DE19902146C2 - Verfahren und Einrichtung zur gepulsten Plasmaaktivierung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und die zugehörige Einrichtung zur Erzeugung dichter Plasmen in Vakuumprozessen mittels mit wechselnder Polarität gepulster Hohlkatoden in reaktiven oder nichtreaktiven Beschichtungsprozessen. Das Verfahren ermöglicht neben der Beschichtung stationärer Substrate insbesondere die Beschichtung bewegter bandförmiger Substrate, z. B. die Bedampfung von Kunststofffolien mit Siliziumoxid oder Aluminiumoxid mit einer Schichtdicke von 1 µm bis zu 10 µm für den Abriebschutz oder mit Schichtdicken im Bereich von 10 nm bis 100 nm für Verpackungsmaterial mit hoher Gasdiffusionsbarriere. Weitere Anwendungen sind optische Schichten aus Siliziumoxid, Tantalpentoxid oder Titanoxid mit typischen Dicken von 20 nm bis 500 nm für selektiv lichtdurchlässige Gewächshausfolien oder für hochwertige Lampenreflektoren. Das Verfahren ist zum Betrieb in Edelgas- und Reaktivgasatmosphäre geeignet und damit auch für Oberflächen­ behandlungen und Plasma-Ätzprozesse einsetzbar.

Durch Plasmaaktivierung bei der Vakuumbeschichtung tritt eine deutliche Verbesserung der Schichteigenschaften ein. Neben der Verbesserung der Haftfestigkeit der Schichten erhöht sich die Dichte des Schichtmaterials. Insbesondere bei der Abscheidung auf kalten Substraten geht die grobe stengelige Struktur der ohne Plasmaaktivierung abgeschiedenen Schichten mit zunehmender Plasmaaktivierung zu zunehmend feineren bis hin zu stengelfreien und dichten Strukturen über. Abhängig vom Material und der Beschichtungstemperatur können die Materialien in dichten amorphen Phasen, in feinkristallinen Phasen bis hin zu kristallinen Phasen abgeschieden werden. Insbesondere zur Schichtabscheidung mit hoher Rate ist die Verwendung eines Plasmas mit hoher Ladungsträgerdichte vorteilhaft.

Es ist bekannt, dass sich im Niederdruckbereich zwischen 10^-2 Pa und 1 Pa mit Hohlkatoden­ bogenentladungsplasmen sehr hohe Ladungsträgerdichten in der Größenordnung von 10¹² cm^-3 erzielen lassen.

Dazu sind Beschichtungseinrichtungen bekannt, die den für Hohlkatodenbogenentladungen typischen, vorzugsweise gerichteten Elektronenanteil des Plasmas in den als Anode geschalteten Verdampfertiegel führen. Hierbei erfolgt die Verdampfung durch die Energie des Strahls der niederenergetischen Elektronen (US Patent 3,562,141; René A. Haefer; Oberflächen und Dünnschicht-Technologie; Springer Verlag Berlin Heidelberg New York London Tokyo 1987; Teil I S. 133 Abb. 7.9). Nachteilig ist, dass die Energie der Strahlelektronen nur teilweise für die Plasmagenerierung zur Verfügung steht.

Es sind auch Einrichtungen bekannt, in denen sich der Dampf, insbesondere für größere Beschichtungsflächen und hohe Beschichtungsraten, weitaus effektiver aktivieren lässt, wenn das Hohlkatodenplasma ausschließlich zur Plasmaaktivierung herangezogen wird. Die Plasma­ entladungen dieser Einrichtungen werden mit Gleichstrom betrieben. Die außer den Hohlkatoden zur Plasmagenerierung notwendigen Anoden sind in derartigen Einrichtungen teilweise mit der Verdampfungseinrichtung verkoppelt (DE 196 12 344 C1, DE 196 12 345 C1). Die Nutzung des Verdampfertiegels oder einer nahe am Verdampfertiegel angeordneten Elektrode als Anode hat den Nachteil, dass die Funktionsfähigkeit der Einrichtungen auf eine mit der Verdampfung elektrisch leitfähiger Materialien verbundene Plasmaaktivierung beschränkt ist.

Es ist weiterhin bekannt das Plasma mittels eines magnetischen Feldes zu führen. Wird durch geeignete magnetfelderzeugende Einrichtungen ein longitudinales Magnetfeld derart erzeugt, dass einige seiner Feldlinien von der Hohlkatode zur Anode führen, bleiben höherenergetische Strahlelektronen auf ihrem Weg von der Hohlkatode zur Anode im Bereich der verbindenden Feldlinien gebunden und halten das hochdichte Plasma in einem gewissen Abstand vom Substrat (DE 42 35 199 C1). Nachteilig ist dabei, dass durch das Fernhalten der höherenergetischen Strahlelektronen vom Substrat der Aufbau eines hohen Selbstbiaspotentials verhindert wird. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Anwendbarkeit auf spezielle Ausgestaltungen der Verdampfungseinrichtung mit aufwendigen Magnetsystemen beschränkt bleibt.

Es sind Einrichtungen mit Hohlkatoden bekannnt, bei denen auf die Führung des Plasmas durch ein Magnetfeld verzichtet wird (EP 0 545 863 A1). Dadurch sind nur wesentlich niedrigere Ladungsträgerdichten möglich, da die Plasmaelektronen und besonders die Strahlelektronen ihrer natürlichen Ausbreitungsrichtung folgen und das Plasma großräumig ausweiten. Die Ausweitung vermindert die Ladungsträgerdichte am Substrat in erheblicher Weise. Somit kann der Vorteil eines dichten Plasmas aus Hohlkatoden nicht in vollem Umfang für die Plasmaaktivierung genutzt werden.

Bei beiden vorgenannten Einrichtungen ist außerdem bei der Verdampfung isolierender Materialien zur Aufrechterhaltung der elektrischen Leitfähigkeit an der Anode ein erheblicher apparativer Aufwand erforderlich.

Es ist bekannt, zum Verdampfen isolierender Materialien eine ringförmige Anode - sog. Ringanode - unmittelbar vor der Hohlkatode anzuordnen und das für die Plasmaaktivierung wirksame Plasma ausschließlich durch die Strahlelektronen zu erzeugen, welche die Bohrung der Ringanode durchdrungen haben (DE 195 46 827 A1). In diesem Fall scheiden sich keine störenden isolierenden Schichten auf der Ringanode ab, da diese sich im Wesentlichen außerhalb des Dampfbereiches befindet und die Ringanode durch die auftreffenden Strahlelektronen stark aufgeheizt wird. Da sich der Bereich der Plasmaaktivierung des Dampfes außerhalb des zwischen Hohlkatode und Anode aufgebauten elektrischen Feldes befindet, besteht jedoch der Nachteil, dass sich nur deutlich niedrigere Ladungsträgerdichten im Plasma erzeugen lassen, als mit Anordnungen, die den zu aktivierenden Bereich zwischen der Hohlkatode und der Anode einschließen. Darüber hinaus begrenzt die Reichweite der Strahlelektronen die geometrische Ausdehnung des Plasmas.

Es sind Einrichtungen bekannt, in denen die Effektivität der Plasmaeinwirkung dadurch erhöht wird, dass durch Anlegen eines Substrat-Bias-Potentials Ladungsträger aus dem Plasma in Richtung Substrat beschleunigt werden, die kinetische Energie der auftreffenden Ladungsträger also erhöht wird. Bei Abscheidung isolierender Schichten haben sich dafür mittelfrequent gepulste Substrat-Bias-Potentiale bewährt (DE 44 12 906 C1). Der Nachteil dieses Verfahrens besteht allerdings darin, dass sich zwar die kinetische Energie der einzelnen Ladungsträger erhöhen lässt, die Ladungsträgerdichte im Plasma jedoch nicht gesteigert werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine zugehörige Einrichtung zur Plasmaaktivierung des Dampfes für nichtreaktive und reaktive Bedampfungsprozesse zu schaffen. Das Verfahren und die Einrichtung soll für die Beschichtung großflächiger Substrate mit elektrisch isolierenden Schichten, insbesondere für die Abscheidung von oxidischen Schichten, geeignet sein. Die zur Durchführung des Verfahrens erforderliche Einrichtung soll einfach im Aufbau sowie universell einsetzbar und leicht an eine Vielzahl von Bedampfungs­ anlagen anzupassen sein. Das Verfahren soll darüber hinaus so leistungsfähig sein, dass es zur plasmaaktivierten Hochratebedampfung mit Beschichtungsraten in der Größenordnung von 100 nm/s bis zu 1000 nm/s einsetzbar ist und dass die mit Schichtdicken von mehr als 1 µm abgeschiedenen Schichten stengelfreie, dichte Strukturen aufweisen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach den Merkmalen der Ansprüche 1, 7 und 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 6 sowie 9 bis 17 beschrieben.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht die Erzeugung sehr dichter Niedervolt-Plasmen sowohl in Edelgasatmosphäre als auch in der Dampf- und Reaktivgasatmosphäre.

Der gepulste Betrieb von Hohlkatoden bringt folgende Vorteile mit sich: die mit wachsender Entladungsstromstärke überproportionale Ausbildung des gerichteten Elektronenanteils im Plasma, die für Hohlkatodenbogenentladungen besonders stark ausgebildet ist, führt bei einem gepulsten Plasma bei einem gleichen mittleren Entladungsstrom auch schon ohne magnetische Führung des Plasmas zu deutlich höheren Ladungsträgerdichten. Darüber hinaus wird die Sensibilität gegenüber Ablagerungen elektrisch isolierenden Materials auf den Elektroden deutlich vermindert. Sämtliche bisher bekannten mit Gleichstrom betriebenen Verfahren und Einrichtungen, denen eine aus Hohlkatode und Anode bestehende Plasmaentladungsstrecke zugrunde liegt, können vorteilhaft mit einem mittelfrequent gepulsten Strom betrieben werden. Die Ladungsträgerdichte im Bereich der positiven Plasmasäule bleibt bereits bei Frequenzen oberhalb von 1000 Hz von der Pulsfolge unbeeinflusst. Um wirksame Überkopplungseffekte über isolierende Schichten zu erzielen, sind Pulsfrequenzen von 50 kHz bis 200 kHz anzustreben.

Vorteilhaft ist es, die Hohlkatoden zusammen mit Hilfsanoden, die meist als Ringanoden ausgebildet sind, aufzubauen. Wenn zwischen der Hohlkatode und ihrer Ringanode eine Gleichspannung angelegt wird, so dass zwischen ihnen ständig ein Entladungsstrom fließt, kann eine besonders hohe Betriebsstabilität, vor allem in reaktiven Prozessen zur Abscheidung von elektrisch isolierenden Materialien erreicht werden, da, unabhängig von der jeweiligen Polarität der gepulsten Hauptentladung, die Elektronenemission der Hohlkatoden unterbrechungsfrei aufrechterhalten wird. Darüber hinaus wird die Ringanode durch die kontinuierliche Entladung so stark aufgeheizt, dass das Abscheiden isolierender Schichten vermieden wird.

Eine besonders vorteilhafte Gestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich durch den Betrieb einer symmetrischen Anordnung von gegenüberliegenden Hohlkatoden mit angeschlossenen Ringanoden. Die Art der Plasmaerzeugung ist einfach, ermöglicht eine gleichmäßige Plasmaeinwirkung auf größere Bereiche durch ihren symmetrischen Aufbau und ist universell verwendbar für eine Vielzahl von Anordnungen ohne und mit magnetischem Führungsfeld.

Mehrfachanordnungen derartiger Hohlkatoden mit Ringanoden gestatten den Einsatz für großflächige Anwendungen. Wird zwischen den Hohlkatoden eine mittelfrequent bipolar gepulste Spannung angelegt, wird ein hoher Entladungsstrom zwischen den Hohlkatoden erzeugt. Dadurch entsteht ein sehr dichtes Plasma, wobei die Entladung mit wechselnder Polarität jeweils von einer Hohlkatode überwiegend zur Ringanode der gegenüberliegenden Hohlkatode brennt, insbesondere, wenn die Ringanoden durch Gleichspannungsquellen auf positivem Potential gegenüber der nächstgelegenen Hohlkatode gehalten werden. Dadurch werden die Ringanoden so stark aufgeheizt, dass auf ihnen keine isolierenden Schichten dauerhaft abgeschieden werden. Dadurch entfallen andere Maßnahmen zum Schutz vor isolierenden Ablagerungen.

Die Frequenz des Polaritätswechsels soll mehr als 1000 Hz betragen, um einen Zerfall des Plasmas beim Polaritätswechsel zu unterbinden.

Die Anordnung kann zum Betrieb einer Plasmaentladung im Niederdruckbereich als Plasmaquelle für technologische Zwecke wie Plasmabehandlung oder Ätzen von Substraten sowie als Plasmaquelle für die reaktive oder nichtreaktive Dampfabscheidung genutzt werden. Die hohe Ladungsträgerdichte macht das Plasma besonders geeignet zur Aktivierung des Dampfes bei der Dampfabscheidung mit hoher Rate.

Die Plasmaentladung kann sowohl mit magnetischer Führung als auch ohne betrieben werden.

Anhand einiger Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert.

In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Einrichtung mit einer Hohlkatode mit Ringanode zur Durchführung des Verfahrens,

Fig. 2 eine Einrichtung mit zwei Hohlkatoden mit Ringanode zur Durchführung des Verfahrens,

Fig. 3 eine Einrichtung zum Beschichten von bewegten bandförmigen Substraten, wobei die Hohlkatoden seitlich des Verdampfertiegels angeordnet und zum Substrat ausgerichtet sind,

Fig. 4 eine Einrichtung mit einer Führung des Plasmas in einem longitudinalen Magnetfeld,

Fig. 5 eine Einrichtung mit einer magnetischen Führung des Plasmas durch gleichsinnig erregte Magnetspulen,

Fig. 6 eine Einrichtung mit einer magnetischen Führung des Plasmas durch gegensinnig erregte Magnetspulen an den Katoden und einer zusätzlichen Spule oberhalb des Substrates.

Fig. 1 zeigt eine Einrichtung zur Erzeugung eines Plasmas zwischen einer Hohlkatode 1 mit ringförmiger Hilfsanode 2 - auch Ringanode genannt - und einer Anode 3. Die Einrichtung wird mit einem Pulsgenerator 4 betrieben. Eine Gleichspannungsquelle 5 erzeugt eine Gleichspannung zwischen der Hohlkatode 1 und der Ringanode 2, welche die Ringanode 2 ständig auf einem positiven Potential gegenüber der Hohlkatode 1 hält. Unabhängig von der Polarität der Ausgangsspannung des Pulsgenerators 4 brennt zwischen der Hohlkatode 1 und der Ringanode 2 ständig ein Plasma 6 und die Elektronenemission der Hohlkatode 1 wird zu keinem Zeitpunkt unterbrochen. In der Phase der positiven Polarität an der Anode 3 wird das dichte Plasma 7 zur Anode 3 hin aufgebaut. Für Pulsfreqenzen über 1000 Hz bleibt das Plasma 7 stabil und wird nicht mehr von der Phasenlage der Ausgangsspannung des Pulsgenerators 4 beeinflusst.

Fig. 2 zeigt eine Einrichtung zur Erzeugung eines Plasmas zwischen zwei Hohlkatoden 1; 8 mit Ringanoden 2; 9. Die Hohlkatoden 1; 8 werden von einem Pulsgenerator 4 mit einer Spannung wechselnder Polarität versorgt. Zwei Gleichspannungsquellen 5; 10 sorgen dafür, dass sich die Ringanoden 2; 9 gegenüber den Hohlkatoden 1; 8 ständig auf einem positiven Potential befinden. Unabhängig von der Polarität der Ausgangsspannung des Pulsgenerators 4 brennt zwischen den Hohlkatoden 1; 8 und den Ringanoden 2; 9 ständig ein Plasma 6; 11 und die Elektronenemission der Hohlkatoden 1; 8 wird zu keinem Zeitpunkt unterbrochen. Liegt eine Hohlkatode 1 auf einem negativen Potential und die andere Hohlkatode 8 auf einem positiven Potential, führt das gegenüber der einen Ringanode 2 wesentlich größere positive Potential der anderen Ringanode 9 dazu, dass das Plasma von der Hohlkatode 1 durch die Öffnung der Ringanode 2 hindurch zur Ringanode 9 aufgebaut wird. In dieser Phase bildet die Ringanode 9 die Hauptanode gegenüber der Hohlkatode 1 und die Ring­ anode 2 fungiert als Hilfsanode. Nach dem Polaritätswechsel der Ausgangsspannung des Pulsgenerators 4 wird das Plasma von der Hohlkatode 8 zur Ringanode 2 aufgebaut. Somit wird zwischen den beiden Ringanoden 2; 9 ein symmetrisches, dichtes Plasma 7 aufgebaut.

Fig. 3 stellt eine Einrichtung für die plasmaaktivierte Bedampfung eines bandförmigen Substrates 12 aus isolierendem Material dar. Zwei Hohlkatoden 1; 8 mit Ringanoden 2; 9 sind seitlich eines Verdampfertiegels 13 unterhalb des Substrates 12 symmetrisch zum Substrat 12 angeordnet. Die Hohlkatoden 1; 8 sind zum Substrat 12 hin ausgerichtet. Damit wird erreicht, dass der von den Hohlkatoden 1; 8 emittierte, gerichtete, höherenergetische Elektronenanteil in einem hohen Maße zur Substratoberfläche geführt wird und eine hohe negative Selbstbiasspannung im Bereich zwischen 15 V bis 25 V aufbaut.

Darüber hinaus konzentriert die hohe Ionisierungsfähigkeit des höherenergetischen Elektronenstrahlanteils das dichte Plasma 14 am Substrat 12 und es können am Substrat 12 hohe Ionenstromdichten im Bereich von 5 mA/cm² bis 50 mA/cm² erreicht werden, wobei der Plasmaentladungsstrom etwa 200 A beträgt und eine Pulsfrequenz von 1000 Hz zur Anwendung kommt.

Fig. 4 stellt eine Einrichtung zur Erzeugung eines gepulsten Plasmas mit zwei Hohlkatoden 1; 8 mit Ringanoden 2; 9 dar. Das Plasma 7 wird durch ein starkes longitudinales Magnetfeld 15, welches eine Magneteinrichtung (nicht gezeichnet) erzeugt, geführt. Bei einem Entladungsstrom von 200 A und einer magnetischen Feldstärke von 5 kA/m können Ladungsträgerdichten im Bereich von 10¹¹ 1/cm³ bis 10¹³ 1/cm³ erreicht werden, wobei eine starke Abhängigkeit der Ladungsträgerdichte vom Abstand zum Kern der Entladung besteht. Eine Beschaltung mit Dioden 16 verhindert, dass die Ausgangsspannung des Pulsgenerators 4 zu einem zusätzlichen Stromfluss durch die Gleichspannungsquellen 5; 10 führt. Außerdem werden dadurch mögliche Bogenentladungen zwischen den Ringanoden 2; 9 verhindert. Diese Beschaltung ist auch auf die Beispiele nach Fig. 2, 3, 5 und 6 übertragbar.

Fig. 5 zeigt eine Einrichtung zur Beschichtung eines bandförmigen Substrates 12 aus Aluminium mit optischen Schichten aus SiO_X und TiO₂ zur Erhöhung der Reflexion. Sie dient zur reaktiven Elektronenstrahl-Verdampfung von TiO₂ aus einem Tiegel 17. Seitlich des Tiegels 17 befinden sich Düsen 18 zum Einlass des Reaktivgases O₂. Eine Elektronen­ kanone 19 ist seitlich vom Substrat 12 angeordnet und deren Elektronenstrahl 20 wird unter einem Winkel von ca. 45° in den Tiegel 17 geführt. Zwischen dem Tiegel 17 und dem Substrat 12 befindet sich seitlich des austretenden Dampfstromes 21 links und rechts je eine Hohlkatode 1; 8, welche mit je einer vorgesetzten Ringanode 2; 9 und je einer Magnetspule 22; 23 einer magnetfelderzeugenden Einrichtung versehen sind. Die Hohlkatoden 1; 8 sind mit den Ringanoden 2; 9 jeweils in einer Umhausung 24 untergebracht, wodurch sich durch das durch die Hohlkatoden 1; 8 einströmende Arbeitsgas Ar auch an den Ringanoden 2; 9 ein gegenüber der Umgebung erhöhter Partialdruck des Arbeitsgases einstellt. Die Ring­ anoden 2; 9 sind aus einem Graphitwerkstoff gefertigt und werden während der Beschichtung durch die Energie des Anodenfalles und durch absorbierte Strahlelektronen so hoch aufgeheizt, dass die Kondensation von TiO₂ auf den Ringanoden 2; 9 verhindert wird. Gleichspannungsquellen 5; 10 zwischen den Hohlkatoden 1; 8 und den Ringanoden 2; 9, halten die Ringanoden 2; 9 stets auf einem positiven Potential gegenüber den Hohlkatoden 1; 8. Der Entladungsstrom zwischen den Hohlkatoden 1; 8 und den jeweils nächstgelegenen Ringanoden 2; 9 beträgt etwa 10% bis 30% des mittleren Gesamtentladungsstromes, der von der Hauptstromversorgung, dem Pulsgenerator 4 mit ständig wechselnder Polarität eingespeist wird. Die Pulsfrequenz beträgt 50 kHz. Es werden Rechteckimpulse mit einem symmetrischen oder variablen Tastverhältnis verwendet.

Die an den Hohlkatoden 1; 8 angeordneten Magnetspulen 22; 23 werden gleichsinnig erregt und erzeugen ein magnetisches Führungsfeld 25. Dieses geht mit wachsender Entfernung von den Hohlkatoden 1; 8 in ein magnetisches Streufeld über. Der obere Teil der Feldlinien führt zum Substrat 12. Die Hohlkatoden 1; 8 sind so ausgerichtet, dass der gerichtete Anteil der Plasmaelektronen durch das magnetische Führungsfeld 25 teilweise zum Substrat 12 hin und teilweise nahe am Substrat 12 vorbei zur Ringanode 9; 2 der benachbarten Hohlkatode 8; 1 hin geführt wird. Der Teil der gerichteten Elektronen, welcher auf das Substrat 12 trifft, erzeugt auf isolierenden Oberflächen eine hohe negative Selbstbiasspannung von -10 V bis -20 V, welche den kondensierenden Ionen durch die Beschleunigung in der Plasmarandschicht zusätzliche Energie verleiht. Die Gestaltung des Magnetfeldes führt zu einem Feldstärkegradienten vom Bereich der geschlossenen Feldlinien zum Substrat 12 hin. Dieser Gradient bewirkt ebenfalls eine Beschleunigung der Ionen aus dem Plasma, was zu einer erhöhten Ionenstromdichte am Substrat 12 und zu einem weiteren Zuwachs der Ionenenergie führt.

Die erzielbare Ionenstromdichte liegt im Bereich zwischen 5 mA/cm² und 100 mA/cm². Damit können bei einer Kondensationstemperatur, die der Raumtemperatur entspricht, glasig dichte Titanoxidschichten mit optischer Qualität im Ratebereich von 10 nm/s bis zu 200 nm/s abgeschieden werden.

Fig. 6 zeigt eine Einrichtung mit gegensinnig beschalteten Magnetspulen 22; 23 an den Hohlkatoden 1; 8. Dadurch entstehen keine durchgängigen Feldlinien zwischen den Hohlkatoden 1; 8 und das Plasma wird zerstreut. Durch die Erregung einer weiteren oberhalb des Substrates angeordneten Magnetspule 26 bilden sich jedoch viele Feldlinien 27 aus, die zum Substrat 12 führen. Durch geeignete Einstellung der die Magnetspulen 22; 23; 26 durchfließenden Ströme lässt sich eine sehr homogene Beauflagung der Substratfläche mit dem Plasma erreichen.

Um sehr dichte Schichten abscheiden zu können, wird am Substrat 12 eine negative äußere Biasspannung angelegt, um die Ionen mit einer höheren Energie zum Substrat zu beschleunigen. Zur Erzielung dieses Effektes auch bei der Abscheidung elektrisch isolierender Schichten wird von einem zusätzlichen Generator 28 eine mittelfrequent unipolar gepulste Rechteckspannung von 500 V mit einer Frequenz von 100 kHz erzeugt und zwischen dem Substrat 12 und einem dem Plasmapotential nahen Bezugspotential angelegt. Dieses Bezugspotential kann über Widerstände 29 oder über eine großflächige Bezugselektrode, wie z. B. dem Rezipienten, abgegriffenen werden.

Claims (17)

1. Verfahren zur Erzeugung eines dichten Plasmas im Niederdruckbereich, vorzugsweise für die ionengestützte Beschichtung, durch eine Hohlkatodenbogenentladung mittels mindestens einer Hohlkatode, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkatoden­ bogenentladung mit einer mittelfrequent gepulsten Spannung betrieben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkatoden­ bogenentladung mit einer unipolar gepulsten Spannung betrieben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkatoden­ bogenentladung mit einer bipolar gepulsten Spannung betrieben wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma mit einem longitudinalen und/oder durch ein transversales Magnetfeld geführt wird.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Pulsspannungen im Bereich von 15 V bis 200 V, insbesondere von 20 V bis 100 V, Pulsströme im Bereich von 10 A bis 1000 A, insbesondere von 20 A bis zu 400 A, und Pulsfrequenzen von 10 Hz bis 1 MHz, insbesondere von 1 kHz bis zu 200 kHz, verwendet werden.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beschichtung isolierender Oberflächen auf einem leitfähigen Substrat zur Erhöhung der Energie der kondensierenden Ionen zwischen dem Substrat und dem Plasma eine gepulste Biasspannung mit einer Pulsfrequenz zwischen 10 kHz und 200 kHz mit einer Spannung zwischen 50 V und 1000 V angelegt wird.

7. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einer Hohlkatode (1), einer unmittelbar vor der Hohlkatode (1) angeordneten, vorzugsweise ringförmigen Hilfsanode (2) und einer Anode (3), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Hohlkatode (1) und der Anode (3) ein Pulsgenerator (4) angeschlossen ist, welcher eine unipolar mittelfrequent gepulste Spannung erzeugt, wobei der negative Pol mit der Hohlkatode (1) und der positive Pol mit der Anode (3) verbunden ist und dass zwischen der Hohlkatode (1) und der Hilfsanode (2) eine Gleichspannungsquelle (5) angeschlossen ist.

8. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus zwei gegenüber angeordneten Hohlkatoden (1; 8) mit daran angeschlossenen unmittelbar vor den Hohlkatoden (1; 8) angeordneten, vorzugsweise ringförmigen Hilfsanoden (2; 9), dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkatoden (1; 8) an einen Pulsgenerator (4) angeschlossen sind, der zwischen den Hohlkatoden (1; 8) eine bipolar mittel­ frequent gepulste Spannung erzeugt.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeder Hohlkatode (1; 8) und der jeweils vor ihr angeordneteten Hilfsanode (2; 9) eine Gleichspannungsquelle (5; 10) angeschlossen ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkatoden (1; 8) derart angeordnet sind, dass der von den Hohlkatoden (1; 8) emittierte gerichtete Anteil Plasmaelektronen teilweise oder ganz zum Substrat (12) geführt wird.

11. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine magnetfelderzeugende Einrichtung derart angeordnet ist, dass die Feldlinien teilweise die Hohlkatode (1) mit der Anode (3) oder die beiden Hohlkatoden (1; 8) miteinander verbinden.

12. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine magnetfeld­ erzeugende Einrichtung derart angeordnet ist, dass deren Feldlinien (25) teilweise die beiden Hohlkatoden (1; 8) miteinander verbinden und teilweise von den Hohlkatoden (1; 8) zum Substrat (12) führen.

13. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere magnetfelderzeugende Einrichtungen derart angeordnet sind, dass sie gegensinnig polarisierte Magnetfelder erzeugen und keine verbindenden Feldlinien zwischen den Hohlkatoden (1; 8) entstehen, wobei der Anteil der zum Substrat (12) geführten Feldlinien (27) noch durch eine zusätzliche magnetfelderzeugende Einrichtung (26) in der Nähe des Substrates (12) verstärkt wird.

14. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsform der bipolar mittelfrequent gepulsten Spannung rechteckig oder sinusförmig ist.

15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastverhältnis zwischen den positiven und den negativen Impulsen einstellbar ist.

16. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsanoden (2; 9) aus hochschmelzendem Material sind und schlecht wärmeleitend befestigt sind.

17. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Anordnungen, bestehend aus Hohlkatode (1) und Anode (3) oder aus zwei gegenüberliegenden Hohlkatoden (1; 8) mit Hilfsanoden (2; 9), nebeneinander angeordnet sind.