DE10256257A1

DE10256257A1 - Device and method for coating a substrate and coating on a substrate

Info

Publication number: DE10256257A1
Application number: DE2002156257
Authority: DE
Inventors: Christoph Treutler; Gerhard Benz; Stefan Grosse; Sascha Henke; Andreas Gross
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-12-03
Filing date: 2002-12-03
Publication date: 2004-06-24
Also published as: EP1427265A2; EP1427265A3

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (5) zur Beschichtung eines Substrates (10) mit Mitteln zur Erzeugung eines Gasstromes und einer Plasmastrahlquelle (20) vorgeschlagen, mit der ein auf das Substrat (10) einwirkender Plasmastrahl (40) erzeugbar ist, wobei neben der Plasmastrahlquelle (20) eine bei Betrieb einen Materialeintrag auf das Substrat (10) bewirkende Hohlkathode (23) vorgesehen ist. Weiter wird ein Verfahren zum Beschichten eines Substrates (10) vorgeschlagen, wobei mithilfe einer Plasmastrahlquelle (20) eine erste Funktionsschicht (13) mit oder aus einer Schicht mit einer Matrix mit darin eingebetteten nanoskaligen Partikeln auf dem Substrat (10) abgeschieden wird, und wobei mithilfe einer Hohlkathode (23) über ein Gasflusssputtern eine zweite Funktionsschicht (11) auf dem Substrat (10) abgeschieden wird. Schließlich wird eine Beschichtung (5) auf einem Substrat (10) vorgeschlagen, wobei auf dem Substrat (10) eine zweite Funktionsschicht (11), auf der zweiten Funktionsschicht (11) eine Zwischenschicht (12) und auf der Zwischenschicht (12) eine erste Funktionsschicht (13) vorgesehen ist. Die Zwischenschicht (12) ist dabei als einen hinsichtlich der Zusammensetzung allmählichen Übergang zwischen der zweiten Funktionsschicht (11) und der ersten Funktionsschicht (13) vermittelnde Gradientenschicht ausgebildet, während mindestens eine der Funktionsschichten (11, 13) eine Matrixschicht mit darin eingebetteten nanoskaligen Partikeln aufweist.A device (5) for coating a substrate (10) with means for generating a gas flow and a plasma jet source (20) is proposed, with which a plasma jet (40) acting on the substrate (10) can be generated, whereby in addition to the plasma jet source ( 20) a hollow cathode (23) which causes material to enter the substrate (10) during operation is provided. Furthermore, a method for coating a substrate (10) is proposed, a first functional layer (13) with or from a layer having a matrix with nanoscale particles embedded therein being deposited on the substrate (10) with the aid of a plasma beam source (20), and wherein a second functional layer (11) is deposited on the substrate (10) using a hollow cathode (23) via gas flow sputtering. Finally, a coating (5) on a substrate (10) is proposed, a second functional layer (11) on the substrate (10), an intermediate layer (12) on the second functional layer (11) and a first on the intermediate layer (12) Functional layer (13) is provided. The intermediate layer (12) is designed as a gradient layer that provides a gradual compositional transition between the second functional layer (11) and the first functional layer (13), while at least one of the functional layers (11, 13) has a matrix layer with nanoscale particles embedded therein ,

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Beschichten eines Substrates sowie eine Beschichtung auf einem Substrat nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.The invention relates to a device and a method for coating a substrate and a coating on a substrate according to the preamble of the independent claims.

Als reibungsarme Verschleißschutzschichten sind im Stand der Technik vor allem metallhaltige Kohlenstoffschichten und amorphe, diamantähnliche Kohlenstoffschichten, sogenannte a-C:H-Schichten, bekannt. Diese werden in der Regel in einem mehrstündigen Hochvakuum-Prozess hergestellt.As low-friction wear protection layers are primarily metal-containing carbon layers in the prior art and amorphous, diamond-like carbon layers, so-called a-C: H layers, known. These are usually in a few hours High vacuum process made.

Eine Alternative zu diesem zeitintensiven Prozess ist die Abscheidung von amorphen, diamantähnlichen Kohlenstoffschichten mit Plasmastrahlquellen, beispielsweise einer induktiv gekoppelten Plasmastrahlquelle, was gemäß DE 101 04 614 A1 in einem Grobvakuum oder im atmosphärennahen Druckbereich erfolgen kann, so dass die Abscheidung nur wenige Minuten beansprucht. Eine weitere Plasmastrahlquelle zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken und insbesondere zum Aufbringen von Beschichtungen auf Substraten wird auch in DE 198 56 307 C1 beschrieben. Schließlich ist aus DE 196 35 669 C1 bekannt, dass sich zum Aufbringen einer Schicht auf einem Substrat auch ein Gasflusssputtern mit einer Hohlkathoden-Glimmentladung in einem Inertgasstrom eignet.An alternative to this time-consuming process is the deposition of amorphous, diamond-like carbon layers with plasma beam sources, for example an inductively coupled plasma beam source, which according to DE 101 04 614 A1 can be carried out in a rough vacuum or in the near-atmospheric pressure range, so that the separation takes only a few minutes. Another plasma beam source for the surface processing of workpieces and in particular for applying coatings to substrates is also described in DE 198 56 307 C1 described. Finally over DE 196 35 669 C1 discloses that gas flow sputtering with a hollow cathode glow discharge in an inert gas stream is also suitable for applying a layer to a substrate.

Aus A. Voevodin und J. Zabinski, Diamond and Related Materials, Volume 7, (1998), Seite 463, ist bekannt, dass der Einbau von nanoskaligen Partikeln, das heißt Partikeln mit einer typischen Partikelgröße von weniger als 100 nm und insbesondere weniger als 10 nm, in eine amorphe, diamantähnliche Kohlenstoffschicht, zu einer deutlichen Verbesserung der Verschleißschutzeigenschaft führen kann. Insbesondere kommt es bei derart geringen Partikelgrößen in der Matrix aus amorphem, diamantähnlichem Kohlenstoff bei einer mechanischen Belastung nicht oder nur in deutlich verringertem Ausmaß zu einer Versetzung von Atomen, so dass eine Formung nur durch Abgleiten an Korngrenzen möglich ist. In J. Musil, Surface and Coatings Technology, Volume 125, (2000), Seite 322, wird beschrieben, dass es durch geeignete Wahl des Materials der nanokristallinen Phase und der Matrix möglich ist, harte bis superharte Schichten, das heißt Schichten mit einer Härte größer 40 GPa, herzustellen.From A. Voevodin and J. Zabinski, Diamond and Related Materials, Volume 7, (1998), page 463 known that the incorporation of nanoscale particles, that is, particles with a typical particle size of less than 100 nm and in particular less than 10 nm, in an amorphous, diamond-like carbon layer, can lead to a significant improvement in wear protection. In particular, with such small particle sizes in the Amorphous, diamond-like carbon matrix with a mechanical load not or only significantly reduced Extent too a dislocation of atoms, so that a formation only by sliding possible at grain boundaries is. In J. Musil, Surface and Coatings Technology, Volume 125, (2000), Page 322, it is described that it is by appropriate choice of material the nanocrystalline phase and the matrix is possible, hard to super hard Layers, that is Layers with a hardness greater than 40 GPa, manufacture.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war die Bereitstellung einer Vorrichtung und eines Verfahrens, mit denen eine Beschichtung auf einem Substrat erzeugbar ist, die einerseits eine obere Funktionsschicht aufweist, die insbesondere als Verschleißschutzschicht einsetzbar ist, und die andererseits eine zweite Funktionsschicht aufweist, die die Verbindung der Beschichtung mit dein Substrat gewährleistet. Gleichzeitig sollte ein möglichst guter Zusammenhalt dieser beiden Funktionsschichten gewährleistet sein. Insbesondere war es Aufgabe, eine nanodispersive Funktionsschicht, das heißt eine Schicht mit nanoskaligen Partikeln in einer Matrix, in einem Grobvakuum-Prozess auf einem beispielsweise metallischen Substrat abzuscheiden, wobei eine möglichst gute Anbindung und Haftung dieser Funktionsschicht auf dem Substrat erreicht werden sollte.Object of the present invention was the provision of a device and a method with which a coating can be produced on a substrate, on the one hand has an upper functional layer, in particular as a wear protection layer can be used, and on the other hand a second functional layer which has the connection of the coating to the substrate guaranteed. At the same time, one should be as possible good cohesion of these two functional layers is guaranteed his. In particular, the task was to create a nanodispersive functional layer, this means a layer with nanoscale particles in a matrix, in one Coarse vacuum process on a metal substrate, for example deposit, taking one if possible good connection and adhesion of this functional layer to the substrate should be achieved.

Vorteile der ErfindungAdvantages of invention

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren haben den Vorteil, dass ein Materialeintrag auf das Substrat über die Hohlkathode und ein Materialeintrag auf das Substrat über die Plasmastrahlquelle zumindest zeitweilig gleichzeitig erfolgen kann, wobei einerseits die Vorteile beider Quellen erhalten bleiben, und wobei andererseits neuartige Beschichtungen auf dem Substrat erzeugbar sind, die bei Einsatz nur einer dieser Quellen nicht abscheidbar sind. Insofern ergibt sich eine vorteilhafte Synergie beider Methoden im Hinblick auf die Zusammensetzung und die Eigenschaften der erhaltenen Beschichtung auf dem Substrat, wodurch vor allem neuartige Beschichtungen mit sehr guten Verschleißschutzeigenschaften effizient und kostengünstig herstellbar sind. Zudem führt diese Kombination von unterschiedlichen Quellen für einen Materialeintrag auf das Substrat zu einem verringerten Aufwand bei der Handhabung der zu beschichtenden Substrate.The device according to the invention and the method according to the invention have the advantage that a material entry onto the substrate via the hollow cathode and an introduction of material onto the substrate via the plasma beam source can at least temporarily take place simultaneously, on the one hand the benefits of both sources are retained, and on the other hand novel coatings can be produced on the substrate Use of only one of these sources cannot be separated. insofar there is an advantageous synergy of both methods in terms of on the composition and properties of the coating obtained on the substrate, which means that novel coatings with very good wear protection properties efficient and inexpensive are producible. Also leads this combination of different sources for one Material input to the substrate to a reduced effort the handling of the substrates to be coated.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil liegt darin, dass durch die Anordnung der Plasmastrahlquelle und der Hohlkathode innerhalb einer gemeinsamen Beschichtungskammer deutlich verkürzte Zeiten zur Erzeugung der gewünschten Beschichtung auf dein Substrat realisiert werden können. Insofern eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung und das damit durchgeführte Verfahren besonders gut zur Serienfertigung.Another major advantage is that by the arrangement of the plasma beam source and the hollow cathode within a common coating chamber significantly shortened Times to generate the desired ones Coating on your substrate can be realized. insofar the device according to the invention is suitable and that done with it Process particularly good for series production.

Daneben ist es nunmehr möglich, auf dem Substrat eine Haftschicht, darauf eine Gradientenschicht und darauf beispielsweise eine nanodispersive Verschleißschutzschicht innerhalb einer Beschichtungskammer in einem kontinuierlichen Prozess aufzubringen. Insbesondere kann die gewünschte Beschichtung dabei aufgrund der kurzen Beschichtungszeit vollständig in nur einer Fertigungslinie erzeugt werden.In addition, it is now possible to an adhesive layer on the substrate, a gradient layer thereon and on it, for example, a nanodispersive wear protection layer within a coating chamber in a continuous process applied. In particular, the desired coating can be due the short coating time completely in just one production line be generated.

Weiter kann das erfindungsgemäße Verfahren auch als Durchlaufverfahren oder sogenanntes „in-line-Verfahren" beispielsweise zur Beschichtung von Schüttgut als Substratmaterial eingesetzt werden.The inventive method can further also as a continuous process or so-called "in-line process", for example for Coating of bulk goods can be used as substrate material.

Besonders vorteilhaft ist weiter, dass es nicht erforderlich ist, das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung im Hochvakuum oder Feinvakuum zu betreiben. Vielmehr eignet es bzw. sie sich auch zum Betrieb im Grobvakuum oder im atmosphärennahen Druckbereich. Durch die geringen Anforderungen an das Vakuum bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es weiter vorteilhaft möglich, technisch relevantes Substratmaterial wie beispielsweise Stahl, Edelstahl oder Werkstücke aus stark ausgasenden oder zur Ausgasung neigenden Materialien wie Sintermaterialien, Kunststoffen oder Elastomeren, insbesondere Zahnräder, Achsen, Dichtringe oder Profilmaterial, zu beschichten.It is also particularly advantageous that the method according to the invention and the device according to the invention in the Hochva are not necessary operate vacuum or fine vacuum. Rather, it is also suitable for operation in a rough vacuum or in the near-atmospheric pressure range. Due to the low demands placed on the vacuum when carrying out the method according to the invention, it is also advantageously possible to produce technically relevant substrate material such as steel, stainless steel or workpieces made of materials that emit strongly or tend to outgas, such as sintered materials, plastics or elastomers, in particular gear wheels, axles, sealing rings or Profile material to be coated.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.Advantageous further developments of Invention result from the measures mentioned in the subclaims.

So ist besonders vorteilhaft, wenn die eingesetzte Hohlkathode eine metallische Hohlkathode ist, mit der eine metallische Haftschicht auf dem Substrat abscheidbar ist. Daneben ist in diesem Fall die metallische Hohlkathode auch als Metallquelle zur Erzeugung beispielsweise nanoskaliger Metallcarbid-, Metallnitrid und/oder Metalloxidpartikel geeignet. Andererseits ist aber auch die Abscheidung oder Erzeugung isolierender oder halbleitender Materialien mit Hilfe der Hohlkathode möglich.So it is particularly advantageous if the hollow cathode used is a metallic hollow cathode with a metallic adhesive layer can be deposited on the substrate. In this case, the metallic hollow cathode is also as Metal source for producing, for example, nanoscale metal carbide, Metal nitride and / or metal oxide particles are suitable. on the other hand But the deposition or generation is also insulating or semiconducting Materials possible with the help of the hollow cathode.

Insbesondere ist es nunmehr vorteilhaft möglich, eine metallische Haftschicht und eine nanodispersive Schicht, beispielsweise nanoskalige Metallcarbidpartikel in einer amorphen, diamantähnlichen Kohlenstoffschicht oder -matrix, in einem Grobvakuum innerhalb nur einer Beschichtungskammer abzuscheiden.In particular, it is now advantageously possible to use a metallic adhesive layer and a nanodispersive layer, for example nanoscale metal carbide particles in an amorphous, diamond-like Carbon layer or matrix, in a rough vacuum within only deposit in a coating chamber.

Daneben ist es nun vorteilhaft auch möglich, eine Beschichtung mit einer Zwischenschicht in Form einer Gradientenschicht innerhalb einer Beschichtungskammer zu erzeugen, das heißt, es kann nun innerhalb einer Beschichtungskammer zwischen zwei Funktionsschichten eine Zwischenschicht erzeugt werden, die einen hinsichtlich der Zusammensetzung allmählichen Übergang zwischen den Funktionsschichten gewährleistet.In addition, it is now also advantageous possible one Coating with an intermediate layer in the form of a gradient layer to produce within a coating chamber, that is, it can now within a coating chamber between two functional layers an intermediate layer can be created, which one with regard to the Composition gradual transition guaranteed between the functional layers.

Besonders vorteilhaft ist eine Zwischenschicht, die hinsichtlich ihrer Zusammensetzung allmählich von einer Metallschicht als zweite Funktionsschicht in eine Schicht mit nanoskaligen Metallcarbid-Partikeln in einer amorphen, diamantähnlichen Kohlenstoffmatrix als erste Funktionsschicht übergeht. Eine derartige Gradientenschicht führt zu einer weiter verbesserten Haftung der zweiten Funktionsschicht auf der ersten Funktionsschicht und darüber auf dem Substrat, sowie zu einem thermisch und mechanisch besonders stabilen Schichtaufbau.An intermediate layer is particularly advantageous, the composition gradually of a metal layer as a second functional layer in a layer with nanoscale metal carbide particles in an amorphous, diamond-like carbon matrix passes as the first functional layer. Such a gradient layer leads to a further improvement Adhesion of the second functional layer to the first functional layer and above the substrate, as well as a thermally and mechanically special stable layer structure.

Vorteilhaft ist weiter, wenn als Plasmastrahlquelle eine mit Hochfrequenz beaufschlagte, induktiv gekoppelte Plasmastrahlquelle verwendet wird. Eine solche Plasmastrahlquelle kann besonders einfach zur Erzeugung des Plasmastrahls und weiter durch Zugabe reaktiver Gase wie Methan, C₂H₂ oder Wasserstoff auch zur Abscheidung einer Funktionsschicht, beispielsweise einer amorphen, diamantartigen Kohlenstoffschicht, eingesetzt werden. Daneben eignet sich als Plasmastrahlquelle jedoch auch ein mikrowellenangeregte Plasmastrahlquelle oder auch eine von einem Gas durchströmbare Gleichspannungs- oder Mittelfrequenzentladungseinrichtung, die bei Betrieb mit einer Gleichspannung, bevorzugt einer gepulsten Gleichspannung, einer mittelfrequenten Spannung oder einer mittelfrequenten Hochspannung beaufschlagt wird, um ein Plasma zu erzeugen.It is also advantageous if an inductively coupled plasma beam source which is acted upon by high frequency is used as the plasma beam source. Such a plasma beam source can be used particularly simply to generate the plasma beam and, furthermore, by adding reactive gases such as methane, C ₂ H ₂ or hydrogen, also to deposit a functional layer, for example an amorphous, diamond-like carbon layer. In addition, however, a microwave-excited plasma beam source or also a direct voltage or medium frequency discharge device through which a gas can flow is suitable as a plasma beam source, which is operated during operation with a direct voltage, preferably a pulsed direct voltage, a medium frequency voltage or a medium frequency high voltage, in order to generate a plasma.

Daneben ist vorteilhaft, dass die Hohlkathode als Quelle für bevorzugt metallische Nanopartikel, Atome oder Cluster verwendbar ist. So besteht die Hohlkathode besonders vorteilhaft aus einem Material aus oder mit einem der Metalle ausgewählt aus der Gruppe Vanadium, Titan, Niob, Zirkonium, Tantal, Hafnium, Chrom, Molybdän, Wolfram, Ni ckel, Kupfer, Bor und/oder Silizium oder deren Legierungen untereinander oder mit einem weiteren Metall. Zudem kann auch eine Kombination dieser Materialien durch entsprechend segmentierten Aufbau der Hohlkathode mit Bereichen aus unterschiedlichem Material über die Hohlkathode freigesetzt bzw. bereitgestellt werden.In addition, it is advantageous that the Hollow cathode as a source for preferably metallic nanoparticles, atoms or clusters can be used is. The hollow cathode is particularly advantageously composed of one Material made of or with one of the metals selected from the group vanadium, Titanium, niobium, zirconium, tantalum, hafnium, chromium, molybdenum, tungsten, Nickel, copper, boron and / or silicon or their alloys with one another or with another metal. A combination can also be used of these materials due to the segmented structure of the hollow cathode with areas of different material released via the hollow cathode or be provided.

Zudem kann die Hohlkathode vorteilhaft zumindest zeitweilig auch während der Abscheidung der zweiten Funktionsschicht, die bevorzugt als nanodispersive Schicht mit nanoskaligen Partikeln in einer Matrix ausgebildet ist, ergänzend zu der Plasmastrahlquelle, unter Einsatz der Plasmastrahlquelle ohne dieser in dieser Zeit zugeführte reaktiver Zusatzstoffe oder zeitweilig ausschließlich unter Abschaltung der Plasmastrahlquelle eingesetzt werden, wobei sie während dieser Zeit bevorzugt die genannten Metalle oder damit gebildete Metalllegierungen auf das Substrat einträgt.The hollow cathode can also be advantageous at least temporarily during the deposition of the second functional layer, which is preferred as nanodispersive layer with nanoscale particles in a matrix is trained, complementary to the plasma beam source, using the plasma beam source without this fed during this time reactive additives or temporarily only by switching off the Plasma beam source are used, being during this Time prefers the metals mentioned or metal alloys formed therewith enters the substrate.

Vorteilhaft ist weiter, wenn die Hohlkathode und die Plasmastrahlquelle derart zueinander angeordnet sind, dass sich ein von der Hohlkathode bei Betrieb zumindest zeitweilig erzeugter Glimmentladungsbereich und der von der Plasmastrahlquelle bei Betrieb erzeugte Plasmastrahl zumindest bereichsweise vor dem Einwirken des Plasmastrahls auf das Substrat überlappen. In diesem Fall bildet sich im Bereich des Überlapps und nachfolgend in dem Plasmastrahl ein Reaktionsbereich aus, in dem die von der Hohlkathode abgesputterten Materialien mit in den Plasmastrahl geführten Materialien reagieren können, so dass sich unter den dort herrschenden Plasmabedingungen neuartige Materialien wie ansonsten nicht herstellbare Metalllegierungen ausbilden und als Beschichtung auf dem Substrat abgeschieden werden können.It is also advantageous if the Hollow cathode and the plasma beam source arranged to each other are that one of the hollow cathode at least temporarily during operation generated glow discharge area and that from the plasma beam source plasma jet generated during operation at least in some areas before The action of the plasma jet overlap on the substrate. In this case forms itself in the area of the overlap and subsequently a reaction region in the plasma jet, in which the materials sputtered from the hollow cathode into the Plasma beam guided Materials can react so that new ones exist under the prevailing plasma conditions Form materials such as metal alloys that cannot otherwise be produced and can be deposited as a coating on the substrate.

Neben einer induktiv gekoppelten Plasmastrahlquelle eignet sich vorteilhaft auch eine Mikrowellenplasmastrahlquelle, die wie die induktiv gekoppelte Plasmastrahlquelle ebenfalls im Grobvakuum, das heißt bevorzugt im Druckbereich von 0,1 mbar bis 100 mbar, oder bei einem Druck von mehr als 50 mbar betreibbar ist.In addition to an inductively coupled A microwave plasma radiation source is also advantageously suitable, which, like the inductively coupled plasma beam source, also in the Rough vacuum, that is preferably in the pressure range from 0.1 mbar to 100 mbar, or at Pressure of more than 50 mbar can be operated.

Die eingesetzte Hohlkathode ist vorteilhaft eine mit einem Gas oder einem Plasma, beispielsweise mit einem Inertgas oder dem Plasma der Plasmastrahlquelle, beaufschlagte Hohlkathode, die als Target geschaltet ist, so dass beim Anlegen einer geeigneten elektrischen Spannung an die Hohlkathode, beispielsweise einer Gleichspannung, einer hochfrequenten Wechselspannung, einer mittelfrequenten Wechselspannung oder auch einer gepulsten Gleichspannung, eine Freisetzung des Materials der Hohlkathode erfolgt.The hollow cathode used is advantageous a hollow cathode acted upon with a gas or a plasma, for example with an inert gas or the plasma of the plasma beam source, which is connected as a target, so that when a suitable electrical voltage is applied to the hollow cathode, for example a direct voltage, a high-frequency alternating voltage, a medium-frequency alternating voltage or a pulsed DC voltage, the material of the hollow cathode is released.

Hinsichtlich der Anordnung der Hohlkathode relativ zu dem Plasmastrahl bestehen vorteilhaft eine Vielzahl von Möglichkeiten. So kann die Hohlkathode innerhalb des Plasmastrahls angeordnet sein oder den Plasmastrahl umgeben. Weiter kann die Hohlkathode auch als Austrittsdüse der Plasmastrahlquelle ausgebildet sein, oder in Bezug auf die Richtung des Gasstromes vor der Plasmastrahlquelle, insbesondere in dem Gasstrom vor der Plasmastrahlquelle, angeordnet sein. Weiter besteht dabei die Möglichkeit, die Hohlkathode vorteilhaft gleichzeitig auch dazu zu benutzen, dem Plasmastrahl einen Reaktivstoff insbesondere in Form eines Gases, einer Flüssigkeit wie einer Lösung oder einer Suspension oder in Form von Pulverpartikeln oder anderen Precursormaterialien zuzuführen. Dazu ist die Hohlkathode bevorzugt als Gasduschenhohlkathode ausgebildet.Relative to the arrangement of the hollow cathode there are advantageously a multitude of possibilities for the plasma jet. The hollow cathode can thus be arranged within the plasma jet or surround the plasma beam. The hollow cathode can also as an outlet nozzle of the plasma beam source, or with respect to the direction of the gas flow upstream of the plasma jet source, in particular in the gas flow be arranged in front of the plasma beam source. There is further the possibility that Hollow cathode advantageous to use at the same time, the Plasma jet a reactive substance in particular in the form of a gas, a liquid like a solution or a suspension or in the form of powder particles or others Feed precursor materials. For this purpose, the hollow cathode is preferably designed as a gas shower hollow cathode.

Weiterhin kann die Hohlkathode auch neben dem Plasmastrahl zwischen der Plasmastrahlquelle und dein Substrat angeordnet sein. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, die Hohlkathode lediglich zeitweilig während der Beaufschlagung des Substrates mit dein Plasmastrahl einzusetzen, und darüber zeitweilig einen zusätzlichen Materialeintrag in das Substrat zu bewirken. Schließlich können die Plasmastrahlquelle und die Hohlkathode auch abwechselnd betrieben werden, oder es kann die Hohlkathode kontinuierlich eingesetzt werden und die Plasmastrahlquelle lediglich zeitweilig zugeschaltet werden, um so neben dem Materialeintrag mit Hilfe der Hohlkathode auch einen Materialeintrag oder eine Bearbeitung des Substrates mit Hilfe der Plasmastrahlquelle zu bewirken.The hollow cathode can also next to the plasma beam between the plasma beam source and yours Be arranged substrate. In this way it is possible the hollow cathode only temporarily during the application of the Use substrates with your plasma jet, and temporarily An additional To cause material entry into the substrate. After all, they can Plasma beam source and the hollow cathode also operated alternately or the hollow cathode can be used continuously and the plasma beam source can only be switched on temporarily So in addition to the material input with the help of the hollow cathode also one Material entry or processing of the substrate with the help of To cause plasma beam source.

Generell ist vorteilhaft, dass sowohl über die Hohlkathode und/oder über die Plasmastrahlquelle als auch über weitere Zuführungen eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Zufuhr von Reaktivstoffen zu dem Plasmastrahl oder verschiedenen Bereichen des Plasmastrahles gegeben sind. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn die ohnehin vorhandenen Mittel zur Erzeugung eines Gasstromes in der Plasmastrahlquelle, die auch zur Ausbildung des Plasmastrahls beitragen, gleichzeitig zur Einbringung der erwähnten Reaktivstoffe genutzt werden. Es ist jedoch ebenso möglich, in den Bereich des Plasmastrahls eingreifende Injektoren vorzusehen.It is generally advantageous that both via the hollow cathode and / or over the plasma beam source as well further additions a variety of ways for supplying reactive substances to the plasma jet or various Areas of the plasma beam are given. It is particularly advantageous when the existing means for generating a gas stream in the plasma beam source, which also contribute to the formation of the plasma beam, used simultaneously for the introduction of the reactive substances mentioned become. However, it is also possible to provide injectors engaging in the area of the plasma jet.

Um einen erhöhten Materialeintrag mit Hilfe der Hohlkathode zu erreichen, ist schließlich vielfach günstig, eine Mehrzahl von Hohlkathoden vorzusehen, die zumindest zum Teil in dem Plasmastrahl und/oder konzentrisch um den Plasmastrahl herum angeordnet sind, und/oder die Hohlkathode in Länge und/oder Durchmesser entsprechend zu skalieren.To increase the material input using the After all, it is often cheap to achieve a hollow cathode To provide a plurality of hollow cathodes, which are at least partially in the plasma jet and / or are arranged concentrically around the plasma jet, and / or the hollow cathode in length and / or Scale the diameter accordingly.

Zeichnungendrawings

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt 1 den Aufbau einer Beschichtung auf dem Substrat, 2 eine Prinzipskizze zu den Möglichkeiten der Kombination der Plasmastrahlquelle mit einer Hohlkathode, 3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung mit einer Plasmastrahlquelle und einer Hohlkathode, 4 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine derartige Vorrichtung, und 5 ein drittes Ausführungsbeispiel für eine derartige Vorrichtung. Die 6 und 7 zeigen alternative Ausführungsformen für eine Hohlkathode, die in den Ausführungsbeispielen gemäß 3 bis 5 einsetzbar sind. Die 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung mit einer Plasmastrahlquelle und einer Hohlkathode, wobei die Hohlkathode als Austrittsdüse der Plasmastrahlquelle ausgebildet ist, die 9 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel, wobei die Hohlkathode vor der Plasmastrahlquelle angeordnet ist, die 10 ein sechstes Ausführungsbeispiel, die 11 ein siebtes Ausführungsbeispiel mit einer Spule als Hohlkathode, und die 12 ein achtes Ausführungsbeispiel mit einer senkrecht zuin Plasmastrahl orientierten Hohlkathode.The invention is explained in more detail with reference to the drawings and in the description below. It shows 1 the build-up of a coating on the substrate, 2 a schematic diagram of the possibilities of combining the plasma beam source with a hollow cathode, 3 1 shows a first exemplary embodiment of a device with a plasma beam source and a hollow cathode, 4 a second embodiment of such a device, and 5 a third embodiment of such a device. The 6 and 7 show alternative embodiments for a hollow cathode, which according to the exemplary embodiments 3 to 5 can be used. The 8th shows a further embodiment for a device with a plasma jet source and a hollow cathode, the hollow cathode being designed as an outlet nozzle of the plasma jet source 9 shows a fifth embodiment, wherein the hollow cathode is arranged in front of the plasma beam source, the 10 a sixth embodiment, the 11 a seventh embodiment with a coil as a hollow cathode, and the 12 an eighth embodiment with a hollow cathode oriented perpendicular to the plasma jet.

Ausführungsbeispieleembodiments

Die 1 zeigt ein Substrat 10, auf dem eine Beschichtung 5 in Form eines Schichtsystems aufgebracht ist. Die Beschichtung 5 weist dabei eine zweite Funktionsschicht 11, insbesondere eine Haftschicht, auf, die beispielsweise aus einem Metall oder Silizium besteht. Bevorzugt ist die Haftschicht eine Titanschicht, eine Chromschicht oder eine Wolframschicht. Auf der zweiten Funktionsschicht 11 befindet sich eine Gradientenschicht 12, und auf der Gradientenschicht 12 eine erste Funktionsschicht 13, die beispielsweise als Verschleißschutzschicht oder Hartstoffschicht dient. Bevorzugt ist die erste Funktionsschicht 13 eine Matrix-Schicht mit darin eingebetteten nanoskaligen Partikeln, das heißt Partikeln mit einem mittleren Teilchendurchmesser von weniger als 100 nm, insbesondere weniger als 10 nm. Besonders bevorzugt ist die erste Funktionsschicht 13 eine Schicht aus amorphem, diamantähnlichen Kohlenstoff mit darin eingebetteten nanoskaligen Metalloxidpartikeln und/oder Metallcarbidpartikeln und/oder Metallnitridpartikeln. Bevor zugt werden nanoskalige Metallcarbidpartikel wie Titancarbid-, Zirkoniumcarbid-, Wolframcarbid, Chromcarbid, Borcarbid- oder Siliciumcarbid-Partikel erzeugt und in die Matrix eingebettet. Daneben können die nanoskaligen Partikel auch Metalloxinitrid-, Metalloxicarbid-, Metallnitrocarbid- oder Metalloxinitrocarbid-Partikel sein.The 1 shows a substrate 10 on which a coating 5 is applied in the form of a layer system. The coating 5 has a second functional layer 11 , in particular an adhesive layer, which consists for example of a metal or silicon. The adhesive layer is preferably a titanium layer, a chrome layer or a tungsten layer. On the second functional layer 11 there is a gradient layer 12 , and on the gradient layer 12 a first functional layer 13 , which serves as a wear protection layer or hard material layer, for example. The first functional layer is preferred 13 a matrix layer with nanoscale particles embedded therein, that is to say particles with an average particle diameter of less than 100 nm, in particular less than 10 nm. The first functional layer is particularly preferred 13 a layer of amorphous, diamond-like carbon with nanoscale metal oxide particles and / or metal carbide particles and / or metal nitride particles embedded therein. Before nanoscale metal carbide particles such as titanium carbide, zirconium carbide, tungsten carbide, chromium carbide, boron carbide or silicon carbide particles are generated and embedded in the matrix. In addition, the nanoscale particles can also contain metal oxynitride, metal oxyarbide, metal nitrocar bidi- or metal oxinitrocarbide particles.

Das Substrat 10 gemäß 1 ist beispielsweise ein Edelstrahlsubstrat, ein Substrat aus Wälzlagerstahl, einem Elastomer oder einem gesinterten Werkstoff. Insbesondere ist das Substrat 10 beispielsweise sein Kolben, ein Zylinder, eine Welle, ein Stift, ein Zahnrad oder ein Profilmaterial. Die Dicke der zweiten Funktionsschicht 11 liegt bevorzugt im Bereich von 1 nm bis 500 nm, insbesondere 5 nm bis 100 nm, die Dicke der Gradientenschicht bevorzugt im Bereich von 5 nm bis 500 nm, insbesondere 15 nm bis 100 nm, und die Dicke der ersten Funktionsschicht 13 bevorzugt im Bereich von 50 nm bis 50 μm, insbesondere 500 nm bis 10 μm. Die zweite Funktionsschicht 11 sorgt in erster Linie für eine möglichst gute Haftung der ersten Funktionsschicht 13 auf dem Substrat 10. Die Gradientenschicht 12 vermittelt über ihre sich allmählich sich verändernde Zusammensetzung einen allmählichen Übergang von der Zusammensetzung der einseitig benachbarten zweiten Funktionsschicht 11 zu der anderseitig benachbarten ersten Funktionsschicht 13, und bewirkt so ebenfalls eine verbesserte Haftung der ersten Funktionsschicht 13 auf dem Substrat 10. Im Übrigen sei noch erwähnt, dass sowohl die erste Funktionsschicht 13 als auch die zweite Funktionsschicht 11 bei Bedarf aus einer Vielzahl insbesondere unterschiedlich zusammengesetzter Teilschichten aufgebaut sein kann.The substrate 10 according to 1 is, for example, a noble jet substrate, a substrate made of bearing steel, an elastomer or a sintered material. In particular, the substrate 10 for example, its piston, a cylinder, a shaft, a pin, a gear or a profile material. The thickness of the second functional layer 11 is preferably in the range from 1 nm to 500 nm, in particular 5 nm to 100 nm, the thickness of the gradient layer is preferably in the range from 5 nm to 500 nm, in particular 15 nm to 100 nm, and the thickness of the first functional layer 13 preferably in the range from 50 nm to 50 μm, in particular 500 nm to 10 μm. The second functional layer 11 primarily ensures that the first functional layer adheres as well as possible 13 on the substrate 10 , The gradient layer 12 conveys a gradual transition from the composition of the unilaterally adjacent second functional layer via its gradually changing composition 11 to the mutually adjacent first functional layer 13 , and thus also brings about an improved adhesion of the first functional layer 13 on the substrate 10 , In addition, it should be mentioned that both the first functional layer 13 as well as the second functional layer 11 if necessary, can be constructed from a large number, in particular, of differently composed partial layers.

Bevorzugt ist die erste Funktionsschicht 13 eine durch Zugabe eines oder mehrerer reaktiver Gase wie Methan, C₂H₂ oder Wasserstoff zu einem Plasma, insbesondere einem Inertgasplasma, abgeschiedene Schicht aus amorphem, diamantähnlichem Kohlenstoff, in die die erwähnten, in einem Plasmastrahl über reaktive Volumenprozesse gebildeten nanoskaligen Metallcarbidpartikel eingebettet sind, so dass eine nanodispersive MeC/a-C:H-Schicht entsteht. Als Metallquelle wird dabei bevorzugt eine im Weiteren noch detailliert erläuterte Hohlkathode 23 eingesetzt, mit der auch die Abscheidung der zweiten Funktionsschicht 11, das heißt beispielsweise einer metallischen Haftschicht, in einem Gasflusssputterprozess erfolgen kann.The first functional layer is preferred 13 a layer of amorphous, diamond-like carbon deposited by adding one or more reactive gases such as methane, C ₂ H ₂ or hydrogen to a plasma, in particular an inert gas plasma, in which the above-mentioned nanoscale metal carbide particles formed in a plasma jet via reactive volume processes are embedded, so that a nanodispersive MeC / aC: H layer is created. A hollow cathode which is explained in detail below is preferred as the metal source 23 used with the deposition of the second functional layer 11 , that is to say for example a metallic adhesive layer, can take place in a gas flow sputtering process.

Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn die Abscheidung der Matrix insbesondere aus amorphem, diamantähnlichem Kohlenstoff und der nanoskaligen Partikel, vorzugsweise MeC-Partikel, gleichzeitig erfolgt.Has proven to be particularly advantageous highlighted when the deposition of the matrix in particular amorphous, diamond-like Carbon and the nanoscale particles, preferably MeC particles, done simultaneously.

Die 2 erläutert die Möglichkeiten einer Kombination einer Plasmastrahlquelle 20, beispielsweise einer induktiv gekoppelten Plasmastrahlquelle, einer Mikrowellenplasmastrahlquelle oder einer gasdurchströmten Gleichspannungs- oder Mittelfrequenzentladungseinrichtung, die ein Plasma 21 erzeugt, mit einer Hohlkathode 23.The 2 explains the possibilities of a combination of a plasma beam source 20 , for example an inductively coupled plasma beam source, a microwave plasma beam source or a gas-flow DC or medium-frequency discharge device that a plasma 21 generated with a hollow cathode 23 ,

Mit der Plasmastrahlquelle 20 kann zunächst über eine PACVD-Route 22 („plasma assisted chemical vapour deposition") ein erstes Abscheidematerial 27 bereitgestellt werden, das nachfolgend auf dem Substrat 10 abgeschieden wird. Bei diesem an sich bekannten Abscheideprozess kann auf das Mitwirken oder den Einsatz der Hohlkathode 23 verzichtet werden.With the plasma beam source 20 can initially be via a PACVD route 22 ("Plasma assisted chemical vapor deposition") a first deposition material 27 are provided, which is subsequently on the substrate 10 is deposited. This deposition process, which is known per se, can involve or involve the use of the hollow cathode 23 to be dispensed with.

Weiterhin kann der Eintrag von Material auf das Substrat 10 auch über eine PVD-Route 24 erfolgen („physical vapour deposition"). Dabei werden mit der Hohlkathode 23, die bei Betrieb einen Glimmlichtbereich 33 bzw. einen Hohlkathodenentladungsbereich 33 ausbildet, Partikel 25, beispielsweise Metallpartikel, Metallcluster oder Metallatome, bereitgestellt. Diese von der Hohlkathode 23 über die PVD-Route 24 bereitgestellten Partikel 25 werden dann in einem Reaktionsvolumen 26 in das Plasma 21, beispielsweise ein Inertgasplasma oder ein Plasma, das ein Reaktivgas oder einen Reaktivstoff enthält, bzw. den entsprechenden von der Plasmastrahlquelle 20 erzeugten Plasmastrahl 40 eingebracht, so dass sie von diesem weitertransportiert und/oder mit dort vorhandenen Reaktivgasbestandteilen, Partikeln oder Precursor-Materialien reagieren können. Über die PVD-Route 24 kann somit ein zweites Abscheidematerial 28 zum Eintrag auf das Substrat 10 bereitgestellt werden.Furthermore, the entry of material on the substrate 10 also via a PVD route 24 ("physical vapor deposition"). In this case, the hollow cathode 23 that have a glow light area during operation 33 or a hollow cathode discharge area 33 trains particles 25 , for example metal particles, metal clusters or metal atoms. This from the hollow cathode 23 via the PVD route 24 provided particles 25 are then in a reaction volume 26 into the plasma 21 , for example an inert gas plasma or a plasma which contains a reactive gas or a reactive substance, or the corresponding from the plasma jet source 20 generated plasma jet 40 introduced so that they can be transported further by this and / or react with reactive gas components, particles or precursor materials present there. Via the PVD route 24 can thus be a second separation material 28 for entry on the substrate 10 to be provided.

Schließlich erläutert die 2, dass die von der Hohlkathode 23 bereitgestellten Partikel 25, beispielsweise Metallpartikel, Metallatome oder Metallcluster, auch direkt, das heißt ohne Wechselwirkung mit dem Plasma 21, als drittes Abscheidematerial 29 bereitgestellt und auf das Substrat 10 eingetragen werden können.Finally, the 2 that from the hollow cathode 23 provided particles 25 , for example metal particles, metal atoms or metal clusters, also directly, that is to say without interaction with the plasma 21 , as the third separation material 29 provided and on the substrate 10 can be entered.

Zusammenfassend zeigt 2, dass drei verschiedene Wege und damit auch drei potentiell verschiedene Abscheidematerialien 27, 28, 29 durch Kombination der Plasmastrahlquelle 20 bzw. des von dieser erzeugten Plasmas 21 mit dem von der Hohlkathode 23 emittierten Material bereitstehen. Diese verschiedenen Wege können zumindest zeitweise gleichzeitig zum Erzeugen einer Beschichtung insbesondere entsprechend 1 eingesetzt werden, im Laufe des Erzeugens der Beschichtung jeweils zeitweilig nacheinander zum Einsatz kommen, oder hinsichtlich ihres zeitlichen Einsatzes als auch hinsichtlich des oder der jeweils gerade beschrittenen Wege beliebig miteinander kombiniert werden.In summary shows 2 that three different ways and therefore three potentially different deposition materials 27 . 28 . 29 by combining the plasma beam source 20 or the plasma generated by it 21 with that of the hollow cathode 23 emitted material are available. These different paths can, at least at times at the same time, correspond in particular to producing a coating 1 are used, are temporarily used one after the other in the course of the production of the coating, or can be combined with one another as desired with regard to their temporal use as well as with regard to the path or paths just followed.

Die 3 erläutert ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Beschichtungsvorrichtung 30, mit der das Substrat 10 mit der Beschichtung 5 beschichtbar ist, die zunächst von einer Plasmastrahlquelle 20 in Form einer induktiv gekoppelten Plasmastrahlquelle ausgeht. Eine derartige Plasmastrahlquelle 20 ist beispielsweise aus DE 101 04 614 A1 bekannt.The 3 explains a first embodiment for a coating device 30 with which the substrate 10 with the coating 5 is coatable, initially from a plasma beam source 20 in the form of an inductively coupled plasma beam source. Such a plasma beam source 20 is off, for example DE 101 04 614 A1 known.

Aus dieser Plasmastrahlquelle 20 tritt ein Plasma 21 aus, das in einer Beschichtungskammer als freier Plasmastrahl 40 geführt ist. Der Plasmastrahl 40 trifft weiter in einer definierten Entfernung von der Plasmastrahlquelle 20, beispielsweise einem Abstand von 5 cm bis 50 cm, in der Beschichtungskammer auf das Substrat 10 auf, wo er entweder eine Bearbeitung des Substrates 10 oder die Abscheidung von Material auf dem Substrat 10 bewirkt. Bevorzugt wird der Plasmastrahl 40 zur Abscheidung von Material auf dem Substrat 10 in Form von Schichten eingesetzt.From this plasma beam source 20 a plasma occurs 21 from that in a coating chamber as a free plasma jet 40 is led. The plasma beam 40 continues to hit at a defined distance from the plasma beam source 20 , for example a distance of 5 cm to 50 cm, in the coating chamber onto the substrate 10 on where he's either one Processing the substrate 10 or the deposition of material on the substrate 10 causes. The plasma jet is preferred 40 for the deposition of material on the substrate 10 used in the form of layers.

In 3 ist weiter dargestellt, wie eine Hohlkathode 23 in Form eines Hohlzylinders mit einem Durchmesser von vorzugsweise 0,1 cm bis 5 cm oder mehr, insbesondere 0,25 cm bis 0,6 cm, in den Plasmastrahl 40 bzw. das Plasma 21 eingebracht ist. Die Hohlkathode 23 ist dabei um den von der induktiv gekoppelten Plasmaquelle 20 erzeugten Plasmastrahl 40 in der Beschichtungskammer angeordnet. Bei Beaufschlagung der Hohlkathode 23 mit einer geeigneten Spannung, beispielsweise einer hochfrequenten Wechselspannung, einer Gleichspannung oder einer gepulsten Gleichspannung, über eine Spannungseinkopplung 35 und entsprechende elektrische Bauteile, bildet sich zumindest im Innenraum der Hohlkathode 23 ein Glimmlichtbereich 33 oder ein Hohlkathodenentladungsbereich aus, der in wesentlichen Teilen mit dein Plasmastrahl 40 überlappt.In 3 is further shown as a hollow cathode 23 in the form of a hollow cylinder with a diameter of preferably 0.1 cm to 5 cm or more, in particular 0.25 cm to 0.6 cm, in the plasma jet 40 or the plasma 21 is introduced. The hollow cathode 23 is about the inductively coupled plasma source 20 generated plasma jet 40 arranged in the coating chamber. When the hollow cathode is loaded 23 with a suitable voltage, for example a high-frequency AC voltage, a DC voltage or a pulsed DC voltage, via a voltage coupling 35 and corresponding electrical components, is formed at least in the interior of the hollow cathode 23 a glow area 33 or a hollow cathode discharge area, which in substantial parts coincides with the plasma beam 40 overlaps.

Die 3 zeigt weiter, wie zwischen der Plasmastrahlquelle 20 und der Hohlkathode 23 eine erste Gaszufuhr 31 und zwischen der Hohlkathode 23 und dem Substrat 10 eine zweite Gaszufuhr 32 vorgesehen ist. Bevorzugt ist lediglich eine dieser Gaszufuhren 31, 32 vorgesehen, besonders bevorzugt die erste Gaszufuhr 31.The 3 further shows how between the plasma beam source 20 and the hollow cathode 23 a first gas supply 31 and between the hollow cathode 23 and the substrate 10 a second gas supply 32 is provided. Only one of these gas feeds is preferred 31 . 32 provided, particularly preferably the first gas supply 31 ,

Mit Hilfe der ersten und/oder der zweiten Gaszufuhr 31, 32 kann beispielsweise ein Reaktivgas wie Methan, Wasserstoff oder C,H, in das Plasma 21 bzw. den Plasmastrahl 40 eingebracht werden, das zumindest in dem Fall, dass die erste Gaszufuhr 31 gemäß 3 dazu eingesetzt wird, zumindest teilweise auch in der Glimmlichtbereich 33 gelangt.With the help of the first and / or the second gas supply 31 . 32 For example, a reactive gas such as methane, hydrogen or C, H, into the plasma 21 or the plasma jet 40 be introduced, at least in the event that the first gas supply 31 according to 3 is used, at least partially, in the glow area 33 arrives.

Die Hohlkathode 23 ist im erläuterten Beispiel eine metallische Hohlkathode, beispielsweise aus Titan, Chrom oder Wolfram. Sie setzt bei Betrieb entsprechende Metallatome oder Metallcluster frei, die in den Plasmastrahl 40 gelangen und darüber schließlich auf das Substrat 10 eingetragen werden.The hollow cathode 23 is a metallic hollow cathode, for example made of titanium, chromium or tungsten in the example explained. During operation, it releases corresponding metal atoms or metal clusters that enter the plasma beam 40 get and finally on the substrate 10 be entered.

Durch die Zufuhr von Material aus der Hohlkathode 23 und/oder die Zufuhr eines Reaktivgases mit Hilfe der Gaszufuhr 31 und/oder 32 bildet sich somit zwischen der Hohlkathode 23 und dem Substrat 10 ein modifiziertes Plasma 34 aus, das sich hinsichtlich seiner Zusammensetzung von dem Plasma 21 unterscheidet.By supplying material from the hollow cathode 23 and / or the supply of a reactive gas with the aid of the gas supply 31 and or 32 thus forms between the hollow cathode 23 and the substrate 10 a modified plasma 34 which differs from the plasma in terms of its composition 21 different.

Im Einzelnen ist die Plasmastrahlquelle 20 gemäß 3 eine induktiv gekoppelte Plasmastrahlquelle, wobei über eine bevorzugt wassergekühlte Kupferspule eine Hochfrequenz im MHz-Bereich mit einer Leistung im kW-Bereich in ein Gasvolumen eingekoppelt, und so dort ein Plasmazustand angeregt wird. Weiter sind übliche, in 3 nicht dargestellte Mittel zur Erzeugung eines Gasstromes durch die Plasmastrahlquelle 20 vorgesehen. Zu weiteren Einzelheiten hierzu sei auf DE 101 04 614 A1 und die dort beschriebene Plasmastrahlquelle verwiesen.In detail is the plasma beam source 20 according to 3 an inductively coupled plasma beam source, a radio frequency in the MHz range with a power in the kW range being coupled into a gas volume via a preferably water-cooled copper coil, and thus a plasma state is excited there. Further are common in 3 Means, not shown, for generating a gas flow through the plasma jet source 20 intended. For further details, see DE 101 04 614 A1 and the plasma beam source described there.

Insbesondere wird mit diesen Mitteln ein Argongasfluss von beispielsweise 20 bis 60 slm (slm = Liter pro Minute bei Normaldruck) in die Plasmastrahlquelle 20 eingeblasen, so dass das Plasma 21 als freier Plasmastrahl 40 aus der Plasmastrahlquelle. austritt und in die nicht dargestellte Beschichtungskammer, in der sich das Substrat 10 befindet, gelangt. Innerhalb der Beschichtungskammer herrscht dabei ein Grobvakuum von beispielsweise 10 mbar.In particular, an argon gas flow of, for example, 20 to 60 slm (slm = liter per minute at normal pressure) into the plasma beam source is achieved with these agents 20 blown in so that the plasma 21 as a free plasma jet 40 from the plasma beam source. emerges and into the coating chamber, not shown, in which the substrate 10 is located. A rough vacuum of, for example, 10 mbar prevails within the coating chamber.

Die wahlweise mittels der ersten und/oder zweiten Gaszufuhr 31, 32 zugeführten Reaktivstoffe wie beispielsweise Reaktivgase, Precursormaterialien, Pulver oder entsprechende Suspensionen oder Lösungen mit Partikeln oder Precursormaterialien werden bevorzugt ebenfalls mit Flüssen von bis zu einigen slm vor und/oder hinter der Plasmastrahlquelle 20 dem Plasmastrahl 40 zugeführt. Dabei kann die Hohlkathode 23 gleichzeitig auch als Injektor zur Zuführung dieser Reaktivstoffe in Form einer Gasduschenhohlkathode genutzt werden und in dieser Hinsicht die erste Gaszufuhr 31 und/oder die zweite Gaszufuhr 32 ersetzen oder ergänzen.The optionally by means of the first and / or second gas supply 31 . 32 supplied reactive substances such as reactive gases, precursor materials, powders or corresponding suspensions or solutions with particles or precursor materials are also preferably with flows of up to a few slm upstream and / or downstream of the plasma beam source 20 the plasma jet 40 fed. The hollow cathode 23 can also be used as an injector for supplying these reactive substances in the form of a hollow gas shower cathode and in this respect the first gas supply 31 and / or the second gas supply 32 replace or supplement.

Die Hohlkathode 23 gemäß 3 kann wahlweise mit Hochfrequenz-, Mittelfrequenz- oder einer konstanten oder gepulsten Gleichspannung betrieben werden, wobei als Arbeitsgas beispielsweise Argon durch die Hohlkathode 23 strömt, welches entweder aus der Plasmastahlquelle 20 stammt, das heißt die Hohlkathode 23 ist als offene Hohlkathode ausgeführt, oder das direkt der Hohlkathode 23 zugeführt wird, das heißt die Hohlkathode 23 ist in diesem Fall als Gasduschenhohlkathode ausgebildet.The hollow cathode 23 according to 3 can be operated with either high-frequency, medium-frequency or constant or pulsed DC voltage, with argon, for example, as the working gas through the hollow cathode 23 which flows either from the plasma steel source 20 originates, that is the hollow cathode 23 is designed as an open hollow cathode, or directly the hollow cathode 23 is supplied, that is, the hollow cathode 23 is designed as a hollow gas shower cathode.

Durch die angelegte elektrische Spannung werden Elektronen von der Hohlkathode 23 emittiert und im Kathodenfallgebiet beschleunigt. Dabei kommt es zu einer Pendelbewegung der Elektroden innerhalb der Hohlkathode 23, wobei die Elektroden ihre Energie in ein Plasma abgeben, und so eine sehr hohe Plasmadichte erzeugen. Gleichzeitig wird Material von der Hohlkathode 23 abgesputtert und durch die Strömung des Arbeitsgases der Hohlkathode 23 und/oder die Strömung in dein Plasmastrahl 40 zu dem Substrat 10 hin transportiert und dort auf dieses eingetragen.The applied electrical voltage removes electrons from the hollow cathode 23 emitted and accelerated in the cathode drop area. This causes the electrodes to oscillate within the hollow cathode 23 , whereby the electrodes release their energy into a plasma, thus producing a very high plasma density. At the same time, material is removed from the hollow cathode 23 sputtered and by the flow of the working gas of the hollow cathode 23 and / or the flow into your plasma jet 40 to the substrate 10 transported there and entered on this.

Mit der aus DE 101 04 614 A1 bekannten Plasmastrahlquelle 20 lassen sich besonders gut amorphe, diamantähnliche Kohlenstoffschichten mit sehr hohen Beschichtungsraten abscheiden, wobei vor allem eine mit Hochfrequenz beaufschlagte, induktiv gekoppelte Plasmastrahlquelle aufgrund ihrer sehr hohen Plasmadichte vorteilhaft ist. Gleichzeitig ist in dem mit dieser Plasmastrahlquelle 20 erzeugten Plasmastrahl 40 bzw. Plasma 21 auch eine hohe Reaktivität gegeben, so dass über ein Einbringen geeigneter Stoffe in das Plasma 21 die Bildung von nanoskaligen Partikeln über reaktive Volumenprozesse in dem Plasmastrahl 40 und somit die Abscheidung einer Vielzahl von neuartigen Kompositschichten mit in einer Matrix eingebetteten nanoskaligen Partikeln besonders einfach und effektiv möglich ist. Das zur Bildung beispielsweise von Metallcarbid-Nanopartikeln und/oder einer metallischen Haftschicht als zweite Funktionsschicht 11 benötigte Metall stammt bevorzugt aus der metallischen Hohlkathode 23. Die zur Bildung von beispielsweise Metallcarbid-Partikeln weiter erforderlichen Reaktivgase werden der Beschichtungsvorrichtung 30 beispielsweise durch gesonderte Injektoren im Bereich der Plasmastrahlquelle 20, die erste Gaszufuhr 31 und/oder die zweite Gaszufuhr 32 vor oder hinter der Hohlkathode 23, oder auch durch die Hohlkathode 23 selbst zugeführt.With the out DE 101 04 614 A1 known plasma beam source 20 can be deposited particularly well amorphous, diamond-like carbon layers with very high coating rates, with an inductively coupled plasma beam source exposed to high frequency being particularly advantageous due to its very high plasma density. At the same time, this is with this plasma beam source 20 generated plasma jet 40 or plasma 21 also given a high reactivity, so that suitable substances are introduced into the plasma 21 the formation of nanoscale particles via reactive volume processes in the plasma jet 40 and thus the deposition of a large number of new composite layers with in embedded in a matrix of nanoscale particles is particularly simple and effective. This is used to form, for example, metal carbide nanoparticles and / or a metallic adhesive layer as a second functional layer 11 required metal preferably comes from the metallic hollow cathode 23 , The reactive gases required for the formation of, for example, metal carbide particles are the coating device 30 for example by separate injectors in the area of the plasma beam source 20 , the first gas supply 31 and / or the second gas supply 32 in front of or behind the hollow cathode 23 , or also through the hollow cathode 23 self fed.

Die 4 erläutert ein zu 3 alternatives Ausführungsbeispiel, das sich von diesem lediglich dadurch unterscheidet, dass die Hohlkathode 23 eine kleinere Dimension aufweist, so dass sie sich vollständig innerhalb des Plasmastrahls 40 befindet. Insbesondere weist die Hohlkathode 23, die beispielsweise als Hohlzylinder oder in Form von zwei sich gegenüber liegenden, insbesondere gewölbten Platten ausgebildet ist, einen Durchmesser in einem Bereich von 1 cm bis 1 nun auf. Weiter wird die Hohlkathode 23 hier gleichzeitig auch als Injektor zur Zufuhr eines Reaktivgases in das Plasma 21 bzw. den Plasmastrahl 40 eingesetzt. Alternativ kann die Zufuhr des Reaktivgases jedoch auch über die erste Gaszufuhr 31 und/oder die zweite Gaszufuhr 32 erfolgen.The 4 explains one to 3 alternative embodiment, which differs from this only in that the hollow cathode 23 has a smaller dimension so that it is completely within the plasma beam 40 located. In particular, the hollow cathode 23 , which is designed, for example, as a hollow cylinder or in the form of two opposing, in particular curved, plates, now has a diameter in a range from 1 cm to 1. The hollow cathode continues 23 here at the same time as an injector for supplying a reactive gas to the plasma 21 or the plasma jet 40 used. Alternatively, however, the reactive gas can also be supplied via the first gas supply 31 and / or the second gas supply 32 respectively.

Die 5 erläutert ein weiteres, zu den 3 oder 4 alternatives Ausführungsbeispiel, wobei diesmal die Hohlkathode 23 als mikroskalige Hohlkathode 23 mit einer Öffnung kleiner als 5 mm, insbesondere kleiner als 1 mm, ausgeführt ist. Insbesondere sind in diesem Fall eine Mehrzahl von nebeneinander oder gebündelt angeordneten Hohlkathoden 23 vorgesehen, die jeweils als Hohlzylinder mit einem Durchmesser von weniger als 1 mm ausgebildet sind. Weiter zeigt 5, dass die erste Gaszufuhr 31 mit den Hohlkathoden 23 verbunden ist, so dass über die erste Gaszufuhr 31 den Hohlkathoden 23 ein Arbeitsgas, beispielsweise Argon, und/oder über die Hohlkathoden 23 dem Plasma 21 bzw. dem Plasmastrahl 40 bei bedarf auch ein Reaktivgas oder einer sonstiger Reaktivstoff zuführbar ist. Insofern agieren die Hohlkathoden 23 bei dein Ausführungsbeispiel gemäß 5 gleichzeitig auch als Gasdusche. In 5 ist weiter dargestellt, dass jede der Hohlkathoden 23 einen Hohlkathodenentladungsbereich 33 aufweist, der jeweils innerhalb des Plasmastrahls 40 liegt.The 5 explains another, to the 3 or 4 alternative embodiment, this time the hollow cathode 23 as a microscale hollow cathode 23 is designed with an opening smaller than 5 mm, in particular smaller than 1 mm. In this case, in particular, there are a plurality of hollow cathodes arranged side by side or bundled 23 provided, which are each designed as a hollow cylinder with a diameter of less than 1 mm. Next shows 5 that the first gas supply 31 with the hollow cathodes 23 is connected so that the first gas supply 31 the hollow cathode 23 a working gas, for example argon, and / or via the hollow cathodes 23 the plasma 21 or the plasma jet 40 if required, a reactive gas or other reactive substance can also be supplied. In this respect, the hollow cathodes act 23 according to your embodiment 5 also as a gas shower. In 5 it is further shown that each of the hollow cathodes 23 a hollow cathode discharge area 33 has, each within the plasma beam 40 lies.

Die 6 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform für eine Hohlkathode 23, wie sie beispielsweise bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 oder 5 einsetzbar ist. Insbesondere weist die Hohlkathode 23 gemäß 6 einen metallischen Zylinder mit einer Vielzahl von parallelen, diesen durchquerenden Bohrungen auf, die einen Durchmesser von bevorzugt 100 μm bis 3 min, insbesondere 500 μm bis 1,5 mm, aufweisen.The 6 shows a perspective view of an embodiment for a hollow cathode 23 , such as in the embodiment according to 4 or 5 can be used. In particular, the hollow cathode 23 according to 6 a metallic cylinder with a multiplicity of parallel bores crossing these, which have a diameter of preferably 100 μm to 3 min, in particular 500 μm to 1.5 mm.

Die 7 zeigt eine zur 6 alternative Ausführungsform für eine Hohlkatlode 23, die eine Vielzahl von konzentrisch zueinander angeordneten metallischen Hohlzylindern aufweist, die über Stege miteinander verbunden und zusammengehalten werden.The 7 shows one to 6 alternative embodiment for a hollow cathode 23 , which has a plurality of concentrically arranged metallic hollow cylinders that are connected to each other and held together by webs.

Die 8 erläutert ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Beschichtungsvorrichtung 30, mit der ein Substrat 10 mit einer Beschichtung 5, insbesondere gemäß 1, beschichtbar ist, wobei zusätzlich die in den 3 bis 5 bereits angedeutete Plasmastrahlquelle 20 etwas näher erläutert wird. Im Einzelnen ist die Plasmastrahlquelle 20 im Bereich des Austrittes des Plasmas 21 in Form eines Plasmastrahls 40 aus der Plasmastrahlquelle 20 topfförmig ausgebildet, wobei Windungen einer Spule 36 das Plasma 21 umgeben. Weiter ist in 8 abweichend von den 3 bis 5 die Hohlkathode 23 nunmehr als Austrittsdüse 41 der Plasmastrahlquelle 20 ausgebildet, die von dieser über eine Isolierung 37 elektrisch isoliert ist. Insbesondere ist die Hohlkathode 23 als zylindersymmetrische Austrittsdüse 41 ausgebildet, die zu einer leichten Verengung des Plasmastrahls 40 im Austrittsbereich der Plasmastrahlquelle 20 führt.The 8th explains another embodiment of a coating device 30 with which a substrate 10 with a coating 5 , especially according to 1 , is coatable, with the additional in the 3 to 5 already indicated plasma radiation source 20 is explained in more detail. Specifically, the plasma beam source 20 is in the region of the exit of the plasma 21 in the form of a plasma jet 40 from the plasma beam source 20 pot-shaped, with turns of a coil 36 the plasma 21 surround. Next is in 8th deviating from the 3 to 5 the hollow cathode 23 now as an outlet nozzle 41 the plasma beam source 20 trained by this over insulation 37 is electrically insulated. In particular, the hollow cathode 23 as a cylindrical symmetrical outlet nozzle 41 trained, leading to a slight narrowing of the plasma jet 40 in the exit area of the plasma beam source 20 leads.

Auch bei dein Ausführungsbeispiel gemäß 8 liegt der Glimmlichtbereich 33 der Hohlkathode 23 innerhalb des Plasmastrahls 40, so dass durch Materialeintrag in das Plasma 21 ausgehend von einem Gasflusssputterprozess in der Hohlkathode 23 zwischen dem Glimmlichtbereich 33 und dem Substrat 10 ein modifiziertes Plasma 34 in einem Reaktionsvolumen 26 entsteht.Also according to your embodiment 8th is the glow area 33 the hollow cathode 23 within the plasma beam 40 so that by material entry into the plasma 21 based on a gas flow sputtering process in the hollow cathode 23 between the glow area 33 and the substrate 10 a modified plasma 34 in a reaction volume 26 arises.

Bevorzugt ist die Hohlkathode 23 gemäß 8 um den gesamten Plasmnastrahl 40 im Bereich der Austrittsöffnung der Plasmastrahlquelle 20 angeordnet und gleichzeitig als Gasdusche ausgebildet oder mit einer Injektionseinrichtung versehen ist, so dass über die Hohlkathode 23 bei Bedarf reaktive Gase oder Reaktivstoffe in das Plasma 21 eingebracht werden können. Alternativ oder zusätzlich können diese aber auch direkt noch in den Innenraum der topfförmigen Plasmastrahlquelle 20 eingebracht werden. Schließlich kann auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 8 ein insbesondere als Gaszufuhr 31 ausgebildeter Injektor, nicht dargestellter Injektor vorgesehen sein, der das reaktive Gas oder den Reaktivstoff dein Plasmastrahl 40 bezüglich der Richtung des Gasstromes hinter der Austrittsdüse 41 zuführt.The hollow cathode is preferred 23 according to 8th around the entire plasma beam 40 in the area of the outlet of the plasma beam source 20 arranged and at the same time designed as a gas shower or provided with an injection device, so that over the hollow cathode 23 if necessary reactive gases or reactive substances in the plasma 21 can be introduced. Alternatively or additionally, these can also be directly into the interior of the pot-shaped plasma beam source 20 be introduced. Finally, in the embodiment according to 8th a particularly as a gas supply 31 trained injector, not shown injector can be provided, the reactive gas or the reactive your plasma jet 40 with respect to the direction of the gas flow behind the outlet nozzle 41 supplies.

Die 9 erläutert ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Beschichtungsvorrichtung 30, wobei hier die Hohlkathode 23 in Bezug auf die Strömungsrichtung des in die Plasmastrahlquelle 20 eingeführten Gases, beispielsweise Argon, vor der Plasmastrahlquelle 20 angeordnet ist. Auch in diesem Fall überlappt sich der Glimmlichtbereich 33 der Hohlkathode 23 mit dem in der Plasmastrahlquelle 20 gezündeten Plasma 21. Ansonsten ist der Aufbau gemäß 9 weitgehend analog zu 8 bzw. auch zu 3, 4 oder 5. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 8 oder 9 wurde von einer Darstellung der Gaszufuhren 31 bzw. 32 gemäß 3, 4 oder 5 abgesehen. Diese können jedoch ohne Weiteres auch hier entsprechend vorgesehen sein.The 9 explains another embodiment of a coating device 30 , here the hollow cathode 23 with respect to the flow direction of the into the plasma jet source 20 introduced gas, for example argon, in front of the plasma beam source 20 is arranged. In this case too, the glow area overlaps 33 the hollow cathode 23 with that in the plasma beam source 20 ignited plasma 21 , Otherwise the structure is according to 9 largely analogous to 8th or too 3 . 4 or 5 , In the embodiment according to 8th or 9 was from a dar position of the gas supply 31 respectively. 32 according to 3 . 4 or 5 apart. However, these can easily be provided accordingly.

Die 10 erläutert ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Beschichtungsvorrichtung 30, wobei sich die Hohlkathode 23 nun innerhalb der Plasmastrahlquelle 20 befindet. Die Hohlkathode 23 dient dabei gleichzeitig als Injektor, das heißt, durch sie werden das Arbeitsgas der induktiven gekoppelten Plasmastrahlquelle 20, beispielsweise Argon, sowie je nach Anwendungsfall auch weitere Reaktivgase wie Methan, C₂H₂, Wasserstoff oder andere Reaktivstoffe wie eine Suspension mit mikroskaligen oder nanoskaligen Pulverpartikeln oder eine Lösung mit Precursormaterialien in Plasmastrahlquelle 20 eingebracht. Daneben können diese Materialien bei diesem Ausführungsbeispiel alternativ oder zusätzlich auch unmittelbar hinter der Hohlkathode 23 der Plasmastrahlquelle 20 oder auch außerhalb der Plasmastrahlquelle 20 dein Plasmastrahl 40, beispielsweise durch geeignete Injektoren, zugeführt werden.The 10 explains another embodiment of a coating device 30 , the hollow cathode 23 now inside the plasma beam source 20 located. The hollow cathode 23 serves as an injector at the same time, which means that they become the working gas of the inductive coupled plasma jet source 20 , for example argon, and depending on the application also other reactive gases such as methane, C ₂ H ₂ , hydrogen or other reactive substances such as a suspension with microscale or nanoscale powder particles or a solution with precursor materials in a plasma beam source 20 brought in. In addition, in this exemplary embodiment, these materials can alternatively or additionally also directly behind the hollow cathode 23 the plasma beam source 20 or outside the plasma beam source 20 your plasma beam 40 , for example by means of suitable injectors.

Die 11 erläutert ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Beschichtungsvorrichtung 30, wobei die Hohlkathode 23 im Unterschied zur 3 aus einem in Spulenform gewickelten Draht, beispielsweise einem Metalldraht, besteht.The 11 explains another embodiment of a coating device 30 , the hollow cathode 23 in contrast to 3 consists of a wire wound in coil form, for example a metal wire.

12 zeigt schließlich ein Ausführungsbeispiel, bei dein die Hohlkathode 23 senkrecht zu dein Plasmastrahl 40 orientiert ist. Reaktive Bestandteile oder Gase können dabei durch nicht dargestellte Injektoren oder die Hohlkathode 23 selbst in den Plasmastrahl 40 eingeleitet werden. Diese Variante bietet den Vorteil, dass der Plasmastrahl 40 selbst durch die Hohlkathode 23 insbesondere hinsichtlich der Strömungsverhältnisse nicht oder wenig gestört wird, und dass lediglich die erwünschten reaktiven Bestandteile oder Gase dein Plasmastrahl 40 zugeführt und mit der Gasströmung des Plasmastrahls 40 zu dem zu beschichtenden Substrat 10 geführt werden. 12 finally shows an embodiment in which the hollow cathode 23 perpendicular to your plasma jet 40 is oriented. Reactive components or gases can be injectors or the hollow cathode, not shown 23 even in the plasma beam 40 be initiated. This variant offers the advantage that the plasma jet 40 even through the hollow cathode 23 especially with regard to the flow conditions, little or no interference, and that only the desired reactive components or gases are your plasma jet 40 fed and with the gas flow of the plasma jet 40 to the substrate to be coated 10 be performed.

Eine weitere Variante ist die Ausführung der Hohlkathode 23 in koaxialer Form um den Plasmastrahl 40 herum, bei dem als Kathoden Ringe oder Ringsegmente mit einem dem Druck angepassten Abstand eingesetzt werden, durch die die Arbeitsgase geführt sind.Another variant is the design of the hollow cathode 23 in coaxial form around the plasma beam 40 around, in which rings or ring segments are used as cathodes with a distance adapted to the pressure, through which the working gases are led.

Ergänzend sei noch erwähnt, dass es bei allen vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen möglich ist, die Hohlkathode 23 zusätzlich mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes zu versehen, so dass durch dieses Magnetfeld die Elektroden in der Hohlkathode 23 auf eine Spiralbahn gezwungen werden. Hierdurch erfolgt ein Intensivieren des Hohlkathodenplasmas bzw. des Glimmlichtbereiches 33, so dass eine effektivere Beschichtung bewirkt wird.In addition, it should also be mentioned that it is possible with all of the exemplary embodiments explained above, the hollow cathode 23 additionally to be provided with a device for generating a magnetic field, so that the electrodes in the hollow cathode are caused by this magnetic field 23 be forced on a spiral track. This intensifies the hollow cathode plasma or the glow light area 33 , so that a more effective coating is achieved.

Weiter kann die Hohlkathode 23 auch aus einem Dielektrikum oder einem Halbleiter oder in Form einer segmentierten Holhkathode 23 mit mindestens einem Segment aus einem Dielektrikum oder Halbleiter ausgeführt sein, wobei die elektrische Anregung der Hohlkathodenentladung dann durch Elektroden, die außen an dem Dielektrikum oder Halbleiter angebracht sind und mit Hochfrequenzspannung oder gepulster Gleichspannung beaufschlagt werden, gewährleistet wird. Auf diese Weise sind mit Hilfe der Hohlkathode 23 über ein Gasflusssputtern auch Atome oder Cluster eines Isolators oder Halbleiters wie Si₃N₄ oder Legierungen damit oder daraus freisetzbar und auf dem Substrat 10 abscheidbar.The hollow cathode can also be used 23 also from a dielectric or a semiconductor or in the form of a segmented cathode 23 be carried out with at least one segment made of a dielectric or semiconductor, the electrical excitation of the hollow cathode discharge then being ensured by electrodes which are attached to the outside of the dielectric or semiconductor and are subjected to high-frequency voltage or pulsed direct voltage. In this way, using the hollow cathode 23 Atoms or clusters of an insulator or semiconductor such as Si ₃ N ₄ or alloys can be released therewith or therefrom and on the substrate via a gas flow sputtering 10 separable.

Insgesamt wird mit Hilfe einer der Beschichtungsvorrichtungen 30 gemäß einem der vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiele auf dem Substrat 10 gemäß 1 zunächst eine metallische Haftschicht 11 durch einen Gasflusssputterprozess abgeschieden, danach erfolgt die Abscheidung einer Gradientenschicht 12 durch allmählich steigende Zugabe reaktiver Plasmakomponenten im Bereich der Hohlkathode 23 und ein optionales Zuschalten der induktiv gekoppelten Plasmastrahlquelle 20 oder eine optionale Zugabe von Reaktivstoffen in den Plasmastrahl 40, das heißt unter zusätzlicher Beaufschlagung des Substrates 10 mit dein Plasmastrahl 40, und schließlich die Abscheidung einer nanodispersiven Schicht als zweite Funktionsschicht 12, wobei die Hohlkathode 23 mit der Plasmastrahlquelle 20 gemeinsam eingesetzt und kein reines Metall mehr auf dem Substrat 10 abgeschieden wird.Overall, using one of the coating devices 30 according to one of the exemplary embodiments explained above on the substrate 10 according to 1 first a metallic adhesive layer 11 deposited by a gas flow sputtering process, followed by the deposition of a gradient layer 12 by gradually increasing the addition of reactive plasma components in the area of the hollow cathode 23 and an optional connection of the inductively coupled plasma beam source 20 or an optional addition of reactive substances in the plasma jet 40 , that is, with additional exposure to the substrate 10 with your plasma jet 40 , and finally the deposition of a nanodispersive layer as a second functional layer 12 , the hollow cathode 23 with the plasma beam source 20 used together and no longer pure metal on the substrate 10 is deposited.

Claims

Device for coating a substrate with means for generating a gas stream and at least one plasma jet source, with which a plasma jet acting at least temporarily on the substrate can be generated, characterized in that in addition to the plasma jet source ( 20 ) at least one material at least temporarily during operation on the substrate ( 10 ) effecting hollow cathode ( 23 ) is provided.

Device according to claim 1, characterized in that the hollow cathode ( 23 ) and the plasma beam source ( 20 ) are arranged such that one of the hollow cathode ( 23 ) hollow cathode discharge region generated at least temporarily during operation ( 33 ) and that from the plasma beam source ( 20 ) plasma jet generated during operation ( 40 ) at least in some areas before exposure to the plasma jet ( 40 ) on the substrate ( 10 ) overlap.

Device according to claim 1 or 2, characterized in that the plasma beam source ( 20 ) is an inductively coupled plasma radiation source, a microwave plasma radiation source or a direct voltage or medium frequency discharge device through which a gas can flow.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the plasma beam source ( 20 ) and / or the hollow cathode ( 23 ) can be operated in a rough vacuum, in particular in the pressure range from 0.1 mbar to 100 mbar, or at a pressure of more than 50 mbar.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one further means ( 31 . 32 ) for supplying at least one reactive substance to the plasma jet ( 40 ), in particular for supplying a gas, a liquid such as a solution or a suspension, or powder particles.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the means for generating the gas stream also for supplying at least one reactive substance to the plasma jet ( 40 ), in particular for supplying a gas, a liquid such as a solution or a suspension, or powder particles.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the hollow cathode ( 23 ) one when operated with a gas and / or a plasma ( 21 ) acted upon, serving as a target, in particular metallic hollow cathode.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that a device for loading the hollow cathode ( 23 ) with DC voltage, pulsed DC voltage, medium-frequency voltage or high voltage is provided.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the hollow cathode ( 23 ) at least in some areas within the plasma jet ( 40 ) is arranged, or that the hollow cathode ( 23 ) the plasma jet ( 40 ) at least in some areas.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the hollow cathode ( 23 ) is designed such that at least one reactive substance is added to the plasma jet ( 40 ), in particular in the form of a gas, a plasma, a liquid such as a solution or a suspension, or in the form of powder particles.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the hollow cathode ( 23 ) is designed as a hollow gas shower cathode.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the hollow cathode ( 23 ) as an outlet nozzle ( 4l ) the plasma beam source ( 20 ) is formed, or that the hollow cathode ( 23 ) in relation to the direction of the gas flow in front of the plasma jet source ( 20 ), especially in the gas stream in front of the plasma jet source ( 20 ), is arranged.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the hollow cathode ( 23 ) next to the plasma jet ( 40 ) in front of the substrate ( 10 ) is arranged.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of hollow cathodes ( 23 ) is provided, which is in particular at least partially in the plasma jet ( 40 ) and / or concentrically around the plasma jet ( 40 ) are arranged.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that with the hollow cathode ( 23 ) atoms or clusters of an element selected from the group Cr, V, Ti, Nb, Zr, Ta, Hf, Mo, W, Ni, Cu, B, C, Si and alloys with or from them on the substrate via a gas flow sputtering 10 ) can be deposited, or that atoms or clusters selected from the group Cr, V, Ti, Nb, Zr, Ta, Hf, Mo, W, Ni, Cu, B, C, Si your plasma jet with the hollow cathode via a gas flow sputtering ( 40 ) can be fed.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that with the hollow cathode ( 23 ) atoms or clusters of an insulator or semiconductor, in particular Si ₃ N ₄ , or alloys with or from them onto your substrate via gas flow sputtering ( 10 ) can be deposited, or that atoms or clusters can be transferred to the plasma jet with the hollow cathode via a gas flow sputtering ( 40 ) can be fed.

Method for coating a substrate, in particular with a device according to one of the preceding claims, wherein with the aid of at least one plasma beam source ( 20 ) temporarily at least a first functional layer ( 13 ) with or from a layer with a matrix with nanoscale particles embedded therein at least in regions on the substrate ( 10 ) is deposited, and with the help of at least one hollow cathode ( 23 ) temporarily at least a second functional layer via gas flow sputtering ( 11 ) at least in some areas on the substrate ( 10 ) is deposited.

A method according to claim 17, characterized in that as the second functional layer ( 11 ) a metallic layer or a silicon layer is deposited.

Method according to claim 17 or 18, characterized in that on the substrate ( 10 ) first the second functional layer ( 11 ) and that the first functional layer ( 13 ) is deposited.

Method according to one of claims 17 to 19, characterized in that between the first functional layer ( 13 ) and the second functional layer ( 11 ) an intermediate layer at least in some areas ( 12 ), in particular in the form of a gradual transition in terms of composition between the functional layers ( 11 . 13 ) mediating gradient layer, is deposited.

Method according to one of claims 17 to 20, characterized in that on the substrate ( 10 ) as the second functional layer, an adhesion-promoting layer is deposited, at least in some areas, that the intermediate layer is (at least in some areas) 12 ) is deposited, and that the first functional layer ( 13 ) is deposited, the intermediate layer in the form of a gradual transition in terms of composition between adjacent functional layers ( 11 . 13 ) mediating gradient layer is deposited.

Method according to one of claims 17 to 21, characterized in that as the first functional layer ( 13 ) a layer with or made of amorphous, in particular diamond-like carbon is deposited, in which nanoscale metal oxide particles and / or metal carbide particles and / or metal nitride particles are embedded, or that the first functional layer ( 13 ) has at least one such layer as a partial layer.

Coating on a substrate, in particular producible by a method according to one of claims 17 to 22, wherein on the substrate ( 10 ) at least in some areas at least one second functional layer ( 11 ), in particular an adhesion-promoting layer, on the second functional layer ( 11 ) at least in some areas at least one intermediate layer ( 12 ) and on the intermediate layer ( 12 ) at least in some areas at least one first functional layer ( 13 ) is provided, at least one of the intermediate layers ( 12 ) as a gradual transition in composition between an adjacent second functional layer ( 11 ) and an adjacent first functional layer ( 13 ) mediating gradient layer, and at least one of the functional layers ( 11 . 13 ) has a matrix layer with nanoscale particles embedded therein, in particular a matrix layer made of or with amorphous, diamond-like carbon with nanoscale metal oxide particles and / or metal carbide particles and / or metal nitride particles embedded therein.