CH653708A5 - Process and device for applying strongly adhesive layers to large-area substrates by means of ionised gases and/or vapours - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Auftragen von haftfesten Schichten auf grossflächige Substrate mittels ionisierter Gase und/oder Dämpfe. Der Einsatz derartiger Schichten kann sehr verschiedenartig sein. Er reicht von Werkzeugen mit verbesserter Oberflächenhärte bis zu thermoplastischen Werkstoffen mit erhöhter Kratzfestigkeit.

Die Erzeugung ionisierter Gase und/oder Dämpfe mittels Gleichspannungsentladung und Niedervoltbogenentladung ist an sich bekannt.

Bei der Gleichspannungsentladung lässt sich die Erzeugung ionisierter Gase und/oder Dämpfe ohne Zusatzmass-nahmen nur durch relativ hohen Druck in der Vakuumkammer realisieren. Dadurch müssen die bekannten Nachteile, wie z.B. störender Gaseinbau in den aus dem Plasma abgeschiedenen Schichten, in Kauf genommen werden. Durch Anwendung einer Glühkathode als Elektronenemitter lässt sich der Arbeitsdruck in günstigere Bereiche senken.

Hierzu sind mehrere Varianten bekanntgeworden. Meist wird die Glühkathode in einer kleinen separaten Kammer, die über eine Öffnung mit der eigentlichen Behandlungskammer verbunden ist, betrieben. In der kleinen Kammer wird oft ein höherer Druck aufrechterhalten und die Entladung brennt zwischen Glühkathode und einer in der Behandlungskammer befindlichen Anode, wobei zur Verstärkung und Bündelung der Entladung ein Magnetfeld erzeugt wird (DE-PS 22 46 983; DE-PS 17 65 625). Dies erfordert einen hohen technischen Aufwand, wobei ohne weitere Massnahmen meist nur kleinere Oberflächen gleichmässig behandelt werden können.

Es ist weiterhin bekannt, die Geometrie der Entladungsquellen so zu gestalten, dass eine optimale Behandlung z.B. von Targetoberflächen bei der Kathodenzerstäubung oder von Substratflächen bei Plasmabehandlungen möglich ist. Dies ist z.B. befriedigend für Gleichspannungsentladungs-quellen gelungen, wo die Anordnung von Kathode, Anode und der sich dazwischen befindlichen Auffängerflächen konzentrisch zueinander und zylindersymmetrisch erfolgt ist. Im Falle der Niedervoltbogenentladung bei relativ niedrigem Druck mit Glühkathode gibt es Einrichtungen, die zwar in der Behandlungskammer angeordnet sind, aber nur die Behandlung kleiner Flächen zulassen. Bei diesen Einrichtungen sind deren Elektroden nacheinander auf einer Längsachse angeordnet. Dadurch wird die Austrittsfläche, für Elektronen bzw. für die in der Einrichtung entstehenden Ionen durch die Grösse der Absaugeelektrodenöffnung bestimmt. Im Endeffekt bestimmt diese Grösse die gleichmässig behandelbare Fläche. Einer Vergrösserung dieser Einrichtung zur Anwendung für industrielle Zwecke sind Grenzen gesetzt, wobei dann auch die volle Gleichmässigkeit nicht erreicht werden kann.

Speziell zur Kohlenstoffbeschichtung sind des weiteren komplizierte Ionenstrahlquellen bekanntgeworden [z.B. Aisenberg, Chabot; J. Appi. Phys. 42 (1971) 2953], wobei der erhebliche apparative und technologische Aufwand in keinem Verhältnis zur geringen zu beschichtenden Fläche und somit einer industriellen Anwendung im Wege stehen.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, grossflächige Substrate mit einer haftfesten, insbesondere harten Kohlenstoffschicht, zum Zwecke erhöhter Verschleiss- und Korrosionsbeständigkeit zu beschichten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung vorzuschlagen, die ermöglichen, mittels ionisierter Gase und/oder Dämpfe auf grossflächigen Substraten eine gleichmässige haftfeste Beschichtung, insbesondere harten Kohlenstoffschichten anzubringen.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale in den Patentansprüchen 1 und 5 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen dieser Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen definiert.

Das Potential der Reflektorelektroden ist zweckmässig gleich oder etwa gleich dem Potential der Glühkathode. Konstruktiv können die Reflektorelektroden als Bleche ausgebildet sein, die rechtwinklig zur Achse der Glühkathode angeordnet sind. Zur Gewährleistung einer gleichmässigen Schichtdicke auch in den Randbereichen der Substrate werden die äusseren Reflektorelektroden vorteilhaft so angeordnet, dass sie die Substrate mindestens um 'A des Abstandes der Reflektorelektroden untereinander überragen.

Mit dem erfindungsgemässen Verfahren und der ebenfalls erfindungsgemässen Einrichtung kann erreicht werden, dass die von der Glühkathode emittierten Elektronen zwischen den Reflektorelektroden, in dadurch gebildeten Entladungskammern, gut reflektiert werden und ein stabiles Plasma auch bei niedrigen Drücken herstellbar ist.

Die emittierten Elektronen, die zum Teil nach mehrfacher Reflexion an den Reflektorelektroden zur Anode beschleunigt werden, sind in der Lage, insbesondere in Nähe der Anode Gas- bzw. Dampfteilchen zu ionisieren, so dass sich im Arbeitsraum ein diffuses Plasma ausbreitet. Die im Plasma

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vorhandenen Ionen werden von den temperierbaren und auf einem gegenüber der Glühkathode negativen Potential liegenden Substraten bzw. Substrathalter angezogen und wirken auf die Oberflächen der Substrate ein. Die Substratstromdichte, die die Ioneneinwirkung kennzeichnet, stellt sich über die gesamte Fläche weitgehend konstant ein. Diese Ionen, die je nach Verfahren und Arbeitsmedium unterschiedlich sein können, z.B. Kohlenstoffionen aus einem Benzol-Arbeitsmedium, bilden auf der Substratoberfläche eine haftfeste harte Schicht, im angegebenen Falle eine Kohlenstoffschicht.

Das Verfahren und die Arbeitsweise der erfindungsgemässen Einrichtung soll nachfolgend erläutert werden.

Der Arbeitsraum wird durch bekannte Vakuumerzeuger evakuiert und durch Dosierventile werden die für die Erzeugung der haftfesten harten Schichten erforderlichen Gase bzw. Dämpfe eingelassen und der gewünschte Arbeitsdruck, eventuell nach Drosselung der Saugleistung der Vakuumerzeuger, eingestellt. Durch Stromdurchgang wird die Glühkathode auf eine Temperatur aufgeheizt, die für die Emission von Elektronen notwendig ist.

Im Falle isolierender Substrate ist eine HF-Spannung günstig. Bei Anwendung der Erfindung für Plasma-aktive bzw. chemische Vorgänge und Ablagerungsprozesse ist im allgemeinen keine Substratspannung erforderlich, so dass die Substrate mit der geerdeten Ionisationskammerwand verbunden sein können.

Das Vakuumgefäss kann sowohl aus Glas als auch aus Metall gefertigt sein, wobei es dann Erdpotential besitzt und zwischen Erdpotential und Glühkathode ein Widerstand zugeschaltet ist, der entsprechend der anderen gewählten Potentiale zu dimensionieren ist. Insbesondere bei isolierenden Substraten ist es vorteilhaft, unmittelbar vor den Substraten eine auf negativem Potential liegende Netzelektrode als Beschleunigungselektrode anzuordnen.

Bei wärmeempfindlichen Substraten, z.B. thermoplastischen Werkstoffen, ist es vorteilhaft, zwischen Glühkathode und Anode Strahlungsblenden anzuordnen, die eine geradlinige Wärmestrahlung verhindern.

Die geometrisch konstruktive Gestaltung der erfindungsgemässen Einrichtung kann sowohl planparallel als auch konzentrisch mit innerer Glühkathode erfolgen. Im Bedarfsfall, z.B. bei grösseren zylinderförmigen Substraten, ist auch der umgekehrte Fall möglich, wobei das Substrat zentral angeordnet, und dieses von der Anode und der Glühkath'ode mit Reflektorelektroden umgeben ist.

Eine planparallele Anordnung lässt sich sinnvoll mit einem Schleusen-Durchlaufsystem verbinden.

Die Erfindung wird nachfolgend an vier Ausführungsbeispielen die konzentrische Anordnungen mit zentrischer Glühkathode betreffen, näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäss aufgebaute Einrichtung mit zylinderförmiger Substratanordnung,

Fig. 2 die Anordnung nach Fig. 1 mit einer Beschleunigungselektrode,

Fig. 3 eine erfindungsgemäss aufgebaute Einrichtung mit planetenartiger Anordnung der Substrate, und

Fig. 4 eine Anordnung nach Fig. 1 mit Wärmestrahlungsblenden.

In Fig. 1 ist ein Rezipient dargestellt, in dem eine erfin-dungsgemässe Einrichtung angeordnet ist. Die Vakuumerzeugung und Zuführung des Reaktionsgases bzw. -dampfes erfolgt über den Flanschanschluss und ist nicht näher dargestellt.

Der eigentliche Arbeitsraum ist die mit 1 bezeichnete Ionisierungskammer. Diese wird durch die Substrathalterung 4 zylindrisch nach aussen begrenzt. Zentrisch ist die Ionisierungsvorrichtung angeordnet. Diese enthält eine Glühkathode 5, welche schraubenförmig, koaxial zur Substrathalterung 4 und in etwa gleicher Länge wie diese, um einen Haltestab angeordnet ist. Am gleichen Haltestab sind auch zum Beispiel scheibenartige Reflektorelektroden 2 angeordnet. 5 Die äusseren Reflektorelektroden 2 ragen in ihrer Gesamtheit axial mindestens um % des vertikalen Abstandes 10 zwischen den Reflektorelektroden 2 über die flächige Ausdehnung der zum Beschichten bestimmten Substrate hinaus. Der Abstand 10 zwischen den Reflektorelektroden 2 beträgt bei einem io Arbeitsdruck von 5 x 10~2 Pa und dem Arbeitsmedium Benzol (CòHe) zur Lieferung von C-Ionen etwa 50 mm. Dieses Mass gilt auch für den radialen Abstand zwischen der Glühkathode

5 und einer konzentrisch angeordneten transparenten Anode 6, der dementsprechend auch mit 10 bezeichnet ist. Der Raum

15 zwischen den einzelnen Reflektorelektroden 2 und der Anode

6 bildet die eigentliche Entladungskammer 3, innerhalb welcher Kammer sich ein Plasma ausbildet und das Arbeitsmedium ionisiert wird.

Als Substrate könnten z.B. Plastelinsen angeordnet wer-20 den, die mit einer kratzfesten Kohlenstoffschicht beschichtet werden sollen oder aber auch Hartmetallbohrer, bei denen mit einer Kohlenstoffbeschichtung die Schnittleistungen verbessert werden können.

Konstruktiv besteht die Glühkathode 5 aus einem hoch-25 schmelzenden Material, z.B. Tantal, 0,6 mm2 und 350 mm Drahtlänge. Die Reflektorelektroden 2 bestehen aus 1 mm dicken Stahlblechscheiben, und die Anode 6 besteht aus git-terförmig angeordneten Stahldrähten mit einem Durchmesser von 1 mm.

3o Die erforderlichen elektrischen Spannungen werden im Beispiel über den Rezipiententeller in bekannter Weise zugeführt.

Wenn als Beispiel eine harte Kohlenstoffschicht auf die Substrate abgeschieden werden soll, dann wird im Rezipient 35 z.B. eine Benzolatmosphäre von 1 • 10"' Pa erzeugt. An die Glühkathode 5 wird eine Spannung von 30 V und ein Strom von 35 A angelegt. Damit wird die Glühkathode 5 auf die für eine gute Elektronenemittierung erforderliche Temperatur gebracht.

40 Die Anode 6 liegt auf einer Spannung von + 100 V gegenüber der Glühkathode 5 und es fliesst ein Anodenstrom von 2 A. Die Substrathalterung 4 liegt auf einer negativen Spannung von -600 V gegenüber Masse.

Bei dieser Disposition bildet sich in der Ionisierungskam-45 mer 1 und im gesamten Rezipienten ein diffuses Plasma aus. Durch das negative Potential der Substrathalterung 4 werden die Ionen aus dem Plasma heraus auf die Substrathalterung 4 extrahiert. Die Ionenstromdichte beträgt bei einer negativen Spannung der Substrathalterung 4 von -600 V etwa 0,15 so mAcm"2.

Dieser Ionenstrom ist ausreichend für eine haftfeste Abscheidung einer harten Kohlenstoffschicht, z.B. auf einen Werkzeugstahl zur Verschleissminderung.

Im Bedarfsfall ist es auch möglich, mit derselben Einrich-55 tung vor dem Einlass des Arbeitsmediums eine Edelgasatmosphäre zu erzeugen und durch Beschuss der Substrate durch Anlegen einer Spannung von z.B. -2 kV mit Edelgasionen, z.B. Argonionen, die Substrate zu reinigen. Erst im zweiten Schritt werden nach Erzeugung einer Atmosphäre aus dem 60 Arbeitsmedium die schichterzeugenden Ionen auf dem Substrat abgeschieden. Diese Verfahrensvariante dient vor allem einer hohen Haftfestigkeit.

In Fig. 2 ist grundsätzlich die gleiche Einrichtung wie in Fig. 1 dargestellt. In Abweichung dazu wurde jedoch radial 65 ausserhalb der Ionisierungsvorrichtung und unmittelbar vor der Substrathalterung 4 eine Beschleunigungselektrode 8 angeordnet. Diese liegt auf negativer Spannung gegenüber Masse und ermöglicht insbesondere eine gute Beschichtung

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nichtleitender Substrate, z.B. aus thermoplastischen Werkstoffen.

Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem mehrere Substrathalter 4 stabförmig gestaltet und rotierbar angeordnet sind, und auf welchen vorzugsweise scheibenförmige Substrate 9 befestigt werden können.

Fig. 4 zeigt die Draufsicht auf eine Einrichtung, die besonders zur Beschichtung wärmeempfindlicher Substrate geeignet ist. Durch geeignet angeordnete Strahlungsblenden 7 innerhalb der Einrichtung nach Fig. 1 zwischen Glühkathode 5 5 und Anode 6 kann die von der Kathode auf den Substrathalter 4 treffende Wärmestrahlung verringert werden.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

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1. Verfahren zum Auftragen von haftfesten Schichten auf grossflächige Substrate mittels ionisierter Gase und/oder Dämpfe, dadurch gekennzeichnet, dass man die zu beschichtenden Substrate gegenüber einer von einer transparenten Anode (6) umgebenen Glühkathode (5) einer Beschichtungs-einrichtung anordnet, die der Glühkathode (5) zugeordnete Reflektorelektroden (2) aufweist, wobei der Abstand (10) zwischen den Reflektorelektroden (2) sowie der Abstand zwischen der Anode (6) und der Glühkathode (5) etwa gleich der mittleren freien Weglänge der Gasmoleküle beim Arbeitsdruck ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung verwendet wird, deren Glühkathode (5) mindestens gleich lang wie die axiale Ausdehnung des zu beschichtenden Substrates ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Einzelabstände (10) der Reflektorelektroden (2) so gewählt wird, dass sie gegenüber der zu beschichtenden Länge des Substrates um mindestens 'A des Abstandes (10) zweier benachbarter Reflektorelektroden (2) grösser ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Beschleunigungselektrode (8) derart anordnet, dass sie sich unmittelbar vor dem zu beschichtenden Substrat befindet.

5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die der Glühkathode (5) zugeordneten Reflektorelektroden (2) rechtwinklig zur Achse der Glühkathode (5) und die Anode (6) konzentrisch zur Glühkathode (5) angeordnet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektorelektroden (2) auf Kathodenpotential liegen.

7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschleunigungselektrode (8) radial ausserhalb der Anode (6) angeordnet ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Glühkathode (5) und Anode (6) Strahlungsblenden (7) angeordnet sind.

9. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1, zum Auftragen von harten Kohlenstoffschichten.