rezipienten 14 eingebrachten Gas wird ein Plasma 20 erzeugt. Der Beschichtungsprozess des Bauteils 12 findet in dem Rezipienten 14 also unter einem verhältnismäßig geringen Druck statt, wobei sich das Plasma 20 innerhalb des Rezipienten 14 befindet.
Während des besagten Beschichtungsprozesses wird zwischen dem Bauteil 12 und dem Rezipienten 14 die Messspannung UM angelegt. Dabei wird der von dem Bauteil 12 durch den elektrischen Leiter 40 abfließende Messstrom IM gemessen. Während dieser Messung werden Messwerte der Messspannung UM und Messwerte des Messstroms IM aufgenommen.
Aus den aufgenommenen Messwerten der Messspannung UM und des
Messstroms IM wird eine Messkurve 60 erstellt, welche einen Zusammenhang zwischen der Messspannung UM und dem Messstrom IM zeigt. In der Figur 2 ist beispielhaft eine solche aufgenommene Messkurve 60 in Form einer Strom- Spannungscharakteristik dargestellt.
Der Zusammenhang zwischen der angelegten Messspannung UM und dem gemessenen Messstrom IM wird anschließend ausgewertet. Dazu umfasst die Vorrichtung 10 hier nicht dargestellte Mittel zur Auswertung des
Zusammenhangs zwischen der Messspannung UM und dem Messstrom IM. Bei den besagten Mitteln handelt es sich beispielsweise um einen geeigneten Digitalrechner mit einem Prozessor, einer Speichereinheit und einer
entsprechenden Software zur Erstellung der Strom-Spannungscharakteristik und zur Auswertung des Zusammenhangs zwischen der Messspannung UM und dem Messstrom IM.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Überwachung eines plasmagestützten Prozesses zur Beschichtung mindestens eines Bauteils (12), wobei
das mindestens eine Bauteil (12) in einen Rezipienten (14) eingebracht wird;
ein Plasma (20) in dem Rezipienten (14) erzeugt wird;
das mindestens eine Bauteil (12) aus der Gasphase heraus beschichtet wird;
zwischen dem mindestens einen Bauteil (12) und dem Rezipienten (14) eine Messspannung (UM) angelegt wird;
ein von dem Bauteil (12) abfließender Messstrom (IM) gemessen wird; und ein Zusammenhang zwischen der Messspannung (UM) und dem Messstrom (IM) ausgewertet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei
die Messspannung (UM) in Form einer Spannungsrampe angelegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei
die Spannungsrampe sich von einem negativen Minimalwert bis zu einem positiven Maximalwert erstreckt.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei
der von dem Bauteil (12) abfließende Messstrom (IM) außerhalb des Rezipienten (14) in einem elektrischen Leiter (40) gemessen wird, welcher mit dem Bauteil (12) elektrisch verbunden ist, und welcher durch eine Wand des Rezipienten (14) hindurch nach außen geführt ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der von dem Bauteil (12) abfließende Messstrom (IM) innerhalb des Rezipienten (14) gemessen wird, und wobei
aufgenommene Messwerte des Messstroms (IM) zu einer außerhalb des Rezipienten (14) angeordneten Verarbeitungseinheit übertragen werden.
6. Vorrichtung (10) zur Beschichtung mindestens eines Bauteils (12)
mittels eines plasmagestützten Prozesses, umfassend
einen Rezipienten (14), in welchem ein Plasma (20) erzeugbar ist, einen innerhalb des Rezipienten (14) angeordneten Bauteilträger (16) zur Aufnahme des mindestens einen Bauteils (12),
Mittel zum Anlegen einer Messspannung (UM) zwischen dem
mindestens einen Bauteil (12) und dem Rezipienten (14),
Mittel zum Messen eines von dem mindestens einen Bauteil (12) abfließenden Messstroms (IM) und
Mittel zur Auswertung eines Zusammenhangs zwischen der
Messspannung (UM) und dem Messstrom (IM), wobei
die Vorrichtung (10) zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche eingerichtet ist.
7. Vorrichtung (10) nach Anspruch 6, ferner umfassend
einen mit dem Bauteil (12) elektrisch verbindbaren elektrischen Leiter (40), welcher durch eine Wand des Rezipienten (14) hindurch nach außen geführt ist, wobei die Mittel zum Messen des von dem Bauteil (12) abfließenden Messstroms (IM) außerhalb des Rezipienten (14) angeordnet sind.
8. Vorrichtung (10) nach Anspruch 6, ferner umfassend
eine außerhalb des Rezipienten (14) angeordnete Verarbeitungseinheit, zu welcher aufgenommene Messwerte des Stroms übertragbar sind, wobei die Mittel zum Messen des von dem Bauteil (12) abfließenden Messstroms (IM) innerhalb des Rezipienten (14) angeordnet sind.
9. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, ferner umfassend ein innerhalb des Rezipienten (14) angeordnetes Target, mit dessen Material das Bauteil (12) beschichtbar ist.
10. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei der Bauteilträger (16) einen Isolator (18) umfasst, welcher ein aufgenommenes Bauteil (12) elektrisch gegen den Rezipienten (14) isoliert.
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