DD146307A1 - DEVICE FOR LARGE LAYER-RELATED DEPOSITION, IN PARTICULAR OF CARBON LAYERS - Google Patents
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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.The invention relates to a device with which, in particular, carbon layers can be deposited in a large-area and adherent manner. The previously known devices allowed at a high expenditure on equipment only the deposition on small areas. The task was to reduce the high technological complexity and to allow the coating of the substrates at low working pressure, even grozzflaechiger substrates. According to the invention, the object was achieved by dividing an ionization chamber in which the cathode, electrodes and substrate holder are arranged concentrically within a vacuum vessel into discharge chambers by means of horizontally arranged reflector electrodes lying on the cathode potential. To the Gluehkatode further acting as an anode grid are arranged concentrically. Radiation apertures are provided for the treatment of heat-sensitive substrates. In the case of insulating substrates, it is favorable to provide a network electrode preferably located at a negative potential immediately in front of them.
Description
-Zf--Zf-
Einrichtung zur großflächigen, haftfesten Abscheidung, insbesondere von KohlenstoffschichtenDevice for large-area, adherent deposition, in particular of carbon layers
Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention
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«The invention relates to a device for large-scale, adherent deposition, in particular of carbon layers from the plasma, which is generated in a reduced-pressure gas or steam or vapor / gas mixture.
Charakteristik der bekannten technischen lösungenCharacteristic of the known technical solutions
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.Plasma generation by means of DC discharge is known. This can be realized without additional measures only by relatively high pressure in the vacuum chamber. As a result, the known specialist parts, such. B. disruptive gas installation in the deposited layers of the plasma, to be accepted. By applying a thermionic cathode as electron emitter, the working pressure can be reduced to more favorable areas.
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-For this purpose, several variants have become known. In most cases, the glow cathode is operated in a small separate chamber, which is connected via an opening to the actual treatment chamber. In the small chamber, a libotic pressure is often maintained and the discharge burns between the hot cathode and one in the treatment chamber.
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.located chamber anode, wherein for amplifying and bundling of the discharge, a magnetic field is generated (DE-PS 22 46 983, DE-PS 17 65 625). This requires a high level of technical complexity, with only smaller surfaces usually being able to be uniformly treated without further measures. It is also known to design the geometry of the discharge sources in such a way that optimum treatment z, of target surfaces in the sputtering or of sputtering .Substratflächen in plasma treatments is possible.
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 Einrichtungens 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. 'This is z. B. satisfactory for DC discharge sources succeeded, where the arrangement of the cathode, anode and the intervening Auffängerflächen is concentric with each other and cylindrically symmetrical. In the case of so-called Niedervoltbogenentlädung at relatively low pressure with hot cathodes, there are facilities s although they are arranged in the treatment chamber, but only allow the treatment of small areas. "In these devices, the electrodes are arranged in succession on a longitudinal axis. As a result, the exit area for electrons or, for the ions arising in the device, is determined by the size of the suction electrode opening. Ultimately, this size determines the uniformly treatable surface.A magnification of this device for use in industrial applications are limited, and then the full uniformity can not be achieved. '
Speziell zur Kohlenstoffbeschichtung sind des weiteren komplizierte Ionenstrahlquellen bekannt geworden (z. B.Furthermore, complicated ion beam sources have become known especially for carbon coating (eg
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*Aisenberg, Chabot; J. Appl. Phys. 42 (1971) 2953), whereby the considerable expenditure on apparatus and technology does not stand in any way in relation to the small area to be coated and thus an industrial application *
Ziel der Erfindung ...Aim of the invention ...
Das Ziel der Erfindung ist die Vermeidung der dem StandThe aim of the invention is the avoidance of the state
der Technik anhaftenden Nachteile durch eine technisch und technologisch einfach zu beherrschende Einrichtung.The technology adhering disadvantages by a technically and technologically easy to control device.
Darlegung des V/es ens der Erfindung . , .Presentation of the invention. ,.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, mit der auf großflächigen Substraten haftfeste, insbesondere Kohlenstoffschichten mit einer Mindesthärte von HVn 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 GitterThe invention has for its object to provide a device with which adherent to large-area substrates, in particular carbon layers with a minimum hardness of HV no ^ · 1800 kpmm, can be generated. According to the invention, this object is achieved in that an ionization chamber, are arranged concentrically in the cathode, electrodes and substrate holder is divided by horizontally arranged, lying on cathode potential reflector electrodes in discharge chambers that the distance between the individual reflector electrodes smaller or at most equal to the middle free is path of electrons at the operating pressure, that the outer reflector electrodes project over the temperature-controlled substrate holder in each case by 1/3 of the height of a discharge chamber, wherein the radius of the reflector electrodes is at least 30% of the distance of the substrate holder of the arranged in the center of the discharge chamber hot cathode. To dia Glühkatode are, in the discharge chambers as anode v / irkende grid
konzentrisch in einem Abstand, der höchstens der mittleren freien Weglänge der Gasmoleküle beim Arbeitsdruck beträgt, angeordnet« . .concentric at a distance which is at most the mean free path of the gas molecules at the working pressure, arranged «. ,
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·The vacuum vessel can be made of glass as well as of metal, wherein it then has ground potential and between ground potential and thermionic cathode, a resistor is connected, which is to be dimensioned according to the other selected potentials ·
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 ihreThe substrate holders can be designed both as hollow cylinders enveloping the discharge chambers and to the inner diameter of which the substrates are attached, as well as consisting of individual cylinders or other geometric bodies arranged concentrically around the discharge chambers. The substrate holders are, however, theirs
eigene Achse drehbar auszuführen.own axis to perform rotatable.
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 unterschrittenThe rotation around the discharge chambers is also possible. With this device, the area available inside the ionization chamber can be optimally utilized for the desired surface treatment of the substrates, wherein the substrate holders should preferably be arranged around the grids such that a minimum distance to the substrate is ensured Avoiding flashovers between the grid and the substrate holder, depending on the chosen voltage
wirdο "will "
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.For the treatment of heat-sensitive substrates, radiation apertures are advantageously arranged within the grid surrounding the thermal cathode in such a way that the thermal radiation emanating from the cathode does not reach the substrates.
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.In the case of insulating substrates, it is favorable to arrange a heating electrode lying at a preferably negative potential immediately in front of the substrates. The operation of the device will be explained briefly below.
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 SubstratstromdichteThe ionization chamber is evacuated by known vacuum generators, and the gas or vapor required for the production of the carbon layers is introduced by means of metering valves which are known per se, and the desired working pressure is introduced; possibly after throttling the suction power of the vacuum generator set. By current passage, the thermionic cathode is heated to a temperature necessary for the emission of electrons. The emitted electrons z. T. after multiple reflection on the reflector electrodes are accelerated to the anodic grid, are able to ionize near the grid gas or vapor particles, so that propagates in the ionization chamber, a diffused plasma. The ions present in the plasma are now attracted by the substrate holder, which can be tempered and held at a negative potential relative to the cathode, and are thus available for the desired surface treatment of the substrates, the substrate current density characterizing the ion action
- 5- 215- 5- 215
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,largely constant over the entire surface. In the case of insulating substrates, an HP voltage is favorable. When using the device for plasma-active or chemical processes and Ablagerprozesae i. a. no substrate voltage required, so that the substrates can be connected to the grounded ionization chamber wall,
Ausführungsbeispiel · Embodiment ·
An Hand von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt dabei in Pig. 1-3 einen Längsschnitt der erfindungsgemäßen Einrichtung.With reference to embodiments, the invention will be explained in more detail. The drawing shows in Pig. 1-3 a longitudinal section of the device according to the invention.
Fig. 4 zeigt eine Draufsicht mit angeordneten Strahlungsblenden.Fig. 4 shows a plan view with arranged radiation apertures.
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.The ionization chamber 1 is subdivided by reflector electrodes 2 into discharge chambers 3. The distance between the reflector electrodes should be less than or at most equal to the mean free path of the electrons at the working pressure and in the exemplary embodiment is about 50 mm. The outer radius of the reflector electrodes 2 is 100 mm and the distance of the temperature-controllable substrate holder from the thermal cathode 5 about 120 mm. Concentric around the Glühkatode 5 is a grid 6 at a distance of about 80 mm. The glow cathode 5, which is preferably formed as a spiral, consists of a refractory material, for. As tantalum, and 'is arranged in the center of the device in the axial direction.
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.The annular reflector electrodes 2 are made of 1 mm thick sheet steel and in the exemplary embodiment have an inner diameter of 40 mm. The cylindrical grid 6 consists of 1 ram strong steel wires.
Die Zuführung der erforderlichen Spannungen an die Elektroden der Einrichtung erfolgt über an sich bekannte Spannungsdurchführungen» Bei einem Argonarbeitsdruck vonThe supply of the required voltages to the electrodes of the device via known per se voltage bushings »At an argon working pressure of
~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-~ 2 5 χ 10 Pa results in a anode current of 2 ' A at a cathode heating voltage of 30 V, a cathode heating current of 35 A and a grid voltage of + 100 V.
und Ionisationskammer wird von einem diffusen Plasma ausgefüllt. Durch Anlegen einer negativen Spannung an den Substrathalter 4 lassen sich Ionen aus dem Plasma extra-and ionization chamber is filled by a diffuse plasma. By applying a negative voltage to the substrate holder 4, ions can be extrapolated from the plasma.
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. .kidneys, which reach a current density of about 0.5 mAcm at 2 kV, and are available, for example, for cleaning the samples mounted on the substrate holder 4. Substitution of the argon plasma by a hydrocarbonaceous material enables the deposition of carbon layers. ,
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.FIG. 2 shows a further exemplary embodiment, which in principle has the same construction as the first one, wherein a net electrode 8 is arranged only in front of the substrate holder 4. This electrode serves as an ion accelerator when a negative voltage is applied. "This makes it possible to better impart ions to nonconductive substrates.
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.FIG. 3 shows a third exemplary embodiment in which a plurality of substrate holders 4 are designed in a rod-shaped and rotatable manner, onto which preferably disc-shaped substrates 9 can be fastened.
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.FIG. 4 shows the plan view of a device which is particularly suitable for coating heat-sensitive substrates. By suitably arranged radiation apertures 7 zv / sischen Glühkatode 5 and grating 6, the heat radiation striking the substrate holder 4 from the cathode can be reduced.
Claims (7)
ist, . 5. Device according to item 1 to 4, characterized in that the ionization chamber (1) and the thermo-cathode (5) are at ground potential, wherein arranged between ground potential and thermionic a suitable resistance
is,.
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