DE19958474A1

DE19958474A1 - Verfahren zur Erzeugung von Funktionsschichten mit einer Plasmastrahlquelle

Info

Publication number: DE19958474A1
Application number: DE19958474A
Authority: DE
Inventors: Stefan Grosse; Johannes Voigt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-12-04
Filing date: 1999-12-04
Publication date: 2001-06-21
Also published as: WO2001040543A1; JP2003515676A; EP1252365A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erzeugung einer Beschichtung auf einem Substrat (12) unter Verwendung mindestens einer im Feinvakuum bis zum atmosphärennahen Druckbereich betreibbaren Plasmastrahlquelle (5) vorgeschlagen. Die Plasmastrahlquelle (5) erzeugt dazu ein Plasma (10), das in Form eines Plasmastrahles (17) aus der Plasmastrahlquelle (5) austritt und auf ein Substrat (12) einwirkt. Dem Plasma (10) wird dabei weiter mindestens ein Precursor-Material (16, 16') zugeführt, das in dem Plasmastrahl (17) bis auf atomare oder molekulare Ebene aufgebrochen oder modifiziert und danach auf dem Substrat (12) abgeschieden wird.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Herstellung von Funktionsschichten mit einer Plasmastrahl quelle nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Stand der Technik

In vielen Industriezweigen besteht ein steigender Bedarf an dünnen, harten Schichten mit definierten physikalischen und chemischen Eigenschaften, die Bauteile oder Oberflächen von Werkstoffen vor Verschleiß oder Korrosion schützen sollen. Typische bekannte Schichten bestehen aus einer oder mehreren Lagen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen, Qualitäts merkmalen und Funktionalitäten. So werden Schichten beispielsweise aus der Gasphase im Hochvakuum mit PACVD- Prozessen ("physically aided chemical vapour deposition") oder PVD-Prozessen ("physical vapour deposition") qualitativ hochwertig, dicht, homogen und flächig abgeschieden.

Beide genannte Verfahren zeichnen sich durch atomares Wachstum der Schichten beim Abscheiden aus, d. h. einzelne Atome oder kleine Cluster werden auf dem Substrat abgelagert, wobei die Erzeugung der dabei eingesetzten Plasmen mit elektrischen oder elektromagnetischen Feldern des gesamten Frequenzspektrums erfolgt. Der Abscheidevorgang ist dabei jedoch durch Diffusions prozesse bestimmt und leidet an geringen Beschichtungsraten und einem für die Art dieser Verfahren typischen Batch-Betrieb. Beide Punkte sind für den Einsatz in der Serienfertigung nachteilig.

Andererseits werden bei bekannten Plasmaspritzverfahren im Grobvakuum bis zum atmosphärennahen Druckbereich pulverförmige mikroskalige Partikel in eine Plasmastrahlquelle oder einen Plasmastrahl eingeführt, dort angeschmolzen und teilweise verdampft, und dann mit hoher Geschwindigkeit gerichtet auf ein Substrat plattiert. Damit werden mit relativ hohen Abscheide raten poröse Schichten mit unterschiedlichen Funktionalitäten abgeschieden, die jedoch nicht die Homogenität und Kompaktheit typischer PACVD-Schichten erreichen. Die Vorteile des Plasma spritzens liegen andererseits in der stark lokalisierten Beschichtung und den hohen Abscheideraten. Die Erzeugung des Plasmastrahles erfolgt weiter üblicherweise mit Gleichspannung, neuentwickelte Plasmaquellen mit induktiver Hochfrequenzein kopplung sind jedoch ebenfalls bereits bekannt. Letztere haben den Vorteil, daß die eingeführten Pulverpartikel eine längere Verweildauer in dem Plasmastrahl aufweisen und damit stärker aufgeschmolzen werden.

So ist aus E. Pfender und C. H. Chang, "Plasma Spray Jets and Plasma-Particulate Interaction: Modelling and Experiments", Tagungsband des VI. Workshop Plasmatechnik, TU Illmenau, 1998, bekannt, in einer Plasmastrahlquelle über außen anliegende hochfrequente Wechselströme und eine induktive Hochfrequenz einkopplung mit einer Spule in einem topfförmigen zylindrischen Brennerkörper ein Plasma zu erzeugen, das in Form eines Plasmastrahles aus der Plasmastrahlquelle austritt. Weiter ist daraus bereits bekannt, als Gas Helium, Argon oder Sauerstoff einzusetzen und dieses Gas über eine Gaszuführung in den Brennerkörper rückseitig konzentrisch einzuleiten. Ebenso ist bekannt, neben diesem Gas zusätzlich ein Hüllgas zuzuführen, das dieses umgibt und das dazu dient, eine zu starke Erwärmung oder eine schädigende Einwirkung des erzeugten Plasmastrahles auf den topfförmigen Brennerkörper zu minimieren. Dem dem Plasmastrahl zugeführten Gas kann weiterhin ein metallisches Pulver zugesetzt sein, so daß, analog dem bekannten Plasmaspritzen mit mikroskaligen Pulvern, ein oberflächliches Anschmelzen dieser Partikel im Plasmastrahl erfolgt, die dann außerhalb der Plasmaquelle auf einem Substrat abgeschieden werden.

Der Nachteil dieses Verfahrens ist zunächst die hohe Rauhigkeit - und geringe mechanische Festigkeit der abgeschiedenen Schichten, was im wesentlichen darauf beruht, daß die zugeführten Pulver partikel in dem Plasmastrahl aufgrund der sehr hohen Strömungs geschwindigkeit nur kurze Zeit den hohen Plasmatemperaturen von teilweise mehr als 9000 K ausgesetzt sind, so daß sie nicht vollständig aufgeschmolzen, sondern oberflächlich lediglich angeschmolzen werden. Insbesondere findet kein Aufschmelzen und Auseinanderbrechen der zugeführten Partikel auf atomares oder molekulares Niveau statt. Als dünne Verschleißschutzschichten oder Hartstoffschichten mit Schichtdicken von einigen Mikro metern sind derartige Schichten somit vielfach ungeeignet. Weiterhin ist die Zusammensetzung der derart abgeschiedenen Schichten bisher im wesentlichen auf Metalle bzw. Metall egierungen und Metalloxide beschränkt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, daß damit die bisher bestehende Lücke zwischen bekannten PACVD-Prozessen und Plasmaspritzprozessen geschlossen wird.

Dazu wird mit einer Plasmastrahlquelle in einer abgewandelten Prozeßführung im Feinvakuum bis zum atmosphärennahen Druck bereich ein Abscheideverfahren durchgeführt, das eine gerichtete, lokale PACVD-Beschichtung als Funktionsbeschichtung auf einem Substrat ermöglicht. Dabei werden keine Partikel von mehreren Mikrometern bis zu Submillimeter Größe auf dem Substrat plattiert, d. h. oberflächlich angeschmolzen und/oder lediglich teilweise verdampft, sondern es werden Precursor-Materialien, gegebenenfalls mit einem Inertgas, Trägergas oder Reaktivgas vermischt, eingesetzt und innerhalb des erzeugten Plasmas auf atomare oder molekulare Ebene aufgebrochen bzw. fragmentiert und dabei gleichzeitig zumindest teilweise chemisch angeregt und/oder ionisiert. Je nach Prozeßbedingungen bilden sich dabei in dem Plasmastrahl auch neue Verbindungen aus den zugeführten Precursor-Materialien, die dann letztendlich gerichtet mit relativ hoher Geschwindigkeit auf ein Substrat auftreffen und dort als Funktionsschicht abgeschieden werden.

Der Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht demnach in der Verknüpfung einer Plasmastrahlquelle mit dem Einsatz von Precursor-Materialien sowie der Wahl von Prozeßparametern, die zwischen denen der klassischen PACVD und der Plasmastrahl verfahren liegen, zu einem Verfahren, das als Hochrate-PACVD- Prozeß bezeichnet bzw. verwendet werden kann.

Die wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen dabei in der kostengünstigen Abscheidung dichter, qualitativ hochwertiger, teilweise harter bis superharter Schichten mit einer Plasmastrahlquelle bei gleichzeitig hohen Abscheideraten.

Darüberhinaus handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um Verfahren mit gegenüber bekannten PECVD-Verfahren geringerem oder in speziellen Fällen sogar keinem Aufwand für die Vakuumtechnik, da vielfach ein Fein- oder Grobvakuum oder sogar der atmosphärennahe Druckbereich zur Durchführung ausreichend bzw. geeignet ist. Gleichzeitig werden vorteilhaft die typischen hohen Gas- oder Partikelaustrittsgeschwindigkeiten von Plasmastrahlquellen genutzt, um einen effektiven Strom an Precursormaterial auf die zu beschichtende Oberfläche zu bringen, wodurch deutlich höhere Schichtwachstumsraten ermög licht werden als bei einem rein diffusivem Materialtransport, wie dies bei bekannten CVD- oder PECVD-Verfahren üblich ist.

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

So eignen sich als Precursor-Material besonders gasförmige organische sowie siliziumorganische oder metallorganische Verbindungen. Daneben kann auch eine Mischung aus diesen Gasen eingesetzt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht auf gasförmige Precursor-Materialien beschränkt, sondern diese können auch in flüssiger Form, als submikro- oder nanoskalige Partikel, insbe sondere Pulverpartikel aus Hartstoffen oder Keramiken wie Nitriden, insbesondere Bornitriden, Siliziumnitriden oder Metallnitriden wie TiN, Oxiden wie Aluminiumoxid, Titandioxid oder einem Siliziumdioxid, Siliziden oder Siliziumverbindungen, sowie auch als flüssige Suspensionen, insbesondere mit darin suspendierten nanoskaligen Partikeln aus obigen Materialklassen, dem Plasma oder der Plasmastrahlquelle zugeführt werden. Darüber hinaus eignen sich auch Mischungen aus obigen Materialien für das erfindungsgemäße Verfahren.

Als Gas für die Plasmastrahlquelle zur Erzeugung des Plasmas oder/und als Trägergas für das Precursor-Material kommen Inertgase wie Argon oder Stickstoff in Frage. Als Reaktivgase für eine chemische Reaktion mit dem Precursor-Material werden bevorzugt Sauerstoff, Stickstoff, Ammoniak, Methan, Acetylen, Silan und Wasserstoff verwendet.

Zur Vermeidung von Kontaminationen und Abscheidungen sowie zur Verminderung der thermischen Belastung des Brennerkörpers und zur besseren Fokussierung des erzeugten Plasmastrahles innerhalb der Plasmastrahlquelle kann dem Brennerkörper zusätzlich vor teilhaft ein das erzeugte Plasma zylindrisch umgebendes Hüllgas wie beispielsweise Wasserstoff oder Argon zugeführt werden.

Im übrigen kann alternativ oder zusätzlich dazu ein dem Plasma zugeführtes Precursor-Material auch über eine außerhalb der Plasmastrahlquelle angeordnete, den Plasmastrahl insbesondere konzentrisch umgebende Dusche dem Plasmastrahl zugeführt werden. Dazu eignet sich auch eine bevorzugt in der Umgebung der Austrittsöffnung der Plasmastrahlquelle angeordnete Düse, mit der das Precursor-Material in den Plasmastrahl injiziert wird. Diese Düse kann darüber hinaus oder alternativ dazu auch zur Zufuhr eines Quenchgases zur Kühlung genutzt werden.

Für das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich Plasmastrahl quellen, die bei einem Druck von 10^-4 mbar bis zu 1,5 bar im Prozeßraum arbeiten, wobei das Plasma auf verschiedenste Weise, beispielsweise über eine Gleichstromanregung, eine hochfrequente Wechselstromanregung, eine Mikrowellenanregung oder eine Anregung mit unipolaren oder bipolaren Spannungspulsen, gezündet bzw. aufrechterhalten werden kann.

So ist ein besonders wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens dessen Vielseitigkeit hinsichtlich der Darstellung unterschiedlichster Schichtsysteme. Dies gilt insbesondere für die Kombination verschiedener, jeweils als Material bekannter Precursor-Materialien und die Variationsbreite der Prozeß bedingungen, die sich wiederum auf die erzielbaren Schicht eigenschaften auswirken.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich somit auch unterschiedlichste Schichtsysteme erzeugen, die sich durch die Variation der Schichtzusammensetzung als Funktion der Zeit ergeben.

Insbesondere erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren auch eine zeitliche Veränderung der Zusammensetzung der Precursor- Materialien in dem Plasma bzw. der Prozeßführung bei der Abscheidung und damit die Herstellung einer Abfolge von Teilschichten, die einen kontinuierlichen Übergang in der Materialzusammensetzung aufweisen.

Insgesamt lassen sich in der erläuterten Weise Schichten oder Schichtsysteme abscheiden, die aus Metallsiliziden, Carbiden, Oxiden, Nitriden, Boriden, Sulfiden, amorphem bis hin zu kristallinen Kohlenstoff, kohlenwasserstoffhaltigen Materialien, Siliziumwasserstoff oder auch aus einer Mischung dieser Materialien bestehen.

Auch die Darstellung von Schichten mit stark unterschiedlicher Morphologie und damit unterschiedlichen Eigenschaften selbst bei gleicher Materialzusammensetzung ist durch die Wahl der Prozeß parameter möglich. Hierfür entscheidend ist die Einstellung des Durchflusses an Precursor-Material, die Korngröße des zugeführ ten Pulvers bzw. des gegebenenfalls in einer Suspension enthaltenen Precursor-Materials, der Prozeßdruck sowie die Art, Zusammensetzung und Menge des zugeführten Gases bzw. Hüllgases.

Durch Wahl dieser Parameter sind amorphe, nanokristalline, mikrokristalline bis hin zu gröber kristalline Phasen darstellbar.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Plasmastrahl quelle zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 2 eine modifizierte Plasmastrahlquelle mit veränderter Gasführung.

Ausführungsbeispiele 3

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich beispielsweise eine aus E. Pfender und C. H. Chang, "Plasma Spray Jets and Plasma-Particulate Interaction: Modelling and Experiments", Tagungsband des VI. Workshop Plasmatechnik, TU Illmenau, 1998, bekannte Plasmastrahlquelle 5.

Dieser Plasmastrahlquelle 5 mit einem zylindrischen Brenner körper 11 wird gemäß Fig. 1 über eine Zuführung 13 und eine zylindrische Hülse 14 ein Injektorgas 15 axial zugeführt. Mit dem Injektorgas 15 kann weiter optional direkt auch ein Precursor-Material 16' dem Brennerkörper 11 zugeführt werden. Darüberhinaus kann dem Injektorgas 15 zumindest zeitweise auch ein weiteres Gas als Zentralgas 22 zugesetzt sein. In dem Brennerkörper 11 wird dann über eine elektromagnetische Kopplung durch nicht dargestellte, an sich bekannte Bauteile ein Plasma 10 gezündet und kontinuierlich betrieben, welches in Form eines Plasmastrahles 17 aus der Plasmastrahlquelle 5 austritt.

Außerdem ist eine Gaszuführung 21 in Form einer Gasdusche zur optionalen konzentrischen Einleitung eines Hüllgases 19 in den Brennerkörper 11 vorgesehen. Das Hüllgas 19 wird dazu außerhalb der Hülse 14 derart eingeleitet, daß es eine unerwünscht starke Aufheizung oder Beschichtung der Innenwände des Brennerkörpers 11 unterdrückt. Wahlweise können jedoch auch dem Hüllgas 19 Precursor-Materialien beigemischt werden.

Das Plasma 10 tritt somit in Form eines Plasmastrahles 17 aus dem Brennerkörper 11, der eine typische Höhe von ca. 10 cm hat, aus und trifft in einer Entfernung von typischerweise ca. 10 cm bis 100 cm auf ein Substrat 12 auf, um dort eine Funktions beschichtung 18 abzuscheiden.

Die Fig. 2 zeigt eine Modifikation der Bauweise der Plasma strahlquelle 5, wobei auf die Einleitung eines Hüllgases 19 und die Verwendung der Hülse 14 verzichtet wurde. In Fig. 2 wird dem Plasma 10, das als Plasmastrahl 17 aus dem Brennerkörper 11 austritt, jedoch außerhalb der Plasmastrahlquelle 5 ein weiteres Precursor-Material 16 zugeführt. Dazu ist eine zusätzliche, den Plasmastrahl 17 konzentrisch umgebende Dusche 20 vorgesehen. Diese Dusche 20 kann optional in eine Düse, die am Ausgang der Plasmastrahlquelle 5, d. h. im Bereich des Austrittes des Plasmastrahles 17 aus der Plasmastrahlquelle 5, adaptiert ist, integriert werden.

In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in Abwandlung der Fig. 2 auf eine axiale Injektion des ersten Precursor-Materials 16' in den Brennerkörper 11 auch verzichtet werden, indem beispielsweise ein Reaktivgas wie Sauerstoff oder Wasserstoff in den Brennerkörper 11 als Injektorgas 15 eingeführt wird, das dann zunächst das Plasma 10 erzeugt und dem dann außerhalb der Plasmastrahlquelle 5 das Precursor-Material 16 über die konzentrische Dusche 20 zugeführt wird. Dabei reagiert das Plasma 10 außerhalb der Plasmastrahlquelle 5 mit dem Precursor-Material 16, indem es beispielsweise eine chemische Reaktion des Precursor-Materials 16 induziert (thermische Aktivierung oder Zufuhr einer Reaktionskomponente) oder das Precursor-Material 16 auf atomare bzw. molekulare Ebene aufbricht und gleichzeitig zumindest teilweise chemisch aktiviert bzw. ionisiert. Das zugeführte Injektorgas 15 kann jedoch ebenso lediglich ein Inertgas wie Argon oder ein Trägergas wie Stickstoff sein, das der Plasmastrahlquelle 5 gemäß Fig. 1 oder 2 gleichzeitig mit dem Precursor-Material 16 zugeführt wird.

Die wesentlichen Verfahrensparameter beim Betrieb der Plasmastrahlquelle 5, die der Fachmann im einzelnen für die jeweils abzuscheidende Funktionsbeschichtung über einfache Vorversuche ermitteln muß, sind die in das Plasma 10 einge koppelte Leistung, die Art der Plasmaanregung im Brennerkörper 11, der Abstand zwischen der Austrittsöffnung des Brennerkörpers 11 und dem Substrat 12, die Art und Menge der zugeführten Precursor-Materialien 16, 16', der Gasfluß des Injektorgases 15, des Hüllgases 19 und des Zentralgases 22 sowie der Druck bei dem die Plasmastrahlquelle 5 betrieben wird.

Insbesondere muß eine gewisse Mindestleistung in das Plasma 10 eingekoppelt werden, um eine erforderliche minimale Energie dichte zu gewährleisten, die dann zum Teil wieder über Stöße und Strahlung an das schichtbildende Precursor-Material 16, 16' abgegeben wird. Außerdem kann über die Länge des Plasmastrahles 17 die Aufenthaltsdauer der eingebrachten Partikel bzw. Precursor-Materialien 16, 16' im Plasmastrahl 17 beeinflußt werden, die wiederum während dieser Flugzeit Energie aus dem Plasmastrahl 17 aufnehmen. Erst wenn die Aufenthaltsdauer und damit die aufgenommene Energie ausreichend groß ist, ist beispielsweise ein vollständiges Aufbrechen eines eingebrachten Precursor-Materials 16, 16' bis auf die atomare bzw. molekulare Ebene gewährleistet.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht vor, daß in der Plasmastrahlquelle 5 durch induktiv eingekoppelte Hochfrequenz und unter Zufuhr eines Reaktivgases wie Sauerstoff, oder Wasserstoff als Injektorgas 15 in dem Brennerkörper 11 gemäß Fig. 1 ein Plasma 10 erzeugt wird. Die eingekoppelte Leistung beträgt dabei ca. 20 kW, der Druck ca. 200 mbar, der Gasfluß des Zentralgases 22 ca. 20 SLpM (standard liter per minute), der Gasfluß des Hüllgases 19 ca. 70 SLpM, der Gasfluß des zugeführten Reaktivgases ca. 10 SLpM und der Abstand zwischen der Austrittsöffnung des Brennerkörpers 11 und dem Substrat 12 ca. 20 cm. Das Zentralgas 22 und das Hüllgas 19 ist jeweils Argon. Weiterhin wird über die Zuführung (Injektor) 13 ein gasförmiges Precursor-Material 16' mit einem Gasfluß von 5 SLpM zugeführt.

Dieses Precursor-Material 16' ist beispielsweise eine siliziumorganische Verbindung wie Hexamethylsilan (HMDS) oder Tetramethylsilan (TMS), eine titanorganische Verbindung oder, insbesondere zur Abscheidung von amorphen Kohlenstoffschichten oder kohlenwasserstoffhaltigen Materialien, eine rein organische Verbindung wie Acetylen oder Methan. In dem Plasma findet mit dem Precursor-Material 16' dann eine chemische Reaktion und Umsetzung statt, so daß sich das Precursor-Material 16' in atomarer oder molekularer Form als Funktionsbeschichtung 18 auf dem Substrat 12 abscheidet.

Das Precursor-Material 16' kann im übrigen alternativ oder zusätzlich auch gemäß Fig. 2 über die Gaszuführung 20 in Form einer Düse, einer Gasdusche oder einem Injektor dem Plasmastrahl 17 zugeführt werden. Als gemäß Fig. 1 zugeführtes Hüllgas 19 eignet sich weiter auch Wasserstoff.

Darüber hinaus kann das zugeführte Injektorgas 15 anstelle eine Reaktivgases wie Sauerstoff auch lediglich ein Trägergas wie Stickstoff oder ein Inertgas wie Argon sein, das dem Brennerkörper beispielsweise nanoskalige Pulver als Precursor- Material 16' zuführt.

Da je nach Wahl des Injektorgases 15 eine chemische Reaktion mit diesem Gas und dem Precursor-Material 16 und/oder ein Aufschmel zen des Precursor-Materials 16, 16' stattfindet, kann über die Wahl des Injektorgases 15 somit auch die Zusammensetzung der Funktionsbeschichtung 18 gezielt beeinflußt werden.

Das erläuterte Ausführungsbeispiel ist weiterhin nicht beschränkt hinsichtlich der konkreten Form des Precursor- Materials 16 bzw. 16'. Dieses kann gasförmig, flüssig oder pulverförmig sein, und auch aus einer Mischung verschiedener Precursor-Materialien bestehen. So kann das Precursor-Material 16, 16' in flüssiger Form, beispielsweise in Form von Isopro panol oder Aceton mit einem Durchfluß von bevorzugt 1 bis 10 ml pro Minute, zugeführt werden, und sich in dem Plasmastrahl 17 oder dem Plasma 10 chemisch umsetzen oder mit dem Injektorgas 15 reagieren. Auch eine Zufuhr einer Suspension, eines Pulvers oder einer Pulvermischung als Precursor-Material 16, 16' über die Dusche 20 oder die Zuführung 13 in den Plasmastrahl 17 oder das Plasma 10 ist im Rahmen dieses Ausführungsbeispiels möglich.

Im Fall der Zufuhr einer Suspension oder eines Pulvers als Precursor-Material 16, 16' liegen die Partikel in der Suspension oder die Pulverpartikel zweckmäßig als nanoskalige Teilchen vor, da auf diese Weise je nach Prozeß und Material erreicht werden kann, daß sie innerhalb des Plasmastrahles 17 vollständig, d. h. bis auf atomare Ebene, fragmentiert werden. Durch das zumindest sehr weitgehende Aufbrechen, insbesondere Aufschmelzen oder Verdampfen, der zugeführten Feststoffe in dem Plasmastrahl 17 wird darüber hinaus erreicht, daß die einzelnen Atome oder Moleküle gerichtet und mit hoher Geschwindigkeit auf das Substrat 12 auftreffen.

Offensichtlich können in dem erläuterten Ausführungsbeispiel weiterhin auch verschiedene Injektorgases 15 mit verschiedenen Precursor-Materialien 16, 16' kombiniert werden. Es erlaubt somit insbesondere amorphe Kohlenstoffschichten sowie Schichten und Schichtsysteme aus Metallsiliziden, -carbiden, -oxiden, -ni triden, -sulfiden oder -boriden sowie entsprechenden Siliziumverbindungen auf dem Substrat 12 abzuscheiden, wobei als zusätzlicher Parameter auch eine zeitliche Veränderung der Art und Menge des zugeführten Precursor-Materials 16, 16' zur Verfü gung steht, um eine Abfolge unterschiedlich zusammengesetzter und/oder unterschiedlich strukturierter Schichten zu erzeugen.

Insbesondere kann der Plasmastrahlquelle 5 über die Zuführung 13 beispielsweise ein nanoskaliges Pulver wie TiC zusammen mit Sauerstoff als Injektorgas 15 zugeführt werden, so daß bei entsprechender Einstellung der Verfahrensparameter im Plasma 10 bzw. im Plasmastrahl 17 von den TiC-Partikeln über hochenergetische Gasbestandteile Kohlenstoff abgesputtert wird, der im weiteren mit dem zugeführten Sauerstoff zu CO₂ reagiert und abgepumpt wird, so daß sich auf dem Substrat 12 schließlich eine amorphe TiO₂-Schicht abscheidet.

Ein zweites Ausführungsbeispiel sieht in Weiterführung des vorhergehenden Ausführungsbeispiels vor, daß eine zusätzliche, getrennt ansteuerbare PVD- (physical vapour deposition) oder CVD-Vorrichtung (chemical vapour deposition) vorgesehen ist, die in an sich bekannter Weise eine beispielsweise amorphe Schicht als Matrixschicht auf dem Substrat 12 abscheidet. Diese CVD- oder PVD-Vorrichtung wird dabei bevorzugt zumindest zeitweise mit einer Abscheidung von Precursor-Materialien 16, 16' mit der Plasmastrahlquelle 5 gemäß dem vorstehenden Ausführungsbeispiel kombiniert.

Insbesondere ist vorgesehen, daß entweder der CVD-Prozeß über eine entsprechende CVD-Vorrichtung kontinuierlich betrieben wird, und diesem CVD-Prozeß lediglich zeitweise die Plasmastrahlquelle 5 zur Abscheidung der Funktionsbeschichtung zugeschaltet wird, oder aber daß die Plasmastrahlquelle 5 kontinuierlich betrieben und die CVD-Vorrichtung lediglich zeitweilig zugeschaltet wird.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung einer Beschichtung auf einem Substrat (12) mit mindestens einer vom Feinvakuum bis zum atmosphärennahen Druckbereich betreibbaren Plasmastrahlquelle (5), die ein Plasma (10) erzeugt, das in Form eines Plasma strahles (17) aus der Plasmastrahlquelle (5) austritt und auf das Substrat (12) einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß dem Plasma (10) mindestens ein Precursor-Material (16, 16') zugeführt wird, das in dem Plasmastrahl (17) bis auf atomare oder molekulare Ebene aufgebrochen oder modifiziert wird, und das danach auf dem Substrat (12) abgeschieden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Precursor-Material (16, 16') in dem Plasmastrahl (17) zumindest teilweise ionisiert und/oder chemisch aktiviert wird, oder daß das Precursor-Material (16, 16') in dem Plasma (10) einer chemischen Reaktion unterzogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die Plasmastrahlquelle (5) über mindestens eine Zuführung (13) ein Gas (15, 22) eingeleitet wird, wobei das Gas (15, 22) ein Trägergas für das Precursor-Material (16, 16'), insbesondere Stickstoff, ein Intertgas, insbesondere Argon, ein Reaktivgas für eine chemische Reaktion mit dem Precusor-Material (16, 16'), insbesondere Sauerstoff, Stickstoff, Ammoniak, Silan, Acetylen, Methan oder Wasserstoff, ein gasförmiges Precursor-Material (16') oder eine Mischung aus diesen Gasen ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in die Plasmastrahlquelle (5) ein das Plasma (10) zumindest bereichsweise zylindrisch umgebendes Hüllgas (19), insbesondere ein Inertgas wie Argon, eingeleitet wird.

5. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmastrahlquelle (5) bei einem Druck von 10^-4 mbar bis zu 1,5 bar betrieben wird.

6. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma (10) über eine Gleichstromanregung, eine hochfrequente Wechselstromanregung, eine Mikrowellenanregung oder eine Anregung mit unipolaren oder bipolaren Spannungspulsen erzeugt wird.

7. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Precursor-Material (16, 16') eine organische, eine siliziumorganische oder eine metallorganische Verbindung ist.

8. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Precursor-Material (16, 16') dem Plasma (10) in gasförmiger oder flüssiger Form, als mikro- oder nanoskalige Pulverpartikel, als flüssige Suspension, insbesondere mit darin suspendierten mikro- oder nanoskaligen Partikeln oder als Mischung von gasfömigen oder flüssigen Stoffen mit Feststoffen zugeführt wird.

9. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Precursor-Material (16) über eine außerhalb der Plasmastrahlquelle (5) angeordnete, den Plasmastrahl (17) insbesondere konzentrisch umgebende Dusche (20) oder mittels einer in einer Umgebung des Austrittes des Plasmastrahles (17) aus der Plasmastrahlquelle (5) angeordnete Düse dem Plasmastrahl (17) zugeführt wird.

10. . Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substrat (12) eine zumindest weitgehend amorphe Schicht abgeschieden wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Plasma (10) zumindest zeitweilig ein erstes und ein zweites Precursor-Material (16, 16') zugeführt werden, wobei das erste Precursor-Material ein nanoskaliges Pulver oder eine Suspension eines nanoskaligen Pulvers ist, und wobei das zweite Precursor- Material ein mikroskaliges Pulver oder eine Suspension eines mikroskaligen Pulvers ist.

12. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Plasma (10) zumindest zeitweilig ein erstes Precursor-Material und ein zweites Precursor-Material zugeführt werden, wobei das erste Precursor- Material gasförmig oder flüssig ist und nach der Abscheidung auf dem Substrat (12) eine zumindest weitgehend amorphe Schicht bildet, und wobei das zweite Precursor-Material ein nanoskaliges Pulver oder eine Suspension eines nanoskaligen Pulvers ist.

13. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zeitweilig auf dem Substrat (12) mittels eines separaten CVD-Prozesses und/oder eines separaten PACVD-Prozesses eine Schicht, insbesondere eine amorphe Matrixschicht, abgeschieden wird.

14. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der CVD-Prozeß oder der PACVD-Prozeß zumindest zeitweilig gleichzeitig mit der Abscheidung des Precursor-Materials (16, 16') mit der Plasmastrahlquelle (5) auf dem Substrat (12) eingesetzt wird.

15. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Precusor- Material eine zumindest weitgehend amorphe Matrixschicht auf dem Substrat (12) bildet, und daß das zweite Precursor-Material insbesondere nanoskalige Partikel bildet, die in die Matrixschicht eingebettet sind.

16. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Beschichtung (18) auf dem Substrat (12) eine Schicht oder eine Abfolge von Schichten abgeschieden wird, die aus einem Metallsilizid, einem Metallcarbid, Siliziumcarbid, einem Metalloxid, einem Silizium oxid, einem Metallnitrid, Siliziumnitrid, einem Metallborid, einem Metallsulfid, amorphem Kohlenstoff oder aus einer Mischung dieser Materialien besteht.

17. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über eine zeitliche Veränderung der Zusammensetzung des Precursor-Materials (16, 16') eine Abfolge von Schichten als Beschichtung (18) abgeschieden wird.