DE3834318A1

DE3834318A1 - Vorrichtung zum aufbringen dielektrischer oder metallischer werkstoffe

Info

Publication number: DE3834318A1
Application number: DE3834318A
Authority: DE
Inventors: Reiner Dipl Ing Seiler
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1988-10-08
Filing date: 1988-10-08
Publication date: 1990-04-12
Also published as: US4933065A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufbringen dielektrischer oder metallischer Werkstoffe auf ein in einer Vakuumkammer angeordnetes Substrat, mit einem Elek tronen-Emitter und mit im Bereich der Vakuumkammer ange ordneten Magnetspulen, wobei der Elektronen-Emitter in einer separaten, mit der Vakuumkammer korrespondierenden, die Anode bildenden Generatorkammer angeordnet ist und nach dem Einleiten des Prozeßgases über einen Einlaß stutzen einen großflächigen Plasmastrahl erzeugt, der unter der Einwirkung der Magnete zwischen Elektronen- Emitter und einem Target geführt ist, wobei die positiven Ionen durch Anlegen einer einstellbaren negativen Spannung aus dem Plasmastrahl auf das Target beschleunigt werden, von wo aus die abgestäubten Metallatome auf das Substrat gelangen.

Es ist ein Verfahren zum Herstellen transparenter Wärme spiegel durch Ablagerung eines Films aus versetztem Indiumoxid oder versetztem Zinnoxid auf ein Substrat bekannt (EU-PS 00 20 456), bei dem als Ablagerung eine Niedrigtemperatur-Ablagerung auf ein Polymer-Substrat durch Zerstäubung, thermische Verdampfung, Vakuumauf dampfung oder Elektronenbeschuß verwendet wird, wobei während der Ablagerung ein Sauerstoff-Partialdruck in einem Bereich benutzt wird, der unmittelbar Filme des genannten Materials mit einer hohen Transparenz und einem hohen Reflexionsvermögen erzeugt.

Bei der hierbei verwendeten Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist ein wassergekühltes Target in einem Winkel von etwa 45° gegenüber dem von einer Strahlquelle erzeugten Ionenstrahl in der mit einem Gaseinlaß versehe nen Vakuumkammer angeordnet, wobei das ausgeworfene Target-Quellenmaterial ein Beschichten des winklig zum Target angeordneten, mit einem Polymersubstrats bewirkt.

Weiterhin ist ein Plasmagenerator mit Ionenstrahlerzeuger bekannt (Aufsatz von D. M. Goebel, G. A. Campbell und R. W. Conn im Journal of nuclear material 121 (1984), 277-282, North Holland Physics Publishing Division, Amsterdam), der in einer mit der Vakuumkammer verbundenen, separaten Kammer angeordnet ist, wobei die etwa zylindri sche Kammerwand dieser separaten Kammer die Anode bildet und mit einem Einlaßstutzen für das Prozeßgas versehen ist. Die zylindrische Kammer ist von ringförmigen Magnet spulen und mit Rohren zur Kühlung der Kammerwand versehen. Der Elektronen-Emitter selbst befindet sich an einem das eine Ende der zylindrischen Kammer verschließenden, dem eigentlichen Vakuumkessel abgekehrten Wandteil.

Schließlich ist eine Vorrichtung zum Aufbringen von Werk stoffen bekannt (P 37 31 693.1), bei der der Elektronen- Emitter in einer separaten, mit der Vakuumkammer korre spondierenden, die Anode bildenden Generatorkammer und das Target in der Vakuumkammer vorgesehen sind, wobei das Tar get eine etwa plattenförmige Konfiguration aufweist und an einen Kühlkreislauf angeschlossen ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Hochraten-Zerstäuben mit Hilfe eines fremderzeugten Plasmas zu schaffen, bei der die dem Target zuführbare Leistung besonders groß ist und bei der das Target eine hohe Lebensdauer aufweist und einer möglichst gleichmäßigen Abnutzung unterworfen ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Target eine etwa zylindrische oder trommelförmige Konfigu ration aufweist und motorisch angetrieben um seine Längs achse drehbar von einem Lagerbock in unmittelbarer Nach barschaft zum Substrat gehalten ist.

Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansplüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausführungsmöglich keiten zu; eine davon ist in der anhängenden Zeichnung wiedergegeben, die eine Vorrichtung mit einer separaten Plasmaquelle zur Beschichtung von Bändern und Folien im Längsschnitt und rein schematisch darstellt.

Die Beschichtungsvorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Vakuumkessel 1 mit Pumpöffnung 2, dem im Vakuum kessel 1 drehbar gelagerten Abwickler 3 und Aufwickler 4, der ebenfalls drehbar gelagerten Beschichtungswalze 5, der den Vakuumkessel 1 in zwei Kammern 16, 17 teilenden Trenn wand 18, den sich parallel zur Trennwand 18 quer im Vaku umkessel 1 erstreckenden Rohrstutzen 19, mit dem auf ihn aufgewickelten, eine Magnetspule 21 und eine Kühlschlange bildenden Rohr 22, einem auf einem Lagerbock 24 in schrä ger Lage zu der Trennwand 18 und dem Rohrstutzen 19 ge haltenen trommelförmigen Target 7 mit Isolator 20 und den beiden, den elektrischen Strom und das Kühlwasser leiten den Rohren 42, 43, die ebenso wie das Rohr 22 durch die eine Stirnwand 27 des Vakuumkessels 1 bei 8, 8′, 8′′ abge dichtet hindurchgeführt sind.

Weiterhin weist die Beschichtungsvorrichtung eine an der anderen Stirnwand 28 des Vakuumkessels 1 festangeordnete Schiene 29 auf, auf der die Magnetspulen 30, 39 mit ihren Spulenhalterungen 31, 32 in Pfeilrichtung A verschiebbar geführt sind, wobei konzentrisch zu den Magnetspulen 30, 39 die als Rohr ausgebildete Anode 11 vorgesehen ist, deren Längsachse mit der Längsachse des Rohrstutzens 19 in der Kammer 17 des Vakuumkessels 1 fluchtet und deren dem Vakuumkessel 1 abgekehrtes Ende mit einem Isolator 14 ver schlossen ist, der einen Elektronen-Emitter 9 mit Heizung 10 trägt.

Die Anode 11 weist an ihrem dem Vakuumkessel 1 zugekehrten Ende einen Flansch 33 auf, mit dem sie an der Stirnwand 28 des Vakuumkessels 1 gehalten ist, wobei jedoch zwischen dem Flansch 33 und der Stirnwand 28 ein Isolator 34 ange ordnet ist, der die rohrförmige Anode 11 elektrisch vom Rohrstutzen 19 bzw. der Stirnwand 28 isoliert. Die rohr förmige Anode 11 ist seitlich mit einem sich radial nach außen zu erstreckenden Einlaßstutzen 13 versehen und ist von einer Rohrschlange 12 umschlossen, die von Kühlwasser durchflossen ist. Der Isolator 14 ist fest mit einer Loch platte 35 verbunden, an der die Wasser- und Stromdurch führungen 36, 36′, ... vorgesehen sind.

Im Inneren der rohrförmig ausgebildeten, evakuierten Gene ratorkammer 37 werden aus dem Elektronen-Emitter 9 groß flächig Elektronen emitiert und zu der Anode 11 beschleu nigt. Durch gleichzeitig in die Generatorkammer 37 über den Stutzen 13 eingelassenes Gas wird ein Plasma gezündet.

Durch die Magnetspulen 6, 30, 21, 39, welche sowohl im Bereich der Generatorkammer 37 als auch am Target 7 vorge sehen sind, wird das Plasma auf einen schlauchförmigen Bereich zwischen Elektronen-Emitter 9, der Generatorkammer 37 und dem Target 7 begrenzt. Das Magnetfeld bewirkt da bei, daß die emitierten Primärelektronen den Feldlinien entlangdriften und nur über Stöße zur Anode 11 gelangen können, wobei aus dem trommelförmigen, rotierenden Target 7 abgeschlagene Sekundärelektronen, die ebenfalls zur Ionisierung beitragen, eingefangen werden. Die dabei er zeugten Ionen driften ebenfalls entlang der Magnetfeld linien in Richtung auf das Substrat 15 zu. Am Target 7 steht so ein Ionenstrom von hoher Intensität (bis in die Größenordnung 1 A/cm²) zur Verfügung. Die Energie der Ionen ist jedoch gering. Wird nun am Target 7 ein negati ves Potential angelegt, so werden die Ionen aus der Plasma-Randschicht beschleunigt.

Durch Änderung des Magnetfeldes ist es möglich, den Plas mastrahl um bis zu 90° zu "biegen". Deshalb ist die Ein baulage des Targets 7 relativ zur Längsachse der Genera torkammer 37 bzw. zum Rohrstutzen 19 nahezu beliebig wählbar.

Bei der metallischen Kathodenzerstäubung wird in die Generatorkammer 37 Argongas eingelassen, ein Argonplasma gezündet und an das Target 7 eine Spannung im Bereich 100 V bis 1 kV angelegt. Es herrschen auf der Target- Oberfläche Bedingungen, ähnlich der DC-Kathodenzerstäu bung, wobei sich vergleichbare Eigenschaften der aufge stäubten Schichten ergeben. Gegenüber der DC-Kathoden zerstäubung ergeben sich folgende Vorteile:.

Die dem Target 7 zuführbare Leistung ist bedeutend größer. So ergibt sich z. B. mit einem Ionenstrom von 1 A/cm² und einer Target-Spannung von 750 V eine Flächenleistung auf dem Target von 750 W/cm². Dies ist zu vergleichen mit einer maximalen Flächenleistung bei der DC-Magnetron- Kathodenzerstäubung von einigen zehn W/cm². Entsprechend Target-Strom und Target-Spannung sind unabhängig einstell bar, wohingegen bei der DC-Kathodenzerstäubung beide Grö ßen über eine Kennlinie verknüpft sind. Die Möglichkeit der unabhängigen Einstellbarkeit von Strom und Spannung bietet den Vorteil, die Zerstäubungsrate über den Target- Strom und die Eigenschaft der aufgestäubten Schicht über die Target-Spannung unabhängig voneinander beeinflussen zu können.

Wird bei einer reaktiven Kathodenzerstäubung in der Nähe des Substrats 15 über den Einlaßstutzen 38 Reaktivgas in die Kammer 17 eingelassen, so sind die physikalischen Bedingungen denen der konventionellen, reaktiven Kathoden zerstäubung vergleichbar.

Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, daß die die Ionisation auslösenden Elektronen beim reaktiven Kathoden zerstäuben vom Target 7 geliefert werden und der Prozeß daher sehr empfindlich auf Änderungen der chemischen Be schaffenheit der Target-Oberfläche reagiert. Bei der hier beschriebenen Vorrichtung werden die Ionen von außen zuge führt, und das System verhält sich wesentlich stabiler.

Die zum metallischen Kathodenverstärker genannten Vorteile kommen hier voll zum Tragen. Ein zusätzlicher Vorteil ist darin zu sehen, daß der intensive Plasmastrahl dazu ge nutzt werden kann, das eingelassene Reaktivgas reaktiver zu machen (Dissoziieren von Reaktivgas-Molekülen, Anregen, Ionisieren von Reaktivgas-Atomen). Die beim reaktiven Zer stäubungsprozeß in der Regel notwendigen zusätzlichen Blendensysteme, Anoden und Anodenstromversorgungen ent fallen hier.

Bei genügender Abschwächung des Feldes des Magneten 6 hinter dem Target 7 und gleichzeitigem Vorhandensein eines Magneten 40 hinter dem Substrat 15 bzw. eines magnetischen Substrats oder Substrathalters ist es möglich, den Plasma strahl in zwei Teilstrahlen S 1, S 2 aufzuteilen, von denen einer zur Zerstäubung eines Metall-Targets 7 und der zwei te zur Aktivierung des Reaktivgases bzw. zur Plasmabehand lung des Substrats 15 genutzt werden kann. In diesem Fall ist durch geeignete Druckstufen die Elektronen-Temperatur in beiden Teilstrahlen 51, 52 unabhängig beeinflußbar.

Bei den erreichbaren hohen Energiedichten ist es auch möglich, bei genügend geringer Kühlung des Targets 7 über die Kühlmittelleitung 42, 43 und die Kühlkammer 41 ein geeignetes Target durch den Plasmastrahl zu verdampfen.

Durch das vorhandene intensive Plasma entstehen Schichten mit gegenüber den gängigen Verdampfereinrichtungen ver besserten Eigenschaften, da im Plasma abgedampfte Metall- Cluster aufgebrochen und die abgedampften Metallatome zum Teil ionisiert werden.

Von der Maschinenseite her bietet das beschriebene Verfah ren Vereinfachungen, da im Gegensatz zum Ionen- bzw. Elektronenstrahl-Verdampfen keine Hochspannung erforder lich ist (typische Quellenspannung 80 V, typische Target- Spannung 700 V).

Der Plasmastrahl kann großflächig in beliebiger Form her gestellt werden. Eine Scan-Vorrichtung ist nicht erforder lich. Dadurch, daß der Plasmastrahl von sich aus quasi neutral ist, vereinfacht sich die Handhabung erheblich. Zusätzliche Einrichtungen zur Neutralisierung des Strahls sind nicht notwendig.

Zur Beschichtung eines Substrats 15 mit einer Legierung bestimmter Zusammensetzung ist es möglich, ein entspre chendes Target 7 zu benutzen und eine Kathodenzerstäubung zu betreiben.

Um ein Höchstmaß an Standzeit und Abtrag des Targets 7 zu erzielen, ist dieses zylindrisch ausgebildet und um seine Längsachse L rotierbar auf dem Lagerbock 24 gehalten, der über den Isolator 20 an der Stirnwand 27 der Vakuumkammer 1 befestigt ist. Das Target 7 ist mit einer Kühlkammer 41 versehen, die die Außenschicht aus absputterbarem Werk stoff von innen her kühlt. Ein Antriebsmotor für das trommelförmige Target 7 ist in der Zeichnung nicht näher dargestellt.

Von wesentlicher Bedeutung für das richtige Arbeiten der Vorrichtung ist die Anordnung einer Magnetspule 21 auf dem Rohrstutzen 19, der so zur Kammer 17 angeordnet ist, daß er mit der rohrförmigen Generatorkammer 37 fluchtet, wobei der Rohrstutzen 19 als eine Verlängerung der rohrförmigen Anode 11 ausgebildet ist, wobei das Target 7 sich im freien Raum zwischen dem Rohrstutzen 19 und der Stirnwand 27 befindet. Die Magnete 12, 21 bestehen aus Rohrschlangen oder Rohrwicklungen, wobei das Rohr 22 sowohl vom Kühl wasser durchspült ist als auch gleichzeitig als elektri scher Stromleiter dient und nach außen hin isoliert ist. Der zusätzliche Magnet 40 kann sich sowohl oberhalb der Beschichtungswalze 5 als auch im Inneren der Beschich tungswalze 5 oder seitlich von ihr befinden.

Bezugszeichenliste:

1 Vakuumkessel
2 Pumpöffnung
3 Abwickler
4 Aufwickler
5 Beschichtungswalze
6 Magnetspule
7 Target
8, 8′, . . . Wasser- und Stromdurchführungen
9 Elektronen-Emitter
10 Heizung
11 Anode
12 Rohrschlange, Magnetspule
13 Einlaßstutzen
14 Isolator
15 Substratfolie
16 Kammer
17 Kammer
18 Trennwand
19 Rohrstutzen
20 Isolator
21 Magnetspule, Rohrschlange
22 Rohr
24 Lagerbock
25 Öffnung
27 Stirnwand
28 Stirnwand
29 Schiene
30 Magnetspule
31 Spulenhalterung
32 Spulenhalterung
33 Flansch
34 Isolator
35 Lochplatte
36, 36′, . . . Wasser- und Stromdurchführungen
37 Generatorkammer
38 Einlaßstutzen
39 Magnetspule
40 Magnetspule
41 Kühlkammer
42 Rohr, Schlauchleitung
43 Rohr, Schlauchleitung
46 Haltearm
L Längsachse
S Plasmastrahl
S₁ Plasmastrahl
S₂ Plasmastrahl
A Verschieberichtung

Claims

1. Vorrichtung zum Aufbringen dielektrischer oder metal lischer Werkstoffe auf ein in einer Vakuumkammer (16, 17) angeordnetes Substrat (15), mit einem Elektronen- Emitter (9) und mit im Bereich der Vakuumkammer (16, 17) angeordneten Magnetspulen (6, 21, 12, 40, 30, 39), wobei der Elektronen-Emitter (9) in einer sepa raten, mit der Vakuumkammer (17) korrespondierenden, die Anode (11) bildenden Generatorkammer (37) ange ordnet ist und nach dem Einleiten des Prozeßgases über einen Einlaßstutzen (13) einen großflächigen Plasmastrahl (S) erzeugt, der unter der Einwirkung der Magnete zwischen Elektronen-Emitter (9) und einem in der Vakuumkammer (17) vorgesehenen Target (7) geführt ist, wobei die positiven Ionen durch Anlegen einer einstellbaren negativen Spannung aus dem Plas mastrahl auf das Target (7) beschleunigt werden, von wo aus die abgestäubten Metallatome auf das Substrat (15) gelangen, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (7) eine etwa zylindrische oder trommelförmige Konfi guration aufweist und motorisch angetrieben um seine Längsachse (L) drehbar von einem Lagerbock (24) in unmittelbarer Nachbarschaft zum Substrat (15) gehal ten ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Vakuumkammer (17) zwischen dem Target (7) und dem Substrat (15) ein Einlaßstutzen (38) für Reaktivgas (O ₂, N ₂) einmündet, so daß die abgestäub ten Metallatome vor dem Aufwachsen auf dem Substrat (15) bzw. auf der Substratoberfläche mit dem Reaktiv gas chemisch reagieren.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die Vorrichtung mittels eines zusätzlichen Magneten (40) auf der Rückseite des Sub strats (15) oder in dessen unmittelbarer Nachbar schaft oder am Substrat selbst eine Aufteilung des Plasmastrahls (S) in zwei Teilstrahlen (S 1, S 2) er folgt, wobei der erste Strahl (S 1) die Zerstäubung des Targets (7) und der zweite Strahl (S 2) eine Akti vierung des Reaktivgases in der Nähe des Substrats (15) oder eine Plasmabehandlung des Substrats (15) bewirkt.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch ein Magnetsystem ein von einer separaten Plasmaquelle (9, 10, 37) erzeugter großflächiger Plasmastrahl (S) mit einstellbarer Stromstärke auf das elektrisch isolier te Target (7) gelenkt wird, wobei durch Anlegen einer einstellbaren negativen Spannung an das Target (7) die positiven Ionen aus dem Plasmastrahl (S) auf das Target (7) beschleunigt werden und einen Verdamp fungsprozeß auslösen, durch den die abgedampften Metallatome auf dem Substrat (15) niederschlagbar sind.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am oder hinter dem Substrat eine elektrische Spannung an liegt, um die Metall-Ionen auf das Substrat zu beschleunigen.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand des trommelförmigen oder hohlzylindrisch ausgebildeten Targets (7) mit einer oder mehreren Kühlkammern (41) versehen ist, die über Rohr- oder Schlauchleitungen (42, 43) mit einer Quelle für eine Kühlflüssigkeit in Verbindung stehen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das die Kühlkammer (41) aufweisende hohlzylin drische Target (7) um eine Welle rotiert, die mit Durchführungen für die Kühlflüssigkeit ausgestattet ist, die ihrerseits mit den Rohrleitungen (42, 43) für den Zu- und Abfluß der Kühlflüssigkeit in Ver bindung stehen.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem Substrat (15) abgewandten Seite des trommelförmi gen Targets (7) ein Magnet (6) auf einen Haltearm (46) angeordnet ist und in seiner Lage zum Target (7) verschiebbar ist.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zylin drische oder trommelförmige, um seine Längsachse (L) rotierbare Target (7) mit seiner Mantelfläche par allel zur Außenfläche des Substrats (15) angeordnet ist und das Substrat (15) eine Folie ist, die über eine Beschichtungswalze (5) geführt ist.