DE3814652A1 - Vorrichtung zur bildung einer reaktiven schicht auf einem gegenstand - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bildung einer Schicht aus zum Bei­ spiel kubischem Bor-Nitrit auf einem Gegenstand wie einem Werkzeug oder ähnlichem zur Verhinderung von Verschleiß oder Korrosion.

Verfahren zur Bildung einer kubischen Bor-Nitritschicht durch reaktives Auf­ dampfen sind zum Beispiel in den JP-OS 2 04 370/86, 47 472/87 und 77 45 4/87 offenbart.

Bei dem in der JP-OS 2 04 370/86 veröffentlichten Verfahren wird elektronen­ reiches Plasma durch Hohlkathoden-Entladung erzeugt, wobei ein Teil der Elektronen durch den Einlaß für das Reaktionsgas angezogen wird. Das Gas wird aktiviert, wodurch die Reaktivität des Aufdampfens verbessert wurde.

Bei dem in der JP-OS 47 472/87 offenbarten Verfahren wird eine DC- oder AC- Vorspannung an die Einlaßdüse ("Aktivierungs-Düse") für das Reaktionsgas an­ gelegt, so daß ein Plasma mit hoher Dichte erzeugt wird. Aus diesem Plasma werden dann Ionen auf den zu beschichtenden Gegenstand injiziert. Ferner wird eine Hochfrequenz-Vorspannung an den zu beschichtenden Gegenstand angelegt. Auf diese Weise wird eine Schicht aus kubischem Bor-Nitrit auf dem Gegenstand gebildet.

In der JP-OS 77 454/87 ist ebenfalls ein solches Verfahren zur Bildung einer kubischen Bor-Nitritschicht offenbart, bei dem eine DC- oder AC-Vorspannung zur Erzeugung eines Plasmas mit hoher Dichte an die "Aktivierungs-Düse" an­ gelegt wird, und bei dem auch eine HF-Vorspannung an dem zu beschichtenden Gegenstand anliegt und ein Reaktionsgas wie zum Beispiel Stickstoff oder Ammoniak (Hydronitrogen) mit einem Entladungsgas wie zum Beispiel Argon gemischt und dann (oder auch nacheinander) durch die "Aktivierungs-Düse" in die Vakuumkammer eingelassen wird.

Bei den beiden zuletzt beschriebenen Verfahren wird eine Vorspannung an die Gas-Einlaßdüse angelegt, so daß Plasma mit hohe Dichte in der Nähe der Öff­ nung der Gas-Einlaßdüse erzeugt wird und eine HF-Vorspannung an den zu be­ schichtenden Gegenstand angelegt, so daß Ionen aus dem Plasma mit hoher Dichte auf den Gegenstand injiziert werden und eine Schicht aus kubischem Bor-Nitrit entsteht.

Durch die oben beschriebenen Verfahren können Werkzeuge oder Teile davon beschichtet werden. Die Plasmadichte ist jedoch an den von der "Aktivierungs- Düse" entfernten Teilen gering. Folglich kann der zu beschichtende Bereich des Gegenstandes nicht wesentlich vergrößert werden. Es müssen also bei der An­ wendung obiger Verfahren eine große Anzahl von "Aktivierungs-Düsen" ver­ wendet werden, um einen genügend großen Bereich des Gegenstandes mit der Schicht aus kubischem Bor-Nitrit zu versehen. Nachteilig dabei sind die hohen Kosten und Abmessungen eines solchen Gerätes.

Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bildung einer reaktiven Schicht zu schaffen, mit der bei geringen Kosten und Abmes­ sungen ein Plasma mit hoher Dichte gleichförmig in der Nähe eines zu be­ schichtenden Gegenstandes erzeugt und somit ein großer Bereich des Gegen­ standes beschichtet werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 bezie­ hungsweise 2 angegeben. Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgedankens zum Inhalt.

Erfindungsgemäß wird in der Vorrichtung insbesondere eine erste Vorspan­ nungsquelle zum Anlegen einer HF-Spannung an den Gegenstand sowie eine zweite Vorspannungsquelle zum Anlegen einer DC- oder AC-Spannung an die Gas-Einlaßdüsen verwendet. Außerdem wird ein Magnetfeld erzeugt, das die von einer Elektronenquelle ausgesandten Elektronen gleichförmig über einen Bereich in der Umgebung des Gegenstandes verteilt, wodurch ein gleichförmiges Plasma mit hoher Dichte gebildet wird.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 die schematische Querschnittsdarstellung einer Vorrichtung zur Bildung einer Schicht aus kubischem Bor-Nitrit auf einem Ge­ genstand entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfin­ dung; und

Fig. 2 die schematische Querschnittsdarstellung einer Vorrichtung zur Bildung einer Schicht aus kubischem Bor-Nitrit entsprechend ei­ ner zweiten Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine Verdampfungsquelle 2 vom Hohlkathoden-Entladungstyp zur Erzeugung von Bordampf in einer Vakuumkammer 1 angeordnet. Dabei ist nur das Kernstück dieser Quelle 2 gezeigt, die Bor B enthält. Die durch gestri­ chelte Linien angedeuteten Elektronenstrahlen EB erhitzen und verdampfen das Bor in beziehungsweise aus der Quelle 2.

Der Elektronenstrahlgenerator kann auch als getrennte Einheit über der Quelle angeordnet sein.

Ein mit der kubischen Bor-Nitritschicht zu beschichtender Gegenstand 3 ist über der Verdampfungsquelle 2 angeordnet und wird durch nicht gezeigte Träger gehalten. Ein Hochfrequenzgenerator 5 ist über eine Anpassungsschaltung 4 mit kapazitiver Kopplung, die einen Kondensator und eine Induktivität auf­ weist, an den Gegenstand 3 angeschlossen, um daran die Hochfrequenz-Vor­ spannung anzulegen. Eine Heizquelle 6 ist zur Erwärmung des Gegenstandes 3 hinter diesem angeordnet. Eine Einlaß-Düse 7 für das Reaktionsgas wie zum Beispiel N₂ und NH₃ ist seitlich von der Verdampfungsquelle 2 vorgesehen. Weiterhin befindet sich eine Elektronenkanone 8 vom Hohlkathoden-Entla­ dungstyp zur Aussendung eines Elektronenstrahles zu dem Gegenstand 3 neben der Einlaß-Düse 7 für das Reaktionsgas, die außerdem mit einem Magneten 9 zur Bündelung des Elektronenstrahls an ihrem oberen Ende versehen ist. Die Elektronen werden von dem magnetischen Fluß des Magneten 9 beeinflußt, so daß sie gezielt zum Gegenstand 3 gelangen. Die Elektronenkanone 8 wird von einer Quelle 10 für Hohlkathodenentladung mit Leistung versorgt.

In der Nähe des Gegenstandes 3 ist ein Magnet 11 so angeordnet, daß die von der Elektronenkanone 8 ausgesandten Elektronen gleichförmig entsprechend den Abmessungen des mit der Bor-Nitritschicht zu beschichtenden Gegenstandes 3 verteilt werden, wodurch auch verhindert wird, daß Elektronen übermäßig nach außen diffundieren. Schließlich ist an der Seite des Vakuumbehälters 1 eine Absaugöffnung 20 vorgesehen, die mit einer nicht gezeigten Vakuumpumpe verbunden ist.

Als nächstes soll die Arbeitsweise der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung erklärt werden.

Aus der Verdampfungsquelle 2 vom Hohlkathoden-Entladungstyp verdampft Bor. N₂-Gas wird in den Vakuumbehälter 1 durch die Düse 7 für Reaktionsgas eingelassen. Zur Bündelung der von der Elektronenkanone 8 (Hohlkathoden- Entladungstyp) ausgehenden Elektronenstrahlen wird ein Strom durch den Magneten 9 geleitet. Dieser erzeugt eine magnetische Flußdichte. Die Elektro­ nenstrahlen werden durch den magnetischen Fluß konvergierend zum Gegen­ stand 3 gerichtet. Der durch den am Gegenstand 3 angeordneten Magneten 11 flie­ ßende Strom wird so eingestellt, daß die von der Elektronenkanone 8 ausge­ henden Elektronen gleichförmig entsprechend den Abmessungen des Gegen­ standes 3 verteilt werden. Folglich wird ein Plasma mit hoher Dichte in Ab­ hängigkeit von den Abmessungen des Gegenstandes 3 aufgebaut, das durch die Bezugsziffer 12 angedeutet ist. In diesem Zustand wird über die Anpassungs­ schaltung 4 (kapazitive Kopplung) von der Hochfrequenz-Spannungsquelle 5 eine HF-Vorspannung an den Gegenstand 3 angelegt. Auf diese Weise wird eine Schicht aus kubischem Bor-Nitrit gleichförmig auf dem Gegenstand 3 gebildet. Außerdem kann der beschichtete Bereich wesentlich größer sein als bei den Vorrichtungen des Standes der Technik. Schließlich ist auch die Abscheidungs­ rate höher.

Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung zur Bildung einer Schicht aus kubischem Bor- Nitrit entsprechend einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Gleiche Tei­ le wie in Fig. 1 sind mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet und sollen nicht noch einmal beschrieben werden.

Bei dieser Ausführungsform ist die Elektronenkanone 8 an einer Seitenwand des Vakuumgefäßes 1 angebracht, so daß die Elektronenstrahlen zur Bildung des Plasmas lateral in bezug auf den Gegenstand 3 eingestrahlt werden. Die Elektronenkanone 3 (Hohlkathoden-Entladungstyp) ist also im wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Gegenstandes 3 gerichtet, wobei letzterer, wie in Fig. 2 gezeigt, vertikal angeordnet ist. An der linken und rechten Seite des Ge­ genstandes 3 sind Magnete 13 a beziehungsweise 13 b angeordnet. Die von der Elektronenkanone 8 ausgehenden Elektronenstrahlen werden durch den ma­ gnetischen Fluß des Magneten 9 konvergierend auf den Gegenstand 3 gerichtet. Sie werden gleichförmig durch die Magneten 13 a und 13 b über den Gegenstand 3 verteilt. Folglich wird wieder ein Plasmabereich 14 mit hoher Dichte um den Gegenstand 3 gebildet. Im übrigen arbeitet die Vorrichtung gemäß Fig. 2 ge­ nauso wie die in Fig. 1 gezeigte. Beide Geräte sind im Hinblick auf ihre Kosten und Abmessungen zum Einsatz bei Produktionsprozessen gut geeignet.

Modifikationen sind insbesondere im Hinblick aus der Verdampfungsquelle 2 und der Elektronenkanone 8 denkbar. Es müssen nicht unbedingt solche vom Hohlkathoden-Entladungstyp verwendet werden, auch andere Typen sind denkbar. Auch ist die Anwendung der Vorrichtungen nicht auf die Bildung von Schichten aus kubischem Bor-Nitrit beschränkt. Es können auch andere reak­ tive Schichten gebildet werden. Auch kann eine DC- oder AC-Vorspannung über eine wie in Fig. 1 gezeigte Spannungsquelle 30 an die Einlaß-Düse 7 der beiden Ausführungsformen angelegt werden. Das Reaktionsgas ist teilweise ionisiert und wird durch die Vorspannung neutralisiert, so daß die Abscheidungsrate ver­ bessert wird.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Bildung einer reaktiven Schicht auf einem Gegenstand mit einer Trägereinheit zum Halten des zu beschichtenden Gegenstandes in ei­ ner Vakuumkammer, gekennzeichnet durch:

• - eine Verdampfungsquelle (2) für die die Schicht bildenden Elemente,
• - eine Vorrichtung (7) zum Einleiten von Reaktionsgas in die Vakuumkammer (1),
• - Vorspannungseinrichtungen (4, 5) zum Anlegen einer HF-Vorspannung an den Gegenstand (3);
• - einen Elektronenstrahlerzeuger (8), der den Gegenstand (3) mit Elektronen­ strahlen beaufschlagt; und
• - Vorrichtungen (9, 11) zur Erzeugung von Magnetfeldern, die die von dem Elek­ tronenstrahlerzeuger ausgehenden Elektronen gleichmäßig über einen den Ge­ genstand (3) umgebenden Bereich verteilen und dort halten, so daß in diesem Bereich Plasma (12) mit hoher Dichte gleichförmig aufgebaut wird.

2. Vorrichtung zur Bildung einer reaktiven Schicht auf einem Gegenstand mit einer Trägervorrichtung zum Halten des zu beschichtenden Gegenstandes in der Vakuumkammer, gekennzeichnet durch:

• - eine Verdampfungsquelle (2) für die die reaktive Schicht bildenden Elemente;
• - eine Vorrichtung (7) zur Einleitung von Reaktionsgas in die Vakuumkammer (1);
• - eine erste Vorspannungseinrichtung (4, 5) zum Anlegen einer HF-Vorspan­ nung an den Gegenstand (3);
• - eine zweite Vorspannungseinrichtung (30) zum Anlegen einer DC- oder AC- Vorspannung an die Gas-Einlaßvorrichtung (7) zur Aktivierung der Reaktion;
• - einen Elektronenstrahlerzeuger (8) zur Beaufschlagung des Gegenstandes mit Elektronenstrahlen; und
• - Generatoren (9, 11; 13 a, 13 b) zur Erzeugung von Magnetfeldern, die die von dem Elektronenstrahlerzeuger (8) ausgehenden Elektronen gleichförmig über einen den Gegenstand umgebenden Bereich verteilen und dort halten, so daß in diesem Bereich ein Plasma (12, 14) mit hoher Dichte gleichmäßig aufgebaut wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfelderzeuger (11) am peripheren Umfang des plattenförmig ausgebilde­ ten Gegenstandes (3) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfelderzeuger zwei Teile (13 a, 13 b) aufweisen, die an gegenüberliegenden Seiten des plattenförmigen Gegenstandes (3) angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektro­ nenstrahl auf die Oberfläche des plattenförmigen Gegenstandes (3) gerichtet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektro­ nenstrahl im wesentlichen parallel zu der Oberfläche des plattenförmigen Ge­ genstandes (3) gerichtet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfungsquelle (2) einen einen Bestandteil der reaktiven Schicht enthal­ tenden Kern aufweist und in der Vakuumkammer (1) gegenüber dem Gegenstand (3) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Heizquelle (6), die in bezug auf den Kern hinter dem Gegenstand (3) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Bestand­ teil Bor ist und das Reaktionsgas N₂, so daß die reaktive Schicht eine Schicht aus kubischen Bor-Nitrit ist.