DD275861A5

DD275861A5 - Verfahren und Vorrichtung zur Abscheidung einer dünnen Schicht auf einem transparenten Stoff, insbesondere auf Glas

Info

Publication number: DD275861A5
Application number: DD32214888A
Authority: DD
Inventors: Liberto Massarelli; Francesco Sebastiano
Original assignee: Siv Soc Italiana Vetro
Priority date: 1987-11-27
Filing date: 1988-11-24
Publication date: 1990-02-07
Also published as: EP0318441B1; DE3880275T2; ATE88222T1; EP0318441A3; IT8748644A0; PL161618B1; ES2040896T3; IT1211938B; US4933057A; RU1809840C; PL275999A1; EP0318441A2; DE3880275D1; BR8806229A; JPH01168862A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zur Abscheidung einer duennen Schicht auf einem transparenten Stoff, insbesondere auf Glas. Die mit der duennen Schicht ueberzogenen transparenten Stoffe, wie Glastafeln oder Glasscheiben sind beispielsweise fuer Fenster in Gebaeuden und in Kraftfahrzeugen einsetzbar. Die Abscheidung soll mittels einer Katodenzerstaeubung erreicht werden, wobei die duenne Schicht aus Atomen gebildet werden soll, die aus der die Bildung der Schicht bewirkenden Katoden herausgeloest wurden und gleichzeitig ein Beschuss derselben mit Ionen erfolgt. Erfindungsgemaess ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel fuer die Erzeugung von Atomen separate Katodenplatten umfassen, von denen jede so angeordnet ist, dass sie mit der angrenzenden Katodenplatte einen Winkel von 90 einschliessen und sie ein rechtwinkliges Parallelepiped bilden. Bei dem erfindungsgemaessen Verfahren wird ein Vakuum erzeugt und anschliessend ein Gas bei einem Druck von 10,1 bis 10,2 Pascal eingeleitet sowie die Katode und die Anode mit einer Spannung von 200 V bis 1 000 V gespeist. Fig. 1

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zu Abscheidung einer dünnen Schicht auf einem transparenten Stoff, insbesondere auf Glas. Die mit dor dünnen Schicht überzogenen transparenten Stoffe, wie Glast&feln oder Glasscheiben sind bolsplolswulse für Fenster in Gebäudon und in Kraftfahrzeugen einsetzbar.

Charakteristik dos bekannten Standes der Technik

Es Ist bekannt, auf transparente Stoffo, wie Glas eine dünne Schicht aufzubringen. Untor einer dünnen Schicht Ist dabei ein TiIm zu vorstehen, dor aus gboigneton Stoffen, Im allgomoinen Metallen mit einer Dicko von einigen Zehnteln bis einigen Hundertsteln A° gebildot wird und als Überzug auf den Oberflächen oinos Stoffos wio Glas abgeschieden wird, um diese Oberflflcho mit modifizierten physikalischen, mechanischen, elektrischen oder optischen Eigenschafton, iu vorsehon Hierfür sind berolts oino großo Anzahl von Vorfahren und Vorrichtungen bekannt.

Nachstehend wird besonders auf Vorrichtungen und Verfahren zur Abscheidung einer dünnen Schicht mittels Katodenzerstäubung verwiesen. Auf diesem Gebiet der Technik steht eine große Anzahl von Patenten und bibliographischen Verweisen zur Verfügung. Derartige Patente sind die US-P 2146025,3282816,3400066,4041353, die ein Verfahren für die Abscheidung eines Metalls auf einem Stoff beschreiben sowie die Vorrichtungen für die Durchführung des Verfahrens. Die US-P 3616450 und 3711398 erläutern den Aufbau einer Vorrichtung für die Abscheidung einer dünnen Schicht auf einem Stoff unter Verwendung «Inerzyllnderförmigen Katode mit einer Anode auf einer Seite und dem zu beschichtendem Stoff auf der

gegenüberliegenden Seit*. Bei dieser Vorrichtung erzeugen die sich von der Innenwand des Zylinders herauslösenden Atomo eine dCnne Schicht auf der Oberfläche eines im rechten Winkel zur Achse des Zylinders angeordneten Stoffes.

In dom US-Patent 3878085 wird eine Vorrichtung für die Abscheidung einer dünnen Schicht auf ebenen Flächen beschrieben, die

mit Diner Katode arbeitet, die die Form einer einzelnen elliptisch gestalteten flachen Platte hat und damit einen verbesserten

Wirkungsgrad der Abscheidung aufweist. In demselben Patent werden auch die Verteile beschrieben, die aus der Verwendung

von mit magnetischen Feldern verbundenen Katoden herrühren und die darin bestehen, daß die zur Erzeugung der elektrischen

Entliidung erforderliche Spannung reduziert wird. Andure Darstellungen von Vorrichtungen für die Abscheidung von dünnen Schichten auf Stoffe werden in den US-P 4060470

und 4472259 beschrieben.

Verfahren für die Abscheidung von dünnen Schichten mittels Katodenzerstäuming wird auch in dem von L. Holland verfaßten Text ,Vacuum Deposition of Thin Films" (Vakuumaufdampfung von Dünnschichten), Seite 401 bis 460, beschrieben, der von Chapman and Hall Ltd. herausgegeben wurde, und in dem Text von L. I. Maissei, R. Clang .Handbook of Thin Film Technology'

(Handbuch der Dünnschichttechnik), Seite 3-1/4-44, herausgegeben von McGraw Hill.

Diesos Verfahren besteht im wesentlichen darin, daß die durch eine elektrische Entladung erzeugten Gasionen in Richtung der Katode beschleunigt und durch Aufprall auf dieselben Atome herausgelöst werden, die auf der Oberfläche des Stoffes

abgeschieden werden und somiv die gewünschte Schicht bilden.

Die Haftung der so erzielten Beschichtungen ist jedoch nicht ausreichend, um ein Produkt guter Qualität zu garantieren,

besonders, wenn die dünne Schicht direkt in Kontakt mit der äußeren Umwelt abgeschieden wird.

Dieser Nachteil stellt eine erhebliche Einschränkung für die kommerzielle Verwendung eines Produktes wie Glastafeln oder Glasscheiben für Fenster von Gebäuden und Kraftfahrzeugen, die mit solchen dünnen Schichten versehen sind, dar. J.S.Williams und J. M. Poate beschreiben in ihrem Buch „lon Implantation and Beam Procressing" (lonenimplantations- und

-Strahlprozesse), herausgegeben von Academic Press (Seite 189 bis 259), einen an Laborprüfkörpern durchgeführten Versuch, nach dem, wenn ein lonenbeschuß auf die Schicht durchgeführt wird, während diese durch die Wirkung der aus der Katode herausgelösten Atome gebildet wir ei, eine Dünnschicht gewonnen wird, die Haftungs- und Gleichmäßigkeitscharakteristika aufweist, die weit höher liegen, als die bis dahin gekannten Werte.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat das Ziel, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abscheidung einer dünnen Schicht auf einem transparenten Stoff, insbesondere auf Glas, so auszubilden, daß die Abscheidung in wirtschaftlicher Welse auch auf großflächige Produktion möglich ist.

Darlegung des Wnsens der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abscheidung einer dünnen Schicht auf einem

transparenten Stoff, insbesondere auf Gins mittels einer Katodenzerstäuhung, welche Mittel für die Erzeugung von Atomen, die für die Bildung der dünnen Schicht auf der Oberfläche des transparenten Stoffes dienen. Mittel für die Erzeugung von magnetischen Feldern sowie Mittel für die Kühlung und ihre Stützung aufweist, zu schaffen, wobei die dPnne Schicht aus

Atomen gebildet wird, die aus der die Bildung der Schicht bewirkenden Katoden herausgelöst werden, und gleichzeitig ein Beschüß derselben mit Ionen erfolgt. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Mittel für die Erzeugung von Atomen separate Katodenplatten

umfassen, von denon jede 60 angeordnet ist, daß sie mit der angrenzenden Katodenplatte einen Winkol von 90° einschließen und sie ein rechtwinkliges Parallelepiped bilden.

In weiterer Ausbildung der Erfindung umfaßt die Vorrichtung sämtliche Atome und Ionen, In einer ausreichenden Menge werden

sie erzeugt, um eine dünne Schicht auf einem Stoff zu bilden und eine lonenbindung zu bewirken.

Vorzugsweise weist die Vorrichtung eine als ebene Platte ausgebildete Anode auf, welche eine Seite des rechtwinkligen Parallelepipeds bildet, wobei der zu beschichtende Stoff sich zu der Anode in einer gegenüberliegenden Position und parallel zu

dortelben befindet.

Die Kstodenplatten sollten dabei aus dem gleichen Material, wie die abzuscheidenden Schichten bestehen. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß dio Vorrichtung eine zweite Anode aufweist, die parallel zu der

ersten Anode und auf der glolchon Seite wie der zu beschichtende '>t'>rf angeordnet und mit einom Schlitz versehen Ist, durch den oln Atom- und lonenstrom f ließt.

Eine v/eitere Ausgestaltung dor Erfindung besteht darin, daß parallel zu der zweiten Anode eino Elektrode auf der gleichen Seite

wlo dor zu boschlchtendo Stoff angeordnet ist.

Es Ist auch möglich, daß die Katodenplatton olnon bolioblgon Krümmungsradius aufwolsen, wobei sich ihm Konkavität auf der Innonsoite dos Paralloloplpods befindot. DIo Erfindung umfaßt weitorhln oln Vorfahron zur Abscheidung oinor dünnon Schicht auf einem tr&nsparenton Stoff,

insbosondoro Glas, daß dadurch gekonnzoichnot ist, daß in oinor dio Vorrichtung enthaltenden Metall- oder Glaskammor ein

Vakuum erzeugt wird und anschließend In dioso ein Gas boi olnom Druck von 10,1 bis 10,2 Pascal eingeleitet sowie die Katode

und dio Anode mit einor Spannung von 200 V bis 1 (X)OV gospoist worden, woboi oln Atom· und lonenstrom gleichzeitig In oinor

Menge om'tiort, dio ausreicht, um elno dünno Schicht auf der Oberfläche dt j Stoffos abzuscheiden und durch dio so erzeugten Ionen einen Beschüß durchzuführen. Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, daß ein gleichzeitig aus der gleichen Quelle herrührender Ionen- und Atomstrom auf eine begrenzte Fläche des ;tu beschichtenden Stoffes fokussiert wird, um eine dünne S :hicht mit einer sehr hohen Haftung und gleichförmigen Qualität herzustellen. Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es möglich, dünne Schichten a uf einen Stoff beliebiger Art aufzutragen und dabei eine Haftung und Gleichförmigkeit zu erreichen, die die Verwendung der Schichten auch unter Umwoltbedingungen gewährleistet. Außerdem ist es durch die eifindungsgemäßb .ösung möglich, aufgrund der großen Ionenerzeugung durch die Vorrichtung,

den zu beschichtenden Stoff in einer relativ großen Entfernung anzuordnen.

Weiterhin kann die Menge dos in die Vorrichtung eingespeisten Gases reduziert werden, wobei sich dieses auf die Reinheit der Schicht selbst vorteilhaft auswirkt. Ausf ü hru ng sbeliplele Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen: Fig. 1: die Seitenansicht einer Vorrichtung zum Abscheiden einer dünnen Schicht im Schnitt; Fig. 2: die Draufsicht nach Fig. 1; Flg. 3: die Seitenansicht einos weiteren Ausführungsbeispieles einer Vorrichtung im Schnitt. In Figur 1 und 2 umfaßt die Vorrichtung eine Anode 5, welche als ebene Platte ausgebildet ist, die elektrisch mit dem positiven Anschlußkontakt einer elektrischen Energieversorgung verbunden ist, die in der Figur nicht dargestellt ist sowie vier Katodenplatten 1; 2; 3; 4, die elektrisch mit dem negativen Anschlußkontakt der gleichen Energieversorgung mittels geeigneter Verbindungselemente verbunden sind. Die Katodenplatten 1; 2; 3; 4 bilden mit der Anode 5 jeweils einen Winkel von 90° und schließen mit der angrenzenden Katodenplatte 1; 2;,'. oder 4 einen Winkel von 90° ein. Durch diese Anordnung bilden die Katodonplatten 1; 2; 3; 4 ein

rechtwinkliges Parallelepiped, dessen vertikale Wäi <z 1:·"·Μ die Katodenplatten 1; 2; 3; 4 gebildet werden und desson horizontalen Stirnflächen die einen offen und die anderen durch die Anode 5 geschlossen sind.

Die Katodenplatten 1; 2; 3; 4 bestehen aus dem gleichen Material, da sie zum Abscheiden einer dünnen Schicht auf den

transparenten Stoff di inen.

Die Dauermagnete 6 und die magnetischen Polo 7, die dazu dienen, den magnetischen Ring zu schließen, sind um die Katodenplatten 1; 2; 3; 4 angeordnet. Das deionisierte Kühlwasser strömt in einem Kanal 8, um die Temperatur der Katodonplatten 1; 2; 3; 4 innerhalb annehmbarer Grenzen zu halten. Der Kanal 8 ist an einer Seite durch die inneren Flächen der Katodonplatten 1; 2; 3; 4 verschlossen und auf der anderen Seite

durch eine Auflage 9, die den Dauermagnet β mittels Schrauben 15 hält.

Aus Metall bestehende Äquipotentialflächen 10, die ebenfalls durch Schrauben 15 befestigt sind, dienen dem Zweck, eine innere

elektrische Entladung zu vermeiden, während eine magnetische Metallplatte 11 den äußeren Verschluß des magnetischen

Stromkreises bildet. Die Vorrichtung weist außerdem Metallteile 12 zu ihrer Stützung auf, die ebenfalls eine äquipotentielle Funktion haben. Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 und 2 wird in eine nicht dargestellte Kammer aus Glas oder Motall angeordnet, in

der ein Vakuum erzeugt wird. Anschließend wird ein Gas bei einem Druck von 10,1 bis 10,2 Pascal eingeleitet und die

Katodenplatten 1; 2; 3; 4 werden mit einer Spannung von 200V bis * 000V gespeist. Das Gas wird ionisiert, wodurch zwischen der plattenförmigen Anode 5 und den Katodenplaiten 1; 2; 3; 4 eine elektrische Entladur g erzeugt wird. Während der Entladung werden die Gasionen in Richtung der Katodenplatten 1; 2; 3; 4 beschleunigt,

und wenn sie dann mit ihnen in Berührung geraton, werden ein oder mehrere Atome durch den Aufprall ausgestoßen. Die so herausgelösten Atome werden dann In die umgekehrte Richtung mit einer Energie goschleudert, die im Verhältnis zu der der einfallenden Ionen steht, wobei sie hauptsächlich aut die gegenüberliegende Wand in einem auf 30° beschränkten Winkel gerichtet sind. Folglich endet der Weg dor Atome im allgemeinen an der gegenüberliegenden Katodenplatto 1; 2; 3; 4 und sie kehren in umgokehrter Richtung wieder zurück, vorausgesetzt, sie treffen nicht auf andere Teilchen.

Durch dieses Zurückprallen Ist es äußerst wahrscheinlich, daß die Atome auf Gaselektronen auftreffen, welche das Plasma

bilden, und sie können wiederum ionisiert werden. Ein großer Anteil der Ionen wird somit zwischen den Katodenplatten 1; 2; 3; 4 gebildet, und sie werden durch die positive Ladung der Anode 5 in die Richtung der gegenüberliegenden Öffnung und dann auf den Stoff gerichtet, auf dem sie gleichzeitig mit den Atomen niedergeschlagen werden, um die gewünschte Schicht zu erzeugen.

Zur Erzielung einer ausreichenden Ionisation der Atome und damit einer ausreichenden Menge Ionen, um die gewünschte Dicke

der Dünnschicht zu erzeugen, wird der Abstand zwischen den einander am nächsten liegenden Katodenplatten 1 und 3 unter 70mm gehalten. Weiterhin Ist das Verhältnis dieses Abstandes zur Höhe der Katodenplatten 1 und 3 mit 1:1 bis 1:2 anzusetzen.

Wie bereits zuvor geschildert, stellt die Erfindung einen gleichmäßigen Fluß von Ionen und Atomen aus der gleichen Quelle zur Verfügung, durch denen Niederschlag beschichtete Produkto hergestellt werdon, die aiK.i vorteilhaft mit der äußeren Umwelt in Berührung gebracht werfen könnon. Dorartipo Produkto können mit Dünnschichton überzogene Glastafeln oder Glasscheiben

soln wie sie für Fenster in Gebäuden und in Kraftfahrzeugen einsetzbar sind.

Nach oinom In Figur 3 dargostollton woitoron Ausführungsbeispiol in der die Elemente ähnlich oder idontisch mit den zuvor

boschriobonon sind, sind dioso der Einfachheit haibor mit don gleichen Bozugszeichen gekennzeichnet wie bei der in Figur 1 und 2 dargostollton Vorrichtung, woboi oino zwoito Anode 13 in paralleler Anordnung zu Anode 5 hinzugefügt worden kann und die

Anodo 13 mit oinor andoren Spannung als dio dor Anodo 5 sop irat gespoist wird. Die zwoito Anodo 13 bostoht aus zwei Toilon 13'; 13" zwischon donon sich ein Schlitz 16 befindet, durch don dor lonenstrom

konzentriert wird.

Hintor dor zweiton Anodo 13 !st i>l,<o zusätzliche Eloktrode 14 angeordnet, dio dom Zweck diont, die Ionen horauszulöson und

gleichzeitig zu beschleunigen.

Die Elektrode 14 wird durch eine negative Spannung von 5kV bis 5OW gespeist, um die Ionen anzuziehen und zu

beschleunigen.

Die Anode 13 und die Elektrode 14 bilden praktisch ein System elektrischer Linsen, so daß die Ionen zusätzlich zur Beschleunigung auch noch fokussiert werden können. Durch eine wie in Figur 3 dargestellte Vorrichtung ist es möglich, einen viel größeren inneren und fokussierten lonenbeschuß zu

erreichen, der die Möglichkeit eröffnet, die Haftung der Dünnschicht auf dem Stoff besonders bei begrenzten Flächen zu verbessern.

Neben den beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung sind auch weitere Variationen und Modifikationen

derselben möglich.

Es ist beispielsweise möglich, anstelle von ebenen Katodenplatten 1 und 3 entsprechend den Figuren 1 bis 3 Katodenplatten 1

und 3 mit beliebigen Krümmungsradien anzuordnen, wobei die Katodenplatte 1 mit ihrer konkaven Forro der Katodenplatte 3 gegenüber angeordnet ist und umgekehrt.

In diesem Fall kann auch der maximale Abstand zwischen den inneren Flächen der Katodenplatten 1 und 3 geringer als 70mm

sein und das Verhältnis von diesem Abstand und der Höhe der Katodenplatten von 1:1 bis 1:2 reichen.

Claims

1. Vorrichtung zur Abscheidung einer dünnen Schicht auf einem transparenten Stoff, insbesondere auf Glas mittels einer Katodenzerstäubung, welche Mittel für die Erzeugung von Atomen, die für die Bildung der dünnen Schicht auf der Oberfläche des transparenten Stoffes dienen, Mittel für die Erzeugung von magnetischen Feldern sowie Mittel für die Kühlung und ihre Stützung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel für die Erzeugung von Atomen separate Katodenplatten (1; 2; 3; 4) umfassen, von denen jede so angeordnet ist, daß sie mit der angrenzenden Katodenplatte (1; 2; 3 oder 4) einen Winkel von 90° einschließen, und sie ein rechtwinkliges Parallelepiped bilden,

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie sämtliche Mittel für die Erzeugung von Atomen und Ionen umfaßt, wobei die Atome und Ionen in einer ausreichenden Menge erzeugt werden, um eine dünne Schicht auf einem Stoff zu bilden und eine lonenbindung zu bewirken.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine als ebene Platte ausgebildete Anode (5) aufweist, welche eine Seite des rechtwinkligen Parallelepipeds bildet, wobei der zu beschichtende Stoff sich zu der Anode in einer gegenüberliegenden Position und parallel zu derselben befindet.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Katodenplatten (1; 2; 3; 4) aus dem gleichen Material wie die abzuscheidende dünne Schicht bestehen.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Vorsteher den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine zweite Anode (13) aufweist, die parallel zu der ersten Anode (5) und auf der gleichen Seite wie der zu beschichtende Stoff angeordnet und mit einem Schlitz (16) versehen ist, durch den ein Atom- und lonenstrom fließt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der zweiten Anode (13) eine Elektrode (14) auf der gleichen Seite wie der zu beschichtende Stoff angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Katodenplatten (1; 2; 3; 4) einen beliebigen Krümmungsradius aufweisen, wobei sich Jhre Konkavität auf der Innenseite des Parallelepipeds befindet.

8. Verfahren zur Abscheidung einerdünnen Schicht auf einen transparenten Stoff, insbesondere Glas, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung enthaltende Metall- oder Glaskammer ein Vakuum erzeugt, und anschließend in diese ein Gas bei einem Druck von 10,1 bis 10,2 Pascal eingeleitet sowie eine Katode und die Anode mit einer Spannung von 200V bis 1000 V gespeist werden, wobei ein Atom- und lonenstrom gleichzeitig in einer Menge emittiert, die ausreicht, um eine dünne Schicht auf der Oberfläche des Stoffes abzuscheiden und durch die so erzeugten Ionen einen Beschüß durchzuführen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein gleichzeitig aus der gleichen Quelle herrührender Ionen- und Atomstrom auf eine begrenzte Fläche des zu beschichtenden Stoffes fokussiert wird, um eine dünne Schicht mit einer sehr hohen Haftung und gleichförmigen Qualität herzustellen.