DE2342376A1

DE2342376A1 - Vorrichtung fuer das auftragen von duennen schichten unter vakuum

Info

Publication number: DE2342376A1
Application number: DE19732342376
Authority: DE
Inventors: Jean-Jacques Bessot
Original assignee: Alcatel CIT SA
Current assignee: Alcatel CIT SA
Priority date: 1972-08-31
Filing date: 1973-08-22
Publication date: 1974-03-14
Also published as: GB1383189A; FR2198000B1; FR2198000A1; CH579154A5; NL7311976A; JPS4966577A

Description

2763

22. ME UM

COMPAGKIE INDUSTRIELLE DES TELECOMMUNICATIONS

CIT-ALCATEL
12, rue de la Baume, 75008 PARIS (Prankreich)

VORRICHTUNG PUR DAS AUPTRAGEN VON DÜNNEN SCHICHTEN

UNTER VAKUUM

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für das Auftragen dünner Schichten unter Vakuum.

Vakuum-Auftragsverfahren für dünne Schichten lassen sich im wesentlichen auf zwei Techniken zurückführen, die "beide ihre Vorteile haben und die sich gegenseitig ergänzen. So kann man mit Hilfe der Kathodenzerstäubung Schichten erhalten, die mit dem Schichtträger eine Einheit bilden, während das Aufdampf ungs verfahren unter Vakuum ein Beschichten mit gro"sse'rer Geschwindigkeit zulässt. Bei der Verbindung dieser beiden Techniken in einundderselben Anlage jedoch ergeben sich zahlreiche Schwierigkeiten, weil die Betriebsmittel unterschiedlich sind und vor allen Dingen bei verschiedenen Drücken arbeiten. Mit der Erfindung soll eine Vorrichtung geschaffen werden, die abwechselnd das Prinzip der Zerstäubung und das Prinzip des

409811/1081

Aufdampfens in beliebiger Aufeinanderfolge anwendet, ohne jedoch in irgendeiner Weise den Druck im "Vakuumbehälter mit dem zu beschichtenden Träger zu verändern.

Die der Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, in einer Vakuumkammer bekannter Bauart mit dem zu beschichtenden Träger einen kompakten Plasraageneratorblock bekannten Typs mit einer besonderen gekUhlten Prallelektrode zu kombinieren, die jederzeit auf ein je nach verfolgtem Zweck positives oder negatives Potential gebracht werden kann. Im Plasmagenerator muss der für die Plasmabildung nötige Druck herrschen, wobei ein Fluss beschleunigter Elektronen auf die Atome eines Gases trifft. Wegen des geringen Durchmessers des Ausgangsfensters kann im Plasmageneratorblock ein wesentlich höherer Druck aufrechterhalten werden, als der, der in der Vakuumbeschichtungskaimner hergestellt werden muss.

Die erfindungsgeraässe Vorrichtung für das Auftragen von dünnen Schichten unter Vakuum ist in einer Vakuumkammer untergebracht, in der sich mindestens eine Prallelektrode und ein Plasmagenerator befinden, der mindestens einen in der Nähe dieser Prallelektrode vorbeigeführten Plasmastrahl liefert. Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmagenerator mindestens eine Prallelektrode speist, die in einem gekUhlten Tiegel liegt, der jederzeit auf ein der Grosse und dem Vorzeichen nach freigewähltes Potential gebracht werden kann.

409811/1081 ./.

' Wird die in einem gekühlten Tiegel liegende Prallelektrode auf ein negatives Potential gebracht, so zieht sie die Ionen des Plasmas an und erzeugt eine Zerstäubung der Prallelektrode, wobei die Atome mit einer bestimmten Energie auf dem Schichtträger auftreffen, so dass die so erhaltene Schicht mit dem Schichtträger eine sehr feste Verbindung eingeht.

Wird die in einem gekühlten Tiegel liegende Prallelektrode auf ein positives Potential gebracht, so zieht sie die Elektronen des Plasmas an und bewirkt ein Erwärmen (im Vakuum) ihrer Oberfläche. So erhält man ein Verdampfen der Prallelektrode, wobei sich eine Schicht aus dem Prallelektrodenmaterial bildet, deren Stärke auf dem Schichtträger rasch zunimmt.

Bekanntlich können diese beiden Arbeitsgänge, Zerstäuben und Verdampfen, meistens nicht gleichzeitig durchgeführt werden, weil an der Stelle, wo sich das Plasma bildet, ein anderer Druck herrschen muss, als an der Stelle, wo das Verdampfen stattfindet. Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung besteht dieser Druckunterschied ebenfalls, aber der sehr geringe Druck in der Vakuumkammer ermöglicht es, das Verdampfen in Anwesenheit des Plasmas vorzunehmen.

Es ist auch bekannt, dass in einer klassischen Vorrichtung bei positiv polarisierter Prallelektrode die andere Elektrode negativ wird und die Rolle der Kathode übernimmt, dann zerstäubt wird und die Prallelektrode und vor allen Dingen

4 09811/1081 ./.

den Schichtträger zu kontaminieren droht. Daraus folgt, dass in jeder plasmaerzeugenden Vorrichtung die der Prallelektrode oder dem Schichtträger direkt zugängliche Elektrode unbedingt Anodenspannung aufweisen muss, ganz gleich, wie die Prallelektrode polarisiert ist. Gerade diese Bedingung, die beim Aufbau von Apparaten zur Herstellung dünner Schichten sehr wichtig ist, wird beim erfindungsgemässen Plasmagenerator erfüllt, zu dem eine Elektronenquelle mit kalter oder mit einer unter Wärmeeinfluss Elektronen abgebenden Kathode, deren Potential im Verhältnis zur Masse veränderlich ist, und eine zylindrische Anode gehören, die von einem Elektromagneten oder einer Spule umschlossen wird, die im Mittelbereich der Anode ein längliches Feld schaffen, wobei die gesamte Vorrichtung in ein Gehäuse eingeschlossen ist, das in der Verlängerung der Mittelachse der zylindrischen Anode für das Austreten des Plasmas durchbohrt ist,

Die erfindungsgemässe Verbindung von zwei bekannten Mitteln zeitigt neue industriell verwertbare Ergebnisse, die mit bisher bekannten [Techniken nicht erreicht werden konnten» Dank der erfindungsgemässen Vorrichtung kann künftig eine starke und fest haftende Schicht auf einen Schichtträger aufgebracht werden.

Wie ersichtlich hat bei der erfindungsgemässen Vorrichtung das Potential der Prallelektroden keinerlei Einfluss auf die Aufrechterhaltung des Plasmas. Deshalb kann die an die Prallelektrode gelegte Spannung verhältnismässig gering bleiben, etwa 100 bis 1000 V, und jedes Risiko eines Durchschlages ausgeschaltet werden.

Λ098 1 1/10 81

Unter diesen Umständen ist es ebenfalls sehr vorteilhaft, die Prallelektroden einer Wechselspannung auszusetzen, die mit einer "bestimmten Phasenverschiebung, beispielsweise in Phasenoppositionen, an zwei verschiedene Prallelektroden gelegt werden kann. Auf diese Weise können alle Kombinationen von Zerstäuben und Verdampfen von leitenden oder isolierenden Stoffen vorgenommen werden»

Im folgenden wird die Erfindung im einzelnen an Hand der beigefügten Figuren beschrieben«

Pig. 1 zeigt eine Vorrichtung mit zwei auf gekühlten Tiegeln liegenden Prallelektroden, auf die ein einziger Plasmagenerator einwirkt und die gleichzeitig einen Schichtträger versorgen,

Fig. 2 stellt genauer eine in einem gekUhlten Tiegel liegende Prallelektrode dar, die in diesem Falle verdampft werden soll.

Fig. 3 fasst die verschiedenen in der Vakuumkammer realisierbaren Ausführungen zusammen.

In Fig. 1 ist ein Plasmagenerator 1 zu sehen, der auf eine in einem gekühlten Tiegel 14 liegende, einem Elektronenstrahl ausgesetzte positiv polarisierte Prallelektrode 2, die Verdampfungselektrode, und eine in einem gekühlten Tiegel 24 einem Ionenfluss ausgesetzte negativ polarisierte Prallelektrode 3» die Zerstäubungselektrode, einwirkt, wobei diese

4 09811/1081 ./.

drei Bestandteile auf einer Platte 4 angebracht sind, die das Über ihr herrschende Vakuum von der Aussenatmosphäre trennt.

Der bereits bekannte Plasmagenerator 1 enthält eine Elektronenquelle in Form eines zwischen zwei kleinen Säulen 6 und 6¹ aufgehängten Glühfadens 5, der Über die von der Plasmageneratorenmasse isolierten Klemmen 7 und 7¹ mit Strom versorgt wird. Daraus ergibt sich, dass das Potential der Kathode von dem der Platte 4 und des Gehäuses des Generators 1 abweicht. Zum Plasmagenerator gehört eine zylindrische Anode 8, die von einem Elektromagneten umgeben wird, der in diesem Falle durch eine Spule 9 gebildet wird, die entlang der Drehachse 10, 10* der zylindrischen Anode ein axiales Magnetfeld hervorruft. Die Dffnung 11 des Generators weist eine Punktsymmetrie in bezug auf diesselbe Achse 10, 10¹ auf. Vor der Spule ist ein Schirm 12 angebracht. Der Generator sendet durch seine öffnung 11 einen entlang der Drehachse 10, 10' ausgerichteten Plasmastrahl aus. Der Kathodenglühfaden 5 kann durch eine Elektronenquelle mit kalter Kathode ersetzt werden.

Unterhalb der Achse 10, 10* und in ihrer Umgebung ist eine positiv polarisierte Prallelektrode 2 in einem durch einen Wasserkreislauf gekühlten Tiegel zu sehen. Das Prallelektrodenmaterial 13 liegt in gedrungener Form vor und steht in Kontakt mit einem massivem Tiegel 14, der gleichzeitig die Funktion einer auf einem positiven Potential gehaltenen Elektrode erfüllt. Der Tiegel 14 und das Prallelektrodenmaterial

409811/1081 ·/·

werden von einer an Masse liegenden Abschirmung 15 umgeben. Das Material, das verdampft werden soll, wird in eine gedrungene Form gebracht, um die Wärmestrahlungsverluste gering zu halten und um die Oberflächenerwärmung des Materials zu begünstigen. Die Abschirmung 15 trägt zur Bildung des elektrostatischen Feldes der Umgebung der Verdampfungselektrode bei und hat gegenüber dem umgebenden elektrischen Feld eine entkoppelnde Wirkung. Ein Wasserkreislauf 16 sorgt für die Kühlung des Tiegels I4.

Gemäss Fig, 1 enthält dagegen die Zerstäubungselektrode 3 eine Schicht 23 aus flächig verteiltem zu zerstäubenden Material, das beinahe die gesamte Oberfläche des Tiegels 24 bedeckt. Der Tiegel 24 und die Schicht 23 werden von einer Abschirmung 25 umgeben. Mit Hilfe des Wasserkreislaufes 26, kann der Tiegel 24 gekühlt werden.

In Fig. 2 können verschiedene Einzelheiten des Tiegels mit der Verdampfungselektrode 2 unterschieden werden. Mit Referenz 13 ist das zu verdampfende Material gekennzeichnet, mit 14 der Tiegel und mit 15 seine Abschirmung. V/ie ersichtlich, gehören zum Tiegel 14 ein leitender massiver Teil 17| der die Prallelektrode bildet und eine Vertiefung 17* besitzt, in der das Prallelektrodenmaterial 13 liegt, sowie eine zylindrische Hülle 18, deren Kreisbohrung 19 mit der Leitung 16 die für den Kühlwasserkreislauf notwendigen öffnungen begrenzt. Die Prallelektrode ruht auf einem durch die Platte 4 geführten hermetisch abschliessenden Durchlass 30 mit einem Zwischenstück

4 09811/1081 ,/,

31, wobei zwei Dichtringe 32 und 33 zusammen mit der Dichtung 34 der Platte und dsr Dichtung 35 der Schulter der Leitung 16 für die Dichtheit des Durchlasses durch die Platte sorgen.

Zu der Zerstäubungselektrode 3 gehört ein gleichartiger durch die Platte 4 geführter abgedichteter Durchlass wie in dem Fall der Verdampfungselektrode mit einem gleichartigen Zwischenstück und Dichtungen ahnlich wie 32, 33, 34 und 35. Die Vorrichtung ist also mit einem einzigen Typ eines abgedichteten Durchlasses ausgestattet, wodurch es möglich ist, bei Bedarf die Elektrode des einen Typs durch eine Elektrode des anderen Typs zu ersetzen.

Fig. 3 zeigt die erfindungsgemEssen Anordnungen im Innern der Vakuumkammer. Fig. 3a zeigt eine Anordnung gemäss der in Fig. 1 dargestellten, wo die Zerstäubungselektrode 3 und die Verdampfungselektrode 2 in ihren entsprechenden Tiegeln gleichzeitig zur Bildung einer dünnen Schicht beitragen. In Fig. 3b ist ein Aufbau gezeigt, bei dem der Plasmagenerator 1 auf einem drehbaren Durchlassring 38 angebracht ist und abwechelnd seinen Plasmastrahl auf die -Zerstäubungselektrode 3 bzw. die Verdampfungselektrode 2 einwirken lassen kann. In diesem Fall erfolgt für die zu behandelnde Fläche zunächst eine Zerstäubung und anschliessend eine Verdampfung oder umgekehrt »

In einer für einen industriellen Einsatz vorgesehenen Vakuumkammer kann es vorteilhaft sein, jede zu beschichtende

409811/1081 /

Fläche zunächst einem Zerstäubungs- und dann einem Verdampfungsvorgang auszusetzen. In dem Fall ist es günstig, die "beiden BeSchichtungsvorgänge räumlich zu trennen. Gemäss Fig, 3c kann der Plasmagenerator eine zweite Hohlanode besitzen, die entlang derselben Achse ausgerichtet ist wie die erste, jedoch dieser genau entgegengesetzt liegt. Diese Hohlanode wird von einer Spule oder einem Dauermagneten umgeben, durch den ein axiales Feld hervorgerufen wird« Damit wird erreicht, dass aus dem Plasmagenerator duroh zwei entgegengesetzt liegende öffnungen 11» 11* zwei gleiche Plasmaströme austreten. Die Verdampfungselektrode 2 wird vor einer der Offnungen 11 des Generators angebracht, die Zerstäubungselektrode 3 vor der anderen. Mit einer solchen Vorrichtung kann auf einem ersten Substrat eine Zerstäubungsbeschichtung und auf einem zweiten Substrat, das vorher mit Hilfe der Zerstäubung beschichtet worden ist, eine Beschichtung mittels Verdampfen vorgenommen werden.

Die in der Fig, 3d gezeigte Vorrichtung entspricht dem Fall, wo eine sehr schnelle Schichtbildung notwendig ist. Es werden in diesem Fall zwei Plasmageneratoren 1 und 1^f in einer bestimmten Entfernung mit ihren Vorderseiten zueinander angebracht und zwischen diesen beiden Generatoren die positive Verdampfungselektrode 2 und die negative Zerstäubungselektrode angeordnet. Auf dem Substrat schlagen sich dann ein Zerstäubungsfluss und ein grosser Verdampfungsfluss nieder.

Schliesslich zeigt Fig. 3e einen Plasmagenerator

409811/1081

mit einer Prallelektrode 2. Letztere ist zunächst negativ polarisiert, um eine Zerstäubung zu bewirken, dann positiv, um ein Verdampfen hervorzurufen.

Natürlich können auch innerhalb der Erfindung die Zerstäubungs- und Verdampfungselektroden einem abwechselnden Potential mit mehr oder weniger hohen Frequenzen ausgesetzt werden. Es lassen sich damit reinere und festere Schichten er reichen, als bisher nach den bekannten Verfahren.

-PatentansprUche-

40981 1/1081

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1J Vorrichtung für das Auftragen von dünnen Schichten in einer Vakuumkammer mit mindestens einer Prallelektrode, einem gekühlten Tiegel sowie einem Plasmagenerator zur Erzeugung mindestens eines Plasmastrahls in der Nähe der Prallelektrode, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmagenerator (1) mindestens auf eine in dem gekühlten Tiegel (14) liegende Prallelektrode (2) einwirkt, wobei der Tiegel jederzeit auf ein Potential fre!wählbarer Grosse gebracht werden kann.
2. Vorrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch ge kenn "ze lehnet, dass der auf ein positives Potential gebrachte gekUhlte Tiegel (14) zu verdampfendes Material (13) in gedrängter Form enthält, das in der Vertiefung eines massiven Stücks (17) liegt, das eine durch einen Wasserkreislauf (16) gekühlte Elektrode (2) bildet, die von einer auf Massepotential gebrachten Abschirmung (15) umgeben wird.
3. Vorrichtung gemäss Anspruch 2, dadurch gekennze ich net, dass die positive gekUhlte Prallelektrode (2) sowie eine negative gekUhlte Prallelektrode (3) auf gleichartigen zylindrischen Trägern (30) befestigt werden, die mit Hilfe von Dichtringen (32 bis 35) in gleichen Durchlässen der Grundplatte (4) der Vakuumkammer montiert werden.

9811/1081
4. Vorrichtung gemäss Anspruch 3 mit einem nur einen einzigen Plasmastrahl liefernden Plasmagenerator, dadurch gekennzeichnet, dass in der Fähe des Plasmastrahls zwei gekühlte Prallelektroden (2, 3) angeordnet sind, von denen die eine positiv und die andere negativ polarisiert ist,
5. Vorrichtung gemäss Anspruch 3 mit zwei gekühlten Prallelektroden, von denen die eine positiv und die andere negativ polarisiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass "beide der gemeinsamen Wirkung der Plasmastrahlen zweier Plasmageneratoren (1, 1·) ausgesetzt sind (Fig. 3d).
6. Vorrichtung gemäss Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, dass entgegengesetzt polarisierte Prallelektroden (2, 3) auf "beiden Seiten eines Plasmagenerators (1) angeordnet sind, der auf einem drehbaren Durchlassring (38) befestigt ist und nacheinander mit seinem Plasmastrahl die eine und dann die andere der beiden Prallelektroden erreicht (Fig. 3b).
7. Vorrichtung gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmagenerator mindestens zwei Offnungen (11, 11*) besitzt, durch die mindestens zwei Plasmastrahlen austreten, die jeweils auf eine gekühlte Prallelektrode (2, 3) einwirken, die unterschiedlich polarisiert sein können (Fig. 3c).

409811/1081 ·/·
8. Vorrichtung gemäss Anspruch. 2, dadurch gekennzeichnet, dass der gekühlte Tiegel mit einer Prallelektrode (2) einem alternierenden Potential unterworfen ist (Fig. 3e),

409811/1081