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WO2002062114A1 - Plasmaanlage und verfahren zur erzeugung einer funktionsbeschichtung - Google Patents

Plasmaanlage und verfahren zur erzeugung einer funktionsbeschichtung Download PDF

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WO2002062114A1
WO2002062114A1 PCT/DE2001/004564 DE0104564W WO02062114A1 WO 2002062114 A1 WO2002062114 A1 WO 2002062114A1 DE 0104564 W DE0104564 W DE 0104564W WO 02062114 A1 WO02062114 A1 WO 02062114A1
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WO
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plasma
substrate
gas
plasma beam
chamber
Prior art date
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PCT/DE2001/004564
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English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Grosse
Sascha Henke
Susanne Spindler
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Priority to EP01989367A priority patent/EP1360880A1/de
Priority to US10/240,477 priority patent/US20110129617A1/en
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    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32357—Generation remote from the workpiece, e.g. down-stream
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    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
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    • C23C16/513—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges using plasma jets
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    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/30—Plasma torches using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy

Definitions

  • the invention relates to a plasma system with an inductively coupled high-frequency plasma beam source and a method for producing a functional coating on a substrate.
  • Thermal plasmas with which high coating rates in the range of mm / h can be achieved, are particularly suitable for coating substrates in the subatmospheric and atmospheric pressure range. Particularly promising among thermal plasma sources is the inductively coupled one
  • High-frequency plasma radiation source HF-ICP radiation source
  • E. Pfender and CH Chang “Plasma Spray Jets and Plasma Particulate Interaction: Modeling and Experiments", conference proceedings of the 6th workshop on plasma technology, TU Ill enau, 1998.
  • application DE 199 58 474.5 a method for producing functional layers with such a plasma beam source has already been proposed.
  • the advantages of the HF-ICP beam source lie on the one hand in the area of the working pressures in the source, which usually range from 50 bar to 1 bar and more, and on the other hand in the great variety of materials that can be used and deposited with such a plasma beam source.
  • the starting materials are introduced axially into the very hot plasma jet, hard materials with very high melting temperatures can also be used.
  • Another advantage of the RF-ICP beam source is that it works without electrodes, i.e. Contamination of the layers to be produced by the electrode material from the radiation source is excluded.
  • a disadvantage of known HF-ICP beam sources and plasma systems with such plasma beam sources are the high temperatures in the plasma beam of some 1000 ° C., to which the substrate to be coated is largely exposed. In this respect, the selection of substrates that can be used is clearly limited.
  • the object of the present invention was to provide a plasma system with an inductively coupled high-frequency plasma beam source and a method which can be carried out therewith for producing a functional coating on a substrate, the temperature load on the substrate during the production of the functional coating being significantly reduced compared to the prior art.
  • the plasma system according to the invention and the method according to the invention for producing a functional coating on a substrate by means of plasma intensity changed over time has the advantage over the prior art that the temperature to which the substrate is exposed can be reduced to less than half compared to the prior art ,
  • the plasma system according to the invention combines the advantages of a high-rate deposition process taking place in the atmospheric or near-atmospheric pressure range with a lowering of the substrate temperature and a change in the chemical processes in the plasma generated.
  • the method according to the invention is not a high vacuum method, which makes complex devices for ensuring this high vacuum unnecessary.
  • the method according to the invention can be used on almost all technically relevant substrate materials, such as steel and possibly also polymers, and that at the same time a large selection of materials or compositions of the coating to be produced, for example also insulating materials such as ceramics or sintered metals, be available.
  • the above-mentioned imbalance states which are present above all when the plasma is ignited and extinguished, form a substantial part of the total time when the plasma jet is pulsed appropriately, during which the plasma jet acts on the substrate, so that the chemical processes taking place in these imbalance states become a dominant factor for the entire deposition of functional coatings with such a plasma system or such a plasma beam source.
  • the processed substrate is arranged on a substrate electrode which is subjected to a voltage which is changed, preferably pulsed, in phase or phase correlation with the change in the intensity of the plasma beam ,
  • a further advantageous embodiment of the invention provides for the supply of the gas or precursor material to the plasma or the plasma beam to be correlated, in particular synchronized, with the fluctuating intensity of the plasma beam.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a plasma beam source in section
  • FIG. 2 shows the time-periodic course of the voltage at the plasma beam source
  • FIGS. 3a to 3h the plasma beam varying in intensity as a function of time
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a plasma system with a plasma beam source
  • FIG. 5 shows a second exemplary embodiment for a plasma system with a
  • FIG. 6 shows a plasma jet emerging from the plasma jet source according to FIG. 4.
  • the invention is based initially on a plasma jet source 5 known in principle from E. Pfender and C. H. Chang “Plasma Spray Jets and Plasma Particulate Interaction: Modeling and Experiments”, conference proceedings of the 6th workshop on plasma technology, TU Illmenau, 1998, or DE 199 58 474.5.
  • This plasma beam source 5 has a cup-shaped burner body 25 with a rear injector as a feed 10 for supplying an injector gas 11. Furthermore, a first cylindrical sleeve 14 and a second cylindrical sleeve 15 are provided, a central gas 12 being introduced into the interior of the first sleeve 14 via a suitable first feed, not shown, and into the interior of the second sleeve 15 via a suitable second feed, not shown an envelope gas 13 is supplied.
  • the burner body 25 also has, on its side facing away from the feed 10, an, for example, circular outlet opening 26 with a diameter of, for example, 1 cm to 10 cm, in particular 3 cm, which is provided with an opening aperture 22 shaped in accordance with the shape of the plasma jet 21 to be generated. Furthermore, a water-cooled copper coil 17, which is electrically connected to a high-frequency generator 16, is integrated into the burner body 25 in a vicinity of the outlet opening 26.
  • an electrical line of 500 W to 50 kW, in particular 1 kW to 10 kW, at a high frequency of 0.5 MHz to is supplied via the coil 17 and the high-frequency generator 16 20 MHz, in particular 0.5 to 4 MHz, is coupled into the interior of the burner body 25, so that a plasma 21 made of reactive particles can be ignited and maintained in a plasma generation space 27, which plasma plasma 20 emerges from the outlet opening 26 of the burner body 25 exits.
  • This plasma beam 20 acts then on a opposite the outlet opening 26, for example at a distance of '5 example, a piece of steel cm to 50 cm is arranged substrate 19 a which is located on a substrate support or a substrate electrode 18th
  • FIG. 1 additionally provides that an electrical component 28 is integrated in the high-frequency generator 16, with which the electrical power delivered by the high-frequency generator 16 to the coil 17 can be periodically changed over time, so that the intensity of the plasma beam generated also changes periodically over time.
  • the injector gas 11 introduced into the burner body 25 via the feed 10 or injector is, for example, a Precursor material for producing a functional coating on the substrate 19.
  • a gas which reacts with the injector gas 11 is suitable as the central gas 12 which is optionally added.
  • the lower limit is preferably set to zero, so that the plasma beam 20 periodically extinguishes over a predefinable time period.
  • the intensity of the plasma beam 20 may also be provided to vary between these two limits in almost every 'desired shape, such as without the plasma 21 temporarily turns off.
  • the intensity of the plasma beam 20 can vary with respect to the resulting envelopes in a rectangular, sinusoidal, sawtooth, rectangular or triangular shape, optionally with a suitable offset.
  • FIG. 2 explains how the intensity of the plasma beam 20 changes as a function of time when the electrical component 28 controls the high-frequency generator accordingly or the supply of electrical power to the coil
  • the ordinate in FIG. 2 shows the high-frequency voltage U applied to the coil 17, the magnitude or shape of which is approximately proportional to the intensity of the plasma beam 20 to the envelope.
  • the plasma beam 20 is then re-ignited in accordance with FIGS. 3c to 3e, which swings back briefly before it then expands continuously in accordance with FIGS. 3f to 3h, so that after approximately 13.3 ms the initial state in FIG.
  • FIGS. 3a to 3h show in particular that the plasma beam 20 emerges from the plasma beam source 5 as a free and largely bundled plasma beam 20 with little divergence.
  • FIG. 4 explains a plasma system with a conventional chamber 40, in which the substrate 19 is on a substrate carrier
  • FIG. 4 provides that the substrate carrier 18 is held in the chamber 40 with the aid of a holder 32 and can be cooled with cooling water 39 via a cooling water supply 31.
  • a first pressure pn between 10 mbar and 2 bar, in particular between 50 mbar and 1 bar, inside the plasma beam source 5, ie in a first pressure range 30, and inside the chamber 40, ie in a second pressure range 33.
  • a second pressure p 2 which is dependent on the size of the outlet opening 26 and the amount of the enveloping gas 13 or injector gas t - ′ as well as the performance of the pumps connected to the chamber 40. Due to a correspondingly high pumping power, this pressure p 2 is preferably significantly lower than the pressure pi, that is to say for example below 100 mbar, in particular below 10 mbar.
  • Argon which is introduced into the plasma beam source 5 with a gas flow of 40,000 sccm to 60,000 sccm, also serves as the envelope gas 13 in FIG.
  • the plasma beam source 5 or the generation of the plasma 21 is spatially separated from the production of the functional coating on the substrate 19, there is the possibility of the plasma beam 20 in the chamber 40, for example at a pressure of 1 mbar to 10 to use mbar, which leads to the plasma jet 20 being strongly accelerated and expanded at the same time as it emerges from the plasma jet source 5, inside which there is a significantly higher pressure of, for example, 500 mbar.
  • the plasma beam 20 widening when it exits the outlet opening 26.
  • the spatial decoupling of the processes in the chamber 40 from the plasma beam source 5 ensures that the plasma beam 20 can also be used in the chamber 40 under a fine vacuum of 1 mbar without the plasma mode caused by the plasma beam source 5 is specified, changed.
  • the respective pressures are preferably selected such that the ratio of the pressure in the first pressure region 30 to the pressure in the second pressure region 33 is greater than 1.5, in particular greater than 3. For example, a pressure difference of more than 100 mbar is maintained between the plasma generation chamber 27 in the interior of the plasma beam source 5 and the interior of the chamber 40 via a pump device (not shown) connected to the chamber 40.
  • the acceleration and expansion of the plasma jet 20 according to FIG. 4 has the advantage that even complicated geometries of the substrate 19 can be provided with coatings without any problems, and that the larger cross-sectional area of the plasma jet 20 at the location of the substrate 19 results in a shorter coating time with improved homogeneity at the same time the processing of the substrate 19 leads.
  • the holder 32 according to FIG. 4 also serves to introduce the substrate 19 into the plasma beam 20 so that it flows around it and the surface of the substrate 19 is processed and provided or coated with the desired functional layer.
  • the high speed of the reactive particles in the plasma jet 20 not only deeper cavities in the substrate 19 come into contact with the plasma 21, but also the diffusion boundary layer between the substrate 19 ′ and plasma 21 is reduced, which results in the diffusion of reactive plasma components onto the surface of the substrate 19 and thus shortens the required duration of the treatment of the substrate 19 with the plasma jet 20.
  • FIG. 5 explains a further embodiment of a plasma system with a plasma beam source 5.
  • the substrate 19 is arranged on a substrate electrode 18, which is connected to a substrate generator 37 via a generator feed line 36, so that the substrate is above it 19 can be supplied with an electrical voltage. Due to the electrical power or voltage thus coupled into the substrate electrode 18, ions contained in the plasma 21 or the plasma beam 20 are accelerated towards the substrate 19 and hit there with increased energy. Otherwise, a conventional insulation 34 for the electrical separation of the holder 32 and the cooling water supply 31 from the substrate electrode 18 is provided in FIG. The holder is for the effective movement of the substrate 19 relative to the plasma beam 20, in particular during the generation of the functional layer
  • the 32 of the substrate 19 is further preferably designed to be movable or rotatable in all three spatial directions.
  • the substrate generator 37 acts on the substrate electrode 18 with an electrical voltage of typically 10 V to 5 kV, in particular 50 V to 300 V, at a frequency of 0 Hz to 50 MHz, in particular 1 kHz to 50 kHz.
  • the voltage generated by the substrate generator 37 is corrected in time, in particular in opposite phase, to the change in the intensity of the plasma beam 21 with the plasma beam source 5, preferably pulsed.
  • Variants of the exemplary embodiment according to FIG. 5 provide expedient changes in the shape of the electrical voltage coupled into the substrate electrode 18, adapted to the individual case. For this purpose, their amplitude, frequency and / or slope can be changed, it can be a
  • Offset of a positive or negative DC voltage can be used or the voltage used is pulsed. In addition, it is not mandatory, but only advantageous if the electrical voltage used is changed periodically.
  • a pressure of more than 1 mbar, in particular 50 mbar to 1 bar prevails within the plasma jet source 5, while a significantly lower pressure exists in the chamber 40 of below 50 mbar, in particular 1 mbar to 10 mbar, is maintained.
  • This pressure ensures that there is a sufficient mean free path length of the ions from the plasma 21 in the chamber 40, so that the electrical voltage applied to the substrate electrode 18 still has an appreciable effect, i.e. leads to an acceleration of the ions present in the plasma beam 20 in the direction of the substrate 19.
  • the substrates 19 can be both electrically conductive and electrically insulating.
  • hard carbon layers can be generated in a rough vacuum with the aid of the aforementioned plasma system and the method explained.
  • the plasma system explained can also be used for treating the surface of the substrate 19, for example for carbonizing, nitriding or also for heating.
  • the plasma 21 has at least one gaseous or a microscale or a nanoscale precursor material, a suspension of the plasma 21 via the feed 10 in the plasma jet source 5 and / or the plasma jet 20 via a feed device (not shown) in the chamber 40 such precursor material or a reactive gas is supplied that, in a modified form, in particular after undergoing a chemical reaction or chemical activation, forms or integrates the functional coating on the substrate 19.
  • a carrier gas for the precursor material in particular argon and / or a reactive gas for a chemical reaction with the precursor material, in particular oxygen, nitrogen, Am can be added to the plasma 21 in the plasma jet source 5 or via the feed device also in the chamber 40 - Moniak, a silane, acetylene, methane or hydrogen can be supplied.
  • the precursor material is preferably an organic, an organosilicon or an organometallic compound which gives the plasma 21 and / or the plasma jet 20 in gaseous form.
  • ger or liquid form as microscale or nanoscale powder particles, as a liquid suspension, ' in particular with microscale or nanoscale particles suspended therein, or as a mixture of gaseous or liquid substances with solids.
  • a layer or a sequence of layers can be produced which contain a metal silicide, a metal carbide, a silicon carbide, a metal oxide, a silicon oxide, a metal nitride, Contains silicon nitride, a metal boride, a metal sulfide, amorphous carbon, diamond-like carbon or a mixture of these materials.
  • the high-frequency generator 16 is preferably a tetrode generator, which makes it possible in a particularly simple manner to generate the plasma beam 20 in the manner explained in an intensity-modulated manner, so that the temperature of the substrate 19 in the is essentially given by the average power of the plasma jet 20.
  • the method according to the invention thus also allows very high powers of the plasma beam 20 to be used for a short time without the substrate 19 being thermally overloaded.
  • the regulation of the gases supplied to the plasma beam source 5, for example the central gas 12, the injector gas 11 or the envelope gas 13, with the temporal modulation of the intensity of the plasma beam 20 and / or the temporal change of those at the substrate electrode 18 applied voltage is correlated.

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Abstract

Es wird eine Plasmaanlage mit einer induktiv gekoppelten Hochfrequenz-Plasmastrahlquelle (5) mit einem einen Plasmaerzeugungsraum (27) begrenzenden Brennerkörper (25) mit einer Austrittsöffnung (26) für den Plasmastrahl (20), einer den Plasmaerzeugungsraum (27) bereichsweise umgebenden Spule (17), einer Zuführung (10) zur Zufuhr eines Gases und/oder Precursor-Materials in den Plasmaerzeugungsraum (27) und einem mit der Spule (17) in Verbindung stehenden Hochfrequenzgenerator (16) zur Zündung des Plasmas (21) und Einkoppelung einer elektrischen Leistung in das Plasma (21) vorgeschlagen. Daneben weist die Plasmastrahlquelle (5) ein elektrisches Bauteil auf, mit dem die Intensität des Plasmastrahles (20) zeitlich periodisch veränderbar ist. Weiter ein Verfahren zur Erzeugung der Funktionsbeschichtung auf einem Substrat (19) mit der Plasmaanlage vorgeschlagen.

Description

Plasmaanlage und Verfahren zur Erzeugung einer Funktionsbe- schichtung
Die Erfindung betrifft eine Plasmaanlage mit einer induktiv gekoppelten Hochfrequenz-Plasmastrahlquelle und ein Verfahren zur Erzeugung einer Funktionsbeschichtung auf einem Substrat nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Das Aufbringen von Funktionsschichten auf Substrate ist ein weit verbreitetes Verfahren, um Oberflächen von Werkstücken bzw. Bauteilen gewünschte Eigenschaften zu geben. Ein übli- ches Verfahren, um derartige Funktionsschichten zu erzeugen, ist das Plasmabeschichten im Feinvakuum oder Hochvakuum, was aufwendige Evakuierungstechniken erfordert und zudem nur relativ geringe Beschichtungsraten liefert. Daher ist dieses Verfahren zeitintensiv und teuer.
Zur Beschichtung von Substraten im subatmosphärischen und atmosphärischen Druckbereich eignen sich insbesondere thermische Plasmen, mit denen hohe Beschichtungsraten im Bereich von mm/h erreichbar sind. Besonders vielversprechend unter den thermischen Plasmaquellen ist die induktiv gekoppelte
Hochfrequenz-Plasmastrahlquelle (HF-ICP-Strahlquelle) , wie sie aus E. Pfender und C. H. Chang „Plasma Spray Jets and Plasma Particulate Interaction: Modelling and Experiments", Tagungsband des 6. Workshop Plasmatechnik, TU Ill enau, 1998, bekannt ist. Zudem ist in der Anmeldung DE 199 58 474.5 auch bereits ein Verfahren zur Erzeugung von Funktionsschichten mit einer derartigen Plasmastrahlquelle vorgeschlagen worden.
Die Vorteile der HF-ICP-Strahlquelle liegen einerseits im Bereich der Arbeitsdrücke in der Quelle, die üblicherweise von 50 bar bis hin zu 1 bar und mehr reichen, und andererseits in der großen Vielfalt der einsetzbaren und mit einer derartigen Plasmastrahlquelle abscheidbaren Materialien. Insbesondere sind dadurch, dass die Ausgangsstoffe axial in den sehr heißen Plasmastrahl eingebracht werden, auch Hartstoffe mit sehr hohen Schmelztemperaturen verwendbar. Ein weiterer Vorteil der HF-ICP-Strahlquelle liegt darin, dass diese ohne Elektroden arbeitet, d.h. es sind Verunreinigun- gen der zu erzeugenden Schichten durch das Elektrodenmaterial aus der Strahlquelle ausgeschlossen.
Nachteilig bei bekannten HF-ICP-Strahlquellen und Plasmaanlagen mit derartigen Plasmastrahlquellen sind die hohen Tem- peraturen im Plasmastrahl von einigen 1000°C, denen weitgehend auch das zu beschichtende Substrat ausgesetzt ist. Insofern ist die Auswahl einsetzbarer Substrate deutlich eingeschränkt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war die Bereitstellung einer Plasmaanlage mit einer induktiv gekoppelten Hochfrequenz-Plasmastrahlquelle und eines damit durchführbaren Verfahrens zur Erzeugung einer Funktionsbeschichtung auf einem Substrat, wobei die Temperaturbelastung des Substrates bei der Erzeugung der Funktionsbeschichtung gegenüber dem Stand der Technik deutlich reduziert ist.
Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Plasmaanlage und das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung einer Funktionsbeschichtung auf einem Substrat mittels zeitlich veränderter Plasmaintensität hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die Temperatur, der das Substrat ausgesetzt ist, gegenüber dem Stand der Technik auf weniger als die Hälfte abgesenkt werden kann.
Weiter ist vorteilhaft, dass durch die erfindungsgemäße Plasmaanlage die Vorteile eines im atmosphärischen oder atmosphärennahen Druckbereichs ablaufenden Hochratenabscheide- verfahrens mit einer Absenkung der Substrattemperatur und einer Veränderung der chemischen Vorgänge im erzeugten Plasma verbunden werden.
Insbesondere ist vorteilhaft, dass es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht um ein Hochvakuumverfahren handelt, was aufwendige Einrichtungen zur Gewährleistung dieses Hochvakuums überflüssig macht.
Vorteilhaft ist weiterhin, dass das erfindungsgemäße Verfahren auf nahezu allen technisch relevanten Substratmaterialien, wie beispielsweise Stahl und gegebenenfalls auch Polymeren einsetzbar ist, und dass gleichzeitig eine große Auswahl an Materialien bzw. Zusammensetzungen der zu erzeugenden Beschichtung, beispielsweise auch isolierende Materialien wie Keramiken oder Sintermetalle, zur Verfügung stehen.
Weiter wird durch die zeitlich periodische Veränderung der Intensität des Plasmastrahles, die bevorzugt soweit geht, dass der Plasmastrahl zwischen Intensitätsmaxima gelöscht wird, in dem Plasmastrahl regelmäßig ein chemischer bzw. plasmaphysikalischer Ungleichgewichtszustand vorliegt, der vielversprechende Ansätze zur Erzeugung bisher unbekannter Schichtsysteme, beispielsweise keramischer Schichten oder SchichtSysteme, ermöglicht.
Insbesondere bilden die genannten üngleichgewichtszustände, die vor allem beim Zünden und Erlöschen des Plasmas vorliegen, bei geeigneter Pulsung des Plasmastrahles zeitlich betrachtet einen wesentlichen Teil der Gesamtzeit, während der der Plasmastrahl auf das Substrat einwirkt, so dass die in diesen üngleichgewichtszuständen ablaufenden chemischen Vor- gänge zu einem dominierenden Faktor für die gesamte Abscheidung von Funktionsbeschichtungen mit einer solchen Plasmaanlage bzw. einer solchen Plasmastrahlquelle werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.
So ist besonders vorteilhaft, wenn neben einem in der Intensität zeitlich periodisch schwankenden Plasmastrahl das bearbeitete Substrat auf einer Substratelektrode angeordnet ist, die mit einer Spannung beaufschlagt wird, die gegenpha- sig oder zeitlich korreliert zu der Veränderung der Intensität des Plasmastrahles verändert, vorzugsweise gepulst wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die Zufuhr des Gases bzw. Precursor-Materials zu dem Plasma bzw. dem Plasmastrahl zeitlich mit der schwankenden Intensität des Plasmastrahles zu korrelieren, insbesondere zu synchronisieren.
Schließlich ist vorteilhaft, wenn zumindest zeitweise während der Erzeugung der Funktionsschicht zwischen dem Inneren der Kammer und dem Plasmaerzeugungsraum ein möglichst ausgeprägter Druckgradient erzeugt wird, der eine Beschleunigung von in dem Plasmastrahl enthaltenen Teilchen auf das Substrat bewirkt. Auf diese Weise werden auch tiefere Hohlräume in der Oberfläche des Substrates besser von dem Plasmastrahl erreicht und es kommt zu einer verbesserten Haftung der Funktionsschicht auf dem Substrat.
Zeichnungen
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Plasmastrahlquelle im Schnitt, Figur 2 den zeitlich periodischen Verlauf der Spannung an der Plasmastrahlquelle, die Figuren 3a bis 3h den als Funktion der Zeit in seiner Intensität variierenden Plasmastrahl, Figur 4 ein Ausführungsbeispiel für eine Plasmaanlage mit einer Plasmastrahlquelle und Figur 5 ein zwei- tes Ausführungsbeispiel für eine Plasmaanlage mit einer
Plasmastrahlquelle. Die Figur 6 zeigt einen aus der Plasmastrahlquelle gemäß Figur 4 austretenden Plasmastrahl.
Ausführungsbeispiele
Die Erfindung geht zunächst aus von einer grundsätzlich aus E. Pfender und C. H. Chang „Plasma Spray Jets and Plasma Particulate Interaction: Modelling and Experiments", Tagungsband des 6. Workshop Plasmatechnik, TU Illmenau, 1998, oder DE 199 58 474.5 bekannten Plasmastrahlquelle 5.
Diese Plasmastrahlquelle 5 weist einen topfförmigen Brennerkörper 25 mit einem rückseitigen Injektor als Zuführung 10 zur Zufuhr eines Injektorgases 11 auf. Weiter ist eine erste zylindrische Hülse 14 und eine zweite zylindrische Hülse 15 vorgesehen, wobei in das Innere der ersten Hülse 14 über eine geeignete, nicht dargestellte erste Zufuhr ein Zentralgas 12 und in das innere der zweiten Hülse 15 über eine geeignete, nicht dargestellte zweite Zufuhr ein Hüllgas 13 zuge- führt wird. Der Brennerkörper 25 weist weiter auf seiner der Zuführung 10 abgewandten Seite eine beispielsweise kreisförmige Austrittsöffnung 26 mit einem Durchmesser von beispielsweise 1 cm bis 10 cm, insbesondere 3 cm auf, die mit einer entsprechend der Form des zu erzeugenden Plasmastrahles 21 geformten Öffnungsblende 22 versehen ist. Weiter ist in den Brennerkörper 25 in einer Umgebung der Austrittsöffnung 26 eine wassergekühlte Kupferspule 17 integriert, die elektrisch mit einem Hochfrequenz-Generator 16 verbunden ist.
Bei Zufuhr des Injektorgases 11, des Zentralgases 12 sowie des Hüllgases 13 wird über die Spule 17 und den Hochfrequenz-Generator 16 eine elektrische Leitung von 500 W bis 50 kW, insbesondere 1 kW bis 10 kW, bei einer Hochfrequenz von 0,5 MHz bis 20 MHz, insbesondere 0,5 bis 4 MHz, in das Innere des Brennerkörpers 25 eingekoppelt, so dass in einem Plasmaerzeugungsraum 27 ein Plasma 21 aus reaktiven Teilchen gezündet und aufrechterhalten werden kann, das in Form eines Plasmastrahles 20 aus der Austrittsöffnung 26 des Brenner- körpers 25 austritt. Dieser Plasmastrahl 20 wirkt dann weiter auf ein gegenüber der Austrittsöffnung 26 beispielsweise in einem Abstand von '5 cm bis 50 cm angeordnetes Substrat 19, beispielsweise ein Stahlstück ein, das sich auf einem Substratträger oder einer Substratelektrode 18 befindet.
In Figur 1 ist weiter gegenüber dem Stand der Technik zusätzlich vorgesehen, dass in den Hochfrequenz-Generator 16 ein elektrisches Bauteil 28 integriert ist, mit dem die von dem Hochfrequenz-Generator 16 an die Spule 17 abgegebene elektrische Leistung zeitlich periodisch veränderbar ist, so dass sich darüber auch die Intensität des erzeugten Plasmastrahles zeitlich periodisch verändert.
Das in den Brennerkörper 25 über die Zuführung 10 bzw. In- jektor eingebrachte Injektorgas 11 ist beispielsweise ein Precursor-Material zur Erzeugung einer Funktionsbeschichtung auf dem Substrat 19. Als Zentralgas 12, das optional zugegeben wird, eignet sich beispielsweise ein mit dem Injektorgas 11 reagierendes Gas. Das zugeführte Hüllgas 13, das vorzugs- weise Argon ist, schützt einerseits die Wände des Brennerkörpers 25 und dient darüber hinaus dazu, das erzeugte Plasma 21 über die Austrittsöffnung 26 strahlförmig aus der Plasmastrahlquelle 5 herauszublasen, so dass dieses als ge- . bündelter bzw. geführter Plasmastrahl 20 auf das Substrat 19 einwirkt. Dazu wird das Hüllgas 13 mit einem Gasfluss von
5000 sccm bis 100000 sccm („cm3/min bei Normaldruck"), vorzugsweise 20000 sccm bis 70000 sccm eingeführt.
Die zeitlich periodische Veränderung der Intensität des Plasmastrahles 20 mittels des elektrischen Bauteils 28, das im Übrigen auch als separates Bauteil zwischen Spule 17 und Hochfrequenz-Generator 16 geschaltet sein kann, erfolgt mit einer Frequenz von 1 Hz bis 10 kHz, insbesondere 50 Hz bis 1 kHz zwischen einer einstellbaren oberen Grenze und einer einstellbaren unteren Grenze der Intensität. Bevorzugt wird die untere Grenze auf Null gesetzt, so dass der Plasmastrahl 20 über eine vorgebbare Zeitdauer periodisch erlischt. Alternativ kann jedoch ebenso vorgesehen sein, die Intensität, des Plasmastrahles 20 zwischen den beiden genannten Grenzen nahezu in jeder' gewünschten Form zu variieren, beispielsweise ohne dass das Plasma 21 zwischenzeitlich erlischt. Insbesondere kann die Intensität des Plasmastrahles 20 hinsichtlich der sich ergebenden Einhüllenden rechteckförmig, sinusförmig, sägezahnförmig, rechteckförmig oder dreieckförmig, gegebenenfalls mit einem geeigneten Offset, variieren.
Zu weiteren bekannten Einzelheiten zu dem Aufbau der Plasma- strahlquelle 5 sowie dem damit durchgeführten Verfahren zur Erzeugung von Funktionsschichten sei auf die Anmeldung DE 199 58 474.5 verwiesen. Die Figur 2 erläutert, wie sich die Intensität des Plasma— Strahles 20 als Funktion der Zeit verändert, wenn das elektrische Bauteil 28 den Hochfrequenz-Generator entsprechend steuert bzw. die- Zufuhr elektrischer Leistung zu der Spule
17 entsprechend variiert. Dabei ist in Figur 2 auf der Ordinate die an der Spule 17 anliegende hochf equente Spannung U aufgetragen, deren Betrag bzw. deren Form der Einhüllenden näherungsweise der Intensität des Plasmastrahles 20 propor- tional ist.
Die Intensität des aus der Austrittsöffnung 26 des Brennerkörpers 25 austretenden Plasmastrahls 20 der Plasmastrahl— quelle 5 wird mit Hilfe der Figuren 3a bis 3h für verschie- dene Zeiten t zwischen t = 0,3 ms und t = 13,3 ms erläutert. Dabei tritt der Plasmastrahl 20 zur Zeit t = 0 gemäß Figur 3a zunächst mit hoher Intensität aus der Austrittsöffnung 26 aus, diese Intensität vermindert sich dann gemäß Figur 3b deutlich, so dass der Plasmastrahl 20 kurz danach vollstän- dig erlischt. Anschließend wird der Plasmastrahl 20 gemäß den Figuren 3c bis 3e dann neu gezündet, wobei der kurz zurückschwingt, bevor er sich gemäß den Figuren 3f bis 3h dann kontinuierlich ausdehnt, so dass nach ca. 13,3 ms der Ausgangszustand gemäß Figur 3a nahezu wieder erreicht ist. Das Pulsen des Plasmastrahls 20 gemäß den Figuren 3a bis 3h wird durch eine Veränderung der in die Spule 17 eingekoppelten elektrischen Hochfrequenzleistung bewirkt. Die Figuren 3a bis 3h zeigen insbesondere, dass der Plasmastrahl 20 als freier und weitgehend gebündelter Plasmastrahl 20 mit gerin- ger Divergenz aus der Plasmastrahlquelle 5 austritt.
Die Figur 4 erläutert eine Plasmaanlage mit einer üblichen Kammer 40, in der das Substrat 19 auf einem Substratträger
18 gegenüber der Austrittsöffnung 26 der Plasmastrahlquelle 5 angeordnet ist, so dass der Plasmastrahl 20 über die Aus- trittsöffnung 26 in die Kammer 40 eintreten und dort auf das Substrat 19 einwirken kann. Insbesondere ist in Figur 4 vorgesehen, dass der Substratträger 18 mit Hilfe einer Halte— rung 32 in der Kammer 40 gehalten und über eine Kühlwasser- zufuhr 31 mit Kühlwasser 39 kühlbar ist.
Gemäß Figur 4 herrscht im Inneren der Plasmastrahlquelle 5, d.h. in einem ersten Druckbereich 30, ein erster Druck pn zwischen 10 mbar und 2 bar, insbesondere zwischen 50 mbar und 1 bar, sowie im Inneren der Kammer 40, d.h. in einem zweiten Druckbereich 33, ein zweiter Druck p2, der von Größe der Austrittsöffnung 26 und der Menge des zugeführten Hüllgases 13 bzw. Injektorgases t - ' sowie auch der Leistungsfähigkeit der mit der Kammer 40 in Verbindung stehenden Pumpen abhängig ist. Bevorzugt liegt dieser Druck p2 durch eine entsprechend hohe Pumpleistung deutlich niedriger als der Druck pi, d.h. beispielsweise unter 100 mbar, insbesondere unter 10 mbar. Weiter dient als Hüllgas 13 in Figur 4 Argon, das mit einem Gasfluss von 40000 sccm bis 60000 sccm in die Plasmastrahlquelle 5 eingeführt wird.
Insbesondere besteht dadurch, dass gemäß Figur 4 die Plasmastrahlquelle 5 bzw. die Erzeugung des Plasmas 21 räumlich von der Erzeugung der Funktionsbeschichtung auf dem Substrat 19 getrennt ist, die Möglichkeit, den Plasmastrahl 20 in der Kammer 40 beispielsweise bei einem Druck von 1 mbar bis 10 mbar einzusetzen, was dazu führt, dass der Plasmastrahl 20 beim Austritt aus der Plasmastrahlquelle 5, in deren Innerem ein deutlich höherer Druck von beispielsweise 500 mbar herrscht, stark beschleunigt und gleichzeitig expandiert wird. Dies ist in Figur 4 durch den sich bei dem Austritt aus der Austrittsöffnung 26 aufweitenden Plasmastrahl 20 schematisch angedeutet. Ein derartig expandierter bzw. beschleunigter Plasmastrahl
20, bei dem die in dem Plasmastrahl enthaltenen reaktiven Teilchen durchaus Schallgeschwindigkeit oder auch Überschallgeschwindigkeit erreichen können, ist in der Lage, auf dem Substrat 19 auch in dort vorhandene tiefe Hohlräume einzudringen. Weiterhin führt eine derartige Expansion des Plasmastrahls 20 zu einer plötzlichen Abkühlung des Plasmas
21, was einerseits die Temperaturbelastung des Substrates 19 weiter senkt und andererseits zu plasmachemischen Vorteilen hinsichtlich einer Steigerung der Beschichtungsrate und einer Erhöhung der Qualität der erzeugten Beschichtung auf dem Substrat führt.
Insbesondere wird durch die räumliche Entkoppelung der Vor- gänge in der Kammer 40 von der Plasmastrahlquelle 5 gewährleistet, dass sich der Plasmastrahl 20 auch in einem Feinvakuum von 1 mbar in der Kammer 40 einsetzen lässt, ohne dass sich der Plasmamodus, der durch die Plasmastrahlquelle 5 vorgegeben wird, verändert.
Die Beschleunigung und Expansion des Plasmastrahls 20 in dem Betriebsmodus gemäß Figur 4 wird mit Hilfe der Figur 6 näher erläutert, wo der Austritt eines derartigen beschleunigten Plasmastrahls 20 aus der Austrittsöffnung 26 in die Kammer 40 dargestellt ist. Insbesondere sind dort deutlich sogenannte Verdichtungsknoten 23 (Mach' sehe Knoten) erkennbar, was anzeigt, dass der Plasmastrahl 20 näherungsweise mit Schallgeschwindigkeit aus der Austrittsöffnung 26 austritt, und dass damit die in dem Plasmastrahl 20 enthaltenen Teil- chen am Ort des Substrates 19 zumindest teilweise auf eine Geschwindigkeit beschleunigt werden, die vergleichbar oder sogar größer als die Schallgeschwindigkeit in dem Plasmastrahl 20 ist. Durch den ausgeprägten Druckgradienten zwischen der Plasmastrahlquelle 5 und der Kammer 40, der das in dem Plasma 21 bzw. dem Plasmastrahl 20 vorhandene ionisierte Gas mit hoher Geschwindigkeit in die Kammer 40 einsaugt, wird zudem er- reicht, die beiden Bereiche 30, 33 über die Austrittsöffnung 26 bezüglich der jeweils dort herrschenden Drücke weitgehend entkoppelt sind.
Bevorzugt sind die jeweiligen Drücke so gewählt, dass das Verhältnis des Druckes in dem ersten Druckbereich 30 zu dem Druck in dem zweiten Druckbereich 33 größer als 1,5, insbesondere größer 3, ist. Beispielsweise wird über eine mit der Kammer 40 verbundene, nicht dargestellte Pumpeinrichtung eine Druckdifferenz von mehr als 100 mbar zwischen dem Plasma- erzeugungsraum 27 im Inneren der Plasmastrahlquelle 5 und dem Inneren der Kammer 40 aufrechterhalten.
Insgesamt hat das Beschleunigen und Expandieren des Plasmastrahls 20 gemäß Figur 4 den Vorteil, dass auch komplizierte Geometrien des Substrates 19 problemlos mit Beschichtungen zu versehen sind, und dass die größere Querschnittsfläche des Plasmastrahls 20 am Ort des Substrates 19 zu einer verkürzten Beschichtungszeit bei gleichzeitig verbesserter Homogenität der Bearbeitung des Substrates 19 führt.
Die Halterung 32 gemäß Figur 4 im Übrigen dient dazu, das Substrat 19 in den Plasmastrahl 20 einzubringen, so dass dieses dort von diesem umströmt und die Oberfläche des Substrates 19 bearbeitet und mit der gewünschten Funktions- schicht versehen oder beschichtet wird. Dabei kommen durch die hohe Geschwindigkeit der reaktiven Teilchen in dem Plasmastrahl 20 nicht nur tiefere Hohlräume in dem Substrat 19 mit dem Plasma 21 in Kontakt, sondern es verkleinert sich auch die Diffusionsgrenzschicht zwischen Substrat 19' und Plasma 21, was die Diffusion reaktiver Plasmabestandteile auf die Oberfläche des Substrates 19 erleichtert und so die erforderliche Dauer der Behandlung des Substrates 19 mit dem Plasmastrahl 20 verkürzt.
Die Figur 5 erläutert ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Plasmaanlage mit einer Plasmastrahlquelle 5. Dabei ist zusätzlich zu Figur 4 vorgesehen, dass das Substrat 19 auf einer Substratelektrode 18 angeordnet ist, die über eine Generatorzuleitung 36 mit einem Substratgenerator 37 verbunden ist, so dass darüber das Substrat 19 mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden kann. Durch die so in die Substratelektrode 18 eingekoppelte elektrische Leistung bzw. Spannung werden in dem Plasma 21 bzw. dem Plasmastrahl 20 enthaltene Ionen auf das Substrat 19 hin beschleunigt und treffen dort mit erhöhter Energie auf. Im Übrigen ist in Figur 5 eine übliche Isolierung 34 zur elektrischen Trennung der Halterung 32 und der Kühlwasserzufuhr 31 von der Substratelektrode 18 vorgesehen. Zur effektiven Bewegung des Substrates 19 gegenüber dem Plasmastrahl 20 insbesondere während der Erzeugung der Funktionsschicht ist die Halterung
32 des Substrates 19 weiter bevorzugt in allen drei Raumrichtungen beweglich bzw. drehbar ausgebildet.
Im Einzelnen beaufschlagt der Substratgenerator 37 die Sub- stratelektrode 18 mit einer elektrischen Spannung von typischerweise 10 V bis 5 kV, insbesondere 50 V bis 300 V, bei einer Frequenz von 0 Hz bis 50 MHz, insbesondere 1 kHz bis 50 kHz. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Ausführungs- beispiels gemäß Figur 5 ist zudem vorgesehen, dass die von dem Substratgenerator 37 erzeugte Spannung zeitlich korre- liert, insbesondere gegenphasig, zu der Veränderung der Intensität des Plasmastrahles 21 mit der Plasmastrahlquelle 5 verändert, vorzugsweise gepulst wird. Varianten des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 5 sehen zweckmäßige, auf den Einzelfall angepasste Veränderungen der Form der in die Substratelektrode 18 eingekoppelten elektrischen Spannung vor. Dazu kann deren Amplitude, Frequenz und/oder Flankensteilheit verändert werden, es kann ein
Offset einer positiven oder negativen Gleichspannung eingesetzt werden oder die eingesetzte Spannung wird gepulst. Zudem ist es nicht zwingend sondern lediglich vorteilhaft, wenn die eingesetzte elektrische Spannung periodisch verän- dert wird.
Hinsichtlich der Drücke in dem ersten Druckbereich 30 bzw. dem zweiten Druckbereich 33 gemäß Figur 5 ist vorteilhaft, wenn innerhalb der Plasmastrahlquelle 5 ein Druck von mehr als 1 mbar, insbesondere 50 mbar bis 1 bar herrscht, während in der Kammer 40 ein deutlich niedriger Druck von unter 50 mbar, insbesondere 1 mbar bis 10 mbar, aufrechterhalten wird. Dieser Druck gewährleistet, dass in der Kammer 40 eine ausreichende mittlere freie Weglänge der Ionen aus dem Plas- ma 21 gegeben ist, so dass die an der Substratelektrode 18 angelegte elektrische Spannung noch zu einem nennenswerten Effekt, d.h. zu einer Beschleunigung der in dem Plasmastrahl 20 vorhanden Ionen in Richtung auf das Substrat 19, führt. Insofern arbeitet das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 in der Kammer 40 mit einem Druck, der deutlich unterhalb des allgemein eingesetzten Druckes bei der Erzeugung von Beschichtungen mit Hilfe von induktiv gekoppelten Hochfrequenz-Plasmastrahlquellen liegt. Auf diese Weise ist es mit der Plasmaanlage gemäß Figur 5 ohne Weiteres möglich, Be- Schichtungen auf dem Substrat 19 zu erzeugen, die ansonsten lediglich über CVD-Verfahren herstellbar sind, insbesondere DLC-Schichten („diamond-like-carbon") .
Insgesamt lassen sich mit Hilfe der vorgenannten Ausfüh- rungsbeispiele eine große Vielzahl von Beschichtungen auf technisch relevanten Substratmaterialien herstellen, wobei die Substrate 19 sowohl elektrisch leitend als auch elektrisch isolierend sein können. Insbesondere lassen sich mit Hilfe der vorgenannten Plasmaanlage und des erläuterten Verfahrens harte Kohlenstoff-Schichten im Grobvakuum erzeugen. Daneben lässt sich die erläuterte Plasmaanlage aber auch zur Behandlung der Oberfläche des Substrates 19, beispielsweise zum Carbonisieren, Nitrieren oder auch zum Aufheizen einsetzen.
Hinsichtlich der in die Plasmastrahlquelle 5 einführbaren Materialien zur Abscheidung einer Beschichtung auf dem Substrat 19 im Rahmen der vorstehenden Beispiele sei zunächst auf die Anmeldung DE 199 58 474.5 verwiesen. Insbesondere ist vorgesehen, dass dem Plasma 21 über die als Injektor ausgebildete Zuführung 10 in der Plasmastrahlquelle 5 und/oder dem Plasmastrahl 20 über eine nicht dargestellte Zufuhreinrichtung in der Kammer 40 mindestens ein gasförmiges oder ein mikroskaliges oder ein nanoskaliges Precursor- Material, eine Suspension eines solchen Precursor-Materials oder ein Reaktivgas zugeführt wird, dass in modifizierter Form, insbesondere nach Durchlaufen einer chemischen Reaktion oder einer chemischen Aktivierung, auf dem Substrat 19 die Funktionsbeschichtung bildet oder in diese integriert wird. Weiter kann dem Plasma 21 in der Plasmastrahlquelle 5 bzw. über die Zufuhreinrichtung auch in der Kammer 40 ein Trägergas für das Precursor-Material, insbesondere Argon und/oder ein Reaktivgas für eine chemische Reaktion mit dem Precursor-Material, insbesondere Sauerstoff, Stickstoff, Am- moniak, ein Silan, Acetylen, Methan oder Wasserstoff zugeführt werden.
Bevorzugt ist das Precursor-Material eine organische, eine siliziumorganische oder eine metallorganische Verbindung, die dem Plasma 21 und/oder dem Plasmastrahl 20 in gasförmi- ger oder flüssiger Form, als mikroskalige oder nanoskalige Pulverpartikel, als flüssige Suspension, 'insbesondere mit darin suspendierten mikroskaligen oder nanoskaligen Partikeln, oder als Mischung von gasförmigen oder flüssigen Stof- fen mit Feststoffen zugeführt wird. Auf diese Weise kann mit der erläuterten Plasmaanlage bzw. mit dem erläuterten Verfahren als Funktionsbeschichtung auf dem Substrat 19 beispielsweise eine Schicht oder eine Abfolge von Schichten erzeugt werden, die ein Metallsilizid, ein Metallcarbid, ein Siliziumcarbid, ein Metalloxid, ein Siliziumoxid, ein Metallnitrid, Siliziumnitrid, ein Metallborid, ein Metallsulfid, amorphen Kohlenstoff, diamantähnlichen Kohlenstoff oder eine Mischung dieser Materialien enthält.
Abschließend sei noch ausgeführt, dass der Hochfrequenz- Generator 16 bevorzugt ein Tetroden-Generator ist, der es in besonders einfacher Weise ermöglicht, den Plasmastrahl 20 in der erläuterten Weise intensitätsmoduliert zu erzeugen, so dass über diese Intensitätsmodulation die sich einstellende Temperatur des Substrates 19 im wesentlichen durch die mittlere Leistung des Plasmastrahls 20 gegeben ist. Somit erlaubt es das erfindungsgemäße Verfahren kurzzeitig auch sehr hohe Leistungen des Plasmastrahls 20 einzusetzen, ohne dass das Substrat 19 thermisch überlastet wird.
Zudem kann auch vorgesehen sein, dass die Regelung der der Plasmastrahlquelle 5 zugeführten Gase, beispielsweise des Zentralgases 12, des Injektorgases 11 oder des Hüllgases 13, mit der zeitlichen Modulation der Intensität des Plasma- Strahles 20 und/oder der zeitlichen Veränderung der an der Substratelektrode 18 anliegenden elektrischen Spannung kor- reliert wird.

Claims

Ansprüche
1. Plasmaanlage mit mindestens einer induktiv gekoppelten Hochfrequenz-Plasmastrahlquelle mit einem einen Plasmaerzeugungsraum (27) begrenzenden Brennerkörper (25) mit einer Austrittsöffnung (26) für den Plasmastrahl (20) , einer den Plasmaerzeugungsraum (27) bereichsweise umgebenden Spule (17) , mindestens einer Zuführung (10) zur Zufuhr eines Gases und/oder eines Precursor-Materials in den Plasmaerzeugungsraum (27) und einem mit der Spule (17) in Verbindung stehenden Hochfrequenzgenerator (16) zur Zündung des Plasmas (21) und Einkoppelung einer elektrischen Leistung in das Plasma (21) , dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisches Bauteil (28) vorgesehen ist, mit dem die Intensität des Plasmastrahles (20) zeitlich periodisch veränderbar ist.
2. Plasmaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Bauteil (28) in den Hochfrequenzgenerator (16) integriert oder zwischen Spule (17) und Hochfrequenzgenerator (16) geschaltet ist.
3. Plasmaanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Brennerkörper (25) topfförmig ausgebildet ist und die Spule (17) den Brennerkorper (25) in einer Umgebung der Austrittsöffnung (26) umgibt oder dort in diesen integriert ist, dass eine erste Zuführung (10) zur Zufuhr eines Injektorgases (11) in den Plasmaerzeugungsraum (27) , insbesondere eines Precursor-Materials zur Erzeugung einer Funktionsbeschichtung auf einem Substrat (19) mit dem Plasmastrahl (20) , und mindestens eine zweite Zuführung zur Zufuhr eines mit dem Injektorgas (11) reagierenden Zentralgases (12) in den Plasmaerzeugungsraum (27) und/oder eines den Brennerkörper (25) von dem darin erzeugten Plasma (21) zumindest bereichsweise trennenden, insbesondere das Plasma (21) konzentrisch umgebenden Hüllgases (13) in den Plasmaerzeugungsraum (27) vorgesehen ist.
4. Plasmaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit der Plasmastrahlquelle (5) über die Austrittsöffnung (26) in Verbindung stehende Kammer (40) vorgesehen ist, in der ein dem Plasmastrahl (20) der Plasma- strahlquelle (5) ausgesetztes Substrat (19) anordbar ist, wobei eine elektrisch mit einem Substratgenerator (37) verbundene Substratelektrode (18) vorgesehen ist, auf der das Substrat (19) angeordnet wird.
5. Plasmaanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kammer (40) eine Zufuhreinrichtung, insbesondere ein Injektor oder eine Gasdusche, zur Zufuhr eines Reaktivgases und/oder eines Precursor- Materials zu dem Plasmastrahl (20) vorgesehen ist.
6. Verfahren zur Erzeugung einer Funktionsbeschichtung auf einem in einer Kammer (40) angeordneten Substrat (19) , wobei mittels einer induktiv gekoppelten Hochfrequenz- Plasmastrahlquelle (5) ein Plasma (21) mit reaktiven Teil- chen erzeugt wird, das über eine Austrittsöffnung (26) in
Form eines Plasmastrahles (20) aus der Plasmastrahlquelle (5) in die damit verbundene Kammer (40) eintritt und auf das Substrat (19) derart einwirkt, dass auf dem Substrat (19) eine Funktionsbeschichtung erzeugt oder abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmastrahl (20) bei dem Einwirken auf das Substrat (19) in seiner Intensität zeitlich periodisch verändert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des Plasmastrahls (20) mit einer Frequenz von 1 Hz bis 10 kHz, insbesondere 50 Hz bis 1 kHz, verändert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des Plasmastrahls (20) zwischen einer einstellbaren oberen und einer einstellbaren unteren Grenze verändert und insbesondere der Plasmastrahl (20) über eine einstellbare Zeitdauer periodisch auch ge- löscht wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Spule (17) eine elektrische Leistung von 500 Watt bis 50 kW, insbesondere 1 kW bis 10 kW, bei einer Hochfrequenz von 0,5 MHz bis 20 MHz in das Plasma (21) eingekoppelt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma (21) mittels Zufuhr eines Gases, insbesondere Argon, mit einem Gasfluss von 5000 sccm bis 100000 sccm, insbesondere 20000 sccm bis 70000 sccm, zu der Plasmastrahlquelle (5) über die Austrittsöffnung (26) strahlförmig aus der Plasmastrahlquelle (5) herausgeblasen und in die Kammer (40) geführt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem Plasma (21) über eine Zuführung (10) in der Plasmastrahlquelle (5) und/oder dem Plasmastrahl (20) über eine Zufuhreinrichtung in der Kammer (40) minde- stens ein insbesondere gasförmiges oder mikroskaliges oder nanoskaliges Precursor-Material, eine Suspension eines solchen Precursor-Materials oder ein Reaktivgas zugeführt wird, das in modifizierter Form, insbesondere nach Durchlaufen ei- ner chemischen Reaktion oder einer chemischen Aktivierung, auf dem Substrat (19) die Funktionsbeschichtung bildet oder in diese integriert wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Plasma (21) ein Trägergas für das
Precursor-Material, insbesondere Argon, und/oder ein Reaktivgas für eine chemische Reaktion mit dem Precusor- Material, insbesondere Sauerstoff, Stickstoff, Ammoniak, Si- lan, Acetylen, Methan oder Wasserstoff, zugeführt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Precursor-Material eine organische, eine siliziumorganische oder eine metallorganische Verbindung ist, die dem Plasma (21) und/oder dem Plasmastrahl (20) in gasförmiger, dampfförmiger oder flüssiger Form, als mi- kro- oder nanoskalige Pulverpartikel, als flüssige Suspension, insbesondere mit darin suspendierten mikro- oder nanoskaligen Partikeln, oder als Mischung von gasfömigen oder flüssigen Stoffen mit Feststoffen zugeführt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Inneren der Kammer (40) und dem Plasmaerzeugungsraum (27) zumindest zeitweise ein Druckgradient erzeugt wird, der eine Beschleunigung von in dem Plasmastrahl (20) enthaltenen Teilchen auf das Substrat (19) bewirkt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmastrahlquelle (5) in ihrem In- neren bei einem Druck von 1 mbar bis 2 bar, insbesondere 50 mbar bis 1 bar, betrieben wird, und dass der Druck in dem Inneren der Kammer (40) unter 50 mbar, insbesondere zwischen 1 mbar bis 10 mbar, gehalten wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (19) auf einer mit einer elektrischen Spannung von 10 Volt bis 5 kv, insbesondere
50 Volt bis 300 Volt, bei einer Frequenz von 0 bis 50 MHz, insbesondere 1 kHz bis 100 kHz, beaufschlagten Substratelektrode (18) angeordnet wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung gegenphasig oder zeitlich korreliert zu der Veränderung der Intensität des Plasmastrahles (21) verändert, insbesondere gepulst wird.
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