DE19724996C1

DE19724996C1 - Plasma-activated electron beam vapour deposition

Info

Publication number: DE19724996C1
Application number: DE19724996A
Authority: DE
Inventors: Bert Scheffel; Klaus Goedicke; Christoph Metzner; Jens-Peter Dr Heins; Siegfried Prof Dr Schiller
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1997-06-13
Filing date: 1997-06-13
Publication date: 1998-09-03
Anticipated expiration: 2017-06-14
Also published as: WO1998058095A1

Abstract

Known methods of plasma-activated evaporation are essentially based on the introduction of a noble gas between the evaporator and the substrate being coated, the electric discharge being maintained in said noble gas. The disadvantage of this process is that noble gas particles are then integrated into the layer. This has a detrimental effect on the properties of said layer. According to the invention, the evaporant or its crucible serves as an anode. A rod-shaped electrode which serves as a cathode is moved into an area where the vapour is denser and this part of the cathode is heated. An arc discharge is ignited and maintained in the vapour. The inventive method is used to increase the adherence of the layer as well as its structure, and is particularly suitable for coating strip steel.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum plasmaaktivierten Elektronenstrahlverdampfen und die zugehörige Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Das Verfahren dient dazu, die Haftung von Schichten auf einem Substrat zu erhöhen und die Struktur und Dichte der Schicht zu verbessern, um insgesamt die Schichteigenschaften vorteilhaft zu beeinflussen. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Beschichtung von Bandstahl.The invention relates to a method for plasma-activated electron beam evaporation and the associated facility for performing the procedure. The procedure serves the Adhesion of layers to a substrate and increase the structure and density of the To improve the layer in order to influence the overall layer properties advantageously. A preferred application of the invention is the coating of steel strip.

Es ist bekannt, dass beim Verdampfen von im festen oder flüssigen Zustand befindlichen Verdampfungsgut die Eigenschaften der kondensierenden Schichten von einer Vielzahl von Parametern, insbesondere der Substrattemperatur, der Energie der Dampfteilchen, der Wachstumsgeschwindigkeit der kondensierenden Schicht, dem Druck in der Beschichtungskammer usw. abhängen. Außerdem ist vielfach nachgewiesen worden, dass das Schichtwachstum durch die Einwirkung eines Plasmas während des Beschichtungsprozesses erheblich beeinflusst werden kann. Im Plasma wird das Substrat einem Beschuss mit Ionen ausgesetzt. Die Schichtstruktur, die Haftung der Schicht auf dem Substrat, die Dichte der Schicht und eine Vielzahl der damit verbundenen Schichteigenschaften hängen von der Intensität der Plasmaeinwirkung ab.It is known that when evaporating from solid or liquid state Evaporating the properties of the condensing layers of a variety of Parameters, in particular the substrate temperature, the energy of the vapor particles, the Growth rate of the condensing layer, the pressure in the Depending on the coating chamber etc. It has also been proven many times that the layer growth by the action of a plasma during the Coating process can be significantly influenced. The substrate is in the plasma exposed to ion bombardment. The layer structure, the adhesion of the layer on the Substrate, the density of the layer and a variety of related Layer properties depend on the intensity of the plasma exposure.

Einige der bekannten Verfahren zur plasmaaktivierten Bedampfung beruhen darauf, dass im Raum zwischen dem Verdampfer und dem zu beschichtenden Substrat ein Edelgas, meistens Argon, eingelassen wird, in dem eine elektrische Entladung zur Erzeugung des Plasmas aufrechterhalten wird. Eine übliche Art der plasmaaktivierten Bedampfung ist die Niedervoltbogen-Verdampfung (DE 28 23 876 A1). In einer von der Bedampfungskammer getrennten, druckentkoppelten Kammer wird eine Bogenentladung gezündet. In diese separate Kammer wird ein Edelgas bis zu einem Druck von mehr als 1 Pa eingelassen. Das Plasma wird durch eine Druckentkopplungsblende in die Beschichtungskammer und auf das Verdampfungsgut gerichtet und zur Beheizung des Verdampfungsguts sowie zur Ionisierung des Dampfes benutzt.Some of the known methods for plasma-activated vapor deposition are based on the fact that Space between the evaporator and the substrate to be coated is a rare gas, mostly Argon is admitted in which an electrical discharge to generate the plasma is maintained. A common type of plasma activated vapor deposition is Low-voltage arc evaporation (DE 28 23 876 A1). In one of the vaporization chambers An arc discharge is ignited in a separate, pressure-decoupled chamber. In these In a separate chamber, an inert gas is admitted up to a pressure of more than 1 Pa. The Plasma is introduced through a pressure decoupling orifice into the coating chamber and onto the Evaporating material directed and for heating the evaporating material and for ionization of steam used.

Es ist auch bekannt, die plasmaaktivierte Bedampfung mit einer Hohlkatodenbogenentladung durchzuführen (US-P 3,562,141). Es wird eine beheizte Katode verwendet, die hohlzylinderförmig ausgeführt ist. Im Inneren dieser Hohlkatode wird ein Edelgas eingeleitet und ein relativ hoher Gasdruck gegenüber dem Druck in der Beschichtungskammer erreicht. Das entstehende Plasma wird ebenfalls in die Beschichtungskammer und auf das Verdampfungsgut gerichtet und zur Beheizung des Verdampfungsguts sowie zur Ionisierung des Dampfes benutzt.It is also known to use a plasma-activated vapor deposition Hollow cathode arc discharge to perform (US-P 3,562,141). It will be a heated one Cathode used, which is designed as a hollow cylinder. Inside this hollow cathode an inert gas is introduced and a relatively high gas pressure compared to the pressure in the Coating chamber reached. The resulting plasma is also in the Coating chamber and directed to the evaporation material and for heating the Evaporation and used to ionize the steam.

Der Nachteil der beiden Verfahren mit Bogenentladungen in einer Edelgasatmosphäre besteht darin, dass das Substrat nicht nur von neutralen Dampfteilchen, ionisierten bzw. angeregten Dampfteilchen oder Teilchen eines zusätzlich eingelassenen Reaktivgases getroffen wird, sondern auch von Edelgas-Ionen und -Atomen, die beim Aufprall auf das Substrat einen Teil ihrer Energie abgeben und zu einem geringen Anteil mit in die Schicht eingebaut werden können. In die Schicht eingebaute Edelgasteilchen verschlechtern meistens die Schichteigenschaften und sind unerwünscht. Außerdem wird durch den Einlass eines Edelgases in die Beschichtungskammer der Druck in derselben erhöht. Es kommt dadurch zu zusätzlichen Stößen und Streuprozessen, an denen Dampfteilchen beteiligt sind. Mit solchen Stoßprozessen sind unerwünschte Energieverluste der Dampfteilchen verbunden. Die geheizten Katoden, die bei diesen Verfahren verwendet werden, unterliegen einem Verschleiß, der durch Verdampfung und Ionenzerstäubung hervorgerufen wird. Sie müssen nach einigen Betriebsstunden ausgewechselt werden. Es sind auch keine geeigneten Lösungen zur Verbesserung der Gebrauchsdauer der Katoden bekannt. Außerdem werden bei diesen Verfahren nur kleine Tiegel verwendet, und es sind keine geeigneten Lösungen zur Verdampfung aus großen Tiegeln, d. h. für große Beschichtungsbreiten bekannt.The disadvantage of the two processes with arc discharges in an inert gas atmosphere consists in the fact that the substrate is not only made up of neutral vapor particles, ionized or excited vapor particles or particles of an additional reactive gas let in is hit, but also by noble gas ions and atoms, which impact on the Submit part of their energy to the substrate and to a small extent into the layer can be installed. Degraded noble gas particles in the layer mostly the layer properties and are undesirable. It also goes through the inlet a noble gas into the coating chamber the pressure in the same increases. It is coming This leads to additional impacts and scattering processes in which steam particles are involved. With such collision processes there are undesirable energy losses of the vapor particles connected. The heated cathodes used in these processes are subject to wear caused by evaporation and sputtering. she must be replaced after a few hours of operation. They are also not suitable Solutions for improving the service life of the cathodes are known. Also be only small crucibles are used in these processes and they are not suitable solutions for evaporation from large crucibles, d. H. known for large coating widths.

Es ist weiterhin bekannt, zur plasmaaktivierten Bedampfung auf den Einlass eines Edelgases zu verzichten und auf das Substrat dadurch ausschließlich Metalldampf-Neutralteilchen, -Ionen bzw. Reaktivgasteilchen aufzubringen. Dazu gehören insbesondere die verschiedenen Verfahren zur Vakuumbogenverdampfung (US 3,783,231; US 3,625,848). Das Verdampfungsgut ist als Katode geschaltet und im katodischen Fußpunkt des Bogens auf dem Verdampfungsgut erfolgt die Verdampfung und die Ionisierung des Dampfes. Der Nachteil dieses Verfahrens ist der hohe Anteil an emittierten Spritzern ("Droplets"), die unerwünschterweise mit in die Schicht eingebaut werden. Zur Verringerung der Zahl und der Größe der Droplets sind eine Vielzahl von Verfahren zur Führung der Katodenflecken bekannt (US 4,673,477; DE 40 06 456 C1). Die Vermeidung von in die Schicht eingebauten Droplets ist mit diesen Verfahren jedoch meistens nicht zu erreichen oder geht mit einer drastischen Verringerung der Beschichtungsgeschwindigkeit einher.It is also known for plasma-activated vapor deposition on the inlet of a noble gas to dispense with and only use metal vapor neutral particles on the substrate, -Apply ions or reactive gas particles. These include in particular the different ones Process for vacuum arc evaporation (US 3,783,231; US 3,625,848). The Evaporation material is connected as a cathode and is located at the cathodic base point of the arc The vaporized material is vaporized and ionized. Of the The disadvantage of this method is the high proportion of emitted splashes ("droplets") that undesirably built into the layer. To reduce the number and the Size of the droplets are a variety of methods for guiding the cathode spots known (US 4,673,477; DE 40 06 456 C1). Avoiding built into the layer Most of the time, droplets cannot be achieved with these procedures or go with one drastic reduction in coating speed.

Außerdem ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine als Anode geschaltete Elektrode in den Beschichtungsraum gebracht wird (US 3,791,852). Thermische, vom Verdampfungsgut emittierte Elektronen, Sekundärelektronen und reflektierte Primärelektronen werden im Feld dieser Elektrode beschleunigt und erleiden Stöße mit Dampfteilchen, was zu deren Anregung und Ionisierung führt. Der Nachteil dieses Verfahrens ist es, dass nur geringe Stromstärken der Entladung erreicht werden und die Intensität des so erzeugten Plasmas sehr gering ist. Die Einflussmöglichkeiten auf das Schichtwachstum sind entsprechend begrenzt.In addition, a method is known in which an electrode connected as an anode into the Coating room is brought (US 3,791,852). Thermal, from the material to be evaporated emitted electrons, secondary electrons and reflected primary electrons are in the field This electrode accelerates and suffers impacts with steam particles, which leads to their Excitation and ionization leads. The disadvantage of this method is that it is only minor Current strengths of the discharge are reached and the intensity of the plasma generated in this way is very low. The possibilities of influencing the layer growth are corresponding limited.

Zum reaktiven Bedampfen unter Plasmaeinwirkung sind außerdem Verfahren mit unselbständigen Gasentladungen vorgeschlagen worden. Eine Übersicht zu diesen Verfahren wird in R. A. Haefer: Oberflächen- und Dünnschicht-Technologie, Band 1, Springer 1987, S. 128-131 gegeben.Methods for reactive vapor deposition under the influence of plasma are also included dependent gas discharges have been proposed. An overview of these procedures is in R. A. Haefer: Surface and Thin Film Technology, Volume 1, Springer 1987, Pp. 128-131.

Weiterhin ist es bekannt, eine haubenförmige Einrichtung mit einer als Anode geschalteten Elektrode zu verwenden (DE 42 17 450 A1; DE 36 27 151 A1). Damit kann in einem Fremdgas ein Plasma bei hohen Bedampfungsraten und in großen Verdampfertiegeln gezündet werden. Der Nachteil dieser Verfahren besteht darin, dass sie ein Trägergas erfordern und außer dem Substrat die verwendete Haube beschichtet wird, und damit insbesondere bei der Verdampfung von hochschmelzenden Materialien der Dampfausnutzungsgrad drastisch reduziert wird. Das Verfahren ist damit nicht für alle Verdampfungsmaterialien und insbesondere nicht für die plasmaaktivierte Bedampfung ohne Fremdgase geeignet.Furthermore, it is known to use a hood-shaped device with an anode connected Use electrode (DE 42 17 450 A1; DE 36 27 151 A1). It can be used in a foreign gas ignited a plasma at high evaporation rates and in large evaporator crucibles will. The disadvantage of these methods is that they require a carrier gas and in addition to the substrate, the hood used is coated, and thus in particular in the Evaporation of high-melting materials the steam utilization rate drastically is reduced. The process is not for all evaporation materials and especially not suitable for plasma-activated evaporation without foreign gases.

Es ist eine weitere Einrichtung bekannt, bei der außerhalb einer ähnlichen haubenförmigen Einrichtung eine vor Beschichtung geschützte, ringförmige Elektrode verwendet wird, die als Katode geschaltet wird (DE 42 25 352 C1). Diese Elektrode wird durch Stromdurchgang oder vom dicht vorbeigeführten Elektronenstrahl beheizt. Die Nachteile dieses Verfahrens bestehen darin, dass auch hier Fremdgas bzw. Reaktivgas benötigt wird, und dass es bei der Verwendung von großen Verdampfertiegeln schwierig ist, die Gleichmäßigkeit der Plasmaverteilung zu gewähren. Bei einem Abbrand der ringförmigen Elektrode ist keine Langzeitstabilität gewährleistet. Another device is known in which outside a similar hood-shaped Device a coating-protected, annular electrode is used, which as Is switched cathode (DE 42 25 352 C1). This electrode is through continuity or heated by the electron beam that is passing close by. The disadvantages of this procedure consist in the fact that foreign gas or reactive gas is also required here, and that it is in the Using large evaporator crucibles is difficult to ensure the uniformity of the To grant plasma distribution. If the ring-shaped electrode burns, there is none Long-term stability guaranteed.

Alle genannten Verfahren werden nicht im reinen Metalldampf betrieben. Dagegen ist ein Verfahren zur Elektronenstrahlverdampfung bekannt, bei dem zwei oder mehrere Verdampfertiegel verwendet werden und zwischen den Tiegeln eine Bogenentladung gezündet wird (DE 43 36 681 A1). Bei Verwendung geeigneter Materialien für das katodisch geschaltete Verdampfungsgut wird eine Bogenentladung mit einem diffusen katodischen Bogenansatz im Metalldampf gezündet. Es ist kein Fremdgas für den Betrieb der Bogenentladung erforderlich. Die Nachteile dieses Verfahrens sind die aufwendige Bereitstellung von mehreren Verdampfern und die schlechte Beeinflussbarkeit der Plasmaverteilung auf dem als Anode geschalteten Verdampfertiegel.All of the above processes are not carried out in pure metal vapor. Against is a Method for electron beam evaporation known in which two or more Evaporator crucibles are used and an arc discharge between the crucibles is ignited (DE 43 36 681 A1). When using suitable materials for the cathodic switched evaporation material is an arc discharge with a diffuse cathodic Arch approach ignited in metal vapor. It is not an extraneous gas for the operation of the Arc discharge required. The disadvantages of this method are the complex ones Provision of multiple evaporators and the poor ability to influence the Plasma distribution on the evaporator crucible connected as an anode.

Außerdem sind Verfahren zur anodischen Bogenverdampfung bekannt. Gemäß diesen Verfahren werden als Anode geschaltete Verdampfer verwendet (DE 34 13 891 C2 und DE 42 03 371 C1). Im Dampf des Verdampfungsguts wird eine Bogenentladung gezündet, die aufgrund ihrer relativ geringen Stromdichte auf dem Verdampfungsgut keine Emission von Spritzern verursacht. Als Gegenelektrode wird eine gekühlte, "kalte" Katode verwendet, die ähnlich den Vakuumbogenverdampfern mit Hilfsmitteln zur Zündung des Bogens ausgerüstet ist. Der Nachteil dieser Verfahren ist es, dass in den Katodenflecken auf der Oberfläche dieser Katode Dampf und Spritzer erzeugt werden, die so ausgeblendet werden müssen, dass sie nicht das Substrat erreichen. Damit ist außerdem ein zusätzlicher Energieverbrauch zur Verdampfung von Katodenmaterial, das nicht zur Schichtbildung beiträgt, verbunden. Außerdem ist dieses Verfahren nicht für die plasmaaktivierte Bedampfung großer Flächen mit hoher Beschichtungsrate geeignet, da keine geeigneten Lösungen für die anodische Plasmaerzeugung bei großen, räumlich ausgedehnten Verdampfern bekannt sind.Methods for anodic arc evaporation are also known. According to these Processes are used as an anode-connected evaporators (DE 34 13 891 C2 and DE 42 03 371 C1). An arc discharge is ignited in the vapor of the vaporized material due to their relatively low current density on the material to be evaporated, no emission of Splashes caused. A cooled, "cold" cathode is used as the counter electrode Similar to the vacuum arc evaporators with tools for igniting the arc is equipped. The disadvantage of this method is that in the cathode spots on the Surface of this cathode steam and splashes are generated, which are so hidden must not reach the substrate. This is also an additional one Energy consumption for the evaporation of cathode material that does not form layers contributes, connected. In addition, this method is not for the plasma activated Vaporization of large areas with a high coating rate is suitable, since no suitable ones Solutions for anodic plasma generation for large, spatially extended Evaporators are known.

Aus der JP 4-99265 (A) sind schließlich ein Verfahren und eine Vorrichtung zur chemischen Dampfphasenabscheidung bei hoher Geschwindigkeit bekannt, wobei durch Elektronenstrahlen verdampftes Material unter Einwirkung eines Reaktivgases auf ein Substrat abgeschieden wird. Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass zusätzlich Reaktivgas in den Reaktionsraum eingespeist werden muß.Finally, JP 4-99265 (A) describes a method and an apparatus for chemical Vapor phase deposition at high speed is known, whereby by Electron beams vaporized material under the action of a reactive gas Substrate is deposited. The disadvantage of this solution is that additional reactive gas in the reaction space must be fed.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur plasmaaktivierten Bedampfung von vorzugsweise großen Flächen mit hoher Beschichtungsrate und die zugehörige Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen. Die Nachteile der bekannten Verfahren sollen weitgehend vermieden werden. Der Beschichtungsprozeß und die Plasmaaktivierung sollen unter Produktionsbedingungen über einen langen Zeitraum einfach und zuverlässig durchführbar sein. Der Prozess soll vorzugsweise im reinen Dampf des Verdampfungsguts ohne Einlass eines Arbeits- oder Reaktivgases betreibbar sein. The invention is based on the object of a method for plasma-activated vapor deposition of preferably large areas with a high coating rate and the associated To create facility to carry out this procedure. The disadvantages of the known Procedures should be largely avoided. The coating process and the Plasma activation is said to be easy under production conditions over a long period of time and can be carried out reliably. The process should preferably be in the pure steam of the Evaporating material can be operated without inlet of a working or reactive gas.

Die Aufgabe wird nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 8 beschrieben. Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens und deren Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 9 bis 15 beschrieben.The object is achieved according to the features of claim 1. More beneficial Refinements are described in claims 2 to 8. The facility for Implementation of the method and its configurations are in claims 9 to 15 described.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, dass eine Bogenentladung zwischen einer stark verdampfenden Anode und einer vernachlässigbar wenig verdampfenden Katode, die sich in der Zone hoher Dampfdichte des Anodenmaterials befindet, betrieben wird. Es wurde gefunden, daß im Falle der Elektronenstrahlverdampfung in unmittelbarer Nähe des Auftrefforts des Elektronenstrahls eine so große Dampfdichte erzeugt werden kann, daß eine Bogenentladung mit einer Stromstärke von mehreren hundert Ampere zwischen dem Verdampfungsgut und einer heißen, als Katode geschalteten Elektrode betrieben werden kann.The solution according to the invention is that an arc discharge between a strong evaporating anode and a negligible evaporating cathode, which is in the zone of high vapor density of the anode material is operated. It was found that in the case of electron beam evaporation in the immediate vicinity of the When the electron beam strikes, such a high vapor density can be generated that an arc discharge with a current of several hundred amperes between the Evaporation material and a hot electrode connected as a cathode are operated can.

Das Verfahren nutzt die bekannte Elektronenstrahlverdampfung zur Verdampfung von Metallen. In einer Elektronenkanone wird ein Elektronenstrahl erzeugt und in die evakuierte Bedampfungskammer geführt. In einem Magnetfeld wird der Elektronenstrahl auf das Verdampfungsgut gelenkt. Das Verdampfungsgut kann flüssig sein und befindet sich in einem Tiegel. Es können auch Materialien verdampft werden, die sublimieren, d. h. vom festen Zustand direkt in die Dampfphase überführt werden. Der Elektronenstrahl erzeugt an seinem Auftreffort auf das Verdampfungsgut eine sehr hohe Leistungsdichte und eine vom Material und der sich einstellenden Oberflächentemperatur abhängige Verdampfungsgeschwindigkeit. Durch eine schnelle Ablenkung des Elektronenstrahls über die Oberfläche des Verdampfungsguts kann die mittlere Leistungsdichte auf dem Verdampfungsgut verringert und eine definierte Leistungsdichteverteilung eingestellt werden. Der Dampf entsteht bevorzugt auf den mit hoher Leistungsdichte beheizten Oberflächenbereichen und breitet sich in der Bedampfungskammer aus. In der Nähe der verdampfenden Oberfläche tritt die maximale Dampfdichte (Teilchendichte) auf. Mit zunehmendem Abstand von der verdampfenden Oberfläche verringert sich die Dampfdichte. Es entsteht ein Dampfdichtegefälle.The method uses the known electron beam evaporation to evaporate Metals. An electron beam is generated in an electron gun and into the evacuated one Steaming chamber led. In a magnetic field, the electron beam is directed onto the Evaporation controlled. The material to be evaporated can be liquid and is located in a crucible. Materials that sublimate can also be evaporated. H. from solid state can be transferred directly to the vapor phase. The electron beam creates on its impact on the material to be evaporated has a very high power density and one of Material and the resulting surface temperature dependent Evaporation rate. By quickly deflecting the electron beam over the surface of the material to be evaporated can show the average power density on the Evaporation material reduced and a defined power density distribution set will. The steam is preferably generated on the heated with high power density Surface areas and spreads in the vapor deposition chamber. Near the evaporating surface, the maximum vapor density (particle density) occurs. With As the distance from the evaporating surface increases, the vapor density decreases. A vapor density gradient arises.

Die erfindungsgemäße Einrichtung besitzt neben den bekannten funktionell erforderlichen Baugruppen eine stabförmige Elektrode, die mit einem Ende in den Bereich hoher Dampfdichte ragt. Diese Elektrode besteht entweder aus einem hochschmelzenden Material, vorzugsweise Wolfram, oder aus einem verdampfbaren Material, z. B. Chrom, das als Legierungsbestandteil oder Dotierungsmaterial in der aufzudampfenden Schicht erwünscht ist. Ein Teil der Elektrode ist an ihrem Ende durch die Wirkung verschiedener Mittel beheizbar.In addition to the known functionally required, the device according to the invention has Assemblies a rod-shaped electrode that has one end in the higher area Vapor density protrudes. This electrode is made of either a high-melting material, preferably tungsten, or of an evaporable material, e.g. B. chrome that as Alloy component or doping material in the layer to be evaporated is desired is. Part of the electrode is at its end due to the action of various means heatable.

Die Beheizung erfolgt beispielsweise durch den primären Elektronenstrahl und dessen sekundäre Wirkungen, durch von der Oberfläche des Verdampfungsguts rückgestreute Elektronen oder Sekundärelektronen oder durch elektromagnetische Strahlung von der Oberfläche des Verdampfungsguts und Kondensationswärme durch kondensierenden Dampf.Heating is carried out, for example, by the primary electron beam and its secondary effects, caused by backscattering from the surface of the material to be evaporated Electrons or secondary electrons or by electromagnetic radiation from the Surface of the material to be evaporated and heat of condensation due to condensing Steam.

Die Temperatur dieser Bereiche der Elektrode kann durch die Lage der Elektrode gegenüber der Bahn des Elektronenstrahls und der dampfenden Oberfläche verändert werden. Ist die Temperatur ausreichend hoch, kann der Dampf nicht mehr auf der Elektrode kondensieren. Das andere Ende der Elektrode befindet sich außerhalb des Bereiches hoher Dampfdichte oder ist von diesem ausreichend abgeschirmt. Es ist mit einer elektrischen Zuführung verbunden und kann auch zusätzlich gekühlt werden.The temperature of these areas of the electrode can be compared to the position of the electrode the path of the electron beam and the steaming surface are changed. Is the If the temperature is high enough, the steam can no longer condense on the electrode. The other end of the electrode is outside the high vapor density range or is adequately shielded from it. It is with an electrical feed connected and can also be cooled.

An die Elektrode wird eine negative Spannung (ca. 5-100 V) gelegt. Der positive Pol wird mit dem elektrisch leitfähigen Verdampfungsgut bzw. dem Verdampfertiegel verbunden. Es zündet eine Bogenentladung zwischen der Elektrode und dem Verdampfungsgut. Die Bogenentladung brennt im Dampf des Verdampfungsguts, ohne dass ein separates Arbeitsgas eingelassen werden muss. Daraus resultieren besondere Vorzüge des Verfahrens hinsichtlich der Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten.A negative voltage (approx. 5-100 V) is applied to the electrode. The positive pole is with the electrically conductive material to be evaporated or the evaporator crucible. It ignites an arc discharge between the electrode and the material to be evaporated. The Arc discharge burns in the vapor of the vaporized material without a separate one Working gas must be let in. This results in special advantages of the process regarding the properties of the deposited layers.

Je nach Lage der Elektrode können Stromstärken bis zu einigen hundert Ampere eingestellt werden. Ein intensiv leuchtendes Plasma ist zu beobachten. Ist die Temperatur des beheizten Bereiches der Elektrode ausreichend hoch, bildet sich der Bogenansatz auf der Elektrode diffus aus. In diesem Arbeitsbereich kann die Bogenentladung stabil betrieben werden. Ist die Temperatur zu gering, können unerwünschte Kaltkatodenbögen auf der Elektrode zünden, die nicht stabil sind und die Elektrode zusätzlich erodieren. Depending on the position of the electrode, currents of up to a few hundred amperes can be set will. An intensely luminous plasma can be observed. Is the temperature of the heated Area of the electrode is sufficiently high, the arch attachment forms on the electrode diffuse. The arc discharge can be operated stably in this work area. Is If the temperature is too low, unwanted cold cathode arcs can appear on the electrode ignite which are not stable and additionally erode the electrode.

Nachdem die Bogenentladung gezündet hat, wird die Elektrode zusätzlich beheizt, insbesondere durch aus dem Plasma auf die Elektrode gelangende Ionen, durch Plasmastrahlung und durch den Stromdurchgang durch die Elektrode.After the arc discharge has ignited, the electrode is additionally heated, in particular by ions coming from the plasma onto the electrode Plasma radiation and the passage of current through the electrode.

Es konnte festgestellt werden, dass die Elektrode langsam, aber nicht vernachlässigbar stark verdampft. Deshalb wird die Elektrode beweglich ausgeführt. Entsprechend der Verdampfungsgeschwindigkeit an ihrem Ende wird die Elektrode mechanisch nachgeführt, so dass die geometrischen Verhältnisse im Bereich der Bogenentladung zum Ende der Elektrode nahezu konstant bleiben. Das hat den Vorteil, dass das Verfahren über eine lange Zeit ohne Unterbrechung betrieben werden kann. Außerdem wird diese bewegliche Elektrode zum Zünden der Bogenentladung benutzt. Die Elektrode wird dabei so weit in die Dampfzone geführt, bis die Entladung zündet und daraufhin in einen Bereich optimaler Bogenparameter und minimalen Abbrands bewegt.It was found that the electrode was slow, but not negligible evaporates. The electrode is therefore designed to be movable. According to the Evaporation rate at its end, the electrode is mechanically adjusted, so that the geometric relationships in the area of the arc discharge towards the end of the Electrode remain almost constant. This has the advantage that the process takes a long time Time can be operated without interruption. It also becomes flexible Electrode used to ignite the arc discharge. The electrode is so far in the Steam zone led until the discharge ignites and then into an area more optimal Arc parameters and minimal burns moved.

Es wurde gefunden, daß für die Ionisierung des Dampfes optimale Bogenparameter existieren. Diese sind von der Lage des Endes der Elektrode gegenüber dem Elektronenstrahl und den abdampfenden Oberflächenbereichen abhängig. Die Bogenstromstärke wird durch eine regelbare Stromquelle konstant gehalten. Die Elektrode wird über einen Regelkreis vorteilhaft so nachgeführt, daß auch die Entladungsspannung konstant bleibt. Das hat den Vorteil, dass eine Verkürzung durch Abbrand der Elektrode messtechnisch nicht erfaßt werden muss. Die geometrischen Verhältnisse im Bereich der Bogenentladung werden somit über einfach elektrisch erfaßbare Messgrößen stabilisiert.It has been found that optimum arc parameters for steam ionization exist. These are based on the location of the end of the electrode relative to the electron beam and depending on the evaporating surface areas. The arc current is determined by an adjustable power source kept constant. The electrode is via a control loop advantageously tracked so that the discharge voltage remains constant. That has the Advantage that a shortening due to burning of the electrode is not measured must become. The geometric conditions in the area of the arc discharge are thus stabilized by means of easily electrically measurable measurement variables.

Die Bogenentladung kann selbstverständlich auch mit einer Spannungsquelle spannungsgeregelt betrieben werden. Dann dient die Bogenstromstärke als Regelgröße für die Nachführung der Elektrode. Das Substrat wird einem intensiven Plasma ausgesetzt und zusätzlich zum Dampfstrom von einem Ionenstrom getroffen. Die Energie der auf das Substrat auftreffenden Ionen kann durch die bekannte Wirkung einer an das Substrat angelegten, negativen Biasspannung erhöht werden.The arc discharge can of course also be done with a voltage source operated voltage controlled. Then the arc current serves as a control variable for the tracking of the electrode. The substrate is exposed to an intense plasma and hit by an ion stream in addition to the steam stream. The energy of that Ion impinging substrate can by the known effect of a to the substrate applied negative bias voltage can be increased.

Sollen Verbindungsschichten abgeschieden werden, dann wird ein Reaktivgas vorteilhaft im Bereich zwischen der Elektrode und dem Substrat eingelassen. If connecting layers are to be deposited, then a reactive gas is advantageously used in the Embedded area between the electrode and the substrate.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist es, dass die vorgestellte Art der Plasmaerzeugung auch für räumlich ausgedehnte Verdampfer geeignet ist. Dazu werden mehrere stabförmige Elektroden parallel betrieben. Mit jeder dieser Elektroden sind separate Regelkreise für die Bogenstromstärke, die Bogenspannung und die Nachführung der Elektrode verbunden. Die notwendigen Abstände zwischen den einzelnen Modulen zur Plasmaerzeugung und deren Anzahl hängen von der geforderten Gleichmäßigkeit der Plasmaeinwirkung am Substrat und der Anordnung vom Verdampfer und den Substraten ab.A particular advantage of the invention is that the type of plasma generation presented is also suitable for spatially extended evaporators. To do this, several are rod-shaped Electrodes operated in parallel. With each of these electrodes there are separate control loops for the Arc current, the arc voltage and the tracking of the electrode connected. The necessary distances between the individual modules for plasma generation and their Number depend on the required uniformity of the plasma effect on the substrate and the arrangement of the evaporator and the substrates.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich aus der Aneinanderreihung einzelner Module zur Plasmaerzeugung dadurch, dass die Gleichmäßigkeit der Plasmeinwirkung auf das Substrat weiter verbessert werden kann, wenn die einzelnen Module mit unterschiedlichen, aber abgestimmten Bogenparametern betrieben werden.Another advantage of the invention results from the stringing together of individual modules for plasma generation by the fact that the uniformity of the plasma action on the Substrate can be further improved if the individual modules with different, but coordinated arc parameters are operated.

An zwei Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher beschrieben. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:The invention is described in more detail using two exemplary embodiments. In the associated Show drawing:

Fig. 1 eine Einrichtung zum plasmaaktivierten Bedampfen von kleinflächigen Substraten als Schnittbild, Fig. 1 is a device for plasma-activated vapor deposition of small-area substrates sectional image,

Fig. 2 eine Einrichtung zum Bedampfen von Bändern mit einem langgestreckten Verdampfertiegel in der Draufsicht. Fig. 2 shows a device for steaming tapes with an elongated evaporator crucible in plan view.

In Fig. 1 ist eine Einrichtung dargestellt, in welcher ein Substrat 1 mit Eisen bedampft wird. In einer üblichen Bedampfungskammer 2 wird mit einem nicht dargestellten Pumpsystem ein Vakuum erzeugt. In einer Elektronenkanone 3 wird ein Elektronenstrahl 4 mit einer Strahlstromstärke von 3 A und einer Beschleunigungsspannung von 40 kV erzeugt und in einem Magnetfeld 5 auf einen mit dem Verdampfungsgut 6 (Eisen) gefüllten Verdampfertiegel 7 umgelenkt, um das Verdampfungsgut 6 zu verdampfen. Der dadurch entstehende Eisendampf gelangt auf das Substrat 1 und bildet die Schicht. Die Füllhöhe des Verdampfertiegels 7 wird mittels einer Materialnachführung 8 von unten geregelt. Die Ablenkung des Elektronenstrahls 4 erfolgt derart, dass auf der Oberfläche des Verdampfungsgutes 6 eine kreisförmige Auftreffspur mit einem Durchmesser von etwa 5 cm entsteht.In Fig. 1 a device is illustrated in which a substrate 1 is vapor-deposited with iron. A vacuum is generated in a conventional vapor deposition chamber 2 with a pump system, not shown. In an electron gun 3 , an electron beam 4 with a beam current of 3 A and an acceleration voltage of 40 kV is generated and deflected in a magnetic field 5 onto an evaporator crucible 7 filled with the evaporating material 6 (iron) in order to evaporate the evaporating material 6 . The resulting iron vapor reaches the substrate 1 and forms the layer. The fill level of the evaporator crucible 7 is regulated from below by means of a material tracking 8 . The electron beam 4 is deflected in such a way that a circular impact track with a diameter of approximately 5 cm is formed on the surface of the material 6 to be evaporated.

Über dem Verdampfertiegel 7 befindet sich eine stabförmige Elektrode 9 aus Wolfram mit einem Durchmesser von 10 mm, die in einer Nachführeinrichtung 10 in die Wolke aus Eisendampf bewegbar ist. Eine Abschirmung 11 verhindert das Eindringen von Eisendampf und Strahlungswärme in die Nachführeinrichtung 10. Die Elektrode 9 ragt mit ihrem einen Ende in den Bereich hoher Dampfdichte und hat einen Abstand von etwa 5 cm von der Oberkante des Verdampfertiegels 7. Eine Stromversorgung 12 stellt eine geregelte konstante Stromstärke von etwa 400 A zur Verfügung. Im Eisendampf brennt eine Bogenentladung mit einer Spannung von etwa 50 V. Die Nachführung der Elektrode 9 wird so geregelt, dass ein Brennspannungsbereich von 40-60 V eingehalten wird. Der Anteil von Wolfram in der auf das Substrat 1 kondensierenden Eisenschicht beträgt 0,20 ± 0,05 Massen-% entsprechend den Anforderungen an die Zielsetzung der Beschichtung.Above the evaporator crucible 7 there is a rod-shaped electrode 9 made of tungsten with a diameter of 10 mm, which can be moved into the cloud of iron vapor in a tracking device 10 . A shield 11 prevents the penetration of iron vapor and radiant heat into the tracking device 10 . One end of the electrode 9 projects into the high vapor density area and is at a distance of approximately 5 cm from the upper edge of the evaporator crucible 7 . A power supply 12 provides a regulated constant current of approximately 400 A. An arc discharge with a voltage of approximately 50 V burns in the iron vapor. The tracking of the electrode 9 is regulated in such a way that a burning voltage range of 40-60 V is maintained. The proportion of tungsten in the iron layer condensing on the substrate 1 is 0.20 ± 0.05 mass% in accordance with the requirements for the objective of the coating.

In der Einrichtung gemäß Fig. 2 wird auf ein Stahlband 13 von 1 m Breite Aluminium aufgedampft.In the device according to FIG. 2, aluminum is evaporated onto a steel strip 13 of 1 m in width.

In einer bekannten Bedampfungskammer 2 ist unterhalb des zu bedampfenden Stahlbandes 13 (unterbrochen gezeichnet) der über die Breite des Stahlbandes 13 reichende Verdampfertiegel 7 angeordnet. Eine Elektronenkanone 3 erzeugt mit einer Leistung von 200 kW einen fächerförmig abgelenkten Elektronenstrahl 4, der mit einem Magnetfeld (nicht gezeichnet) auf das Verdampfungsgut 6 (Aluminium) im Verdampfertiegel 7 gelenkt wird. Mehrere stabförmige Elektroden 9 aus Graphit mit einem Durchmesser von 4 mm ragen entgegen der Richtung des Elektronenstrahles 4 in die Zone hoher Dampfdichte über den Verdampfertiegel 7 und werden entsprechend ihrem Abbrand mit Nachführeinrichtungen 10 nachgeführt. Die Stromzuführung erfolgt für jede der Elektroden 9 aus den Stromversorgungen 12, die konstante Stromstärken von je 100 A zur Verfügung stellen. Die Nachführung der einzelnen Elektroden 9 erfolgt diskontinuierlich in Zeitabständen von 5 min. in Schritten von etwa 1 mm. Im Aluminiumdampf bildet sich eine intensive Plasmaentladung aus. Das Stahlband 13 wird mit konstanter Geschwindigkeit über den Verdampfertiegel 7 bewegt und gleichmäßig mit Aluminium beschichtet. Die Aluminiumschicht erhält aufgrund der hohen Plasmadichte während der Kondensation des Dampfes ein sehr dichtes Gefüge und weist hervorragende Schichteigenschaften auf. Es ist kein messbarer Anteil von Kohlenstoff in der aufgedampften Schicht nachweisbar.In a known evaporation chamber 2 , the evaporator crucible 7 , which extends over the width of the steel band 13 , is arranged below the steel band 13 to be steamed (shown in broken lines). An electron gun 3 with a power of 200 kW generates a fan-shaped deflected electron beam 4 , which is directed with a magnetic field (not shown) onto the material 6 to be evaporated (aluminum) in the evaporator crucible 7 . A plurality of rod-shaped electrodes 9 made of graphite with a diameter of 4 mm protrude in the direction of the electron beam 4 into the zone of high vapor density above the evaporator crucible 7 and are tracked with tracking devices 10 in accordance with their burn-up. The current is supplied for each of the electrodes 9 from the power supplies 12 , which provide constant currents of 100 A each. The individual electrodes 9 are adjusted discontinuously at intervals of 5 minutes. in steps of approximately 1 mm. An intense plasma discharge forms in the aluminum vapor. The steel strip 13 is moved at a constant speed over the evaporator crucible 7 and coated evenly with aluminum. The aluminum layer has a very dense structure due to the high plasma density during the condensation of the steam and has excellent layer properties. There is no detectable proportion of carbon in the vapor-deposited layer.

Claims

1. A method for plasma-activated electron beam evaporation by evaporating the evaporation material acted upon by the deflected electron beam and operating an arc discharge to produce a plasma, characterized in that the evaporation material or its evaporation crucible are connected as an anode that at least one rod-shaped electrode which is connected as a cathode one end is moved into the area of high vapor density of the vaporized material and that this part of the electrode is heated to a temperature at which an arc discharge is ignited and maintained in the vapor of the vaporized material.

2. The method according to claim 1, characterized in that the electrode by the primary electron beam and by the secondary effects of the electron beam and / or is heated by the arc discharge itself.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the electrode is additionally heated by continuity.

4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the electrode continuously or step-wise into the area of high vapor density.

5. The method according to claim 4, characterized in that the tracking of Electrode is controlled so that the burning voltage or the current of the Arc discharge remains constant.

6. The method according to claim 1 to 5, characterized in that to the coating substrate is placed a negative bias voltage.

7. The method according to claim 1 to 6, characterized in that for vapor deposition of connection layers in the space between the material to be evaporated and the A substrate is admitted a reactive gas.

8. The method according to claim 1 to 7, characterized in that in the Evaporation of wide substrates and use of a large area Evaporator crucible and use of several arranged across the evaporation width Electrodes each have separate arc discharges from each electrode to that Evaporating material or the evaporator crucible operated as a common anode will.

9. Device for carrying out the method according to claim 1, consisting of a vapor deposition chamber, in which the vaporization material is preferably located in an evaporator crucible, an electron gun, electron beam deflection devices and power supply devices, characterized in that between the vaporization material ( 6 ) or evaporator crucible ( 7 ) and at least one movable rod-shaped electrode ( 9 ) is arranged electrically insulated from the substrate ( 1 ), the end of which extends into the vapor cloud such that the negative pole of a power supply ( 12 ) with the electrode ( 9 ) and the positive pole with the material to be evaporated ( 6 ) or the evaporator crucible ( 7 ) are connected.

10. The device according to claim 9, characterized in that the electrode ( 9 ) consists of a high-melting metal or graphite, which has a low vapor pressure at the evaporation temperature of the material to be evaporated ( 6 ).

11. The device according to claim 9, characterized in that the electrode ( 9 ) consists of a material which is introduced as an alloy or doping material in the layer to be evaporated.

12. The device according to claim 9 to 11, characterized in that the evaporator crucible ( 7 ) with the vaporization chamber ( 2 ) is electrically conductively connected.

13. The device according to claim 9 to 11, characterized in that the evaporator crucible ( 7 ) from the vaporization chamber ( 2 ) is electrically isolated.

14. Device according to claim 9 to 13, characterized in that the electrode ( 9 ) is movable by a motor drive in the direction of the center of the vapor cloud.

15. The device according to claim 9 to 14, characterized in that a plurality of similarly constructed movable electrodes ( 9 ) are arranged side by side.