DE3142900A1

DE3142900A1 - Verfahren und einrichtung zur ionengestuetzten beschichtung elektrisch isolierender substrate

Info

Publication number: DE3142900A1
Application number: DE19813142900
Authority: DE
Inventors: Helmut Ddr 8046 Dresden Bollinger; Bernd Dipl.-Phys. DDR 8021 Dresden Bücken; Dietmar Dipl.-Phys. DDR 8060 Dresden Schulze; Rüdiger Dipl.-Ing. DDR 8019 Dresden Wilberg
Original assignee: Hochvakuum Dresden VEB
Current assignee: Hochvakuum Dresden VEB
Priority date: 1980-12-04
Filing date: 1981-10-29
Publication date: 1982-08-05
Also published as: CH648356A5; US4419380A; JPS57120666A; DD161137A3; CS240416B1; ATA388581A; DE3142900C2; AT375408B; JPS6014100B2

Description

1142900

Verfahren und Einrichtung zur ionengestützten Beschichtung elektrisch isolierender Substrate ,

Anwendungsgebiet der Erfindung .

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung , Bit denen im Vakuum insbesondere elektrisch nicht oder nur gering leitende Werkstoffe unter Ioneneinwirkung beschichtet v/erden können· Damit werden die bei elektrisch leitenden Substraten erzielten Vorteile der ionengestützten Beschichtung, vor allem die gute Haftfestigkeit der Beschichtung auf dem Grundmaterial, auch bei elektrisch isolierenden Substraten erreichbar«

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

2s ist bekannt, elektrisch isolierende Substrate durch ionengestutzte Vakuumverfahren zu beschichten· Dabei ionisieren elektrisch geladene Teilchen eines durch Edel- und/ oder Reaktionsgas aufrechterhaltenen Plasmas Teile des Beschichtungsmaterials, die auf die negativ vorgespannten Substrate beschleunigt und dort abgeschieden werden· Mit zunehmender Beschichtungsdauer weisen die isolierenden Substrate eine positive Aufladung auf, da die Ladungen der ankommenden Ionen nicht abgebaut werden können, so daß der IonenzufIuS und die dadurch an der Oberfläche der Substrate imitierten und für die Schichthaftung vorteilhaften Effekte nicht wirksam werden können«

sen ι * ο o ο ο ο·

Diese nachteiligen Wirkungen werden durch die vorgesclilä«· gene Anbringung (DWP 74 998) einer um di© Substrate angeordneten Elektronenquell© vermieden· Durch diesen ständigen Elektronenbeschuß der Oberfläche werden Ladungen» die durch Ionen des Beschichtungsmaterials und Reaktionaplasxaas erzeugt werden, neutralisiert· Ein ungehinderter Ionen-» beschuß der Oberfläche der elektrisch isolierenden Substrate kann bei richtiger Dimension!erung der Elektronenquellen sicher gewährleistet werden. Allerdings ist die konstruktive Ausbildung der Elektronenquellen in federn Falle den Substraten anzupassen und verursacht einen nicht unerheblichen zusätzlichen Aufwand· Weiterhin ist bei allen Veränderungen der Ferfahrensfüh» rung, die bei technologisch komplizierten Prozessen häufig erforderlich ist,, die Anpassung der Elektronenemission an den Ionenststrom jeweils neu erforderlich® Hierzu sind umfangreiche Regelungen vorzusehen, um einen entsprechenden Betrieb der Einrichtung störungsfrei zu ge-' stalten·

Auch ist es seit längerem bekannt, die elektrische Auf la«= dung isolierender Substrat© bei ionengestützten Beschichtungstechniken durch di© Anordnung einer hochfrequenten Wechselspannung zu beseitigen« Dies© in der Zerstäubungstechnik vielfach angewendete Mathode sichert den Abbau der Ladungen und garantiert einen sicheren Besehichtungsvorgang· Das setzt jedoch einen erheblichen apparativen Aufwand voraus, da neben ©in©m leistungsfähigen Hochfre« quenzgenerator entsprechende Anpassung®«»·und Zuführungsglieder zu_ den Substraten mit &@n unterschiedlichsten dielektrischen Werten sand geometrischen Abmessungen benö·» tigt werden·

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, die ionengestützte Beschichtung technisch und technologisch einfach durchzuj?5 führen, wobei &©r höh© appmraiive Aufwand zu vermeiden ist«

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die es ermöglichen, elektrisch isolierende Substrate bei Anwendung von lonen-5 oder Plasmaeinwirkungen unter Beibehaltung der Vorteile dieser Verfahrenstechniken und unter Vermeidung spezieller Anpassungs- und Zuführungsgliedern zu den Substraten einwandfrei zu beschichten·

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in der Anodenspannungszuleitung einer an sich bekannten, aus Glühkatode und positivem Anodengitter bestehenden Plasmaquelle ein Vorwiderstand, und zwischen Anode und Katode ein Kondensator angeordnet sind, deren Größe vom vorgegebenen Arbeitsdruck im Rezipienten bestimmt werden· Die An-Ordnung der Plasraaquelle ist sowohl in konzentrischer wie auch in ebener Ausführung möglich, wobei die ebene Anordnung, in Abhängigkeit vom durchzuführenden Verfahren, die Installation mehr als einer Plasmaquelle gestattet· Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die für die ionengestützte Beschichtung erforderliche Plasmaquelle alternierend betrieben wird· Dabei wechseln in ständiger Reihenfolge Phasen der Ionisierung und der Neutralisation der an den Substraten aufgebauten Ladungen ab, während die Elektronenemission der thermischen Katode stabil gehalten wird«. Bei selbständiger Entladung, d·· h, bei relativ hohem Gasdruck um 1 ··· 10 Pa, dient die Katode als Lieferant der zur Heutralisierung der sich auf den Substraten aufbauenden positiven Ladung notwendigen Elektronen während der Zeit, da die Plasma- und somit die Ionenerzeugung erfindungsgemäß aussetzt· Bei Drücken unter 1 Pa bis hin zu etwa 10 Pa dienen die Elektronen zusätzlich zur Aufrechterhaltung der Entladung, einer sogenannten unselbständigen Gasentladung. Die Arbsitsfrequenz des Verfahrens, d· h· der ständige Phasenwechsel liegt vorteilhafterweise im Bereich von einigen kHz bia zu einigen Hundert kHz und ergibt sich

3U2900

β β *» ΛΑ ' U Ö Λ * ■* <* <4

b O α α« θο »β

aus der Wahl der Zünd- und Löschspannung der Entladung bei vorgegebenem Entladungsdruck im Rezipienten und den technischen Daten des Widerstandes und des Kondensators zu

1 f"¹

wobei Uq die maximal an der Plasmaquelle zur Verfügung stehende Spannung ist»

Me Wirkungsweise der ©rfindungsgemäßen Einrichtung soll kurz erläutert werden·

ITach Einschalten der Spannungsversorgung für die Plasmaquelle wird die Glühkatode auf Emissionstemperatur erhitzt und der parallel zur Entladungsstrecke liegende Kondensator über den Vorwiderstand aufgeladen. ITach Erreichen der Zündspannung U^ zündet die Entladung« Da dabei der Stromfluß Über die Entladungsstrecke größer ist als der durch den Vorwiderstand bedingte Aufladestrom des Kondensators, wird dieser entladen* und die Spannung an der Anode sinkt unter die Löschspannung Uj, so daß die Entladung in der Vakuumkammer aussetzt· In diesem Falle wird der Kondensator wieder aufgeladen bis die Entladung erneut zünden kann und sich eine sogenannte Kippschwingung einstellt» Während der Brennphase der Entladung werden die in der Entladung erzeugten positiven Ionen in Richtung auf· den negativ vorgespannten Substrathalter beschleunigt, wobei sie zum Aufladen der dort angebrachten elektrisch isolierenden Substrate führen· In der anschließenden Löschphase werden diese störenden Ladungen durch die aus der Glühkatode ständig austretenden Elektronen, die durch die zwar unter die Löschspannung gesunkene aber nach wie vor vorhandene Anodenspannung beschleunigt werden und auf die Substrate auftreffen, beseitigt· Das Beschichtungsmaterial kann dabei im Rezipienten zerstäubt bzwo verdampft wie auch in gasförmiger Porm eingebracht, in der Plasmaquelle durch lonaneinwirkung ent-

3U2900 .::.::^:*.i

sprechend gespalten und teilweise ionisiert, und als hochwertige Beschichtung auf den Substraten niedergeschlagen werden. Bei der Anordnung mehr als einer Plasmaquelle ist sowohl der gleichläufige als auch der wechselweise Betrieb aller vorhandenen Plasmaquellen möglich. Ebenso ist es möglich, daß die Plasmaquellen gleichzeitig, aber mit unterschiedlicher Arbeitsfrequenz, wie auch pulsierend und mit unterschiedlicher Arbeitsfrequenz, arbeiten.

Ausführungsbeispiel

Anhand von zwei Ausführungsbeispdelen soll die Erfindung näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen ·

Fig. 1: eine Variante der erfindungsgemäßen Einrichtung mit ebener Anordnung der Elektroden . Pig. 2: eine konzentrische Anordnung der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Figo 1 zeigt die Beschichtungskammer 1 mit dem Vakuumerzeugungssystem 2 und dem Gaseinlaßsystem 3· In der Beschichtungskaiamer 1 befindet sich die aus 0,3 mm Tantaliumdraht bestehende Glühkatode 4 und die aus 0,1 mm Wolframdraht zylinderförmig gewickelte Anode 5, die im Abstand von 100 mm zur Glühkatode 4 angeordnet ist. Die aus Glühkatode 4 und Anode 5 bestehende Plasmaquelle ist mit der SpannungsVersorgung 6 verbunden. Im Anodenäroinkreis befindet sich dabei ein Widerstand7von 100 0hm und parallel zur Entladungsstrecke ein Kondensator 8 von 47 ixF mit ausreichender Spannungsfestigkeit·
Des weiteren ist in'der Beschichtungskammer 1 die Beschichtungseinrichtung 9 und ihr gegenüber der Substrathalter 10 angeordnet, der mit der Spannungsversorgungseinheit 11 verbunden ist, die ihn mit einer ausreichenden negativen Spannung versorgt.

31 429G0 S.. ::^:
-r-Ί-

Das Vakuumerzeugungssystem 2, das Gaseinlaßsystem 3 und die BescMchtungseinrichtung 9 sind dem Anwendungsfall entsprechend ausgewählt· Zur rationellen Verfahrensgestaltung wurde bei diesem Ausführungsbeispiel ein transversal aufgebauter Elektronenstrahlverdampfer als Beschichtungs~ 'einrichtung 9 vorgesehene

•»2

Durch Argoneinlaß wird nun ein Arbeitsdruck von 10 Pa eingestellt. Die Glühkatode 4 wird mit einem Heizstrom von etwa 30 A und die Anode mit einer positiv zur Katode gemessenen Spannung von 250 V versorgt· Bei diesen Betriebsparametern ergibt sich eine ausreichende Elektronenemission, wobei die Elektronen um die gitterförmige Anode 5 pendeln, und dabei das Arbeitsgas ionisieren, bevor sie auf die auf dem Substrathalter 10 befindlichen isolierenden und durch positive Ionen aufgeladene Substrate 12 beschleunigt werden· Der aus dem Plasma extrahierte Ionen-

—2

strom beträgt dabei 4 Am , bei -800. V angelegter Beschleunigungsspannung, der Plasmastrom 1,5 A und die Arbeitsfrequenz 150 kHz·

In Pig· 2 ist eine koaxiale Anordnung dargestellt, die besonders bei nutzung von gasförmigen Beschichtungswerkstoffen Anwendung findet· Die zentrale, aus 0,5 mm Wolframdraht bestehende Glühkatode 4 ist dabei im Abstand von 150 mm von einer aus 0,1 mm Wolframdraht gefertigten gitterförmigen Anode-5 umgeben. Der aus Kupferblech bestehende Substrathalter 10 ist im Abstand von· 190 mm zur Katode 4 angeordnet.

Der Arbeitsdruck wurde mit 1 Pa festgelegt, wobei sich bei einem Katodenheizstrom von 55 ä und einer an der Stromversorgung 6 anliegenden Spannung von +200 V und einer Beschleunigungsspannung von -600 V am Substrathalter 10 ein Plasmastrom von 0,8 A und eine Arbeitsfrequenz von 320 kHz ergibt· Der Widerstand 7 wurde mit 1000 0hm und der Kondensator 8 mit 100 nF festgelegt. Durch Einlaß von Benzen an der Beschickungseinrichtungϋ können unter den genannten Bedingungen isolierende .Substrate mit harten transparenten Kohlenstoffschichten belegt werden·

Claims

Erfindungsanspruch

• /1 ·J Verfahren zur ionengestützten Beschichtung elektrisch ^ isolierender Substrate, dadurch gekennsseichnet, daß

die aus Glühkatode (4) und Anode (5) bestehende Plasma·» quelle alternierend betrieben wird, wobei die Anodenspannung mit einer Prequenz von einigen Idäz bis zu
einigen Hundert kHz ständig zwischen einer Zündspannung U„ und einer Lb'schspannung Ur pendelt und daß die
Glühkatode dabei ständig gleichmäßig Elektronen emit» tiert.
2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach

Punkt 1, , dadurch gekennzeichnet, daß im Anodenstromkreis ein Widerstand (7) und parallel zum Entla-. dungsstromkreis ein Kondensator (8) angeordnet sind.