CH689558A5 - Bedampfungsanlage und Verdampfereinheit. - Google Patents

Description

  
 



  Bei der Erfindung handelt sich um eine Anlage für die plasmaunterstützte physikalische Bedampfung von Werkstücken, die eine oder mehrere Kathodenfusspunkt-Verdampfereinheiten umfasst. 



  Es handelt sich auch um eine Kathodenfuss-punkt-Verdampfereinheit für eine Anlage, wie hier oben beschrieben, bestehend aus einem rotationssymetrischen Topf, der mit der Nebenkammerwand der Anlage fest verbunden ist, einer ebenen kreisförmigen Targetfläche, die aus wenigstens einer der Komponenten des Werkstoffs besteht, die die Schicht bilden sollen, einer Wasserkühlung und einem beweglichen magnetfelderzeugendem Bauteil. 



  Es handelt sich auch um eine Kathodenfusspunkt-Verdampfereinheit wie hier oben beschrieben. 



  Zahlreiche Verfahren zur plasmaunterstützten physikalischen Vakuumbedampfung wurden in den letzten 30 Jahren vorgeschlagen und viele von ihnen haben inzwischen eine breite Anwendung gefunden (siehe E. Bergmann und E. Moll: plasma assisted PVD coating technologies erschienen in Surface Coatings and Technologies Band 37 (1989), Seiten 483 ff). 



  Jede physikalische Vakuumbedampfung kann als Abfolge von drei Verfahrenselementen betrachtet werden, die wiederum stationär sind: Verdampfen von Komponenten des schichtbildenden Werkstoffs in einer geeigneten Einrichtung, die man Verdampfereinheit nennt, Transport dieser Komponenten und gegebenenfalls anderer gasförmiger Komponenten, zu den Werkstücken mit molekularer Strömung oder mit elektrostatischer oder elektromagnetischer Führung, Umsetzung dieser Komponenten an den Werkstücken zu Schichten mit den geforderten Eigenschaften. Zahlreiche Baumuster von Verdampfereinheiten sind bekannt und heute im Einsatz (siehe E. Bergmann und E. Moll op. cit.). Im Bereich  der physikalischen Vakuumbedampfung von Werkstücken mit verschleissfesten Schichten beruhen sie entweder auf der Kathodenzerstäubung oder auf der Lichtbogenverdampfung.

   Ist dieser Vorgang mit einer chemischen Reaktion mit weiteren schichtbildenden Komponenten verknüpft, die gasförmig in den Beschichtungsraum eingebracht wurden, so spricht man von reaktiver Verdampfung. Besteht der Schichtwerkstoff nur aus den aus der Quelle verdampften Komponenten, so spricht man von nichtreaktiver Verdampfung. Die vorgeschlagene Erfindung bezieht sich auf beide Verfahren. Wird zur Verdampfung an der Verdampfereinheit ein Lichtbogen verwendet, so gibt es die Möglichkeit, die schichtbildenden Komponenten entweder an der Anode oder an der Kathode der Bogenentladung zu verdampfen. Da im letzteren Fall die Anbindung der Lichtbogenentladung an die Kathode über ein oder mehrere kleine  Flächen geschieht, deren Ausdehnung im Verhältnis zur Kathodenfläche vernachlässigbar ist, spricht man in diesem Fall von Kathodenfusspunkt-Verdampfung.

   Hierzu gibt es zahlreiche Veröffentlichungen und Verfahrensvorschläge, seit L. P. Sablev, N. P. Petrovich, V. N. Gorbunov, J. I. Luzenko, V. M. Lunev und V. V. Usov in DE 2 136 532 dargelegt haben, wie sich dieses Phänomen zur physikalischen Vakuumbedampfung nutzen lässt. Bei der vorgeschlagenen Erfindung handelt es sich um ein Verfahren zur Kathodenfusspunkt-Verdampfung. Bei der Anwendung des Verfahrens gibt es anerkanntermassen 3 Probleme, für die im Laufe der letzten 20 Jahre zahlreiche Lösungen vorgeschlagen wurden: Die Stabilität der Lichtbogenentladung und die Begrenzung des Aufenthalts des Kathodenfusspunkts auf die Kathodenfläche, die zur Verdampfung vorgesehen ist, im folgenden Targetfläche genannt. 



  Die Zusammensetzung des von der Kathode zu den Werkstücken transportierten Materials, das im allgemeinen aus Atomen, Ionen und Mikrotröpfchen besteht. Die Gleichmässigkeit des Abtrags des schichtbildenden Werkstoffs von der zur Verdampfung vorgesehenen Fläche. 



  Zur Lösung des Problems der Stabilität wurden bereits in DE 2 136 532 die Verwendung von Schutzschirmen und magnetischen Feldern vorgeschlagen. Hierzu gibt es inzwischen zahlreiche Ausführungsbeispiele. Zuletzt wurde von M. Belletti in der EP 548 032 A2 auch vorgeschlagen, hierzu das von den Stromzuleitungen induzierte magnetische Feld zu verwenden. Diese Schrift enthält eine ausführliche Darstellung des Stands der Technik bezüglich Begrenzung mit Schutzschirmen. Im Falle von Magnetfeldern werden immer Felder verwendet, bei denen der Bereich, in dem die Komponente des Magnetfelds parallel zur Targetfläche ein Maximum hat, eine geschlossene Schleife bildet. Diese Prinzip wurde von C. F. Morrison jr. in der US 4 724 058 vorgeschlagen und inzwischen mit zeitlich veränderlichen oder rotierenden rotationssymmetrischen Magnetfeldern, wie in der DE 4 109 213 weiter ausgestaltet. 



  Das am Kathodenfusspunkt emittierte Material besteht aus Atomen, Ionen und Mikrotröpfchen verschiedener Grösse. Deren Gesamtheit wird als Plasmastrom bezeichnet. Die Verteilung der Komponenten des Plasmastrahls ist richtungsabhängig, wie eine Untersuchung von J.E Daalder, erschienen 1976 im Band 9 der Serie D des Journal of physics, gezeigt hatte. Ein bedeutender Anteil von Mikrotröpfchen macht die Beschichtung ungeeignet oder weniger leistungsstark. 



  Bei der Entstehung im Kathodenfusspunkt werden die Proportionen im Wesentlichen von der Frequenz bestimmt, mit dem der Kathodenfusspunkt seine Position auf der Targetfläche verändert. Der Anteil an Mikrotröpfchen sinkt dabei mit steigender Frequenz. Da der hohe Strom, der die Kathode verlässt, mit der Lorenzkraft sehr gut gelenkt werden kann, verwendet man Magnetfelder mit einer starken Komponente des Vektors parallel zur Targetoberfläche, um die Kathodenfusspunkte auf einer engen Spur zu führen und so den Anteil an Mikrotröpfchen zu senken. Diese Methode wird die Methode des geführten Kathodenfusspunkts genannt und wurde zuerst von S. Ramalingam und K. Kim in der US 4 673 477 vorgeschlagen. Eine zweite Methode zur Reduktion des Anteils an Mikrotröpfchen besteht in der Anwendung von Umlenkungen des Plasmastroms.

   Diese Methode wird als gefilterte Kathodenfusspunktbeschichtung bezeichnet. Sie wurde unter anderem von D. M. Sanders und S. Falabella in der US 5 282 944 und von N. Matentzoglu, G. Schumacher und J. Becker in der DE 4 125 365 vorgeschlagen. In DE 4 125 365 wird vorgeschlagen, einen Schutzschirm zu verwenden, der zwischen der Targetoberfläche und den zu beschichtenden Werkstücken angebracht ist. Die Ionen werden elektrostatisch um den Schirm umgelenkt, während die Mikrotröpfchen von ihm zurückgehalten werden. US 5 282 944 verwendet eine ringförmige Targetfläche (17 min ), die in einer Nebenkammer untergebracht ist. Der Plasmastrom wird elektromagnetisch um 90 DEG  umgelenkt und erreicht die Hauptkammer, wo er wiederum elektrostatisch um 90 DEG  umgelenkt wird, um die Werkstücke (27 min ) zu erreichen.

   Die Verdampfereinheit und Form der Integration der Verdampfereinheit in die Beschichtungsanlage sind so ausgeführt, dass nur Ionen den Weg von der Targetfläche zu den Werkstücken zurücklegen können. 



  Eine 3. Methode verwendet eine elektromagnetische Zusatzionisierungseinrichtung, die die Atome und teilweise auch die Mikrotröpfchen auf ihrem Weg von der Targetoberfläche zu den Werkstücken nachionisiert. Sie wurde von P.E. Sathrum und B. F. Coll in der EP 511 153 vorgeschlagen. Die zur Zeit beste Methode kombiniert die Prinzipien der 2. und der 3. Methoden und wurde von J.R. Treglio in US 5 317 235 vorgeschlagen. Die Lichtbogenkathodenfusspunkt-Verdampfereinheit ist als Nebenkammer (20 min  min ) ausgeführt. Diese Nebenkammer ist mit der Hauptkammer durch eine kleine \ffnung (32 min  min ) verbunden. Die Targetfläche (24 min  min ) ist ringförmig und so positioniert, dass alle Komponenten des Plasmastroms wenigstens einmal  umgelenkt werden müssen, um die Werkstücke zu erreichen. Die Umlenkung wird mit einem Spulenmagneten (30 min  min ) bewerkstelligt. 



  Auch zum Problem der Gleichmässigkeit der Targetoberflächenabtragung wurden zahlreiche Lösungsvorschläge gemacht. Diese umfassen im Wesentlichen elektrostatische und magnetische Vorrichtungen zur Steuerung des Lichtbogenkathodenfusspunkts. Erstere wurden von H. Tamagaki in der EP 492 592 vorgeschlagen. Wegen ihrer Unvollkommenheit wird hier nicht näher darauf eingegangen. Die magnetischen Methoden führen den bereits in der US 4 724 058 vorgeschlagenen Gedanken weiter und modulieren entweder das Magnetfeld durch variable von Spulen erzeugte Zusatzfelder oder sie bewegen das Magnetmaterial in einer Doppeldrehbewegung. Diese Methode wurde unter anderem von H. Veltrop, B. Buil und S. Boelens in der EP 283 095 und von J. Reschke, W. Erbkamm, W. Nedon, R. Pochert, B. Scheffel, S. Schiller und H. Schmidt in DE 4 109 213 vorgeschlagen. 



  Die zur Lösung der 3 Probleme vorgeschlagenen Methoden können den Anwender der Kathodenfusspunkt-Verdampfung, der anspruchsvolle Beschichtungen zu einem Preis herstellen will, der vom Markt akzeptiert wird, in mehrerer Hinsicht nicht befriedigen. Nicht das geringste Problem ist dabei bereits, dass die Methoden jeweils nur 1 Problem lösen, und meist so gestaltet sind, dass sie eine Lösung der anderen Probleme mit den dafür vorgeschlagenen Methoden ausschliessen. Die Methoden zur Lösung des Problems der Stabilität schlagen Schirme vor, die auf einem Potential liegen sollten, dass zwischen Kathodenpotential und Anodenpotential liegt. Schirme mit diesem Potential müssen aber bei der Methode der gefilterten Kathodenfusspunkt-Verdampfung als elektrostatisch führende Hindernisse für die Umlenkung des Plasmastrahls verwendet werden.

   Da es in der Natur an jedem Punkt nur ein elektrisches Feld gibt, können solche Schirme nicht gleichzeitig die Kathode an der den Werkstücken abgekehrten Seite umhüllen und im Raum zwischen Targetfläche und Werkstücken den Plasmastrom steuern. Ähnliches gilt für die magnetischen Felder. Für die Lösung des Problems der Stabilität braucht man gemäss US 4 673 477 magnetische Felder, bei denen der Bereich, bei denen die Komponente parallel zur Targetfläche ein Maximum hat, eine geschlossene Schleife bildet; für die Führung des Plasmastrahls benötigt man ein magnetisches Feld, das im Wesentlichen normal zur Targetfläche ist. Auch alle vorgeschlagenen Magnetfelder zur Steuerung der Gleichmässigkeit verwenden  Magnetfelder, die in weiten Bereichen parallel zur Oberfläche sind. Diese Methoden sind daher mit den Methoden des gefilterten Kathodenfusspunkt-Verdampfung nicht kompatibel.

   Die Methoden der gefilterten Katodenfusspunkt-Verdampfung haben weitere schwere Nachteile. Ein grosser Teil, typischerweise 60-90% des verdampften schichtbildenden Werkstoffs erreicht die Werkstückoberflächen nicht. Dies macht diese Verfahren doppelt ineffizient. Der überwiegende Teil des Werkstoffs, der mit grossem Aufwand verdampft wurde, wird verschwendet. Der überwiegende Teil des verdampften schichtbildenden Werkstoffs, der mit grossem Aufwand verdampft wurde, muss mit grossem Aufwand von den Schutzschirmen und Umlenkeinrichtungen wieder entfernt werden. Es ist auch für einen Fachmann nicht einfach, dicke verschleiss- und korrosionsfeste Hartstoffschichten von empfindlichen Spulen zu entfernen. Es findet sich auch in all den Schriften kein Hinweis, wie dies zu bewerkstelligen sei.

   Die Methoden der gefilterten Kathodenfusspunkt-Verdampfung und der Zusatzionisierungseinrichtungen zeigen beim Betrieb weitere unerwartete Nachteile. In beiden Methoden werden nicht nur die Mikrotröpfchen sondern auch die Atome aus dem Plasmastrahl entfernt, entweder durch Filtern oder durch lonisation. Es hat sich nun gezeigt, dass die Verwendung von schichtbildenden Werkstoffkomponenten, die nur aus Ionen bestehen mit 2 Nachteilen verbunden ist: Die auftreffenden Ionen zerstäuben einen Anteil des bereits abgeschiedenen Schichtwerkstoffs. Dieser Anteil geht dabei verloren. Er ist im Bereich von 30-80% des brutto abgeschiedenen Schichtwerkstoffs. Das Verfahren wird noch ineffizienter und teurer. Die auftreffenden Ionen verursachen Fehlstellen im Gitter des abgeschiedenen polykristallinen Schichtwerkstoffs.

   Fehlstellen haben einen bedeutenden negativen Einfluss auf die elektrischen und optischen Eigenschaften der abgeschiedenen Schicht. Ein Übermass an Fehlstellen ist auch für die mechanischen Eigenschaften schädlich. 



  Die Methoden zur Verbesserung der Gleichmässigkeit der Targetoberflächenabtragung sind aber noch in anderer Hinsicht unbefriedigend. Die Spulen, die man für variable magnetische Felder benötigt, sind schwer ins Hochvakuum zu integrieren, insbesondere da sie noch zusätzlich vom Kathodenkörper, der mit der Kathode eines Leistungsgeräts verbunden ist, elektrisch isoliert werden müssen. Die zur Erzeugung von genügend starken Magnetfeldern nötigen Ströme bedingen in der Praxis eine Kühlung, für die  wiederum nicht der Kühlkreislauf der Kathode verwendet werden kann, sondern ein zweiter Kühlkreislauf benötigt wird. Ähnliches gilt für die vorgeschlagene komplizierte Doppelbewegung. Selbstverständlich sind alle diese Probleme für den Fachmann konstruktiv lösbar, aber der Aufwand ist beträchtlich. Komplexe Konstruktionen haben sich aber im Vakuum und insbesondere im Plasma noch nie bewährt.

   Die beiden Lösungsvarianten lösen auch das Problem der Krempenbildung nicht. Eine Krempe entsteht zum Beispiel beim Abtrag einer kreisförmigen Targetfläche, da die Randzone der Targetoberfläche weniger stark abgetragen wird als die zentrale Zone. Die Targetoberfläche wird konkav. Die Ursache hierfür liegt in der Form der gewählten Magnetfelder, die immer eine von zwei Polzonen umschlossene Fläche mit horizontalem Magnetfeld sind. Da der Magnet sich im Kathodentopf bewegen muss, wird eine ringförmige Randzone der Targetoberfläche immer nur von den Polschuhen überstrichen. Diese Randzone ist ein Bereich, in dem sich der geführte Kathodenfusspunkt nicht aufhält. Eine befriedigende Lösung für dieses Problem wurde bisher nicht gefunden. 



  Die Erfindung löst die erwähnten Probleme durch eine neuartige Anlage, durch einen neuartigen Aufbau der Verdampferquellen und eine bestimmte Form der Integration der Verdampfereinheit in die Beschichtungsanlage. 



  Der Stand der Technik der Anlagen verwendet entweder in die Kammer eingebaute, oder an sie angeflanschte Verdampferquellen. Bei den Vorschlägen für den gefilterten Kathodenfusspunkt-Verdampfern verwendet man in einigen Vorschlägen Nebenkammern, jedoch sind diese immer so ausgebildet, dass keine direkten geraden Linien die Targetoberfläche durch die Verbindungsöffnung der Nebenkammer mit den Werkstücken verbinden können, was Teil des Funktionsprinzips ist, aber zu den bekannten Nachteilen führt. Die erfindungsgemässe Vorrichtung besteht aus einer Hauptkammer, in der sich keine Lichtbogenkathodenfusspunkt-Verdampfer befinden. In ihr sind nur die Werkstücke, deren Aufnahmen und, wenn nötig, Vorrichtungen zum Konditionieren und Dekonditionieren der Werkstücke untergebracht. Sie besteht weiters aus wenigstens einer Nebenkammer.

   Die Nebenkammer enthält die Lichtbogenkathodenfusspunkt-Verdampfer und ist mit der Hauptkammer durch eine grosse rechteckige \ffnung verbunden, durch die der neutrale Dampf, also die Atome  der verdampften schichtbildenden Komponente ungehindert zu den Werkstücken strömen können. Bei tiefen Kammerdrucken wird diese Strömung molekular sein. Das Prinzip dieser freien Strömung der Atome bedingt, dass die Verbindung zwischen Nebenkammer und Hauptkammer einen wesentlichen Teil der Kammerhöhe abdeckt. Die Höhe sollte der Beschichtungshöhe in der Hauptkammer entsprechen. Als Beschichtungshöhe bezeichnet man die Länge der Zylindererzeugenden des Raumbereichs, in dem sich alle Werkstückflächen wenigstens befinden müssen, die für die Beschichtung vorgesehen sind. Das Verhältnis von Beschichtungshöhe zur Hauptkammerhöhe hängt natürlich von der Art der zu beschichtenden Werkstücke ab.

   Sie hängt auch von der Geschicktheit des Konstrukteurs bei der Konstruktion der Aufnahmen und der Konditionierungseinrichtungen ab. Für eine wirtschaftliche Anlage sollte die Beschichtungshöhe wenigstens 60% der Hauptkammerhöhe betragen. Die Tiefe der Nebenkammer ist eine jener Kenngrössen, der erfindungsgemässen Anlage, die das Verhältnis von Atomen, Ionen und Mikrotröpfchen bestimmen. Es hat sich gezeigt, dass bei Tiefen, die geringer als 300 mm sind, der Anteil an Mikrotröpfchen, die auf den Werkstückoberflächen auftrifft, so gross wird, dass die Beschichtung mit Titanverbindungen auch bei einfachen geschliffenen Werkzeugen bereits starke Leistungseinbussen zeigt. Will man ausschliesslich polierte Werkzeuge beschichten, mag es sinnvoll sein, die Tiefe auf über 500 mm zu erhöhen.

   Auch die Wahl der verdampften Komponente des schichtbildenden Werkstoffs und die Höhe, um die die Verdampferquelle in die Nebenkammer hineinragt, beeinflussen die Wahl der Tiefe der Nebenkammer. Unsere Optimierung war mit Verdampfereinheiten durchgeführt worden, die 80 mm weit in die Nebenkammer hineinragten. Wählt man die Nebenkammer zu tief, tiefer als 800 mm geht der Effekt, der der Erfindung zugrundeliegt verloren. Der Anteil der Atome, die von den Targetoberflächen direkt die Werkstückoberflächen erreicht, wird zu gering. Die Breite des rechteckigen Ausschnitts lässt sich genau durch den \ffnungswinkel bestimmen.

   Der \ffnungswinkel ist der Winkel, den die beiden Ebenen, die einerseits durch die Hauptkammerachse, andererseits durch die beiden der Hauptkammer und der Nebenkammer gemeinsamen Zylindererzeugenden definiert sind, miteinander an ihrer Schnittlinie, der Hauptkammerachse einnehmen. Für ihn gelten die gleichen Betrachtungen wie für die Tiefe, nur dass in diesem Zusammenhang die Form der Kontaktfläche der Verdampfereinheiten oder die Projektion der Verdampfereinheiten  auf die zur Kammerverbindungsöffnung parallele Nebenkammerwand bei der Optimierung berücksichtigt werden muss. Die Praxis hat gezeigt, dass sich nur mit \ffnungswinkeln, die zwischen /10 und /3 liegen, befriedigende Resultate erzielen lassen.

   In einer bevorzugten Ausführung ist die zur Kammerverbindungsöffnung parallele Nebenkammerwand als Tür ausgebildet, die mit der Nebenkammer über einen Flansch und Dichtungen vakuumdicht verbunden ist. Dies erleichtert den Unterhalt wesentlich, vor allem dann, wenn auf dieser Tür die Verdampferquellen angebracht sind. 



  Auch wenn diese erfindungsgemässe Anordnung bei verschiedenen Baumustern von Verdampfereinheiten, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, es erlaubt, befriedigende Beschichtungsresultate zu erzielen, so hat sich doch gezeigt, dass eine Anordnung mit wenigstens zwei rotationssymmetrischen Verdampfereinheiten besonders günstig ist. Auch dies zeigt, wie weit das Verhalten erfindungsgemässen Anlage vom Stand der Technik abweicht. Dieser empfiehlt die Verwendung von einzelnen rechteckigen Verdampfereinheiten oder eine spiralförmige Anordnung der rotationssymmetrischen Verdampfereinheiten. Das elektrische Potential, auf dem die Nebenkammerwand bezüglich der Targetfläche liegt, beeinflusst natürlich ebenfalls das Verhältnis von Ionen zu Atomen der verdampften Komponente des schichtbildenden Werkstoffs.

   Es hat sich gezeigt, dass optimale Bedingungen erreicht werden, wenn die Nebenkammer eine Auskleidung aufweist, die von der Hauptkammerwand und der Nebenkammerwand elektrisch isoliert ist. 



  Die erfindungsgemässe Verdampfereinheit ist im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich einfacher aufgebaut. Dies bringt nicht nur Kostenvorteile. Es hat sich auch gezeigt, dass durch die Einfachheit die Zuverlässigkeit stark erhöht wird. Die erfindungsgemässe Verdampfereinheit besteht aus einem rotationssymmetrischen Topf, dessen Rückseite mit der Wand der Kammer, in die sie eingebaut ist, fest und vakuumdicht verbunden ist. Einzelheiten solcher Verbindungen können dem Stand der Technik, wie er seit langem für Einbauten in Vakuumanlagen besteht, entnommen werden. Der Topf wird durch eine Kühlplatte vakuumdicht verschlossen. An seiner Stirnseite wird dann eine Scheibe aus der zu verdampfenden schichtbildenden Komponente aufgebracht. Die den Werkstücken zugewandte Seite der Scheibe aus der zu verdampfenden schichtbildenden Komponente wird Targetoberfläche genannt.

   Die andere oberflächenbildende  Kreisfläche wird Targetrückseite genannt. In seinem Inneren enthält der Topf ein rotationssymmetrisches Bauteil, das permanent ein Magnetfeld erzeugt. Das Magnetfeld ist nicht rotationssymmetrisch. Dieses magnetfelderzeugende Bauteil rotiert um die Achse der Verdampferquelle, die mit der Achse des Topfs und des magnetfelderzeugenden Bauteils zusammenfällt. Die Verdampferquelle weist 2 konzentrische Stromzuführungen auf. Die konzentrische Stromzuführung bringt gegenüber dem Stand der Technik, wie er in DE 4 109 213 dargestellt ist wesentliche Verbesserungen. Die Anordnung ist einfacher. Man benötigt keinen doppelwandigen Topf. Dadurch, dass man ein nichtrotationssymmetrisches Magnetfeld verwendet, muss dieses nicht so nahe an der Targetfläche untergebracht werden.

   Dies erlaubt es zwischen der Scheibe aus der zu verdampfendenden Komponente des Schichtwerkstoff und das magnetfelderzeugende Bauteil eine Kühlplatte einzufügen. Man erzielt dadurch eine wesentlich verbesserte Kühlung, was sich vorteilhaft auf das Verhältnis von Atomen zu Mikrotröpfchen auswirkt, das am Kathodenfusspunkt erzeugt wird. Eine weitere Verbesserung gelang durch die Verwendung von 2 konzentrischen Stromzuführungen. Zwar wurde schon in EP 492 592 darauf hingewiesen, dass bei rechteckigen Verdampfereinheiten die Verwendung von mehreren Stromzuführungen vorteilhaft ist. Die dort aufgezeigten Gründe überraschenderweise auch für rotationssymmetrische Verdampfereinheiten zu. Die Verwendung von konzentrischen Zuführungen bringt aber gegenüber der linearen Anordnung wesentliche Vorteile.

   Sie erleichtert die Abschirmung und erlaubt es so, die inzwischen erhobenen Forderungen nach elektromagnetischer Verträglichkeit zu erfüllen. Dies sind aber nur die wesentlichen konstruktiven Merkmale in denen sich die erfindungsgemässe Verdampfereinheit vom Stand der Technik unterscheidet und eine Verbesserung bringt. Bei der erfindungsgemässen Verdampfereinheit handelt es sich nämlich um keinen geführten Kathodenfusspunkt, wie er allen bisherigen Vorschlägen zur Verwendung von Magnetfeldern zugrunde liegt. Das verwendete Magnetfeld ist nicht so aufgebaut, dass der Bereich, in dem die Komponente des Magnetfelds parallel zur Targetfläche ein Maximum hat, eine geschlossene Schleife bildet. Es handelt sich um ein Magnetfeld, das in möglichst weiten Bereichen der Targetoberfläche zu dieser parallel ist.

   Ein derartiges Magnetfeld übt auf der gesamten Kathodenfläche auf den Kathodenfusspunkt eine Kraft aus, die diesen dazu bringt, auf einen anderen Punkt weiterzuspringen. Im Gegensatz zum geführten Funken wird keine bevorzugte Sprungrichtung angestrebt. Wichtig ist nur  die Häufigkeit des Sprungs. Man kann von einem gejagten Kathodenfusspunkt sprechen. Durch die Rotation des nicht rotationssymmetrischen Magnetfelds wird der Effekt weiter verstärkt, indem auf der gesamten Kathodenfläche ständig ein zu dieser paralleles Magnetfeld vorhanden ist, dessen Richtung sich jedoch ständig ändert. Der Kathodenfusspunkt oder die Kathodenfusspunkte werden unaufhaltsam gejagt, ohne einen Ruhepunkt finden zu können. 



  Damit ist auch das Problem der ungleichmässigen Targetflächenabtragung gelöst. Eine weitere Verbesserung besteht darin, das magnetfelderzeugende Bauteil schnell rotieren zu lassen, wenigstens mit 50 Umdrehungen/Minute, bevorzugt mit mehr als 500 Umdrehungen/Minute. Der Stand der Technik wie EP 283 095 verwendete langsame Doppelrotationen. Dies war für den geführten Kathodenfusspunkt richtig. Der gejagte Kathodenfusspunkt funktioniert um so besser, je unerbittlicher, sprich schneller der oder die Kathodenfusspunkte gejagt werden. 



  Auch bei der weiteren Ausführungen habe ich wesentliche Verbesserungen erzielen können. So ist die doppelfunktionale Verwendung von Kupferrohren als Stromzuführung und als Wasserzuführung möglich, weil wir die konzentrische Anordnung und die später genauer beschriebene Konstruktion des Kühlkörpers gewählt haben. Die Anordnung des magnetfelderzeugenden Bauteils an Luft, erlaubt es dieses und seine Achse mit gut geschmierten Kugellagern an den Topf oder die Kammerwand anzubinden. Dies ist wiederum Voraussetzung für die schnelle Rotation des magnetfelderzeugenden Bauteils. 



  Im besonderen und bevorzugt wird das magnetfelderzeugende Bauteil so ausgeführt, dass das von ihm bei Stillstand erzeugte Magnetfeld im Wesentlichen nur Linien enthält, die die Targetoberfläche nur einmal durchstossen. Das heisst, sie treten nur aus der Targetoberfläche aus, beziehungsweise in die Targetoberfläche ein. Die Rückführung zum Gegenpol geschieht nach dem Eintritt beziehungsweise Austritt in die zylindrische Targetoberfläche, Kühlkörperoberfläche oder Oberfläche des magnetfelderzeugenden Bauteils. Dieses Magnetfeld kann durch verschiedene Aufbauten von Komponenten aus Dauermagneten und ferromagnetischen Werkstoffen erzeugt werden. Falls sie alleine nicht genügend mechanische Stabilität besitzen, können sie in eine Struktur aus diamagnetischem Werkstoff, zum Beispiel Kunststoff eingebettet werden.

   Eine bevorzugte einfache Struktur besteht aus Dauermagneten und ferromagnetischen Polschuhen. Diese sind so angeordnet, dass ein Pol parallel zur Targetoberfläche ist. An ihm treten alle Magnetfeldlinien  ein (aus), die in die Targetoberfläche eintreten, beziehungsweise austreten. Dieser Pol ist exzentrisch angeordnet. Der Gegenpol oder die Gegenpole bilden einen Kreis, der zur Targetscheibe konzentrisch sein kann. Die Gegenpolflächen sind aber nicht zur Targetoberfläche parallel. Ihre Flächennormalen schliessen mit der Achse der Targetoberfläche Winkel  beta i ein. In diesem Fall bestimmt man ihren mit den Polflächen gewuchteten Mittelwert. Er sei  beta . Es können auch alle Gegenpolflächen denselben Winkel  beta  mit der Achse der Targetoberfläche einschliessen.

   Um einen stabilen Betrieb der Kathodenfusspunkt-Verdampfereinheit zu erreichen, sollte dieser Winkel bevorzugt nicht kleiner als /20 und nicht grösser als 4/5 sein. Voraussetzung für den geführten Kathodenfusspunkt im Stand der Technik war  beta  = 0 gewesen. 



  In der erfindungsgemässen Anlage kann der Betrieb der Verdampfereinheiten weiter verbessert werden. Die Verbesserungen betreffen die Stabilität der Verdampfereinheit und die Qualität der in der Anlage erzeugten Schichten. Dies ist möglich, wenn man im Bereich des Übergangs von der Hauptkammer zur Nebenkammer zusätzliche Anoden anbringt. Die Verwendung von anderen Anoden als der Kammerwand, die man als Zusatzanoden bezeichnet, und auch das Splitten des Anodenstroms zwischen Kammerwand und Zusatzanoden sind im Stand der Technik längst bekannt. Sie sind entweder zur Targetoberfläche konzentrisch oder wie in EP 511 153 als Ring vor der Targetoberfläche ausgebildet.

   Ein Anbringen im Bereich des Übergangs von der Haupt- zur Nebenkammer ist neu und erlaubt es, den lonenanteil im Strom der schichtbildenden Komponenten zu reduzieren und so die Eigenspannungen in der Schicht, die insbesonders bei einer Titankarbonitridbeschichtung störend sind, zu reduzieren. 



  Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass die optimalen Bedingungen für die Schichtabscheidung in Anwendungen des Verschleissschutzes dann gegeben sind, wenn der \ffnungswinkel  alpha , der den Kammerausschnitt bestimmt, gleich dem mittleren Winkel  beta  ist, den die Gegenpole mit der Verdampferachse einschliessen. Dies glaube ich so erklären zu können, dass das Magnetfeld dem lonenstrom eine konische Ausrichtung gibt. Bei gleichem Winkel passt dieser gut durch die \ffnung zur Hauptkammer. 


 Ausführungsbeispiel 
 



  Die Einzelheiten der Erfindung können aus den folgenden Figuren nachvollzogen werden: 
 
   Fig. 1 und Fig. 2 zeigen zwei Ansichten der erfindungsgemässen Anlage; 
   Fig. 3 gibt eine Ansicht der wesentlichen Elemente der erfindungsgemässen Verdampfereinheit; 
   Fig. 4 zeigt eine Ausführungsbeispiel des Kühlkörpers; 
   Fig. 5 zeigt eine Ausführungsbeispiel des magnetfelderzeugenden Bauteils, und 
   Fig. 6 zeigt eine andere praktische Realisierung. 
 



  Im einzelnen zeigt Fig. 1 eine Anlage für die plasmaunterstützte Vakuumbedampfung von Substraten, die aus einer Hauptkammer (1) und einer Nebenkammer (3) besteht. Hauptkammer und Nebenkammer sind durch die \ffnung (4) so miteinander verbunden, dass eine molekulare Strömung nicht behindert wird. In der Hauptkammer befinden sich die zu beschichtenden Werkstücke (8), in der Nebenkammer 2 Verdampferquellen (5). Einzelheiten der Anlage wie Pumpen, Gaszuführungen, Substratbewegungsmechanismen und Konditionierungseinrichtungen sind nicht dargestellt, da der Aufbau und die Positionierung dem Fachmann bekannt sind. Die Fig. 1 zeigt weiterhin die Länge (7) des Zylindermantels (2) und die Längen (6) der rechtekkigen \ffnung (4), die Hauptkammer mit Nebenkammer verbindet. 

 

  Fig. 2 zeigt teilweise die gleichen Elemente wie Fig. 1. Zusätzlich zeigt sie den \ffnungswinkel  alpha , der den Ausschnitt charakterisiert und die Tiefe (9) der Nebenkammer (3). Die Verdampfereinheit (5) ist auf einer Tür (10) aufgebracht, die zur Verbindungsfläche(4) parallel ist. Die Nebenkammer ist mit einer  Auskleidung (11) versehen, die von der Nebenkammerwand, der Tür und der Hauptkammerwand (2) durch eine elektrische Isolation (35) getrennt ist. Im Bereich zwischen Nebenkammer und Hautkammer sind oben und unten zwei Zusatzanoden (31) angebracht. Es handelt sich dabei um 2 rechteckige Kupferblechstücke, deren Länge der Breite des Ausschnitts entspricht und deren Breite im Bereich zwischen 5 und 20 mm liegt. Sie sind auf ein Rohr aufgeschweisst, das wassergekühlt ist, und das gleichzeitig als Stromzuführung dient.

   Strom und Wasser werden durch eine nicht dargestellte Durchführung nach aussen geführt. Fig. 3 zeigt die wesentlichen Einzelheiten des Aufbaus der Verdampfereinheit. Sie ist rotationssymmetrisch aufgebaut, mit einer Symmetrieachse (23). Einzelheiten, deren Ausführung dem Fachmann vertraut sind, wie Schrauben, Dichtungen und Durchführungen sind nur dann dargestellt, wenn sie eine besondere Funktion oder  Ausführung aufweisen. Die Verdampfereinheit besteht aus einer Scheibe (13) aus der zu verdampfenden schichtbildenden Komponente des Schichtwerkstoffs. Sie ist mit der dahinter liegenden Kühlplatte (14) fest verbunden. Diese Verbindung kann entweder durch einzelne Schrauben in der Randzone, durch Pratzen an der Randzone, durch einen Gewindebolzen im Zentrum oder durch eine Überwurfmutter bewerkstelligt werden. Die Verbindung ist nicht vakuumdicht.

   Die dahinter liegende Kühlplatte wird bevorzugt aus Kupfer gefertigt. Einzelheiten sind in der Fig. 4 dargestellt. In ihr Inneres führen zwei konzentrische Kupferrohre (18) und (24). (24) dient zur Zuleitung des Kühlwassers und (18) zur Ableitung des Kühlwassers. Die beiden Rohre (18) und (24) sind durch Kupferbrücken (36) miteinander elektrisch verbunden und über ein Kabel (22) an den negativen Pol einer geeigneten Gleichspannungsversorgung (20 angeschlossen. Der positive Pol der Gleichspannungsversorgung ist über ein Kabel (21) und einen Stromteiler mit den Zusatzanoden und der Kesselwand verbunden. Der Kühlkörper ist mechanisch steif und durch die Dichtungsringe (15) vakuumdicht mit einem Topf (12) verbunden, der aus rostfreiem Stahl, Inconel, Aluminium, Kupfer oder einem anderen nicht ferromagnetischen Material gefertigt sein kann.

   Dieser Topf wiederum ist mechanisch steif und durch Dichtungsringe mit der Kammerwand, beziehungsweise die Nebenkammertür (37) verbunden. Auch dies kann mit Schrauben oder Pratzen, bevorzugt mit einer Verbindung, die den einschlägigen ISO-Normen für Vakuumtechnik entspricht, realisiert werden. In diesem Topf befindet sich ein magnetfelderzeugendes Bauteil (16), das in Fig. 6 näher dargestellt ist. Dieses Bauteil ist über eine Achse (38) und ein schnellläufiges Kugellager (17) mechanisch an den Topf angebunden. Diese Achse wird von einem Motor (30) angetrieben. 



  Fig. 3 zeigt ein Beispiel für die Realisation des Kühlkörpers (14). Er besteht aus einem Kupfertopf (25), dessen Stirnseite durch eine dünne, aufgelötete Kupferfolie (26) verschlossen ist. Sein Inneres ist durch eine Trennwand (27) in eine obere Kammer (29) und eine untere Kammer (28) geteilt. Im Zentrum seiner Unterseite befindet sich ein Loch, an das ein Zuflussrohr (24) angeschlossen ist. Diese füllt die untere Kammer (28). An einer dreieckigen \ffnung des Trennblechs tritt das Wasser in die obere Kammer (29) über und tritt nach deren Durchströmung durch das Ablassrohr (18) wieder aus. Das Ablassrohr (18) ist mit der Folie (26) in deren Zentrum (39) elektrisch leitend verbunden. Das Einlassrohr (24) leitet den elektrischen Strom über den Topf (25) an einen Bereich (40) der in etwa der Kontaktfläche  zwischen Folie und Topf entspricht, die Randzone der Targetoberfläche.

   Die Wandstärken und die Werkstoffe der beiden Rohre und des Topfs müssen so gewählt werden, dass der elektrische Widerstand der beiden Zuleitungen annähernd gleich ist. Annähernd gleich ist zum Beispiel erfüllt, wenn der Unterschied im Widerstand nicht grösser als 0.2  OMEGA  ist. 



  Fig. 5 zeigt eine bevorzugte Form des erfindungsgemässen Magnetfelds. In einer Platte (16) aus Polyethylen wurde exzentrisch ein Zylinder (46) aus dem dauermagnetischen Werkstoff Neodym-Eisen-Bor eingesetzt und mit einem Polschuh (30) versehen, dessen Oberfläche den Nordpol der magnetischen Anordnung bildet. An die Rückseite des Dauermagneten schliesst sich ein spinnenförmiger Polschuh mit langen Armen (34) und kurzen Armen (33) aus Weicheisen an, der den magnetischen Fluss zu den Gegenpolen (31) und (32) leitet. Sie bilden den Südpol der magnetischen Anordnung. Alle Gegenpole liegen auf einem mit der Platte konzentrischem Kreis. Die Flächennormalen (42) und (41) der einzelnen Arme bilden mit der Rotationsachse der Platte (23) Winkel  beta 1 und  beta 2. Die Pole sind durch Magnetlinien (39) miteinander verbunden.

   Auf Grund der Form der Anordnung treten alle Magnetlinien am Nordpol aus der Magnetplatte parallel zur Achse (23) aus und werden so in ihrem Verlauf aus der Targetoberfläche, nachdem sie diese durchdrungen haben, austreten. An den Südpolen werden sie wieder im Wesentlichen normal zu den Polflächen (31) und (32), also parallel zu den Flächennormalen (40) und (42) in den Polschuh eintreten. Davor haben sie in den meisten Fällen den Zylindermantel einer der drei Bauelemente (12), (13), (14) durchdrungen. 



  Fig. 6 zeigt eine andere praktische Realisierung. Die Aufsicht 6a zeigt den Nordpol (30) der von einem Polschuh aus Weicheisen gebildet ist. Unter ihm befindet sich wiederum ein Zylinder (46) aus dem dauermagnetischem Werkstoff Neodym-Eisen-Bor. Dieser Zylinder sitzt auf einer Weicheisenplatte (44). An diese Weicheisenplatte schliessen sich an einigen Stellen Quader aus dauermagnetischem Material (45) an, die einen unsymmetrischen Stern bilden. An ihren Enden schliessen sich weitere Quader aus dauermagnetischem Material (40) an, die zu ihnen in einem bestimmten Winkel stehen. Sie sind mit ihnen durch einen kleinen Polschuh (43) verbunden. An ihrem Ende können weitere Polschuhe angebracht sein. Auch diese Anordnung erzeugt ein Magnetfeld, wie es in Fig. 5 dargestellt ist. 

Claims (20)

1. Anlage für die plasmaunterstützte physikalische Bedampfung von Werkstücken, die eine oder mehrere Kathodenfusspunkt-Verdampfereinheiten umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer zylindrischen Hauptkammer (1) und wenigstens einer quaderförmigen Nebenkammer (3) besteht, dass der Zylindermantel der zylindrischen Hauptkammer wenigstens eine rechteckige \ffnung aufweist, dass die rechteckigen \ffnungen der zylindrischen Hauptkammer mit den quaderförmigen Nebenkammern entlang einer Längsseitenfläche eine verbindende \ffnung (4) bildend verbunden sind und dass die zu beschichtenden Substrate (8) ausschliesslich in der Hauptkammer untergebracht sind.

2.

Anlage gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich, der zur Verbindungsfläche und einer der beiden Kammerwände unmittelbar benachbart ist, eine oder mehrere Anoden (31) angebracht sind, die wenigstens einen Teil der Summe der Entladungsströme des Kathodenfusspunkt-Verdampfereinheiten aufnehmen.

3. Anlage gemäss Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass alle Kathodenfusspunkt-Verdampfereinheiten (5) in quaderförmigen Nebenkammern eingebaut sind.

4. Anlage gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (6) der rechteckigen \ffnung wenigstens 60% der Länge (7) des Zylindermantels der Hauptkammer ist und dass die Tiefe (7) zwischen 300 und 800 mm beträgt.

5.

Anlage gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die rechteckige \ffnung des Zylindermantels der Hauptkammer einem \ffnungswinkel alpha entspricht, der grösser als /10 und kleiner als /3 ist.

6. Anlage gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die quaderförmige Nebenkammer (3) eine Türe (10) aufweist, die die Seitenfläche bildet, die zur Verbindungsseitenfläche (4) parallel ist und dass diese Türe die Kathodenfusspunkt-Verdampfereinheit(en) (5) trägt.

7. Anlage gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenkammer (3) eine Auskleidung (5) aufweist und dass diese Auskleidung von der Hauptkammerwand (2) und der Nebenkammerwand elektrisch isoliert ist.

8.

Anlage gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nebenkammerwand (37) wenigstens 2 rotationssymmetrische Kathodenfusspunkt-Verdampfereinheiten eingebaut sind.

9. Kathodenfusspunkt-Verdampfereinheit für eine Anlage gemäss einem der Ansprüche 1 bis 8, bestehend aus einem rotationssymetrischen Topf (12), der mit der Nebenkammerwand (37) der Anlage fest verbunden ist, einer ebenen kreisförmigen Targetfläche (13), die aus wenigstens einer der Komponenten des Werkstoffs besteht, die die Schicht bilden sollen, einer Wasserkühlung, einem beweglichen magnetfelderzeugenden Bauteil (16) dadurch gekennzeichnet, dass das magnetfelderzeugende Bauteil (16) um eine Achse (23), die der Topfachse entspricht eine einfache Rotation ausführt,

das vom magnetfelderzeugendem Bauteil erzeugte magnetische Feld nicht rotationssymmetrisch ist und dass sie wenigstens zwei konzentrische Stromzuführungen aufweist.

10. Kathodenfusspunkt-Verdampfereinheit gemäss Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich unmittelbar an die Targetfläche ein vakuumdichter wasserdurchströmter Kühlkörper (14) anschliesst und dass sich hinter dem Kühlkörper das rotierende magnetfelderzeugende Bauteil (16) befindet.

11. Kathodenfusspunkt-Verdampfereinheit gemäss einem der Ansprüche 9-10 dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsgeschwindigkeit des magnetfelderzeugenden Bauteils (16) wenigstens 50 Umdrehungen/Minute beträgt.

12. Kathodenfusspunkt-Verdampfereinheit gemäss Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsgeschwindigkeit wenigstens 500 Umdrehungen/Minute erreicht.

13.

Kathodenfusspunkt-Verdampfereinheit gemäss einem der Ansprüche 9-12, dadurch gekennzeichnet, dass Wasserzuführung und Stromzuführung teilweise über zwei konzentrische Rohre (18, 24) erfolgt.

14. Kathodenfusspunkt-Verdampfereinheit gemäss Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre aus Kupfer sind.

15. Kathodenfusspunkt-Verdampfereinheit gemäss einem der Ansprüche 13-14, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Rohr (24) elektrisch mit dem Zentrum (39) der Oberfläche (26) des Kühlkörpers verbunden ist, die an die Targetrückseite anschliesst, das äussere Rohr (18) mit der Randzone (40) der Oberfläche (26) des Kühlkörpers verbunden ist, die an die Targetrückseite anschliesst.

16.

Kathodenfusspunkt-Verdampfereinheit gemäss einem der Ansprüche 13-15, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Widerstände der die Stromzuführung teilweise bildenden Rohre (18, 24) annähernd gleich sind.

17. Kathodenfusspunkt-Verdampfereinheit gemäss einem der Ansprüche 9-16, dadurch gekennzeichnet, dass das rotierende magnetfelderzeugende Bauteil (16) sich an Luft befindet.

18. Kathodenfusspunkt-Verdampfereinheit gemäss einem der Ansprüche 9-17, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetlinien (39), die die Pole (30) und Gegenpole (31, 32) des magnetfelderzeugenden Bauteils (16) verbinden, die Targetoberfläche im Wesentlichen nur an jeweils einem Punkt Targetfläche durchstossen.

19.

Kathodenfusspunkt-Verdampfereinheit gemäss Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass alle Polflächen (30) im Wesentlichen parallel zur Targetoberfläche orientiert sind und die meisten der Gegenpolfläche (31, 32) mit der Achse der Targetfläche (23) einen durchschnittlichen Winkel beta einschliessen und dass der Winkel beta zwischen /10 und /3 beträgt.

20. Anlage gemäss einem der Ansprüche 5-8 und mit einer Kathodenfusspunkt-Verdampfereinheit gemäss Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel alpha gleich dem Winkel beta ist.