DE2463431C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von strei­ fenförmigen Substraten mittels einer Kathodenzerstäubungsvorrich­ tung mit einer das zu zerstäubende und auf einem Substrat abzulagernde Material aufweisenden Kathodenoberfläche, auf der durch von der Kathodenoberfläche ausgehende und zu ihr zurückkehrende Magnetfeldlinien ein Entladungsbereich gebildet ist, der die Form einer in sich geschlossenen Schleife hat, wobei das Substrat nahe dem Entladungsbereich angeordnet wird, damit das zerstäubte Material sich von der Kathodenoberfläche zum Substrat bewegt.

Bei einer bekannten Kathodenzerstäubungsvorrichtung (Research/ Development, Februar 1971, Seiten 40 bis 44) ist die Kathode halbkugelförmig ausgebildet, wobei die Krümmung der Halbkugel der Krümmung der Feldlinien eines Quadrupol-Magnetfeldes ent­ gegengesetzt ist. Diese bekannte Vorrichtung ist aufgrund der halbkugelförmigen Ausbildung der Kathode sehr platzauf­ wendig, und die erzielbare Ablagerungsrate pro Watt ist be­ grenzt. Die Herstellung der halbkugelförmigen Kathode ist relativ aufwendig, und zwar insbesondere dann, wenn spröde und schwer zu bearbeitende Materialien hierfür verwendet wer­ den, was von dem speziellen Beschichtungsproblem abhängt. Die zwei außerhalb der Vakuumkammer angeordneten Magnetspulen für die Erzeugung des Quadrupol-Magnetfeldes erhöhen den Platz­ bedarf der vorbekannten Vorrichtung weiter. Auch die Gleich­ mäßigkeit der mit der bekannten Vorrichtung erzielbaren Be­ schichtungen läßt zu wünschen übrig. Eine kontinuierliche Beschichtung streifenförmiger Substrate ist mit dieser be­ kannten Kathodenzerstäubungsvorrichtung nicht möglich.

Aus der DE-OS 22 64 437, Fig. 10a bis 10d, ist eine Kathoden­ zerstäubungsvorrichtung mit jeweils zwei durch einen diametra­ len oder peripheren Spalt isolierten halbkreisförmigen bzw. kreisförmigen und ringförmigen ebenen Elektroden bekannt, die an eine Hochfrequenz-Spannungsversorgung angeschlossen sind. Auf den Elektroden ist ein Magnetfeldtunnel ausgebildet, der sich jedoch in beiden Ausführungsformen über den Isolations­ spalt zwischen den beiden Elektroden erstreckt, so daß ständig Verluste an Ladungsträgern auftreten. Die mit der vorbekann­ ten Kathodenzerstäubungsvorrichtung erzielbaren Ablagerungs­ raten sind daher sehr gering.

Aus diesem Grunde eignet sich die bekannte Vorrichtung nicht zur wirtschaftlichen, kontinuierlichen Beschichtung von an ihr vorbeigeführten streifenförmigen Substraten, ganz abgesehen davon, daß wegen der Kreissymmetrie keine gleichmäßige Ablage­ rung des zerstäubten Materials auf streifenförmigen Sub­ straten möglich ist.

Eine kontinuierliche Beschichtung von streifenförmigen Sub­ straten mittels Kathodenzerstäubung ist aus der DE-OS 21 17 421 an sich bekannt, ohne daß dort jedoch Maßnahmen zur Erzielung von für technische Zwecke brauchbaren Ablagerungsraten vorge­ sehen sind, so daß mit dem bekannten Verfahren nur sehr geringe Durchsätze von zu beschichtenden Substraten oder nur sehr dünne Beschichtungen möglich sind.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird daher von der zuerst behandelten Kathodenzerstäubungsvorrichtung (Research/Develop­ ment, Februar 71, Seiten 40 bis 44) ausgegangen, mittels der zwar die Zahl der pro Zeiteinheit auf das Substrat übertragenen zerstäubten Teilchen wesentlich gesteigert werden kann, jedoch die Erzielung einer gleichmäßigen Beschichtung im industriellen Maßstab nicht möglich ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung zu schaffen, mittels dessen streifenförmige Substrate nicht nur bei hoher Ablagerungs­ rate, sondern auch am laufenden Band und besonders gleichmäßig mit dem gewünschten Material beschichtet werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß bei Verwendung einer ebenen Kathodenoberfläche und Anordnung der das Magnetfeld erzeugenden Einrichtung auf der vom zu besprühen­ den Substrat abgewandten Seite der Kathodenoberfläche ein Entladungsbereich mit zwei gegenüberliegenden parallelen Seg­ menten ausgebildet wird und daß Substrate mit einer Breite, die geringer ist als die Länge der parallelen Segmente, parallel zur Kathodenoberfläche und senkrecht zu den parallelen Segmenten über den Bereich zwischen den beiden parallelen Segmenten hinwegbewegt werden.

Durch Vorsehen von zwei gegenüberliegenden parallelen Magnet­ feldtunnel-Segmenten auf einer ebenen Kathodenoberfläche und Hinwegführen der entsprechend dimensionierten streifenförmigen Substrate senkrecht zu diesen Segmenten über die Kathodenober­ fläche werden sämtliche Bereiche der zu beschichtenden Substrate in gleicher Weise von dem in sehr konzentrierter Form erzeugten zerstäubten Material beaufschlagt, so daß nicht nur eine hohe Ablagerungsrate, sondern auch ein gleichmäßiger Überzug auf den streifenförmigen Substraten erzielt wird. So können strei­ fenförmige Substrate in wirtschaftlicher Weise am laufenden Band gleichmäßig beschichtet werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Kathodenzerstäubungsvorrich­ tung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren ausge­ führt werden kann, und

Fig. 2 einen Teilschnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1.

Nach der Zeichnung weist eine ebene Kathode 11 auf der einen Kathodenoberfläche 12 das zu zerstäubende Material auf. Eine auf der von der Kathodenoberfläche 12 abgewandten Seite der Kathode 11 vorgesehene Einrichtung 13 erzeugt ein Magnetfeld, dessen Feldlinien 14 von der Kathodenoberfläche 12 entsprin­ gen, dann bogenförmig über einen Entladungsbereich 15 verlau­ fen und schließlich zur Kathodenoberfläche 12 zurückkehren. Eine rund um die Kathode 11 mit Abstand herumgelegte Anode 16 erzeugt zusammen mit der Kathode 11 ein elektrisches Be­ schleunigungsfeld für elektrisch geladene Teilchen.

Die Kathodenzerstäubungsvorrichtung ist nach Fig. 1 an einem Befestigungsflansch 21 angebracht. Dieser weist eine Dichtungs­ ausnehmung 23 auf, die eine Öffnung 25 im Befestigungsflansch umgibt. Der Flansch ist derart ausgebildet, daß er über einer geeigneten Öffnung in der Wand einer Zerstäubungskammer an­ bringbar ist, welche in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Eine Trägerhülse 27 erstreckt sich von dem Befestigungsflansch 21 nach oben und endet in einer Kathodenhalteplatte 29. Wei­ ter ist eine Magnetträgerplatte 31 in einem Abstand unterhalb der Kathodenträgerplatte 29 auf der Hülse 27 angebracht und erstreckt sich von dieser aus radial nach außen. Eine Isolier­ scheibe 22 ist an der Unterseite der Kathodenträgerplatte 29 mittels Schrauben 33 befestigt.

Um die Kathode 11 kühlen zu können, ist eine Kühlplatte 35 durch einen Hochspannungsisolator 37 isoliert auf der Katho­ denträgerplatte 29 befestigt. Die Kühlplatte 35 ist mit ge­ eigneten Kühlkanälen 39 ausgestattet, durch welche über Kühl­ mittelrohre 41, die innerhalb der Hülse 27 angeordnet sind, ein Kühlmittel hindurchgeleitet wird. Die Kühlmittelrohre 41 sind von Isoliermänteln 43 umgeben. Ringförmige Dichtungen 45 sind zwischen dem Hochspannungsisolator 37 und der Kühl­ platte 35 sowie der Kathodenträgerplatte 29 angeordnet, um das Innere der Hülse 27 abzudichten.

Eine becherförmige Kathoden-Dunkelraum-Abschirmung 47 ist an dem Isolator 37 mittels Schrauben 48 befestigt. Die Kathoden- Dunkelraum-Abschirmung 47 weist eine im allgemeinen recht­ eckige Form auf und ist mit einem Umfangsflansch 49 ausgestat­ tet, der sich nach oben erstreckt und den Umfang der Kathode 11 umgibt. Die Abschirmung 47 ist im Abstand von der Kathode 11 angeordnet. Die Kathode 11 ist mittels einer Vielzahl von Schrauben 51 auf einer Befestigungsplatte 50 angebracht, die ihrerseits an der Kühlplatte 35 befestigt ist. Die Schrauben sind durch Abdeckkappen 53 abgedeckt.

Die plattenförmige Kathode 11 weist eine ebene Form auf und besteht aus dem jeweils zur Zerstäubung vorgesehenen Material. Die ebene Kathode ist parallel zur Oberfläche der zu beschich­ tenden Substrate ausgerichtet, welche in einem geringen Ab­ stand von der Kathodenoberfläche entfernt angeordnet wird, um das von der plattenförmigen Kathode 11 zerstäubte Material aufzunehmen.

Die auf der Magnethalteplatte 31 angebrachte Einrichtung 13 kann einen Permanentmagneten aufweisen, doch ist in der dar­ gestellten Ausführungsform eine Spule 55 vorgesehen. Wenn durch die Spule ein Strom entgegen dem Uhrzeigersinn in Fig. 1 hindurchfließt, besitzt der innere Teil des Magneten nach Fig. 2 die Polarität eines Nordpols und der äußere Umfang die entgegengesetzte Polarität eines Südpols. Ein Polschuh 57 erstreckt sich um den äußeren Teil des Magneten 55. Ein weiterer Polschuh 59 läuft um den inneren Teil des Magneten 55 herum. Ein Kühlrohr 60 ist um die Außenfläche des Polschuhs 57 herum angeordnet. Ein Boden-Nebenschluß 61 erstreckt sich zwischen den Polschuhen 57, 59 an der Seite des Magneten 55, welcher von der Kathode 11 abgewandt ist. Die oberen Teile der Polschuhe 57 und 59 sind nicht überbrückt und enden un­ mittelbar unter der Dunkelraum-Abschirmung 47 im Bereich der Unterseite der Kathode 11.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, erstrecken sich die durch den Magneten 55 und seine zugehörigen Polschuhe 57 und 59 erzeugten Magnetfeldlinien in Form eines Bogens über einen Entladungsbereich 15, wobei sie von der Kathodenoberfläche 12 ausgehen und wieder zu ihr zurückkehren. Innerhalb dieses Bogens werden ionisierende Elektronen festgelegt und konzen­ triert, um eine hohe Zerstäubungsintensität im Bereich unter dem Bogen, d.h. im Entladungsbereich 15, zu erzeugen.

Die Anode 16 ist im Vergleich zu der Kathodenoberfläche 12 verhältnismäßig klein und in einem relativ kleinen Abstand von der Kathode 11 angeordnet. Die Anode 16 erstreckt sich um die Kathode 11 herum und ist durch in der Zeichnung nicht dargestellte Träger gehalten. Die Anode 16 besteht aus einem stabförmigen Material mit verhältnismäßig geringem Querschnitt. Vorzugsweise sind sowohl die Anode als auch die Kathode auf einem erdfreien Potential gehalten, welches ausreicht, um die gewünschte Beschleunigung zu erreichen. Beispielsweise kann sich die Anode 16 auf diese Weise selbst auf ein Potential vorspannen, welches höher liegt als das Erdpotential, bei­ spielsweise auf ein Potential von 50 V. Die Kathode 11 kann beispielsweise auf einem Potential gehalten werden, welches unterhalb des Erdpotentials liegt, z.B. bei etwa -900 V. Eine Zener-Diode oder ähnliche Einrichtung kann zur Spannungsbe­ grenzung verwendet werden.

Nach Fig. 1 ist die das Magnetfeld erzeugende Einrichtung 13 derart ausgebildet und angeordnet, daß das Magnetfeld im Bereich unmittelbar oberhalb der Kathodenoberfläche 12 eine geschlossene Schleife bildet, die in Fig. 1 durch gestrichelte Linien 65 angedeutet ist. Auf diese Weise werden die Elektro­ nen in einer endlosen magnetischen Flasche gehalten, wodurch die Zerstäubungsrate in dem Entladungsbereich 15 erhöht wird. Zusätzlich zur Elektroneneingrenzung verkleinert die auf diese Weise gebildete magnetische Flasche den Kathoden-Dunkelraum derart, daß der durch Raumladung begrenzte Ionenstrom groß ist. Weil der Kathoden-Anoden-Kreis außer durch das ionisierte Gas gegen Erde völlig isoliert ist, erfolgt auf das nahe der Kathodenoberfläche angeordnet zu denkende Substrat, auf dem das zerstäubte Material abgelagert wird, nur eine geringe Ladungsübertragung, welche zum einen benötigt wird, um am Anfang des Betriebes die Kathode und die Anode auf ihr natür­ liches Potential einzustellen, und zum anderen zum Ausgleich der von den auf leicht unterschiedlichen Potentialen liegenden Substrat-Berührungsbereichen des Plasmas herrührenden Ladungs­ verlusten.

Statt einer Gleichspannungs-Kathodenversorgung 67 ist es auch möglich, eine Wechselspannungsquelle zu verwenden, weil die beschriebene Kathodenzerstäubungsvorrichtung selbst gleich­ richtend wirkt, was zumindest teilweise auf das Vorliegen des Magnetfelds an nur einer Elektrode zurückzuführen ist und auch vom Verhältnis der Flächen der Anode und der Kathode abhängt.

Als besonders günstig für das Erzielen einer hohen Ablagerungs­ rate erweist sich der Umstand, daß das Substrat sehr nahe an dem Entladungsbereich 15 angeordnet sein kann. Falls das zerstäubte Material sehr spröde ist, kann die Kathode 11 aus einer Vielzahl von einzelnen Teilen zusammengesetzt sein, um die Gefahr des Zerbrechens beim Aufheizen herabzusetzen. Die Kathodenzerstäubungsvorrichtung kann mit relativ geringem Druck betrieben werden.

Die beschriebene Kathodenzerstäubungsvorrichtung bewirkt eine äußest gleichförmige Ablagerung. Wegen der eben ausgebildeten Kathode 11 kann dem Entladungsbereich 15 ohne weiteres der aus Fig. 1 ersichtliche rechteckförmige Verlauf mit zwei lan­ gen und zwei kurzen geradlinigen Segmenten gegeben werden.

Ein bewegtes streifenförmiges Substrat wird gleichmäßig be­ schichtet, indem es parallel über die Kathode 11 in Richtung der Pfeile 69 in Fig. 1 hinweggeführt wird. Im Bereich zwischen den zwei parallel zueinander verlaufenden langen, in Fig. 1 oberen und unteren Segmenten des Entladungsbereiches 15 der Kathode 11 sowie im Bereich der parallelen oberen und unteren Segmente ist die Ablagerung außerordentlich gleich­ förmig. Somit wird ein streifenförmiges Substrat, das eine Breite hat, welche geringer ist als die Länge der langen paral­ lelen Segmente nach Fig. 1, und in Richtung der Pfeile 69 über die Kathode bewegt wird, mit einer besonders gleichförmigen Beschichtung über die gesamte Breitenausdehnung versehen.

Claims (1)

1. Verfahren zum Beschichten von streifenförmigen Substraten mittels einer Kathodenzerstäubungsvorrichtung, mit einer das zu zerstäubende und auf einem Substrat abzulagernde Material aufweisenden Kathodenoberfläche, auf der durch von der Kathoden­ oberfläche ausgehende und zu ihr zurückkehrende Magnetfeldlinien ein Entladungsbereich gebildet ist, der die Form einer in sich geschlossenen Schleife hat, wobei das Substrat nahe dem Entladungsbereich angeordnet wird, damit das zerstäubte Material sich von der Kathodenoberfläche zum Substrat bewegt, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer ebenen Kathodenober­ fläche (12) und Anordnung der das Magnetfeld erzeugenden Ein­ richtung (13) auf der vom zu besprühenden Substrat abgewandten Seite der Kathodenoberfläche (12) ein Entladungsbereich (15) mit zwei gegenüberliegenden parallelen Segmenten ausgebildet wird und daß Substrate mit einer Breite, die geringer ist als die Länge der parallelen Segmente, parallel zur Kathoden­ oberfläche (12) und senkrecht zu den parallelen Segmenten (Pfeil 69) über den Bereich zwischen den beiden parallelen Segmenten hinwegbewegt werden.