DE102012017894A1 - Method for applying an oxide layer to a surface - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen einer Oxidschicht aus einem Oxid eines Grundelementes auf eine Oberfläche eines Subtrates. Die Beschichtung von Oberflächen von Substraten mit Oxidschichten aus Oxiden unterschiedlichster Grundelemente, wie beispielsweise Titan, Silizium oder ähnlichem wird heute in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen moderner Technik verwendet. So können beispielsweise Dachpfannen mit einer Titandioxid-Partikel-Beschichtung versehen werden, die anschließend thermischen Behandlungen unterzogen werden müssen. Durch Oxidschichten können zudem dielektrische Schichten für Solarzellenanwendungen und für Feldeffekttransistoren in der Mikroelektronik, hydrophobe Passivierungsschichten für unterschiedlichste Anwendungen, Antireflexbeschichtungen auf Gläsern oder biofunktionale Schichten, beispielsweise auf medizinischen Implantatwerkstücken, erzeugt werden. Diese Anwendungen beziehen sich allein auf die Verwendung von Siliziumoxidschichten. Natürlich sind auch andere Grundelemente, wie beispielsweise Germanium, Arsen, Bor, Phosphor oder Tellur verwendbar, wodurch sich weitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben.The invention relates to a method for applying an oxide layer of an oxide of a base element to a surface of a substrate. The coating of surfaces of substrates with oxide layers of oxides of various basic elements, such as titanium, silicon or the like is used today in a variety of applications of modern technology. For example, roof tiles can be provided with a titanium dioxide particle coating, which must then be subjected to thermal treatments. Oxide layers can also be used to produce dielectric layers for solar cell applications and for field effect transistors in microelectronics, hydrophobic passivation layers for a wide variety of applications, antireflection coatings on glasses or biofunctional layers, for example on medical implant workpieces. These applications relate solely to the use of silicon oxide layers. Of course, other basic elements, such as germanium, arsenic, boron, phosphorus or tellurium can be used, resulting in further applications.
Die Herstellung von Oxidschichten im industriellen Maßstab gestaltet sich jedoch vor allem wegen der benötigten Reinheiten der aufgebrachten Schichten technisch aufwändig und teuer. Insbesondere im Bereich mikroelektronischer Bauteile und Produkte müssen die aufgebrachten Schichten besonders rein sein, da selbst geringste Einflüsse auf die aufgebrachten Schichten zwischen oder während der Produktionsschritte nicht vernachlässigt werden können.However, the production of oxide layers on an industrial scale is technically complex and expensive, above all because of the required purities of the applied layers. Particularly in the field of microelectronic components and products, the applied layers must be particularly pure, since even the slightest influence on the applied layers between or during the production steps can not be neglected.
Herkömmlicherweise werden Oxidschichten durch Plasmabeschichtungsverfahren auf die zu beschichtende Oberfläche des Substrates aufgebracht. Dabei wird das Grundelement, dessen Oxid die Oxidschicht bilden soll, in Form von gasförmigen Verbindungen, so genannter Präkursoren, bereitgestellt. Im Falle von Silizium kann dies Silan, Siloxane oder ein Derivat dieser Verbindungen sein. Diese Präkursoren werden zumindest auch als Prozessgas für die Plasmabeschichtung verwendet. Ein wesentliches Problem bei der Herstellung derartiger Oxidschichten mittels Plasmabeschichtung besteht darin, dass ein vorzeitiger direkter Kontakt des Präkursors mit Sauerstoff verhindert werden muss, da dies beispielsweise bei Siliziumoxidschichten zum Ausfällen von Nanopartikeln führen würde.Conventionally, oxide layers are applied to the surface of the substrate to be coated by plasma coating methods. In this case, the base element whose oxide is to form the oxide layer, in the form of gaseous compounds, so-called precursors provided. In the case of silicon, this may be silane, siloxanes or a derivative of these compounds. These precursors are also used at least as process gas for the plasma coating. A major problem in the production of such oxide layers by means of plasma coating is that premature direct contact of the precursor with oxygen must be prevented, since this would lead to precipitation of nanoparticles, for example in the case of silicon oxide layers.
Zur Lösung dieses Problems sind unterschiedliche Ansätze in der Literatur diskutiert worden.To solve this problem, different approaches have been discussed in the literature.
Beispielsweise soll durch spezielle Strömungsvorgänge innerhalb der Beschichtungsvorrichtung ein direkter vorzeitiger Kontakt zwischen dem Präkursor und Sauerstoff verhindert werden. Dies hat jedoch einen relativ komplizierten und damit kosten- und zeitaufwändigen Aufbau zur Folge. Andere Ansätze versuchen, andere Gase bei der Herstellung der Oxidschicht zu verwenden. So ist beispielsweise vorgeschlagen worden, als Sauerstoffquellen Kohlendioxid und Stickoxide anstelle von molekularem Sauerstoff zu verwenden. Anstelle der sehr reaktiven Präkursoren, wie zum Aufbringen einer Siliziumoxidschicht beispielsweise verwendetem Silan, werden zudem andere, weniger reaktive Präkursoren, wie beispielsweise gasförmige Siloxane oder Entsprechungen anderer Grundelemente vorgeschlagen.For example, should be prevented by special flow processes within the coating device direct premature contact between the precursor and oxygen. However, this has a relatively complicated and thus costly and time-consuming construction result. Other approaches attempt to use other gases in the production of the oxide layer. For example, it has been proposed to use as oxygen sources carbon dioxide and nitrogen oxides instead of molecular oxygen. In place of the very reactive precursors, such as silane used for depositing a silicon oxide layer, for example, other, less reactive precursors, such as gaseous siloxanes or equivalents of other basic elements, are proposed.
Die vorgeschlagenen Lösungen weisen jedoch entweder den Nachteil auf, dass sie komplizierte Vorrichtungen und/oder Prozessführungen benötigen, oder dass aufgrund der geringeren Reaktivität der verwendeten Prozessgase ein deutlich erhöhter Zeitaufwand für die Beschichtung der Oberflächen des Substrates benötigt wird. Zudem kann es bei der Verwendung weniger reaktiver Präkursoren zu unerwünschten Ablagerungen anderer Substanzen auf der zu beschichtenden Oberfläche kommen. Die Herstellung von Schichten mit besonders hoher Reinheit und Güte ist somit mit diesen Verfahren nur schwer und unter größtem Aufwand möglich.However, the proposed solutions either have the disadvantage that they require complicated devices and / or process guides, or that due to the lower reactivity of the process gases used a significantly increased time required for the coating of the surfaces of the substrate. In addition, the use of less reactive precursors may lead to unwanted deposits of other substances on the surface to be coated. The production of layers with particularly high purity and quality is thus possible with these methods only with difficulty and with the greatest effort.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Aufbringen einer Oxidschicht vorzuschlagen, das für unterschiedlichste Materialien und Grundelemente schnell, einfach und kostengünstig durchführbar ist und durch das dennoch Schichten nahezu jeder gewünschten Qualität und Reinheit auf die zu beschichtende Oberfläche aufgebracht werden können.The invention is therefore based on the object to propose a method for applying an oxide layer that is fast, easy and inexpensive feasible for a variety of materials and basic elements and still layers of almost any desired quality and purity can be applied to the surface to be coated.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch ein gattungsgemäßes Verfahren, das die folgenden Schritte aufweist:
- a) Plasmabeschichten der Oberfläche des Substrates mit einer Vorbereitungsschicht, wobei ein erstes Prozessgas verwendet wird, das das Grundelement in einer gasförmigen Verbindung enthält, so dass die Vorbereitungsschicht das Grundelement enthält,
- b) Plasmabehandeln der Vorbereitungsschicht, wobei ein zweites Prozessgas verwendet wird, das Sauerstoff enthält.
- a) plasma coating the surface of the substrate with a preparation layer, wherein a first process gas is used, which contains the base element in a gaseous compound, so that the preparation layer contains the base element,
- b) plasma treating the preparation layer using a second process gas containing oxygen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Oxidschicht aus einem Oxid des Grundelementes nicht in einem einzigen Schritt auf die Oberfläche aufgebracht werden muss, sondern dass zunächst eine Vorbereitungsschicht aufgebracht werden kann, die anschließend leicht in ein Oxid umgewandelt werden kann. Dies hat den technisch bedeutenden Vorteil, dass zum Aufbringen der Vorbereitungsschicht ein Prozessgas verwendet werden kann, das keinen Sauerstoff enthält, so dass das Risiko vorzeitiger Oxidation des Grundelementes ausgeschlossen ist. Dadurch kann es auch nicht zum Ausfällen von Nanopartikeln oder zu sonstigen Störungen im Prozessablauf kommen. Der apparative Aufbau zum Durchführen eines derartigen Verfahrens ist denkbar einfach, da beispielsweise lediglich zwei Plasmavorrichtungen nacheinander verwendet werden müssen. Komplizierte apparative Aufbauten, um beispielsweise bestimmte Strömungseigenschaften und -wege der Prozessgase zu erreichen, um einen vorzeitigen Kontakt des Grundelements mit Sauerstoff zu verhindern, sind unnötig. Dabei können besonders einfach dielektrisch behinderte Plasmen verwendet werden, deren Handhabung aus dem Stand der Technik seit langem bekannt ist.The invention is based on the finding that the oxide layer of an oxide of the base element does not have to be applied to the surface in a single step, but that first of all a preparatory layer can be applied, which can then be easily converted into an oxide. This has the technical significant advantage that for applying the preparation layer, a process gas can be used that contains no oxygen, so that the risk of premature oxidation of the base element is excluded. This can not lead to the precipitation of nanoparticles or other disturbances in the process flow. The apparatus design for carrying out such a method is very simple since, for example, only two plasma devices have to be used one after the other. Complicated equipment structures, for example, to achieve certain flow characteristics and paths of the process gases to prevent premature contact of the base element with oxygen, are unnecessary. In this case, dielectrically impeded plasmas, whose handling from the prior art has been known for a long time, can be used in a particularly simple manner.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat zudem den Vorteil, dass bei der ersten Plasmabeschichtung ein reduzierend wirkendes Plasma verwendet wird, während im zweiten Schritt ein oxidierend wirkendes Plasma verwendet wird. Dies führt zu einer zumindest nahezu vollständigen Reinigung der Oberfläche des Substrates von Adsorbaten und anderen Verschmutzungen, die sich herkömmlicherweise im Laufe der Zeit auf dem Substrat ansammeln. Eine aufwändige vorherige Reinigung der zu beschichtenden Oberfläche ist somit nicht nötig, wodurch das Beschichtungsverfahren weiter verschlankt und die Beschichtungskosten weiter gesenkt werden.The inventive method also has the advantage that in the first plasma coating, a reducing plasma is used, while in the second step, an oxidizing plasma is used. This results in at least nearly complete cleaning of the surface of the substrate of adsorbates and other contaminants that traditionally accumulate on the substrate over time. An expensive prior cleaning of the surface to be coated is therefore not necessary, whereby the coating process further streamlined and the coating costs are further reduced.
Vorteilhafterweise besteht das erste Prozessgas aus der gasförmigen Verbindung des Grundelementes. Dies bedeutet, dass das Prozessgas im Rahmen der erreichbaren chemischen Reinheiten lediglich aus der gasförmigen Verbindung des Grundelementes besteht. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise besonders reine Vorbereitungsschichten aufbringen, die nahezu ausschließlich aus dem Grundelement bestehen.Advantageously, the first process gas consists of the gaseous compound of the base element. This means that within the scope of the achievable chemical purities, the process gas merely consists of the gaseous compound of the basic element. In this way, it is possible, for example, to apply particularly pure preparatory layers which consist almost exclusively of the base element.
Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, dass das erste Prozessgas einen gasförmigen Präkursor, der das Grundelement in der gasförmigen Verbindung enthält, und ein Trägergas beinhaltet. Vorzugsweise ist das Trägergas dabei Stickstoff oder ein Edelgas. Auf diese Weise lässt sich die Vorbereitungsschicht, die während des ersten Plasmabeschichtungsvorganges auf die Oberfläche des Substrates aufgebracht wird, beeinflussen. Wird als erstes Prozessgas beispielsweise eine Mischung aus Silan (SiH4) als Präkursor und Stickstoff (N2) als Trägergas verwendet, wobei 97% Stickstoff und 3% des Präkursors verwendet werden, führt dies im ersten Plasmabeschichtungsprozess beispielsweise zu einer fast stöchiometrischen Si3N4-Schicht. Natürlich sind auch andere, vorzugsweise inerte, Trägergase und andere Mischungsverhältnisse des Präkursors mit dem Trägergas möglich. Der Vorteil einer derartigen Siliziumnitridschicht gegenüber einer reinen Siliziumschicht liegt darin, dass beim Oxidieren des Siliziums in dem zweiten Plasmabeschichtungsvorgang der in der Vorbereitungsschicht enthaltene Stickstoff durch den Sauerstoff ersetzt wird. Auch wenn das gewünschte Siliziumoxid eine andere Kristallstruktur und eine andere stöchiometrische Verteilung als das Siliziumnitrid aufweist, besitzen beide Verbindungen doch in etwa die gleiche Atomdichte. Dies bedeutet, dass die aufgebrachte Vorbereitungsschicht bereits die nahezu gewünschte Dichte von Atomen des Grundelementes, in diesem Fall also Silizium, aufweist. Natürlich sind entsprechende Auswahlen für das verwendete Trägergas und den verwendeten Präkursor auch für andere Grundelemente und gewünschte Oxidschichten möglich.However, it may also be advantageous that the first process gas includes a gaseous precursor containing the base member in the gaseous compound and a carrier gas. The carrier gas is preferably nitrogen or a noble gas. In this way, the preparation layer, which is applied to the surface of the substrate during the first plasma coating process, can be influenced. If, for example, a mixture of silane (SiH 4 ) as precursor and nitrogen (N 2 ) as the carrier gas is used as the first process gas, 97% nitrogen and 3% of the precursor being used, this leads, for example, to an almost stoichiometric Si 3 N in the first plasma coating process 4- layer. Of course, other, preferably inert, carrier gases and other mixing ratios of the precursor with the carrier gas are possible. The advantage of such a silicon nitride layer over a pure silicon layer is that when the silicon is oxidized in the second plasma coating process, the nitrogen contained in the preparation layer is replaced by the oxygen. Although the desired silica has a different crystal structure and stoichiometric distribution than the silicon nitride, both compounds have approximately the same atomic density. This means that the applied preparation layer already has the almost desired density of atoms of the base element, in this case silicon. Of course, appropriate choices for the carrier gas used and the precursor used are also possible for other primitives and desired oxide layers.
Das Grundelement ist vorteilhafterweise ein Metall oder Halbleiter. Als besonders vorteilhaft hat sich dabei herausgestellt, wenn die gasförmige Verbindung eine Verbindung des Grundelementes mit Wasserstoff ist. Je nach verwendetem Grundelement bieten sich hierbei folglich Silane für Silizium aber auch Germane für Germanium, Arsane für Arsen, Borane für Bor, Bismutane für Bismut, Phosphane für Phosphor, Plumbane für Blei, Selane für Selen, Stannane für Zinn, Stibane für Antimon und Tellane für Tellur als jeweiliges Grundelement an. Natürlich können auch Derivate der genannten Gase oder weitere, weniger reaktive Prozessgase verwendet werden. Welche chemische Zusammensetzung das erste Prozessgas tatsächlich aufweisen soll, kann individuell für die jeweils gewünschte aufzubringende Oxidschicht gewählt werden und ist für die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung unerheblich, solange das erste Prozessgas das Grundelement in einer gasförmigen Verbindung und vorzugsweise keinen Sauerstoff aufweist. Weitere Kriterien können die spätere Verwendung des so beschichteten Substrates und beispielsweise thermische und/oder mechanische Belastungen, denen das Substrat später ausgesetzt werden wird, sein.The primitive is advantageously a metal or semiconductor. It has proven to be particularly advantageous if the gaseous compound is a compound of the base element with hydrogen. Depending on the basic element used, silanes for silicon, but also germanium for germanium, arsenic for arsenic, borane for boron, bismuthine for bismuth, phosphane for phosphorus, lead for lead, selenium for selenium, stannane for tin, stibane for antimony and tellane for tellurium as the respective basic element. Of course, derivatives of said gases or other, less reactive process gases can be used. Which chemical composition the first process gas should actually have, can be selected individually for the desired oxide layer to be applied and is irrelevant to the operation of the present invention, as long as the first process gas has the base element in a gaseous compound and preferably no oxygen. Further criteria may be the subsequent use of the thus coated substrate and, for example, thermal and / or mechanical stresses to which the substrate will later be exposed.
Als zweites Prozessgas wird vorteilhafterweise Luft verwendet. Für ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung muss die Luft, die als zweites Prozessgas verwendet werden soll, nicht vorbehandelt, gereinigt oder auf sonstige Weise bearbeitet werden. Das zweite Prozessgas ist in diesem Fall folglich kostenlos in unbegrenzter Menge verfügbar. Versuche haben gezeigt, dass beispielsweise Verunreinigungen durch in der Luft vorhandenen Stickstoff oder durch andere Elemente in der aufzubringenden Oxidschicht nicht oder nur zu einem vernachlässigbaren Anteil auftreten. Interessanterweise verfügt das aus dem zweiten Prozessgas Luft hergestellte Plasma in einem weit überwiegenden Anteil lediglich über reaktiven Sauerstoff, während reaktive Bestandteile anderer Elemente, beispielsweise Sticksoff, quasi nicht auftreten. Doch selbst wenn derartige reaktive Anteile in dem aus Luft erzeugten Plasma enthalten sind, haben diese nahezu keine Möglichkeit, sich aufgrund der hohen Reaktivität des Sauerstoffs im Luftplasma auf der Oberfläche des Substrates niederzuschlagen und die Oxidschicht in irgendeiner Form zu verunreinigen.As the second process gas, air is advantageously used. For a method according to an embodiment of the present invention, the air to be used as the second process gas need not be pretreated, cleaned or otherwise processed. The second process gas is therefore available for free in unlimited quantities. Experiments have shown that, for example, contamination by nitrogen present in the air or by other elements in the oxide layer to be applied does not occur or only to a negligible extent. Interestingly, the plasma produced from the second process gas air has in a vast majority only reactive oxygen, while reactive constituents of others Elements, such as Sticksoff, virtually do not occur. However, even if such reactive moieties are contained in the plasma generated from air, they have almost no possibility of precipitating on the surface of the substrate due to the high reactivity of the oxygen in the air plasma and contaminating the oxide layer in any way.
Für andere Anwendungen kann es vorteilhaft sein, als zweites Prozessgas molekularen Sauerstoff zu verwenden. Dieser kann innerhalb der chemisch erreichbaren Reinheit ausschließlich oder als Mischung verwendet werden. So ist es beispielsweise denkbar, reinen molekularen Sauerstoff mit inerten Gasen zu vermengen und diese Mischung als zweites Prozessgas zu verwenden. Reiner Sauerstoff bezieht sich dabei naturgemäß auf die chemisch erreichbaren und auf dem Markt erhältlichen Reinheiten. Durch die Verwendung von reinem Sauerstoff ist es beispielsweise gegebenenfalls möglich, in der aufgebrachten Vorbereitungsschicht enthaltenen interstitiellen Wasserstoff zu reduzieren und eine noch höhere Reinheit der aufgebrachten Oxidschicht zu erreichen. Versuche, bei denen eine Siliziumoxidschicht auf eine Oberfläche eines Substrates aufgebracht wurde, haben gezeigt, dass sowohl atmosphärische Luft als auch reiner Sauerstoff als zweites Prozessgas zu einer fast stöchiometrischen Siliziumdioxidschicht führen. Dabei liegen typische Einwirkzeiten der Plasmen auf nicht porösen Oberflächen bei unterhalb einer Sekunde für Schichtdicken von einigen, beispielsweise 3 bis 7 nm. Insbesondere bei der Verwendung atmosphärischer Luft wurde festgestellt, dass in der Luft enthaltene Aerosole aufgrund von selbstreinigenden Prozessen und der hohen Reaktivität des Sauerstoffs keine Verunreinigungen der aufgebrachten Oxidschicht hervorrufen.For other applications, it may be advantageous to use molecular oxygen as the second process gas. This can be used exclusively or as a mixture within the chemically achievable purity. For example, it is conceivable to mix pure molecular oxygen with inert gases and to use this mixture as the second process gas. Naturally, pure oxygen refers to the chemically achievable purities available on the market. By using pure oxygen, for example, it may be possible to reduce interstitial hydrogen contained in the applied preparation layer and to achieve even higher purity of the applied oxide layer. Experiments in which a silicon oxide layer has been applied to a surface of a substrate have shown that both atmospheric air and pure oxygen as the second process gas result in an almost stoichiometric silicon dioxide layer. Typical exposure times of the plasmas on non-porous surfaces are below one second for layer thicknesses of a few, for example 3 to 7 nm. In particular, when using atmospheric air, it has been found that aerosols contained in the air due to self-cleaning processes and the high reactivity of the oxygen do not cause contamination of the deposited oxide layer.
Vorzugsweise ist das Substrat ein metallisches, halbleitendes, keramisches oder organisches Material. Besonders vorteilhafterweise können als Substrat auch Nanopartikel, die mittlere Partikeldurchmesser von beispielsweise 10 bis 50 nm aufweisen; oder Mikro-Partikel verwendet werden. Grundsätzlich können alle Oberflächen, auf die mittels eines Plasmabeschichtungsverfahrens eine Schicht aufgebracht werden kann, auch durch ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung beschichtet werden. Dies gilt für dreidimensional geformte Bauteile aus nahezu jedem Material, wie beispielsweise Metall, Keramik, Holz oder anderen organischen Werkstoffen, wie auch für poröse Oberflächen und Mikro- und Nanopartikel.Preferably, the substrate is a metallic, semiconductive, ceramic or organic material. Particularly advantageously, nanoparticles which have an average particle diameter of, for example, 10 to 50 nm can also be used as the substrate; or micro particles are used. In principle, all surfaces to which a layer can be applied by means of a plasma coating process can also be coated by a method according to the present invention. This applies to three-dimensionally shaped components made of almost any material, such as metal, ceramic, wood or other organic materials, as well as porous surfaces and micro- and nanoparticles.
Im Vergleich zu Plasmabeschichtungsverfahren aus dem Stand der Technik, bei denen eine Oxidschicht eines Grundelementes in einem einzigen Beschichtungsvorgang auf die zu beschichtende Oberfläche aufgebracht wird, verfügen durch ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebrachte Schichten über einen weiteren Vorteil. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst die Vorbereitungsschicht auf die Oberfläche des Substrates aufgebracht, in der sich das Grundelement befindet. Anschließend wird diese Schicht durch die zweite Plasmabehandlung in die gewünschte Oxidschicht umgewandelt. Der reaktive Sauerstoff aus dem Plasma, das aus dem zweiten Prozessgas erzeugt wird, trifft folglich auf die Oberfläche der Vorbereitungsschicht und muss, um diese vollständig in die gewünschte Oxidschicht umwandeln zu können, in diese Schicht eindringen. Die Eindringtiefe, bis zu der die Vorbereitungsschicht in die gewünschte Oxidschicht umgewandelt wird, hängt dabei naturgemäß von den gewählten Elementen und Materialien und von der Einwirkzeit des sauerstoffhaltigen Plasmas ab. Dies bedeutet, dass es bei nicht-oxidischen Oberflächen zwischen dem Substrat und der aufgebrachten Oxidschicht keine scharfe und klare Oxidgrenze gibt, sondern dass der „Oxidierungsgrad” von der Oberfläche der aufgebrachten Schicht in das Material hinein abnimmt. Es entsteht ein so genannter Gradientenwerkstoff, der den Vorteil aufweist, dass die physikalischen Eigenschaften, wie beispielsweise Druck- und Zugfestigkeit, Elastizität und Wärmeausdehnungskoeffizient, stetig von den Werten der aufgebrachten Oxidschicht auf die Werte des darunter liegenden Substrates übergehen, so dass diese Beschichtung insbesondere thermischen und mechanischen Belastungen deutlich besser standhält, als eine in einem Verfahrensschritt aufgebrachte Oxidschicht.Compared to prior art plasma coating processes in which an oxide layer of a primer is applied to the surface to be coated in a single coating operation, layers applied by a process according to the present invention have a further advantage. In a method according to the invention, the preparation layer is first applied to the surface of the substrate in which the base element is located. Subsequently, this layer is converted by the second plasma treatment into the desired oxide layer. The reactive oxygen from the plasma generated from the second process gas thus impinges on the surface of the preparation layer and, in order to be able to completely convert it into the desired oxide layer, has to penetrate into this layer. The penetration depth up to which the preparation layer is converted into the desired oxide layer naturally depends on the selected elements and materials and on the exposure time of the oxygen-containing plasma. This means that with non-oxidic surfaces between the substrate and the applied oxide layer there is no sharp and clear oxide boundary, but that the "degree of oxidation" from the surface of the applied layer into the material decreases. The result is a so-called gradient material, which has the advantage that the physical properties, such as compressive and tensile strength, elasticity and thermal expansion coefficient, steadily from the values of the applied oxide layer on the values of the underlying substrate, so that this coating in particular thermal and mechanical loads much better withstand than a deposited oxide layer in one step.
Mit einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist es folglich möglich, nahezu jede gewünschte Oxidschicht auf nahezu jede zu beschichtende Oberfläche aufzubringen, ohne dass komplizierte Versuchsaufbauten verwendet werden müssten. Zudem kann nahezu jede gasförmige Verbindung des Grundelementes zumindest als Teil des ersten Prozessgases verwendet werden, während als zweites Prozessgas insbesondere Luft verwendet werden kann. Das Verfahren ist somit nahezu universell für alle gewünschten Oxidschichten einsetzbar und einfach, sicher und insbesondere kostengünstig durchführbar.Thus, with a method according to the present invention, it is possible to apply almost any desired oxide layer to almost any surface to be coated, without the need for complex experimental setups. In addition, almost any gaseous compound of the base element can be used at least as part of the first process gas, while in particular air can be used as the second process gas. The method can thus be used almost universally for all desired oxide layers and simple, safe and cost-effective in particular feasible.
Mit Hilfe einer Zeichnung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigenWith the aid of a drawing, an embodiment of the present invention will be explained in more detail below. Show it
Soll die Oxidschicht
Die
In diesem Zusammenhang bedeutet beispielsweise ein Titanpeak, dass Elektronen dieser Bindungsenergie durch die eingestrahlte Röntgenstrahlung von Titanatomen gelöst wurden. Aus der Fläche dieser Peaks können Aussagen über den Anteil des jeweiligen Elementes auf der mit der Röntgenstrahlung bestrahlten Oberfläche der Nanopartikel getroffen werden.In this context, for example, a titanium peak means that electrons of this binding energy were dissolved by the incident X-ray of titanium atoms. From the area of these peaks, statements about the proportion of the respective element on the surface of the nanoparticles irradiated with the X-ray radiation can be made.
In
Nach dem ersten Plasmabeschichten befindet sich auf der Oberfläche der Nanopartikel eine leicht unterstöchiometrische Silizium-Nitrid-Vorbereitungsschicht, da im Substrat
Detailliertere hier nicht gezeigte weitere Auswertungen der Eigenschaften der Schicht nach Abschluss der Plasmabehandlung haben ergeben, dass sich in der Siliziumdioxidschicht, die die Oxidschicht
Der zweite Prozessschritt, in dem die Vorbereitungsschicht
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 22
- Substratsubstratum
- 44
- Oberflächesurface
- 66
- Oxidschichtoxide
- 88th
- Pfeilarrow
- 1010
- Erste PlasmavorrichtungFirst plasma device
- 1212
- Vorbereitungsschichtpreparation layer
- 1414
- Zweite PlasmavorrichtungSecond plasma device
- 1616
- KohlenstoffpeakCarbon peak
- 1818
- TitanpeakTitan peak
- 2020
- Sauerstoffpeakpeak oxygen
- 2222
- Siliziumpeaksilicon peak
- 2424
- Stickstoffpeaknitrogen peak
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