DE10104615A1 - Verfahren zur Erzeugung einer Funktionsbeschichtung mit einer HF-ICP-Plasmastrahlquelle - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erzeugung einer Funktionsbeschichtung auf einem in einer Kammer (40) angeordneten Substrat (19) vorgeschlagen, wobei mittels einer induktiv gekoppelten Hochfrequenz-Plasmastrahlquelle (5) mit einem einen Plasmaerzeugungsraum (27) begrenzenden Brennerkörper (25) mit einer Austrittsöffnung (26) ein Plasma (21) erzeugt wird. Dieses Plasma (21) tritt dann über die Austrittsöffnung in Form eines Plasmastrahles (20) aus der Plasmastrahlquelle (5) in die damit verbundene Kammer (40) ein, wo es auf das Substrat (19) zur Erzeugung der Funktionsbeschichtung einwirkt. Weiter ist dabei vorgesehen, dass zwischen dem Inneren der Kammer (40) und dem Plasmaerzeugungsraum (27) zumindest zeitweise ein Druckgradient erzeugt wird, der eine Beschleunigung von in dem Plasmastrahl (20) enthaltenen Teilchen auf das Substrat (19) hin bewirkt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Funktionsbeschichtung auf einem Substrat mit Hilfe einer in­ duktiv gekoppelten Hochfrequenz-Plasmastrahlquelle nach der Gattung des Hauptanspruches.

Stand der Technik

Das Aufbringen von Funktionsschichten auf Substrate ist ein weit verbreitetes Verfahren, um Oberflächen von Werkstücken bzw. Bauteilen gewünschte Eigenschaften zu geben. Ein übli­ ches Verfahren, um derartige Funktionsschichten zu erzeugen, ist das Plasmabeschichten im Feinvakuum oder Hochvakuum, was aufwendige Evakuierungstechniken erfordert und zudem nur re­ lativ geringe Beschichtungsraten liefert. Daher ist dieses Verfahren zeitintensiv und teuer.

Zur Beschichtung von Substraten im subatmosphärischen und atmosphärischen Druckbereich eignen sich insbesondere ther­ mische Plasmen, mit denen hohe Beschichtungsraten im Bereich von mm/h erreichbar sind. Dazu sei beispielsweise auf R. Henne, Contribution to Plasma Physics, 39 (1999), Seiten 385 -397, verwiesen. Besonders vielversprechend unter den ther­ mischen Plasmaquellen ist die induktiv gekoppelte Hochfre­ quenz-Plasmastrahlquelle (HF-ICP-Strahlquelle), wie sie aus E. Pfender und C. H. Chang "Plasma Spray Jets and Plasma Particulate Interaction: Modelling and Experiments", Tagungsband des 6. Workshop Plasmatechnik, TU Illmenau, 1998, bekannt ist. Zudem ist in der Anmeldung DE 199 58 474.5 auch bereits ein Verfahren zur Erzeugung von Funktionsschichten mit einer derartigen Plasmastrahlquelle vorgeschlagen wor­ den.

Die Vorteile der HF-ICP-Strahlquelle liegen einerseits im Bereich der Arbeitsdrücke in der Quelle, die üblicherweise von 50 mbar bis hin zu 1 bar und mehr reichen, und anderer­ seits in der großen Vielfalt der einsetzbaren und mit einer derartigen Plasmastrahlquelle abscheidbaren Materialien. Insbesondere sind dadurch, dass die Ausgangsstoffe axial in den sehr heißen Plasmastrahl eingebracht werden, auch Hart­ stoffe mit sehr hohen Schmelztemperaturen verwendbar. Dane­ ben arbeiten HF-ICP-Strahlquellen ohne Elektroden, d. h. es sind Verunreinigungen der zu erzeugenden Schichten durch Elektrodenmaterial aus der Strahlquelle ausgeschlossen.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung einer Funkti­ onsbeschichtung auf einem Substrat hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass durch den Druckgradienten zwi­ schen Plasmaquelle und Kammer ein beschleunigter und expan­ dierter Plasmastrahl entsteht, bei dem die darin enthaltenen Teilchen zumindest teilweise mit einer Geschwindigkeit in der Größenordnung der Schallgeschwindigkeit oder auch Über­ schallgeschwidigkeit aus dem Plasmastrahlquelle austreten und auf das Substrat einwirken, so dass ein solcher Plasma­ strahl in der Lage ist, auch tiefe Hohlräume in dem Substrat zu erreichen und/oder kompilizierte Geometrien des Substra­ tes zu bearbeiten.

Die hohe Geschwindigkeit des Plasmastrahls, die über die Druckdifferenz zwischen Plasmastrahlquelle und Kammer leicht beeinflussbar ist, wird weiter auch die Ausdehnung der stets vorhandenen Diffusionsgrenzschicht zwischen der Oberfläche des Substrates und dem Plasmastrahl verkleinert, so dass die Diffusion reaktiver Plasmabestandteile auf die Oberfläche des Substrates erleichtert wird. Dies führt zu einer ver­ kürzten Bearbeitungsdauer bzw. intensivierten Bearbeitung des Substrates.

Durch die Expansion des Plasmastrahls beim Austritt, was sich in der Regel in Form einer trichterförmigen Aufweitung des Plasmastrahls nach der Austrittsöffnung äußert, wird weiter auch eine plötzliche Abkühlung des Plasmastrahles er­ reicht, was einerseits die Temperaturbelastung des bearbei­ teten Substrates senkt und andererseits zu plasmachemischen Veränderungen im Plasmastrahl, insbesondere hinsichtlich der reaktiven Eigenschaften des Plasmas, führt, wodurch eine Er­ höhung der Beschichtungsrate und eine Verbesserung der Qua­ lität der erzeugten Funktionsbeschichtung erzielt wird. Zu­ dem wird durch die verringerte Temperaturbelastung die Aus­ wahl an verwendbaren Substraten verbreitert, so dass nunmehr alle technisch relevanten Substratmaterialien wie Edelstahl, Sintermetalle und auch Keramiken oder Polymere verwendbar sind.

Weiter hat man durch die erreichte Entkoppelung der Kammer, in der die Plasmabearbeitung des Substrates erfolgt, von dem Inneren der Plasmastrahlquelle, d. h. dem Plasmaerzeugungs­ raum, hinsichtlich der dort jeweils herrschenden Drücke die Möglichkeit, den Plasmastrahl auch im Feinvakuum unter 1 mbar in der Kammer einzusetzen, ohne dass sich der Plasma­ modus bzw. der Druck in der Plasmastrahlquelle wesentlich ändert. Damit wird der Einsatzbereich von induktiv gekoppel­ ten Hochfrequenz-Plasmastrahlquelle deutlich verbreitert.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.

So wird einerseits dadurch, dass der bei der Abscheidung herrschende Druck in der Kammer von üblicherweise 100 mbar bis 1 bar auf weniger als 50 mbar, insbesondere weniger als 10 mbar, abgesenkt wird, erreicht, dass den in dem Plasma vorliegenden Ionen eine mittlere freie Weglänge zur Verfü­ gung steht, die ausreichend ist, dass über eine in die Sub­ stratelektrode und darüber in das Substrat zumindest zeit­ weise eingekoppelte elektrische Spannung eine effektive Be­ schleunigung von Ionen im Plasmastrahl auf das Substrat hin bewirkt werden kann, ohne dass die Wirkung dieser Beschleu­ nigungsspannung durch Stöße wieder verloren geht. Zudem senkt dieser niedrige Druck weiter die Temperaturbelastung des Substrates.

Andererseits ist vorteilhaft, dass die erfindungsgemäße Plasmaanlage auch in der Kammer, in der sich das Substrat befindet, lediglich ein Grobvakuum von weniger als 50 mbar erfordert, um die für die gewünschten Beschichtungsprozesse bzw. Oberflächenmodifikationen ausreichende Ionenenergien zu gewährleisten. Die Erzeugung eines Grobvakuums in der Kammer der Plasmaanlage ist dabei mit üblichen Pumpeinrichtungen zuverlässig und schnell erreichbar, und erfordert gegenüber einem Feinvakuum oder einem Hochvakuum, wie dies bei CVD- Verfahren erforderlich ist, einen deutlich verringerten Zeitaufwand bzw. apparativen Aufwand. Durch den gegenüber beispielsweise CDV-Verfahren relativ hohen Druck in der Kam­ mer der Plasmaanlage sind im Übrigen nun auch Werkstücke aus beispielsweise stark ausgasenden Sintermaterialien bearbeit­ bar. Insgesamt hat man somit ein Hochraten-Abscheideverfah­ ren zur Verfügung, das auch im Grobvakuum bei geringen Pro­ zesszeiten bzw. Pumpzeiten einsetzbar ist.

Dadurch, dass die Hochfrequenz-Plasmastrahlquelle und die Kammer mit dem Substrat lediglich über die Austrittsöffnung der Plasmastrahlquelle miteinander in Verbindung stehen, ist es weiter in einfacher Weise möglich, den gewünschten Druck­ gradienten über eine entsprechende, mit der Kammer in Ver­ bindung stehende Pumpeinrichtung aufrecht zu erhalten.

Weiterhin ist vorteilhaft, wenn das Beaufschlagen der Sub­ stratelektrode mit einer elektrischen Spannung mit einer zeitlich periodischen Veränderung der Intensität des von der Plasmastrahlquelle erzeugten Plasmastrahls korreliert wird. Auf diese Weise wird einerseits die Temperaturbelastung des Substrates weiter reduziert und andererseits treten durch das Schwanken der Intensität des Plasmastrahles, der bevor­ zugt periodisch auch gelöscht wird, in dem Plasma in hohem Ausmaß Plasma-Ungleichgewichtszustände auf, die dazu genutzt werden können, neuartige Beschichtungen auf dem Substrat ab­ zuscheiden. Hinsichtlich der Auswahl der der Plasmastrahl­ quelle bzw. dem erzeugten Plasmastrahl zugeführten Materia­ lien zur Erzeugung der Funktionsbeschichtung auf dem Sub­ strat besteht weiter eine große Vielzahl von Möglichkeiten, wobei beispielsweise auf die in DE 199 58 474.5 vorgeschla­ genen zurückgegriffen werden kann.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sehen vor, dass zur Kühlung des Substrates eine Kühleinrichtung und/oder eine bewegliche, vorzugsweise in alle Raumrichtun­ gen bewegliche oder drehbare Halterung vorgesehen ist, so dass das Substrat relativ zu den Plasmastrahlen leicht ori­ entierbar ist und bei der Plasmaabscheidung auf Wunsch auch gekühlt werden kann.

Daneben ist vorteilhaft, wenn die elektrische Spannung, mit der die Substratelektrode beaufschlagt ist, eine zeitlich veränderliche elektrische Spannung, insbesondere eine gepulste elektrische Spannung ist. Diese kann zudem mit einer einstellbaren positiven oder negativen Offset-Spannung ver­ sehen sein und/oder mit einem weitgehend frei wählbaren Puls-Pause-Verhältnis gepulst werden. Ein weiterer, einfach zu verändernder und an die Erfordernisse des Einzelfalls an­ passbarer Parameter ist daneben die Form der Einhüllenden der zeitlich veränderlichen elektrischen Spannung, die bei­ spielsweise einen sägezahnförmigen, dreiecksförmigen oder sinusförmigen Verlauf aufweisen kann. Im Übrigen kann die eingesetzte elektrische Spannung auch eine Gleichspannung sein. Weitere, leicht zu verändernde Parameter hinsichtlich der konkreten Signalform der eingesetzten elektrischen Span­ nung sind ihre Flankensteilheit, ihre Amplitude und ihre Frequenz. Daneben sei betont, dass die zeitliche Veränderung der in die Substratelektrode eingekoppelten Spannung nicht notwendig periodisch sein muss.

Zeichnungen

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und in der nach­ folgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungs­ gemäßen Plasmaanlage mit einer ICP-Plasmastrahlquelle im Schnitt und Fig. 2 ein Beispiel für eine zeitliche Variati­ on der Intensität des erzeugten Plasmastrahles. Die Fig. 3a bis 3h zeigen Aufnahmen des aus der Plasmastrahlquelle austretenden Plasmastrahles als Funktion der Zeit, der gemäß Fig. 2 gepulst ist. Die Fig. 4 zeigt eine Aufnahme eines Plasmastrahls, der mit hoher Geschwindigkeit aus der Plasma­ strahlquelle austritt. Die Fig. 5 erläutert die Plasma­ strahlquelle gemäß Fig. 1 im Detail.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung geht aus von einer induktiv gekoppelten Hoch­ frequenz-Plasmastrahlquelle, wie sie in ähnlicher Form aus E. Pfender und C. H. Chang "Plasma Spray Jets and Plasma Particulate Interaction: Modelling and Experiments", Ta­ gungsband des 6. Workshop Plasmatechnik, TU Illmenau, 1998, bekannt ist. Weiter wird damit ein Beschichtungsverfahren durchgeführt, das in ähnlicher Form in DE 199 58 474.5 be­ reits vorgeschlagen worden ist.

Im Einzelnen zeigt Fig. 1 eine induktiv gekoppelte Hochfre­ quenz-Plasmastrahlquelle 5 mit einem topfförmigen Brenner­ körper 25, der einseitig eine mit einer bevorzugt variabel einstellbaren bzw. geformten Öffnungsblende 22 versehene Austrittsöffnung 26 aufweist, die beispielsweise kreisförmig mit einem Durchmesser von 1 cm bis 10 cm ausgebildet ist. Weiter weist die Plasmastrahlquelle 5 eine im Bereich der Austrittsöffnung 26 in den Brennerkörper 25 integrierte Spu­ le 17, beispielsweise eine wassergekühlte Kupferspule, auf, die alternativ auch um den Brennerkörper 25 herumgewickelt sein kann.

Weiter ist auf der der Austrittsöffnung 26 abgewandten Seite des Brennerkörpers 25 ein üblicher Injektor 10 zur Zufuhr eines Injektorgases 11, eine erste zylinderförmige Hülse 14 und eine zweite zylinderförmige Hülse 15 vorgesehen. Die er­ ste Hülse 14 bzw. die zweite Hülse 15 sind jeweils konzen­ trisch zu der Seitenwand des Brennerkörpers 25 ausgebildet, wobei die zweite Hülse 15 in erster Linie dazu dient, ein in dem Brennerkörper 25 in einem Plasmaerzeugungsraum 27 er­ zeugtes Plasma 21 von den Wänden des Brennerkörpers 25 abzu­ halten.

Dazu wird über eine geeignete Gaszufuhr ein Hüllgas 13 zwi­ schen der ersten Hülse 14 und der zweiten Hülse 15 in den Brennerkörper 25 eingeleitet, das weiter die Aufgabe hat, das erzeugte Plasma 21 über die Austrittsöffnung 26 strahl­ förmig aus der Plasmastrahlquelle 5 heraus zu blasen, so dass ein Plasmastrahl 20 entsteht, der zunächst weitgehend gebündelt auf ein in einer Kammer 40 auf einem Substratträ­ ger 18, der im konkreten Beispiel gleichzeitig als Substra­ telektrode 18 dient, befindliches Substrat 19 einwirkt, um dort eine Funktionsbeschichtung zu erzeugen und/oder abzu­ scheiden.

Das Hüllgas 13 ist im erläuterten Beispiel Argon, das der Plasmastrahlquelle 5 mit einem Gasfluss von 5000 sccm bis 100000 sccm, insbesondere 20000 sccm bis 70000 sccm, zuge­ führt wird.

In Fig. 1 ist weiter vorgesehen, dass die Spule 17 mit ei­ nem Hochfrequenz-Generator 16 elektrisch verbunden ist, mit dem eine elektrische Leistung von 500 W bis 50 kW, insbeson­ dere 1 kW bis 10 kW, bei einer Hochfrequenz von 0,5 MHz bis 20 MHz in die Spule 17 und darüber auch in das in dem Plas­ maerzeugungsraum 27 gezündete und aufrecht erhaltene Plasma 21 eingekoppelt wird.

Der Hochfrequenz-Generator 16 ist in bevorzugter Ausgestal­ tung mit einem an sich bekannten elektrischen Bauteil 28 versehen, mit dem die Intensität des Plasmastrahls 20 bei dessen Einwirken auf das Substrat 19 zeitlich periodisch mit einer Frequenz von 1 Hz bis 10 kHz, insbesondere 50 Hz bis 1 kHz, zwischen einer einstellbaren oberen und einer ein­ stellbaren unteren Intensitätsgrenze verändert werden kann. Bevorzugt wird der Plasmastrahl 20 dabei über eine einstell­ bare Zeitdauer, d. h. ein wählbares Puls-Pause-Verhältnis, periodisch auch gelöscht.

Die Fig. 1 zeigt weiter, dass über die erste Hülse 14 dem Bereich zwischen der ersten Hülse 14 und dem Injektor 10 ein Zentralgas 12 zugeführt werden kann. Dieses ist beispiels­ weise ein Inertgas oder ein mit dem Injektorgas 11 reagie­ rendes Gas, insbesondere ein Inertgas, dem ein Reaktivgas zugesetzt ist.

Insbesondere ist vorgesehen, dass über den Injektor 10 bzw. eine zwischen erster Hülse 14 und Injektor 10 befindliche weitere Zufuhreinrichtung dem Plasma 20 ein gasförmiges, mi­ kroskaliges oder nanoskaliges Precursor-Material, eine Sus­ pension eines solchen Precursor-Materials oder ein Reaktiv­ gas zugeführt wird, das in modifizierter Form, insbesondere nach Durchlaufen einer chemischen Reaktion oder einer chemi­ schen Aktivierung, auf dem Substrat 19 die gewünschte Funk­ tionsbeschichtung ausbildet oder dort in diese integriert wird.

Alternativ kann das Plasma 21 jedoch auch dazu eingesetzt werden, die Oberfläche des Substrates 19 lediglich chemisch zu modifizieren, so dass dadurch auf der Oberfläche des Sub­ strates 19 die gewünschte Funktionsbeschichtung entsteht.

Sofern ein Precursor-Material dem Plasma 21 bzw. dem Plasma­ strahl 20 zugeführt wird, wird bevorzugt gleichzeitig ein Trägergas für dieses Precursor-Material, insbesondere Argon, und/oder ein Reaktivgas für eine chemische Reaktion mit dem Precursor-Material, insbesondere Sauerstoff, Stickstoff, Am­ moniak, ein Silan, Acetylen, Methan oder Wasserstoff zuge­ führt. Zur Zufuhr dieser Gase eignen sich entweder der In­ jektor 10, die Zufuhreinrichtung zur Zufuhr des Zentralgases 12 oder auch die Zufuhreinrichtung zur Zufuhr des Hüllgases 13. Alternativ oder zusätzlich kann weiter in der Kammer 40 auch eine weiter Zufuhreinrichtung, beispielsweise ein In­ jektor oder eine Gasdusche, zur Zufuhr eines Reaktivgases und/oder eines Precursor-Materials in den bereits aus der Plasmastrahlquelle 5 ausgetretenen Plasmastrahl 20 vorgese­ hen sein.

Das eingesetzte Precursor-Material ist bevorzugt eine orga­ nische, eine siliziumorganische oder eine metallorganische Verbindung, die somit dem Plasma 21 und/oder dem Plasma­ strahl 20 in gasförmiger oder flüssiger Form, als mikroska­ lige oder nanoskalige Pulverpartikel, als flüssige Suspensi­ on, insbesondere mit darin suspendierten mikroskaligen oder nanoskaligen Partikeln, oder als Mischung von gasförmigen oder flüssigen Stoffen mit Feststoffen zugeführt werden kann. Durch geeignete Auswahl der einzelnen Gase, d. h. der zugeführten Reaktivgase bzw. des Zentralgases 12 und des In­ jektorgases 11 sowie Auswahl des Precursor-Materials, was im Einzelnen in DE 199 58 474.5 erläutert ist, kann auf dem Substrat 19 beispielsweise ein Metallsilizid, ein Metallcar­ bid, ein Siliziumcarbid, ein Metalloxid, ein Siliziumoxid, ein Metallnitrid, ein Siliziumnitrid, ein Metallborid, ein Metallsulfid, amorpher Kohlenstoff, diamantähnlicher Kohlen­ stoff (DLC), oder auch eine Mischung aus diesen Materialien in Form einer Schicht oder einer Abfolge Schichten erzeugt bzw. abgeschieden werden. Weiter eignet sich das vorgeschla­ gene Verfahren auch zur Reinigung oder Carbonisierung oder Nitrierung der Oberfläche des Substrates 19.

Die Fig. 1 zeigt weiter dargestellt, dass die Substratelek­ trode 18 über eine Kühlwasserzufuhr 31 mit Kühlwasser 39 kühlbar ist, und dass die Substratelektrode 18 und damit auch das Substrat 19 über eine entsprechende Halterung 32 in der Kammer 40 bewegbar ist. Dabei ist sowohl die Halterung 32 als auch die Kühlwasserzufuhr 31 elektrisch über eine Isolierung 34 von der mit der elektrischen Spannung beauf­ schlagten Substratelektrode 18 getrennt. Bevorzugt ist das Substrat 19 mit der Substratelektrode 18 auf einer bewegli­ chen, insbesondere in alle Raumrichtungen beweglichen und/oder drehbaren Halterung 32 angeordnet, so dass es zu­ mindest zeitweise während der Erzeugung der Funktionsschicht sowohl gekühlt als auch bewegt bzw. gedreht werden kann.

Weiter ist vorgesehen, dass die Substratelektrode 18 mit ei­ nem Substratgenerator 37 elektrisch in Verbindung steht, mit dem eine elektrische Spannung in die Substratelektrode 18 und darüber auch in das Substrat 19 eingekoppelt wird. Dazu ist eine Generatorzuleitung 36 zwischen Substratgenerator 37 und Substratelektrode 18 vorgesehen.

Im Einzelnen wird die Substratelektrode 18 mit dem Substrat­ generator 37 mit einer elektrischen Gleichspannung oder ei­ ner Wechselspannung einer Amplitude zwischen 10 V und 5 kV, insbesondere zwischen 50 V und 300 V, und einer Frequenz zwischen 0 Hz und 50 MHz, insbesondere zwischen 1 kHz und 100 kHz, beaufschlagt. Diese Gleichspannung bzw. Wech­ selspannung kann zusätzlich auch zeitweise bzw. fortwährend mit einer positiven oder negativen Offset-Spannung versehen sein.

Bevorzugt ist die eingekoppelte elektrische Spannung eine zeitlich veränderliche elektrische Spannung, insbesondere eine gepulste elektrische Spannung mit einem im Einzelfall anhand einfacher Vorversuche auszuwählenden Puls-Pause- Verhältnis sowie einer gegebenenfalls ebenfalls zeitlich, beispielsweise hinsichtlich des Vorzeichens, variierenden Offset-Spannung.

Die zeitliche Variation der elektrischen Spannung wird wei­ ter bevorzugt so eingestellt, dass deren Einhüllende einen unipolaren oder bipolaren sägezahnförmigen, dreiecksförmi­ gen, rechteckförmigen oder sinusförmigen Verlauf aufweist. Weitere Parameter sind dabei die Amplitude und Polarität der Offset-Spannung, die Flankensteilheit der einzelnen Pulse der eingekoppelten elektrischen Spannung, die Frequenz (Trä­ gerfrequenz) dieser Spannung sowie deren Amplitude.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens sieht vor, dass die Veränderung der Intensi­ tät des Plasmastrahles 20 über den Hochfrequenz-Generator 16 und das darin integrierte elektrische Bauteil 28, das im Üb­ rigen auch als separates elektrisches Bauteil ausgeführt und dann zwischen Spule 17 und Hochfrequenz-Generator 16 ge­ schaltet werden kann, insbesondere das Pulsen des Plasma­ strahls 20, zeitlich korreliert zu der Veränderung oder dem Pulsen der in die Substratelektrode 18 eingekoppelten elek­ trischen Spannung erfolgt.

Diese zeitliche Korrelation ist weiter bevorzugt ein gegen­ phasiges oder zeitlich versetztes Pulsen der Intensität des Plasmastrahls 20 gegenüber der Veränderung oder dem Pulsen der elektrischen Spannung.

In Fig. 1 ist schließlich angedeutet, dass im Inneren der Plasmastrahlquelle 5 ein erster Druckbereich 30 vorliegt, in dem ein Druck von 1 mbar bis 2 bar, insbesondere 100 mbar bis 1 bar, herrscht. Im Inneren der Kammer 40 liegt dann ein zweiter Druckbereich 33 mit einem Druck unter 50 mbar, ins­ besondere zwischen 1 mbar bis 10 mbar, vor. Dabei ist der Druck in dem ersten Druckbereich 30 gegenüber dem Druck in dem zweiten Druckbereich 33 stets deutlich größer, so dass ein in das Innere der Kammer 40 gerichteter Druckgradient entsteht obwohl der Plasmastrahlquelle 5 bei Betrieb perma­ nent, wie erläutert, Gas zugeführt wird und die Plasma­ strahlquelle 5 und Kammer 40 über die Austrittsöffnung 26 offen miteinander verbunden sind.

Bevorzugt sind die Drücke so gewählt, dass das Verhältnis des Druckes in dem ersten Druckbereich 30 zu dem Druck in dem zweiten Druckbereich 33 größer als 1,5, insbesondere größer 3, ist.

Um diese Druckdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Druckbereich 30, 33 aufrechtzuerhalten und insbesondere den Druck in der Kammer 40 unter 50 mbar zu halten, sind an sich bekannte, ausreichend dimensionierte Pumpeinrichtungen mit der Kammer 40 verbunden.

Durch die erläuterte Druckdifferenz tritt der Plasmastrahl 20 mit hoher Geschwindigkeit aus der Plasmastrahlquelle 5 austritt bzw. wird aus dieser herausgeblasen, so dass die in dem Plasma 21 enthaltenen reaktiven Bestandteile mit ent­ sprechend hoher Geschwindigkeit auf das Substrat 19 auftref­ fen. Dabei tritt üblicherweise abweichend von der schemati­ schen Darstellung in Fig. 1 eine trichterförmige Aufweitung bzw. Expansion des Plasmastrahls nach dem Passieren der Aus­ trittsöffnung 26 auf.

Als Material für das Substrat 19 eignen sich bei der Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowohl elektrisch leitende als auch, bei geeigneter Wahl der zeitlich verän­ derlichen Spannung an der Substratelektrode, elektrisch iso­ lierende Materialien. Daneben führt die durch die Kühlein­ richtung und insbesondere das Pulsen des Plasmastrahls 20 gegebene Verringerung der Temperaturbelastung des Substrates 19 dazu, dass auch temperaturempfindlichen Substrate wie beispielsweise Polymere einsetzbar sind.

Die Fig. 2 erläutert, wie der Plasmastrahl 20 durch zeitli­ che Veränderung der von dem Hochfrequenz-Generator 16 im Zu­ sammenwirken mit dem elektrischen Bauteil 28 durch eine zeitliche Veränderung der der Spule 17 zugeführten Spannung entsprechend der Veränderung dieser Spannung in seiner In­ tensität verändert wird. Insbesondere kann die Spannung in Weiterführung von Fig. 2 an der Spule 17 zeitweilig auch 0 sein, so dass der Plasmastrahl 20 in dieser Zeit erlischt.

Die Fig. 3a bis 3h zeigen direkt den aus der Aus­ trittsöffnung 26 über die Öffnungsblende 22 austretenden Plasmastrahl 20 in der Kammer 40. Der typische Abstand zwi­ schen Austrittsöffnung 26 und Substrat 19 liegt bei 5 cm bis 50 cm.

Man erkennt in den Fig. 3a bis 3h, wie der Plasmastrahl 20 zunächst gemäß Fig. 3a zur Zeit t = 0 mit hoher Intensi­ tät aus der Austrittsöffnung 26 austritt, sich diese Inten­ sität gemäß Fig. 3b dann deutlich vermindert, so dass der Plasmastrahl 20 kurz danach vollständig erlischt, anschlie­ ßend der Plasmastrahl gemäß den Fig. 3c bis 3e neu gezün­ det wird und dabei kurz zurückschwingt, bevor er sich dann gemäß den Fig. 3f bis 3h kontinuierlich ausdehnt, so dass nach 13,3 ms der Ausgangszustand gemäß Fig. 3a nahezu wie­ der erreicht ist. Dieses Pulsen des Plasmastrahls 20 gemäß den Fig. 3a bis 3h wird durch eine Veränderung der in die Spule 17 eingekoppelten elektrischen Hochfrequenzleistung bewirkt.

Die Fig. 4 erläutert, wie zu einem gegebenen Zeitpunkt der Plasmastrahl 20 durch eine entsprechend hohe Druckdifferenz zwischen dem Inneren der Plasmastrahlquelle 5 und dem Inne­ ren der Kammer 40, d. h. dem erläuterten Druckgradienten hin zur Kammer 40, der Plasmastrahl 20 mit hoher Geschwindigkeit aus der Austrittsöffnung 26 austritt und mit entsprechend hoher Geschwindigkeit auf das Substrat 19 einwirkt. Insbe­ sondere ist in Fig. 4 ein Verdichtungsknoten 23 (Mach'scher Knoten) erkennbar, der belegt, dass die Geschwindigkeit der Teilchen im Plasmastrahl 20 in gleicher Größenordnung wie die Schallgeschwindigkeit liegt. Es sind jedoch auch bei­ spielsweise durch entsprechend größere Druckdifferenzen hervorgerufene höhere Geschwindigkeiten, insbesondere Über­ schallgeschwindigkeiten, erreichbar. Zudem zeigt Fig. 4, dass sich der Plasmastrahl 20 nach der Austrittsöffnung 26 in der Kammer 40 aufweitet.

Der erzeugte Druckgradient ist im Übrigen bevorzugt so stark, dass in dem Plasmastrahl 20 enthaltene Teilchen am Ort des Substrates 19 im Wesentlichen auf eine Geschwindig­ keit beschleunigt worden sind, die größer als die Hälfte der Schallgeschwindigkeit in dem Plasmastrahl 20 ist.

Die Fig. 5 erläutert einen Ausschnitt aus Fig. 1, wobei die Plasmastrahlquelle 5 noch einmal vergrößert dargestellt ist. Dabei ist insbesondere die Anordnung des Injektors 10 und die Ausgestaltung der ersten Hülse 14 und der zweiten Hülse 15 deutlicher erkennbar.

Claims (15)

1. Verfahren zur Erzeugung einer Funktionsbeschichtung auf einem in einer Kammer (40) angeordneten Substrat (19), wobei mittels einer induktiv gekoppelten Hochfrequenz- Plasmastrahlquelle (5) ein Plasma (21) mit reaktiven Teil­ chen erzeugt wird, das in Form eines Plasmastrahles (20) aus der Plasmastrahlquelle (5) in die damit verbundene Kammer (40) eintritt und auf das Substrat (19) derart einwirkt, dass auf dem Substrat (19) eine Funktionsbeschichtung er­ zeugt oder abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Inneren der Kammer (40) und dem Plasmaerzeu­ gungsraum (27) zumindest zeitweise ein Druckgradient erzeugt wird, der eine Beschleunigung von in dem Plasmastrahl (20) enthaltenen Teilchen auf das Substrat (19) bewirkt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über eine mit der Kammer (40) verbundene Pumpeinrich­ tung eine Druckdifferenz von mehr als 100 mbar, insbesondere mehr als 300 mbar, zwischen dem Plasmaerzeugungsraum (27) im Inneren der Plasmastrahlquelle (5) und dem Inneren der Kam­ mer (40) erzeugt wird und/oder dass das Verhältnis des Druc­ kes in dem Plasmaerzeugungsraum (27) zu dem Druck in dem In­ neren der Kammer (40) größer als 1,5, insbesondere größer 3, ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Plasmastrahlquelle (5) bei einem Druck von 1 mbar bis 2 bar, insbesondere 100 mbar bis 1 bar, betrieben wird, und dass der Druck in der Kammer (40) unter 50 mbar, insbesondere zwischen 1 mbar bis 10 mbar, gehalten wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma (21) mittels Zufuhr eines Gases, insbesondere Argon, mit einem Gasfluss von 5000 sccm bis 100000 sccm, insbesondere 20000 sccm bis 70000 sccm, zu der Plasmastrahlquelle (5) strahlförmig aus der Plasma­ strahlquelle (5) herausgeblasen und in die Kammer (40) ge­ führt wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass in dem Plasmastrahl (20) enthal­ tene Teilchen am Ort des Substrates (19) durch die Zufuhr des Gases zu der Plasmastrahlquelle (5) und/oder den Druck­ gradienten zwischen Plasmastrahlquelle (5) und Kammer (40) auf eine Geschwindigkeit beschleunigt werden, die größer als die Hälfte der Schallgeschwindigkeit in dem Plasmastrahl (20), insbesondere vergleichbar oder größer als die Schall­ geschwindigkeit in dem Plasmastrahl (20), ist.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass das Erzeugen der Funktionsbe­ schichtung mittels Abscheidung mindestens einer Schicht mit dem Plasmastrahl (20) und/oder mittels Modifikation einer Oberflächenschicht des Substrates (19) mit dem Plasmastrahl (20) erfolgt.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass das Substrat (19) in der Kammer (40) auf einer Substratelektrode (18) angeordnet und bei der Erzeugung der Funktionsschicht zumindest zeitweise mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratelektrode (18) über einen Substratgenerator (37) mit einer elektrischen Gleichspannung oder einer elek­ trischen Wechselspannung mit einer Amplitude zwischen 10 Volt und 5 kV, insbesondere zwischen 50 Volt und 300 Volt, und einer Frequenz zwischen 0 Hz und 50 MHz, ins­ besondere zwischen 1 kHz und 100 kHz, beaufschlagt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die elektrische Spannung zeitlich verändert wird, insbesondere zumindest zeitweise mit einem einstellba­ ren Offset-Spannung versehen und/oder mit einem wählbaren Puls-Pause-Verhältnis gepulst wird.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass in das Plasma (21) der induktiv gekoppelten Hochfrequenz-Plasmastrahlquelle (5) über eine Spule (17) eine elektrische Leistung von 500 Watt bis 20 kW, insbesondere 0,5 kW bis 50 kW, bei einer Hochfrequenz von 0,5 MHz bis 20 MHz eingekoppelt wird.

11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die Intensität des Plasmastrahls (20) bei dem Einwirken auf das Substrat (19) zeitlich peri­ odisch mit einer Frequenz von 1 Hz bis 10 kHz, insbesondere 50 Hz bis 1 kHz, zwischen einer einstellbaren oberen und ei­ ner einstellbaren unteren Grenze verändert und insbesondere der Plasmastrahl (20) über eine einstellbare Zeitdauer peri­ odisch auch gelöscht wird.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass dem Plasma (21) über einen Injek­ tor (10) in der Plasmastrahlquelle (5) und/oder dem Plasmastrahl (20) über eine Zufuhreinrichtung in der Kammer (40) mindestens ein insbesondere gasförmiges oder mikroskaliges oder nanoskaliges Precursor-Material, eine Suspension eines solchen Precursor-Materials oder ein Reaktivgas zugeführt wird, das in modifizierter Form, insbesondere nach Durchlau­ fen einer chemischen Reaktion oder einer chemischen Aktivie­ rung, auf dem Substrat (19) die Funktionsbeschichtung aus­ bildet oder in diese integriert wird.

13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass dem Plasma (21) in der Plasma­ strahlquelle (5) ein Trägergas für das Precursor-Material, insbesondere Argon, und/oder ein Reaktivgas für eine chemi­ sche Reaktion mit dem Precusor-Material, insbesondere Sauer­ stoff, Stickstoff, Ammoniak, Silan, Acetylen, Methan oder Wasserstoff, zugeführt wird.

14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass das Precursor-Material eine orga­ nische, eine siliziumorganische oder eine metallorganische Verbindung ist, die dem Plasma (21) und/oder dem Plasma­ strahl (20) in gasförmiger oder flüssiger Form, als mikro- oder nanoskalige Pulverpartikel, als flüssige Suspension, insbesondere mit darin suspendierten mikro- oder nanoskali­ gen Partikeln, oder als Mischung von gasfömigen oder flüssi­ gen Stoffen mit Feststoffen zugeführt wird.

15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die Veränderung der Intensität des Plasmastrahles (20), insbesondere das Pulsen des Plasma­ strahls (20), zeitlich korreliert, insbesondere gegenphasig oder zeitlich versetzt, zu der Veränderung oder dem Pulsen der elektrischen Spannung erfolgt, mit der die Substratelek­ trode (18) beaufschlagt wird.