DE19612344C1 - Einrichtung zur plasmaaktivierten Hochratebedampfung - Google Patents
Einrichtung zur plasmaaktivierten HochratebedampfungInfo
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- C23C14/32—Vacuum evaporation by explosion; by evaporation and subsequent ionisation of the vapours, e.g. ion-plating
Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur plasmaaktivierten Hochratebedampfung durch
Erzeugung dichter Plasmen mittels Niedervoltbogenentladung, vorzugsweise Hohlkatoden
bogenentladung. Mit der Einrichtung werden reaktive und nichtreaktive Hochratebedamp
fungsprozesse durch Verdampfung elektrisch leitfähiger Materialien ausgeführt. Die Einrich
tung ist zum Bedampfen großer Flächen aus elektrisch leitendem und nichtleitendem Mate
rial mit elektrisch leitfähigen und isolierenden Schichten geeignet. Typische Anwendungen
sind das Beschichten von Kunststoffolien mit abriebfesten Schichten oder mit Barriereschich
ten für Verpackungszwecke. Die Einrichtung ist in ähnlicher Weise auch für die Erzielung
hoher Ätzraten bei Plasma-Ätzprozessen einsetzbar.
Es ist allgemein bekannt, daß die Verwendung von plasmaaktivierten und ionisierten Mate
rialdämpfen bei der Beschichtung von Substraten aus der Dampfphase eine deutliche Ver
besserung vieler Schichteigenschaften mit sich bringt. Die Haftfestigkeit auf dem Substrat
wird verbessert, die Schichten wachsen mit größerer Materialdichte auf und die Struktur der
aufwachsenden Schicht geht von der stengeligen Struktur zu zunehmend feineren bis hin zu
stengelfreien und dichten Strukturen über. Damit können verbesserte optische, mechanische
und elektrische Eigenschaften sowie bessere Barriereeigenschaften erzielt werden. Für die
Bedampfung mit hohen Raten sind entsprechend hohe Plasmadichten erforderlich.
Es sind Einrichtungen bekannt, mit denen im Niederdruckbereich zwischen 10-2 Pa und 1 Pa
sehr dichte Plasmen mit einer Hohlkatodenbogenentladung oder einer anderen Niedervolt
bogenentladung erzeugt werden (DE 42 35 199; EP 0 545 863). Dabei sind die als Katoden
wirkenden Niedervoltelektronenquellen und die zugehörigen Anoden horizontal gegenüber
liegend oberhalb des Verdampfertiegels, vorzugsweise direkt unterhalb des Substrates, an
geordnet. Zur horizontalen Führung der niederenergetischen Elektronen der Plasmaentla
dung zwischen Katoden und Anoden ist ein im wesentlichen horizontales Magnetfeld vorge
sehen. Mit Hilfe dieser Einrichtungen wird eine relativ hohe Plasmadichte direkt unterhalb
des Substrates erzeugt, so daß eine Anregung von Dampf und Reaktivgas erfolgt und durch
das Selbstbiaspotential Ionen aus dem Plasma auf das Substrat beschleunigt werden. Der
Nachteil dieser Einrichtungen ist, daß die so hergestellten Schichten, insbesondere bei hohen
Bedampfungsraten und großen Schichtdicken eine stengelförmige Struktur mit unzureichen
der Packungsdichte aufweisen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß bei reaktiven Be
dampfungsprozessen zum Abscheiden elektrisch isolierender Schichten besondere Maßnah
men erforderlich sind, um das Abscheiden isolierender Schichten auf den Anoden zu ver
meiden. Dazu übliche Maßnahmen, wie Heizen, Gasspülen und Abschirmen der Anoden
sind sehr aufwendig, nur begrenzt funktionssicher und nur relativ kurze Zeit wirksam.
Zur Vermeidung dieser Nachteile ist es bekannt, daß das elektrisch leitfähige Verdampfungs
gut Anode einer Niedervoltbogenentladung ist (CH 645 137). In diesen Einrichtungen sind
somit keine besonderen Maßnahmen zur Verhinderung des Abscheidens isolierender Schich
ten auf der Anode erforderlich. Der Nachteil dieser Einrichtungen besteht aber darin, daß
aufgrund der relativ großen Entfernung zwischen Anode und Substrat nur eine geringe
Plasmadichte an der Substratoberfläche erreicht wird. Damit ergibt sich insbesondere beim
Abscheiden isolierender Schichten bzw. Bedampfen isolierender Substrate ein geringes
Selbstbiaspotential und somit ein geringer Ionenbeschuß der aufwachsenden Schicht, so daß
es auch mit dieser Einrichtung nicht möglich ist, dicke Schichten mit hoher Packungsdichte
bei Bedampfungsraten von mehr als 10 nm/s abzuscheiden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur plasmaaktivierten Hochratebedampfung
zu schaffen, mit der auch bei Bedampfungsraten in der Größenordnung von 100 nm/s so
wohl auf elektrisch leitfähigen als auch auf elektrisch isolierenden Substraten elektrisch leit
fähige oder isolierende Schichten mit hoher Packungsdichte ohne Stengelstruktur abge
schieden werden. Es sollen keine besonderen Maßnahmen gegen das Abscheiden isolieren
der Schichten auf der Anode erforderlich sein.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 14 beschrieben.
Der wesentliche Vorteil besteht darin, daß mit der erfindungsgemäßen Einrichtung in einem
Plasma ein elektrisches Feld erzeugt wird, mit welchem es möglich ist, Ionen aus dem Inne
ren des Plasmas in Richtung auf das Substrat zu beschleunigen. Dadurch wird sowohl die
Ionenstromdichte auf das Substrat als auch die mittlere Energie der auftreffenden Ionen we
sentlich erhöht und es lassen sich bei hohen Bedampfungsraten amorphe Schichten mit ho
her Packungsdichte erzeugen.
Gemäß der erfindungsgemäßen Einrichtung ist zwischen einem Verdampfertiegel und einem
darüber bewegten Substrat ein horizontales magnetisches Feld mit einer Feldlinienrichtung
parallel zur Substratebene derart angeordnet, daß es den gesamten Raum zwischen Sub
stratebene und Verdampfertiegel ausfüllt. Eine oder mehrere Niedervoltelektronenquellen
sind seitlich außerhalb der Bedampfungszone und knapp unterhalb der Substratebene an
geordnet. Der Einschuß der niederenergetischen Elektronen erfolgt annähernd parallel zur
Richtung der magnetischen Feldlinien. Dabei werden die mit einer Anfangsenergie aus der
Niedervoltelektronenquelle austretenden Elektronen in engen Schraubenbahnen um die sich
an die Niedervoltelektronenquelle anschließenden magnetischen Feldlinien herumgeführt.
Obwohl die Anode gegenüber diesen magnetischen Feldlinien in Richtung zum Verdampfer
tiegel versetzt angeordnet ist, müssen die niederenergetischen Elektronen zunächst dem
Verlauf der magnetischen Feldlinien folgen. Dadurch wird der Weg der Elektronen im Dampf
und im Reaktivgas verlängert, die Stoßwahrscheinlichkeit mit den Neutralteilchen erhöht sich
und es entsteht unmittelbar unter dem Substrat über die gesamte Bedampfungszone ein
hochdichtes Plasma. Die niederenergetischen Elektronen verlieren durch die unelastischen
Stoßprozesse den größten Teil ihrer Bewegungsenergie. Erst die nahezu energielosen nie
derenergetischen Elektronen werden nunmehr in vertikaler Richtung zur Anode hin be
schleunigt und müssen dabei einen Weg senkrecht zu den magnetischen Feldlinien zurück
legen. Die vom magnetischen Feld auf die niederenergetischen Elektronen ausgeübten Kräf
te verhindern die direkte Bewegung hin zur Anode. Nur über Zykloidenbahnen und weitere
Stoßprozesse können die niederenergetischen Elektronen zur Anode gelangen. Dadurch
reduziert sich die mittlere Driftgeschwindigkeit der niederenergetischen Elektronen drastisch.
Demzufolge baut sich im Plasma zwischen dem Substrat und der Anode ein vertikales elektri
sches Feld auf. Die Feldstärke dieses vertikalen elektrischen Feldes beträgt ein Vielfaches des
elektrischen Feldes in der positiven Plasmasäule eines vergleichbaren Plasmas ohne magneti
sches Feld oder eines Plasmas mit einem magnetischen Feld, dessen magnetische Feldlinien
parallel zur Plasmaentladungsstrecke verlaufen.
Das vertikale elektrische Feld steht senkrecht zu den magnetischen Feldlinien und ist so ge
richtet, daß die im Bereich des vertikalen elektrischen Feldes befindlichen Ionen zum Substrat
hin beschleunigt werden. Dadurch tritt ein beträchtlicher Anteil der Ionen in die Plasma
grenzschicht zum Substrat bereits mit höherer Energie ein. Die Ionenenergie der auf das
Substrat auftreffenden Teilchen ist somit vor allem bei der Bedampfung mit elektrisch isolie
renden Schichten nicht mehr allein durch die Selbstbiasspannung an der Plasmagrenzschicht
zum Substrat bestimmt, sondern erhöht sich um den Betrag der Energie, die die Ionen im
Bereich des auf das Substrat gerichteten elektrischen Feldes bereits aufgenommen haben.
Außerdem wird durch die gerichtete Ionenbewegung zum Substrat bei gleicher Plasmadichte
eine Ionenstromdichteerhöhung bis zum 4fachen des Wertes erreicht, der ohne die erfin
dungsgemäße Einrichtung möglich ist.
Weiterhin erhalten auch die Neutralteilchen infolge von Stoßprozessen mit den gerichteten
Ionen Impulse mit einer zum Substrat gerichteten Geschwindigkeitskomponente, so daß sich
auch die Dampfausnutzung auf den 2- bis 3fachen Wert erhöht.
Durch die erhöhte Ionenstromdichte und die erhöhten Ionenenergien lassen sich Schichten
mit hoher Packungsdichte und ohne Stengelstruktur auch auf kalten Substraten herstellen.
Diese dichten Schichtstrukturen werden auch bei sehr hohen Bedampfungsraten im Ratebe
reich von einigen 100 nm/s auf großen Substratflächen erreicht.
Ein großer Vorteil ist es, daß sich bei Verwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung die
thermische Belastung des Substrates - verglichen mit der Plasmaaktivierung ohne das vertika
le elektrische Feld - stark reduziert. Dadurch ist die Einrichtung besonders geeignet zur Be
dampfung wärmeempfindlicher Substrate, wie Kunststoffolien.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung bei der Verdampfung elektrisch
leitfähiger Materialien besteht darin, daß die Anodenfunktion vom Verdampfertiegel mit
dem elektrisch leitfähigen Verdampfungsmaterial wahrgenommen wird. Außerdem kann
durch Nebeneinanderreihen von mehreren Niedervoltelektronenquellen die Einrichtung für
die Bedampfung beliebig breiter Substrate eingesetzt werden. Dabei kann ein langgestreck
ter Verdampfertiegel die Anodenfunktion für mehrere Niedervoltelektronenquellen über
nehmen oder es können mehrere Verdampfertiegel, die jeweils einer oder mehreren Nieder
voltelektronenquellen als Anode zugeordnet sind, als Anode geschaltet werden.
Die Anodenfunktion kann auch durch eine oder mehrere gesonderte, gegen den Verdamp
fertiegel elektrisch isolierte Anode übernommen werden, die dicht oberhalb der Verdamp
feroberfläche einseitig oder beidseitig neben dem Verdampfertiegel angeordnet ist. Zur Be
schichtung breiter Substrate unter Verwendung mehrerer nebeneinander angeordneter Nie
dervoltelektronenquellen können auch in dieser Ausführung entweder eine langgestreckte
oder mehrere den Niedervoltelektronenquellen zugeordnete Anoden verwendet werden. Die
Anordnung dieser gesonderten Anoden dicht oberhalb der Verdampferoberfläche ist auch
bei der Abscheidung elektrisch isolierender Schichten durch reaktive Metallverdampfung
möglich, ohne daß zusätzliche Maßnahmen zur Aufrechterhaltung der Leitfähigkeit der An
odenoberfläche getroffen werden müssen.
An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung
zeigt einen Schnitt durch eine Anlage zur plasmaaktivierten Hochratebedampfung von
Kunststoffolien mit einem Elektronenstrahl-Linienverdampfer.
Eine bandförmige Kunststoffolie, das Substrat 1, wird in bekannter Weise über eine Kühl
walze 2 bewegt. Unter der Kühlwalze 2 ist als Verdampfer 3 ein mit Aluminium gefüllter
Verdampfertiegel angeordnet, der sich über die gesamte Breite des Substrats 1 erstreckt.
Entlang der Längsseiten des Verdampfertiegels 3 sind die Polschuhe 4 einer magnetfelder
zeugenden Einrichtung 5, einer sogenannten Magnetfalle, angeordnet. Unterhalb des Ver
dampfertiegels 3 ist die Magnetspule 6 auf dem die Polschuhe 4 verbindenden Joch ange
ordnet. Die magnetischen Feldlinien 7 verlaufen zwischen den Polschuhen 4 und füllen den
gesamten Raum zwischen diesen aus. Das im wesentlichen horizontal gerichtete Magnetfeld
hat eine Feldstärke von etwa 4 kA/m. Oberhalb des einen Polschuhes 4 der magnetfelder
zeugenden Einrichtung 5 ist als Niedervoltbogenquelle 8 eine Hohlkatodenbogenquelle
angeordnet, die mit einer zugehörigen Anode 9 an eine Stromversorgung 10 angeschlossen
ist. Die Anode 9 besteht aus zwei wassergekühlten Kupferelektroden, die beidseitig dicht
oberhalb des Verdampfertiegels 1 angeordnet sind. Die Verdampfung des Aluminiums aus
dem Verdampfertiegel 3 erfolgt durch einen in einer Elektronenkanone 11 erzeugten und
linienförmig über die gesamte Länge des Verdampfertiegels 3 abgelenkten Elektronenstrahl
12. Oberhalb der Anode 9 wird durch Gaseinlaßvorrichtungen 13 Sauerstoff eingelassen,
der durch das Plasma aktiviert wird und an der Oberfläche des Substrates 1 mit dem ver
dampften Aluminium zu Aluminiumoxid reagiert. Die magnetfelderzeugende Einrichtung 5
dient gleichzeitig dazu, daß die rückgestreuten Elektronen des Elektronenstrahls 12 am di
rekten Erreichen und am unerwünschten Aufheizen des Substrates 1 gehindert werden.
Die an der Hohlkatodenbogenquelle 8 austretenden niederenergetischen Elektronen folgen
auf Schraubenbahnen dem annähernd horizontalen Verlauf der magnetischen Feldlinien
zwischen den Polschuhen 4 der magnetfelderzeugenden Einrichtung 5. Durch ein Ablenksy
stem 14 zur Erzeugung eines horizontalen magnetischen Wechselfeldes in der Nähe der Aus
trittsöffnung der Hohlkatodenbogenquelle 8 erfolgt eine horizontale Wechselablenkung
dieser niederenergetischen Elektronen, und es bildet sich im zeitlichen Mittel ein horizontaler
Plasmaschirm 15 hoher Plasmadichte und hoher Gleichmäßigkeit in Höhe der Hohlkatoden
bogenquelle 8 dicht unterhalb des Substrates 1 aus. Aus diesem horizontalen Plasmaschirm
15 werden die niederenergetischen Elektronen in vertikaler Richtung zur Hohlkatodenbo
genquelle 8 gehörenden Anode 9 gesaugt. Infolge des horizontalen magnetischen Feldes
zwischen den Polschuhen 4 können die niederenergetischen Elektronen nicht direkt, son
dern nur über Zykloidenbahnen vom Plasmaschirm 15 zu der Anode 9 gelangen. Durch die
se Wegverlängerung wird zum einen die Ionisierung von Aluminiumdampf und Sauerstoff
erheblich verstärkt. Zum anderen erhöht sich der elektrische Widerstand der Plasmaentla
dungsstrecke so, daß bei Entladungsströmen von mehreren 100 A zwischen dem Plasma
schirm 15 und der Anode 9 eine Potentialdifferenz in der Größenordnung von 10 V ent
steht. Diese Potentialdifferenz führt zu einer vertikalen Beschleunigung der zwischen Plasma
schirm 15 und Anode 9 erzeugten positiven Ionen in Richtung auf das Substrat 1 und damit
zu einer Erhöhung der Ionenenergie und der Ionenstromdichte auf das Substrat 1. Auf diese
Weise werden auf Kunststoffolien bei Beschichtungsraten bis zu mehreren 100 nm/s amor
phe, stengelfreie Aluminiumoxidschichten hoher Packungsdichte mit mehreren Mikrometern
Dicke abgeschieden.
Claims (14)
1. Einrichtung zur plasmaaktivierten Hochratebedampfung, bestehend aus mindestens
einem Verdampfer, oberhalb des Verdampfers bewegtem zu bedampfendem Substrat,
einer aus zwei Polschuhen bestehenden magnetfelderzeugenden Einrichtung zur Er
zeugung eines annähernd horizontal verlaufenden magnetischen Feldes im gesamten
Raum zwischen Verdampfer und Substrat, mindestens einer unterhalb des Substrates
angeordneten Niedervoltelektronenquelle, deren Achse annähernd parallel zu dem
horizontalen magnetischen Feld verläuft, die einen horizontalen flächenhaften Plasma
schirm bildet, mindestens einer diesen Niedervoltelektronenquellen zugeordneten An
ode und zugehörigen Stromversorgung, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode
(9) unterhalb der horizontalen Fläche, die die Niedervoltelektronenquelle (8) und die
sich anschließenden magnetischen Feldlinien (7) bilden, zum Verdampfer (3) hin ver
setzt angeordnet ist, und daß der senkrechte Abstand zwischen der horizontalen Flä
che der Niedervoltelektronenquelle (8) und der Anode (9) mindestens 50% des senk
rechten Abstandes zwischen dem Substrat (1) und der Anode (9) beträgt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Niedervoltelektro
nenquelle (8) eine Hohlkatodenbogenquelle ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe der
Austrittsöffnung der Niedervoltelektronenquelle (8) ein Ablenksystem (14) zur horizon
talen Wechselablenkung der niederenergetischen Elektronen mit einer Ablenkfrequenz
im Bereich von 50 Hz bis 1000 Hz angeordnet ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer
(3) ein mit Elektronenstrahlen beheizter wassergekühlter Kupfertiegel oder wärmeiso
lierter Keramiktiegel ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer
(3) ein durch Stromdurchgang geheiztes Verdampferschiffchen mit Drahtnachfüt
tereinrichtung ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer
(3) ein induktiv beheizter Verdampfertiegel aus einem elektrisch leitfähigen Material,
insbesondere Graphit, ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer
(3) ein Elektronenstrahl-Linienverdampfer ist und daß die magnetfelderzeugende Ein
richtung (5) eine Magnetfalle ist, die den Verdampfer (3) an den Längsseiten durch ih
re Polschuhe (4) umgibt.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das von der magnet
felderzeugenden Einrichtung (5) erzeugte horizontale Magnetfeld eine magnetische
Feldstärke zwischen 0,5 kA/m und 10 kA/m besitzt.
9. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (9) aus
mehreren elektrisch miteinander verbundenen Elektroden besteht, die neben dem
Verdampfer (3) in der Ebene der Verdampferoberfläche oder dicht darüber auf minde
stens einer Seite des Verdampfers (3) angeordnet sind.
10. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehreren Nieder
voltelektronenquellen (8) eine gemeinsame Anode (9) zugeordnet ist, wobei jede Nie
dervoltelektronenquelle (8) über eine eigene Stromversorgung (10) mit der Anode (9)
elektrisch verbunden ist.
11. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß einer Niedervolte
lektronenquelle (8) mehrere Anoden (9) zugeordnet sind, wobei jede Anode (9) über
eine eigene Stromversorgung (10) mit der Niedervoltelektronenquelle (8) elektrisch
verbunden ist.
12. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Anode (9) ein
oder mehrere elektrisch miteinander verbundene Verdampfer (3) oder das darin ange
ordnete Verdampfungsgut geschaltet sind.
13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei Polung des Ver
dampfungsgutes als Anode (9) eine zusätzliche Gaseinlaßvorrichtung (13) an einer Sei
te des Verdampfers (3) unmittelbar oberhalb der Verdampferoberfläche angeordnet
ist.
14. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß für die reaktive
Verdampfung von elektrisch leitendem Material oberhalb der Anode (9) mindestens
eine Gaseinlaßvorrichtung (13) angeordnet ist, deren Gasaustrittsöffnungen vorzugs
weise in Richtung auf das Substrat (1) gerichtet sind.
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DE1996112344 DE19612344C1 (de) | 1996-03-28 | 1996-03-28 | Einrichtung zur plasmaaktivierten Hochratebedampfung |
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