WO2000008227A1 - Vorrichtung und verfahren zur plasmabehandlung von gegenständen im vakuum - Google Patents

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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
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    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32431—Constructional details of the reactor
    • H01J37/32458—Vessel

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for coating and / or surface modification of objects in a vacuum using a plasma, it being possible to coat or modify multifaceted objects on all sides without requiring a great deal of technical or procedural complexity required are.
  • the adhesive strength of any coatings to be applied subsequently can also be easily cleaned, etched and / or activated.
  • the invention can be used, in particular, to apply microscopic metal layers or connecting layers which have a low roughness.
  • the application of coatings to objects is by G.Kienel; Vacuum coating, Volume 2; VDI-Verlag GmbH Dusseldorf 1993; Pages 160-161; known using a planar DC magnetron.
  • Another disadvantage is that larger areas are coated parasitically, which leads to high losses of coating material, which is particularly the case with cost-intensive coating materials, such as e.g. Precious metals have a negative impact.
  • coating material such as e.g. Precious metals have a negative impact.
  • the amount of coating material that can be applied to the corresponding objects is limited accordingly, so that a relatively frequent interruption of the required target changes Coating process is necessary.
  • the device according to the invention can be modified accordingly for the coating of objects with metals, metal alloys or various metal compounds, such as metal nitrides or metal oxides or alternatively and commulatively to the surfaces already mentioned in the description, so that, for example, the liability properties can be improved for subsequently applied coatings.
  • a box-shaped structure is used, which has, for example, the shape of a rectangle, cube or cylinder made of an electrically conductive material.
  • the box-shaped structure can be seen as a vacuum chamber, which is used by connecting appropriate pumps and valves in connection with technical elements to be mentioned below. But there is also the possibility to use such a box-shaped structure in a conventional vacuum chamber and to work there according to the invention.
  • the objects to be coated or modified are inserted into the interior of the box-shaped structure in such a way that direct contact between the objects and the inner wall is avoided and otherwise electrical insulation is used as a carrier for the objects.
  • the box-shaped structure can preferably be inserted into the box-shaped structure via closable openings, so that the objects are enclosed on all sides.
  • the box-shaped structure can also consist of two parts, one part forming a lid which can be placed on the lower part.
  • At least the inner wall should be one for the
  • Coating suitable material exist.
  • the entire box-shaped structure can also be formed from a material suitable for the coating, or flat targets made of a coating material can be arranged on the inner walls of the box-shaped structure.
  • openings for the supply and discharge of working gas and at least one opening through which energy for generating a glow discharge into which the box-shaped structure can be introduced are required.
  • the box-shaped structure is made electrically negative compared to the plasma generated with the glow discharge Potential.
  • the generation of plasma caused by a glow discharge can take place in various ways. For this there is the possibility, through an opening, of introducing an electrode into the interior of the box-shaped structure, to which a direct or alternating voltage is applied. When a DC voltage is applied, the electrode is switched as an anode. The corresponding AC voltage applied can be low, medium or high frequency.
  • An alternative way of generating the plasma is to direct microwaves through an opening into the interior of the box-shaped structure and thus generate the plasma.
  • the box-shaped structure Since the box-shaped structure has a negative electrical potential with respect to the plasma, material can be removed from the plasma on the inner surface by impingement of high-energy, positive ions (sputtering), which is then deposited on the objects. However, a sufficient potential difference must be set for this. In the event that a corresponding potential difference has not been reached, no or almost no material is removed, and only a modification takes place in the area of the objects accommodated in the box-shaped structure near the surface.
  • the items can be made from a variety of materials, such as Metal, plastic or ceramic exist.
  • the coating material which is not deposited directly on the surface of the objects, is essentially deposited again on the inner surface of the box-shaped structure and is not lost in the coating process. Since scatter coatings only settle on relatively small-sized internals in the box-shaped structure, such as, for example, a carrier on which the objects are held, the cleaning effort is considerably reduced compared to conventional solutions.
  • the adsorbate layers which are known to form in such processes and which adversely affect the desorption during the coating, the layer quality and the layer adhesion due to desorption in vacuum coating processes can be counteracted very effectively by ion bombardment removal.
  • the inside of the box-shaped structure can be relatively short-lived with low plasma power, lower negative potential on the box-shaped structure and / or or can be cleaned by applying an increased working pressure so that no additional technical requirements have to be met for the removal of the adsorbate layers and the adsorbate can be easily extracted with the working gas after detachment.
  • the device according to the invention it is also possible to remove a large part of the adsorbate layers during the evacuation phase before the glow discharge and plasma generation are initiated by introducing and suctioning clean, dry working gas. Relatively little working gas is required for this, since the box-shaped structure and its inner surface can be relatively small compared to the inner surface of conventional vacuum coating chambers, with the same volume of the objects to be coated.
  • the inner surface of the box-shaped structure can be heated in a simple manner and without additional technical effort, so that the desorption of the adsorbate layers can be accelerated considerably.
  • the solution according to the invention offers a further advantage, which consists in the fact that considerably more coating material is available than is the case with the targets to be used there. Since the entire inner surface of the box-shaped material consists of coating material or there are appropriately dimensioned planar targets made of such a coating material, the coating material supply is considerably larger and the process accordingly has to be interrupted less frequently for subsequent loading with coating material. In addition, the plasma parameters do not change inadmissibly even if the coating material is heavily removed. In addition, there is no limitation due to the thermal resistance caused by a large thickness of the targets.
  • the box-shaped structure can be dimensioned in connection with the pressure of the working gas so that the discharge caused by the energy introduced has the character of a hollow cathode glow discharge, so that a particularly high plasma density and consequently a large coating rate can be achieved without expensive permanent magnets as required when using magnetrons are.
  • the one by M. v. Ardenne in "Effects of Physics”; Harry Deutsch publishing house; Thun, Frankfurt / Main; Condition mentioned in 1990 pressure, tube inner diameter 133.3 Pa cm with a maximum tolerance range of 13.33-133.3 Pa cm for the formation of a hollow cathode discharge should be taken into account accordingly, if the respective inside diameter of the box-shaped structure for the tube inner diameter is set.
  • the modification and coating can be carried out at relatively low temperatures, there is also the possibility and it has a favorable effect to provide the box-shaped structure with cooling, preferably water cooling.
  • the potential difference between the plasma generated and the box-shaped structure can be influenced in a defined manner and set in the range between 100 and 1000 V.
  • the smaller stress values are sufficient for the modification and the higher stress values are required for applying a coating.
  • the pressure in the box-shaped structure can be set between 10 and 10 mbar in a defined manner.
  • the suction opening for the working gas has a size between a few cm to about 100 cm 2 and it is advantageous to dimension the other openings in the box-shaped structure so that their sum is smaller than the size of the suction opening.
  • the box-shaped structure can have a clear width in the range between 1 cm and 1 m and should be at least 1.2 times the size of the objects and a maximum of 10 times as large.
  • the objects that are to be modified or coated should fill a volume of approximately 0.1% to 30% inside the box-shaped structure.
  • the objects in the box-shaped structure should be kept electrically insulated from it on, for example, one or more carriers and should be at least 0.1 to a maximum of 10 cm from the inner wall of the box-shaped structure.
  • metals come as coating material, e.g. Copper, aluminum, titanium or alloys thereof are used.
  • metal compounds such as e.g. Titanium nitride or indium tin oxide can be used.
  • the working gas can be a clean, dry inert gas, e.g. Be argon.
  • a working gas mixture consisting of an inert gas and a reactive gas can be used for the coating.
  • Such a working gas mixture is e.g. Argon and nitrogen so that nitride layers can be deposited on the objects.
  • the gas flow can be set with a minimum of 10 standard cm 3 / min (standard cubic centimeter per minute) and a maximum of 1000 standard cm 3 / min.
  • the potential difference between the plasma and the box-shaped structure is set below 200 V and / or the pressure is increased by at least a factor of three. With such an adjustment, a surface modification can be carried out, as already mentioned generally.
  • the device according to the invention can also be used to produce a co-structure.
  • solid powder is supplied through one of the existing openings or through an opening specially made for this purpose. It is also possible to store the solid powder in a container in the device.
  • the particles of the solid powder preferably have a size of 10 -4 to
  • the powder is mixed into the inert gas stream when the powder is introduced via an opening. If the powder is stored in a container, it is automatically swirled by the vacuum applied. The particles are then deposited on the surface to be coated.
  • a vacuum pump is used to evacuate the box-shaped structure or the vacuum chamber enclosing it and, at the same time or shortly thereafter, rinsing with Ar beitsgas carried out.
  • the box-shaped structure is placed at a potential that is negative compared to the plasma and the glow discharge is ignited by supplying energy. This results in the ion-assisted desorption of the adsorbate layers.
  • the pressure is reduced to a pressure in the range between 0.001 and 1 mbar by reducing the working gas supply and the potential difference between the box-shaped structure and the plasma is increased.
  • This can e.g. by increasing the negative potential, that is, a higher negative voltage applied to the box-shaped structure.
  • the material of the coating material is removed from the inner wall of the flat structure and the objects located therein are coated accordingly.
  • pure inert gas or an inert gas / reactive gas mixture can be used as the working gas.
  • the proportion of reactive gas must, however, be set according to the desired layer structure.
  • the glow discharge can be extinguished, the working gas supply and the pump can be switched off, the vacuum chamber or the box-shaped structure can be flooded and after opening the modified or coated objects can be removed.
  • Examples 1 and 2 below describe the coating of objects with copper and, secondly, with titanium nitride in more concrete terms.
  • example 1
  • the objects are introduced into the box-shaped structure, which has a tubular shape, in one
  • Vacuum vessel is located and made of solid copper.
  • the vacuum pump is switched on to evacuate the vacuum vessel.
  • argon is let in for flushing at about 100 standard cm 3 / min (standard cubic centimeters per minute).
  • the box-shaped structure When a pressure of 5 mbar is reached, the box-shaped structure is placed at a negative potential of 300 V with respect to a rod-shaped anode immersed in the box-shaped structure and the glow discharge is ignited. This causes the ion-assisted desorption of the adsorbate layers from the inner wall of the box-shaped structure.
  • Example 2 After a coating time of 10 minutes, the glow discharge is extinguished by switching off the power supply and the argon supply is switched off. The pump is switched off and the box-shaped structure is ventilated. The vacuum vessel and box-shaped structure are opened and the coated objects are removed.
  • Example 2 After a coating time of 10 minutes, the glow discharge is extinguished by switching off the power supply and the argon supply is switched off. The pump is switched off and the box-shaped structure is ventilated. The vacuum vessel and box-shaped structure are opened and the coated objects are removed.
  • Example 2 Example 2
  • the objects are placed in the box-shaped structure.
  • the box has a cuboid shape, is made of aluminum and itself represents the vacuum vessel, which is almost completely covered on the inside with titanium sheets ("targets").
  • the box-shaped structure has a short pipe socket in its wall, to which a microwave source is connected.
  • the vacuum pump is switched on to evacuate the box. Shortly afterwards, argon is let in for flushing at about 300 standard cm 3 / min. When a pressure of 10 mbar is reached, the box-shaped structure is placed at a negative potential of 250 V and the glow discharge is ignited by switching on the microwave source.
  • the pressure is reduced to 0.3 mbar by reducing the gas supply, and the objects are subjected to a potential of -500 V, which results in surface cleaning.
  • 10% nitrogen is added to the argon and the potential of the box-shaped structure is set to -600 V, as a result of which the objects are coated with titanium nitride.
  • the glow discharge is extinguished and the working gas supply is switched off.
  • the pump is shut off by a valve and the box is ventilated.
  • the box is opened and the objects are removed.
  • Figure 1 shows an example of a device according to the invention with an inserted electrode for plasma generation
  • Figure 2 shows a second example of a device according to the invention with an opening through which microwaves can be directed to generate plasma.
  • FIG. 1 shows a box-shaped structure 1 with a rectangular cross section.
  • An end face 8 is designed as an opening through which the objects 2 can be inserted and removed again. As shown, the opening 8 can be closed again.
  • Working gas can be introduced into the flat structure 1 through the opening 3 and discharged again through the larger, diametrically arranged opening 4.
  • the electrode 5 connected in this case as an anode is introduced via a further opening 6 1 .
  • Insulation (not shown) is present between anode 5 and box-shaped structure 1, so that the potentials are separated from one another.
  • FIG. 2 shows a cylindrical box-shaped structure 1, in which a plurality of objects 2 are again arranged on a support 7 which is insulated from the box-shaped structure 1.
  • the upper end face is in turn designed as a cover 8, which can be removed and replaced.
  • the cover 8 there is an opening 6 through which microwaves can be directed into the interior of the box-shaped structure 1 and a plasma can be generated.
  • two openings 3 are present in the outer lateral surface, through which working gas can be guided into the interior of the box-shaped structure 1.
  • the gas can be withdrawn from the box-shaped structure 1 through the opening 4, which in this example is connected to a nozzle.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Beschichtung und/oder Oberflächenmodifizierung von Gegenständen im Vakuum unter Verwendung eines Plasmas, wobei die Möglichkeit besteht, vielgestaltige Gegenstände allseitig zu beschichten bzw. zu modifizieren, ohne dass ein grosser anlagentechnischer- bzw. verfahrenstechnischer Aufwand erforderlich sind. Erfindungsgemäss wird ein kastenförmiges Gebilde (1) aus einem elektrisch leitenden Material verwendet, das eine Vakuumkammer bildet oder in eine Vakuumkammer einführbar ist. In das kastenförmige Gebilde können Gegenstände (2) durch mindestens eine verschliessbare Öffnung (8) in einem Abstand zur inneren Wandung eingesetzt werden. Ausserdem sind mindestens eine Öffnung (3) zur Zu- und mindestens eine Öffnung (4) zur Abfuhr von Arbeitsgas sowie eine Öffnung (6, 6') zur Einführung von Energie für die Erzeugung einer Glimmentladung vorhanden und das kastenförmige Gebilde (1) weist ein gegenüber dem mit der Glimmentladung erzeugten Plasma elektrisch negatives Potential auf.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR PUSMABEHANDLUNG VON GEGENSTÄNDEN IM VAKUUM
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Ver- fahren zur Beschichtung und/oder Oberflächenmodifizierung von Gegenständen im Vakuum unter Verwendung eines Plasmas, wobei die Möglichkeit besteht, vielgestaltige Gegenstände allseitig zu beschichten bzw. zu modifizieren, ohne daß ein großer anlagentechnischer- bzw. verfahrenstechnischer Aufwand erforderlich sind. Neben der Beschichtung bzw. Modifizierung zur Verbesserung, z.B. der Haftfestigkeit von gegebenenfalls nachträglich aufzubringenden Beschichtungen kann auch ein Reinigen, Ätzen und/oder Aktivieren ohne weiteres durchgeführt werden.
Neben der Modifizierung von oberflächennahen Bereichen von Gegenständen können mit der Erfindung insbesondere mikroskopisch dichte Metallschichten oder Verbindungsschichten, die eine kleine Rauhigkeit aufweisen, aufgebracht werden. Das Auftragen von Beschichtungen auf Gegenständen ist von G.Kienel; Vakuu beschichtung, Band 2; VDI-Verlag GmbH Düsseldorf 1993; Seiten 160 - 161; unter Verwen- düng eines planaren Gleichspannungs-Magnetrons bekannt.
Eine solche Lösung, ermöglicht aber nur bedingt eine
räumliche in 3 Dimensionen vorzunehmende Beschichtung von Gegenständen, wenn diese gleichzeitig bewegt werden, was insbesondere in hierfür erforderlichen Vakuumkammern, wenn überhaupt, nur schwer und sehr aufwendig realisierbar ist. Weisen solche Gegenstände Hinterschneidungen auf, können diese normalerweise nicht beschichtet werden.
Außerdem müssen schädliche Restgaseinflüsse durch Erzeugung eines Hochvakuums vermieden werden, was entweder die Zeit für die Erzeugung des Vakuums stark erhöht, teure Vakuumschleusen oder teure Hochvakuumpumpen erfordert.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß größere Flä- chen parasitär beschichtet werden, was zu hohen Be- schichtungsmaterialverlusten führt, die sich insbesondere bei kostenintensiven Beschichtungsmateria- lien, wie z.B. Edelmetallen negativ auswirken. Zusätzlich entsteht ein erhöhter Reinigungsaufwand durch die parasitären Beschichtungen in der Kammer und dort befindlichen Elemente.
Die Menge an Beschichtungsmaterial, das auf die entsprechenden Gegenstände aufgebracht werden kann, ist entsprechend begrenzt, so daß für erforderliche Targetwechsel eine relativ häufige Unterbrechung des Beschichtungsprozesses nötig ist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren vorzuschlagen, mit dem eine Oberflächenmodifizierung und/oder Beschich- tung verschiedenst gestalteter Gegenstände an allen Seiten und gegebenenfalls auch auf hinterschnittenen Flächenbereichen mit geringem anlagentechnischem, verfahrenstechnischem und Kostenaufwand erreichbar ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 für die Vorrichtung und den Merkmalen des Anspruchs 11 für das Verfahren gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch die Anwendung, der in den untergeordneten Ansprüchen genannten Merkmale.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann für die bereits eingangs in der Beschreibung genannte Beschichtung von Gegenständen mit Metallen, Metall-Legierungen oder verschiedenen Metallverbindungen, wie Metallnitride bzw. Metalloxide bzw. alternativ und kommulativ hierzu an den Oberflächen entsprechend modifiziert werden, so daß beispielsweise die Haftungseigenschaf- ten für nachfolgend aufzubringende Beschichtungen verbessert werden können. Dabei wird ein kastenförmiges Gebilde, das beispielsweise die Form eines Recht- eckes, Kubuses oder eines Zylinders aus einem elektrisch leitenden Material aufweist, verwendet. Das kastenförmige Gebilde kann für sich gesehen eine Vakuumkammer darstellen, die durch Anschluß entsprechender Pumpen und Ventile in Verbindung, mit noch nachfolgend zu nennenden technischen Elementen verwendet wird. Es besteht aber auch die Möglichkeit, ein solches kastenförmiges Gebilde in eine herkömmliche Vakuumkammer einzusetzen und dort erfindungsgemäß zu arbeiten.
Die zu beschichtenden bzw. modifizierenden Gegenstände werden in das Innere des kastenförmigen Gebildes eingesetzt und zwar so, daß ein direkter Kontakt zwischen den Gegenständen und der Innenwandung vermieden und ansonsten eine elektrische Isolierung als Träger für die Gegenstände verwendet wird. Die Gegenstände
können bevorzugt über verschließbare Öffnungen in das kastenförmige Gebilde eingesetzt werden, so daß die Gegenstände allseitig umschlossen sind. Das kastenförmige Gebilde kann aber auch aus zwei Teilen bestehen, wobei ein Teil einen Deckel bildet, der auf das Unterteil aufsetzbar ist.
Zumindest die Innenwandung sollte aus einem für die
Beschichtung geeigneten Material bestehen. Selbstverständlich kann aber auch das gesamte kastenförmige Gebilde aus einem für die Beschichtung geeigneten Material gebildet sein oder an den Innenwandungen des kastenförmingen Gebildes können flächige Targets aus einem Beschichtungsmaterial angeordnet werden.
Außerdem sind Öffnungen für die Zu- und Abführung von Arbeitsgas sowie mindestens eine Öffnung, durch die Energie zur Erzeugung einer Glimmentladung, in das das kastenförmige Gebilde eingeführt werden kann, erforderlich .
Für die Modifizierung bzw. Beschichtung wird das ka- stenförmige Gebilde gegenüber dem mit der Glimmentladung erzeugten Plasma auf ein elektrisch negatives Potential gelegt.
Die durch eine Glimmentladung hervorgerufene Plasma- erzeugung kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen. Hierfür besteht einmal die Möglichkeit, durch eine Öffnung eine Elektrode in das Innere des kastenförmigen Gebildes einzuführen, an die eine Gleichoder Wechselspannung angelegt wird. Bei Anlegung ei- ner Gleichspannung ist die Elektrode als Anode geschaltet. Die entsprechend angelegte Wechselspannung kann nieder-, mittel- bzw. hochfrequent sein.
Eine alternative Möglichkeit zur Erzeugung des Plas- mas besteht darin, durch eine Öffnung Mikrowellen in das Innere des kastenförmigen Gebildes zu richten und damit das Plasma zu erzeugen.
Da das kastenförmige Gebilde gegenüber dem Plasma ein negatives elektrisches Potential aufweist, kann an der inneren Oberfläche durch Auftreffen energiereicher, positiver Ionen aus dem Plasma Material abgetragen werden (Kathodenzerstäubung) , das sich dann auf den Gegenständen niederschlägt. Hierfür muß je- doch eine ausreichende Potentialdifferenz eingestellt werden. Für den Fall, daß eine entsprechende Potentialdifferenz nicht erreicht worden ist, wird kein bzw. nahezu kein Material abgetragen und es erfolgt lediglich eine Modifizierung im oberlfächennahen Bereich der im kastenförmigen Gebilde aufgenommenen Gegenstände. Die Gegenstände können aus den verschiedensten Materialien, wie z.B. Metall, Kunststoff oder Keramik bestehen.
Durch einfache Erhöhung der Potentialdifferenz zwischen kastenförmigem Gebilde und Plasma kann im Nach gang zur Modifizierung die Beschichtung der Gegenstände eingeleitet werden. Durch den entsprechenden Materialabtrag an allen Innenwänden des kastenförmi- gen Gebildes ist eine allseitige Beschichtung von beliebig dreidimensional geformten Gegenständen, ohne zusätzliche Manipulation der Gegenstände möglich und es können auch Hinterschneidungen beschichtet werden, wobei sich hier ein erhöhter Arbeitsdruck, der zur gestreuten Verteilung der abgetragenen Materialbe- standteile führt, positiv auswirkt. Es kann also eine gleichförmige und nahezu gleichzeitige Modifizierung und/oder Beschichtung von Gegenständen erreicht werden.
Das Beschichtungsmaterial , das nicht direkt auf der Oberfläche der Gegenstände abgeschieden wird, schlägt sich im wesentlichen wieder an der inneren Oberfläche des kastenförmigen Gebildes nieder und geht so dem Beschichtungsprozeß nicht verloren. Da Streubeschich- tungen nur auf relativ kleinformatige Einbauten im kastenförmigen Gebilde, wie beispielsweise einem Träger, auf dem die Gegenstände gehalten sind, sich absetzen, verringert sich der Reinigungsaufwand gegen- über herkömmlichen Lösungen beträchtlich.
Den sich bekanntermaßen in solchen Prozessen bildende Adsorbatschichten, die durch Desorption bei Vakuumbeschichtungsprozessen durch ihre Desorption während der Beschichtung, die Schichtqualität und die Schichthaftung nachteilig beeinflussen, kann sehr effektiv durch Ionenbeschußentfernung entgegengewirkt werden. Hierfür kann das Innere des kastenförmigen Gebildes vor der eigentlichen Beschichtung relativ kurzzeitig mit geringer Plasmaleistung, geringerem negativen Potential am kastenförmigen Gebilde und/ oder durch Beaufschlagung mit einem erhöhten Arbeitsdruck gereinigt werden, so daß für die Entfernung der Adsorbatschichten keine zusätzlichen technischen Er- fordernisse getroffen werden müssen und das Adsorbat nach dem Ablösen ohne weiteres mit dem Arbeitsgas abgesaugt werden kann.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht auch die Möglichkeit, einen großen Teil der Adsorbatschichten bereits vor dem Auslösen der Glimmentladung und Plasmaerzeugung mit dem Einleiten und Absaugen von sauberem, trockenen Arbeitsgas bereits während der Evakuierungsphase zu entfernen. Hierzu wird rela- tiv wenig Arbeitsgas benötigt, da das kastenförmige Gebilde und dessen innere Oberfläche, im Vergleich zur inneren Oberfläche herkömmlicher Vakuumbeschich- tungska mern , bei gleichem Volumen der zu beschichtenden Gegenstände, relativ klein sein kann.
Durch den Ionenbeschuß kann die innere Oberfläche des kastenförmigen Gebildes auf einfache Art und Weise und ohne zusätzlichen technischen Aufwand erwärmt werden, so daß die Desorption der Adsorbatschichten erheblich beschleunigt werden kann.
Für den Fall, daß das kastenförmige Gebilde in eine größer formatige Vakuumkammer eingesetzt worden ist und demzufolge nicht selbst als Vakuumkammer wirkt, bleibt der Effekt erhalten, da die Gasströmung im kastenförmigen Gebilde durch den relativ kleinen freien Querschnitt seiner Öffnungen keine desorbier- ten Gase von der Wandung der größeren Vakuumkammer in das kastenförmige Gebilde eindringen läßt. Da die Reinigung des Innenraumes des kastenförmigen Gebildes von Adsorbatschichten durch Ionenbeschuß und Gasströmung sehr wirksam ist, und der erforderliche Arbeitsdruck während der eigentlichen Beschichtung im Bereich des Grob-/Feinvakuums liegt, ist keine Hochvakuumpumpe mit entsprechend hohem Kostenaufwand erforderlich.
Gegenüber der bekannten Lösung der Beschichtung mit Magnetronquellen bietet die erfindungsgemäße Lösung einen weiteren Vorteil, der darin besteht, daß wesentlich mehr Beschichtungsmaterial zur Verfügung steht, als dies bei den dort zu verwendenden Targets der Fall ist. Da die gesamte innere Oberfläche des kastenförmigen Materials aus Beschichtungsmaterial besteht oder dort entsprechend dimensionierte flächige Targets aus einem solchen Beschichtungsmaterial angeordnet sind, ist der Beschichtungsmaterialvorrat wesentlich größer und der Prozeß muß entsprechend seltener für eine Nachbeschickung mit Beschichtungsmaterial unterbrochen werden. Außerdem verändern sich dadurch auch bei starkem Abtrag von Beschichtungsmaterial die Plasmaparameter nicht unzulässig. Außerdem kommt es nicht zu einer Begrenzung durch den von einer großen Dicke der Targets hervorgerufenen Wärmewiderstand.
Das kastenförmige Gebilde kann in Verbindung mit dem Druck des Arbeitsgases so dimensioniert werden, daß die infolge der eingebrachten Energie hervorgerufene Entladung den Charakter einer Hohlkathoden-Glimmentladung trägt, so daß eine besonders hohe Plasmadichte und demzufolge eine große Beschichtungsrate erreicht werden kann, ohne daß teure Permanentmagneten, wie bei der Verwendung von Magnetronen, erforderlich sind. Dabei kann die von M. v. Ardenne in "Effekte der Physik"; Verlag Harry Deutsch; Thun, Frankfurt/- Main; 1990 genannte Bedingung Druck Rohr-Innen- durchmesser = 133,3 Pa cm mit einem Toleranzbereich maximal 13,33-133,3 Pa cm für die Entstehung einer Hohlkathodenentladung entsprechend berücksichtigt werden, wenn für den Rohr-Innendurchmesser die jeweilige lichte Weite des kastenförmigen Gebildes ge- setzt wird.
Da erfindungsgemäß die Modifizierung und Beschichtung bei relativ niedrigen Temperaturen durchgeführt werden kann, besteht außerdem die Möglichkeit und es wirkt sich günstig aus, das kastenförmige Gebilde mit einer Kühlung, bevorzugt Wasserkühlung auszustatten.
Wie bereits erwähnt, kann die Potentialdifferenz zwischen dem erzeugten Plasma und dem kastenförmigen Gebilde definiert beeinflußt werden und im Bereich zwischen 100 bis 1000 V eingestellt werden. Dabei genügen die kleineren Spannungswerte für die Modifizierung und die höheren Spannungswerte sind für das Aufbringen einer Beschichtung erforderlich.
Der Druck im kastenförmigen Gebilde kann im Bereich zwischen 10 bis 10 mbar definiert eingestellt werden.
Die Absaugöffnung für das Arbeitsgas hat eine Größe zwischen einigen cm bis ca. 100 cm2 und es ist günstig, die anderen Öffnungen im kastenförmigen Gebilde so zu dimensionieren, daß deren Summe kleiner als die Größe der Absaugöffnung ist. Das kastenförmige Gebilde kann eine lichte Weite im Bereich zwischen 1 cm und 1 m aufweisen und sollte mindestens die 1,2-fache Größe der Gegenstände auf- weisen und maximal 10-fach so groß sein. Die Gegenstände, die modifiziert bzw. beschichtet werden sollen, sollten im Inneren des kastenförmigen Gebildes ein Volumen von etwa 0,1 % bis 30 % ausfüllen. Die Gegenstände im kastenförmigen Gebilde sollten von diesem elektrisch isoliert auf z.B. einem oder mehreren Trägern gehalten sein und zur Innenwandung des kastenförmigen Gebildes einen Abstand von mindestens 0,1 bis maximal 10 cm aufweisen.
Als Beschichtungsmaterial kommen verschiedene Metalle, wie z.B. Kupfer, Aluminium, Titan oder Legierungen davon zum Einsatz. Es können aber auch Metallverbindungen, wie z.B. Titannitrid oder Indium-Zinn-Oxid verwendet werden.
Das Arbeitsgas kann insbesondere für die Spülung und Reinigung ein sauberes, trockenes Inertgas, z.B. Argon sein. Für die Beschichtung kann jedoch ein Ar- beitsgasgemisch, aus einem Inertgas und einem Reak- tivgas verwendet werden. Ein solches Arbeitsgasge- isch ist z.B. Argon und Stickstoff, so daß Nitrid- schichten auf den Gegenständen abgeschieden werden können.
Der Gasfluß kann mit mindestens 10 Norm cm3/min (Norm Kubikzentimeter pro Minute) und maximal 1000 Norm cm3/min eingestellt werden.
Für den Fall, daß nur eine sehr geringe Beschichtung oder keine Beschichtung aufgebracht werden soll, sollte die Potentialdifferenz zwischen dem Plasma und dem kastenförmigen Gebilde unterhalb 200 V eingestellt und/oder der Druck um mindestens den Faktor drei erhöht werden. Bei einer solchen Einstellung kann eine Oberflächenmodifizierung, wie bereits allgemein erwähnt, durchgeführt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch zur Erzeugung von Ko positStruktur verwendet werden. Dazu ist vorgesehen, daß durch eine der vorhandenen Öffnungen oder durch ein eigens dafür eingebrachte Öffnung Feststoffpulver zugeführt wird. Es ist auch möglich, das Feststoffpulver in einem Behältnis in der Vorrichtung unterzubringen. Die Partikel des Feststoff- pulvers weisen bevorzugt eine Größe von 10-4 bis
10 m auf. Als Feststoffpartikel kommen grundsätzlich alle bekannten Hartstoffe in Frage. Beispiele sind hochschmelzende Metalloxide wie Korund oder Titanoxid. Auch Diamantgraphit oder Nitride können eingesetzt werden. Verfahrensgemaß wird bei Einbringung des Pulvers über eine Öffnung das Pulver dem Inertgasstrom zugemischt. Sofern das Pulver in einem Behältnis untergebracht ist, erfolgt eine automatische Verwirbelung durch das angelegte Vakuum. Die Partikel lagern sich dann auf der zu beschichtenden Oberfläche ab.
Nachfolgend soll die Arbeitsweise gemäß der Erfindung erst in allgemeiner Form und anschließend an zwei konkreten Beispielen näher beschrieben werden.
Nach dem Einbringen der Gegenstände in das kastenförmige Gebilde, wird mittels einer Vakuumpumpe die Evakuierung des kastenförmigen Gebildes bzw. der diese umschließenden Vakuumkammer durchgeführt und gleichzeitig bzw. kurz danach folgend ein Spülen mit Ar beitsgas durchgeführt.
Ist ein ausreichend kleiner Druck (1 bis 10 mbar) er- reicht, wird das kastenförmige Gebilde auf ein gegenüber dem Plasma negatives Potential gelegt und die Glimmentladung durch Energiezufuhr gezündet. Dadurch erfolgt die ionenunterstützte Desorption der Adsorbatschichten.
Nach ausreichender Reinigung wird der Druck durch Reduzierung der Arbeitsgaszufuhr auf einen Druck im Bereich zwischen 0,001 bis 1 mbar abgesenkt und die Potentialdifferenz zwischen kastenförmigem Gebilde und Plasma erhöht. Dies kann z.B. durch Erhöhung des negativen Potentials, also einer höheren negativen Spannung, die am kastenförmigen Gebilde anliegt, erfolgen. Dadurch erfolgt ein Materialabtrag des Be- schichtungs aterials von der Innenwandung des flächi- gen Gebildes und die in diesem befindlichen Gegenstände werden entsprechend beschichtet. Je nach aufzubringender Beschichtung kann hier reines Inertgas oder ein Inertgas-Reaktivgasgemiεch als Arbeitsgas verwendet werden. Der Anteil an Reaktivgas muß jedoch entsprechend des gewünschten Schichtaufbaus eingestellt werden.
Nachfolgend kann die Glimmentladung gelöscht, die Arbeitsgaszufuhr und die Pumpe abgeschaltet und die Vakuumkammer bzw. das kastenförmige Gebilde geflutet werden und nach Öffnung die modifizierten bzw. beschichteten Gegenstände entnommen werden.
Mit den nachfolgenden Beispielen 1 und 2 soll einmal die Beschichtung von Gegenständen mit Kupfer und zum anderen mit Titannitrid konkreter beschrieben werden. Beispiel 1
Die Gegenstände werden in das kastenförmigen Gebilde eingebracht, das eine Rohrform hat, sich in einem
Vakuumgefäß befindet und aus massivem Kupfer besteht. Zur Evakuierung des Vakuumgefäßes wird die Vakuumpumpe eingeschaltet. Gleichzeitig wird Argon mit ca. 100 Norm cm3/min (Norm Kubikzentimeter pro Minute) zum Spülen eingelassen.
Bei Erreichen eines Druckes von 5 mbar wird das kastenförmige Gebilde auf ein negatives Potential von 300 V gegenüber einer in das kastenförmige Gebilde eingetauchten stabformigen Anode gelegt und die Glimmentladung gezündet. Das bewirkt die ionenunterstütz- te Desorption der Adsorbatschichten von der Innenwand des kastenförmigen Gebildes.
Nach ausreichender Reinigung wird der Druck durch
Reduzierung der Gaszufuhr auf den Arbeitsdruck von 0,5 mbar abgesenkt und das Potential des kastenförmigen Gebildes auf -500 V eingestellt, wodurch eine Beschichtung der Gegenstände mit Kupfer stattfindet.
Nach 10 min Beschichtungsdauer wird die Glimmentladung durch Abschalten der Stromzufuhr gelöscht und die Argonzufuhr abgestellt. Die Pumpe wird ausgeschaltet und das kastenförmigen Gebilde wird belüf- tet. Vakuumgefäß und kastenförmiges gebilde werden geöffnet und die beschichteten Gegenstände werden entnommen. Beispiel 2
Die Gegenstände werden in das kastenförmige Gebilde eingebracht. Der Kasten hat eine Quaderform, besteht aus Aluminium und stellt selbst das Vakuumgefäß dar, das auf seiner Innenseite nahezu vollständig mit Titanblechen ("Targets") bedeckt ist. Das kastenförmige Gebilde weist in seiner Wand einen kurzen Rohrstutzen auf, an dem eine Mikrowellenquelle angeschlossen ist.
Zur Evakuierung des Kastens wird die Vakuumpumpe eingeschaltet. Kurz danach wird Argon mit ca. 300 Norm cm3/min zum Spülen eingelassen. Bei Erreichen eines Druckes von 10 mbar wird das kastenförmige Gebilde auf ein negatives Potential von 250 V gelegt und die Glimmentladung durch Einschalten der Mikrowellenquelle gezündet.
Nach 3 min Reinigung wird der Druck durch Reduzierung der Gaszufuhr auf 0,3 mbar abgesenkt, und die Gegenstände werden mit einem Potential von -500 V beaufschlagt, wodurch eine Oberflächenreinigung erfolgt. Anschließend wird dem Argon 10 % Stickstoff beigefügt und das Potential des kastenförmigen Gebildes auf -600 V eingestellt, wodurch eine Beschichtung der Gegenstände mit Titannitrid stattfindet.
Nach 15 min Beschichtung wird die Glimmentladung ge- löscht und die Arbeitsgaszufuhr abgestellt. Die Pumpe wird durch ein Ventil abgesperrt und der Kasten wird belüftet. Der Kasten wird geöffnet und die Gegenstände werden entnommen.
Nachfolgend soll der Aufbau von möglichen Beispielen für eine erfindungsgemäße Vorrichtung näher beschrie ben werden.
Dabei zeigen:
Figur 1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer eingeführten Elektrode zur Plasmaerzeugung und
Figur 2 ein zweites Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Öffnung, durch die Mikrowellen zur Plasmaerzeugung gerichtet werden können.
In der Figur 1 ist ein kastenförmiges Gebilde 1 mit rechteckigem Querschnitt dargestellt. Eine Stirnfläche 8 ist dabei als Öffnung ausgebildet, durch die die Gegenstände 2 eingeführt und wieder entnommen werden können. Die Öffnung 8 kann, wie dargestellt, wieder verschlossen werden. Durch die Öffnung 3 kann Arbeitsgas in das flächige Gebilde 1 eingeführt und durch die größer ausgeführte und diametral angeordnete Öffnung 4 wieder abgeführt werden.
Die in diesem Fall als Anode geschaltete Elektrode 5 wird über eine weitere Öffnung 61 eingeführt. Zwischen Anode 5 und kastenförmigem Gebilde 1 ist eine nicht dargestellte Isolierung vorhanden, so daß die Potentiale voneinander getrennt sind.
In der Figur 2 ist ein zylinderförmiges kastenförmiges Gebilde 1 dargestellt, in dem wieder mehrere Gegenstände 2 auf einem gegenüber dem kastenförmigen Gebilde 1 isolierten Träger 7 angeordnet sind. Die obere Stirnfläche ist wiederum als Deckel 8, der entfernt und wieder aufgesetzt werden kann, ausgebildet. Im Deckel 8 ist eine Öffnung 6 vorhanden, durch die Mikrowellen in das Innere des kastenförmigen Gebildes 1 gerichtet werden können und ein Plasma erzeugt wer- den kann.
Bei diesem Beispiel sind in der äußeren Mantelfläche zwei Öffnungen 3 vorhanden, durch die Arbeitsgas in das Innere des kastenförmigen Gebildes 1 geführt wer- den kann. Das Gas kann durch die Öffnung 4, das bei diesem Beispiel mit einem Stutzen verbunden ist, aus dem kastenförmigen Gebilde 1 abgezogen werden.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Beschichtung und/oder Oberflächenmodifizierung von Gegenständen im Vakuum, mittels eines Plasmas, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein kastenförmiges Gebilde ( 1) aus einem elektrisch leitenden Material, eine Vakuumkammer bildet oder in eine Vakuumkammer einführbar ist, in das Gegenstände (2) durch mindestens eine verschließbare Öffnung (8) in das kastenförmige Gebilde (1) in einem Abstand zur inneren Wandung eingesetzt sind, mindestens eine Öffnung (3) zur Zu- und mindestens eine Öffnung (4) zur Abfuhr von Arbeitsgas sowie eine Öffnung (6, 6') zur Einführung von Energie für die Erzeugung einer Glimmentladung vorhanden sind; und das kasten- förmige Gebilde (1) ein gegenüber dem mit der
Glimmentladung erzeugten Plasma elektrisch negatives Potential aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Öffnung (6') eine Elektrode (5) in das kastenförmige Gebilde (1) hineinragt, an der eine Gleich- oder Wechselspannung zur Plasmaerzeugung angelegt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Öffnung (6) Mikrowellen zur Plasmaerzeugung in das Innere des kastenförmigen Gebildes gerichtet sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenstände (2) gegenüber dem kastenförmigen Gebilde (1) elek- trisch isoliert angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenstände (2) mit einem vorgebbaren elektrischen Potential beaufschlagt sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwandung des oder das kastenförmige Gebilde (1) aus einem Beschichtungsmaterial gebildet oder als flächiges Target dort angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das kastenförmige Gebilde (1) gekühlt ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die lichte Weite des kastenförmigen Gebildes (1) mindestens die 1,2- fache Größe der Gegenstände (2) und die Gegenstände (2) den zur Verfügung stehenden Raum im kastenförmigen Gebilde (1) mit 0,1 % bis 30 % ausfüllen.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Absaugöffnung (5) größer als die Summe der größeren der anderen Öffnungen (3, 6, 6') des kastenförmigen Gebildes (1) ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 , dadurch gekennzeichnet, daß das kastenförmige Gebilde (1) oder dessen innere Oberfläche aus einem Metall, einer Metall-Legierung oder einer Metallverbindung besteht.
11. Verfahren zur Beschichtung und/oder der Modifizierung von Oberflächen von Gegenständen, mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß nach Evakuierung auf einen ausreichend niedrigen Druck und Spülung mit einem Arbeitsgas im kastenförmigen Gebilde (1) ein Plasma erzeugt wird, wobei die Plasmaleistung und das negative Potential des kastenförmigen Gebildes (1) so eingestellt werden, daß eine Modifizierung der Oberfläche und/oder durch Materialabtrag von der Innenwandung des kastenförmigen Gebildes (1) eine Beschichtung der Oberfläche der Gegenstände (2) durchgeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Modifizierung oder Beschichtung bei angelegtem negativen Potential am kastenförmigen Gebilde (1) und gezündeter Glimmentladung eine ionengestützte Desorption abgesetzter Adsorbatschichten durchge- führt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß während der Beschichtung Reaktivgas zugeführt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß Feststoffpulver in das kastenförmige Gebilde zugeführt und/oder in einen dort angeordneten Behältnis bereitgestellt und das Feststoffpulver auf die Oberfläche (2) der Gegenstände abgeschieden wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialdifferenz zwischen kastenförmigem Gebilde (1) und Plasma im Bereich zwischen 100 bis 1000 V eingestellt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas mit einem Volumenstrom von 10 bis 1000 Norm cm3/min eingestellt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß für die Oberflächenmodifizierung die Potentialdifferenz zwischen Plasma und kastenförmigen Gebilde (1) auf kleiner als 200 V eingestellt und/oder der Druck um mindestens das dreifache erhöht wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß im kastenförmigen Gebilde (1) eine Hohlkathoden-Glimmentladung ausgebildet wird.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß in das kastenförmige Gebilde (1) Inertgas, Reaktivgas oder ein Ge- misch aus Inert- und Reaktivgas als Arbeitsgas zeitlich definiert eingeführt wird.
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