-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur plasmaaktivierten
Verdampfung gemäß den Oberbegriffen
der unabhängigen
Patentansprüche.
-
Das
Elektronenstrahlverdampfen ist ein Verfahren zur Hochratebeschichtung.
Die Dampfteilchenenergien sind bei diesem Verfahren relativ gering. Aus
diesem Grunde entstehen mitunter Schichtstrukturen mit unbefriedigenden
Funktionseigenschaften. Bei reaktiven Prozessen ist die Reaktionsgeschwindigkeit
des Dampfes mit eingelassenem Reaktivgas zur Bildung gewünschter
Verbindungen nur sehr gering. Durch Plasmaanregung des Dampfes können die
Dampfteilchenenergien wesentlich erhöht werden und zu verbesserten
Schichteigenschaften führen. Bei
einer reaktiven Prozessführung
kann die Reaktionsgeschwindigkeit zwischen Dampfteilchen und Reaktivgasteilchen
wesentlich erhöht
werden. Dadurch können
Verbindungen mit der angestrebten Zielstöchiometrie mit höherer Rate
abgeschieden werden.
-
Die
Anregung von mittels Elektronenstrahl erzeugten Dämpfen kann
auf verschiedene Weise erfolgen. So ist zum Beispiel bekannt, dass
mit Elektronenstrahl erzeugte Dampfwolken mit einem Hohlkathodenplasma
angeregt werden können.
Da diese Hohlkathodenplasmen räumlich
begrenzt sind haben sie den Nachteil, dass für Großflächenanwendungen eine Kombination
vieler Plasmaquel len notwendig ist. Die Orte größter Plasmadichte stimmen mit
den Orten größter Dampfdichte
nicht überein.
Die Plasmaerzeugung findet nicht in Dampfquellortnähe statt. Das
hat den Nachteil, dass das Verfahren hinsichtlich Rateverteilung
und Plasmadichte stark inhomogen ist. Außerdem befindet sich die plasmaerzeugende Einrichtung
im Bereich der Dampfausbreitung, was sich als standzeiterniedrigend
für die
Plasmaquelle erweist.
-
Der
SAD-Prozess (Spotless arc activated deposition) hat gegenüber der
Hohlkathodenplasmaanregung den Vorteil, dass durch Kombination eines diffusen
Bogens mit der Elektronenstrahlverdampfung die Plasmaerzeugung im
Bereich der Dampfquellerzeugung angesiedelt ist. Die Plasmadichteverteilung
folgt damit im Wesentlichen der Dampfdichteverteilung. Der SAD-Prozess
hat jedoch den Nachteil, dass er nur bei wenigen Materialien, den sogenannten
refraktären
Metallen, funktioniert. Für die
meisten Verdampfungsmaterialien ist er nicht anwendbar. Außerdem ist
für diesen
Prozess (Ausbildung des diffusen Bogens) das Vorhandensein einer tiegelnahen
Anode notwendig, die sich im Dampfausbreitungsbereich befindet und
standzeitbegrenzend beschichtet wird.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen plasmaangeregten thermischen
Verdampfungsprozess und eine Einrichtung zur Durchführung dieses
Verfahrens anzugeben, die nicht die dargestellten Nachteile der
bisherigen Lösungen
aufweisen und ohne die Notwendigkeit der Anordnung plasmaerzeugender
Komponenten im Dampfausbreitungsbereich wirksam sind.
-
Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und
eine Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur plasmaaktivierten Verdampfung eines in einem Verdampfertiegel
bereitgestellten Verdampfungsguts zur Beschichtung eines Substrats
in einer Prozesskam mer, bei der die Energie der Dampfteilchen des
Verdampfungsguts durch Bereitstellung eines Plasmas erhöht wird,
ist dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma durch ein Magnetron
erzeugt wird.
-
Unter
einem Magnetron soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine auf
negativem Potential liegende Einrichtung zur Aufnahme von Verdampfungsmaterial
(Verdampfertiegel) verstanden werden, unter welcher eine Anordnung
von Magneten platziert ist, die im Bereich des Verdampfungsgutes
ein Magnetfeld erzeugt. Die besondere Magnetfeldkonfiguration führt dazu,
dass durch Überlagerung
von elektrischem und magnetischem Feld die Elektronen in einem geschlossenen
Bereich (einer sogenannten „magnetischen
Flasche") eingefangen werden,
was dort eine Erhöhung
der Ladungsträger-/Plasmadichte
bewirkt. Dabei können
beispielsweise Elektromagneten oder Permanentmagneten verwendet
werden, wobei Permanentmagneten besonders kostengünstig und
wartungsarm sind und im Gegensatz zu Elektromagneten keine Energieversorgung
benötigen.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, eine plasmaaktivierte Verdampfung
durch Kombination einer thermischen Verdampfung, beispielsweise
einer Elektronenstrahlverdampfung, mit dem Magnetronsputtern herbeizuführen und
auf diese Weise die Schichteigenschaften bei gleichzeitig hohen
Beschichtungsraten zu verbessern. Dabei kann zur Dampferzeugung
besonders vorteilhaft ein Elektronenstrahl eingesetzt werden, jedoch
können
das erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Einrichtung
auch mit einem Laserstrahl oder einer anderen Energiequelle zusätzlich zum
Sputterprozess betrieben werden.
-
Dem
Verfahren innewohnend ist die positive Eigenschaft, dass das Plasma
an der Oberfläche
des Verdampfungsguts brennt. Dabei ist es vorteilhaft, dass das
Plasma so erzeugt wird, dass es in einem Bereich der Oberfläche des
Verdampfungsguts brennt, der einen Bereich der Oberfläche des
Verdampfungsguts umschließt,
in dem Verdampfungsgut verdampft wird.
-
Wie
oben bereits erwähnt,
kann das Verdampfungsgut besonders vorteilhaft durch Strahlverdampfen,
beispielsweise unter Verwendung eines Elektronenstrahls oder eines
Laserstrahls verdampft werden. Unter dem Begriff des Verdampfens
soll dabei sowohl das Schmelzen und anschließende Verdampfen des Verdampfungsguts
wie auch das direkte Überführen des
Verdampfungsguts vom festen in den gasförmigen Zustand unter Umgehung
des flüssigen
Zustands (Sublimation) verstanden werden.
-
Weiter
kann vorgesehen sein, dass in den Bereich der Oberfläche des
Verdampfungsguts ein Trägergas
zur Erzeugung des Plasmas eingeleitet wird. Sofern in dem Verfahren
auf dem Substrat reaktiv erzeugte Schichten aus einem Reaktionsprodukt des
Verdampfungsguts hergestellt werden sollen, ist es weiter vorteilhaft,
in den Bereich der Oberfläche des
Verdampfungsguts ein Reaktivgas zur Erzeugung chemischer Verbindungen
des Verdampfungsguts einzuleiten.
-
Wie
sich überraschenderweise
gezeigt hat, ist es nicht in jedem Fall notwendig, mit einem Trägergas zu
arbeiten, da bei der Erzeugung hoher Dampfraten die Magnetronentladung
auch im erzeugten Dampf bzw. in dem Gemisch aus dem Dampf und einem
Reaktivgas brennt.
-
Insbesondere
bei Verwendung einer Elektronenstrahlkanone als Energiequelle der
Verdampfung ist es notwendig, die vom Elektronenstrahl erzeugten elektrischen
Ladungen vom Verdampfertiegel über einen
Widerstand gegen Masse abzuführen.
-
Eine
verstärkte
Beschleunigung positiver Ionen des Plasmas zum Substrat lässt sich
dadurch erzielen, dass an das Substrat eine negative Biasspannung
angelegt wird.
-
Als
Anode für
die Magnetronentladung kann gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung die Prozesskammer dienen, die auf Massepotential
liegt. Alternativ oder zusätzlich
kann vorgesehen sein, dass für
die Magnetronentladung eine separate Anode verwendet wird.
-
Wenn
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
aus mindestens zwei elektrisch voneinander isolierten Verdampfertiegeln
gleichzeitig Verdampfungsgut verdampft wird, kann vorteilhaft vorgesehen
sein, dass an beide Verdampfertiegel eine Wechselspannung so angelegt
wird, dass sie wechselseitig als Anode bzw. Kathode für die Magnetronentladung
verwendet werden. Dabei beträgt
die Frequenz der Wechselspannung abhängig vom zu verdampfenden Verdampfungsgut
bzw. zu erzeugenden Reaktionsprodukt bis zu einigen Hundert Kilohertz.
Bei einer derartigen Schaltung der Verdampfertiegel kann auf eine
separate Anode verzichtet werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin,
dass bei reaktiven Prozessen die während der Anodenphase auf dem
Verdampfertiegel abgeschiedene, unerwünschte isolierende Schicht
in der Kathodenphase wieder entfernt, der Verdampfertiegel mithin
periodisch gereinigt wird.
-
Um
eine kontinuierliche Arbeitsweise zu gewährleisten, ist es vorteilhaft,
dass während
des Verdampfens Verdampfungsgut in den oder die Verdampfertiegel
nachgefüllt
wird. Dies kann beispielsweise durch Zufuhr eines Materialstrangs
oder von granuliertem Verdampfungsmaterial in den Verdampfertiegel
von oben erfolgen. In vielen Fällen
hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass das Verdampfungsgut als
Strang durch eine dafür
vorgesehene Öffnung
im Boden des Verdampfertiegels nachgefüllt wird.
-
Eine
weitere Möglichkeit
zur Nachfütterung von
Verdampfungsgut, insbesondere von sublimierenden und semi-schmelzenden
Materialien, ist die Relativbewegung der Einrichtung zur Aufnahme
des Beschichtungsmaterials relativ zu Magnetanordnung und Auftreffbereich
des Elektronenstrahls.
-
Zur
Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die nachfolgend beschriebene Einrichtung vorgeschlagen:
Die
erfindungsgemäße Einrichtung
zur Durchführung des
Verfahrens umfasst mindestens einen als Magnetron ausgeführten Ver dampfertiegel
zur Bereitstellung des Verdampfungsguts und mindestens eine Energiequelle
zur Bereitstellung der Verdampfungsenergie. Mit der Magnetroneinrichtung
kann zusätzlich zur
Verdampfung des Verdampfungsguts durch die Energiequelle im Bereich
der Verdampfung des Verdampfungsguts ein dichtes Plasma erzeugt
werden, das zur Ionisierung der Dampfteilchen und damit zur Verbesserung
der Schichteigenschaften führt.
Der Begriff des Magnetrons entspricht der oben bereits getroffenen
Definition.
-
Wie
bei der Beschreibung des Verfahrens bereits dargelegt, kann die
Energiequelle vorteilhaft eine über
dem Verdampfertiegel angeordnete Elektronenstrahlkanone oder Laserkanone
sein.
-
Weiter
vorteilhaft ist, wenn das Magnetron ein unter dem Verdampfertiegel
angeordnetes Permanentmagnetsystem enthält, da derartige Ausführungsformen
besonders wartungsarm sind. Dabei muss die Anordnung so ausgestaltet
sein, dass ein geschlossenes Magnetfeld erzeugt wird. Dadurch wird
in diesem Bereich ein Plasma erzeugt, das beispielsweise so auf
der Oberfläche
des im Verdampfertiegel bereitgestellten Verdampfungsguts brennt, dass
der von der Energiequelle gespeiste Bereich der Oberfläche, d.
h. der Bereich, in dem die Verdampfung stattfindet, vom Plasma umschlossen wird.
Die Feldlinien des Magnetfelds treten in diesem Fall im Bereich
der Dampferzeugung durch das Verdampfungsgut hindurch, so dass der
Elektronenstrahl im Wesentlichen längs der Feldlinien unabgelenkt
die Verdampferoberfläche
erreicht. Das Magnetron kann beispielsweise als Ringmagnetron oder als
Längsmagnetron
ausgebildet sein.
-
Zur
Vergrößerung des
Quellbereichs kann auch vorgesehen sein, dass jedem Verdampfertiegel mindestens
zwei Anordnungen von Magneten zugeordnet sind. Im Falle von ringförmigen Magnetrons können mehrere
solcher Magnetanordnungen vorteilhaft so angeordnet werden, dass
je ein Ringmagnetron ein anderes Ringmagnetron umschließt (z. B. als
Doppelringmagnetron).
-
Weiterhin
kann gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung vorgesehen sein, dass mindestens eine
Gaseinlasseinrichtung zur Einleitung eines Trägergases zur Erzeugung des
Plasmas oder/und eines Reaktivgases zur Erzeugung chemischer Verbindungen
des Verdampfungsguts vorgesehen ist. Ebenfalls vom Erfindungsgedanken
umfasst sind Ausgestaltungen, bei denen für die Einleitung des Trägergases
und des Reaktivgases separate Gaseinlasseinrichtungen vorgesehen
sind.
-
Wie
bei der Beschreibung des Verfahrens bereits dargelegt, kann die
Prozesskammer selbst als Anode der Magnetronentladung genutzt werden. Diese
Ausgestaltung hat den Vorteil, dass eine große Anodenfläche vorhanden ist. Für das Anlegen
einer Biasspannung an ein auf Masse liegendes Substrat ist in einer
weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass eine separate Anode für die Magnetronentladung eingesetzt
wird.
-
Um
bei reaktiven Prozessen die Problematik der Beschichtung der Anode
mit isolierendem Beschichtungsmaterial zu umgehen, kann außerdem vorgesehen
sein, dass mindestens zwei elektrisch voneinander isolierte Verdampfertiegel
betrieben werden, an die eine Wechselspannung so angelegt werden
kann, dass sie wechselseitig als Anode bzw. Kathode für die Magnetronentladung
verwendet werden. Auf diese Weise wird jeder Verdampfertiegel während der
Kathodenphase von unerwünschten Beschichtungen
befreit. Eine zusätzliche
Anode ist in diesem Falle nicht notwendig.
-
Zur
Erreichung einer kontinuierlichen Arbeitsweise der Einrichtung ist
gemäß einer
weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass weiterhin eine Nachfülleinrichtung
zum Nachfüllen
von Verdampfungsgut in den oder die Verdampfertiegel während des
Verdampfens eingesetzt wird. Um den Verdampfertiegel ohne Beeinträchtigung
der dampfabgebenden Fläche
nachfüllen
zu können,
ist es vorteilhaft, dass im Boden des Verdampfertiegels eine Öffnung zum
Nachfüllen
des Verdampfungsguts in Stabform vorgesehen ist.
-
Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen
näher erläutert. Dabei
zeigen
-
1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
-
2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
-
3 ein
drittes Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
-
4 drei
weitere Ausführungsbeispiele
der Erfindung.
-
Die
Einrichtung gemäß 1 ist
folgendermaßen
konfiguriert: In einer Vakuumkammer ist ein Verdampfertiegel (3)
angeordnet, in welchem sich das Verdampfungsgut (5) befindet.
Der Tiegel kann ein wassergekühlter
Kupfertiegel oder ein Graphittiegel oder ein Keramiktiegel sein.
Unterhalb des Verdampfertiegels (3) befindet sich die Magnetanordnung
(8), die aus Permanentmagneten (9) und mindestens
einer Rückschlussplatte
(10) besteht. Der Elektronenstrahl (2), welcher
von einer Elektronenstrahlkanone (1) erzeugt wird, beaufschlagt
das Verdampfungsgut (5) im Zentralbereich der Magnetanordnung
(8), wo die Magnetfeldlinien durch das Verdampfungsgut
(5) hindurchtreten.
-
Die
Einrichtung enthält
weiterhin (in der Figur nicht dargestellte) Komponenten einer Gaseinlasseinrichtung,
die den Einlass eines Trägergases
zur Zündung
der Magnetronentladung (7) erlauben und die ferner den
Einlass von Reaktivgas für
reaktive Beschichtungsprozesse erlauben. Als Anode für die Magnetronentladung
(7) dient die in der Figur nicht dargestellte, geerdete
Vakuumkammer. Über
dem Verdampfertiegel (3) befindet sich das in der Figur nicht
dargestellte, zu beschichtende Substrat, welches stationär oder,
durch Bewegung des Substrats über
den Beschichtungsbereich hinweg, dynamisch beschichtet werden kann.
Dabei kann es sich beispielsweise um Endlossubstrate oder um Platten oder
um räumlich
geformte Teile handeln. Innerhalb der Beschichtungsanlage können auch
mehrere derartige Einrichtungen angeordnet sein, um bestimmte Quellverteilungen
für Großflächenbeschichtungsprozesse
zu erzeugen.
-
Das
Verdampfungsgut (5) wird durch den Elektronenstrahl (2)
gegebenenfalls verflüssigt,
auf jeden Fall aber verdampft. Durch den Einlass eines Trägergases
für eine
Magnetronentladung (7), zum Beispiel Argon, kann um die
vom Elektronenstrahl (2) beaufschlagte Oberfläche des
Verdampfungsguts (5) herum eine Magnetronentladung (7)
gezündet
werden, wodurch sich ein Plasma ausbildet. Zusätzlich kann für reaktive
Prozesse ein Reaktivgas eingelassen werden. Der Elektronenstrom
des Elektronenstrahls (2) wird vom Verdampfertiegel (3) über einen Widerstand
gegen Masse abgeführt.
Durch Anlegen einer Biasspannung zwischen Verdampfertiegel (3) und
Substrat können
Ionen aus dem Plasma zum Substrat hin beschleunigt werden.
-
Die
Ausführungsform
in 2 entspricht weitgehend der oben beschriebenen
Ausführungsform
aus 1. Die hier dargestellte Einrichtung weist jedoch
zusätzlich
eine nicht näher
dargestellte Nachfülleinrichtung
zum Nachfüllen
von Verdampfungsgut (5) in den Verdampfertiegel (3)
während
des Verdampfens auf. Hierzu ist im Boden des Verdampfertiegels (3)
eine Öffnung
(4) zum Nachfüllen
des Verdampfungsguts (5) vorgesehen, durch die das Nachfüllen von
unten durch einen umgekehrten Strangnachschub durch die Öffnung (4)
hindurch erfolgt.
-
3 zeigt
eine Ausführungsform
der Erfindung, bei der unterhalb des Verdampfertiegels (3) zwei
sich umschließende
Magnetanordnungen (8) existieren, die jeweils aus Permanentmagneten
(9) und Rückschlussplatte
(10) bestehen.
-
4 enthält drei
Darstellungen, bei denen die Bestandteile der Einrichtung jeweils
unterschiedlich geschaltet sind.
-
Die
linke Abbildung zeigt dabei schematisch, dass das Substrat (6)
auf negativer Biasspannung liegt. Als Anode für die Magnetronentladung (7)
dient die (in der Figur nicht dargestellte) geerdete Vakuumkammer.
-
In
der mittleren Abbildung ist das Substrat (6) geerdet, während für die Magnetronentladung
(7) eine separate Anode (11) verwendet wird.
-
Bei
der rechten Abbildung ist das Substrat (6) wiederum geerdet,
während
die Verdampfung aus zwei Verdampfertiegeln (3) erfolgt.
Eine derartige Doppeltiegelanordnung ist insbesondere zur Durchführung reaktiver
Prozesse zweckmäßig einsetzbar. Die
beiden Verdampfertiegel (3) sind voneinander und gegen
Masse isoliert. An sie wird eine Wechselspannung im Frequenzbereich
zwischen 0 und einigen 100 kHz angelegt, so dass die Verdampfertiegel (3)
wechselnd als Kathode oder Anode fungieren. Auf diese Weise kann
auf eine separate Anode verzichtet werden. Bei reaktiven Prozessen
wird die jeweilige Anode frei gehalten und nicht von isolierenden
Materialien bedeckt.
-
- 1
- Energiequelle,
Elektronenstrahlkanone
- 2
- Energiezufuhr,
Elektronenstrahl
- 3
- Verdampfertiegel
- 4
- Öffnung
- 5
- Verdampfungsgut
- 6
- Substrat
- 7
- Magnetronentladung
- 8
- Magnetanordnung
- 9
- Permanentmagneten
- 10
- Rückschlussplatte(n)