DE3000451C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vakuumaufdampfanlage mit einer Einrichtung zur Erzeugung einer Gleichstromglimmentladung zwecks Be­ handlung der zu beschichtenden Substratflächen. Eine solche Behand­ lung kann als Vorbereitung zur Aufdampfung oder während des Aufdampfens einer Schicht oder auch zur Nachbehandlung derselben nützlich sein.

Ein Beispiel einer derartigen Behandlung stellt die Reinigung der Substratflächen vor dem Bedampfen dar. Neben den meist chemischen Reinigungsverfahren, die vor dem Einbringen der Substrate in die Be­ schichtungskammer angewendet werden, hat sich eine Reinigung durch Kathodenzerstäubung unmittelbar vor dem Beginn der Beschichtung oder auch eine laufende Reinigung während des Beschichtens besonders in der Anfangsphase der Aufdampfung gut bewährt, weil sie oft eine außerge­ wöhnlich gute Haftung der Schichten ergibt. Dabei wurden die Substrate an den negativen Pol einer Gleichspannungsquelle gelegt und der Druck des Restgases so eingestellt, daß die mittlere freie Weglänge der Gasmoleküle zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stößen im Gasraum etwa ¹/₃₀ bis ¹/₁₀₀ des Abstandes der Substrate von der gegenüberlie­ genden Wand des Rezipienten beträgt. In der Kathodenfallstrecke, deren Dicke etwa 20 mittlere freie Weglängen beträgt und an der fast die ge­ samte Potentialdifferenz zur Entladung abfällt, werden die gebildeten Ionen auf die Kathode zu beschleunigt, treffen auf die Substrate auf und entfernen durch Zerstäubung zunächst die Verunreinigungen und dann auch die obersten Oberflächenschichten, wobei die abgestäubten Atome in das Restgas der Beschichtungskammer hineindiffundieren und durch einen Gasstrom weggespült werden können. Bei diesem Prozeß entladen sich die positiv geladenen Gasionen an den Substraten und der entsprechende elektrische Strom muß abgeführt werden, was die Anwendung des Verfahrens in erster Linie auf die Reinigung elektrisch leitender Substrate beschränkt.

Für die Anwendung auf elektrisch nichtleitende Substrate kann man, wie bekannt, die Gleichspannungsquelle durch eine Hochfrequenzquelle er­ setzen, doch erfordert dies bedeutend höhere apparative Aufwendungen. Es ist auch schon vorgeschlagen worden, die isolierenden Substrate in ein Netz einzuschließen, bzw. hinter einem Gitter anzuordnen, welches dann auf eine negative Gleichspannung gelegt wird. Doch ist dabei nicht zu vermeiden, daß gleichzeitig eine unerwünschte Verunreinigung der Substratoberfläche mit dem Metall erfolgt, aus wel­ chem das Netz oder Gitter gefertigt ist, da die nunmehr als Kathode wirksamen Metallteile desselben ebenfalls einer Zerstäubung unterlie­ gen und die abgestaubten Metallatome teilweise an der Substratoberfläche kondensiert werden. Falls Metallschichten auf die Substrate aufgebracht werden sollten, stört dies zwar meist nicht. Wenn jedoch transparente Schichten beispielsweise reflexvermindernde Schichten z. B. auf der Oberfläche von Linsen aufzubringen sind, ist eine derartige Vorbeschich­ tung mit einem Metall nicht zulässig. Aus diesen Gründen war das Rei­ nigen von elektrisch nichtleitenden Substraten durch Kathodenzerstäu­ bung trotz der damit erreichbaren besseren Haftfestigkeit der Schichten nicht sehr gebräuchlich.

Vielmehr wird oft eine andere elektrische Reinigungsmethode angewendet, die in einer von der vorbeschriebenen völlig verschiedenen geometrischen Anordnung betrieben wird, nämlich die Glimmentladung, bei welcher die Substrate sich auf Erdpotential befinden und zusammen mit der Rezipien­ tenwand die Anode bilden, die von den Elektronen getroffen wird. Im Gegensatz zur Reinigung durch Kathodenzerstäubung ist hierbei die eben­ falls negativ gepolte Kathode viele mittlere freie Weglängen von den Substraten entfernt. Die bei diesem Verfahren auf die Substratflächen treffenden Elektronen bewirken aber nur eine Desorption schwach gebun­ dener Adsorbate und keine Zerstäubung fest gebundener Oberflächen­ schichten. Die Reinigung der Substrate bei der Glimmentladungsanordnung erfolgt zwar sehr schonend, ist aber wie gesagt, nur mäßig wirksam. Außerdem wird auch bei diesem Verfahren von der Kathode (Glimmelektro­ de) Metall abgestäubt; da jedoch die Entfernung zu den Substraten viele mittlere freie Weglängen beträgt, gelangen nur relativ wenige von der Kathode abgestäubte Metallatome auf die Substratoberfläche, so daß die Verunreinigung derselben bei der Glimmentladungsmethode für viele An­ wendungen nicht merklich ist.

Ein weiteres Verfahren, bei dem eine Behandlung der Substrate mittels einer elektrischen Entladung stattfindet, ist unter dem Namen "Ionpla­ ting" oder "ionenunterstützte Aufdampfung" bekanntgeworden. Hierbei spielt nicht nur die laufende Entfernung von Verunreinigungen während der Kondensation der Schicht durch Ionenbeschuß eine Rolle, sondern mehr noch der Umstand, daß durch die Ionen Energie auf die zu beschichten­ de Fläche übertragen wird, was für die Erzielung einer guten Haftfestig­ keit förderlich ist. Diese Energieübertragung kann dabei direkt durch aufprallende Ionen erfolgen oder indirekt, wenn durch Zusammenstöße mit neutralen Molekülen (der Restgasatmosphäre oder des Dampfes des zu kondensierenden Materials) zuerst auf diese Energie übertragen wird und die neutralen Moleküle dann ihrerseits Energie auf die Substrat­ oberfläche übertragen. Eine solche Energieübertragung kann auch zur Nachbehandlung einer Schicht wünschenswert sein, z. B. um sie durch Er­ hitzung härter und widerstandsfähiger gegen äußere Einflüsse zu machen, oder zur Durchführung einer chemischen Reaktion, z. B. Oxidation der Schicht in einer entsprechenden reaktiven Atmosphäre.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vakuum­ bedampfungsanlage zu schaffen, die eine Behandlung, vorzugsweise eine Reinigung der Substratflächen vorwiegend mit Neutralteilchen ermöglicht. Diese Vakuumaufdampfanlage mit einer Vakuumkammer, einer Gaseinlaß­ öffnung in der Kammer, einer Dampfquelle und einer Haltevorrichtung für die zu beschichtenden Substrate, wobei vor den zu beschichtenden Sub­ stratflächen eine Durchbrechungen aufweisende, als Kathode schaltbare Elektrode angeordnet ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der genannten Elektrode und den Substratflächen Abschirmelemente vorgesehen sind, derart, daß die Sichtverbindung von der Elektrode zu den Sub­ stratflächen unterbrochen ist.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Die

Fig. 1 stellt schematisch die Gesamtanordnung der Vakuumanlage dar. Die

Fig. 2a-2e zeigen verschiedene Formen der Abschirmele­ mente.

In Fig. 1 bedeutet 1 die zylindrische Wand einer Vakuumkammer, die durch eine Bodenplatte 2 und eine Deckplatte 3 stirnseitig abgeschlos­ sen ist. In der Kammer befindet sich die schematisch dargestellte Ver­ dampfungsquelle 4, der der Heizstrom mittels der vakuumdichten Strom­ durchführungen 5 und 6 zugeführt wird. Die Evakuierung der Kammer ge­ schieht durch den Absaugstutzen 7 . Durch die Deckplatte 3 ist zentral eine Antriebswelle 8 vakuumdicht hindurchgeführt, welche die Träger­ platte 9 für die zu beschichtenden Substrate trägt. Während der Bedam­ pfung wird diese Trägerplatte in Drehbewegung versetzt, um die der Dampfquelle zugewandten Substratflächen möglichst gleichmäßig beschich­ ten zu können. Zwischen der Dampfquelle und den Substratflächen ist fer­ ner die mit Durchbrechungen versehene Elektrode 10 z. B. in Form einer Mehrzahl von parallelen Gitterstäben angeordnet, die miteinander elek­ trisch leitend verbunden sind und mittels einer Spannungszuführung 11, die ihrerseits bei 12 durch die Kammerwand nach außen geführt ist, mit einem gegenüber der Dampfquelle 4 negativen Potential beaufschlagt, d. h. als Kathode geschaltet werden können. Der Abstand der Elektrode 10 von den Substraten sollte in der Größenordnung weniger mittlerer freier Weglängen der Gasmoleküle bei Betriebsdruck in der Aufdampfkammer liegen.

Im Sinne der Erfindung sind nun zwischen den Elektrodenstäben 10 und den Substratflächen Abschirmelemente 13 vorgesehen, die die Aufgabe haben, die Sichtverbindung von den Elektroden 10 zur besagten Substrat­ oberfläche zu unterbrechen. Dadurch wird erreicht, daß die von den kathodisch geschalteten Elementen 10 gegebenenfalls abgestäubten Metall­ atome die Substratflächen nicht erreichen können; nichtsdestoweniger gelangen die von den im elektrischen Feld beschleunigten Ionen gesto­ ßenen Neutralteilchen durch die Zwischenräume zwischen den Elektroden­ stäben 10 hindurch auf die Substratflächen, und indem sie kinetische Energie auf diese übertragen, wird eine laufende Reinigung derselben während der Beschichtung und eine bessere Haftfestigkeit der nieder­ geschlagenen Schichten erzielt. Vorzugsweise sind die Abschirmele­ mente 13, wie in der Zeichnung dargestellt, mit der Kammerwand 1 elek­ trisch verbunden.

Anstelle der beschriebenen durch parallele Gitterstäbe gebildeten Elek­ trode kann natürlich auch eine anders geformte, Durchbrechungen für den Dampfdurchtritt aufweisende Elektrode z. B., wie an sich bekannt, ein Netz oder ein Lochblech vorgesehen werden, wobei jedoch stets im Auge zu behalten ist, daß die Durchtrittsöffnungen genügend zahlreich und ge­ nügend groß sein müssen, um auf den Substraten den gewünschten Nieder­ schlag in der gewünschten Verteilung erhalten zu können. Für eine gleich­ mäßige Verteilung ist es zweckmäßig, den Substratträger 9, wie in Fig. 1 durch den Pfeil angedeutet, mittels der Welle 8 in Rotation wäh­ rend der Bedampfung zu versetzen. Auch eine Relativbewegung der Elek­ trode und ihrer Abschirmung gegenüber den Substratflächen, kann für eine gleichmäßige Kondensatverteilung dienlich sein.

Die Elektrode 10 und die ihr zugeordneten Abschirmelemente 13 können mechanisch miteinander verbunden sein, wobei sie jedoch elektrisch gegeneinander isoliert werden müssen.

Die Fig. 2a und 2b zeigen brauchbare Querschnittsformen der Elek­ trodenstäbe 10 und der Abschirmelemente. Das einem bestimmten Elektro­ denstab zugeordnete Abschirmelement kann dieses dachförmig übergrei­ fen. Die Formen nach den Fig. 2c und 2e sind besonders brauchbar.

In den Fig. 2c-2e bedeutet 14 die als Kathode schaltbare Elektrode von jeweils unterschiedlicher Querschnittsform. Diese Elektrode trägt mittels eines Isolators 15 das Abschirmelement 16 im Sinne des Patent­ anspruchs. Die mechanische Verbindung zwischen den genannten Teilen kann auf jede bekannte Art und Weise, die im Hinblick auf die Benutzung dieser Elemente unter Vakuum in Frage kommt, erfolgen.

Besondere Vorteile bietet die Ausführungsform der Fig. 2e mit T-förmi­ gem Profil der Elektroden-Gitterstäbe, wobei die auf die Dampfquelle zu gerichtete Kante 17 eine solche elektrische Feldverteilung bewirkt, daß einerseits die von den Substratflächen fernzuhaltenden Ionen hauptsächlich an die genannte Kante geführt werden, andererseits die von diesen Ionen (durch Stoß oder Ladungsaustausch) erzeugten schnellen Neutralteilchen auf den Substraten eine hohe Ätzrate erzielen. Die hohe Ionenstromdichte an der vorspringenden Kante 17 bewirkt, daß diese auch bei hohen Beschichtungsraten mit elektrisch isolierenden Materialien ihre Funktion als Kathode der Entladung beibehält, weil die auf die Kante aufwachsende Isolierschicht durch die Entladung selbst laufend weggestäubt wird. Außerdem ergibt das T-Profil einen mechanisch stabilen Aufbau. Die Ausführungsformen der Fig. 2c bis 2e bieten ferner den Vorteil, daß die die Abschirmelemente tragenden Isolatoren 15 durch die Elektrode 14 gegen Bedampfung geschützt sind.

Claims (5)

1. Vakuumbedampfungsanlage mit einer Vakuumkammer, einer Gaseinlaß­ öffnung in der Kammerwand, einer Dampfquelle und einer Haltevor­ richtung für die zu beschichtenden Substrate, wobei vor den zu be­ schichtenden Substratflächen eine Durchbrechungen aufweisende, als Kathode schaltbare Elektrode angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der genannten Elektrode (10) und den Substratflä­ chen (9) Abschirmelemente (13) vorgesehen sind, derart, daß die Sichtverbindung von der Elektrode zu den Substratflächen unter­ brochen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Abschirmelemente (13) mit der Kammerwand (1) elek­ trisch leitend verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Elektrode (10) gegenüber den Abschirmelementen (13) elektrisch isoliert und von diesen getragen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Elektrode aus Gitterstäben (10) T-förmigen Profils besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Elektrode (14) so geformt ist, daß die die Abschirm­ elemente (13) tragenden Isolatoren (15) durch die Elektrode (14) gegen Bedampfung geschützt sind.