DD142965A1

DD142965A1 - Vorrichtung zur plasmazerstaeubung

Info

Publication number: DD142965A1
Application number: DD21245779A
Authority: DD
Inventors: Manfred Rost; Horst Geier
Original assignee: Manfred Rost; Horst Geier
Priority date: 1979-04-25
Filing date: 1979-04-25
Publication date: 1980-07-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Plasmazerstäubung und dient zum Abscheiden dünner Schichten auf Substraten unter Vakuum, vorzugsweise zur Beschichtung schmaler, langgestreckter Substrate. Ziel ist, das Rundumbeschichten solcher Substrate materialsparend und effektiv zu ermöglichen. Die zu schaffende Vorrichtung soll das gleichzeitige allseitige Beschichten einer Mehrzahl von Substraten bei ausreichender Beschichtungseffektivität und im Vergleich zu •Zerstäubungsvorrichtungen mit Ringspaltentladung nahezu homogener Targetabtragung ermöglichen. Erfindungsgemäß sind zwei ebene gleichgeformte Targetelektroden mit den das Target tragenden Seiten mit Abstand und parallel zueinander ausgerichtet. An den den Targets abgekehrten Seiten der Tar« getelektroden liegt ein Magnetsystem, dessen Magnetfeld geradlinig von Target zu Target verläuft. Außerhalb der Targetflächen liegen eine oder mehrere Anoden, im Raum zwischen den Targets sind die' Substrate. Beim Zerstäuben der Targets setzt sich der abgestäubte Werkstoff teilweise auf die Substrate, teilweise auf dem gegenüberliegenden Target ab, und wird so wieder abgestäubt. Hauptanwendungsgebiet: Vakuumbeschichtung von Band oder Draht.

Description

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Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Plasmazerstäubung und dient zur Abscheidung dünner Schichten auf Substraten unter Vakuum, vorzugsweise zur Beschichtung schmaler, langgestreckter Substrate, wie beispielsweise Band oder Draht. Sie kann auch zur Plasmabehandlung der Substrate benutzt werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekannte Vorrichtungen zur Plasmazerstäubung umfassen in einem Rezipienten mindestens eine Targetelektrode mit mindestens einem Target und die zu beschichtenden Substrate. Zum Beschichtungssystem gehören in der Eegel noch bewegliche Blenden oder/ und Abschirmungen sowie Einrichtungen zur Unterstützung der Entladung, wie beispielsweise magnetfelderzeugende Einrichtungen oder Glühkatoden. Die Beschichtung erfolgt, indem eine Niederdruckgasentladung gezündet und durch eine negative Vorspannung des Targets die Materialabtragung von diesem durch dessen Zerstäubung bewirkt wird. Die Substrate befinden sich während des Beschichtungsvorganges mit der zu bestäubenden Seite dem Target zugewandt im Strom der abgestäubten Targetteilchen. Entsprechend den spezifischen Anwendungsbedingungen sind eine Anzahl verschieden geformter Targetelektroden vorgeschlagen und auch angewendet worden. Nach der US-PS 3.532.615 ist so beispielsweise die Targetelektrode als Kreisscheibe ausgebildet, während die DT-OS 19 60 64-1 diese als rechteckige Platte vorsieht. Bekannt ist auch, die Targetelektrode zylinderförmig oder als Vielkant auszubilden, v/obei nach der US-PS 3.901.784 ein kreisförmiger und nach der DD-PS 96 263 ein rechteckiger Querschnitt vorgesehen ist. Die Substrate werden in diesen Fällen um die Targetelektrode herum angeordnet.

Alle die verschiedenen Targetformen haben den Nachteil, daß mit ihnen nur eine einseitige Beschichtung möglich ist, nämlich die der dem Target zugewandten Seite, abgesehen von einer evtl. eintretenden Kantenüberdeckung. Mehrseitenbeschichtung erfordert in diesem Pail, den Beschichtungsvorgang zu wiederholen oder die Substrate während des Vorganges zu drehen, wodurch sich aber die Bearbeitungsdauer verlängert*

Durch die Arbeit "Turbular hollow cathode sputtering onto substrates of complex shape" von Thronton und Hedgcoth in J.Vac. Sci^Technol., Vol. 12, No. 1, 1975 Seite 93 - 97 ist ein hohlzylindrisches Target bekannt geworden· Dieses ermöglicht zwar die Rundumbeschichtung langestreckter Substrate, ist jedoch nicht anwendbar zur gleichzeitigen Rundumbeschichtung mehrerer solcher Substrate, da diese sich in diesem Fall gegenseitig abschirmen würden·

Zur Erhöhung der Beschichtungseffektivität bei der Plasmazerstäubung ist nach der DT-OS 24 17 288 bekannt geworden, vor dem. Target eine intensive Ringspaltentladung vorzusehen. Dazu befindet sich hinter dem Target eine magnetfelderzeugende Einrichtung, die ein starkes, inhomogenes, in sich geschlossenes Magnetfeld so aufbaut, daß in einem Gebiet magnetische Feldlinien aus der Tar get oberfläche austreten, sich in dem Raum zwischen Target und Substrat zum Target hin krümmen und in einem, dem .ersten benachbarten Gebiet, wieder in die Targetoberfläche eintreten« Insgesamt bilden die Feldlinien einen geschlossenen Magnetlinienkanal, der als Elektronenfalle dient. Es wurde nun aber gefunden, daß das Target fast ausschließlich im Bereich des Ringspaltes abgetragen wird, wobei die Abtragung noch im Bereich der annähernd parallel zur Katode verlaufenden Magnetfluß linien am intensivsten ist. Dadurch ist nur ein geringer Teil des Targets für die Beschichtung nutzbar, der in Abhängigkeit von verschiedenen Bedingungen 30% der Targetmasse kaum überschreiten wird. Es ist zwar durch die DT-PS 25 56 607 vorgeschlagen v/orden, durch ein äußeres Magnetfeld den Bereich der Targetabtragung zu vergrößern, ohne daß dadurch jedoch der grundlegende Nachteil der ungenügenden Werkstoffausnutzung wesentlich abgestellt werden konnte· Von entscheidendem Nachteil ist noch, daß auch in diesem Fall nur eine einseitige Beschichtung möglich ist» Ferromagnetische Targetwerkstoffe stellen für das Ringspalt-Magnetfeld einen magnetischen Kurzschluß dar und müßten, um den Entladungsmechanismus nicht zu stören, entweder über den Ouriepunkt erhitzt oder magnetisch gesättigt sein.

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Ziel der Erfindung

Ziel der-Erfindung ist es, das Rundumbeschichten flacher band- und drahtförmiger Substrate materialsparend und effektiv durch Plasmazerstäubung zu ermöglichen«

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Plasmazerstäubungsvorrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, eine Mehrzahl von Substraten geringer Dicke gleichzeitig bei ausreichender Beschichtungseffektivität und im Vergleich zu Zerstäubungsvorrichtungen mit Ringspaltentladung nahezu homogener Targetab-

tragung allseitig zu beschichten und die es außerdem gestattet» .alle leitfähigen Targetmaterialien unabhängig von ihren magnetischen Eigenschaften zu zerstäuben. Erfindungsgemäß sind zwei ebene und vorzugsweise rechteckige, gleichgeformte Targetelektroden mit den das Target tragenden Seiten in einem definierten Abstand und parallel zueinander ausgerichtet. An den Targetelektroden sind magnetfeiderzeugende Einrichtungen vorgesehen, deren magnetische Feldlinien aus einem Target austreten, etwa geradlinig zum gegenüberliegenden Target verlaufen und in dieses eintreten. Zwischen oder seitlich von den Targetelektroden ist mindestens eine Anode angeordnet. Die zu beschichtenden Substrate sind so zwischen den Targets angeordnet, daß bei gegebenem Substratabstand die optische Transparenz von Target zu Target maximal ist. Der Abstand der Targets voneinander ist so bemessen, daß der Abstand zwischen Target und Substrat 3 - 20 mm beträgt. Die Vorrichtung umfaßt Abschirmungen zur Verhinderung des Abstäubens der Targetelektroden außerhalb der mit dem Target belegten Flächen und eine Kühlvorrichtung für die Targetelektroden. Es werden Targets aus leitfähigem Material, das ferromagnetisch sein kann, verwendet, wobei jedes Target aus einem anderen Werkstoff bestehen kann. Mehrere Substrate sind mit gleichem Abstand voneinander angeordnet, der dem Abstand des äußeren Substrates von der Targetaußenkante entspricht. Zum Beschichten endloser Substrate enthält die Vorrichtung eine oder mehrere Anoden parallel zu einer Substratkante seitlich von den Targets oder zwischen ihnen. Zum Beschichten kurzer Substrate ist eine Anode senkrecht

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zu den Substraten parallel zu den Targets angeordnet« Me Substrate können auch gleichzeitig Anode sein» Das Magnetfeld zwischen den Targets wird mittels Dauermageten oder Elektromagneten mit einstellbarer Induktion, deren Größe mindestens 10 T beträgt, erzeugt. Zwischen den Targets und der Anode liegt eine Gleichspannung von 0,3 - 0,5 kV. In der Vorrichtung besteht eine Edelgasatmosphäre, eine Reaktivgasatmosphäre oder eine Gasgemischatmosphäre von 0,1 - 5»0 Pa» wobei als Edelgas vorzugsweise Argon verwendet wird· Weiterhin umfaßt die Vorrichtung eine Transporteinrichtung, die die Substrate mit konstanter Geschwindigkeit durch die Beschichtungszone bewegt.

Die Erfindung soll nachstehend an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig.1 eine schematische Darstellung einer Zerstäubungsvorrichtung zur Beschichtung endloser bandförmiger Substrate,

Fig.2 einen Schnitt durch eine Vorrichtung nach Fig.1,

Fig.3 eine schematische Darstellung einer Zerstäubungsvorrichtung zur partiellen Rundumbeschichtung kurzer Substrate.

Die Zerstäubungsvorrichtung zum Beschichten endloser bandförmiger Substrate besteht aus den beiden gleichartigen plattenförmigen Targetelektroden 1; 1a (Fig. 2), die mit Abstand parallel zueinander angeordnet sind. Sie haben vorteilhafter Weise die gleiche rechteckige Form, sind mit einem nicht dargestellten Kühlsystem versehen und tragen auf den einander zugekehrten Seiten die Targets 2; 2a. An den den Targets abgekehrten Seiten der Targetelektroden 1; 1a liegt ein Magnetsystem 4·, das dauermagnetisch oder auch elektromagnetisch sein kann, und das ein zu den Oberflächen der Targets 2; 2a senkrechtes Magnetfeld B erzeugt. Dessen magnetische Induktion "beträgt mindestens 10 T· Außerhalb der Targetflächen sind zwischen den Targetelektroden 1; 1a Anoden 3 angeordnet.

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In dem zwischen den Targets 2; 2a befindlichen Raum sind die zu beschichtenden Substrate 5» hier in Form von flachen Bändern, eingebracht, und zwar derart, daß die optische Transparenz von Target 2 zu Target 2a bzw. in umgekehrter Richtung gesehen, bei gegebener Substratanzahl und gegebenem Substratabstand ein Maximum ist» Entsprechend dem Ausführungsbeispiel bedeutet das, daß die Substrate 5 senkrecht zur Targetoberfläche mit den Targets 2; 2a zugekehrter Schmalseite angeordnet sind. Dadurch wird jedes der Substrate 5 ini Verlaufe der Beschichtung annähernd gleich viel emittierender Targetoberfläche ausgesetzt. Die Substrate 5 liegen dazu parallel zueinander und auch zum Rand der Targets 2; 2a und haben untereinander jeweils den gleichen Abstand wie die außenliegenden Substrate 5 zum Rand der Targets 2; 2a. Der Abstand d zwischen den Substraten 5 und den Targets 2; 2a beträgt 3-20 mm. Die Breitenausdehnung, "die den Abstand der Targets 2; 2a voneinander bestimmt, soll mit Rücksicht auf die angestrebte Schichtdickenhomogenität 50 mm nicht überschreiten. Die Schichtdickenhomogenität ist durch den Abstand d und den Abstand der Substrate voneinander zu beeinflussen. Sie verbessert sich mit wachsenden Abständen. Die Beschichtung erfolgt, indem im Rezipienten ein Argondruck zwischen 0,1 und 1 Pa eingestellt, zwischen Anode 3 und den Targetelektroden 1; 1a eine Gleichspannung zwischen 0,3 und kV mit dem negativen Pol an den Targetelektroden 1; 1a gelegt und eine Gasentladung aufrecht erhalten wird· Beide Targets 2; 2a werden nun als Folge des Einstromes energiereicher Ionen zerstäubt und ein in den Winkelbereich *C emittierter Teil des abgestäubten Materials gelangt zu den Substraten und bildet dort die gewünschte Schicht, die sich also gleichzeitig auf allen Seiten der Substrate 5 bildet. Der in den Winkelbereich β emittierte Teil des abgestäubten Materials gelangt zum gegenüberliegenden Target 2 und wird in der Folge wieder abgestäubt. Das Magnetfeld B_z bildet eine Voraussetzung für die Effektivität des Beschichtungsvorganges. Es zwingt Elektronen, gewendelte Bahnen zwischen den Targets 2; 2a zu durchlaufen und sorgt so für eine ausreichende Plasmadichte.

Die endlosen Substrate 5 werden durch eine geeignete Transporteinrichtung, die außerhalb des Vakuumraumes angeordnet sein

kann, mit konstanter Geschwindigkeit v__ in x-Richtung durch den Beschichtungsraum hindurchbewegt, so daß ein. gleichmäßiger ununterbrochener Beschichtungsvorgang erreicht wird. Es ist möglich, mit der in Fig· 1 und Fig« 2 beschriebenen Vorrichtung auf den bandförmigen Substraten 5 eine Schicht aus einem Gemisch zweier Werkstoffe aufzutragen. Dazu wird das . Target 2 aus einem und das Target 2a aus einem anderen Werkstoff hergestellt. Beim Beschichten wird nun von jedem Target auch Material in den Winkelbereich β emittiert· Dieses gelangt, wie oben bereits beschrieben, zum gegenüberliegenden Target und bildet dort mit diesem ein Stoffgemisch. Nach einer Anlaufphase kann daher eine Beschichtung der Substrate 5 mit diesem Stoffgemisch er-folgen. Die teilweise Materialablagerung von Target zu Target wirkt sich auch bei reaktiver Zerstäubung, z.B. in "Stickstoffatmosphäre, günstig auf die Schichtstöchiometrie aus· Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 dient zur Eundumbeschichtung von kurzen Substraten 5» z.B. von Messerklingen. Diese werden in einer geeigneten Einrichtung gehaltert und chargenweise in den Raum zwischen den Targets 2; 2a eingebracht oder auch mit konstanter Geschwindigkeit ν in y-Richtung durch den Beschichtungsraum hindurch bewegt. Eine Anode 3 liegt in diesem Fall parallel zur y-Richtung außerhalb des Bereiches der Targetflächen.

Nach dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, kleine, flache Substrate einseitig zu beschichten, indem diese mit der nicht zu beschichtenden Fläche auf entsprechenden Haltern befestigt und mittels der Substrathalter hochkant in die Vorrichtung eingebracht oder hindurch bewegt werden. Die Substrathalter können gleichzeitig die Anoden sein. Statt auf einzelnen Haltern können diese Substrate auch mit der nicht zu beschichtenden Fläche auf ein Transportband aufgebracht und mit diesem in die 'Vorrichtung eingebracht werden, wobei dann die Beschichtung wie die bandförmiger Substrate erfolgen kann* Bei entsprechender Einbettung in das Transportband ergeben sich dabei keine besonderen 'Probleme für das Beladen und Schleusen.

Claims

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Erfindungsansprüche:

1. Vorrichtung zur Plasmazerstäubung im Vakuum, bestehend aus Mitteln zur Erzeugung eines Vakuums, eines Magnetfeldes und einer Gasentladung, gekennzeichnet dadurch, daß zwei ebene und vorzugsweise rechteckige und gleiche Form aufweisende Targetelektroden (1; 1a) mit den das Target tragenden Seiten in einem definierten Abstand und parallel zueinander ausgerichtet sind und daß an den Targetelektroden (1; 1a) ein Magnetsystem (4) derart angeordnet ist, daß dessen magnetische Feldlinien aus einem Target (2a) austreten, etwa geradlinig zum gegenüberliegenden Target (2) verlaufen und in. dieses eintreten, daß mindestens eine Anode (3) zwischen oder seitlich von den Targetelektroden (1; 1a) angeordnet ist, und daß sie innerhalb oder außerhalb des Vakuumraumes Mittel enthält, die die zu beschichtenden Substrate (5) so zwischen den Targets (2; 2a) halten oder führen, daß bei gegebenem Substratabstand die optische Transparenz von Target zu Target maximal ist.
2. Vorrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch,

daß der Abstand der Targets (2; 2a) voneinander so bemessen ist, daß der Abstand zwischen den Targets (2; 2a) und den Substraten (5) 3 - 20 mm beträgt.

3· Vorrichtung nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß Abschirmungen zum Verhindern des Zerstäubens der Targetelek-* troden (1; 1a) außerhalb der mit dem Target (2; 2a) belegten Flächen vorgesehen sind.
4. Vorrichtung nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Targetelektroden (1; 1a) mit einer Kühleinrichtung versehen sind.

5· Vorrichtungen nach Punkt 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Targets (2; 2a) aus leitfähigem Werkstoff bestehen, der ferromagnetisch sein kann·
6. Vorrichtung nach Punkt 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Targets (2; 2a) aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.

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7. Vorrichtung nach Punkt 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß bei mehreren Substraten (5) diese den gleichen Abstand voneinander haben.
8. Vorrichtung nach Punkt 1 bis 71 gekennzeichnet dadurch, daß bei mehreren Substraten (5) der Abstand zwischen diesen dem Abstand der äußeren Substrate (5) zur Außenkante der Targets (2; 2a) entspricht.

9· Vorrichtung nach Punkt 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß beim Beschichten endloser Substrate (5) mehrere Anoden (3) parallel zu einer Substratkante seitlich von den Targets (2j 2a) oder zwischen ihnen angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach Punkt 1 bis 9» gekennzeichnet dadurch, daß beim Beschichten kurzer Substrate (5) eine Anode (3) senkrecht zu den Substraten (5), jedoch parallel zu den Targets (2; 2a) und seitlich von diesen angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach Punkt 1 bis 10, gekennzeichnet dadurch, daß bei der Beschichtung leitfähiger Substrate (5) diese zugleich die Anode bilden.

12« Vorrichtung nach Punkt 1 bis 11, gekennzeichnet dadurch, daß 'das Magnetsystem (4) aus Dauermagneten besteht.

13« Vorrichtung nach Punkt 1 bis 11, gekennzeichnet dadurch, daß das Magnetsystem (4) aus Elektromagneten besteht und die Induktion des Magnetfeldes (B₂) einstellbar ist.
14. Vorrichtung nach Punkt 1 bis 13» gekennzeichnet dadurch, daß die Induktion des Magnetfeldes (B ) mindestens 10*" T beträgt·

Vorrichtung nach Punkt 1 bis 14, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen den Targets (2; 2a) und der Anode (3) während der Beschichtung eine Gleichspannung mit dem positiven Pol an der Anode (3) liegt, deren Effektivwert zwischen 0,3 und 5 KV" beträgt.
16. Vorrichtung nach Punkt 1 bis 15, gekennzeichnet dadurch, daß zur Herstellung von Metallschichten in der Vorrichtung eine Edelgasatmosphäre, vorzugsweise Argonatmosphäre, mit

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einem Druck yon 0,1 bis 5 Pa besteht.

17· Vorrichtung nach Punkt 1 bis 15» gekennzeichnet dadurch, daß zur Herstellung von Verbindungsschichten in der Vorrichtung eine Eeaktivgasatmosphäre, beispielsweise aus Stickstoff» oder eine Edelgas-Reaktivgas-Atmosphäre₉ beispielsweise aus Argon und Stickstoff, mit einem Druck von 0,1 bis 5 Pa besteht.
18. Vorrichtung nach Punkt 1 bis 17» gekennzeichnet dadurch, daß eine Transporteinrichtung vorhanden ist, die die Substrate (5) mit konstanter Geschwindigkeit durch die Beschichtungszone zwischen den Targets (2; 2a) bewegt.

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Hierzu 2 Seiten Zeichnungen