DD161137A3

DD161137A3 - Verfahren und einrichtung zur ionengestuetzten beschichtung elektrisch isolierender substrate

Info

Publication number: DD161137A3
Application number: DD80225718A
Authority: DD
Inventors: Helmut Bollinger; Bernd Buecken; Dietmar Schulze; Ruediger Wilberg
Original assignee: Hochvakuum Dresden Veb
Priority date: 1980-12-04
Filing date: 1980-12-04
Publication date: 1985-02-20
Also published as: US4419380A; CH648356A5; ATA388581A; DE3142900A1; AT375408B; CS240416B1; JPS6014100B2; DE3142900C2; JPS57120666A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur ionengestuetzten Beschichtung elektrisch nicht oder nur gering leitender Werkstoffe. Bei den bisher bekannten Verfahren und Einrichtungen trat bei der Beschichtung eine Aufladung der elektrisch isolierenden Substrate auf, die durch Anbringung von zusaetzlichen, in der Naehe der Substrate angeordneten Elektronenquellen bzw. durch hochfrequente Wechselspannungen neutralisiert bzw. abgebaut wurden. Der Erfindung lag das Ziel und die Aufgabe zugrunde, durch Vereinfachung der Verfahrensfuehrung den hohen technischen Aufwand auszuschliessen. Erfindungsgemaess wurde dies dadurch geloest, dass im Entladungsstromkreis der Plasmaquelle ein Widerstand und parallel zur Entladungsstrecke ein Kondensator angeordnet sind, die eine alternierende Beschichtung mit einer Frequenz von einigen kHz bis zu einigen Hundert kHz ermoeglicht. Dadurch werden die sich aufbauenden Ladungen sofort neutralisiert bzw. abgebaut, ohne dass umfangreiche und komplizierte Zusatzeinrichtungen erforderlich werden.

Description

Verfahren und Einrichtung zur ionengestützten Beschichtung elektrisch isolierender Substrate

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Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung, mit denen im Vakuum insbesondere elektrisch nicht oder nur gering leitende Werkstoffe unter Ioneneinwirkung beschichtet werden können. Damit werden die bei elektrisch leitenden Substraten erzielten Vorteile der ionengestützten Beschichtung-, vor allem die gute Haftfestigkeit der Beschichtung auf dem Grundmaterial, auch bei elektrisch isolierenden Substraten erreichbar.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, elektrisch isolierende Substrate durch ionengestützte Vakuumverfahren zu beschichten· Dabei ionisieren elektrisch-geladene Teilchen eines durch Edel- und/ oder Reaktionsgas aufrechterhaltenen Plasmas Teile des Beschichtungsmaterials, die auf die negativ vorgespannten Substrate beschleunigt und dort abgeschieden werden. Mitzunehmender Beschichtungsdauer weisen die isolierenden

Substrate eine positive Aufladung auf, da die Ladungen der ankommenden Ionen nicht abgebaut werden können, so daß der Ionenzufluß und die dadurch an der Oberfläche der Substrate initiierten, und für die Schichthaftung vorteilhaften Effekte nicht wirksam werden können.

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Diese nachteiligen Wirkungen werden durch.die vorgesehla- \ gene Anbringung ,,(DWP 74- 998) einer um die Substrate .angeordneten Elektronenquelle vermieden. Durch diesen ständi-. gen Elektronenbeschuß der Oberfläche werden Ladungen, die durch Ione-n des BeSchichtungsmaterials und Reaktionsplasmas erzeugt werden, neutralisiert. Ein ungehinderter Ionenbeschuß der Oberfläche der elektrisch isolierenden Substrate kann,bei richtiger Dimensionierung der Elektronenquellen sicher gewährleistet werden. Allerdings ist die konstruktive Ausbildung der Elektronenquellen in jedem Falle den Substraten anzupassen und verursacht einen nicht unerheblichen zusätzlichen Aufwand.

Weiterhin ist bei allen Veränderungen der Verfahrensführung, die bei technologisch komplizierten Prozessen häufig erforderlich ist, die Anpassung der Elektronenemission an . den Ionenstrom jeweils neu erforderlich. Hierzu sind umfangreiche· Regelungen vorzusehen, um einen entsprechenden Betrieb der Einrichtung störungsfrei zu gestalten.

Auch ist es seit längerem bekannt, die elektrische AufIadung isolierender Substrate bei ionengestützten Beschichtungstechniken durch die'Anordnung einer hochfrequenten ,Wechselspannung zu beseitigen. Diese in der Zerstäubungstechnik vielfach angewendete Methode sichert den Abbau der Ladungen und garantiert,einen sicheren Beschichtungsvor-·

.25 gang. Das setzt jedoch einen erheblichen apparativen Aufwand voraus, da neben einem leistungsfähigen Hochfrequenzgenerator entsprechende Anpassungs- und Zuführungsglieder zu den Substraten mit den unterschiedlichsten dielektrisqhen Werten und geometrischen Abmessungen benötigt werden.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, die ionengestützte Beschichtung technisch und technologisch einfach durchzuführen, wobei, der hohe apparative.Aufwand zu vermeiden ist,

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Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren, und eine Vorrichtung zu schaffen, die es ermöglichen, elektrisch isolierende Substrate bei Anwendung, von Ionen-, oder Plasmaeinwirkungen unter- Beibehaltung der Vorteile dieser Verfahrenstechniken und unter Vermeidung spezieller Anpassungs- und Zuführungsgliedern zu den Substraten einwandfrei zu beschichten,

Erfindungsgemäß, wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in der Anodenspannungszuleitung einer an sich bekannten, aus Glühkatode und positivem Anodengitter bestehenden Plasmaquelle ein Vorwiderstand, und zwischen Anode und Katode ein Kondensator angeordnet sind, deren Größe vom vorgegebenen Arbeitsdruck im Rezipienten bestimmt werden„ Die An-Ordnung der Plasmaquelle ist sowohl in konzentrischer wie auch.in ebener Ausführung möglich, wobei die ebene Anordnung, in Abhängigkeit vom durchzuführenden Verfahren, die Installation mehr als einer Plasmaquelle gestattet. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die für die iönengestützte Beschichtung erforderliche Plasmaquelle alternierend betrieben wird. Dabei wechseln in ständiger Reihenfolge Phasen der Ionisierung und der·-Neutralisation der an den Substraten aufgebauten Ladungen ab, während. die Elektronenemission der thermischen Katode stabil gehalten wird. Bei selbständiger Entladung, d. h. bei rela- : tiv hohem Gasdruck um 1 ... 10 Pa, dient die Katode als Lieferant der zur Neutralisierung der sich auf den Substraten aufbauenden positiven Ladung notwendigen Elektro-, nen während der Zeit, da die Plasma- und somit die lonenerzeugung erfindungsgemäß aussetzt. Bei Drücken unter

—2 ' 1 Pa bis hin zu etwa 10 Pa dienen die Elektronen zu- .

sätzlich zur Aufrechterhaltung der Entladung, einer sogenannten unselbständigen Gasentladung. Die Arbeitsfrequenz des Verfahrens, d. -h. der ständige Phasenwechsel liegt vorteilhafterweise im Bereich von einigen IcHz bis zu einigen Hundert kHz und ergibt .sich

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aus der Wahl der Zünd-und Löschspannung der Entladung'bei vorgegebenem Entladungsdruck im Rezipienten und den technischen; Daten des Widerstandes und des Kondensators zu

A ^_n- Ü_T - .

f-¹ = R · C · 1 SJi

S Ji

· . ^{n u}o - ^üz

wobei Uq die maximal an der Plasmaquelle zur Verfügung stehende Spannung ist. '

Die Wirkungsweise der·erfindungsgemäßen Einrichtung soll kurz erläutert werden. ·

Nach Einschalten der Spannungsversorgung für die Plasmaquelle wird die Glühkatode auf Emissionstemperatur er- _; hitzt und der parallel zur Entladungsstrecke liegende Kondensator über den Vorwiderstand aufgeladen. Nach Erreichen der Zündspannung U™ zündet die Entladung. Da-dabei der StromfIuJS über die Entladungsstrecke größer ist als der. durch den Vorwiderstand bedingte Aufladestrom des Kondensators, wird dieser entladen und die Spannung an der Anode sinkt, unter die Löschspannung U-r» so daß die Entladung in der Vakuumkammer aussetzt. In diesem Falle wird der Kondensator wieder aufgeladen bis die Entladung erneut zünden.kann und sich eine sogenannte Kippschwingung einstellt. Während der Brennphase der Entladung werden die in der Entladung erzeugten positiven Ionen in Richtung auf den negativ vorgespannten Substrathalter beschleunigt, wobei sie zum Aufladen der dort angebrachten elektrisch isolierenden-Substrate führen. In der anschließenden Lösch-, phase werden diese "störenden, Ladungen durch die aus der Glühkatode ständig austretenden Elektronen, die durch die. zwar unter die Löschspannung gesunkene aber nach wie vor vorhandene Anodenspannung beschleunigt werden und auf die

30' Substrate auftreffen, beseitigt.

Das Beschichtungsmaterial kann dabei im Rezipienten zerstäubt bzw. verdampft wie auch in gasförmiger Form einge- . - bracht, in der Plasmaquelle durch loneheihwirkung ent-

sprechend gespalten und teilweise ionisiert und als hochwertige Beschichtung auf den Substraten niedergeschlagen werden. Bei der Anordnung mehr als einer Plasmaquelle ist sowohl der gleichläufige als auch der wechselweise Betrieb aller vorhandenen Plasmaquellen möglich. Ebenso ist es möglich, daß die Plasmaquellen gleichzeitig, aber mit unterschiedlicher Arbeitsfrequenz, wie auch pulsierend und mit unterschiedlicher Arbeitsfrequenz, arbeiten.

Ausführungsbeispiel

Anhand von zwei Ausführungsbeispielen soll die Erfindung näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen ; .

Fig. 1: eine Variante der erfindungsgemäßen Einrichtung mit ebener Anordnung der Elektroden Fig. 2: eine konzentrische Anordnung der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. .

Fig. 1 zeigt die Beschichtungskammer 1 mit dem Vakuumerzeugungssystem 2 und dem Gaseinlaßsystem 3··Ιώ der Bew 20 Schichtungskammer 1 befindet sich die aus 0,3 mm Tantaliumdraht bestehende Glühkatode 4 und die aus 0,1 mm Wolframdraht zylinderförmig gewickelte Anode 5» <3ie im Abstand von 100 mm zur Glühkatode 4 angeordnet ist. Die aus Glühkatode 4 und Anode 5 bestehende.Plasmaquelle ist mit der Spannungsversorgung 6 verbunden. Im Anodenstromkreis befindet sich dabei ein Widerstand 7 von 100 Ohm und parallel zur ·Entladungsstrecke ein Kondensator 8 von 4-7 /UF mit ausreichender Spannungsfestigkeit

Des weiteren ist in der Beschichtungskammer 1 die Be-Schichtungseinrichtung 9 und ihr gegenüber der Substrathalter 10 angeordnet, der mit der Spannungsversorgungseinheit 11 verbunden ist, die ihn 'mit einer ausreichenden negativen Spannung versorgt. _N

Das Vakuumerzeugungssystem 2, das Gaseinlaßsystem 3 und die Beschichtungseinrichtung 9 sind dem Anwendungsfall entsprechend ausgewählt. Zur rationellen Verfahrensgestaltung wurde bei diesem Ausführungsbeispiel ein transversal aufgebauter Elektronenstrahlverdampfer als Beschichtungseinrichtung 9 vorgesehene . -

—2 Durch, Argoneinlaß wird nun ein Arbeitsdruck von 10 Pa

. eingestellt.-Die Glühkatode 4- wird mit einem Heizstrom von etwa 30 A und die Anode mit einer positiv zur Katode geme ssenen Spannung von 250 "V versorgt. Bei diesen BetriebssParametern ergibt sich eine ausreichende Elektronenemission, wobei die Elektronen um die gitterförmige Anode 5 pendeln und dabei das Arbeitsgas ionisieren, bevor sie auf die auf dem Substrathalter 10 befindlichen isolierenden und durch positive Ionen aufgeladene Substrate 12 beschleunigt werden. Der aus dem Plasma extrahierte Ionen— · ' _p

strom beträgt dabei 4· Am , bei. -800 V angelegter Beschleunigungsspannung, der Plasmastrom 1,5 A und die Arbeitsfrequenz 150 kHz.

In Fig. 2 ist eine koaxiale Anordnung dargestellt, die' besonders bei Nutzung von gasförmigen Beschichtungswerkstoffen Anwendung findet. Die zentrale j aus 0,5 mm „Wolf ram-' draht bestehende Glühkatode 4- ist dabei im Abstand von . 150 mm von einer aus 0,1 mm Wolframdraht gefertigten gitterförmigen Anode 5 umgeben. Der aus Kupferblech bestehende Substrathalter .10 ist im Abstand von 190. mm zur Katode , 4- angeordnet.

Der Arbeitsdruck wurde-mit· 1 Pa festgelegt, wobei sich .bei einem Katodenheizstrom von 55 A und einer an der Stromversorgung 6 anliegenden Spannung von +200 Y und einer Beschleunigungsspannung von -600 Y am Substrathalter 10 ein Plasmastrom von 0,8 A und eine Arbeitsfrequenz, von 320 kHz ergibt. Der'Widerstand 7 wurde mit 1000 Ohm und der Kondensator 8 mit 100 nF festgelegt. Durch Einlaß

35. von Benzen an der Beschickungseinrichtung 13 können unter den genannten Bedingungen isolierende Substrate, mit harten transparenten Kohlenstoffschichten belegt werden»

Claims

/1 Erfindungaanspruch

1· Verfahren zur ionengestützten Beschichtung elektrisch isolierender Substrate mit einer aus Glühkatode und Anode bestehenden Plasmaquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmaquelle alternierend betrieben wird, wobei •die Anodenspannung mit einer Frequenz von einigen kHz bis za einigen Bindert kHz ständig zwischen einer Zündspannung U- und einer Löschspannung U_T pendelt und daß die Glühkatode dabei ständig gleichmäßig Elektronen emittiert·

2· Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Anodenstromkreis ein Widerstand (7) und parallel zum Entladungs· Stromkreis ein Kondensator (8) angeordnet sind·

Hiefzu„2:„„.Seiten Zeichnungen