DD141932B1 - METHOD AND DEVICE FOR PARTICLE CURRENCY AND HIGH-RATE COATING - Google Patents
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Description
Verfahren und Vorrichtung zur Teilchenstromionisierung und HochratebeschichtungMethod and apparatus for particle stream ionization 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 SchichteAnbringung in der Mikroelektronik, der Optoelektronik und der Optik, zur Oberflächenvergütung, für den Korrosionsschutz und zur Verschleißminderung.The invention is applicable in the fields of the art which require layers with specific properties, e.g. As the coating and layer attachment 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 diesen 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. These methods include ion beam sputtering, ion plating, ion beam deposition of thin films, and ion beam nitriding of plague 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 (KD-WP 76283.) wird das alsThe 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 the ion beam atomization (KD-WP 76283.) is the as
Target bezeichnete Ausgangsmaterial durch einen in einer Ionenquelle erzeugten Ionenstrahl zerstäubt·. Der abgestäubte Teilchenstrom, 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 Ionenzweistrsüzerstäubung (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. Pur industrielle BeSchichtungen sind die erreichbaren Schichtwachstumsraten und Beschichtungsflachen noch zu gering; der Ionenanteil im abgestäubten Teilchenstrom ist physikalisch bedingt und kann nicht variiert werden.Target designated source material is atomized by an ion beam generated in an ion source. The atomized particle stream, which forms a layer on the correspondingly arranged carrier, contains only a small proportion of ions; the average energy of the particles is 5 to 10 eV. In the case of ion atomization (DD-WP 130 157), an ion current from a separate ion source is directed onto the carrier simultaneously with the atomized particle stream, so that an additional variable energy, momentum and particle introduction into the growing layer takes place. 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 surfaces are still too low; The ion content in the atomized particle stream is physical and can not be varied.
Beim Ion-plating-Verfahren (DE-AS 1521561) wird ein Bruchteil des zur SchichtabScheidung verdampften oder in Dampfform überführten oder als Gas vorliegenden Materials in einem Niederdurck-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 v/eiteren ist die Abscheidung von Verbindungs-, Legierungs- und dotierten Schichten mit Hilfe dieses Verfahrens nur erschwert möglich.In the ion plating method (DE-AS 1521561), a fraction of the material vaporized or vaporized or vaporized is ionized in a low pressure gas discharge plasma and accelerated to the carrier by the electric field applied between the substrate and an auxiliary electrode. 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. Des v / eiteren 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 aufwendig und gestattet vorwiegend nur die Abscheidung von Schichten aus chemischen Elementen. Die bisher erzielten Schichtaufwachsraten sind gering.In the 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 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 Stickstoffionen 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 target solid body, with the temperature of the solid surface being adjusted, for example by radiant heating, to a value suitable for plague diffusion of the nitrogen particles and compound formation. Purely an effective application of this method, the previously achieved ion current densities and treatment areas are too low.
Unter der Vielzahl verschiedenartiger Hochratebeschichtungseinrichtungen mittels Magnetron-Zerstäubung ist eine Variante bekannt (DD-WP 123 952), bei der die zu zerstäubende Katode als Hohlzylinder ausgebildet ist und die magnetfelderzeugende Einrichtung sowie die zugehörigen Polschuhe diese Katode ringförmig umschließen. Die zu beschichtende Anode ist im hohlzylinderförmigen Target konzentrisch als kleineres Rohr oder Vollmaterial 'angeordnet. Die Energiezuführung zum anodisch geschalteten Schichtträger erfolgt hier durch abgestäubte, schnelle Teilchen und an der Katode ausgelöste und zur Anode beschleunigte Elektronen. Bei dieser Einrichtung mit hohlzylinderförmiger Katode und anodisch geschaltetem Schichtträger erfolgt das Schichtwachstum nicht unter merklichem Ioneneinfluß.Among the multitude of different types of high-rate coating devices by means of magnetron sputtering, a variant is known (DD-WP 123 952), in which the cathode to be sputtered is designed as a hollow cylinder and the magnetic field generating device and the associated pole shoes enclose this cathode annularly. The anode to be coated is arranged concentrically in the hollow cylindrical target as a smaller tube or solid material '. The energy supply to the anodized substrate is carried out here by atomized, fast particles and at the cathode triggered and accelerated to the anode electrons. In this device with a hollow-cylindrical cathode and anodically switched layer support, the layer growth does not take place under appreciable ion influence.
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 V/esens der ErfindungStatement 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 Mängel der bekannten Lösungen sind darauf zurückzuführen, daß bei der Ionenstrahlserstäubung und der Ionenzweistrahlzer-The deficiencies of the known solutions are due to the fact that in the ion beam atomization and the Ionenenzrahlzer-
stäubung der vom Target abgestäubte, zum Träger gelangende Teilchenstrom vom Ionenstrom auf dem Target und der Zerstäubungsausbeute bestimmt wird. Die Zerstäubungsausbeute kann einen von der Ionenart, Ionenenergie und dem Targetmaterial abhängigen Grenzwert nicht überschreiten; die Ionenstromdichte der bekannten großflächigen Ionenquellen beträgt maximal einige mA/cm , so daß die Schichtwachstumsrate ionenstrahlgestäubter 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 Ionenstrahlablagerung und der Ionenstrahlnitrierung ebenfalls begrenzt.Dusting of the sputtered from the target, the carrier-reaching particle flow from the ionic current on the target and the sputtering yield is determined. The sputtering yield can not exceed a limit depending on the ionic species, ion energy and target material; the ion current density of the known large-area ion sources is at most a few 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 and ion beam nitriding is also limited.
Bei den bekannten Ion-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.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 excess of which would lead to the formation of defects in the growing layers. "Sufficient energy and pulse supply into the growing layer can thus only be achieved with limited layer growth rates.
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.Increasing the layer growth rate with sufficient input of energy and momentum 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 Teilchenströme durch eine Hohlkatode geleitet 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. Bein! Anlegen einer geeigneten Spannung zwischen der Hohlkatode und der nahe der Teilchenstromeintrittsseite angeordneten Anode überlagert sich somit der entstehenden Hohlkatodenentladung, vorwiegend im Bereich der Pölschuhpaare, eine Ringspal ^entladung. Im Gasentladungsplasma, dessen Dichte in der Hohlkatoden-Ringspaltentladung hohe Werte erreicht, wirdAccording to the invention, the object is achieved in that neutral or teilionisierten gas and / or vapor particle streams are passed through a hollow cathode, which is surrounded by self-contained pole pieces of one or more permanent or electromagnet, so that in the sphere of the Polschuhpaares on the Hohlkatodenoberflache forms an inhomogeneous, tunnel-shaped, closed magnetic field, which acts as an electron trap. Leg! Applying a suitable voltage between the hollow cathode and the anode arranged near the particle flow inlet side thus superimposes an annular palm discharge on the resulting hollow cathode discharge, predominantly in the region of the pair of bearing shoes. In the gas discharge plasma, whose density in the hollow cathode annular gap discharge reaches high values, is
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 Hohlkatodenoberfläche kann die Entladung auch nach Abschalten des eingeleiteten Teilchenstromes aufrechterhalten werden. Die Extraktion der ionisierten Teilchen aus dem,Gasentladungsplasma und ihre Beschleunigung auf den Schichtträger erfolgt mit Hilfe eines geeigneten Ionenextraktionssystems 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.a significant portion of the particle stream ionizes. 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 the hollow cathode surface, the discharge can be maintained even after switching off the introduced particle flow. The extraction of the ionized particles from the gas discharge plasma and their acceleration onto 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 attached 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 Ent-Iadungssräumes 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 ist infolge der Verteilungscharakteristik des abgestäubten Materials ebenfalls durch die Formgebung des Entladungsraumes variierbar. Erfindungsgemäß ist der Entladungsraum der Hohlkatoden-Ringspaltentladung wahlweise zylinderförmig, hohlzylinderförmig, kege1stumpfförmig, 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 гиеіпблаег angeordnet. Als Teilchenstroni wird ein Edelgas und/oder ein Gas verwendet, das wenig-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 Ent-Iadungssräumes and the magnetic field is further carried out an adjustment of the device to the substrate geometry. The proportion of dust particles of. the Katodenoberfläche in the particle flow to the substrate is 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 elliptical or prismatic, and flows through the particle flow 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 pairs of poles of one or more permanent magnets or electron magnets, are arranged in parallel гиеіпблаег. As particles a noble gas and / or a gas is used, the less
stens eine Materialkomponente und/oder das Legierungs- oder Dotierungsmaterial einer auf dem Träger abzulagernden oder einzulagernden Schicht enthält.at least one material component and / or the alloying or doping material of a layer to be deposited or stored on the support layer.
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 is continuously supplemented by suitable supply means with appropriate formation of the hollow cathode.
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 Entladungsraum. 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 Po-The ignition and maintenance of the hollow cathode annular 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 into the discharge space. 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 Hohlkatoden- Represents annular gap discharge. The device 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, a positive Po
tential erhält und gleichzeitig als Anode der Hohlkatodenringspaltentladung geschaltet wird.receives potential and simultaneously connected as the anode of Hohlkatodenringspaltentladung.
Ausführungsbeispielembodiment
Machfolgend wird die Erfindung an drei Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to three exemplary embodiments. In the accompanying drawings show:
Fig. 1: die Vorrichtung mit zylinderförmigem Entladungsraum,1: the device with a cylindrical discharge space,
Fig. 2: die Vorrichtung mit hohlzylinderförmigem Entladungsraum,2: the device with a hollow cylindrical discharge space,
Fig. 3t die Vorrichtung mit ringförmigem Entladungsraum.Fig. 3t 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 Polschuhpaar 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 Polschuhpaares 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 Werte, 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 Pölschuhpaares 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 pole piece 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 pole shoe pair 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 significant 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 pair of bearing shoes 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'dichte im Plasma gesteuert werden, so daß im Entladungsplasma ein bestimmtes Verhältnis vonThe sputtered particles are also partially ionized in the discharge and mix in the introduced particle stream 1 at. By varying the discharge voltage U. 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 and the degree of ionization and the charge carrier density can be controlled in the plasma, so that in the discharge plasma certain ratio of
eingeleiteten zu abgestäubten Teilchen und von Ionen zu Neutralteilchen vorliegt.introduced to sputtered particles and from ions to neutral particles.
Die Extraktion der ionisierten Teilchen und ihre Beschleunigung auf den am Halter 10 befestigten Schichtträger 9 erfolgt im vorliegenden Beispiel mit Hilfe eines Zweielektrodenextraktionssystems mit mehreren Emissionsöffnungen, wobei die Emissionselektrode 7 das Potential der Hohlkatode 3 und die Beschleunigungselektrode 8 die Spannung U^ 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 Hochvakuum bedingungen erfolgen kann.The extraction of the ionized particles and their acceleration on the holder 10 fixed to the substrate 9 is carried out in the present example using a Zweielektrodenextraktionssystems with multiple emission openings, the emission electrode 7, the potential of the hollow cathode 3 and the accelerating electrode 8, the voltage U ^ obtained with respect to the hollow cathode 3 , At the same time, a gas kinetic stream of neutral particles passes to the substrate 9. The extraction system also acts as a pressure, 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 Ug gegenüber dem Plasma. Die Beschichtung eines Trägers kann auch dadurch erfolgen, daß Schichtträger .9 und Halter 10 elektrisch isoliert angebracht und bei Wegfall der Emissionsund 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 7 # and acceleration electrode 8 are omitted; the substrate 9 is positioned at the location of the acceleration electrode and maintains the potential Ug relative to the plasma. The coating of a carrier can also take place in that layer support .9 and holder 10 are mounted electrically insulated and positioned at the location of the emission electrode 7 when the emission and acceleration electrodes 7, 8 are 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 aweiten 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 one inside the other, 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 and acceleration electrode 8 and the holder 10 for the substrate 9 are formed .scheibenringförmig.
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 exemplary embodiment (FIG. 3), the hollow cathode is formed by two disk-shaped cathodes 15, 16, so that an annular discharge space 4 with a rectangular cross section is formed. At the discharge chamber 4 opposite side of each cathode 15, 16 is an annular Polschuhpaar 5 of an electric or permanent magnets 17, 18 each arranged. The anode 2, the emission 7 and extraction electrode 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 Hohlkatodenoberflachen, die Ionenexträktion 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 ^Al un<^ ^A2 an ^e Katoden die Zerstäubungsgeschwindigkeit der Katodenoberflächen und damit der Anteil des jeweiligen Katodenmaterials im Teilchenstrom 1, zum Schichtträger 9 variiert werden 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 Hohlkatodenoberflachen, the ion extrusion and the coating carried out 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 disk-ring-shaped cathodes 15, 16 in the third embodiment may consist of different material and that by separate control of the magnetic field strengths in the existing magnet and by applying different potentials ^ Al un < ^ ^ A2 on ^ e cathodes the atomization rate of Katodenoberflächen and thus the proportion of the respective cathode material in the particle stream 1, the support 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 Teiichenstrom: 90 % Methan/10 % Argon Druck im BeSchichtungsraum: ρ * 0,3 Pa Entladungsspannung: U. = 300 VMaterial of the hollow cathode: graphite introduced partial flow: 90 % methane / 10 % argon pressure in the coating room: ρ * 0.3 Pa Discharge voltage: U. = 300 V
Beschleunigungsspannung: U^ = 100 V SchichtaufWachsgeschwindigkeit: 500 nm/rain.Acceleration voltage: U ^ = 100 V layer growth rate: 500 nm / rain.
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