DE19850218C1

DE19850218C1 - Device and method for coating substrates in a vacuum

Info

Publication number: DE19850218C1
Application number: DE19850218A
Authority: DE
Inventors: Carl-Friedrich Meyer; Hans-Joachim Scheibe
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1998-08-26
Filing date: 1998-10-31
Publication date: 2000-03-30
Anticipated expiration: 2018-11-01

Abstract

The invention relates to a device and method for coating substrates in a vacuum. A plasma is produced from a target using a laser beam and ionised particles of the plasma are precipitated on the substrate in the form of a layer. This is a known process which has been used in PVD methods for some time. The aim of the invention is to provide a means of preventing droplets and particles which could have a negative effect on the properties of the deposited layer from settling in said layer, or at least to reduce the number of such droplets and particles. To this end, an absorber electrode with a positive electric potential is used. Said absorber electrode is situated a few mm away from the bottom end of the plasma, in front of or next to said plasma and is shaped in such a way that an electric field forms around the absorber electrode. The electrical field vector should be oriented at least approximately orthogonally to the direction of movement of the ionised particles of plasma.

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur Beschichtung von Substraten im Vakuum, wobei von einem Target ein Plasma erzeugt und ionisierte Teil chen des Plasmas auf dem Substrat als Schicht abge schieden werden sollen, wie dies bei den verschieden sten bekannten PVD-Verfahren seit längerer Zeit er folgreich angewendet wird.The invention relates to devices and methods for coating substrates in a vacuum, whereby from a target creates a plasma and ionized part Chen the plasma abge on the substrate as a layer to be distinguished, as is the case with the different most known PVD processes for a long time is applied successfully.

Insbesondere ist die Erfindung in Ergänzung des soge nannten Laser-Arc-Verfahrens, bei dem eine Bogenent ladung im Vakuum mittels eines gepulst betriebenen Laserstrahls gezündet und mit dem über die Bogenent ladung erhaltenen Plasma der ionisierte Teilchenstrom zu einem Substrat geführt und auf diesem als Schicht die ionisierten Teilchen abgeschieden werden können, anwendbar. Die Erfindung kann aber auch bei einem an sich bekannten Verfahren, bei dem eine Bogenentladung im Vakuum zur Erzeugung des Plasmas benutzt wird, ohne daß die Bogenentladung mit einem Laserstrahl initiiert wird, angewendet werden. Dabei kann die Bogenentladung auf bekannte Art und Weise, entweder allein durch eine ausreichend hohe Spannung zwischen einer Anode und einem als Kathode geschalteten Target gezündet werden und zum anderen besteht die Möglich keit, die Zündung mittels elektrisch leitender Zünd elemente infolge Kurzschluß zu initiieren.In particular, the invention is in addition to the so-called called laser arc process, in which a sheet ent charge in vacuum by means of a pulsed Laser beam ignited and with the over the arch Charge obtained plasma the ionized particle stream led to a substrate and on this as a layer the ionized particles can be separated, applicable. But the invention can also with one known method in which an arc discharge is used in a vacuum to generate the plasma, without the arc discharge with a laser beam is initiated, applied. The Arc discharge in a known manner, either just by a sufficiently high voltage between an anode and a target connected as cathode are ignited and on the other hand there is the possibility speed, the ignition by means of electrically conductive ignition initiate elements due to short circuit.

Eine weitere Möglichkeit, bei der die erfindungsgemä ße Lösung sinnvoll angewendet werden kann, ist die Erzeugung eines Plasmas auf einem Target durch Be strahlung der Targetoberfläche mit einem Laserstrahl entsprechend ausreichender Intensität.Another possibility in which the invention The solution can be used sensibly is the Generation of a plasma on a target by Be radiation of the target surface with a laser beam corresponding to sufficient intensity.

In allen Fällen wird das Plasma ausgehend von einem Fußpunkt unmittelbar über der Oberfläche eines Tar gets gebildet.In all cases, the plasma is based on one Base immediately above the surface of a tar gets formed.

Diese drei möglichen Verfahren sind beispielhaft in DE 39 01 401 C1 und DD 279 695 B5 für das Laser-Arc- Verfahren, DD 280 338 B5 für die reine Bogenentla dungsverdampfung und in US 4,987,007 für die Laser strahl-Plasmaerzeugung beschrieben.These three possible methods are exemplified in DE 39 01 401 C1 and DD 279 695 B5 for the laser arc Process, DD 280 338 B5 for pure sheet discharge vaporization and in US 4,987,007 for the laser described beam plasma generation.

Diese bekannten Verfahren, weisen jedoch den Nachteil auf, daß ihr Plasma relativ reich an Tröpfchen und Partikeln ist, die zu lokalen Abweichungen in den Schichteigenschaften führen und die entsprechend be schichteten Substrate dann für viele Anwendungsfälle nicht geeignet sind.However, these known methods have the disadvantage on that their plasma is relatively rich in droplets and Is that leads to local variations in the particles Lead layer properties and be accordingly then layered substrates for many applications are not suitable.

Um diesem Nachteil entgegenzutreten wurden aber Mög lichkeiten vorgeschlagen, um eine sogenannte "Filte rung" des Plasmas zur Speicherung von Partikeln durchzuführen. Mehrere Möglichkeiten hierfür sind von B. F. Coll und D. M. Sanders in "Design of Vacuum Arc- Basis Sources"; Surface and Coatings Technology", No. 81 (1996) 42-51 beschrieben. Dabei wird bei diesen bekannten Lösungen davon ausgegangen, daß unter Ver wendung magnetischer Felder die ionisierten leichten Bestandteile eines Plasmas abgelenkt werden können und die wesentlich größeren, wegen ihres ungünstigen Ladungs-/Masseverhältnisses, schwerer ablenkbaren Partikel voneinander getrennt werden können. In order to counter this disadvantage, however, Mög possibilities proposed to make a so-called "Filte "of the plasma for storing particles perform. There are several ways to do this B. F. Coll and D. M. Sanders in "Design of Vacuum Arc- Basis Sources "; Surface and Coatings Technology", No. 81 (1996) 42-51. It is with these known solutions assumed that under Ver application of magnetic fields the ionized light Components of a plasma can be deflected and the much larger ones because of their unfavorable Charge / mass ratio, harder to deflect Particles can be separated.

Diese Filteranordnungen haben jedoch einige erhebli che Nachteile:However, these filter arrangements have a number of advantages Disadvantages:

Der Aufbau dieser Systeme ist sehr komplex und ent sprechend teuer. Der Durchmesser der magnetischen Filter und damit der Durchmesser der Beschichtungs fläche ist auf Grund der benötigten kräftigen magne tischen Felder und der dazu benötigten elektrischen Leistungen auf ca. 150 mm begrenzt. Die Beschich tungsrate der Verfahren wird auf ca. 15-20% im Vergleich zu der ohne Verwendung des Filters verrin gert.The structure of these systems is very complex and ent extremely expensive. The diameter of the magnetic Filters and therefore the diameter of the coating area is due to the strong magne required table fields and the required electrical Performance limited to approx. 150 mm. The Beschich The rate of the procedures is approx. 15-20% in Compared to that without using the filter device.

Des weiteren ist aus JP 63 171878 A eine Vorrichtung zur Durchführung eines Magnetron-Sputterverfahrens bekannt. Dabei werden zwei Targets verwendet, zwischen denen eine auf Masse gelegte Elektrode an geordnet ist. Mit dieser Elektrode sollen, je nachdem Elektronen bzw. Ionen gefangen werden, wobei mit ei ner solchen Anordnung die Beschichtungsrate erhöht werden soll.Furthermore, JP 63 171878 A is a device to carry out a magnetron sputtering process known. Two targets are used an electrode connected to ground between them is ordered. With this electrode, depending on Electrons or ions are trapped, with egg ner such arrangement increases the coating rate shall be.

Aus US H872 ist ein Verfahren zur Beschichtung von Substraten bekannt. Nach der dort beschriebenen Lehre soll mittels eines Laserstrahls ein elektrostatisch aufgeladenes stabförmiges Target an einer Stirnseite aufgeschmolzen und mittels zwischen dieser Schmelze und dem zu beschichtenden Substrat angeordneter Elek troden, die entsprechend elektrostatisch aufgeladenen Bestandteile aus der Schmelze in Richtung auf das Substrat beschleunigt, gebündelt und geführt werden.From US H872 is a method for coating Known substrates. According to the teaching described there is said to be electrostatic using a laser beam charged rod-shaped target on one end melted and by means of this melt and the electrode arranged to be coated todes that are electrostatically charged Ingredients from the melt towards the Substrate accelerated, bundled and guided.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, den Anteil an Tröpfchen und Partikeln, in einer auf einem Substrat mit einem PVD-Verfahren aufgebrachten Schicht zu ver ringern, wobei gleichzeitig eine relativ großflächige Beschichtung ermöglicht sein soll.It is therefore an object of the invention to determine the proportion Droplets and particles, all in one on a substrate ver with a layer applied with a PVD process wrestle, while a relatively large area Coating should be possible.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 für eine erfindungsgemäße Vorrichtung und den Merkmalen des Anspruchs 16 für ein entspre chendes Verfahren zur Beschichtung von Substraten im Vakuum gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung, ergeben sich mit den in den untergeordneten Ansprüchen enthaltenen Merkma len.According to the invention, this object is achieved with the features of claim 1 for a device according to the invention and the features of claim 16 for a correspond Process for coating substrates in the Vacuum released. Advantageous designs and Further developments of the invention result from the Merkma contained in the subordinate claims len.

Erfindungsgemäß wird dabei so verfahren, daß eine zusätzliche gegenüber dem Plasma auf einem elektrisch positiven Potential liegende Absorberelektrode ver wendet wird, um die ein elektrisches Feld erzeugt wird. Durch dieses elektrische Feld werden ionisierte Teilchen und Elektronen eines Plasmas hindurch ge führt und dadurch erreicht, daß elektrisch negative Teilchen von der Absorberelektrode absorbiert und positive Teilchen, bevorzugt mit kleinem Masse-La dungsverhältnis des Plasmas zum Substrat geführt wer den. Neutrale Teilchen und Teilchen mit großem Masse- Ladungsver hältnis werden in ihrer Bezugsgröße nur unwesentlich beeinflußt und können so separiert werden.The procedure according to the invention is such that a additional compared to the plasma on an electric positive potential lying ver is applied around which an electric field is generated becomes. This electrical field causes ionization Particles and electrons of a plasma leads and thereby achieved that electrically negative Particles absorbed by the absorber electrode and positive particles, preferably with a small mass La ratio of the plasma to the substrate the. Neutral particles and particles with large mass Charge ver ratio are only insignificant in their reference size influenced and can be separated.

Eine solche Absorberelektrode ist gegenüber den be kannten verwendeten magnetischen Filtersystemen wesentlich einfacher und kostengünstiger herstell- und betreibbar.Such an absorber electrode is compared to the be knew magnetic filter systems used much easier and cheaper to manufacture and operable.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltungsform der Erfindung besteht darin, diese in einer Vorrichtung zu verwenden, bei der eine gepulste Vakuum-Bogenent ladung mit einem gepulsten Laserstrahl, der auf die Oberfläche eines als Kathode geschalteten Targets gerichtet ist, verwendet wird. Solche Vorrichtungen mit den entsprechenden Verfahren sind, z. B. in DE 39 01 401 C2 und in einer verbesserten Form in DD 279 695 B5 beschrieben. Die Vakuumbogenentladung zur Er zeugung eines Plasmas wird zwischen dem Target und einer Anode gezündet und die ionisierten Teilchen des Plasmas werden dann nachfolgend auf einem Substrat als Schicht abgeschieden. Hierfür können die ver schiedensten Formen für die Ausbildung der Anode und des verwendeten Targets angewendet werden, wobei die verschiedensten Targetmaterialien einsetzbar sind. Bei Verfahren, wie dies z. B. in DD 279 695 B5 be schrieben ist, treten die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile der Abscheidung der relativ gro ßen Partikel in der Schicht auf. Um dem entgegenzu wirken, wird erfindungsgemäß eine zusätzliche Absor berelektrode eingesetzt, die gegenüber der ohnehin vorhandenen Anode auf einem elektrisch positiverem Potential gehalten wird. Mit dieser Anordnung gelingt es, eine Trennung der unterschiedlich geladenen Teil chen des ionisierten Teilchenstromes aus dem Plasma durchzuführen, wobei die elektrisch negativen Teil chen zumindest zum größten Teil von der Absorberelek trode absorbiert und in der erfindungsgemäß ge wünschten Form lediglich die elektrisch positiven Teilchen des Teilchenstromes auf das Substrat zu richten. Dabei ist es besonders günstig, den Abstand zwischen der Anode und der Absorberelektrode relativ klein, auf etwa einige wenige mm zu begrenzen.A particularly advantageous embodiment of the Invention is this in one device use a pulsed vacuum arc charge with a pulsed laser beam that hits the Surface of a target connected as a cathode is used. Such devices with the appropriate procedures, e.g. B. in DE 39 01 401 C2 and in an improved form in DD 279 695 B5. The vacuum arc discharge to Er generation of a plasma is between the target and ignited an anode and the ionized particles of the Plasmas are then subsequently placed on a substrate deposited as a layer. For this, the ver various forms for the formation of the anode and of the target used, the various target materials can be used. In methods such as this. B. in DD 279 695 B5 be is written, occur from the prior art known disadvantages of the deposition of the relatively large eat particles in the layer. To counter this act, an additional absorber according to the invention over electrode used, which compared to the already existing anode on an electrically more positive Potential is kept. With this arrangement it works it, a separation of the differently charged part chen of the ionized particle stream from the plasma perform, the electrically negative part chen at least for the most part from the Absorberelek trode absorbed and in the ge according to the invention only wanted the electrically positive form Particles of the particle stream towards the substrate judge. It is particularly convenient to use the distance relative between the anode and the absorber electrode small, to be limited to a few mm.

Die Erfindung kann aber auch in einer Vorrichtung bzw. in einem Verfahren angewendet werden, bei dem das Plasma ausschließlich mittels einer Bogenentla dung im Vakuum erzeugt wird, wie dies neben anderen in DD 280 338 B5 beschrieben ist. Dabei wird die Bo genentladung entweder allein durch eine Spannungser höhung oder in Verbindung mit der Erzeugung eines Kurzschlusses initiiert. Auch in diesem Fall wird wieder ein als Kathode geschaltetes Target und eine Anode in einer Vakuumkammer verwendet, zwischen denen ein Lichtbogen, bevorzugt gepulst gezündet und ein Plasma aus dem Targetmaterial erzeugt wird. Auch in diesem Fall wird wiederum die Absorberelektrode in unmittelbarer Nähe des Targets und/oder der Anode angeordnet. Um die Absorberelektrode wird ein elek trisches Feld erzeugt, wobei die Absorberelektrode wiederum gegenüber dem Plasma auf einem elektrischen positiven Potential gehalten ist, so daß die positi ven Teilchen des Teilchenstromes aus dem Plasma in Richtung auf das Substrat bewegt werden und dort die Schicht gebildet wird, ohne daß die größeren bzw. massereicheren geladenen Teilchen des Teilchenstromes zum Substrat gelangen, da sie von der Absorberelek trode absorbiert werden können. However, the invention can also be used in a device or applied in a process in which the plasma only by means of an arc outlet generation in a vacuum like this among others in DD 280 338 B5. The Bo gene discharge either by a voltage generator alone increase or in connection with the generation of a Short circuit initiated. In this case too again a target connected as cathode and one Anode used in a vacuum chamber between which an arc, preferably pulsed and ignited Plasma is generated from the target material. Also in in this case the absorber electrode is again in the immediate vicinity of the target and / or the anode arranged. An elec generated trical field, the absorber electrode again compared to the plasma on an electrical positive potential is held so that the positi ven particles of the particle stream from the plasma in Direction on the substrate and there the Layer is formed without the larger or more massive charged particles of the particle stream get to the substrate because they are from the Absorberelek trode can be absorbed.

Die erfindungsgemäß zu verwendende Absorberelektrode kann aber auch in einer Vorrichtung bzw. bei einem Verfahren verwendet werden, bei dem das Plasma von einem Target mit einem Laserstrahl, der auf dieses gerichtet ist, erzeugt wird. Eine solche Vorgehens weise ist z. B. in US 4,987,007 beschrieben. In diesem Fall kann auch ein Plasma aus einem Targetmaterial, das nicht leitend ist, erzeugt werden. Auch hier wird wieder die Absorberelektrode in unmittelbarer Nähe des Fußpunktes des Plasmas, d. h. der Fokuspunkt des Laserstrahls auf dem Target angeordnet. Auch in die sem Falle wird die Trennung der unterschiedlich ge ladenen Teilchen des ionisierten Teilchenstromes in der bereits bei den anderen Möglichkeiten beschriebe nen Form durchgeführt, so daß nahezu ausschließlich positiv geladene Teilchen des Teilchenstromes auf das Substrat gelangen und dort die Schicht ausbilden.The absorber electrode to be used according to the invention can also in a device or in a Process used in which the plasma of a target with a laser beam on it is directed, is generated. Such an approach wise is z. B. described in US 4,987,007. In this Case can also be a plasma from a target material, that is not conductive. Here too again the absorber electrode in the immediate vicinity the base of the plasma, d. H. the focus point of the Laser beam arranged on the target. Even in the In this case, the separation of the different ge charged particles of the ionized particle stream in who already described the other options NEN form performed so that almost exclusively positively charged particles of the particle stream on the Arrive substrate and form the layer there.

Vorteilhaft kann die Erfindung weiter gebildet wer den, in dem die Absorberelektrode und/oder das Sub strat so angeordnet bzw. ausgebildet werden, daß kei ne Teilchen des Teilchenstromes aus dem Plasma nicht direkt auf das Substrat gelangen können. Hierfür kann auch zusätzlich eine abschirmende Blende eingesetzt werden, die zwischen Target und Substrat entsprechend angeordnet werden kann.The invention can advantageously be further developed by anyone the one in which the absorber electrode and / or the sub strat are arranged or designed so that no ne particles of the particle stream from the plasma are not can get directly onto the substrate. For this can a shielding screen is also used be that between target and substrate accordingly can be arranged.

Die erfindungsgemäße Wirkung der verwendeten Absor berelektrode beruht auf dem hohen Ionisierungsgrad des Plasmas, der mit den bereits genannten Verfahren erreicht werden kann, ohne daß die Ionen eine hohe kinetische Energie aufweisen müssen. Die Energie der Ionen liegt hierbei zwischen 30 bis 100 eV. Bekann termaßen beträgt der Ionisierungsgrad eines Plasmas bei einer Vakuumbogenentladung bei etwa 80 bis 90%. The effect of the absorber used according to the invention berelektrode is based on the high degree of ionization of the plasma using the methods already mentioned can be achieved without the ions having a high must have kinetic energy. The energy of the Ions are between 30 and 100 eV. Known the degree of ionization of a plasma with a vacuum arc discharge at about 80 to 90%.

Die Absorberelektrode hat allein die Funktion der Trennung der unterschiedlich geladenen Teilchen des Teilchenstromes aus dem Plasma und führt nicht dazu, daß eine Beschleunigung der ionisierten Teilchen er reicht wird.The absorber electrode has the sole function of Separation of the differently charged particles of the Particle flow from the plasma and does not cause that an acceleration of the ionized particles he is enough.

Durch die Anordnung der Absorberelektrode in unmit telbarer Nähe der Anode bzw. des Targets, wird ein sehr großer Teil der Elektronen und negativ geladenen Ionen absorbiert und gleichzeitig verhindert, daß sich durch Rekombinationsprozesse der Ionisierungs grad der Ionen wesentlich vor dem Verlassen der mit der Absorberelektrode in Verbindung mit dem elektri schen Feld ausgebildeten Umlenkanordnung ändert und sich die Wirksamkeit des elektrischen Feldes infolge des positiven Ladungsträgerüberschusses beträchtlich erhöht.By arranging the absorber electrode in immit close proximity of the anode or target, is a very large part of the electrons and negatively charged Absorbs ions while preventing through recombination processes of ionization degree of ions significantly before leaving the with the absorber electrode in connection with the electri the field trained deflection changes and the effectiveness of the electric field of the positive excess charge elevated.

Die Beschichtungsrate kann positiv beeinflußt werden, in dem die Absorberelektrode, das Substrat und die anderen gegebenenfalls für die Erzeugung des Plasmas erforderlichen Komponenten in günstiger Weise ausge bildet und/oder angeordnet werden. Besonders geeigne te Ausführungsformen werden nachfolgend noch näher beschrieben werden.The coating rate can be influenced positively, in which the absorber electrode, the substrate and the others if necessary for the generation of the plasma required components in a favorable manner forms and / or be arranged. Particularly suitable The following embodiments will be described in more detail to be discribed.

Bei entsprechender Form der Absorberelektrode kann erreicht werden, daß bei Eintritt des Plasmas in das um die Absorberelektrode erzeugte elektrische Feld, der elektrische Feldvektor orthogonal zur Bewegungs richtung des Ionenstromes ausgerichtet ist und so die kinetische Energie der Ionen nur geringfügig beein flußt wird. Aus diesem Grund können nahezu aus schließlich die Ionen optimal als positiv geladene Raumladung zum Substrat umgelenkt werden. Das Substrat erwärmt sich nur in sehr geringem Maße, so daß der eigentliche Be schichtungsvorgang beinahe bei Raumtemperatur durch geführt wird, so daß auch entsprechende thermisch sensible Substrate ohne weiteres beschichtet werden können.With an appropriate shape of the absorber electrode can be achieved that when the plasma enters the electric field generated around the absorber electrode, the electric field vector orthogonal to the motion direction of the ion current and so the only slightly influence the kinetic energy of the ions is flowing. Because of this, you can almost get out finally the ions optimally as positively charged Space charge to the substrate be redirected. The substrate only heats up in very little so that the real Be layering process almost at room temperature is performed so that corresponding thermal sensitive substrates can be coated easily can.

Durch eine am Substrat angelegte negative Spannung, kann die Energie der Ionen und dadurch auch die Ei genschaften der ausgebildeten Schicht gezielt beein flußt werden.Due to a negative voltage applied to the substrate, can the energy of the ions and thereby the egg properties of the trained layer to be flowed.

Die Zusammensetzung und Struktur der ausgebildeten Schicht und die Beschichtungsrate können durch Varia tionen der Spannung an der Absorberelektrode beein flußt werden. Die Beschichtungsrate steigt dabei, da auch größere Teilchen in ihrer Kinetik, mit steigen der Spannung beeinflußt werden können.The composition and structure of the trained Layer and coating rate can be changed by Varia tions of the voltage at the absorber electrode to be flowed. The coating rate increases because also larger particles in their kinetics, increase with the voltage can be influenced.

Günstig kann es außerdem sein, ein gitterförmiges Element aus einem elektrisch leitenden Material zwi schen dem Fußpunkt des Plasmas und der Absorberelek trode anzuordnen, durch daß das Plasma geführt ist. Ein solches gitterförmiges Element kann auf das elek trische Potential der Anode gelegt werden. Außerdem kann es vorteilhaft sein, daß gitterförmige Element in Richtung der Bewegungsrichtung des Plasmas gewölbt auszubilden. Das gitterförmige Element kann mit der Anode und gegebenenfalls einer verwendeten Blende verbunden und demzufolge auch daran befestigt sein.It can also be inexpensive, a grid-shaped one Element made of an electrically conductive material between between the base of the plasma and the absorber elec to arrange trode through which the plasma is guided. Such a lattice-shaped element can on the elek trical potential of the anode. Moreover it may be advantageous for the lattice-shaped element arched in the direction of the movement of the plasma to train. The lattice-shaped element can with the Anode and, if applicable, a screen used connected and therefore also attached to it.

Die Erfindung kann vorteilhaft auch zur Ausbildung von reaktiv beeinflußten Schichten eingesetzt werden. The invention can also be advantageous for training of reactively influenced layers.

Im Bereich der Absorberelektrode Gase zugeführt, io nisiert und chemisch aktiviert werden, so daß mit z. B. Stickstoff, Sauerstoff, H₂, Kohlenwasserstoffe, die mit geringem Massenstrom und demzufolge sehr kleinen Gasdrücken unterhalb 10^-1 Pa zugeführt werden können, z. B. oxidische, carbidische oder nitridische Schichten oder einer Kombination, wie z. B. Carboni tride zu erzeugt werden können.In the area of the absorber electrode gases are supplied, ionized and chemically activated, so that with z. B. nitrogen, oxygen, H ₂ , hydrocarbons, which can be supplied with a low mass flow and consequently very low gas pressures below 10 ^-1 Pa, z. B. oxide, carbide or nitride layers or a combination such. B. Carboni tride can be generated.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft beschrie ben werden.The invention is described below by way of example be.

Dabei zeigen:Show:

Fig. 1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vor richtung, bei der ein Plasma mit einem La ser-Arc-Verfahren erzeugt und eine gekrümm te Absorberelektrode eingesetzt wird; Fig. 1 shows an example of a device according to the invention, in which a plasma is generated with a laser-arc process and a curved absorber electrode is used;

Fig. 2 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vor richtung, bei der ein Plasma mit einem La ser-Arc-Verfahren erzeugt und eine keilför mig ausgebildete Absorberelektrode verwen det wird; Fig. 2 shows an example of a device according to the invention, in which a plasma is generated with a laser-arc process and a wedge-shaped absorber electrode is used;

Fig. 3 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vor richtung, bei dem ein Plasma mit einem La ser-Arc-Verfahren erzeugt und eine gekrümm te, aus einer Mehrzahl von Streifen gebil dete Absorberelektrode verwendet wird und Fig. 3 shows an example of a device according to the invention, in which a plasma is generated with a laser arc process and a curved te, formed from a plurality of strips absorber electrode is used and

Fig. 4 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vor richtung, bei der ein Plasma mit einem La serstrahl erzeugt und eine gekrümmte, aus einer Mehrzahl von Einzelstreifen gebildete Absorberelektrode verwendet wird. Fig. 4 shows an example of a device according to the invention, in which a plasma is generated with a laser beam and a curved absorber electrode formed from a plurality of individual strips is used.

Bei den in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Vorrichtun gen, wurde sämtlichst auf die Darstellung der Vakuum kammer, in der die in den Figuren dargestellten ein zelnen Komponenten aufgenommen sind, verzichtet, da davon ausgegangen werden kann, daß dies für den ein schlägigen Fachmann auf der Hand liegt.Gene in the processes shown in FIGS. 1 to 4 Vorrichtun was sämtlichst chamber to the representation of the vacuum, in the embodiments shown in the figures, a individual components are added, omitted, since it can be assumed that this for a relevant person skilled in is obvious.

Bei dem in der Fig. 1 gezeigten Beispiel einer er findungsgemäßen Vorrichtung, wird ein walzenförmiges Target 1 verwendet, das um seine Längsachse gleich förmig gedreht wird. Für die Erzeugung eines Plasmas aus einer Bogenentladung wird eine Anode 4 verwendet, die in bevorzugter Form als Anodenschirm mit einem zentralen Spalt, durch den das erzeugte Plasma aus treten kann, ausgebildet ist, wie dies mit der in Fig. 1 und auch den Fig. 2 und 3 dargestellten Form der Anode 4 angedeutet ist. Zur Zündung der Va kuum-Bogenentladung wird ein Laserstrahl 5 in gepuls ter Form auf die Manteloberfläche des Targets 1 ge richtet und gleichzeitig die Anodenspannung entspre chend erhöht, so daß eine Bogenentladung zwischen Target 1 und Anode 4 gezündet und im Anschluß an die Verdampfung von Targetmaterial ein Plasma erzeugt werden kann, das durch den Anodenspalt in Richtung auf die hier gekrümmte, der Form eines Teilkreises folgend, ausgebildete Absorberelektrode 2 gelangt.In the example of a device according to the invention shown in FIG. 1, a roller-shaped target 1 is used, which is rotated uniformly about its longitudinal axis. For the generation of a plasma from an arc discharge, an anode 4 is used, which is preferably designed as an anode screen with a central gap through which the generated plasma can emerge, as is the case in FIG. 1 and also in FIGS. 2 and 3 shown shape of the anode 4 is indicated. To ignite the vacuum arc discharge, a laser beam 5 is directed in pulsed form to the surface of the target 1 and simultaneously increases the anode voltage accordingly, so that an arc discharge between target 1 and anode 4 is ignited and following the evaporation of target material a plasma can be generated, which passes through the anode gap in the direction of the here curved absorber electrode 2 , which follows the shape of a partial circle.

Die Absorberelektrode 2 ist an eine Gleichspannung angelegt. Diese Spannung an der Absorberelektrode 2 liegt oberhalb der normalen Spannung an der Anode 4 und des Plasmas. The absorber electrode 2 is applied to a DC voltage. This voltage at the absorber electrode 2 is above the normal voltage at the anode 4 and the plasma.

Mit der Absorberelektrode 2 kann eine Trennung der verschieden geladenen Teilchen im ionisierten Teil chenstrom aus dem Plasma durchgeführt werden. Hierfür werden die negativ geladenen Ionenteilchen von der Absorberelektrode 2 absorbiert und die positiv gela denen Teilchen aus dem Teilchenstrom können sich in Richtung auf das Substrat 3 bewegen und an dessen Oberfläche die gewünschte nahezu partikel- und tröpf chenfreie Schicht ausbilden. Dabei wirkt sich das zwischen Absorberelektrode 2 und Substrat 3 ausgebil dete elektrische Feld lediglich günstig für die ge wünschte Ladungstrennung aus und die kinetische Ener gie der positiv geladenen Teilchen wird nicht zusätz lich erhöht.With the absorber electrode 2 , a separation of the differently charged particles in the ionized particle stream can be carried out from the plasma. For this purpose, the negatively charged ion particles are absorbed by the absorber electrode 2 and the positively charged particles from the particle stream can move in the direction of the substrate 3 and form the desired virtually particle-free and droplet-free layer on its surface. The electric field between absorber electrode 2 and substrate 3 only has a favorable effect on the desired charge separation and the kinetic energy of the positively charged particles is not additionally increased.

Bei diesem Beispiel ist an dem Substrat 3 ein elek trisch negatives Potential angelegt, was für bestimm te Zwecke günstig sein kann. Es ist aber nicht gene rell erforderlich, das Substrat auf ein elektrisch negatives Potential zu legen, sondern es kann ohne weiteres auch ein Anschluß an die Masse der Vorrich tung ausreichend sein.In this example, an electrically negative potential is applied to the substrate 3 , which can be favorable for certain purposes. However, it is not generally necessary to place the substrate at an electrically negative potential, but a connection to the ground of the device can easily be sufficient.

Zur Verhinderung, daß sich ionisierte Teilchen unmit telbar, d. h. auf geradem, direktem Wege sich in Rich tung auf das Substrat 3 bewegen, kann eine Blende 6 verwendet werden, die zwischen Target 1 und Substrat 3 angeordnet ist. Sie gibt lediglich einen verengten Spalt zwischen Blende 6 und Absorberelektrode 2 für den Durchtritt des Plasmas frei.In order to prevent ionized particles from moving immediately, ie in a straight, direct way, in direction towards the substrate 3 , an aperture 6 can be used, which is arranged between the target 1 and the substrate 3 . It only releases a narrowed gap between the diaphragm 6 and the absorber electrode 2 for the passage of the plasma.

Mit diesem Verfahren bzw. einer solchen Vorrichtung können relativ großformatige Substrate 3 beschichtet werden, wobei entsprechend lange walzenförmige Tar gets 1 verwendet werden können. In diesem Falle soll ten entsprechend lange Absorberelektroden 2 verwendet werden, so daß die gewünschte Wirkung über die gesam te Targetlänge und die gesamte zu beschichtende Flä che des Substrates 3 durch ein entsprechend ausge dehntes elektrisches Feld erreicht werden kann.With this method or such a device, relatively large-sized substrates 3 can be coated, whereby correspondingly long roller-shaped targets 1 can be used. In this case, correspondingly long absorber electrodes 2 should be used, so that the desired effect over the total length of the target and the entire surface of the substrate 3 to be coated can be achieved by a correspondingly extended electrical field.

Bei dem in der Fig. 2 dargestellten Beispiel wird wieder das bereits beschriebene Laser-Arc-Verfahren verwendet und es unterscheidet sich im wesentlichen durch die Ausbildung und Anordnung der Absorberelek trode 2 sowie der Anordnung des Substrates 3.In the example shown in FIG. 2, the laser arc method already described is used again and it differs essentially by the design and arrangement of the absorber electrode 2 and the arrangement of the substrate 3 .

Die Absorberelektrode 2 ist hier keilförmig ausgebil det und der Keil bildet einen Winkel, bevorzugt von ca. 45°. Die Spitze der keilförmigen Absorber elektrode 2 ist in Richtung auf das Target 1 ausge richtet, so daß der ionisierte Teilchenstrom an den beiden Außenflächen der beiden Platten der Absorber elektrode 2 vorbeigeführt werden kann, und demzufolge ein unmittelbares direktes Auftreffen ionisierter Teilchen auf der zu beschichtenden Oberfläche des Substrates 3 verhindert und auf eine Blende 6, wie beim Beispiel nach Fig. 1, verzichtet werden kann.The absorber electrode 2 is here wedge-shaped and the wedge forms an angle, preferably of approximately 45 °. The tip of the wedge-shaped absorber electrode 2 is directed towards the target 1 , so that the ionized particle stream can be guided past the two outer surfaces of the two plates of the absorber electrode 2 , and consequently a direct direct impact of ionized particles on the surface to be coated of the substrate 3 prevented and an aperture 6 , as in the example of FIG. 1, can be dispensed with.

Im übrigen wird mit einer solchen Vorrichtung ent sprechend gearbeitet, wie dies bei dem Beispiel nach Fig. 1 bereits beschrieben worden ist.Incidentally, such a device is used accordingly, as has already been described in the example of FIG. 1.

Bei dem in der Fig. 3 gezeigten Beispiel einer er findungsgemäßen Vorrichtung werden wieder die glei chen einzelnen Komponenten verwendet, wie dies auch bei dem Beispiel nach Fig. 1 der Fall ist. Im Gegen satz hierzu ist lediglich die Absorberelektrode 2 modifiziert ausgebildet. Die Absorberelektrode 2 be steht hier aus einem Streifenträger 2", an dem ein zelne Streifen 2' aus elektrisch leitendem Material in einem Abstand voneinander gehalten werden. Die Streifen 2' sind dabei so ausgerichtet, daß ein re flektiertes ionisiertes Teilchen vom Substrat weg reflektiert wird und elektrisch negative ionisierte Teilchen nicht in Richtung auf das Substrat 3 bewegt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Streifenträger 2" aus einem dielektrischen Mate rial, so daß die einzelnen Streifen 2' voneinander isoliert sind. Damit ergibt sich die Möglichkeit, die einzelnen Streifen 2' auf elektrisch verschiedenen positiven Potentialen zu halten, so daß günstigerwei se die an den einzelnen Streifen 2' angelegte Spannung, mit wachsendem Abstand vom Target 1 an steigt, so daß die führende Wirkung der Absorberelek trode 2 auf die positiven Teilchen verbessert werden kann.In the example of a device according to the invention shown in FIG. 3, the same individual components are used again, as is also the case in the example according to FIG. 1. In contrast to this, only the absorber electrode 2 is formed modified. The absorber electrode 2 be available here, a strip carrier 2 ", at the indi vidual stripes 'are kept from electrically conductive material at a distance from each other. The strips 2, 2' are oriented so that a re inflected ionized particles is reflected away from the substrate and electrically negative ionized particles are not moved in the direction of the substrate 3. In a preferred embodiment, the strip carrier 2 "consists of a dielectric material, so that the individual strips 2 'are insulated from one another. This results in the possibility of keeping the individual strips 2 'at electrically different positive potentials, so that, more conveniently, the voltage applied to the individual strips 2 ' increases with increasing distance from the target 1 , so that the leading effect of the absorber electrode 2 can be improved on the positive particles.

Bei dem in Fig. 4 gezeigten Beispiel einer erfin dungsgemäßen Vorrichtung wird ein herkömmliches Tar get 1 verwendet, bei dem in diesem Fall ein negatives Potential angelegt ist, wobei hierauf aber auch ver zichtet werden kann. Auf das Target 1 wird ein bevor zugt gepulster Laserstrahl 5 gerichtet und das Plasma allein mit dessen Energie aus dem Targetmaterial er zeugt. Das Target 1 kann aus elektrisch leitendem aber auch aus elektrisch nicht leitendem Material bestehen, je nachdem welche Schicht auf dem Substrat 3 ausgebildet werden soll. Im übrigen ist diese Vor richtung, genau wie das in Verbindung mit der Fig. 3 beschriebene Beispiel ausgebildet. Selbstverständlich können auch Ausführungsformen gemäß den anderen be schriebenen Beispielen, insbesondere für die Ausbil dung der Absorberelektrode 2 verwendet werden. In the example of a device according to the invention shown in FIG. 4, a conventional target get 1 is used, in which case a negative potential is applied, but this can also be dispensed with. On the target 1 , a pulsed laser beam 5 is directed and the plasma alone with its energy from the target material is generated. The target 1 can consist of electrically conductive but also of electrically non-conductive material, depending on which layer is to be formed on the substrate 3 . For the rest, this direction is formed just like the example described in connection with FIG. 3. Of course, embodiments according to the other examples described be, in particular for the training of the absorber electrode 2 can be used.

Bei einer Vorrichtung, wie sie mit den Beispielen gemäß den Fig. 1 bis 3 beschrieben worden und die in Verbindung mit dem bekannten Laser-Arc-Verfahren betrieben werden kann, können verschiedenste Schich ten auf verschiedensten Substraten aufgebracht wer den. So können partikelfreies Aluminium, verschiedene Aluminiumverbindungen (durch Zugabe entsprechend re aktiver Gase) und auch diamantähnliche Kohlenstoff schichten aufgebracht werden.In a device such as has been described with the examples according to FIGS. 1 to 3 and which can be operated in conjunction with the known laser arc method, a wide variety of layers can be applied to a wide variety of substrates. Particle-free aluminum, various aluminum compounds (by adding appropriate reactive gases) and diamond-like carbon layers can be applied.

Nachfolgend soll die Beschichtung eines Substrates mit Aluminium als Beispiel beschrieben werden.The following is the coating of a substrate with aluminum as an example.

Hierzu wird ein walzenförmiges Aluminiumtarget 1 ver wendet und die Anode 4 zur Erzeugung der Bogenentla dung im Vakuum sowie die Absorberelektrode 2 weisen die gleiche Länge, wie das walzenförmige Aluminium target 1 auf. Bei diesem Beispiel wird eine Absorber elektrode 2, gemäß Fig. 1 verwendet, deren Krüm mungsradius 60 mm beträgt. Für die Zündung der Vaku um-Bogenentladung wird eine Impulsspitzenspannung von ca. 400 V an die Anode 4 angelegt. Nachdem die Zün dung der Vakuum-Bogenentladung zwischen Anode 4 und Target 1 mit Hilfe des Laserstrahls 5 (Leistungsdich te 5 . 10⁸ W/cm²) erfolgt ist, wird die Anodenspannung innerhalb weniger Mikrosekunden auf die Bogenentla dungsspannung von ca. 30 V reduziert. Die Stromstärke der Bogenentladung beträgt ca. 1.000 A, die Impuls frequenz, mit der die Vakuum-Bogenentladung durchge führt wird, liegt bei ca. 100 Hz.For this purpose, a roller-shaped aluminum target 1 is ver turns and the anode 4 to generate the Bogenentla dung in vacuo and the absorber electrode 2 have the same length as the roller-shaped aluminum target 1 on. In this example, an absorber electrode 2 is used , as shown in FIG. 1, the radius of curvature of which is 60 mm. A pulse peak voltage of approx. 400 V is applied to the anode 4 to ignite the vacuum arc discharge. After the zuen dung of the vacuum-arc discharge between anode 4 and the target 1 with the aid of the laser beam (te performance log. 5 10 ⁸ W / cm ²⁾ 5 has been made, the anode voltage is within a few microseconds to the Bogenentla dung voltage of about 30 V is reduced . The current intensity of the arc discharge is approx. 1,000 A, the pulse frequency with which the vacuum arc discharge is carried out is approx. 100 Hz.

Die Spannung an der Absorberelektrode 2 konnte bei mittleren Werten im Bereich zwischen 180 V und 200 V und die mittlere Stromstärke bei 1 A gehalten werden. The voltage at the absorber electrode 2 could be kept at average values in the range between 180 V and 200 V and the average current at 1 A.

Das isoliert in der Vakuumkammer aufgehängte Substrat 3 kann im Gegensatz zu den beispielhaften Darstellun gen auf Massepotential gehalten werden. Mit einer solchen Anordnung können Beschichtungsraten reali siert werden, die bei ca. 40%, einer Vorgehensweise ohne die erfindungsgemäße Lösung, d. h. ohne zusätzli che Absorberelektrode, erreicht werden.The substrate 3 , which is suspended in isolation in the vacuum chamber, can be kept at ground potential in contrast to the exemplary representations. With such an arrangement, coating rates can be achieved which can be achieved at approximately 40%, a procedure without the solution according to the invention, ie without additional absorber electrode.

Die Absorberelektrode 2 kann aber auch in nicht dar gestellter Form so ausgebildet werden, daß sie aus mehreren in einem Abstand zueinander angeordneten ebenen, flächigen Elementen besteht, wobei die ein zelnen Elemente parallel zueinander ausgerichtet sind und die einzelnen, die Absorberelektrode 2 bildenden Elemente orthogonal zur Längsrichtung des Targets ausgerichtet sind, so daß durch die Zwischenräume zwischen benachbarten flächigen Elementen im Plasma gegebenenfalls vorhandene größere Tröpfchen abgeführt werden können und demzufolge eine Abscheidung auf dem Substrat 3 vermieden werden kann.The absorber electrode 2 can also be designed in a manner not shown so that it consists of a plurality of spaced flat planar elements, the individual elements being aligned parallel to each other and the individual elements forming the absorber electrode 2 orthogonal to Longitudinal direction of the target are aligned, so that any larger droplets that may be present can be removed through the spaces between adjacent flat elements in the plasma and consequently deposition on the substrate 3 can be avoided.

Die ebenen, flächigen Elemente einer so ausgebildeten Absorberelektrode können an der dem Plasma zugewand ten Seite bevorzugt so geformt sein, wie dies bei den Streifenträgern 2" in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist. Die einzelnen ebenen, flächigen Elemente können mit mindestens in einer Achse angeordneten Abstands haltern, auch elektrisch leitend, verbunden sein.The flat, flat elements of an absorber electrode designed in this way can preferably be shaped on the side facing the plasma, as is shown in the case of the strip carriers 2 "in FIGS. 3 and 4. The individual flat, flat elements can be provided with at least one Axis arranged spacers, also electrically conductive, be connected.

Claims

1. Device for coating substrates in a vacuum, a plasma being generated between a target and a substrate and ionized particles of the plasma being deposited on the substrate as a layer, characterized in that
that an absorber electrode ( 2 ) lying in front of or next to the plasma is arranged and shaped in relation to the plasma at an electrically positive potential
that around the absorber electrode ( 2 ) forms an electrical field, the electrical field vector of which is at least approximately orthogonal to the direction of movement of the ionized particles of the plasma and
the absorber electrode ( 2 ) and / or the substrate ( 3 ) are arranged so that the positively charged particles of the plasma do not get directly onto the substrate ( 3 ).

2. Device according to claim 1, characterized in that a laser beam ( 5 ) for generating a plasma is directed onto a target ( 1 ).

3. Apparatus according to claim 1, characterized in that a pulsed laser beam ( 5 ) is directed to a target connected as a cathode ( 1 ) and an anode ( 4 ) for initiating a pulsed vacuum arc discharge is present.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the switched as a cathode target ( 1 ') formed in a roller shape, rotatably arranged and the pulsed laser beam ( 5 ) parallel to a plane of the axis of rotation of the target ( 1 ') whose outer surface can be deflected.

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that between the substrate ( 3 ) and target ( 1 ) a direct impact of ionized particles on the substrate preventing the diaphragm ( 6 ) is arranged.

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the Absorberelektro de ( 2 ) is part-circular, in the direction of the sub strate ( 3 ) is curved.

7. The device according to claim 5, characterized in that the diaphragm ( 6 ) is curved GE.

8. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the absorber electrode ( 2 ) from a plurality of strips ( 2 ') which are arranged on a strip carrier ( 2 ") is formed.

9. The device according to claim 8, characterized in that the strips ( 2 ') are arranged electrically isolated from each other on the Strei fträger ( 2 ").

10. The device according to claim 9, characterized in that on the individual strips ( 2 ') potentialals are created with different heights.

11. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the Absorberelektro de ( 2 ) consists of a wedge-shaped body which points with its wedge tip in the direction of the target ( 1 ), in the particle flow between the target ( 1 ) and the substrate ( 3 ) is arranged.

12. The apparatus according to claim 11, characterized in that the Absorberelektro de ( 2 ) is dimensioned such that the electric field is formed at least approximately in the entire space between the Absorberelektro de ( 2 ) and the substrate ( 3 ), and / or the length the absorber gerelektrode ( 2 ), the length of the target ( 1 ) speaks ent.

13. The device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the Absorberelektro de from several at a distance from each other, orthogonal to the longitudinal axis of the target ( 1 ) aligned, parallel arranged planar, flat and curved elements in the direction of the substrate is formed.

14. Device according to one of claims 1 to 13, characterized in that between the base of the plasma and the absorber electrode ( 2 ) is a git ter-shaped element made of electrically conductive material through which the plasma is guided to.

15. The device according to one of claims 1 to 14, characterized in that a negative DC voltage or a pulsed voltage is applied to the substrate ( 3 ).

16. A method for coating substrates in a vacuum, in which a plasma is generated between a target and a substrate and ionized particles of the plasma are deposited on the substrate as a layer, characterized in that ionized particles and electrons of the plasma generated by a a Absorberelek trode (2) electric field generated out therethrough and absorbs electrons from the absorber electrode (2) and the electrically positive particles are moved to the substrate (3).

17. The method according to claim 16, characterized in that the plasma is generated by means of pulsed energy from the target and the voltage at the absorber electrode ( 2 ) is also operated in a pulsed manner.

18. The method according to claim 16 or 17, characterized in that the plasma is generated by means of arc discharge between the target as a cathode scarfed target ( 1 ) and an anode ( 4 ) and the voltage of the absorber electrode ( 2 ) greater than the voltage of the anode ( 4th ) is held.

19. The method according to claim 18, characterized in net that the plasma by means of pulsed Bogenent charge is generated.

20. The method according to claim 18, characterized in that the voltage of the absorber electrode ( 2 ), the voltage of the anode ( 4 ) is switched subsequently.

21. The method according to any one of claims 16 to 20, characterized in that the arc discharge between the target connected as a cathode ( 1 ) and the anode ( 4 ) is ignited by means of a pulsed laser beam ( 5 ).

22. The method according to any one of claims 16 to 21, characterized in that a cylindrical target ( 1 ) rotates uniformly about its longitudinal axis and the pulsed laser beam ( 5 ) along a plane, parallel to the axis of rotation of the target ( 1 ) deflected over the lateral surface becomes.

23. The method according to any one of claims 16 to 22, characterized in that a gas or gasge is fed mixed.