DE2823876A1

DE2823876A1 - Verfahren zum verdampfen von material in einer vakuumaufdampfanlage

Info

Publication number: DE2823876A1
Application number: DE19782823876
Authority: DE
Inventors: Helmut Daxinger; Eberhard Dipl Phys Dr Moll
Original assignee: BALZERS HOCHVAKUUM GmbH; Balzers AG
Current assignee: OC Oerlikon Balzers AG
Priority date: 1977-06-01
Filing date: 1978-05-31
Publication date: 1979-01-04
Also published as: DE2823876C2; GB1589160A; FR2393079A1; US4197175A; FR2393079B1; NL7707659A; CH631743A5; NL179660C; NL179660B

Description

BALZERS HOCHVAKUUM GMBH, SIEMENSSTRASSh 11, D-5200 WIESBADEN-NORDENSTADT

Verfahren zum Verdampfen von Material in einer Vakuumaufdampfanlage

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verdampfen von Materialien in einer Vakuumaufdampfanlage durch Beschuss des zu verdampfenden Materials mit Elektronen aus einer Niedervoltbogenentladung.

Für die Verdampfung mittels Elektronenstrahls sind sogenannte Elektronenstrahlverdampfer mit Glühkathode bekannt. Dabei wird die für die Verdampfung erforderliche Leistungsdichte auf dem zu verdampfenden Material dadurch erreicht, dass ein relativ kleiner Elektronenstrom (z.B. 1 A) durch eine relativ grosse Spannung (z.B. 10 kV) beschleunigt wird. Dabei entsteht ein Strahl mit geringem Querschnitt, der oft durch ein Magnetfeld

809881/0747

in einer bogenförmigen Bahn auf das zu verdampfende Material geführt wird. Ein solcher Elektronenstrahl führt nur zu einer geringen Aktivierung (d.h. Ionisation, Anregung, Dissoziation) des Restgases und des Dampfes in der Aufdampfanlage. Dies hat mehrere Gründe: (l)die geringe Stromstärke; (2) die Wirkungsquerschnitte sind bei hohen Energien klein; (3>) höhere Restgasdrücke können nicht zugelassen werden, denn sie führen zu Ueberschlägen an der Beschleunigungsstrecke und zur Zerstäubung der Glühkathode. Eine Aktivierung des Dampfes des Verdampfungsmaterials oder des Restgases im Aufdampfraum wäre aber zur Erzielung besserer Schichten bei vielen Aufdampfprozessen sehr erwünscht.

Weiterhin bekannt sind Elektronenstrahlverdampfer mit Hohlkathode. Man unterscheidet kalte und heisse Hohlkathoden (siehe z.B. CT. Wan, D. L. Chambers and D.C. Carmichael, The Journal of Vacuum Science and Technology, Vol. 8, No. 8, p. VM 99, 1971). Beide Arten können im Gegensatz zum normalen Elektronenstrahlverdampfer bei Drücken oberhalb von 10 mb betrieben werden; die erwünschte Strom-Spannungs-Charakteristik liefert jedoch nur die heisse Hohlkathode. Sie liefert hohe Ströme bei kleiner Brennspannung (z.B. 100 V, 100 A) und damit eine effektive Aktivierung des Restgases und des Dampfes. Heisse Hohlkathoden können jedoch nur schwer gezündet werden und erfordern deshalb eine

809881/0747

zusätzliche Zündeinrichtung. Ausserdem wird dabei das Kathodenmaterial Verstäubt und auf den zu beschichtenden Gegenständen als Verunreinigung niedergeschlagen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile bekannter Verfahren zu vermeiden und ein einfaches, bei relativ hohen Drücken betreibbares Elektronenstrahl verdampfungsverfahren zu schaffen, das gleichzeitig eine hohe Aktivierung des Restgases erzeugt und die Zerstäubung des Kathodenmaterials vermindert oder verhindert wird, dass etwa doch zerstäubtes Kathodenmaterial auf die Substrate gelangt.

Das erfindungsgemässe Verfahren zum Verdampfen von Material in einer Vakuumaufdampfanlage durch Beschuss mit Elektronen aus einer Niedervoltbogenentladung zwischen einer in einer vom Aufdampfraum getrennten, mit dieser durch eine Oeffnung verbundenen Kammer angeordneten Glühkathode und einer Anode, wobei während des Betriebes in die Glühkathodenkammer laufend Gas eingeführt wird und der Aufdampfraum durch Pumpen unter einem für den vorgesehenen Beschichtungsprozess hinreichenden Vakuum gehalten wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass

a) das im Aufdampfraum angeordnete, zu verdampfende Material selbst als Anode geschaltet wird;

b) die durch die genannte Oeffnung eingeschnürte Entladung im Aufdampfraum zusätzlich durch ein Magnetfeld auf die Anode geführt und zur Erzielung einer für die Verdampfung hinreichenden Leistungsdichte auf der Oberfläche täer Anode gebündelt

809881/0747

wird.

Bei der Niedervoltbogenentladung bildet sich vor der Kathode eine positive Raumladungsschicht aus, die wie eine virtuelle Anode die Elektronen beschleunigt. Damit die Elektronen ihre Energie nicht durch Stösse mit Gasatomen verlieren, wird auf der darauffolgenden Entladungsstrecke in der Aufdampfkammer ein geringerer Druck als in der Glühkathodenkammer aufrechterhalten. Diese Druckdifferenz erzielt man durch das laufende Einführen von Gas in die Glühkathodenkammer und Abpumpen von Gas aus dem Aufdampfraum. Trotz des grossen, im Aufdampfraum durchlaufenen Weges geben die Elektronen dann ihre Energie zum grössten Teil an das als Anode geschaltete Verdampfungsmaterial ab.

Durch die erfindungsgemässen Massnahmen ist es möglich, dem Elektronenstrahl-Brennfleck auf dem zu verdampfenden Material einen so kleinen Querschnitt zu geben, dass die erforderliche Leistungsdichte leicht erzielt wird. Durch ein passendes, parallel zu der gebündelten Entladung verlaufendes Magnetfeld, kann sogar erreicht werden, dass der Elektronenstrahl trotz hoher Strahlstromstärke im Aufdampfraum einen Querschnitt von der Grössenordnung der erwähnten Oeffnung zwischen der Glühkathodenkammer und dem Auf dampf raum beibehält. Um eine genügend hohe Verdampf ungs-

zu rate auch für schwer verdampf bare Metalle/erhalten, ist eine

Leistungsdichte auf der Oberfläche der Anode von mehr als 10 kW

2
pro cm zu empfehlen.

809881/0747

Es ist ferner zweckmässig in die Glühkathodenkammer laufend so viel Gas einzuführen, dass die mittlere freie Weglänge der Gasmoleküle in der genannten Kammer grössenordnungsmässig gleich ist der Kathodenfallstrecke der Niedervoltbogenentladung. Für letztere empfehlen sich Bogenspannungen kleiner als 200 Volt, Jedoch mit Strömen von mindestens 30 A. Weiter empfiehlt es sich, die Trennwand mit der Oeffnung zwischen der Glühkathoden-

kammer und dem Aufdampfraum elektrisch zu isolieren und bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens auf Schwebepotential zu halten. Das zu verdampfende Material kann entweder auf positivem oder Erdpotential gehalten werden, wobei dann die Kathode auf Erd- bzw. negatives Potential gelegt wird. Auch eine Betriebsweise, bei der sowohl die Kathode als auch das zu verdampfende Material auf positivem Potential gegenüber Masse gehalten werden, ist vorteilhaft. Die zu bedampfenden Substrate können sich auf einem gegenüber der Anode negativem Potential befinden und sie können ausserdem zeitweise (insbesondere intermittierend) als Kathode einer selbständigen Gasentladung geschaltet werden. Die Spannung zwischen der Anode und den Substraten kann während der Durchführung des Prozesses verändert werden. Z.B. kann man mit Hochspannung beginnen, umdurch die damit verbundene hohe Zerstäubungsrate eine gute Haftfestigkeit der Schicht zu erzielen, und den Prozess bei niedrigerer Spannung fortsetzen, um ein gleichmässiges Schichtwachstum sicherzustellen.

809881/0747

-jer-

In der gleichen Aufdampfkammer können mehrere Anoden aus unterschiedlichen Verdampfungsmaterialien vorgesehen werden, auf welche der Elektronenstrahl abwechselnd z.B. mit Hilfe geeigneter magnetischer Felder gelenkt wird. Auch können im gleichen Aufdampfraum mehrere Anoden als Verdampfungsquellen mit zugehörigen, in getrennten Kammern untergebrachten Glühkathodenkammern vorgesehen werden, so dass gleichzeitig oder nacheinander aus diesen Verdampfungsquellen unter gleichen oder unterschiedlichen elektrischen Bedingungen (Leistung, Leistungsdichte) aufgedampft werdenkann. Das gleichzeitige Verdampfen aus zwei Dampfquellen kann zur Herstellung von Legierungen nützlich sein.

Die erwähnten verschiedenen Schaltungsmöglichkeiten ergeben unterschiedliche Bewegungsrichtungen der Ionen und damit unterschiedliche Dampfverteilungen im Aufdampfraum.

Nachfolgend werden das erfindungsgemässe Verfahren und eine für die Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung anhand der anliegenden Zeichnung näher beschrieben. Diese zeigt eine Vakuumaufdampfkammer 17 mit einem Evakuierungsanschluss l8, welche durch eine Oeffnung 6 mit einer Glühkathodenkammer Y$ verbunden ist. In letzterer ist die Glühkathode 3 untergebracht, die durch das Stromversorgungsgerät 1 gespeist wird. Am Boden der Aufdampfkammer 10 befindet sich der mittels der Kühlmittelkanäle

809881/0747

und der Kühlmittelzu- und -Ableitungen 11 kühlbare Tiegel 20 für das zu verdampfende Material 19. In der Aufdampfkammer ist eine zylindermantelformige Haltevorrichtung 8 zur Aufnahme der zu bedampfenden Substrate angeordnet. Die Glühkathodenkammer weist ausserdem eine Gaszuleitung 2 und einen Kühlmittelkanal 14 auf, wobei letzterer besonders zur Kühlung der Trennwand zwischen der Glühkathodenkammer und der Aufdampfkammer während des Betriebes dient. Zur Erzeugung eines zur Achse 7 der Entladung ungefähr parallelen Magnetfeldes im Aufdampfraum sind am Bodenteil 10 und am Deckelteil 16 der Aufdampfkammer aussen Magnetspulen 5 angebracht.

Für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens werden die zu beschichtenden Substrate an der der Dampfquelle zugewandten Seite der Haltevorrichtung 8 befestigt, das zu verdampfende Material in den Tiegel gegeben, die Aufdampfkammer geschlossen und evakuiert, und über die Leitung 2 ein geeignetes Gas in die Glühkathodenkammer eingeführt. Geeignet sind vor allem Edelgase, wenn eine Reaktion mit den Substraten vermieden werden soll, oder die entsprechenden reaktiven Gase, wenn eine solche Reaktion z.B. zwecks Herstellung von Schichten aus Metallverbindungen erwünscht ist. Z.B. kann man zur Erzeugung von Nitridschichten Stickstoff oder eine gasförmige Stickstoffverbindung einleiten, zur Erzeugung von Karbidschichten ein eine gasförmige

809881/0747

-S-

Kohlenstoffverbindung enthaltendes Gas, zur Erzeugung von Boridschichten eine gasförmige Borverbindung oder zur Erzeugung von Oxidschichten Sauerstoff oder ein eine Sauerstoffverbindung enthaltendes Gas. Man kann aber auch beim reaktiven Aufdampfen in Hinblick auf die Schonung der Glühkathode 4 in die Glühkathodenkammer 14 ein inertes Gas und zur Erzielung der erwünschten Reaktionen im Aufdampfraum in diesen über eine separate Zuleitung das gewünschte reaktive Gas getrennt einführen, so dass in letzterem eine während des Aufdampfens eine reaktive Restgastatmosphäre vorherrscht, deren Drücke durch laufendes Abpumpen auf den für den vorgesehenen Prozess optimalen Wert eingestellt werden kann.

Zur Herstellung von Titannitridschichten wurde in den Tiegel Titanmetall in Stückform eingebracht, alsdann die Anlage auf

10 mb evakuiert und danach über die Leitung 2, die Glühkathodenkammer 13 und die Oeffnung 6 Stickstoff in die Aufdampfkammer eingeführt und daraus laufend über den Saugstutzen 18 abgepumpt, in solchem Masse, dass in der Glühkathodenkammer ein N₂-Druck

_2
von 5 x 10 mb und in der Aufdampfkammer ein Np-Restgasdruck

von 5*2 χ 10 ·* Millibar aufrechterhalten wurde. Dann wurde die auf Erdpotential liegende Glühkathode mit 1,5 kW beheizt und darauf eine Spannung von + 70 Volt an die Anode gelegt. Durch kurzzeitiges Anlegen der Anodenspannung an die Trennwand/zwischen

809881/0747

der Glühkathodenkammer Ij5 und der Aufdampfkammer 17 wurde sodann der Niedervoltbogen gezündet (die vorstehenden und alle folgenden Spannungsangaben beziehen sich stets auf Spannungsdifferenzen gegenüber dem auf Erdpotential befindlichen Rezipienten. Es ergab sich ein über die Glühkathode fliessender Strom von 116 A. Der über die Anode fliessende Strom betrug 13I A. Die Differenz zwischen den beiden Strömen von 15 A gibt den Strom an, der über die Substrate und den Rezipienten floss. Durch den auf den Tiegel 19 als Anode fliessende Elektronenstrom wurde das darin befindliche Titan geschmolzen und verdampfte mit einer Rate von etwa 0,3 g pro Minute. Unter der Einwirkung des durch die Niedervoltbogenentladung zwischen der Glühkathode und der Anode stark ionisierten Restgases erhielt man auf den am Träger 8 befestigten Substraten eine harte, äusserst haftfeste Titannitridschicht von goldgelber Färbung. Derartige Schichten sind z.B. als Ueberzüge für Gebrauchsgegenstände, die einer starken Abnutzung unterworfen sind nützlich.

Nachfolgend werden weitere Ausführungsbeispiele angeführt, welche die angewendeten Spannungen, Stromstärken und die Restgasatmosphäre bei der Verdampfung von Titan angeben. Bei diesen Beispielen wird eine Leistung von etwa 5 bis 8 kW auf einer Anodenfläche von etwa 0,2 cm abgegeben (Haltwertsbreite des Strahls etwa 0,5 cm).

809881/0747

- ΛΟ -

Beispiele:

2.) Gas : Argon, 5 · 10**^ mb Kathode : 0 V; 133 A Anode : + 37 V; 150 A Rezipient + Substrate: 0 V; 17 A; 629 W

3.) Gas : Argon, 2,5 · 10"-⁵ mb Kathode : - 40 V; 152 A Anode : OV; 117 A Rezipient + Substrate: 0 V; 35 A; 0 W

4.) Gas: Argon, 2,5· 10~^ mb Kathode : + 30 V; II6 A Anode : + 80 V; 144 A Rezipient + Substrate : 0 V;28 A; 2240 W

5.) Gas : Argon 5 · 10~·^ mb Kathode : - 4o V; 152 A Anode : OV; II7 A Rezipient : 0 V; 30 A; 0 W Substrate : - 200 V; 5 A; 1000 W

6.) Gas : N₂, 5 . ΙΟ"-⁵ mb Kathode : 0 V; II6 A Anode : + 70 V; 131 A Rezipient + Substrate : 0 V; 15 A; IO5O W

809881/0747

- γα .

Bei der Herstellung reiner Metallschichten wird, wie schon erwähnt, mit einer inerten Restgasatmosphäre gearbeitet. Harte widerstandsfähige Metallverbindungen aus Nitriden, Karbiden, Boriden oder Oxiden kann man dagegen durch reaktives Aufdampfen erhalten. Hiefür kommen insbesondere die Uebergangselemente d.h. die Metalle der Nebengruppen der vierten bis achten Gruppe des periodischen Systems, also Titan bis Nickel, Zirkon bis Palladium und Hafnium bis Platin in Präge.

809881/0747

Claims

- ve -

PATENTANSPRÜCHE

.J Verfahren zum Verdampfen von Material in einer Vakuumaufdampfanlage durch Beschuss mit Elektronen aus einer Niedervoltbogenentladung zwischen einer in einer vom Aufdampfraum getrennten, mit dieser durch eine Oeffnung verbundenen Kammer angeordneten Glühkathode und einer Anode, wobei während des Betriebes in die Glühkathodenkammer laufend Gas eingeführt wird und der Aufdampf raum durch Pumpen unter einem für den vorgesehenen Beschichtung prozess hinreichenden Vakuum gehalten wird, dadurch gekennzei chnet, dass

a) das im Aufdampfraum (17) angeordnete, zu verdampfende Material (19) selbst als Anode geschaltet wird;

b) die durch die genannte Oeffnung (6) eingeschnürte Entladung (7) im Aufdampfraum zusätzlich durch ein Magnetfeld auf die Anode geführt und zur Erzielung einer für die Verdampfung hinreichenden Leistungsdichte auf der Oberfläche der Anode gebündelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch !,dadurch gekennzeicl¹ net, dass das Magnetfeld parallel zu der gebündelten Entladur (7) verläuft und so bemessen wird, dass der Elektronenstrahl im Aufdampfraum (17) einen Querschnitt von der Grössenordnung der Oeffnung (6) beibehält.

809881/0741

ORIGINAL INSPECTED

- VS -
3. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass in die Glühkathodenkammer (13) laufend soviel Gas eingeführt wird, dass die mittlere freie Weglänge der Gasmoleküle in der Glühkathodenkammer grössenordnungsmässig gleich ist der Kathodenfallstrecke.
4. Verfahren nach Anspruch 1,dadurchgekennzeichnet, dass die Niedervoltbogenentladung bei einer Spannung kleiner als 200 Volt und einem hohen Strom von mindestens 30 A betrieben wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1,dadurchgekennzei c h n e t, dass die Niedervoltbogenentladung mit einer Leistungsdichte auf der Oberfläche der Anode (19) von mehr als 10 kW

ρ
pro cm betrieben wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand mit der Oeffnung (6) zwischen der Glühkathodenkammer (13) und dem Aufdampfraum (17) elektrisch isoliert und auf Schwebepotential gehalten wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass zum Zünden der Entladung kurzzeitig die Anodenspannung an die isolierte Trennwand zwischen der Glühkathodenkammer (6) und dem Aufdampfraum (17) angelegt wird.

809881/0747
8. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungsrate durch Veränderung der Magnetfeldstärke variiert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (3) auf Massepotential und das zu verdampfende Material (19) auf positivem Potential gegenüber Masse gehalten werden.
10. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass das zu verdampfende Material (19) auf Massepotential und die Kathode (3) auf negativem Potential gegenüber Masse gehalten werden.
11. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Kathode (3) als auch das zu verdampfende Material (19) auf positivem Potential gegenüber Masse gehalten werden.
12. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig aus mehreren Verdampfungsquellen (19) unter unterschiedlichen elektrischen Bedingungen aufgedampft wi rd.
13. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass die zu bedampfenden Substrate (8) auf einem gegenüber der Anode (20) negativem Potential gehalten werden.

809881/0747
14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung zwischen der Anode (19) und den Substraten (8) während der Durchführung des Prozesses verändert wird.
15. Verfahren nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate (8) intermittierend als Kathode einer selbständigen Gasentladung geschaltet werden.
16. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Glühkathodenkammer (13) Edelgas eingelassen wird.
17. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass im Aufdampfraum (17) eine ein Reaktionsgas enthaltende Atmosphäre aufrechterhalten wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass im Aufdampfraum (17) eine Stickstoff- oder eine gasförmige Stickstoffverbindung enthaltende Atmosphäre aufrechterhalten wird.
19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass im Aufdampfraum (17) eine gasförmige Kohlenstoffverbindung enthaltende Atmosphäre aufrechterhalten wird.
20. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass im Aufdampfraum (17) eine eine gasförmige Borverbindung enthaltende Atmosphäre aufrechterhalten wird.

809881/0747
21. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich· net, dass im Aufdampfraum (17) eine Sauerstoff- oder eine Sauerstoffverbindung enthaltende Atmosphäre aufrechterhalten wird.
22. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich-η e t, dass eine Mischung von reaktionsfähigen Gasen verwendet
wird.

PR 7776

809881/0747