DD141932A1 - METHOD AND DEVICE FOR PARTICLE CURRENCY AND HIGH-RATE COATING - Google Patents

METHOD AND DEVICE FOR PARTICLE CURRENCY AND HIGH-RATE COATING Download PDF

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Guenter Reisse
Manfred Rost
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung ionisierter Teilchenstroeme und zur Ablagerung derselben auf einem Traeger. Das Ziel sowie die zu loesende Aufgabe der Erfindung bestehen in der Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung, die die Hochrate-Abscheidung von Schichten wahlweise auch auf grossen Flaechen ermoeglichen und eine Vergroesserung der Dichte des zum Schichttraeger gelangenden Ionenstromes oder Ionenstromanteiles gestatten. Erfindungsgemaess werden neutrale oder teilionisierte das- und/oder dampffoermige Teilchenstroeme durch eine Hohlkatode geleitet, die von in sich geschlosssenen Polschuhen eines oder mehrerer Permanent- oder Elektromagneten umgeben ist. Bei Anlagen einer geeigneten Spannung zwischen der Hohlkatode und einer Anode wird ein merklicher Teil des Teilchenstromes in der entstehenden Hohlkatoden-Ringspaltenentladung ionisiert. Die Extraktion der ionisierten Teilchen erfolgt mit Hilfe eines Ionenextraktionssystems, durch Anlegen einer Beschleunigungsspannung zwischen Hohlkatode und Schichttraeger oder durch das negative Wandpotential des elektrisch isoliert, im Kontakt mit dem Entladungsplasma angebrachten Schichttraegers. Die Erfindung ist anwendbar: Mikroelektronik, Oberflaechenverguetung, Verschleissminderung und KorrosionsschutzThe invention relates to a method and apparatus for generating ionized Teilchenstroeme and for depositing them on a Traeger. The object and the object of the invention to be solved are to provide a method and a device which enable the high-rate deposition of layers optionally also on large surfaces and allow an increase in the density of the ion carrier or ion current component reaching the layer carrier. According to the invention, neutral or partially ionized dense and / or vaporous particle streams are passed through a hollow cathode which is surrounded by self-contained pole shoes of one or more permanent magnets or electromagnets. In systems of suitable voltage between the hollow cathode and an anode, a significant portion of the particle current is ionized in the resulting hollow cathode annular gap discharge. The extraction of the ionized particles is carried out with the aid of an ion extraction system, by applying an acceleration voltage between hollow cathode and layer carrier or by the negative wall potential of the electrically insulated, in contact with the discharge plasma Schichttraegers. The invention is applicable: microelectronics, surface trimming, wear reduction and corrosion protection

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Teilchenstroraionisierung und HochratebeschichtungProcess and apparatus for particle striation and high rate coating

Anwendungsgebiete der ErfindungFields of application of the invention

Die Erfindung ist anwendbar in den Gebieten der Technik, die Schichten mit spezifischen Eigenschaften benötigen, wie z. B. die Beschichtung und Schichteinbringung in der Mikroelektronik, der Optoelektronik und der Optik, zur Oberflächenvergütung, für den Korrosionsschutz und zur Verschleißminderung.The invention is applicable in the fields of technology that require layers with specific properties, such. As the coating and layering in microelectronics, optoelectronics and optics, for surface treatment, for corrosion protection and to reduce wear.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Es sind bereits Verfahren zur Erzeugung ionisierter Teilchenströme und Ablagerung derselben auf einem Träger bekannt. Zu diesem Verfahren gehören die Ionenstrahlzerstäubung, die Schichtabscheidung durch Ion-plating, die Ionenstrahlabscheidung von dünnen Schichten und die Ionenstrahlnitrierung von Pestkörperoberflächen.Methods for producing ionized particle streams and depositing them on a support are already known. This process includes ion beam sputtering, ion plating, ion beam deposition of thin films, and ion beam nitriding of plaque body surfaces.

Das gemeinsame Merkmal dieser Verfahren besteht darin, daß wenigstens ein Teil der am Schichtaufbau beteiligten Elemente oder Verbindungen als Ionen angeliefert werden, wobei die Energie und der Impuls des zum Schichtträger gelangenden Teilchenstromes als eine Ursache für die Entstehung spezifischer Schichteigenschaften oder Verbindungen in Erscheinung tritt, und daß die Schichtabscheidung außer beim plasmagestützten Ion-plating im Hochvakuum erfolgen kann. Bei der Ionenstrahlzerstäubung -(DD-WP 76283) wird das als Target bezeichnete Ausgangsmaterial durch einen in einer Io-The common feature of these methods is that at least part of the elements or compounds involved in the layer construction are delivered as ions, the energy and momentum of the particle carrier passing to the substrate appearing as a cause for the formation of specific layer properties or compounds, and that the layer deposition can be done except in the case of plasma-assisted ion plating in a high vacuum. In ion beam sputtering - (DD-WP 76283), the starting material referred to as target is characterized by a in a Io-

.' ' '' :'-r'.:' _ ρ —. '''' : ' -r '.:' _ ρ -

nenquelle erzeugten Ionenstrahl zerstäubt. Der abgestäubte Teilchenstrora, der auf dem entsprechend angeordneten Träger eine Schicht bildet, enthält nur einen geringen Ionenanteil; die mittlere Energie der Teilchen beträgt 5 bis 10 eV. Bei der lonenzweistrahlzerstäubung (DD-WP 130 157) wird gleichzeitig mit dem abgestäubten Teilchenstrom ein Ionenstrom aus einer separaten Ionenquelle auf den Träger gerichtet, so daß eine zusätzliche variierbare Energie-, Impuls-, und Teilchenzufuhr in die aufwachsende Schicht stattfindet. Diese Verfahren wurden bisher wegen der unabhängig variierbaren Versuchsparameter vorwiegend in der Grundlagenforschung eingesetzt. Für industrielle Beschichtungen sind die erreichbaren Schichtwachstumsraten und Beschichtungsflächen noch zu gering; der Ionenanteil im abgestäubten Teilchenstrom ist physikalisch bedingt und kann nicht variiert werden. Beim Ion-plating-Verfahren (DE-AS 15215^1) wird ein Bruchteil des zur Schichtabscheidung verdampften oder in Dampfform· überführten oder als Gas vorliegenden Materials in einem ITiederdruck-Gasentladungsplasma ionisiert und durch das zwischen Schichtträger und einer Hilfselektrode angelegte elektrische Feld auf den Träger beschleunigt. Die bisher für dieses Verfahren verwendeten Gasentladungsformen erlauben nicht, daß das Verhältnis von Ionen mit Energien bis zu einigen 100 eV zu Neutralteilchen im zum Träger gelangenden Teilchenstrom so gestaltet wird, daß eine hohe Schichtabscheidungsrate bei gleichzeitiger Zuführung bis zu einigen 10 eV Energie pro abgelagertes Schichtteilchen möglich ist. Höhere Ionenenergien führen zur Herausbildung von Strukturdefekten in der aufwachsenden Schicht und zur Wiederabstäubung des Schichtmaterials. Des weiteren ist die Abscheidung von Verbindungs-, Legierungs- und dotierten Schichten mit Hilfe dieses Verfahrens nur erschwert möglich.nenquelle generated atomized atomized. The atomized particle strorage, which forms a layer on the correspondingly arranged support, contains only a small proportion of ions; the average energy of the particles is 5 to 10 eV. In ion beam sputtering (DD-WP 130 157), an ion current from a separate ion source is directed onto the carrier simultaneously with the sputtered particle stream, so that an additional variable energy, momentum, and particle supply takes place in the growing layer. These methods were previously used because of the independently variable experimental parameters mainly in basic research. For industrial coatings, the achievable layer growth rates and coating areas are still too low; The ion content in the atomized particle stream is physical and can not be varied. In the ion-plating method (DE-AS 15215 ^ 1), a fraction of the material vaporized or vapor-deposited or gasified is ionized in a low-pressure gas discharge plasma plasma and applied to the electric field between the substrate and an auxiliary electrode Carrier accelerates. The gas discharge forms heretofore used for this process do not allow the ratio of ions having energies up to several 100 eV to neutral particles in the carrier particle stream to be such as to allow a high rate of deposition with simultaneous delivery of up to several 10 eV of energy per deposited layered particle is. Higher ion energies lead to the formation of structural defects in the growing layer and to the re-atomization of the layer material. Furthermore, the deposition of compound, alloy and doped layers using this method is only possible with difficulty.

Bei der Ionenstrahlabscheidung (DE-OS 2113375) von Schichten wird das gesamte zum Schichtaufbau verwendete Material in einer Ionenquelle ionisiert und auf die zu beschichtende Oberfläche beschleunigt. Dieses Verfahren ist sehr aufwendigIn ion beam deposition (DE-OS 2113375) of layers, the entire material used for layer construction is ionized in an ion source and accelerated to the surface to be coated. This process is very expensive

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und gestattet vorwiegend nur die Abscheidung von Schichten aus chemischen Elementen. Die bisher erzielten Schichtaufwachsraten sind gering.and allows mainly only the deposition of layers of chemical elements. The layer growth rates achieved so far are low.

Bei der Ionenstrahlnitrierung (DD-WP 130 157) wirken Stickstoff ionen auf den als Target geschalteten festen Körper ein, wobei die Temperatur der Festkörperoberfläche beispielsweise durch Strahlungsheizung auf einen für die Pestkörperdiffusion der Stickstoffteilchen und die Verbindungsbildung geeigneten Wert eingestellt wird. Pur eine effektive Anwendung dieses Verfahrens sind die bisher erreichten Ionenstromdichten und Behandlungsflächen zu gering.In ion beam nitriding (DD-WP 130 157), nitrogen ions act on the solid body connected as a target, the temperature of the solid surface being adjusted, for example by radiation heating, to a value suitable for the plague diffusion of the nitrogen particles and the compound formation. Purely an effective application of this method, the previously achieved ion current densities and treatment areas are too low.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Es ist das Ziel der Erfindung, einen hohen Ionenanteil im Teilchenstrom zu erzeugen und die Aufwachsgeschwindigkeit der abgelagerten Schichten wesentlich zu erhöhen.It is the object of the invention to produce a high ion content in the particle stream and to substantially increase the growth rate of the deposited layers.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, die eine Erzeugung ionisierter Teilchenströme und deren Ablagerung auf einem Träger zum Inhalt haben, wobei die Hochrateabscheidung von Einkomponentenschichten-, Verbindungsschichten und dotierten Schichten wahlweise auch auf großen Flächen erfolgen soll.The invention has for its object to develop a method and an apparatus which have a generation of ionized particle streams and their deposition on a carrier to the content, wherein the high-rate deposition of Einkomponentenschichten-, bonding layers and doped layers should be made optionally on large areas.

Die Mangel der bekannten lösungen sind darauf zurückzuführen, daß bei der Ionenstrahlzerstäubung und der Ionenzweistrahlzeretäubung der vom Target abgestäubte, zum Träger gelangende Teilchenstrom vom Ionenstrora auf dem Target und der Zerstäubungsausbeute bestimmt wird. Die Zerstäubungsausbeute kann einen von der lonenart, Ionenenergie und dem Targetmaterial abhängigen Grenzwert nicht überschreiten; die Ionenstromdichte der bekannten großflächigen Ionenquellen beträgt maximal einige mA/cm , so daß die Schichtwachstumsrate ionenetrahlgestäubter Schichten einen Grenzwert, der für Metalle bei 50 nm/min liegt, nicht übersteigt. Auf Grund der begrenzten Ionenstromdichte der bekannten großflächigen Ionenquellen ist die Schichtwachstumsrate bei der IonenstrahlablagerungThe deficiency of the known solutions are due to the fact that in the ion beam sputtering and Ionenzrahlzeretäubung the sputtered from the target, the carrier-reaching particle flow of ionic strands on the target and the Zerstäubungsausbeute is determined. The sputtering yield can not exceed a limit depending on the ionic, ionic and target material; The ion current density of the known large-area ion sources is a maximum of several mA / cm, so that the layer growth rate of ion-beam-sputtered layers does not exceed a limit that is for metals at 50 nm / min. Due to the limited ion current density of the known large area ion sources, the layer growth rate in ion beam deposition is

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und der Ionenstrahlnitrierung ebenfalls begrenzt. Bei den bekannten lon-plating-Verfahren ist die Dichte des zum Schichtträger gelangenden Ionenstromes wegen der niedrigen Plasmadichte der verwendeten Niederdruck-Gasentladungen gering; die Energie der Ionen darf einen Schwellwert, dessen Überschreitung zur Defektbildung in den aufwachsenden Schichten führen würde, nicht übersteigen. Eine ausreichende Energie- und Impulszuführung in die aufwachsende Schicht kann somit nur bei begrenzten Schichtwachstumsraten erreicht werden. . Die Erhöhung der Schichtwachstumsrate bei genügender Energie- und Impulszuführung in die aufwachsende Schicht erfordert eine Vergrößerung der Dichte des zum Schichtträger gelangenden Ionenstromes bzw. Ionenstromanteiles.and ion beam nitriding also limited. In the known ion-plating method, the density of the ion beam reaching the substrate is low because of the low plasma density of the low-pressure gas discharges used; the energy of the ions must not exceed a threshold, the exceeding of which would lead to the formation of defects in the growing layers. Sufficient energy and pulse supply into the growing layer can thus be achieved only at limited layer growth rates. , Increasing the layer growth rate with sufficient energy and pulse supply into the growing layer requires an increase in the density of the ion current or ion current component reaching the substrate.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß neutrale oder teilionisierte gas- und/oder dampfförmige Teil- . chenströme durch eine Hohlkatode geleitet und/oder in dieser erzeugt werden, die von in sich geschlossenen Polschuhen eines oder mehrerer Permanent- oder Elektromagneten umgeben ist, so daß sich im Wirkungsbereich des Polschuhpaares über der Hohlkatodenoberflache ein inhomogenes, tunnelförmiges, geschlossenes Magnetfeld ausbildet, welches als Elektronenfalle wirkt. Beim Anlegen einer geeigneten Spannung zwischen der Hohlkatode und der nahe der Teilchenstromeintritts- und/ oder -austrittsseite angeordneten Anode überlagert sich somit der entstehenden Hohlkatodenentladung, vorwiegend im Bereich der Polschuhpaare, eine Ringspaltenladung. Im Gasentladungsplasma, dessen Dichte in der Hohlkatoden-Ringspaltenentladung hohe Werte erreicht, wird ein merklicher Teil des Teilchenstromes ionisiert. Außer den eingeleiteten Teilchen enthält das Gasentladungsplasma neutrale und ionisierte Teilchen der Hohlkatodenoberflache, die infolge des speziellen Entladungsmechanismus durch Ionenbombardement abgestäubt werden. Bei genügend intensiver Zerstäubung der Hohlkatoden-' oberfläche kann die Entladung auch nach Abschalten des eingeleiteten Teilchenstromes aufrechterhalten werden. Die Extrak-According to the invention the object is achieved in that neutral or teilionisierte gas and / or vapor partial. chen currents passed through a hollow cathode and / or generated in this, which is surrounded by self-contained pole pieces of one or more permanent or electromagnet, so that forms an inhomogeneous, tunnel-shaped, closed magnetic field in the range of action of Polschuhpaares on the Hohlkatodenoberfläche, which Electron trap works. When a suitable voltage is applied between the hollow cathode and the anode arranged near the particle flow inlet and / or outlet side, the resulting hollow cathode discharge, predominantly in the region of the pole shoe pairs, is thus superimposed on an annular gap charge. In the gas discharge plasma, whose density in the hollow cathode annular column discharge reaches high values, a significant portion of the particle flow is ionized. In addition to the particles introduced, the gas discharge plasma contains neutral and ionized particles of the hollow cathode surface, which are atomized by ion bombardment as a result of the special discharge mechanism. With sufficiently intensive atomization of Hohlkatoden- 'surface, the discharge can be maintained even after switching off the introduced particle flow. The extrak

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tion der ionisierten Teilchen aus dem Gasentladungsplasma und ihre Beschleunigung auf den Schichtträger erfolgt mit Hilfe eines geeigneten lonenextraktionssystems oder durch Anlegen einer Beschleunigungsspannung zwischen Hohlkatode und Schichtträger oder durch das sich selbst einstellende, negative Wandpotential des elektrisch isoliert, jedoch im Kontakt mit dem Entladungsplasma angebrachten Trägers.tion of the ionized particles from the gas discharge plasma and their acceleration on the support is carried out by means of a suitable ion extraction system or by applying an acceleration voltage between hollow cathode and substrate or by the self-adjusting, negative wall potential of the electrically isolated, but in contact with the discharge plasma mounted carrier.

Die Energie des zum Träger gelangenden gaskinetischen Stromes neutraler und im Plasma angeregter Teilchen kann durch die Formgebung der Hohlkatode, beispielsweise durch Ausbildung als Düse, beeinflußt werden; durch Stöße mit den Ionen erfolgt eine weitere Energieerhöhung. Durch unterschiedliche Formgebung des Entladungsraumes und des Magnetfeldes erfolgt des weiteren eine Anpassung der Vorrichtung an die Schichtträgergeometrie. Der Anteil an abgestäubten Teilchen von der Katodenoberfläche im Teilchenstrom zum Schichtträger iet infolge der Verteilungscharakteristik des abgestäubten Materials ebenfalls durch die Formgebung des Entladungsraumes variierbar. Erfindungsgemäß ist der Entladungsraum der Hohlkatoden-Ringspaltentladung wahlweise zylinderförmig, hohlzylinderförmig, kegelstumpfförmig, rotationselliptisch oder prismatisch ausgebildet und wird vom Teilchenstrom in axialer Richtung durchflossen, oder der Entladungsraum ist ringförmig mit prismatischem, elliptischem oder trapezförmigem Querschnitt ausgebildet und wird in radialer Richtung durchflossen. Um die Beschichtungsfläche und damit die Produktivität zu erhöhen, werden in weiterer Ausführung der Erfindung mehrere Hohlkatoden, die von in sich geschlossenen Polschuhpaaren eines oder mehrerer Permanent- oder Elektronenmagneten umgeben sind, parallel zueinander angeordnet. Als Teilchenßtrom wird ein Edelgas und/oder ein Gas verwendet, das wenigstens eine Materialkomponente und/oder das Legierungs- oder Dotierungsmaterials einer auf dem Träger abzulagernden oder einzulagernden Schicht enthält.The energy of the gas-kinetic stream of neutral and plasma-excited particles can be influenced by the shape of the hollow cathode, for example by forming a nozzle; by collisions with the ions there is a further increase in energy. By different shaping of the discharge space and the magnetic field, the device is further adapted to the substrate geometry. The proportion of sputtered particles from the cathode surface in the particle stream to the substrate iet also variable due to the distribution characteristics of the sputtered material by the shape of the discharge space. According to the invention, the discharge space of the hollow-cathode annular gap discharge is optionally cylindrical, hollow-cylindrical, frustoconical, rotationally ellipsoidal or prismatic and flows through the particle stream in the axial direction, or the discharge space is annular with prismatic, elliptical or trapezoidal cross-section and is flowed through in the radial direction. In order to increase the coating area and thus the productivity, in a further embodiment of the invention, a plurality of hollow cathodes, which are surrounded by self-contained pole piece pairs of one or more permanent magnets or electron magnets, are arranged parallel to one another. The particle stream used is a noble gas and / or a gas containing at least one material component and / or the alloying or doping material of a layer to be deposited or deposited on the support.

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Die Herstellung von kontaminationsfreien Einkomponentenschichten, Verbindungsschichten, Legierungsschichten oder dotierten Schichten wird dadurch ermöglicht, daß die Wand der Hohlkatode aus dem Schichtmaterial oder aus einer Komponente oder sektorweise aus den Komponenten desselben und/ oder aus dem für die Legierung oder Dotierung der Schicht bestimmten Material besteht oder damit belegt ist. Die einzelnen Sektoren sind des weiteren wahlweise von je einem in sich geschlossenen Polschuhpaar umgeben und erhalten das gleiche oder unterschiedliche, separat regelbare elektrische Potentiale, wodurch der Anteil der verschiedenen Materialkomponenten in der Schicht variiert werden kann. Aus dem gleichen Grund wird der magnetische Pluß in den vorhandenen Polschuhpaaren wahlweise separat geregelt und auf unterschiedliche Werte eingestellt. Um eine hohe Standzeit der Hohlkatode zu erreichen, wird der Ort der stärksten Abtragung der Hohlkatodenwand durch Verschiebung der Polschuhe verlagert, oder das Katodenmaterial wird bei entsprechender Ausbildung der Hohlkatode durch geeignete Zuführungseinrichtungen laufend . ergänzt.The production of contamination-free one-component layers, tie layers, alloy layers or doped layers is made possible in that the wall of the hollow cathode consists of the layer material or of a component or sectorwise of the components thereof and / or of the material intended for the alloying or doping of the layer, or is occupied. The individual sectors are further optionally each surrounded by a self-contained pair of pole pieces and receive the same or different, separately controllable electrical potentials, whereby the proportion of different material components in the layer can be varied. For the same reason, the magnetic flux in the existing pairs of pole shoes is optionally regulated separately and set to different values. In order to achieve a long service life of the hollow cathode, the location of the strongest removal of the hollow cathode wall is displaced by displacement of the pole shoes, or the cathode material, with appropriate formation of the hollow cathode by suitable supply means running. added.

Die Zündung und Aufrechterhaltung der Hohlkatoden-Ringspaltentladung bei niedrigen Spannungen und eine Erhöhung der Plasmadichte kann erreicht werden durch Einstrahlung zusätzlicher Elektronen oder durch Einbringen eines Plasmastrahles oder eines vorionisierten Teilchenstrahles in den Entladungsraura. In weiterer Ausbildung der Erfindung wird die Vorrichtung deshalb einer Einrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls, eines Plasmastrahles oder eines vorionisierten Teilchenstrahles nachgeschaltet, wobei die der Hohlkatode am nächsten liegende Elektrode dieser Einrichtung gegenüber der Hohlkatode ein positives Potential erhält und somit gleichzeitig die Anode der Hohlkatoden-Ringspaltentladung darstellt. Die Vorrichtung kann beispielsweise Ionenquellen vom Pinkelsteintyp nachgeschaltet werden, wobei die Extraktionselektrode der Ionenquelle gegenüber der Emissionselektrode der Ionenquelle ein positives Potential erhält und gleichzeitig als Anode der Hohlkatodenringspaltentladung geschaltet wird.The ignition and maintenance of the hollow cathode ring gap discharge at low voltages and an increase in the plasma density can be achieved by irradiation of additional electrons or by introducing a plasma jet or a pre-ionized particle beam in the discharge. In a further embodiment of the invention, the device is therefore connected downstream of a device for generating an electron beam, a plasma jet or a pre-ionized particle beam, wherein the hollow cathode of the closest electrode of this device relative to the hollow cathode receives a positive potential and thus simultaneously the anode of the hollow cathode annular gap discharge represents. The apparatus can be connected downstream, for example, Pinkelstein type ion sources, wherein the extraction electrode of the ion source with respect to the emission electrode of the ion source receives a positive potential and is simultaneously switched as an anode of Hohlkatodenringspaltentladung.

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Ausführungsbeispielembodiment

Nachfolgend wird die Erfindung an drei Ausfuhrungsbeispielen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:The invention will be explained in more detail in three exemplary embodiments. In the accompanying drawings show:

Fig. 1: die Vorrichtung mit zylinderfb'rmigem Entladungsraum,1: the device with a cylindrical discharge space,

Fig.. 2: die Vorrichtung mit hohlzylinderförmigem Entladungsraum,2: the device with hollow cylindrical discharge space,

Fig. 3: die Vorrichtung mit ringförmigem Entladungsraum,3: the device with annular discharge space,

Im ersten Ausführungsbeispiel (Fig. 1) ist die Hohlkatode 3 rohrförmig ausgebildet, so daß ein zylinderförmiger Entladungsraum 4 entsteht. Die Hohlkatode ist ringförmig vom PoI-ßchuhpaar 5 eines Elektro- oder Permanentmagneten 6 umgeben. Beim Einlaß des Teilchenstromes 1 durch die Öffnungen der scheibenförmigen Anode 2 und Anlegen einer Spannung U. wird im Druckbereich von 0,1 ... 1 Pa eine Hohlkatodenentladung gezündet und aufrechterhalten, die vorwiegend im Bereich des magnetischen Feldes, dessen Feldlinien im Bereich des PoI-Bchuhpaares 5 parallel zur Hohlkatodenoberfläche verlaufen, und des elektrischen Feldes, das ausgehend vom Entladungsplasma senkrecht zur Hohlkatodenoberfläche gerichtet ist, von einer Ringspaltentladung überlagert wird. Der Ionisierungsgrad und die Ladungsträgerdichte erreichen im Plasma der sich herausbildenden Hohlkatoden-Ringspaltentladung sehr hohe Yferte, so daß ein merklicher Anteil des eingeleiteten Teilchenstromes ionisiert wird. Auf Grund des vorliegenden Entladungsmechanismus wird die Oberfläche der Hohlkatode 3 vorwiegend im Bereich des Polschuhpaares 5 durch Ionenbombardement zerstäubt.In the first embodiment (FIG. 1), the hollow cathode 3 is tubular, so that a cylindrical discharge space 4 is formed. The hollow cathode is annularly surrounded by the PoI-shoe pair 5 of an electric or permanent magnet 6. At the inlet of the particle stream 1 through the openings of the disk-shaped anode 2 and applying a voltage U. a hollow cathode discharge is ignited and maintained in the pressure range of 0.1 ... 1 Pa, which predominantly in the region of the magnetic field whose field lines in the region of PoI Pair of shoes 5 parallel to the hollow cathode surface, and the electric field, which is directed starting from the discharge plasma perpendicular to the hollow cathode surface, is superimposed by an annular gap discharge. The degree of ionization and the charge carrier density reach very high values in the plasma of the emerging hollow-cathode ring-gap discharge, so that a considerable proportion of the introduced particle current is ionized. Due to the present discharge mechanism, the surface of the hollow cathode 3 is atomized predominantly in the region of the pole shoe pair 5 by ion bombardment.

Die abgestäubten Teilchen werden in der Entladung ebenfalls teilweise ionisiert und mischen sich dem eingeleiteten Teilchenstrom 1 bei. Durch Variation der Entladungsspannung U^ und des Magnetfeldes können sowohl die Dichte und die Energie der aus der Plasmagrenzschicht zur Hohlkatodenoberfläche beschleunigten Ionen und somit die Menge des abgestäubten Materials als auch der Ionisierungsgrad und die Ladungsträger-The sputtered particles are also partially ionized in the discharge and mix in the introduced particle stream 1 at. By varying the discharge voltage U 1 and the magnetic field, both the density and the energy of the ions accelerated from the plasma boundary layer to the hollow cathode surface and thus the amount of dusted material as well as the degree of ionization and the charge carrier can be determined.

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dichte im Plasma gesteuert werden, so daß im Entladungsplasma ein bestimmtes Verhältnis von eingeleiteten zu abgestäubten Teilchen und von Ionen zu Neutralteilchen vorliegt. Die Extraktion der ionisierten Teilchen und ihre Beschleunigung auf den am Halter 10 befestigten Schichtträger 9 erfolgtim vorliegenden Beispiel mit Hilfe eines Zweielektrodenextrakt ions sy st ems mit mehreren Emissionsöffnungen, wobei die Emissionselektrode 7 das Potential der Hohlkatode 3 und die Beschleunigungselektrode 8 die Spannung Uß gegenüber der Hohlkatode 3 erhalten. Gleichzeitig gelangt ein gaskinetischer Strom neutraler Teilchen zum Schichtträger 9. Das Extraktionssystem wirkt ferner als Druckstufe, so daß die Beschichtung Unter HochVakuumbedingungen erfolgen kann.Density can be controlled in the plasma, so that there is a certain ratio of introduced to sputtered particles and ions to neutral in the discharge plasma. The extraction of the ionized particles and their acceleration on the holder 10 fixed to the substrate 9 takes place in the present example with the aid of a Zweielektrodenextraktions sy st ems with multiple emission openings, the emission electrode 7, the potential of the hollow cathode 3 and the acceleration electrode 8, the voltage U ß compared to Hollow cathode 3 obtained. At the same time, a gas-kinetic stream of neutral particles passes to the substrate 9. The extraction system also acts as a pressure stage, so that the coating can be carried out under high vacuum conditions.

Eine weitere Möglichkeit der Ionenextraktion besteht darin, daß der Schichtträger als Beschleunigungselektrode geschaltet wird. Bei dieser Ion-plating-Variante entfallen Emissions- 7 und Beschleunigungselektrode 8; der Schichtträger 9 wird an die Stelle der Beschleunigungselektrode positioniert und erhält das Potential U^ gegenüber dem Plasma. Die Beschichtung eines Trägers kann auch dadurch erfolgen, daß Schichtträger 9 und Halter elektrisch isoliert angebracht und bei Wegfall der Emissions- und Beschleunigungselektrode 7, 8 an die Stelle der Emissionselektrode 7 positioniert werden. Durch den unmittelbaren Kontakt des elektrisch isoliert angebrachten Schichtträgers 9 mit dem Entladungsplasma lädt sich dessen Oberfläche bis auf das Wandpotential negativ auf und bewirkt die Ionenextraktion aus dem Plasma.Another possibility of ion extraction is that the substrate is connected as an acceleration electrode. In this ion plating variant, emission and acceleration electrodes 8 are omitted; the substrate 9 is positioned at the location of the accelerating electrode and receives the potential U ^ with respect to the plasma. The coating of a carrier can also take place in that substrate 9 and holder are mounted electrically insulated and positioned at the location of the emission electrode 7 when the emission and acceleration electrode 7, 8 is omitted. Due to the direct contact of the electrically insulated layered carrier 9 with the discharge plasma, its surface charges negatively except for the wall potential and causes the ion extraction from the plasma.

Im zweiten Ausführungsbeispiel (Fig. 2) besteht die Hohlkatode 3 aus dem inneren Katodenrohr 11 und dem äußeren Katodenrohr 12, die ineinander gestellt einen hohlzylinderförmigen Entladungsraum 4 bilden. Die beiden Katodenrohre 11, 12 werden von je einem Polschuhpaar 5 eines äußeren und inneren Elektro- oder Permanentmagneten 13, 14 ringförmig umgeben. Die Anode 2, die Emissions- 7 und Beschleunigungselektrode 8 sowie der Halter 10 für die Schichtträger 9 sind scheibenringförmig ausgebildet.In the second exemplary embodiment (FIG. 2), the hollow cathode 3 consists of the inner cathode tube 11 and the outer cathode tube 12, which, when placed in one another, form a hollow-cylindrical discharge space 4. The two cathode tubes 11, 12 are each surrounded by a pole piece pair 5 of an outer and inner electric or permanent magnets 13, 14 annular. The anode 2, the emission 7 and acceleration electrode 8 and the holder 10 for the substrate 9 are formed disc-shaped.

Im dritten Ausführungsbeispiel (Pig· 3) wird die Hohlkatode von zwei scheibenringförmigen Katoden 15» 16 gebildet, so daß ein ringförmiger Entladungsraum 4 mit rechteckigem Querschnitt entsteht. An der dem Entladungsraum 4 abgewandten Seite jeder Katode 15, 16 ist je ein ringförmiges Polschuhpaar 5 eines Elektro- oder Permanentmagneten 17, 18 angeordnet· Die Anode 2, die Emissions- 7 und Extraktionselektrode 8 sind rohrförmig ausgebildet; der Halter 10 für die Schichtträger 9 ist rohrförmig gestaltet oder besitzt die Form einer prismatischen Mantelfläche·In the third embodiment (Pig * 3), the hollow cathode of two disc-annular cathodes 15 »16 is formed, so that an annular discharge space 4 is formed with a rectangular cross-section. An annular pole shoe pair 5 of an electric or permanent magnet 17, 18 is arranged on the side of each cathode 15, 16 facing away from the discharge space 4. The anode 2, the emission and extraction electrodes 8 are tubular; the holder 10 for the substrate 9 is tubular or has the shape of a prismatic lateral surface ·

Der Einlaß des Teilchenstromes 1, die Zündung und Aufrechterhai tung der Entladung, die Ionisierung des Teilchenstromes 1, die Zerstäubung der Hohlkatodenoberflächen, die Ionenextraktion und die Beschichtung erfolgen auf die gleiche Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel mit dem Unterschied, daß die beiden Katodenrohre 11, 12 im zweiten Ausführungsbeispiel und die beiden scheibenringförmigen Katoden 15» .16·im dritten Ausführungsbeispiel aus unterschiedlichem Material bestehen können und daß durch separate Regelung der Magnetfeldstärken in den vorhandenen Magneten und durch Anlegen unterschiedlicher Potentiale U^ und U^2 &n die Katoden die Zerstäubungsgeschwindigkeit der Katodenoberflächen und damit der Anteil des jeweiligen Katodenmaterials im Teilchenstrom 1, zum Schichtträger 9 variiert v/erden kann. Mit der im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Ion-plating-Variante konnten beispielsweise harte, transparente Kohlenstoffschichten bei folgenden Parametern abgeschieden werden:The inlet of the particle stream 1, the ignition and Aufrechterhal tion of the discharge, the ionization of the particle stream 1, the sputtering of the Hohlkatodenoberflächen, the ion extraction and the coating in the same manner as in the first embodiment with the difference that the two cathode tubes 11, 12th In the second embodiment and the two disc-annular cathodes 15 .16 · can consist of different material in the third embodiment and that by separately controlling the magnetic field strengths in the existing magnet and by applying different potentials U ^ and U ^ 2 n the cathodes, the sputtering rate of the cathode surfaces and thus the proportion of the respective cathode material in the particle stream 1 to the substrate 9 can be varied. With the ion-plating variant described in the first exemplary embodiment, for example, hard, transparent carbon layers could be deposited with the following parameters:

Material der Hohlkatode: Graphit eingeleiteter Teilchenstrom: 90 % Methan/10 % Argon Druck im BeSchichtungsraum: ρ = 0,3 Pa Entladungsspannung: U. = 300 VMaterial of the hollow cathode: Graphite introduced particle flow: 90 % methane / 10 % argon pressure in the coating space: ρ = 0.3 Pa Discharge voltage: U. = 300 V

Beschleunigungsspannung: Ug = 100 V Schichtaufwachsgeschwindigkeit: 500 nm/minAcceleration voltage: Ug = 100 V layer growth rate: 500 nm / min

Claims (3)

- ίο - 209 84 6 Erfindungsanspruch- ίο - 209 84 6 Claim for invention 1.6. Verfahrennach Punkt 1. bis 1.5.,gekennzeichnet dadurch, daß die Hohlkatoden-Ringspaltentladung bei genügend hoher, durch intensive Zerstäubung hervorgerufener Abtragsgeschwindigkeit der Hohlkatodenoberfläche und durch entsprechende Formgebung des Entladungsraumes, beispielsweise durch konkav ausgebildete Entladungsraumwände und geringen Querschnitt der Teilchenstromaustrittsöffnungen, nach Abschalten der Teilchenstromzufuhr betrieben wird.1.6. Proceduresafter items 1 to 1.5. , characterized in that the Hohlkatoden-annular gap discharge at sufficiently high, caused by intensive atomization removal rate of Hohlkatodenoberfläche and by appropriate shaping of the discharge space, for example by concave discharge space walls and small cross section of the particle flow outlets, after switching off the particle flow is operated. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1. bis 1.6., gekennzeichnet dadurch, daß die Hohlkatode (3) von in sich geschlossenen Polschuhen (5.) eines oder mehrerer Permanent- oder Elektromagneten (6) umgeben ist, nahe der Teilchenstromeintritts- und/oder -austrittsseite eine Anode (2) angeordnet ist und nahe der Teilchenstromaustrittsseite der Hohlkatode (3) wahlweise ein Extraktionselektrodensystem angebracht ist, das beispielsweise aus Emissionselektrode (7) und Beschleunigungselektrode (8) besteht, oder zwischen Schichtträger (9) und Hohlkatode (3) oder Anode (2) eine Beschleunigungsspannung (Ug) angelegt ist oder der Schichtträger (9) elektrisch isoliert nahe der Hohlkatode (3) angeordnet ist.2. Apparatus for carrying out the method according to item 1 to 1.6, characterized in that the hollow cathode (3) of self-contained pole pieces (5.) of one or more permanent or electromagnets (6) is surrounded, near the Teilchenstromeintritts- and / or exit side an anode (2) is arranged and near the particle flow exit side of the hollow cathode (3) optionally an extraction electrode system is mounted, for example, the emission electrode (7) and accelerating electrode (8), or between the substrate (9) and hollow cathode ( 3) or anode (2) an acceleration voltage (Ug) is applied or the support (9) is arranged electrically isolated near the hollow cathode (3). 2.1. Vorrichtung nach Punkt 2.,gekennzeichnet dadurch, daß der Entladungsraum (4) der Hohlkatoden-Ringspaltentladung wahlweise zylinderförmig, hohlzylinderförmig, kegelstumpf förmig, rotationselliptisch oder prismatisch ausgebildet ist und vom Teilchenstrom (1) in axialer Richtung durchflossen wird, oder ringförmig mit prismatischem,2.1. Device according to point 2, characterized in that the discharge space (4) of the hollow cathode annular gap discharge is optionally cylindrical, hollow cylindrical, truncated cone-shaped, rotationally elliptic or prismatic and flows through the particle stream (1) in the axial direction, or annularly with prismatic, - 209 84 6- 209 84 6 elliptischem oder trapezförmigem Querschnitt ausgebildet ist und vom Teilchenstrom (1) in radialer Richtung durchflossen wird.is formed elliptical or trapezoidal cross-section and is traversed by the particle flow (1) in the radial direction. 2.2. Vorrichtung nach Punkt 2. und 2.1.,gekennzeichnet dadurch, daß mehrere Hohlkatoden (3),die von in sich geschlossenen Polschuhen (5) eines oder mehrerer Permanentoder Elektromagneten (6) umgeben sind, parallel zueinander angeordnet werden.2.2. Device according to point 2. and 2.1, characterized in that a plurality of hollow cathodes (3), which are surrounded by self-contained pole shoes (5) of one or more permanent or electromagnets (6), are arranged parallel to each other. 2.3. Vorrichtung nach Punkt 2. bis 2.2.,gekennzeichnet dadurch, daß die Hohlkatode (3) aus nacheinander angeordneten Sektoren zusammengesetzt ist, die Sektoren
wahlweise von Polschuhen (5) je eines Permanent- oder Elektromagneten (6) umgeben sind und wahlweise das gleiche oder unterschiedliche, separat regelbare elektrische Potentiale erhalten.
2.3. Device according to items 2 to 2.2, characterized in that the hollow cathode (3) is composed of successively arranged sectors, the sectors
optionally of pole pieces (5) are each a permanent or electromagnet (6) are surrounded and optionally receive the same or different, separately controllable electrical potentials.
2.4. Vorrichtung nach Punkt 2. bis 2.3·,gekennzeichnet dadurch, daß der magnetische Fluß in den Polschuhen (5) jedes Permanent- oder Elektromagneten (6) separat regelbar und auf unterschiedliche Werte einstellbar ist.2.4. Device according to point 2. to 2.3 , characterized in that the magnetic flux in the pole pieces (5) of each permanent or electromagnet (6) is separately controllable and adjustable to different values. 2.5. Vorrichtung nach Punkt 2. bis 2.4.tgekennzeichnet dadurch, daß die Polschuhe (5) verschiebbar angeordnet sind.2.5. Device according to point 2. to 2.4. t characterized in that the pole pieces (5) are arranged displaceably. 1.5. Verfahren nach Punkt 1. bis 1.4.ygekennzeichnet dadurch, daß am Ort der stärksten Abtragung das Katodenmaterial laufend ergänzt wird.1.5. Procedure according to point 1. to 1.4. y characterized in that the cathode material is continuously supplemented at the place of the strongest erosion. 1.4. Verfahren nach Punkt 1. bis 1.2., gekennzeichnet dadurch, daß die Hohlkatode aus reinem oder dotiertem Silizium besteht und als Gas Silan verwendet wird.1.4. Method according to item 1 to 1.2, characterized in that the hollow cathode consists of pure or doped silicon and is used as a gas silane. 1.3. Verfahren nach Punkt 1 bis 1.2., gekennzeichnet dadurch, daß die Hohlkatode aus Kohlenstoff besteht und als Teilchenstrom ein Methan/Argon-Gasgemisch und/oder polyzyk-· lische Kohlenwasserstoffe verwendet werden.1.3. Process according to items 1 to 1.2, characterized in that the hollow cathode consists of carbon and a methane / argon gas mixture and / or polycyclic hydrocarbons are used as the particle stream. -11 - 209 84 6 -11 - 209 84 6 1.2. Verfahren nach Punkt 1 und 1.1., gekennzeichnet dadurch, daß die Hohlkatode aus dem Schichtmaterial oder aus einer Komponente oder sektorweise aus den Komponenten desselben und/oder aus dem für die Legierung oder der Dotierung der Schicht bestimmten Material besteht oder damit belegt ist.1.2. Method according to item 1 and 1.1, characterized in that the hollow cathode consists of the layer material or of a component or sectorwise of the components thereof and / or of the material intended for the alloy or the doping of the layer or is occupied therewith. 1.1. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Teilchenstrom ein Edelgas und/oder ein Gas verwendet wird, das wenigstens eine Materialkomponente und/oder das Dotierungs- oder Legierungsmaterial einer auf dem Träger abzulagernden oder einzulagernden Schicht enthält.1.1. Method according to item 1, characterized in that the particle stream used is a noble gas and / or a gas which contains at least one material component and / or the doping or alloying material of a layer to be deposited or deposited on the support. 1. Verfahren zur Teilchenstromionisierung und Hochratebeschichtung unter Verwendung bekannter Mittel zur Vakuumerzeugung, zum Gas- und/oder Dampfeinlaß, zur Erzeugung von Magnetfeldern sowie zur Strom- und Spannungsversorgung 9 gekennzeichnet dadurch; daß ein neutraler oder' teilionisierter gas- und/oder dampfförmiger Teilchenstrom durch eine Hohlkatode, in der ein inhomogenes, tunnelförmiges, geschlossenes Magnetfeld erzeugt wird, welches als Elektronenfalle wirkt, geleitet und/oder in dieser erzeugt wird, sich bei Anlegen einer geeigneten Spannung zwischen der Hohlkatode und einer Anode eine HohlkatcJdenentladung und eine Ringspaltentladung ausbilden und überlagern, im Gaeentladungsplasma der Hohlkatoden-Ringspaltentladung ein merklicher Teil des Teilchenstromes ionisiert wird und danach die ionisierten Teilchen aus dem Gasentladungsplasma extrahiert und auf einen Träger beschleunigt werden. 1. A method for Teilchenstromionisierung and high-rate coating using known means for vacuum generation, the gas and / or steam inlet, for the generation of magnetic fields and the power and power supply 9 characterized characterized; a neutral or partially ionized gaseous and / or vaporous particle stream is passed through a hollow cathode in which an inhomogeneous, tunnel-shaped, closed magnetic field is generated, which acts as an electron trap and / or is generated therein, when a suitable voltage is applied the hollow cathode and an anode form and overlap a Hohlkatcden discharge and an annular gap discharge, is ionized in Gaeentladungsoplasma the Hohlkatoden-annular gap discharge a significant portion of the particle stream and then the ionized particles are extracted from the gas discharge plasma and accelerated onto a carrier.
2.6. Vorrichtung nach Punkt 2. bis 2.5.,gekennzeichnet dadurch, daß die Vorrichtung einer Einrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahles, eines Plasmastrahles oder eines vorionisierten Teilchenstrahles nachgeschaltet wird und daß die der Hohlkatode (3) am nächsten liegende Elek^- trode dieser Einrichtung gleichzeitig die Anode (2) der Hohlkatoden-Ringspaltentladung darstellt.2.6. Device according to points 2 to 2.5, characterized in that the device is followed by a device for generating an electron beam, a plasma jet or a pre-ionized particle beam and that the hollow cathode (3) closest Elek - - trode this device simultaneously the anode (2) represents the hollow cathode ring gap discharge. HierzuFor this 3 Seiten Zeichnungen3 pages drawings
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