DD146307A1

DD146307A1 - Einrichtung zur grossflaechigen haftfesten abscheidung,insbesondere von kohlenstoffschichten

Info

Publication number: DD146307A1
Application number: DD21595179A
Authority: DD
Inventors: Helmut Bollinger; Bernd Buecken; Ruediger Wilberg
Original assignee: Helmut Bollinger; Bernd Buecken; Ruediger Wilberg
Priority date: 1979-10-02
Filing date: 1979-10-02
Publication date: 1981-02-04
Also published as: DE3030454C2; JPS56102576A; CH653708A5; JPS5941509B2; DE3030454A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung, mit der insbesondere Kohlenstoffschichten groszflaechig und haftfest abgeschieden werden koennen. Die bisher bekannten Einrichtungen gestatteten bei einem hohen apparativen Aufwand nur die Abscheidung auf kleinen Flaechen. Die Aufgabe bestand darin, den hohen technologischen Aufwand zu senken und die Beschichtung der Substrate bei niedrigen Arbeitsdruck, auch groszflaechiger Substrate zu ermoeglichen. Erfindungsgemaesz wurde die Aufgabe dadurch geloest, dasz innerhalb eines Vakuumgefaeszes eine Ionisationskammer, in der Gluehkatode, Elektroden und Substrathalter konzentrisch angeordnet sind, durch waagerecht angeordnete, auf Katodenpotential liegende Reflektorelektroden in Entladungskammern unterteilt ist. Um die Gluehkatode sind des weiteren als Anode wirkende Gitter konzentrisch angeordnet. Fuer die Behandlung waermeempfindlicher Substrate sind Strahlungsblenden vorgesehen. Bei isolierenden Substraten ist es guenstig, unmittelbar vor diesen eine vorzugsweise auf negativem Potential liegende Netzelektrode vorzusehen.

Description

-Zf-

Einrichtung zur großflächigen, haftfesten Abscheidung, insbesondere von Kohlenstoffschichten

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur großflächigen, haftfesten Abscheidung, insbesondere von Kohlenstoffschichten aus dem Plasma, das in einem unter' vermindertem Druck stehenden Gas oder Dampf oder Dampf/Gas-Gemisch erzeugt wird«

Charakteristik der bekannten technischen lösungen

Bekannt ist die Plasmaerzeugung durch Gleichspannungsentladung.· Diese läßt sich ohne Zusatzmaßnahmen nur durch relativ hohen Druck in der Vakuumkammer realisieren. Dadurch müssen die bekannten Fachteile, wie z. B. störender Gaseinbau in den aus dem Plasma abgeschiedenen Schichten, in Kauf genommen werden. Durch Anwendung einer Glühkatode als Eiektronenemitter laßt sich der Arbeitsdruck in günstigere Bereiche senken.

Hierzu sind mehrere Varianten bekanntgeworden. Meist wird die Glühkatode in einer kleinen separaten Kammer, die über eine Öffnung mit der eigentlichen Behandlungskammer verbunden ist, betrieben. In der kleinen Kammer wird oft ein libTicrer Druck aufrechterhalten und die Entladung brennt zwischen Glühkatode und einer in der Behandlungs-

kammer befindlichen-Anode, wobei zur Verstärkung und Bündelung der Entladung ein Magnetfeld erzeugt wird (DE-PS 22 46 983, DE-PS 17 65 625). Dies erfordert einen hohen technischen Aufwand, wobei ohne weitere Maßnahmen meist nur kleinere Oberflächen gleichmäßig behandelt werden können» ' : Es ist weiterhin bekannt, die Geometrie der Entladungsquellen so zu gestalten, daß eine optimale Behandlung z, B. von Targetoberflächen bei der Katodenzerstäubung oder von .Substratflächen bei Plasmabehandlungen möglich ist.

Dies ist z. B. befriedigend für Gleichspannungsentladungsquellen gelungen, wo die Anordnung von Katode, Anode und der sich dazwischen befindlichen Auffängerflächen konzentrisch zueinander und zylindersymmetrisch erfolgt ist. Im Falle der sogenannten Niedervoltbogenentlädung bei relativ niedrigem Druck mit Glühkatode gibt es Einrichtungen_s die zwar in der Behandlungskammer angeordnet sind, aber nur die Behandlung kleiner Flächen zulassen.» Bei diesen Einrichtungen sind deren Elektroden nacheinander auf einer Längsachse angeordnet. Dadurch wird die Austrittsfläche für Elektronen bzw, für die in der Einrichtung entstehenden Ionen durch die Größe der Absaugelektrodenöffnung· bestimmt. Im Endeffekt bestimmt diese Größe die gleichmäßig behandelbare Fläche.'Einer Vergrößerung dieser Einrichtung zur Anwendung für industrielle Zwecke sind Grenzen gesetzt, wobei dann auch die volle Gleichmäßigkeit nicht erreicht werden kann. '

Speziell zur Kohlenstoffbeschichtung sind des weiteren komplizierte Ionenstrahlquellen bekannt geworden (z. B.

Aisenberg, Chabot; J. Appl. Phys. 42 (1971) 2953), wobei der erhebliche apparative und technologische Aufwand in keinem Verhältnis zur geringen zu beschichtenden Fläche und somit einer industriellen Anwendung im Wege stehen*

Ziel der Erfindung ...

Das Ziel der Erfindung ist die Vermeidung der dem Stand

der Technik anhaftenden Nachteile durch eine technisch und technologisch einfach zu beherrschende Einrichtung.

Darlegung des V/es ens der Erfindung . , .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, mit der auf großflächigen Substraten haftfeste, insbesondere Kohlenstoffschichten mit einer Mindesthärte von HV_{n o}^· 1800 kpmm , erzeugt werden können. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Ionisationskammer, in der Glühkatode, Elektroden und Substrathalter konzentrisch angeordnet sind, durch waagerecht angeordnete, auf Katodenpotential liegende Reflektorelektroden so in Entladungskammern unterteilt ist, daß der Abstand zwischen den einzelnen Reflektorelektroden kleiner oder höchstens gleich der mittleren freien Weglänge der Elektronen beim Arbeitsdruck ist, daß die äußeren Reflektorelektroden die temperierbaren Substrathalter jeweils um ¹/3 der Höhe einer Entladungskammer überragen, wobei der Radius der Reflektorelektroden mindestens 30 % des Abstandes der Substrathalter von der im Zentrum der Entladungskammer angeordneten Glühkatode beträgt. Um dia Glühkatode sind, in den Entladungskammern als Anode v/irkende Gitter

konzentrisch in einem Abstand, der höchstens der mittleren freien Weglänge der Gasmoleküle beim Arbeitsdruck beträgt, angeordnet« . .

Das Vakuumgefäß kann sowohl aus Glas als auch aus Metall gefertigt sein, wobei es dann Erdpotential besitzt und zwischen Erdpotential und Glühkatode ein Widerstand zugeschaltet ist, der entsprechend der anderen gewählten Potentiale zu dimensionieren ist·

Die Substrathalter können sowohl als sin die Entladungskammern umhüllender Hohlzylinder, an deren Innendurchmesser die Substrate befestigt werden, ausgebildet sein, wie auch aus einzelnen, konzentrisch um die Entladungskammern angeordneten Zylindern oder anderen geometrischen Körpern bestehen. Dabei sind die Substrathalter ,jedoch um ihre

eigene Achse drehbar auszuführen.

Auch die Drehung um die Ent1adungskammern ist möglich· Mit dieser Einrichtung kann die im Inneren der Ionisationskammer zur Verfügung stehende Fläche für die gewünschte 5 Oberflächenbehandlung der Substrate optimal genutzt werden, wobei -die Substrathalter vorzugsweise so um die Gitter angeordnet werden sollten, daß ein Mindestabstand zur Vermeidung von Überschlägen zwischen Gitter und Substrat-, halter je nach gewählter Spannung nicht unterschritten

wirdο "

Für die Behandlung wärmeempfindlicher Substrate sind vorteilhafterweise innerhalb des die Glühkatode umgebenden Gitters Strahlungsblenden so angeordnet, daß die von der Katode ausgehende Wärmestrahlung nicht auf die Substrate gelangt.

Bei isolierenden Substraten ist es günstig, unmittelbar vor den Substraten eine auf vorzugsweise negativem Potential liegende lietzelektrode anzuordnen. Die Arbeitsweise der Einrichtung soll nachfolgend kurz erläutert v/erden.

Die Ionisationskammer wird durch bekannte Vakuumerzeuger evakuiert und durch an sich bekannte Dosierventile v/erden die für die Erzeugung der Kohlenstoffschichten erforderlichen Gase bzw. Dämpfe eingelassen und der gewünschte Arbeitsdruck; eventuell nach Drosselung der Saugleistung der Vakuumerzeuger, eingestellt. Durch Stromdurchgang wird die Glühkatode auf eine Temperatur'aufgeheizt, die für die Emission von Elektronen notwendig ist. Die emittierten Elektronen, die z. T. nach mehrfacher Reflexion an den Reflektoreiektroden zum anodischen Gitter beschleunigt werden, sind in der Lage, in Gitternähe Gas- bzw. Dampfteilchen zu ionisieren, so daß sich in der Ionisationskammer ein diffuses Plasma ausbreitet. Die im Plasma vorhandenen Ionen werden nun von den temperierbaren-und auf einem ge~" genüber der Katode negativen Potential liegenden Substrat-, halter angezogen und stehen damit für-die gewünschte oberflächenbehandlung der Substrate zur Verfügung, wobei sich die die Ioneneinwirkung kennzeichnende Substratstromdichte

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weitestgehend konstant über die gesamte Fläche einstellt. Im Falle isolierender Substrate ist eine HP-Spannung günstig. Bei Anwendung der Einrichtung für Plasma-aktive bzw. chemische Vorgänge und Ablagerprozesae ist i. a. keine Substratspannung erforderlich, so- daß die Substrate mit der geerdeten lonisationskammerwand verbunden sein können,

Ausführungsbeispiel ·

An Hand von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt dabei in Pig. 1-3 einen Längsschnitt der erfindungsgemäßen Einrichtung.

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht mit angeordneten Strahlungsblenden.

Die lonisierungskammer 1 ist- durch Reflektorelelctroden 2 in Entladungskammern 3 unterteilt. Der Abstand der Reflektorelektrcden untereinander soll kleiner oder höchstens gleich der mittleren freien Weglänge der Elektronen beim Arbeitsdruck sein und beträgt im Ausführungsbeispiel etwa 50 mm. Der äußere Radius der Reflektorelektroden 2 beträgt 100 mm und der Abstand der temperierbaren Substrathalter von der Glühkatode 5 etwa 120 mm. Konzentrisch um die Glühkatode 5 befindet sich ein Gitter 6 in einem Abstand von etwa 80 mm. Die Glühkatode 5, die vorzugsweise als Spirale ausgebildet ist, besteht aus einem hochschmelzendem Material, z. B. Tantal, und' ist im Zentrum der Einrichtung in axialer Richtung angeordnet.

Die kreisringförmigen Reflektorelektroden 2 bestehen aus 1 mm dicken Stahlblech und haben im Ausführungsbeispiel einen Innendurchmesser von 40 mm. Das zylindrische Gitter 6 besteht aus 1 ram starken Stahldrähten.

Die Zuführung der erforderlichen Spannungen an die Elektroden der Einrichtung erfolgt über an sich bekannte Spannungsdurchführungen» Bei einem Argonarbeitsdruck von

~2 5 χ 10 Pa ergibt sich bei einer Katodenheizspannung von 30 V, einem Katodenheizstrom von 35 A und einer Gitter-Spannung von + 100 V ein Anodenstrom'von 2'A. Die Vakuum-

und Ionisationskammer wird von einem diffusen Plasma ausgefüllt. Durch Anlegen einer negativen Spannung an den Substrathalter 4 lassen sich Ionen aus dem Plasma extra-

nieren, die bei 2 kV.eine Stromdichte von etwa 0,5 mAcm erreichen und beispielsweise zur Reinigung der auf dem Substrathalter 4 befestigten Proben zur Verfügung stehen. Durch Ersetzen des Argonplasmas durch ein'kohlenwasserstoff halt ige s wird die Abscheidung von Kohlenstoffschichten ermöglicht. .

Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das prinzipiell den gleichen Aufbau wie das erste aufweist, wobei nur unmittelbar vor dem Substrathalter 4 eine Netzelektro· de.8 angeordnet ist. Diese Elektrode dient als Ionenbeschleuniger, wenn eine negative Spannung angelegt wird« Dadurch wird es möglich, nichtleitende Substrate besser mit Ionen zu beaufschlagen.

Figur 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem mehrere Substrathalter 4 stabförmig und rotierbar ausgeführt werden, auf die vorzugsweise scheibenförmige Substrate 9 befestigt werden können.

Figur 4 zei'g't die Draufsicht auf eine Einrichtung, die besonders zur Beschichtung wärmeempfindlicher Substrate geeignet ist. Durch geeignet angeordnete Strahlungsblenden 7 zv/ischen Glühkatode 5 und Gitter 6 kann die von der Katode auf den Substrathalter 4 treffende Wärmestrahlung verringert v/erden.

Claims

Erfindungsanspruch ' '

1· Einrichtung zur haftfesten großflächigen Abscheidung, insbesondere von Kohlenstoffschichten mit einer Min-

—2

desthärte von HV_{n o} ^-1800 kpnffli , unterVerwendung einer Ionisationskammer mit einer konzentrisch angeordneten Glühkatode sowie konzentrisch um die Glühkatode angeordneten Elektroden und Substrathaltern, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisationskammer (1) durch waagerechte, auf Katodenpotential liegende Reflektorelektroden (2) in Entladungskammern (3) derart unterteilt ist, daß der Abstand zwischen den Reflektorelektroden (2) kleiner oder höchstens gleich der • mittleren freien Weglänge der Elektronen beim Arbeitsdruck ist und die äußeren Reflektorelektroden die tem- perierbaren Substrathalter (4) jeweils um ¹/3 der Höhe einer Entladungskammer (3) überragen, daß der Radius der Reflektorelektroden (2) mindestens 80 % des Abstandes der Substrathalter (4) von der Glühkatode (5) beträgt, und daß in den Entladungskammern (3) um die Glühkatode (5) Gitter (6) konzentrisch derart angeordnet sind,, daß der Abstand zwischen Glühkatode (5) und Gitter (6) höchstens der mittleren freien Weglänge der Gasmoleküle beim Arbeitsdruck beträgt.

2* Einrichtung nach Punkt 1,, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrate auf dem Innendurchmesser eines konzentrisch um die Entladtmgskammern angeordneten, die Form eines Hohlzylinders aufweisenden Substrathalters (4) befestigt sind.

3. Einrichtung nach Punkt 1., dadurch gekennzeichnet, daß die Substrate auf einzelnen, auf einer Kreisbahn um die Entladungskammern angeordneten, die Form von Zylindern oder mehreckigen Säulen bildenden Substrathaltern (4) angeordnet sind.

4. Einrichtung nach Punkt 1., 2. und 3«, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrathalter (4) drehbar· angeord-

. net sind.

5. Einrichtung nach Punkt 1. bis 4., dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisationskammer (1) und Glühkatode (5) auf Erdpotential liegen, wobei zwischen Erdpotential und Glühkatode ein geeigneter Widerstand angeordnet
ist, .

6. Einrichtung nach Punkt 1. bis 5., dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des die Glühkatode umgebenden Gitters (6) Strahlurigsblenden (7) angeordnet sind.

7. Einrichtung nach Punkt 1. bis 6., dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar vor den Substrathaltern (4) eine Ketzelektrode (8) angeordnet ist.

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