CH643303A5

CH643303A5 - Appliance for coating surfaces by means of cathode sputtering

Info

Publication number: CH643303A5
Application number: CH1147879A
Authority: CH
Inventors: Chikara Hayashi
Original assignee: Ulvac Corp
Priority date: 1979-12-18
Filing date: 1979-12-27
Publication date: 1984-05-30
Also published as: FR2472619A1; DE2950997A1; DE2950997C2; FR2472619B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Beschichten von Oberflächen mittels Kathodenzerstäubung gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1.

Der grundlegende Aufbau einer solchen Kathodenzerstäubungsanlage ist an sich bekannt.

In bekannten Zerstäubungsanlagen liegen die zu zerstäubende Kathodenschicht und die zu beschichtende Substratoberfläche horizontal und parallel zueinander in einem als geschlossene Kammer ausgebildeten Entladungsraum. Bei einer derartigen Anordnung und wenn die Kathode über dem Substrat angeordnet ist, so dass die Kathodenoberfläche nach unten gerichtet ist und die Oberfläche des Substrates entsprechend nach oben schaut, können Körner von Kathodenmaterial das durch Schlackenbildung, beispielsweise durch die mit der Glimmentladung erzeugten Hitze, auf das Substrat fallen und bei mehreren solchen verbundenen Körnchen ergeben sich Erhöhungen, die zu einer abnormalen Entladung führen, so dass im Überzugsfilm auf dem Substrat Poren und ähnliches entstehen können, was zu einem schlechteren Endprodukt führt. Im Gegensatz dazu, wenn die Kathode unterhalb dem Substrat angeordnet ist, so dass die Kathodenfläche nach oben schaut und die Substratfläche entsprechend nach unten, dann fallen Klümpchen von zerstäubtem und abgelagertem Kathodenmaterial vom Substrat auf die Kathode zurück, und diese Klümpchen führen dann auch zu abnormaler Entladung.

Wenn bei bekannten Anordnungen Materialien wie metallisches Chrom (Cr), ein Metall und Siliciumoxid (SÌO2), Aluminiumoxid (AI2O3) usw. als zu zerstäubendes Kathoden-schichtmaterial benützt wurden, und wenn die Kathode aus einem Grundkörper z.B. aus Kupfer (Cu) und der genannten Schicht bestand, wurden die Kathode und das Substrat auf der Anode derart angeordnet, dass die Kathodenoberfläche und die Substratoberfläche vertikal und parallel zueinander standen. Nachteilig an dieser Anordnung war, dass die Kathodenschicht möglicherweise durch Hitze brechen und die Schicht in Stücke fallen konnte, so dass das Trägermaterial der Kathode offen da lag, derart, dass keine homogene Schicht von Kathodenmaterial auf dem Substrat erzeugt wurde.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der Oberflächen von Substraten beschichtet werden können und die Nachteile der bekannten Anordnungen vermieden sind.

Erfindungsgemäss wird dies durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des unabhängigen Patentanspruchs 1 erreicht.

Wenn sich in einer derartigen Anordnung das Kathodenmaterial ablöst und/oder springt, können die Teile nicht nach unten fallen und daher ist die Funktionsweise der Kathode nicht beeinträchtigt.

Um auch zu verhindern, dass die durch Zerstäubung angelagerte Schicht von Kathodenmaterial nicht von der Substratoberfläche fallen können, wird das Substrat vorteilhafterweise derart angeordnet, dass die Oberfläche nach unten schaut und einen spitzen Winkel mit einer horizontalen Ebene einschliesst.

Vorzugsweise werden wenigstens zwei Substrate V-förmig angeordnet, so dass die Substratoberflächen von beiden Substraten einen spitzen Winkel mit einer horizontalen Ebene einschliessen und nach unten schauen. Eine solche Anordnung bewirkt, dass der für den Betrieb erforderliche Raum verkleinert werden kann, und dadurch der Wirkungsgrad der Anlage vergrössert wird.

Eine Vorrichtung nach der Erfindung kann auch für die Massenproduktion ausgebaut werden, wenn die Kathode oder mehrere Kathoden fest in einem Entladungsraum angeordnet sind und die Substrate durch ein Fördersystem durch diesen Entladungsraum geführt werden, in der die Kathode oder Kathoden angeordnet ist/sind. In diesem Falle können die Substrate schrittweise bewegt werden.

Gemäss einer besonderen Ausführungsform weist das Fördersystem Schienen auf, und eine Anzahl Anoden werden auf diesen Schienen bewegt, wobei wenigstens ein Substrat entfernbar auf jedem Anodenkörper befestigt ist. Um eine kontinuierliche oder halbkontinuierliche Verarbeitung zu haben, wird das Fördersystem vorzugsweise als geschlossene Bahn angeordnet, welche Bahn eine Beladesteile und auch eine Entladestelle für die Substrate umfassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels nach der Erfindung,

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Fig. 2 eine schematische Darstellung der Hauptbestandteile gemäss einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 3a und 3b eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform der Erfindung, wobei jedoch aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit die Kathodenflächen und die Substratflächen vertikal gezeichnet sind, obwohl sie mit der Grundfläche einen spitzen Winkel einschliessen, wie in Fig. 4 gezeigt ist, und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Kathodenpaares und eines Anodenkörpers, auf welchem die Substrate einer Anlage nach Fig. 3a und 3b befestigt sind.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 zeigt die den Entladungsraum bildende Kammer 10, die über eine Vakuumleitung 14 mit einer Vakuumpumpe 12 verbunden ist. Zur Einführung von Gas ist eine Gasquelle 16 und eine Leitung 18 vorhanden. In der Kammer 10 befindet sich eine Kathode 20 mit einem Trägerkörper 22 aus elektrisch leitendem Material wie Kupfer. Diese Kathode ist an der Kammerwand mittels Isolatoren befestigt. Die Kathode 20 ist mit einer Schicht des zu zerstäubenden Materials 24 wie Chrom, Metall + SiCh oder Al:03 versehen und elektrisch leitend mit dem Körper 22 verbunden. Eine Anode 26 ist elektrisch leitend mit der Kammerwand verbunden. Ein zu beschichtendes Substrat 28 ist auf der Anode 26 befestigt.

Die Kathode 20, die Anode 26 und das Substrat 28 sind derart angeordnet, dass die Oberfläche 30 der Kathodenschicht 24 um einen Winkel von beispielsweise 60° geneigt ist und nach oben schaut, und eine Substratoberfläche 32 des Substrats 28 liegt parallel zur Kathodenoberfläche 30 und ist nach unten gerichtet.

Die Kammerwand und damit auch die Anode 26 sind bei 34 geerdet und die Kathode 20 ist elektrisch leitend mit einem Anschluss einer Stromquelle 36 verbunden, von der der andere Anschluss an Erde 38 geführt ist.

Im Betrieb wird zuerst der Innenraum der Kammer 10 evakuiert bis zu einem Druck von etwa 10~6 mbar durch die Vakuumpumpe 12 und dann wird inertes Gas, z.B. Argon bis zu einem geeigneten Druck von 6.5-1.3 • IO-3 mbar eingefüllt.

Danach wird eine elektrische Spannung von rund 800 V zwischen die Kathode 20 und die Anode 26 angelegt und entsprechend entsteht eine Glimmentladung dazwischen. Damit wird das Material von der Schicht 24 auf der Kathode zerstäubt und auf der Substratoberfläche 32 abgelagert, um einen Überzugsfilm auf dieser Oberfläche 32 zu bilden.

Beim Beschichten der Oberfläche in einem derartigen Apparat fiel das zerstäubte und auf der Substratoberfläche 32 abgelagerte Material nicht hinunter. Der Betrieb wird mit der gleichen Kathodenschicht 24 solange durchgeführt, bis die Schicht 24 praktisch vollständig verbraucht ist. In diesem Fall bildeten sich Risse in der Kathodenschicht 24 nach ungefähr 24 Stunden. Jedoch fiel die Schicht nicht in Stücke und der Zerstäubungseffekt der Kathode änderte sich nicht.

Die zweite Ausführungsform gemäss Fig. 2 entspricht grundsätzlich derjenigen nach Fig. 1, nur dass hier zwei Kathoden 20 und zwei Substrate 28 V-förmig angeordnet wurden und zudem die Substrate 28 auf einer einzigen V-för-migen Anode 26' angeordnet waren. Die detaillierte Konstruktion und der Betrieb dieser Anordnung ergeben sich aus der Beschreibung der Ausführungsform gemäss Fig. 1, und die Vorteile dieser zweiten Anordnung sind dieselben wie die vorerwähnten.

Wie in der Beschreibung zur Fig. 1 erläutert, können die Vorrichtungen nach der Erfindung für einen kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Betrieb ausgebaut werden, ohne dass die Kathode nach jedem Zerstäbungsvorgang erneuert werden müsste. Ein Ausführungsbeispiel für einen solchen Betrieb ist in Fig. 3A und 3B dargestellt, bei dem die

Substratoberflächen und die Seitenflächen der Anoden zur leichteren Darstellung senkrecht gezeichnet sind und in Wirklichkeit aber gemäss Fig. 4 angeordnet sind.

In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Fördersystem 100 zur Förderung von Anoden 102 vorgesehen. Das Fördersystem 100 besteht aus oberen Schienen 104, entlang denen die Anoden 102 von rechts nach links bewegt werden. Untere Schienen 106 dienen für den Transport der Anoden 102 von links nach rechts in einer unteren Lage. Links befindet sich eine Hebevorrichtung 108, mit der die Anoden 102 von den oberen Schienen an ihrem linken Ende entnommen werden und mit dem diese Anoden von der oberen Hochlage in eine untere Lage transportiert werden und dort dann den unten liegenden Schienen 106 übergeben werden. Eine Hebevorrichtung 110 befindet sich rechts und empfängt die Anoden 102 von den unteren Schienen 106 an ihrem rechten Ende in der unteren Lage, hebt diese Anoden von dieser unteren Lage zu den oberen Schienen hoch. Dieses Fördersystem 100 kann somit die Anoden 102 in einem geschlossenen Umlauf transportieren.

Jede Anode 102 weist einen rahmenähnlichen Körper 112 mit V-förmigem Querschnitt auf und besitzt zwei Montageöffnungen 114 auf jeder Seite, die mit einer Neigung nach unten gerichtet sind, wie Fig. 4 zeigt. Der Anodenkörper 112 kann an die Schienen 104,106 mittels einer Zahl von Laufwalzen 116 aufgehängt werden, welche Laufwalzen an einem L-förmigen Hängeglied 118 am oberen Schenkel befestigt sind und von welchem Hängeglied der andere Schenkel am Anodenkörper 112 befestigt ist.

Vier Substrate 120 können an einem Anodenkörper 112 montiert werden, genauer gesagt, zwei Substrate 120 können in den beiden Montageöffnungen 114 auf jeder Seite des Anodenkörpers 112 befestigt werden. In dieser Befestigungslage ist eine Substratoberfläche 122 von jedem Substrat geneigt angeordnet und schaut nach unten, derart, dass die vier Substrate in einer V-förmigen Lage angeordnet sind.

In einer Partie der oberen Schienen 104 befindet sich eine Beladestelle 124, bei der die Anode 102 mit den Substraten 120 beladen werden, und bei einer Entladestation 126 werden die Anoden 102 wieder abgenommen.

Ein Hauptabschnitt im Bereich der unteren Schienenpartie ist als Zerstäubungsstation 128 ausgebildet. An dieser Stelle 128 führt der Durchgang durch ein rohrförmiges Gehäuse 130, das die Behandlungskammer 132 umschliesst, in der das Beschichten der Substrate mittels Zerstäubung durchgeführt wird. Eine Anzahl Kathodeneinheiten 134 befinden sich an den Seitenwänden des rohrförmigen Gehäuses 130. Die Kathodenoberflächen 136 jeder Kathodeneinheit 134 sind geneigt angeordnet und schauen nach oben, wie Fig. 4 zeigt.

Um eine Atmosphäre von geeignetem Gas mit genügend tiefem Druck in der Behandlungskammer 132 aufrechtzuerhalten, weist das rohrförmige Gehäuse 130 Pumpenanschlüsse 138 auf, an die eine Vakuumpumpe (nicht dargestellt) anschliessbar ist, ferner sind noch Anschlüsse (nicht dargestellt) vorhanden, um aus einer Gasquelle Gas in die Behandlungskammer 132 einzuführen. In Fig. 3 A und 3B deutet die Zahl 142 eine Heizung an, die auf einer Partie des Umlaufes des Fördersystems vor der Behandlungskammer 132 angeordnet ist. Die Zahlen 144 und 146 deuten ein Steuergerät und eine Gleichstromverdampfersteuerung für Kupfer an. Mit 140 sind die Steuerorgane für Ventilklappen bezeichnet, welche die Behandlungskammer für den Ein- und Austritt der Anoden zu öffnen gestatten. Im Betrieb werden die Anoden 102 intermittierend auf dem geschlossenen Umlaufweg durch das Fördersystem 100 bewegt. In der Ladestation 124 werden die Anoden 102 mit Substraten 120 beladen und bei der Entladestation 126 wieder entladen. In der Behandlungskammer 132 wird die Beschichtung mittels

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Kathodenzerstäubung durchgeführt, wie es schon anlässlich der Beschreibung von Fig. 1 erläutert wurde.

Die Vorrichtung gemäss Fig. 3 A, 3B und 4 wurde in der Weise betrieben, dass jede Kathode 134 aus einem Kathodenkörper aus Kupfer und aus einer Kathodenschicht wie Chrom zusammengesetzt ist und eine Abmessung von 12,5 cmx37,5 cm besitzt. Der Abstand zwischen der Kathode 134 und dem Substrat 120 war 60-100 mm. Die Neigung der

Kathodenfläche und Substratfläche betrug etwa 60°. Die Spannung, die zwischen den Elektroden 134 und 102 angelegt wurde, betrug 100 V. Als Gasfüllung in der Behandlungskammer 132 wurde Argon verwendet mit einem Druck von s 6.5-1.3 • IO-3 mbar. In dieser Anordnung arbeitete die Kathode mit der gleichen Schicht 136 in zufriedenstellender Weise während etwa 36 Stunden, bis die Schicht praktisch vollständig aufgebraucht war.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zum Beschichten von Oberflächen mittels Kathoden-Zerstäubung, mit einer Kammer (10; 132), die ein unter Unterdruck stehendes inertes Gas enthält, wenigstens einer Anode (26; 102) und wenigstens einer Kathode (20; 134) innerhalb der Gasatmosphäre und Mitteln zum Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Anode und Kathode zur Erzeugung einer Glimmentladung, um zerstäubtes Material von der Oberfläche (30; 136) der Kathode auf die Oberfläche (32) mindestens eines an der Anode befestigten Substrats (28; 120) zu bringen, welche Oberfläche derart angeordnet ist, dass sie gegen die Oberfläche der Kathode hin ausgerichtet ist, um einen Überzugfilm aus dem zerstäubten Material auf der Substratoberfläche zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Kathode nach oben gerichtet ist und einen spitzen Winkel mit der Basisfläche der Kammer (10; 132) einschliesst.
2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Halterung für das Substrat an der Anode angeordnet ist, dass die zu beschichtende Substratoberfläche (32) nach unten gerichtet ist und mit der Basisfläche der Kammer einen spitzen Winkel einschliesst.
3. Vorrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorhandensein von Halterungen für zwei Substrate die Halterungen derart angeordnet sind, dass die Substratoberflächen in V-förmiger Anordnung nach unten gerichtet sind und je mit der Basisfläche der Kammer einen spitzen Winkel einschliessen.
4. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (134) bzw. die Kathoden feststehend montiert sind und dass eine Fördereinrichtung (100) vorhanden ist, um die Substrate (120) durch die Kammer (132) zu fördern, in der die Kathode bzw. die Kathoden untergebracht ist bzw. sind.
5. Vorrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung Schienen (104,106) umfasst, um eine Anzahl Anoden entlang der Schienen zu bewegen und dass auf jeder Anode Mittel vorhanden sind, um wenigstens ein Substrat wegnehmbar zu haltern.
6. Vorrichtung nach Patentanspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung derart ausgebildet ist, dass die Substrate auf einem mindestens nahezu geschlossenen Weg geführt werden, der sowohl die Behandlungs-Kammer (132) als auch eine Beladesteile (124) zur Beschickung mit Substraten und eine Entladestelle (126) zur Abnahme der beschichteten Substrate einschliesst.