Verfahren und Einrichtung zum Beschichten von Teilen

Stand der Technik

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Beschichten von Teilen nach der Gattung der Ansprüche 1 und 5.

In einem bevorzugten Anwendungsgebiet, dem Werkzeugbau, wird die Veredelung von Werkzeugen mit verschleißarmen, harten Schichten schon seit einigen Jahren durchgeführt. Will man die bekannten Verfahren wie Aufdampf- oder Sputtertechnik auf die Beschichtung von tribologisch, d. h. durch Reibung und Verschleiß, hoch beanspruchten Bauteilen übertragen, z. B. auf Komponenten von Kraftstoffeinspritz- anlagen, so ist neben den Verschleißeigenschaften der Schicht eine reproduzierbar gute Schichthaftung von großer Bedeutung.

Bei diesen vakuumtechnischen Beschichtungsprozessen sind zwei Ver¬ fahrensschritte für die Schichtha tung entscheidend:

1. Die chemisch vorgereinigten Teile werden durch einen Sputter- ätzprozeß innerhalb einer Vakuumkammer von Kontaminationen befreit. Dazu wird die Oberfläche der Bauteile einem intensiven Beschüß von Ionen ausgesetzt, durch den ca. 50 bis 100 n von der Oberfläche abgetragen werden.

Die Effizienz dieses Prozesses steht dabei im umgekehrten Ver¬ hältnis zum Prozeßdruck und im direkten Verhältnis zur Zahl der verfügbaren Ionen.

2. Während der Beschichtung sollte die sich bildende Schicht einem ständigen Ionenbeschuß ausgesetzt sein, der zum einen lose haftende Schichtteile wieder entfernt, zum anderen eine Kompak- tierung der Schicht bewirkt (Ionplating-Effekt) . Auch hier ist eine große Ionenzahl bei geringem Prozeßdruck ge¬ fordert.

Die heute gängigen Lösungen für den Verfahrensschritt 1. sind Gleichspannungs- oder Hochfrequenz-Glimmentladungen, welche direkt an die Bauteile angekoppelt sind bzw. Plasmaguelllen wie Sputter- kathoden oder Bogenentladungen, aus denen die Ionen auf das Bauteil gezogen werden. All diese Verfahren haben spezifische Probleme wie hoher Prozeßdruck im Rezipienten, geringe Plasmaionisierung oder schwierige Bauteilankβpplung an die Hochfrequenz.

Während des Beschichtungsprozesses ist bei den heute üblichen Beschichtungsverfahren die Plasmadichte oft recht gering und meist abhängig von der Beschichtungsrate, so daß der Ionenbeschuß der Schicht und die Beschichtungsrate nicht unabhängig gewählt werden können.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß durch das Ein¬ bringen einer Plasmaätzvorrichtung, die ein Plasma nach dem Prinzip der Elektron-Zyklotron-Resonanz erzeugt auch bei niedrigen Drücken eine hohe lonendichte generiert werden kann. Auf diese Weise

ist es möglich, den Ätzprozeß bei Prozeßdrücken kleiner 10 Pa sehr effizient ablaufen zu lassen. Des weiteren kann der Übergang vom Ätzen zum Beschichten in Folge der Druckkompatibilität der Plasmaquelle mit herkömmlichen Beschientungsquellen sowie der physikalischen Unabhängigkeit von Plasmaquelle und Beschichtungs- guelle ohne Prozeßunterbrechung ablaufen und unabhängig gesteuert werden. Außerdem führen sowohl der verbesserte Ätzprozeß vor der Beschichtung als auch der verstärkte Ionenbeschuß während der Beschichtung dazu, daß die Temperatur der Substrate gesenkt werden kann und somit auch temperaturempfindliche Teile beschichtet werden können.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor¬ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Einrichtung möglich.

Magnetfelder, die von in der Einrichtung angebrachten Magneten her¬ rühren, zwingen den sich bewegenden Elektronen des' Plasmas eine kreisförmige Bahn auf und erhöhen somit wegen der erhöhten Stoßrate die Ionendichte im Raum vor den Magneten.

Wenn die von den Mikrowellenantennen eingekoppelte Mikrowellen¬ energie in ihrer Frequenz so gewählt wird, daß sie in Resonanz mit den sich auf kreisförmigen Bahnen bewegenden Elektronen ist, wird durch die optimale Energieaufnahme eine große Ionendichte im Plasma erreicht.

Das Begrenzen der Antennenlänge auf ca. 1/4 der Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung vermeidet eine gegenseitige Beeinflussung der Antennen untereinander und verringert die Belastung und die daraus resultierende Erwärmung der koaxialen Leitungen.

Werden die Antennen von Hohlleitern umgeben, deren Ausgang in Rich¬ tung eines Magneten weist, so wird erreicht, daß die eingekoppelte Mikrowellenleistung fast vollständig auf den Bereich vor den Magneten gelenkt wird.

Durch das Anlegen eines negativen Potentials an die zu beschichten¬ den Teile wirkt auf die Ionen eine Kraftkomponente, die sie ver¬ stärkt auf die zu beschichtenden Teile lenkt. Das Anlegen eines hochfrequenten Potentials ermöglicht es, nichtleitende Teile einem erhöhten Ionenbeschuß auszusetzen, dabei reichen Frequenzen im 100 KHz-Bereich aus.

Insgesamt stellt die Integration einer Elektron-Zyklotron-Reso¬ nanz-Plasmaquelle in eine Beschichtungsanläge ein sehr vorteilhaftes Verfahren dar, mit dem bei sehr niedrigen Drücken ein Plasma erzeugt werden kann, welches als Ionenlieferant für einen Atz- und Beschich- tungsprozeß dient. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau, der keine räumliche Festlegung der Einzelkomponenten vorsieht und vakuum¬ technisch sehr einfach gestaltet ist, kann es nahezu in jedem Beschichtungsrezipienten auch nachträglich eingebaut werden.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dar¬ gestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer Vorteile näher erläutert. Es zeigt die Figur 1 eine Draufsicht in vereinfachter Darstellung auf eine Beschichtungsanlage mit zwei Beschichtungsstationen. Die Figuren 2 und 3 zeigen eine Magnet¬ anordnung und eine Mikrowellenantenne. In der Figur 4 ist eine Mikrowellenantenne mit einem Hohlleiter im Schnitt gezeigt.

Beschreibung

Die Abbildung 1 'zeigt eine Beschichtungsanlage 10, die von einem luftdichten Außenmantel 12 umgeben ist. Die Beschichtungsanlage 10 weist eine Pumpe 14 auf, mit der sich die Anlage evakuieren läßt. Am Außenmantel 12 angeflanscht liegen sich zwei Beschichtungspositionen- 16 diametral gegenüber, die mit bekannten Magnetron-Sputterkathoden 18 ausgerüstet sind. Die Beschichtungsanlage 10 besitzt ferner einen Drehkorb 20 zur Aufnahme von nicht dargestellten zu beschichtenden Teilen, der sich fast über die gesamte Höhe der Beschichtungsanlage 10 erstreckt und zentral drehbar befestigt ist.

In der Nähe der Beschichtungspositionen 16 befinden sich vier Magnete 22. Diese sind jeweils am Außenmantel 12 befestigt und von von Blechen 24 abgedeckt, welche als Beschichtungsschütz der Magneten 22 dienen. Die Länge der Magneten 22 entspricht ungefähr der Höhe des Drehkorbes 20. In Längsrichtung (Fig. 2) besteht jeder Magnet aus drei zueinander parallelen Reihen von Einzelmagneten 26, 28, 30, die mit abwechselnder Magnetisierung angeordnet sind und sich parallel zur Achse der Beschichtungsanlage 10 erstrecken, pie beiden äußeren Magnetreihen 26, 30, die von gleicher Magnetisie¬ rungsorientierung sind, besitzen eine gegenüber der mittleren Magnetreihe größere Länge und sind am oberen und unseren Ende über jeweils einen Magneter. 32, bzw. 34 gleicher Orientierung verbunden. Hierdurch erhält man eine Lokalisierung des Magnetfelds auf einen torusförmigen Bereich vor dem Magneten 22. Die Magnete 22 bestehen aus Sm-Co und erfüllen ca. 1 cm vor ihrer Oberfläche die Elektron-Zyklotron-Resonanzbedingung (Magnetfeldstärken 87,5 mT bei 2,45 GHz) .

In unmittelbarer Nähe, seitlich oder auch direkt vor den Magneten 22, sind Mikrowellenantennen 36 angebracht, deren Antennenstäbe 38 sich parallel zur Achse der Beschichtungsanlage 10 erstrecken. Die

Mikrowellenantennen 36 sind mittels einer Vakuumdurchführung 40 (Figur 3) durch den Boden der Beschichtungsanlage 10 hindurchge¬ führt. Am von der Beschichtungsanlage 10 aus gesehenen äußeren Ende 42 der Mikrowellenantenne 36 befindet sich ein koaxialer Kabel¬ anschluß 44 über den die Mikrowellenantenne 36 mit einem nicht dar¬ gestellten Mikrowellenerzeuger verbunden wird. Vom Kabelanschluß 44 führt eine Leitung 46 zum Antennenstab 38, von wo aus die Mikrowelle in die Beschichtungsanlage 10 abgestrahlt wird. Die Mikrowellen¬ antenne 36 ist unterhalb des Antennenstabs 38 mit einem Bedampfungs- schutz 48 in Form einer runden Platte versehen. Die Länge der Antennenstäbe 38 beträgt ca. 3 bis 4 cm, was ungefähr einem Viertel der Wellenlänge der eingespeisten Mikrowellenstrahlung entspricht.

In den schraffierten Bereichen 50 der Abbildung 1 wird bei

-2 geeigneten Druckbedingungen (P '*^>,10 - 10 Pa) ein Plasma gezündet.

Um die zur Verfügung stehende Mikrowellenleistung besser nützen zu können, wird mittels die Antennenstäbe 38 umschließenden Hohleitern 52 die Mikrowelle auf die Magnete 22 gerichtet (Figur 4).

Es ist ausreichend, die Mikrowellen auf einen Teilbereich des Magneten 22 einzustrahlen. Das dort erzeugte Plasma breitet sich infolge einer Driftbewegung der Elekronen über den gesamten torus- förmigen Bereich des Magnetfeldes aus. Dieser Drift beruht auf einer Kraftkomponente, die in inhomogenen Magnetfeldern auftritt, F* ^B x B*.

Die erzeugten Ionen können durch Anlegen eines hohen negativen Potentials (ca. 0,5 bis 1 kV) an den Drehkorb und damit an die zu beschichtenden Teile aus dem Plasma herausgezogen werden und eine Sputterätzreinigung der Substrate bewirken. Durch Anlegen eines hochfrequenten Potentials an die Substrate ist es auch möglich, nicht leitende Substrate durch Ionenbeschuß zu reinigen. Dabei ist

es nicht notwendig mit Frequenzen im Megahertzbereich zu arbeiten. Es reichen vielmehr die einfacher handhabbaren Frequenzen im Bereich von ca. 100 kHz aus, bei denen auf exakte Senderanpassung durch Anpaßnetzwerke verzichtet werden kann.

Unmittelbar nach Beendigung des Atzprozesses, bei dem die zu beschichtenden Teile von Verunreinigungen befreit worden sind, überführt der Drehkorb 20 die Teile in die Beschichtungspositionen vor den Magnetronsputterkathoden 18.

Während des Beschichtungsprozesses wird durch die Elektron-Zy¬ klotron-Resonanz-Plasmaquellen folgendes erreicht:

1. Durch Anlegen einer geringen Grundspannung (20 bis 100 V) an die zu beschichtenden Teile wird ein ständiger Ionenbeschuß bewirkt, der fortlaufend die Oberfläche reinigt und die sich bildende Schicht kompaktiert.

2. Bei Verwendung reaktiver Gase wird in den Plasmazonen 50 eine zusätzliche Aktivierung der Gase erreicht.

3. Bei Verwendung schichtbildender Gase (z. B. Azetylen) findet auch außerhalb der eigentlichen Beschichtszonen 54 eine Schicht- abscheidung statt. (Die gleichzeitige Verwendung schicht- bildender Gase in einem Plasma CVD-Prozeß (Chemical Vapoor Deposition) und von Sputterquellen ist eine bekannte Technik, um z. B. metallhaltige Kohlenstoffschichten herzustellen). Da diese Schichtabscheidung aus der Gasphase im Gleichgewicht sein muß mit der Metallabscheidung vor den Magnetronsputterkathoden 18, können letztere mit höherer Leistung betrieben werden, was insgesamt zu größeren Beschichtungsraten und somit zu geringeren Beschichtungszeiten führt.

Eine äußerst effiziente Elektron-Zyklotron-Resonanz-Plasmaquelle, die nahezu in jedem Beschichtungsrezipienten auch nachträglich eingebaut werden kann, enthält im wesentlichen die Einzelteile: Einen oder mehrere Magnete 22, die in ihrer Länge der Höhe der Beschichtungsanlage 10 angemessen sind, die ca. 1 cm über ihrer Oberfläche die Elektron-Zyklotron-Resonanzbedingung erfüllen und mit einem Bedampfungsschutz 24 versehen sind; Mikrowellenantennen 36, mit einem koaxialen Anschluß 44, einer Vakuumdurchführung 40, einem Bedampfungsschutz 48 und einem kurzen Antennenstab 38. Zur Ver¬ besserung der Effizienz können Hohlleiterelemente 52 vorgesehen sein. Mit dieser Plasmaquelle läßt sich ein Plasma erzeugen, welches als lonenlieferant sowohl für Ätz- als auch Beschichtungsprozesse dienen kann. Der Druckbereich, in dem das Plasma gezündet wird, ist kompatibel mit den üblichen Magnetronsputter- bzw. Elektronen¬ strahl-Verdampfungseinrichtungen.