DE19610253A1 - Zerstäubungseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zerstäubungseinrichtung, die nach dem Magnetronprinzip arbei­ tet und durch eine bipolare Niederdruck-Glimmentladung zum Beschichten von bandförmi­ gen, ebenen plattenförmigen, gekrümmten und dreidimensionalen Substraten geeignet ist. Mit der Einrichtung werden elektrisch leitende und nichtleitende Substrate plasmagestützt und reaktiv beschichtet. Das mit der Einrichtung ausgeübte Verfahren dient vorzugsweise zur Beschichtung von Verpackungsmaterial, Glas oder Halbzeugen und Werkzeugen.

Es sind eine Vielzahl von Zerstäubungseinrichtungen nach dem Magnetronprinzip bekannt. Sie arbeiten alle nach einem Grundprinzip, indem ein ebenes Target als Katode zerstäubt Wird. Unter diesem Target ist ein Magnetsystem angeordnet, dessen Kraftlinien tunnelförmig aus dem Target austreten und dadurch in diesem Bereich die Teilchen abgestäubt werden. Es sind sogenannte Planarmagnetrons. Das Target besteht meist aus einem Stück und ist rechteckig, kreis- oder ringförmig oder auch mehrteilig. Dieser Targetgeometrie ist das Ma­ gnetsystem angepaßt. Entsprechend dem Prozeß und den gewünschten Schichten wird ne­ ben dem Prozeßgas ein Reaktivgas zugeführt. Die nach dem Grundprinzip arbeitenden Ein­ richtungen haben den Nachteil, daß dadurch, daß das Abstäuben von Teilchen nur in einem eng begrenzten linienförmigen Erosions-Bereich der Targetoberfläche erfolgt, der Ausnut­ zungsgrad an Targetmaterial sehr gering ist und noch unter 30% liegt. Dadurch ist ein öfte­ rer Wechsel der Targets erforderlich und die Prozeßdauer begrenzt. Bei Durchlaufanlagen ist eine Vakuumunterbrechung unvermeidbar.

Um die Targetausnutzung zu verbessern, ist die Geometrie der Targets und Magnetsysteme so gestaltet worden, daß ein relativ großer Teil der Fläche abgestäubt wird. Dazu sind bei­ spielsweise die Targets dreieckförmig ausgebildet (DD 1 50 909). Selbst dadurch ist eine Tar­ getausnutzung von nur 50% möglich. Außerdem ist mit derartigen Einrichtungen - auch bei optimaler Kühlung des Targets - die technisch-physikalische Grenze erreicht, und damit Lei­ stungsdichte und Beschichtungsrate nicht beliebig zu steigern. Die Fachwelt hat in vielen Varianten der Ausgestaltung der Einrichtungen eine gewisse Erhöhung der Produktivität derartiger Einrichtungen erreicht, aber nicht die Targetausnutzung wesentlich erhöht.

Zur Erhöhung der Substratausnutzung sind sog. Rotable-Magnetrons bzw. Rohrmagnetrons bekannt, die zwischen dem Target und Substrat eine Relativbewegung ausführen. So ist eine bevorzugte Ausführung der Zerstäubungseinrichtung, das Target als Zylinder auszubilden und das Magnetsystem in dem Target anzuordnen. Die Feldlinien greifen durch das Rohr und verlaufen entlang der Rohrachse. Eine Anode umgibt das rohrförmige Target mit Aus­ nahme des Ringspaltbereiches, in dem das Abstäuben der Targetoberfläche durch die Aus­ bildung einer Gasentladung erfolgt (DE 32 29 969 A1; EP 0 070 899 B1; DE 27 07 144). Obwohl bei dieser Ausführung eine Targetausnutzung von ca. 80% erreicht wird, besteht der Nachteil, daß die Anode beschichtet wird. Besonders bei der Abscheidung von isolieren­ den Schichten wird damit die Standzeit nicht mehr durch die Targetlebensdauer, sondern durch die Anode bestimmt.

Es ist auch bekannt, mehrere rohrförmige Targets in einer Einrichtung rotieren zu lassen und ein Magnetsystem in jedem Rohr anzuordnen (WO 92/01081) oder das Magnetsystem au­ ßerhalb der rotierenden Targets anzuordnen (EP 0 589 699 A1; US 5,158,660). Die Targets sind aus gleichem oder unterschiedlichem Material und als Katode gepolt. Diese Einrichtun­ gen haben den Nachteil, daß durch die Gleichstrombetriebsweise Überschläge - d. h. Bo­ genentladungen - auftreten, und damit die Schichtqualität entscheidend verschlechtert wird. Bekannte Schaltungen zur Erkennung und Verhinderung von Bogenentladungen sind sehr aufwendig und bieten keine hohe Sicherheit. Das Problem der Anodenstandzeit wird damit auch nicht gelöst.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zerstäubungseinrichtung zu schaffen, wel­ che das Targetmaterial über lange Zeit gleichbleibend abstäubt und damit ein hoher Ausnut­ zungsgrad erreichbar ist. Die Beschichtungsrate soll hoch sein. Es soll weiterhin das Entste­ hen von Bögen verhindert werden und der Zerstäubungsprozeß über lange Zeit stabil sein. Die Einrichtung soll zur Beschichtung von elektrisch leitenden und nichtleitenden Substraten, vorzugsweise zur plasmagestützten sowie zur reaktiven Beschichtung, geeignet sein. Die Betriebszeit der Beschichtungseinrichtung soll nicht durch die Beschichtung der Anode be­ grenzt werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach dem Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Aus­ gestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 16 beschrieben.

Die erfindungsgemäße Zerstäubungseinrichtung besteht aus mindestens zwei um ihre Längsachse rotierenden Rohren als Elektroden. In jedem Rohr ist ein Magnetsystem ange­ ordnet, dessen Feldlinien aus der Oberfläche des Rohres austreten. Dieses an sich bekannte Prinzip der rotierenden Rohre aus Zerstäubungsmaterial unterscheidet sich jedoch von den bekannten Rohrmagnetrons dadurch, daß die Rohre nicht an Katodenpotential gelegt sind, sondern daß sie im Wechsel als Katode und Anode geschaltet werden. D.h. es entsteht eine Glimmentladung jeweils im Wechsel zwischen beiden Elektroden. Die zugehörige Stromver­ sorgung ist derart ausgebildet, daß sie ständig die Polarität umschaltet, was im einfachsten Falle mittels einer Wechselstromquelle möglich ist oder durch eine entsprechend umschaltba­ re Gleichstromquelle. Die Pulsfrequenz, d. h. die Frequenz des Wechselstromes oder die Fre­ quenz der Gleichstrompulse, wird durch bekannte elektronische Mittel so eingestellt, daß sie um den Faktor ca. 100 größer ist als die Drehzahl der Elektroden. Dieser Unterschied der Frequenzen ist eine Voraussetzung für die Funktion des Prinzips, damit die jeweils freigesput­ terte Fläche den anodenwirksamen Bereich während der Dauer einer Halbwelle nicht verläßt. Mit dieser Zerstäubungseinrichtung wird das gepulste Zerstäuben ausgeführt, bei dem vor dem Umschlagen der Glimmentladung in eine Bogenentladung der Beschichtungsprozeß durch eine Regenerierungsphase unterbrochen wird, so daß die Qualität der aufgestäubten Schicht nicht negativ beeinflußt wird.

Überraschenderweise bringt die Kombination des Prinzips der rotierenden Targets, die ent­ gegen der bekannten rotierenden Magnetrons nicht als Katode geschaltet sind, mit dem gepulsten Zerstäuben durch Gleich- oder Wechselstrom, der an beide Elektroden im Wechsel geschaltet ist, eine Lösung der Aufgabe auf apparativ einfache Weise. Es werden die bisher mit großem Aufwand erreichten guten Ergebnisse bezüglich Schichteigenschaften und Wirt­ schaftlichkeit der Einrichtung noch übertroffen, die von der Fachwelt bisher realisiert wur­ den. Die Einrichtung hat noch den Vorteil, daß sie sehr erweiterungsfähig und prozeßvaria­ bel ist. So ist es möglich, diese so auszugestalten, daß sie für jede Art von Substratbeschich­ tung bezüglich Material und Beschichtungsmaterial einschließlich Legierungen geeignet ist. Die Substrate können an zwei sich gegenüberliegenden Seiten vorbeigeführt werden. Es ist auch relative Betriebsweise möglich. D.h. es sind alle Verfahrensvarianten zur Beschichtung von Substraten durch Aufstäuben in der erfindungsgemäßen Einrichtung auszuüben, indem die Einrichtung mit einfachen bekannten Mitteln ausgerüstet werden kann.

Ein wesentliches Merkmal ist, daß zwischen den Elektroden eine Streublende isoliert ange­ ordnet ist, um diese gegen Bedampfung zu schützen. Das Potential ist floatend. Diese Streublende ist zweckmäßig aus zwei voneinander isolierten Teilen, so daß sich dazwischen ein plasmafreier Raum bildet, der Bogenentladungen von Elektrode zur Streufeldblende un­ terbindet.

An zwei Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine Zerstäubungseinrichtung zum Beschichten von ebenen Substraten mit einer Oxidschicht,

Fig. 2 eine Zerstäubungseinrichtung zum Beschichten von Kunststoffband mit einer Legie­ rungsschicht.

Mit der Zerstäubungseinrichtung gemäß Fig. 1 werden ebene Substrate aus Glas mit Alumi­ niumoxid beschichtet.

In einer Vakuumkammer 1 sind zwei wassergekühlte Elektroden 2; 2′ aus Al als Rohre ne­ beneinander angeordnet. (Der Antrieb ist nicht gezeichnet.) In den Elektroden 2; 2′ sind be­ kannte Magnetsysteme 3; 3′ feststehend angeordnet. Um die Elektroden 2, 2′ befinden sich Dunkelfeldabschirmungen 4; 4′, die bewirken, daß keine Nebenentladungen auf der Elek­ trodenoberfläche brennen und daß die abgestäubten Teilchen gezielt auf die durch die Va­ kuumkammer 1 bewegten, über Schleusen 5 ein- und ausgebrachten Substrate 6, gelangen. Das Prozeßgas Ar und Reaktivgas O₂ wird über den geregelten Gaseinlaß 7 in die Vakuum­ kammer 1 eingebracht. Die beiden Elektroden 2; 2′ sind über eine an sich bekannte Schalt­ einheit 8 an eine DC-Stromversorgung 9 angeschlossen, so daß sie wechselweise Anode und Katode sind. In bekannter Weise wird mittels in der Vakuumkammer 1 angeordneter Senso­ ren der Plasmazustand in situ gemessen und das gewonnene Signal einer üblichen Elektro­ nikeinheit 10 zugeführt und in dieser mit einem experimentell ermittelten Wert verglichen und der Prozeß gesteuert. Damit werden die Umschaltzeiten von Katoden- auf Anodenpo­ tential ermittelt. Arbeitet beispielsweise die Elektrode 2 als Anode, werden die Potentialflä­ chen des Plasmaraumes und die Elektrode 2′ selbst mit zusätzlicher Unterstützung des um­ gepolten Plasmas regeneriert. Die Elektronikeinheit 10 ermittelt den Zeitpunkt des Umschal­ tens der Elektrode 2 auf Anodenpotential und die Elektrode 2′ wird von Anoden- auf Kato­ denpotential umgeschaltet.

Zwischen den beiden Elektroden 2; 2′ ist eine Streufeldblende 11 angeordnet, die in ihren Abmessungen so gewählt ist, daß die jeweils als Anode dienende Elektrode 2; 2′ nicht be­ dampft werden kann. Um auch zu verhindern, daß Überschläge - d. h. Bogenentladungen - von den Elektroden 2; 2′ nach der Streufeldblende 11 auftreten, besteht die Streufeldblende 11 aus zwei elektrisch voneinander isolierten Teilen und besitzt floatendes Potential. Somit wird ein plasmafreier Raum geschaffen, der die Reduzierung der Überschläge verhindert.

Durch diese Prozeßführung ergeben sich unterschiedliche Beschichtungszeiten mit den Elek­ troden 2 und 2′, die sonst zu Inhomogenitäten der aufgebrachten Schichten führen würden. Durch die Relativbewegung zwischen den als Target im Wechsel abstäubenden Elektroden 2; 2′ erfolgt ein Ausgleich, und es bildet sich eine Dampfwolke, die sich über dem Substrat 6 ausbreitet und eine homogene Schicht erzeugt.

In der Zerstäubungseinrichtung gem. Fig. 2, die als Chargenanlage ausgebildet ist, wird ein Kunststoffband mit SiO₂ beschichtet. In der Vakuumkammer 1 ist eine Kühlwalze 12 ange­ ordnet, über die das zu beschichtende Band 13 aus Polyester von einem Abwickel 14 zum Aufwickel 15 läuft. Unter der Kühlwalze 12 sind die rotierenden Elektroden 2; 2′ aus Si in einer Ebene angeordnet. In den Elektroden 2; 2′ ist feststehend je ein Magnetsystem 3; 3′. Über den regelbaren Gaseinlaß 7 wird das Prozeßgas ArO₂ eingebracht. Die Einrichtung ar­ beitet mit Wechselstrom im bipolaren Betrieb, den ein Sinusgenerator 16 erzeugt. Die beiden Elektroden sind aus Si und werden - wie in Fig. 1 beschrieben - wechselweise durch die Schalteinheit 8 an Katoden- und Anodenpotential gelegt. Der Sinusgenerator 16 arbeitet mit einer Frequenz von 100 kHz und hat eine Leistung von 50 kW, wobei der Vollwert je Elek­ trode 2; 2′ mit 25 kW vorgegeben wird. In bekannter Weise bewirkt eine Steuereinheit 17 durch Verarbeitung der Meßwerte und einer Sollwertvorgabe, daß ggf. Impulse einer Halb­ welle einer Polung ausgeblendet werden und die Taktfrequenz einer Halbwelle ein Fortschal­ ten bewirkt.

Claims (19)

1. Zerstäubungseinrichtung zum Beschichten von Substraten nach dem Magnetronprin­ zip durch eine Niederdruck-Glimmentladung, bestehend aus einer evakuierbaren Be­ schichtungskammer, in welche mindestens zwei Zerstäubungsquellen, die jeweils aus einer Elektrode und einem sich relativ zu der Elektrode bewegenden Magnetsystem mit zugehörigen Polschuhen bestehen, und Mitteln zur Bewegung der zu beschichtenden Substrate durch den Zerstäubungsbereich, einer steuerbaren Stromversorgung, einer Evakuierungseinrichtung, einem Gaseinlaß und Antriebsmitteln für die Relativbewe­ gung von Elektroden und Magnetsystem, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektro­ den (2) rohrförmig ausgebildet und um ihre Längsachse drehbar angeordnet sind, daß in jeder Elektrode (2) ein Magnetsystem (3) angeordnet ist, daß die Stromversor­ gungseinrichtung (15) die Elektroden (2) im Wechsel als zerstäubende Katode und Anode schaltet und dabei vor dem Umschlagen der Glimmentladung in eine Bogenent­ ladung den Beschichtungsprozeß durch eine Regenerierungsphase unterbricht, und daß die zu beschichtenden Substrate (6) an den Elektroden (2) sich im gleichen Ab­ stand vorbeiführend angeordnet sind.

2. Zerstäubungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Elektroden (2; 2′) eine Streufeldblende (11) zur Abschirmung der Elektroden (2; 2′) isoliert angeordnet ist, daß diese aus zwei voneinander isolierten Teilen besteht und zwischen den Teilen ein plasmafreier Raum entstanden ist.

3. Zerstäubungseinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgung (15) eine Wechselstromquelle ist.

4. Zerstäubungseinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgung (9) eine umschaltbare Gleichstromquelle ist.

5. Zerstäubungseinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetsystem (3) in der Elektrode (2) feststehend ange­ ordnet ist und die Elektrode (2) um das Magnetsystem (3) mit konstanter Geschwin­ digkeit rotiert.

6. Zerstäubungseinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetsystem (3) jeder Elektrode (2) aus mehreren Magne­ ten besteht, die in Längsrichtung der Elektrode (2) in einer Reihe aneinander angeord­ net sind und jeweils getrennte und/oder gemeinsame Polschuhe besitzen.

7. Zerstäubungseinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Polwechsel der Elektroden (2) um mindestens den Faktor 100 höher als die Drehzahl der Elektroden (2) eingestellt ist.

8. Zerstäubungseinrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete des Magnetsystems (3) Elektro- und/oder Permanentmagnete sind.

9. Zerstäubungseinrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Polschuhen des Magnetsystems (3) und der Elektrode (2) varia­ bel ist.

10. Zerstäubungseinrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (2) aus gleichem oder unterschiedlichem Material sind.

11. Zerstäubungseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Elektroden (2) das zu zerstäubende Material auf der Abstäubungsseite aufgebracht ist.

12. Zerstäubungseinrichtung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (2) gekühlt sind.

13. Zerstäubungseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in den Elektroden (2) Kühlkanäle zum Durchlauf von Kühlwasser eingebracht sind.

14. Zerstäubungseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Elek­ troden (2) doppelwandig ausgebildet sind und durch den Zwischenraum Kühlwasser fließt.

15. Zerstäubungseinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Elektrode (2) zwei Magnetsysteme (3) sich gegenüber­ liegend angeordnet sind und die zu beschichtenden Substrate (6) auf zwei sich gegen­ überliegenden Seiten an den Elektroden (2) bewegbar angeordnet sind.

16. Zerstäubungseinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Beschichtung flexibler, insbesondere bandförmiger Substrate (13) über den Elektroden (2) eine Kühlwalze (12) so angeordnet ist, daß der Abstand zwischen jeder Elektrode (2) und der Kühlwalze (12) im Zerstäubungsbereich gleich ist.

17. Zerstäubungseinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zur reaktiven Beschichtung der Substrate (6) die Gaszuführun­ gen (7) in der Zerstäubungszone in Substratnähe endend und regelbar angeordnet sind.

18. Zerstäubungseinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Gas­ zuführung (7) in mehrere Bereiche aufgeteilt ist und diese Bereiche getrennt regelbar sind.

19. Zerstäubungseinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß um jede Elektrode (2) eine Dunkelfeldabschirmung (4), die floa­ tendes Potential besitzt, angeordnet ist.