DE3852500T2

DE3852500T2 - Physikalische dampfniederschlag-doppelbeschichtungsvorrichtung und verfahren.

Info

Publication number: DE3852500T2
Application number: DE3852500T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey Buske; Harbhajan Randhawa
Original assignee: Hauzer Industries BV
Current assignee: IHI Hauzer Techno Coating BV
Priority date: 1988-08-25
Filing date: 1988-08-25
Publication date: 1995-07-27
Anticipated expiration: 2008-08-26
Also published as: ATE115647T1; JPH03502215A; DE3852500D1; EP0403552A1; EP0403552A4; EP0403552B1; WO1990002216A1; JP2836876B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Produktionssystem zur Vakuumbeschichtung unter Verwendung sowohl der kathodischen Lichtbogenemission als auch des Magnetron-Zerstäuberprozesses.
In den Letzten dreißig Jahren gab es zahlreiche Überprüfungen der Zerstäubung und der Zerstäuberprozesse zur Filmbeschichtung
Da es so viele Zwischenaktionen zwischen Parameter in Zerstäubersystemen gibt, ist es nicht möglich, sie vollständig zu trennen.
Üblicherweise wird das Target (eine Platte des MateriaLs, das zu beschichten ist oder das Material, aus dem ein Film zu synthetisieren ist) an eine negative Gleichstromspannungsquelle (oder eine hochfrequente Stromquelle) angeschlossen. Das Substrat ist das zu beschichtende Material und es befindet sich dem Target gegenüber. Das Substrat kann geerdet, schwimmend, vorgespannt, erhitzt, gekühlt sein oder einer Kombination hiervon unterworfen werden. Ein Gas wird eingeführt, um ein Medium zu schaffen, in welchem eine Glühentladung ausgelöst und aufrechterhalten werden kann. Die Gasdrücke reichen von wenigen Zehntel eines Pascals (Millitorr) bis zu mehreren Pascals (Zehnfache von Millitorr). Das am meisten verwendete Zerstäubergas ist Argon.
Wenn die Glühentladung ausgelöst wird, treffen positive Ionen auf die Targetplatte und lösen hauptsächlich neutrale Targetatome durch Stoßkraftübertragung heraus, und diese kondensieren auf dem Substrat, um dünne Filme zu bilden. Es gibt zusätzlich noch andere Partikel und Strahlungen, die durch das Target erzeugt werden und alle filmbildende Eigenschaften haben (Sekundärelektronen und Ionen, desorbierte Gase, Röntgenstrahlen und Photonen). Die Elektronen und negativen Ionen werden gegen die Substratplattform beschleunigt und bombardieren diese und den wachsenden Film. In einigen Fällen wird ein Vorspannungspotential (üblicherweise negativ) an den Substrathalter gelegt, so daß der wachsende Film Gegenstand des Bombardement der positiven Ionen ist. Das ist verschiedentlich als Vorspannungszerstäubung oder Ionenplattierung bekannt.
In einigen Fällen werden keine Argon-, sondern andere Gase oder Gasmischungen verwendet. Das schließt gewöhnlich einige Arten von Reaktionszerstäuberprozessen ein, in welchen eine Zusammensetzung durch Aufstäuben eines Metalltargets (z. B.Ti) in einem Reaktionsgas (z. B. O&sub2; oder Ar-O&sub2; Mischungen)synthetisiert wird, um eine Zusammensetzung aus dem Metall und den Reaktionsgasarten (z.B. TiO&sub2;) zu bilden. Der Zerstäubungsertrag wird definiert als Zahl der aus der Targetoberfläche ausgestoßenen Atome pro einfallendem Ion. Es ist der fundamentalste Parameter des Zerstäuberprozesses. Es sind immer noch nicht alle der involvierten Oberflächeninteraktionsphänomene, die zu dem Ertrag einer gegebenen Oberfläche beitragen, vollständig erklärbar. Ungeachtet dessen existiert eine umfangreiche Literatur über den Ertrag, der sich auf die Stoßkraftübertragung von energetischen Partikeln auf die Targetoberflächenatome bezieht.
Es wird geschätzt, daß ein Prozent der auf eine Targetoberfläche einfallenden Energie zum Ausstoßen zerstäubter Partikel führt, 75 % in die Erwärmung des Target und der Rest durch sekundäre Elektronen zerstreut wird, die das Substrat bombardieren und erhitzen. Ein Magnetron-Zerstäubung genannter verbesserter Prozeß verwendet magnetische Felder zur Führung der Elektronen weg von der Substratoberfläche, wodurch die Wärme reduziert wird.
Es gibt drei Grundwirkungen, die sich bei einem Substrat Während der Glühentladungszerstäubung ergeben:
1) Kondensation energetischen Dampfes,
2) Erwärmung und
3) Bombardierung durch unterschiedliche energetische Arten.
Die Summe all dieser Effekte muß sorgfältig gesteuert werden, und da sie alle unabhängig sind, ist das manchmal schwierig.
Für ein gegebenes Targetmaterial werden die Auftragsrate und die Gleichmäßigkeit durch die Systemgeometrie, die Targetspannung, das Zerstäubergas, den Gasdruck und die Leistung beeinflußt.
Alle anderen Dinge sind gleich, die Beträge sind linear proportional zum Strom und nehmen ab mit zunehmender Target-Substratabtrennung. Das Zerstäubergas beeinflußt die Auftragsrate in der gleichen Weise wie es den Zerstäubungsertrag bewirkt. Wenn der Gasdruck angestiegen ist, nimmt der Entladungsstrom zu (Anstiegsbetrag), aber die Rückkehr von Material auf das Target durch Rückstreuung nimmt ebenfalls zu (Degressivitätsbetrag). Das wird in einigen Fällen weiter kompliziert durch eine zunehmende Penning-Ionisation bei höheren Drücken, was den Betrag der Selbstzerstäubung größer werden läßt. Die Summe von all diesem führt zu Gasdruck oder einem kleinen Bereich von Gasdruck, bei welchem der Betrag ein Maximum ist, und das muß empirisch für jede Anwendung bestimmt werden. Der optimale Druck kann irgendwo zwischen einigen Zehntel Pascals (mTorr) und wenigen Pascals (dem mehr als zehnfachen von mTorr) liegen. Im allgemeinen gibt es für einen vorgegebenen Gasdruck ein Optimum der Target-Substrat-Separation zur Erzeugung der besten Gleichmäßigkeit. Für kleine Targets (15 cm Durchmesser) ist diese Separation im allgemeinen klein (einige wenige Zentimeter), während bei größeren Targets das Optimum der Separation beträchtlich größer sein kann (10-20 cm). Fraglos ist das Kennzeichen des beschriebenen Zerstäuberprozesses veränderlich, sowohl hinsichtlich der Bedingungen des Materials, das aufgetragen werden kann, als auch der Prozeßparameter, die iustiert werden können, um die Eigenschaften des dünnen Films wie gewünscht passend zu machen. Wie auch immer die Trennummer des kritischen Prozeßparameters und ihre komplexen Wechselbeziehungen können diese Prozesse oft schwer kontrollierbar machen. Im allgemeinen werden diese Prozesse als höchst nützlich für Anwendungen angesehen, die eher dünne Filme erfordern (im allgemeinen 1 um wegen ihrer relativ niedrigen Auftragsraten) und/oder in Fällen, wo das gewünschte Material einfach stöchiometrisch nicht in anderer Weise aufgetragen werden kann.
Der obige Teil dieser Patentanmeldung wurde mit Zustimmung der Herausgeber von "Dünnfilmverfahren" neu gedruckt, herausgegeben durch John L. Vossen und Werner Kern (Copyright Academic Press, Inc., New York, 1978, pp. 12-62).
In den vergangenen 10 Jahren wurden große Fortschritte in einem verwandten physikalischen Auftragsverfahren gemacht, das als kathodischer Lichtbogenplasmaauftrag (CAPD) bezeichnet wird.
In dem CAPD-Prozeß wird Target-Material durch die Wirkung von Vakuumlichtbögen verdampft. Das Targetquellenmaterial ist die Kathode in dem Lichtbogenkreis. Die Grundkomponenten eines CAPD- Systems bestehen aus einer Vakuumkammer, einer Kathode und einem Lichtbogenstromanschluß, Teilen zum Zünden eines Lichtbogens auf der Kathodenoberfläche, einer Anode, einem Substrat und aus einem Stromanschluß für eine Substratvorspannung. Die Lichtbögen werden durch Spannungen im Bereich von 15-50 Volt gehalten, abhängig von dem Targetkathodenmaterial, das verwendet wird. Typische Lichtbogenströme liegen im Bereich von 30-400 A. Die Lichtbogenzündung wird eingeleitet durch die Anwendung eines hohen Spannungsstoßes an einer Elektrode, die nahe der Kathode angeordnet ist (Gasentladungszündung) und/oder durch mechanische Zündung. Die Verdampfung ergibt sich als Resultat eines kathodischen Lichtbogenpunktes, der sich regellos auf der Kathodenfläche mit Geschwindigkeiten von üblicherweise 10² m/s bewegt. Die Lichtbogenpunktbewegung kann auch mit Hilfe geeigneter Einschlußabgrenzungen und/oder magnetischer Felder gesteuert werden. Die Lichtbogenpunkte infolge des Materialplasmas werden gehalten, das mit dem Lichtbogen selbst erzeugt wird. Das Target-Kathodenmaterial kann ein Metall sein, ein Halbleiter oder ein Isolator.
Der CAPD-Prozeß ist erheblich verschieden von anderen physikalischen Dampfbeschichtungsprozessen. Einige der charakteristischen Merkmale des CAPD-Prozesses sind folgende:
(i) der Kern des CAPD-Prozesses ist der Lichtbogenpunkt, der ein Materialplasma erzeugt,
(ii) ein hoher Prozentsatz (30 % - 100 %) des von der Kathodenfläche verdampften Materials ist ionisiert,
(iii) die Ionen existieren in mehreren Ladungszuständen im Plasma, beispielsweise Ti, Ti&spplus;, Ti&spplus;² und Ti&spplus;³ usw.,
(iv) die kinetische Energie der Ionen bewegt sich im Bereich von 10 - 100 e.V.
Diese Merkmale führen zu Ablagerungen, die von höchster Qualität sind, verglichen mit jener von anderen physikalischen Dampfbeschichtungsprozessen. Einige dieser Vorteile sind:
a) gute Qualitätsfilme über einen breiten Bereich der Beschichtungsbedingungen, z. B. stöchiometrische Verbundfilme mit höchster Adhäsion und hoher Dichte. Diese können über einen weiten Bereich des Reaktionsgasdruckes und der Verdampfungsbeträge des Metalls des feuerbeständigen Materials erhalten werden;
b) hohe Beschichtunsbeträge für Metalle, Legierungen und Zusammensetzungen mit exzellenter Beschichtungsgleichmäßigkeit;
c) niedrige Substrattemperaturen;
d) Retention der Legierungszusammensetzung von der Quelle zur Beschichtung;
e) einfache Beschichtung von Verbundfilmen.
Der kathodische Lichtbogen führt zu einer Plasmaentladung innerhalb des von der Kathodenfläche freigesetzten Materialdampfes. Der Lichtbogenpunkt ist normalerweise einige Mikrometer groß und hat Stromdichten von 10 Ampère pro Quadratmikrometer. Diese hohe Stromdichte verursacht eine blitzartige Verdampfung des Ausgangsmaterials, und der erzeugte Dampf besteht aus Elektronen, Ionen, neutralen Dampfatomen und Mikrotröpfchen. Die Elektronen werden gegen die Wolken positiver Ionen beschleunigt. Die Emissionen des Kathodenlichtpunkts sind über einen breiten Bereich des Lichtbogenstromes relativ konstant, wenn der Kathodenpunkt in mehrere Punkte aufgeteilt wird. Der Durchschnittsstrom pro Punkt hängt von der Natur des Kathodenmaterials ab.
Es ist wahrscheinlich, daß fast 100 % des Materials innerhalb der Kathodenpunktregion ionisiert ist. Diese Ionen werden in eine Richtung fast senkrecht zur Kathodenfläche herausgeschleudert. Die Mikrotröpfchen sind gezwungen, die Kathodenfläche unter Winkeln von bis zu 30 % oberhalb der Kathodenebene zu verlassen. Die Mikrotröpfchenemissionen sind eine Folge extremer Temperaturen und Kräfte, die innerhalb des Emissionskraters gegenwärtig sind.
Die kathodische Lichtbogenplasmabeschichtung wurde bis vor kurzem als ungeeignet für dekorative Verwendungen angesehen, und zwar wegen der Gegenwart der Mikrotröpfchen in dem Film.
Die letzten Entwicklungen, welche die Elemination von Mikrotröpfchen im CAPD-Prozeß einschließen, haben eine bedeutende Alternative zu existierenden Techniken für einen breiten Bereich dekorativer Anwendungen geschaffen. Der CAPD-Prozeß offenbart eine zusätzliche Flexibilität in folgenden Bereichen:
(i) Die Steuerung der Depositionsparameter ist weniger streng als bei Magnetronzerstäubungs- oder Ionenplattierungsprozessen;
(ii) Die Auftragstemperatur für Verbundfi lme kann auf weit geringere Temperaturen eingestellt werden, so daß die Möglichkeit gegeben ist, Substrate zu ummanteln, wie Zinkguß, Messing und Kunststoffe, ohne das Substrat zu schmelzen. Zusammenfassend bietet der CAPD-Prozeß viele Vorteile gegenüber den oben genannten traditionellen Zerstäubungsprozesssen. Wie auch immer, zahlreiche dekorative Anwendungen, die einen dünnen Film erfordern, werden am besten mit einem Zerstäubungsprozeß ausgeführt. Eine solcher Anwendungen bezieht sich auf eine dünne Goldbeschichtung von Schmuck.
Das hängt von der Schwierigkeit ab, Mikrotröpfchen in Gold-, Kupfer- und Silberummantelungen bei CAPD-Prozessen zu eliminieren. Deshalb ist die Zerstäubung heut zutage das bevorzugte Verfahren zum Auftragen eines dünnen Goldmantels für dekorative Zwecke. Gold ist jedoch relativ weich. Durch dauerhafte Benutzung entwickelt es ein diffuses, reflektierendes Aussehen und wird gleichzeitig abgetragen, s. US-A 4591418. Eine Ummantelung mit Titannitrid (TiN) unter Verwendung des verbesserten CAPD-Prozesses erzeugt eine farblich exzellente Angleichung an Gold. Es ist also möglich, Titannitrid auf einem billigen Schmuckstück mit dem CAPD-Prozeß aufzutragen und dann echtes Gold auf das Titannitrid aufzutragen. Schmuckstücke mit zweischichtigen Ummantelungen bieten dem Benutzer ein mit echtem Gold plattiertes Stück und zusätzlich ein Stück mit extrem abnutzungsbeständigem Titannitrid als Unterschicht. Wenn also die echte Goldschicht teilweise abgenutzt wird, erhält das farblich angepaßte Titannitrid den Eindruck echten Goldes an den teilweise abgenutzten Stellen des Stückes.
Eine Schwierigkeit aufeinanderfolgender Lagen von Gold und TiN ist, daß Gold und TiN nur schwach aneinanderhaften. Bis zur vorliegenden Erfindung wurde allgemein angenommen, daß nur zwei Grundverfahren bekannt waren, um mehrere Gold- und TiN-Beschichtungen auszuführen. Das erste Verfahren wird durch die oben genannte US-A-4591418 gelehrt, wonach wenigstens vier Zwischenlagen von Gold und TiN benutzt werden. Das zweite Verfahren wird gelehrt durch US-A-4415421, die eine simultane Kathodenzerstäubung durch Elektronenstrahlen von drei verschiedenen Schichten offenbart. Dieses Verfahren versucht, die geringe Adhäsion zwischen Gold und TiN zu überwinden, und zwar durch eine Zwischenlage von TiN und Gold zwischen der Grundschicht aus TiN und der darüber befindlichen Schicht aus Gold.
Die vorliegende Erfindung überwindet diese Schwierigkeiten und schaffte ein zufriedenstellendes Einzelsystem, um die direkte Beschichtung von Gold auf TiN ohne Adhäsionsprobleme zu ermöglichen. Die vorliegende Erfindung umfaßt einen weiterentwickelten CAPD-Prozeß und einen modernen Magnetronkathodenzerstäubungsprozeß in einer einzigen Maschine.
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ei ne Maschine zu schaffen, die in der Lage ist, nacheinander eine Beschichtung unter Verwendung einer kathodischen Lichtbogenplasmaauftragung und einer Magnetron-Kathodenzerstäubung zu erzeugen.
Andere Aspekte dieser Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Ansprüchen zu entnehmen, wobei die beigefügten Zeichnungen einen Teil dieser Beschreibung bilden und worin bei den einzelnen Darstellungen gleiche Bezugszeichen für korrespondierende Teile vorgesehen sind.
Verschiedene hierbei benutzte Begriffe werden wie folgt definiert:
Kreuzungs-Einstellpunkt: Definierter Druck in der Vakuumkammer, bei dem der grobe Pumpvorgang aufhört und die Pumpvorgänge der Diffusionspumpe und der Kühlfalle beginnen, um den Druck bis zum Hochvakuum zu reduzieren;
Hi-Vac: Kurzschriftausdruck für Hochvakuum;
MilliTorr: Ein Tausendstel eine Torr (oder 0,133 Pa) (siehe unten);
Torr : Druckeinheit; es ist der Druck, der notwendig ist, um eine Quecksilbersäule von einem Millimeter Höhe bei 0º Celsius und Standardgravitation zu halten (= 133,3 Pa);
Plasma: Eine Ansammlung von geladenen Teilchen, die eine gleiche Anzahl von positiven Ionen und Elektronen enthält, welches ein guter elektrischer Leiter und durch ein magnetisches Feld beeinflußbar ist.
Das Grundmagetronkathodenzerstäubungsverfahren ist in "Dünnfilmverfahren, supra" offenbart. Verbesserungen sind veröffentlicht in US-A4162954 und 4180450.
Das Grund-CAPD-Verfahren hat sich über die letzten zwanzig Jahre entwickelt. Die US-A3625848 und 3836451 lehren das Ursprüngliche dieses Grundverfahrens. Die US-A-4430184 und 4724058 offenbaren Verbesserungen des Grund-CAPD-Verfahrens. Eine Zusammenfassung der CAPD-Technik ist in Technical Note: The Review of Cathodic Arc Plasma Deposition Processes And Their Applications" durch A. Randhawa und P. C. Johnson (Surface and Codings Technologie, 31 (1987 pp. 303-318) vorgesehen.
Die vorliegende Erfindung ist eine Produktions-CAPD und ein Zerstäuberbeschichtungssystem zur Auftragung metallurgischer Beschichtungen bester Ausführung für einen großen Bereich verschiedener Substrate. Es verwendet CAPD-Targets und Zerstäuber, Targets, um dünne Materialfilme auf Substrate in einem Vakuum aufzutragen.
Der Auftragungsprozeß durch Zerstäubung unter Verwendung von Kathoden ist ein Verfahren mit relativ hoher Spannung und niedrigen Stromstärken und geeignet zur Auftragung praktisch jeden Materials. Bei dem Verfahren wird das Targetmaterial mit positiven Ionen bombandiert, wobei hauptsächlich neutrale Targetatome durch Impulsübertragung austreten. Die herausgelösten Atome kondensieren auf dem Substrat zu einem Film.
Der CAPD-Prozeß verwendet einen relativ hohen Strom und eine niedrige Spannung zur Verdampfung eines elektrisch leitenden Targetausgangsmaterials und kondensiert dieses auf dem Substrat zur Bildung einer Beschichtung.
Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet zwei 12,7 x 60,96 cm (5 x 24 Zoll) CAPD-Targets und 8,89 x 63,05 cm (3,5 x 25 Zoll) Zerstäubungstargets zur Erzeugung des aufzutragenden Materials.
Eine Substratbefestigung, die das Substrat trägt, rotiert in der Kammer. Alternativ kann das Substrat an den Targets mit Hilfe planetarischer Bewegung, Oszillation oder hin- und hergehenden Bewegungen unterschiedlich vorbeigeführt werden. Ein Potentiometeroder variabler Regler variieren die Geschwindigkeit der Rotation entsprechend den Erfordernissen des Anlagerungsprozesses.
An die Substrathalterung und an das Substrat können während des Dispositionsprozesses Gleichstrom vorspannungen angelegt werden, um die Bewegung der Targetatome gegen die Substrate zu steigern und/oder die Eigenschaften des aufzutragenden Films zu beeinflussen.
Eine Diffusionspumpe, eine Kältefalle (Meißnerfalle), eine Kryopumpe oder eine Turbomolekular-Pumpe erzeugen und halten während des Prozesses ein Hochvakuum in der Kammer. Eine mechanische Pumpe evakuiert die Kammer bis zu einem geringen Vakuum (Grobvakuum). Die Diffusionspumpe oder Turbomolekular-Pumpe arbeiten während des Hochvakuumpumpvorgangs. Ein programmierbarer Logikkontroller (PLC) managt die Prozeßsequenzen. Das System antwortet auf das Feedback relevanter Prozeßparameter. Ein manueller Vorgang ist jederzeit möglich.
Die Hauptkomponenten der vorliegenden Erfindung sind:
1. der Systemhauptrahmen, der folgende Teile stützt und umfaßt:
- die Verfahrenskammer
- die Diffusionspumpe und Kältefalle,
- Wasser- und Druckluftverteilungspulte,
- Massenstromregler und Ventile für die Prozeßgase,
- Überwachungsinstrumente und
- elektrisches Klemmbrett;
2. Die Systemsteuerkonsole mit den Steuerinstrumenten,
3. zwei CAPD-Targetstromanschlüsse,
4. die mechanische Pumpe,
5. den Kompresser für die Kältefalle,
6 ein Stromanschlußkasten mit den Stromanschlüssen für für die Targets und Vorspannungen,
7. den Stromverteilungskasten und Transformator,
8. den programmierbaren Logikkontroller (PLC),
9. Computer,
10. die Software für den Computer und
11. die Software für den PLC.
Die Bedienungsperson bestückt die Halterung mit Substraten und schließt die Frontkammertür, wodurch die Kammer abgedichtet wird. Die mechanische Pumpe reduziert den Druck in der Kammer biszu einem Kreuzungseinstellpunkt, üblicherweise zwischen 10 und 20 Pa (80 und 150 MilliTorr).
Das Kammervorventil schließt, wenn die Kammer den Kreuzungseinstellpunkt erreicht. Das High-Vac-Ventil öffnet einige Sekunden später. Das Schließen des Kammervorventils isoliert die mechanische Pumpe von der Kammer. Das öffnen des High-Vac setzt die Kammer der Diffusionspumpe und der Kältefalle aus.
Der Pumpvorgang für die Herabsetzung des Druckes endet, wenn die Diffusionspumpe den Druck in der Kammer auf einen vorbestimmten Druck reduziert hat, der als Basisdruck bezeichnet wird und üblicherweise 2,6 x 10&supmin;³ Pa (2 x 10&supmin;&sup5;Torr) beträgt. Der Antriebsmotor beginnt dann, die Substrathalterung zu drehen.
Die Reduzierung des Druckes auf den Basisdruck entfernt die meisten der Gas- und Wasermoleküle aus der Kammer, die sonst das Verfahren stören würden.
Üblicherweise strömt Stickstoff in die Kammer und hebt den Druck auf 133 x 10&supmin;³ Pa (1 x 10&supmin;³ Torr) oder höher. Dann wird der CAPD-Lichtbogen gestartet. Ein hoher Vorspannungsstrom leitet den Säuberungszyklus zur Säuberung des Substrats für den kathodischen Zerstäubungsvorgang der ionisierten Partikel ein.
Der Hochspannungsvorgang endet, und der Beschichtungsvorgang beginnt. Stickstoff füllt die Kammer auf Betriebsdruck, ein Druck zwischen 665 und 2660 x 10&supmin;³ Pa (5 und 20 x 10&supmin;³ Torr).
Stickstoffmoleküle vermischen sich mit Molekülen des CAPD-Target (d. h. Titan) während des reaktiven Anlagerungsprozesses, um eine Beschichtung aus Titannitrid auf den Substraten zu bilden. Das Verfahren verbraucht einen Teil des Stickstoffs, der in die Kammer eingeführt wurde.
Während des Beschichtungsprozesses strömt kontinuierlich Stickstoff in die Kammer und erfordert konstantes Pumpen der Hochvakuumpumpe. Das System gleicht die Strömungsrate des Stickstoffs mit der Pumpleistung aus, um den Druck in der Kammer bei seinem Einstellpunkt zu halten.
Das System stellt die Strömungsmenge des Stickstoffs mit einem Massenstromregler ein, der zur Wirkung des Druckes auf die Dichte des Stickstoffs eine Kompensation herbei führt und Standardvolumina des Gases ohne Rücksicht auf den Druck liefert.
Eine negative Spannung am Substrat beschleunigt die positiv geladenen Ionen des Titans auf ihrem Weg von den Targets. Die negative Spannung wird als Vorspannung bezeichnet und beträgt üblicherweise -50 bis -500 Volt Gleichspannung.
Die Titantargets werden während des Depositionsprozesses verbraucht und müssen in Zeitabständen ersetzt werden.
Die CAPD-Targets sind mit den Lichtbogenstromanschlüssen verbunden. Der Strom fließt von den Lichtbogentargets durch ein Plasma zur Anode. Positiv ionisierte Titanteilchen, abgestreift durch den Strom vom Target, strömen gegen das negativ geladene Substrat, verbinden sich mit Stickstoff auf der Oberfläche des Substrats, um die Beschichtung zu bilden.
Der programmierbare Logikkontroller (PLC) schaltet den Stickstoff und den Strom zu den CAPD-Targetanschlüssen aufgrund des Ergebnisses des Beschichtungsprozesses ab und entgast die Kammer vom Stickstoff. Wenn die Kammer atmosphärischen Druck erreicht, aktiviert der programmierbare Logikkontroller ein hörbares Signal.
Die Kathodenzerstäubung ist ein Beschichtungsverfahren mit relativ hoher Spannung und niedriger Stromstärke im Gegensatz zu einem CAPD-Beschichtungsprozeß, der relativ hohe Stromstärken und geringe Spannungen verwendet.
Positive, durch eine Glühentladung des Plasmas erzeugte Ionen prallen gegen das Target auf der Kathode und Lösen hauptsächlich neutrale Targetatome durch Impulsübertragung heraus.
Die Bombardierung führt zu einer Verdampfung des Targetmaterials. Die aus dem Target gelösten Atome kondensieren in dünnen Filmen auf dem Substrat.
Die Targets der bevorzugten Ausführung messen 89 x 635 mm (3,5 x 25 Zoll) und werden durch Wasser gekühlt.
Die Magnetron kathoden fangen das Plasma in einer Prozeßkammer dicht beim Targetmaterial durch Kreuzung elektrischer und magnetischer Felder. Die erodierende Wirkung des Plasmas auf die Targets erzielt eine hohe Zerstäubungsrate pro Watt des verwendeten Stromes.
Die bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet wassergekühlte Kathoden.
Die Bedienungsperson kann für einen Kathodenzerstäubungs-Beschichtungsvorgang durch den programmierbaren Logikkontroller folgende Parameter auswählen:
Zerstäubungsprozeßzeit
Stromeinstellpunkt der Kathode = 1
Stromeinstellpunkt der Kathode = 2 und Zerstäubergasdruck.
Der Betreiber wählt das Gas am Systemsteuerpult aus.
Argon ist wegen seiner Masse das bevorzugte Gas für das Kathodenzerstäubungs-Beschichtungsverfahren. Der Kathodenzerstäubungs-Beschichtungsvorgang kann auch automatisiert werden. Wenn die Kammer den Basisdruck erreicht hat, leitet der Betreiber den automatischen Prozeß ein durch:
1. Schalten auf Vakuumbedampfen des CAPD auf dem Beschichtungswählbrett,
2. Eingabe der Zerstäuberparameter in den programmierbaren Logikkontroller,
3. Drücken des Prozeßstartknopfes auf dem Systemsteuerpult,
4. Anschalten des Vorspannungsstromes, falls gewünscht.
Die Vervollständigung des oben beschriebenen CAPD- und Kathodenzerstäubungsprozesses nach der vorliegenden Erfindung führt zur Erzeugung von brillant mit Goldplattiertem Schmuck oder verschiedener anderer Beschichtungen auf irgendeinem Substrat.
Figur 1 zeigt eine Prinzipskizze eines grundlegenden, planaren Magnetronzerstäubersystems.
Figur 2 zeigt eine Prinzipskizze eines grundlegenden, kathodischen Lichtbogenplasmaanlagerungs-(CAPD)-Systems.
Figur 3 zeigt eine Prinzipskizze der Hauptkomponenten des Doppelbeschichtungssystems der Erfindung.
Figur 4 zeigt die rechteVertikalseite der Zentraleinheit des dualen Beschichtungssystems mit Teilausschnitten.
Figur 5 zeigt die linke Vertikalseite der Zentraleinheit des dualen Beschichtungssystems mit Teilausschnitten.
Figur 6 zeigt die Innenansicht der rechten Kammertür der Zentraleinheit des dualen Beschichtungssystems.
Figur 7 zeigt die Innenansicht der linken Kammertür der Zentraleinheit des dualen Beschichtungssystems.
Figur 8 zeigt die Frontseite der Zentraleinheit des dualen Beschichtungssystems mit der Frontkammertür und einem Ausschnitt der vorderen Umfassungspaneele.
Figur 9 zeigt eine obere perspektivische Ansicht der Rückseite der Zentraleinheit des dualen Beschichtungssystems mit Ausschnitten aller Umfassungspaneele und des oberen Stützrahmens
Fgiur 10 zeigt eine obere Ansicht der Zentraleinheit des dualen Beschichtungssystems unter Weglassung aller Pumpen.
Figur 11 zeigt eine Frontansicht der linken Vakuumkammertür der Zentraleinheit des dualen Beschichtungssystems unter Fortlassung der Umfassungspaneele.
Figur 12 zeigt die Frontseite des Hauptsteuerpultes.
Figur 13 zeigt ein Frontschaubild des Vakuumkammerteils der Zentraleinheit des dualen Beschichtungssystems. Die Front- und rechten Seitentüren sind fortgelassen.
Figur 14 zeigt ein frontales Schaübild der Vakuumkammer und der Substrateinrichtung.
Figur 15 zeigt eine Draufsicht auf den Querschnitt der Vakuumkammer mit allen Hauptprozeßkathoden.
Figur 16 zeigt einen Längsschnitt der innen befestigten Zerstäubungskathoden entlang der Linie A-A der Figur 15, die mit der Linie B-B der Figur 13 zusammenfällt.
Figur 17 zeigt einen Längsschnitt der innen befestigten CAPD- Kathode entlang der Linie C-C der Figur 15, die mit der Linie D-D der Figur 13 zusammenfällt.
Figur 18 zeigt eine frontale, perspektivische Ansicht einer Substratklemmvorrichtung für Ringe.
Figur 19 zeigt ein Software-Fließdiagramm der Logik des Programm Logic Controller (PLC).
Figur 20 zeigt eine Fortsetzung der Figur 19.
Figur 21 zeigt ein Software-Fließdiagramm der Logik des Personalcomputers (PC).
Figur 22 zeigt eine Tabelle des relativen Glanzes und der Farben von verschiedenen, nach der vorliegenden Erfindung hergestellten Filmen.
Nach der Figur 1 umfaßt das Magnetronzerstäubungssystem eine Vakuumkammer 1, ein Pumpsystem 2 und eine Zerstäubergasquelle 3. Die Vakuumkammer 1 enthält ein Target/eine Kathode 4 und eine Anode 5. Ein Zerstäubernetzteil 6 lädt das Target/die Kathode 4 negativ und die Anode positiv auf. Für den Zerstäubungsprozeß wird ein Netzteil mit hoher Spannung und niedriger Stromstärke verwendet. Das Substrat 8 ist ein mit einem dünnen Film 9 zu beschichtendes Werkstück. Das Substrat 8 ist durch das Substratnetzteil 7 negativ vormagnetisiert.
Während des Zerstäubungsprozesses liefert die Zerstäubungsgasquelle 3 das nicht reagierende Gas Argon. Das Pumpsystem 2 hält ein Vakuum im Bereich von einigen Zehntel Pascal (MilliTorr) bis zu einigen Pascal (10-fache von MilliTorr). Das Zerstäubernetzteil 6 führt eingeschaltet zu einer Glühentladung 10 zwischen der Anode 5 und dem Target/der Kathode 4.
Die Glühentladung 10 zwingt die positiven Ionen des reaktionslosen Gases, das Target/die Kathode 4 (s. Pfeil 16) zu beschießen. Die Impulsübertragung führt dazu, daß die neutralen Targetatome N, Elektronen e und die positiven Ionen + von dem Target/der Kathode 4 verdrängt werden. Die neutralen Targetatome N kondensieren auf dem Substrat 8 zu einem dünnen Film 9 (s. Pfeil 14). Zusätzlich schlägt sich ein kleiner Prozentsatz der positiven Ionen + auf dem Substrat nieder. Auch die positiven Ionen und Elektronen beschießen das Substrat 8, während der dünne Film 9 anwächst (s. die Pfeile 12 und 13).
Hinter dem Target der Kathode 4 ist ein Magnet 20 angeordnet. Der Magnet 20 bildet ein magnetisches Feld, um das Target/die Kathode 4 wie die Linien 22 zeigen. Das magnetische Feld 22 hat üblicherweise die Größenordnung einiger weniger 100 Gauß. Das Magnetfeld 22 fängt einen wesentlichen Teil der Elektronen an der Fläche 23 des Target/der Kathode. Dieser Effekt des Einfangens der Elektronen dient zwei Hauptzwecken. Zunächst erreichen weniger Elektronen das Substrat 8, wodurch das Substrat 8 auf einer kühleren Temperatur gehalten wird. Zweitens steigert die konstante Bewegung der Elektronen gegen die Target-/Kathodenfläche 23 das Beschichtungsergebnis, die Emissionsrate der neutralen Teile N von der Target-/Kathodenfläche 23. Dieses gesteigerte Beschichtungsergebnis erlaubt ein schnelleres Anwachsen des dünnen Films 9 auf dem Substrat 8. Deshalb wird durch die Reduzierung der Zeit, die notwendig ist, um einen dünnen Film 9 auf dem Substrat 8 zu erzeugen, eine Herstellungseffizienz realisiert.
Nach Figur 2 besteht ein grundlegendes kathodisches Plasma-Lichtbogensedimentationssystem (CAPD) aus einer Vakuumkammer 1, einer Pumpe 2 und einer wahlweise zuschaltbaren Gasquelle 30. Die Vakuumkammer 1 enthält ein Target/eine Kathode 40 und eine Anode 50. Die CAPD-Energiequelle 60 gibt dem Target/der Kathode 40 eine negative Vorspannung und versorgt die Anode 50 mit einer positiven Vorspannung. Das CAPD-Verfahren verwendet eine Energiequelle mit niedriger Spannung und hohem Strom. Das Substrat 8 ist ein Werkstück, das mit einem dünnen Film 90 zu beschichten ist. Das Substrat 8 ist durch die Substratenergiequelle 70 negativ gegen die Erde vorgespannt.
Während des CAPD-Prozesses wird durch die Gasquelle 30 wenigstens ein Gas 33 in die Vakuumkammer 1 geleitet. Das Pumpsystem 2 hält ein Vakuum im Bereich von 13x10&supmin;³ Pa (1x10&supmin;&sup4;Torr) bis 133x10&supmin;³Pa (1x10&supmin;³Torr). Die Substratenergiequelle 70 versorgt das Substrat 8 mit einer hohen Vorspannung im Bereich von 200 bis 1000 Volt Gleichstrom. Hochfrequenzspannungen können für nicht leitende Materialien verwendet werden.
Die CAPD-Energiequelle 60 liefert unmittelbar Spannung an das Target/die Kathode 40 und an die Anode 50. Der Lichtbogenstarter 44 zündet einen Lichtbogen 100 zwischen dem Target/der Kathode 40 und der Anode 50. Auf der Target-/Kathodenfläche 230 bildet sich ein Lichtbogenpunkt 29. Der Lichtbogenpunkt 29 bewegt sich mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 100 m/Sek auf der Target-/Kathodenfläche 230. Mehrere Lichtbogenpunkte 29 können durch höhere Lichtbögenströme erzeugt werden. Der Lichtbogenpunkt 29 bewegt sich durch die Steuerung des Magneten 200 in einem vorbestimmten Muster. Der Magnet 200 erzeugt ein magnetisches Feld 220 im Bereich von 10 bis 15 Gauß. Der(die) Lichtbogenpunkt(e) 29 ist auf die Target-/Kathodenfläche 230 mit Hilfe eines isolierenden Randes 333 begrenzt.
Der (die) Lichtbogenpunkt(e) verdampft das Target/die Kathode 40 und bildet somit einen Strom positiver Ionen (+), Elektronen (e), Droplets (D) und neutrale Atome (M). Die Droplets (D) werden durch Absetzschirme 555 aus dem Strom entfernt. Die Dropletentfernungsschirme 555 werden in geeigneter Weise im Frontbereich und an den Seiten des Target/der Kathode 40 angeordnet.
Die Elektronen fließen zur Anode 50 des Lichtbogenkreises. Die positiven Ionen beschießen das Substrat 8 und reinigen und erhitzen dabei das Substrat.
Nach ausreichender Reinigung werden zusätzlich Gas oder Gase 33 in die Vakuumkammer 1 geführt, um Drücke im Bereich von 133x10&supmin;³Pa (1x10&supmin;³Torr) bis 6,6 Pa (5x10&supmin;²Torr) zu erzeugen.
Danach wird das Substrat 8 durch die Substratenergiequelle 70 mit einer niedrigen Spannung im Bereich von 50 bis 200 Volt Gleitstrom oder Hochfrequenz vorgespannt.
Die Aufrechterhaltung des Lichtbogens 100 führt zu einem Anwachsen des dünnen Films 90 auf dem Substrat 8 durch die Ablagerung positiver Ionen und eines kleinen Prozentsatzes neutraler Atome. Die Dicke des dünnen Films 90 und die Menge der Ablagerung werden durch Anderungen des Lichtbogenstromes, des Drucks der Vakuumkammer 1, der Vorspannung des Substrats 8, der Substrattemperatur und der Verfahrenszeit gesteuert.
Nach der Figur 3 umfaßt das Doppelbeschichtungssystem 400 einen Hauptrahmen 401, ein Hauptsteuerpaneel 402, einen programmierbaren Logikkontroller (PLC) 403, PLC-Software 404, einen Personalcomputer (PC) 405, PC-Software 406, ein Energieverteilungspaneel 407, Lichbogenenergiequellen 408, 852, eine Substratvorspannungsenergiequelle 409, Kathodenzerstäubungsenergiequellen 410, 575, eine Steuereinheit für eine Kryofalle (Tiefsttemperaturfalle) und eine mechanische Pumpe 452.
Gemäß Figur 4 hat die rechte Seite des dualen Beschichtungshauptrahmens 401 einen Stützrahmen 412, Nivellierfüße 413, Umfassungspaneele 414, 415, 416, 417, 418, 419 und 420, eine Vakuumkammer 421, eine frontale Kammertür 422, eine rechtsseitige Kammertür 423, CAPD-Kathode 424, CAPD-Anode 425, Lichtbogenstarter 426, Massenstromsteuerventil 427 für das Prozeßgas, einen Strömungsfühler 850, Prozeßgaszuführungsrohr 428, ein Druckluftzuführungsrohr 429, einen Druckluftregler 430, einen Druckluftfilter 431, einen Verteiler 432 der Kühlwasserzuführung, ein Kühlwassersteuerventil 434, einen Kühlwassersicherheitsschalter 435 und ein elektrisches Klemmbrett 436.
Mehrere Kammertüren 422, 423 dienen der Erleichterung des Zugangs zu den inneren Teilen für die Wartung sowie die Flexibilität des Beschickens mit Werkstücken und deren Entnahme.
Druckluftkomponenten 429, 430 und 431 betätigen die pneumatischen Ventile in dem dualen Beschichtungssystem 400.
Kühlwasserkomponenten 432 und 434 verteilen und steuern das Kühlwasser zu den Rohren 437 in der Innenkammer. Eine Einlaßöffnung 438 und eine Auslaßöffnung 439 bilden in Kombination mit den Rohren 437 in der Innenkammer und der Verzweigung 432 der Kühlwasserzufuhr eine innere wassergekühlte Fläche 400 um die Vakuumkammer 421. Ein Kühlwassersicherheitsschalter 435 arbeitet in Verbindung mit dem Hauptsteuerpult 420 und schaltet die gesamte Leistung ab, wenn der Kühlwasserstrom unter einen vorbestimmten Grenzwert fällt. Das elektrische Klemmenbrett 436 dient als gemeinsamer Endpunkt für die gesamte Verdrahtung zum Hauptrahmen 401.
Gemäß Figur 5 hat der Hauptrahmen 401 Umfassungspaneele 441, 442, 443, 444, 445, 419 und 420, eine linksseitige Kammertür 446, einen Kühlwasserfilter 447, einen Kühlwasserregler 448, eine Zerstäuberkathode 449, eine Zerstäuberanode 464 und eine Hochvakuumpumpenöffnung 450.
Der Hauptrahmen 401 hat drei Kammertüren 446, 422 und 423 für eine Verfahrens- und Wartungsflexibilität. Die Hochvakuumpumpenöffnung 450 ist mit der Tieftemperaturfalle (Kryofalle)489 und die Diffusionspumpe 451 (Figur 9) verbunden.
Die Figur 6 zeigt, daß die rechte Kammertür 423 dieselben inneren Kammerrohre 437 enthält wie der übrige Teil der Kammer. Die flexiblen Schläuche 453 und 454 leiten Kühlwasser in die rechte Kammertür 423.
Ein Sedimentationsschild 455 liegt über der wassergekühlten Fläche 440. Der Sedimentationsschild 455 ist generell aus rostfreiem Stahl hergestellt und dient dazu, die darunterliegenden Flächen vor dem Sedimentationsprozeß zu schützen. Eine Sichtöffnung 456 erlaubt es den Benutzern, in die Vakuumkammer 421 zu sehen. Ein Sichtlochdeckel 457 wird manuell vor die Sichtöffnung 456 geschwenkt, um die Öffnung vor dem Sedimentationsprozeß zu schützen.
Gemäß Figur 7 hat die linke Kammertür 446 Innenkammerrohre 437 und flexible Schläuche 458 und 459 sowie einen Sedimentationsschild 455. Eine an der Tür befestigte Zerstäuberkathode 460 wird während des Zerstäubungsprozesses mit Strom versorgt. Eine an der Tür befestigte CAPD-Kathode 461 wird während des CAPD-Prozesses mit Strom versorgt. Die Zerstäuberanode 463 und die CAPD-Anode 462 sind erkennbar. Der Lichtbogenstarter 465 zündet den Vakuumlichtbogen während des CAPD-Prozesses.
Der Monitor 466 für die Substrattemperatur ist ein Infrarotsensor.
Gemäß Figur 8 enthält die Vakuumkammer 421 die innenbefestigte CAPD-Kathode 424 und die entsprechende CAPD-Anode 425, den CAPD-Kathodenbefestigungsarm 468, die innenbefestigte Zerstäuberkathode 449 und die entsprechende Zerstäuberanode 464, den Zerstäuberkathodenbefestigungsarm 467, die an der Tür befestigte Zerstäuberkathode 460 und die entsprechende Zerstäuberanode 463, einen zweiten Substrattemperatur-Infrarotsensor 469, den Substratdrehtisch 470 und die Substratbefestigungsvorrichtung 471.
Der Substratdrehtisch 470 rotiert unter der Steuerung des Hauptsteuerpults 402 entweder während der Zerstäubung oder des CAPD-Prozesses. Die Substratbefestigungsvorrichtung 471 wird für verschiedene Substrate auf Bestellung angefertigt.
Eine Antriebsanordnung 472 für einen Substratdrehtisch umfaßt einen Antriebsmotor 473, einen Antriebsriemen 474, eine Drehtischantriebswelle 475, eine drehbare Vakuumdichtung 476, eine Spannungsverbindung 477 für eine Substratvorspannung und das Spannungskabel 478 für die Substratvorspannung.
Der Antriebsmotor 473 ist eine variable Geschwindigkeitseinheit für eine genaue Steuerung der Geschwindigkeit des Substratdrehtisches 470. Die drehbare Vakuumdichtung 476 hält die Integrität der Vakuumkammer 421 während des Prozesses aufrecht. Das Spannungskabel 478 für die Vorspannung führt zum Energieversorgungsanschluß 409 (Figur 3) für die Substratvorspannung.
Die Figur 9 zeigt die Pumpenanordung 479 des dualen Beschichtungssystems. Die Pumpenanordnung 479 beginnt mit der mechanischen Pumpe 452. Die mechanische Pumpe 452 bringt die Vakuumkammer auf einen Verbindungsdruck von 8 bis 12 Pa (60-90 mTorr). Die mechanische Pumpe 452 ist durch das Einlaßrohr 480, die Eingangsfilter 481, das Verbindungsrohr 482, das Vorventil 483 und den Kammervoreinlaß 484 mit der Vakuumkammer 421 verbunden.
Das Thermoelement-Meßgerät 485 mißt den Druck der Vakuumkammer und überträgt diesen Druck zum Hauptsteuerpaneel 402 (Figur 3). Wenn der Druck der Vakuumkammer 421 den vorbestimmten Verbindungsdruck erreicht hat, schließt das Hauptsteuerpaneel 402 das Vorventil 483 und öffnet das Vorventil 485 und das Hochvakuumventil 487. Diese Ventilvorgänge schaltet die mechanische Pumpe 452 in Reihe mit der Diffusionspumpe 451. Diese Reihenpumpen 451 und 452 sind durch das Hochvakuumrohr 488, die Tiefsttemperaturfalle 489, das Drosselventil 490, das Hochvakuumventil 487 und die Kammerhochvakuumöffnung 450 (Figur 5) mit der Vakuumkammer 421 verbunden. Wenn das vorgenannte Überleitungsverfahren ausgeführt st, hält die mechanische Pumpe 452 die Diffusionspumpenvorleitung 491 bei einem niedrigen Druck, während die Diffusionspumpe 451 den Druck der Vakuumkammer 421 auf einen Systembasisdruck reduziert, der zwischen 2,66x10&supmin;³ Pa (2x10&supmin;&sup5;) und 66,5 uPa (5x10&supmin;&sup7; Torr) beträgt. Gleichzeitig kondensiert die Kryofalle (Tiefsttemperaturfalle) 489 Wasserdampf und andere kondensierbare Gase, wodurch die Wirkung der Diffusionspumpe 451 erhöht wird.
Die Verfahrensdrücke werden durch das Hauptsteuerpult 402 gesteuert, das das Drosselventil 490 auf Signale vom Kapazitanzmanometersensor 492 betätigt. Die vorangehende Kontrollschleife ist bekannt als Unterdrucksteuersystem. Der Infrarottemperatursensor 493 ermittelt die Substrate 450 durch die Sichtöffnung 469 (s. Figur 8), wodurch das Temperatursteuersignal an das Hauptsteuerpult 402 gegeben wird. Nach Abschluß des Verfahrens wird die Vakuumkammer 421 durch das Belüftungsventil 494 zurück auf atmosphärischen Druck gebracht
Gemäß Figur 10 wird das Oberteil der Vakuumkammer 495 durch das Gerüst 412 gestützt. Durch den Wassereinlaß 497 gelangt Kühlwasser in die inneren Kammerrohre 437 über den Kühlwasserverteiler 432 (Figur 4). Der Wasserauslaß 499 führt dann zurück zum Kühlwasserverteiler 432.
Die CAPD-Kathodenarbeitsplatte 500 enthält die elektrischen Stromleitungen 501 zur Anode und 502 zur Kathode der CAPD-Kathode 424 und CAPD-Anode 425, wie die Figur 4 zeigt. Der Kühlwassereinlaß 503 für die Anode speist die CAPD-Anode 425 und der Kühlwasserauslaß 504 der Anode führt zurück zum Kühlwasserverteiler 432. Die Isolierumhüllung 505 schützt die Arbeitsplatte 500 der CAPD-Kathode vor der Anodenelektrizität. Der Kühlwassereinlaß 591 liefert Kühlwasser vom Kühlwasserverteiler 482 (Figur 4) zur CAPD-Kathode 424. Ein Auslaß 592 führt das Kühlwasser zum Kühlwasserverteiler 432 zurück.
Die Arbeitsplatte 506 der Zerstäuberkathode enthält die elektrischen Energiezuführungen 507 zur Anode und 508 zur Kathode der Zerstäuberanode 464 und Zerstäuberkathode 449 wie die Figur 5 zeigt. Eine Isolierummantelung 590 isoliert die Arbeitsplatte 506 der Zerstäuberkathode gegen die Elektrizität. Der Kühlwassereinlaß 496 liefert über den Kühlwasserverteiler 432 Kühlwasser an die Zerstäuberkathode 449. Das Kühlwasser wird wieder zu dem Kühlwasserverteiler 432 zurückgeführt.
Die elektrische Energie für den Lichtbogenstarter 426 wir durch die Leitungen 509 und 510 zugeführt. Die elektrische Energie für den CAPD-Kathodenelektromagneten 530 wird durch das Kabel 531 zugeführt.
Die Schutzarmatur 512 (s. Figur 5) wird durch die Aktivierungsanordnugn 511 aktiviert. Die Aktievierungsanordnung 511 besteht aus einem Pneumatikzylinder 515 und einem Kurbelarm 516.
Der Druck der Vakuumkammer wird durch ein Pirani-Vakuummeßgerät 517, Thermoelementmeßgerät 518 und ein Ionenmeßgerät 519 festgestellt und übertragen. Das Pirani-Meßgerät 517 mißt Drücke im Bereich des Atmosphärendrucks bis 0,13 Pa (1 mTorr). Das Thermoelementmeßgerät 485 mißt Drücke im Bereich von Atmosphärendruck bis 0,13 Pa (1 mTorr). Das Ionenmeßgerät 519 mißt Drücke im Bereich von 0,13 Pa - 13 uPa (1 mTorr - 0,001 mTorr). Das Thermoelementmeßgerät 518 triggert das Hauptsteuerpult 401 zum Anschalten des Ionenmeßgerätes 519.
Die Figur 11 zeigt die durch das Stützgerüst 412 gestützte Vakuumkammer 421. Die linksseitige Tür 520 der Vakuumkammer wird zum Laden und Aufrechterhalten geöffnet. Die Umfassungswand 521 ist weggeschnitten. Der Wassereinlaß 522 und der Wasserauslaß 523 speisen das innere Kammerrohr 437 aus dem Kühlwasserverteiler 432. Der Wassereinlaß 593 liefert Kühlwasser vom Kühlwasserverteiler 432 zu der an der Tür befestigten CAPD-Kathode 461. Der Auslaß 594 führt das Kühlwasser durch den Kühlwasserverteiler 432 zurück. Die an der Tür befestigte CAPD-Kathode 461 ist an der Innenseite der CAPD-Türfläche 524 befestigt. Die Energie für die an der Tür befestigte CAPD-Kathode wird durch die Leitung 525 zugeführt. Die Energie für die CAPD-Anode 462 wird durch die Leitung 526 geliefert. Der Kühlwassereinlaß 527 liefert Kühlwasser von dem Kühlwasserzuführungsverteiler 432 zu der an der Tür befestigten CAPD- Anode 462, wie die Figur 7 zeigt. Die Kühlwasserrückführung 528 sorgt für die Rückführung zum Kühlwasserverteiler 432.
Eine elektrisch isolierende Umhüllung 529 sorgt für die elektrische Isolierung der an der Tür befestigten CAPD-Anode 462. Die elektrisch isolierende Umhüllung 532 sorgt für die elektrische Isolierung der and er Tür befestigten CAPD-Kathode 461. Der CAPD-Elektromagnet 530 (Figur 17) wird durch das Kabel 533 mit Energie versorgt. Der Wassereinlaß 534 führt Kühlwasser vom Kühlwasserverteiler 432 zu der an der Tür befestigten Zerstäuberkathode 460 (s. Figur 7). Die Wasserrückführung erfolgt über den Wasserauslaß 535. Die Leitung 536 versorgt die an der Tür befestigte Zerstäuberkathode 461 mit Energie. Die Leitungen 537 und 538 versorgen den Lichtbogenstarter 465 (Figur 7) mit Energie.
Ein Infrarotsensor 539 mißt die Temperatur des Substrats 540, wie die Figur 8 zeigt. Der Infrarotsensor 539 aus einer Linsenanordnung 541, einem optischen Faserkabel 542 und der Infrarotfühlereinheit 543. Die Infrarotfühlereinheit 543 mißt und überträgt die Temperatur des Substrats 540 zum Hauptsteuerpult 402.
Die Hochintensitätslichtquelle 544 kalibriert die Linsenanordnung 541. Ein eingeschlossener Sicherheitsschalter 560 schützt den Vorgang, wenn eine einschließende Wand halb geöffnet ist.
Das Hauptsteuerpult 402 gemäß Figur 12 besteht aus einem Transmitter 545 für die Substrattemperatur, der mit Hilfe des Meßgerätes 546 die Temperaturen der Infrarotsensoren 493 und 543 anzeigt.
Der Substrattemperaturtransmitter 545 schaltet zwischen den Infrarotsensoreneinheiten 493 und 543 und überträgt die Substrattemperaturen zum programmierbaren Logikkontroller (PLC 403). Das Überwachungsmodul 547 für den Vakuumkammerdruck besteht aus einem Thermoelementmeßgerät-Indikator 548, der die Eingänge des Thermoelementsensors 518 (Figur 10) feststellt. Der Ionenmeßgerätindikator 549 stellt die Eingänge aus dem Ionenrohr 519 (Figur 10) fest. Der Pirani-Meßindikator 550 tastet die Eingänge vom Pirani-Meßsensor 517 ab. Zusätzlich überträgt der Pirani-Meßgeräteindikator 550 Signale zum Ventilsteuerpult 551, das seinerseits die Vorventile 483, das Hochvakuumventil 487 und das Belüftungsventil 494 steuert. Das Ventilsteuerpult 551 steuert auch das Vorleitungsventil 486 der Diffusionspumpe und das Drosselventil 490 (Figur 9).
Das Systemsteuerpult 552 besteht aus einem Antriebsmotor 473 und einem Geschwindigkeitsanzeiger und -regler 553. Zusätzlich sieht das Systemsteuerpult 552 eine manuelle/automatische Arbeitsweise durch einen Wählschalter 554 vor. Der manuelle Betätigungsschalter 558 bietet die manuelle Steuerung des Gasmassenstromsteuerventils 427 (Figur 4) des Prozesses. Um entweder den CAPD- oder Zerstäubungsprozeß einzuleiten, muß der Hauptstartschalter 556 auf "an" geschaltet werden. Das Prozeßende kann manuell durch Schalten des Prozeß-Ausschalters 557 auf "aus" ausgeführt werden. Ein Verfahrenszustandspult 559 zeigt die Druckzustände der Vakuumkammer 421, den Stand des Kühlwasssersicherheitsschalters 435 (Figur 4), den Stand des Gehäusesicherheitsschalters 560 (Figur 11), des Überlastanzeigers, des Antriebsmotor 473 (Figur 8) und den Zustandsanzeiger des Gesamtprozesses.
Mit dem Prozeßansteuerungspult 561 kann entweder der CAPD- oder der Zerstäuberprozeß mit Hilfe des Wahlschalters 562 durchgeführt werden.
Das Lichtbogensteuerpult 563 zeigt die entsprechenden CAPD- Spannungen und -Stromstärken mit Hilfe von Indikatoren 564, 565, 566 und 567. Die Bedienungsperson kann manuell wählen, entweder eine oder beide der CAPD-Kathoden 424/461 mit Hilfe der Wahlschalter 568 und 569 benutzen.
Der CAPD-Lichtbogenstrom kann manuell durch Potentiometer 570 und 571 gesteuert werden.
Variierende Substratoberflächenbereiche 540 erfordern unterschiedliche Vorspannungsleistungsanforderungen. Das Steuermodul 572 für die Substratvorspannungsleistung steuert den Anschluß 409 für die Vorspannungsleistung und zeigt die Vorspannung durch den Indikator 851 an. Die innere Zerstäuberkathode steuert den inneren Netzanschluß 410 für die Zerstäubung. Das an der Tür befestigte Leistungssteuermodul 574 für die Zerstäuberkathode steuert das an der Tür befestigte Zerstäubernetzteil 575 (Figur 3). Leistungsanzeiger 853 und 854, integriert in den Zerstäuberkathoden-Steuermodule 573 und 574 zeigen die elektrischen Leistungshöhen der entsprechenden Zerstäuberkathoden.
Der Kapazitätsmanometersensor 492 (Figur 9) übermittelt ein Signal zum Kapazitätsmanometerregler 576. Der Druck der Vakuumkammer 421 wird durch den in den Kapazitätsmanometerregler 576 integrierten Indikator 577 angezeigt. Zusätzlich gibt der Kapazitätsmanometerregler 576 ein Eingangssignal an den Prozeßgasregler 578.
Der Prozeßgasregler 578 zeigt die Prozeßgasströmung durch einen Indikator 579. Der Strömungssensor 850 (Figur 4) liefert eine Eingangsgröße an den Indikator 579. Der Prozeßgasregler 578 moduliert das Steuerventil 427 für den Prozeßgasmassenstrom auf Signale vom Kapazitätsmanometerregler 576 und regelt dadurch den Druck der Vakuumkammer 421. Die vorstehende Regelschleife bildet ein Steuersystem für den anströmseitigen Druck.
Die Stützplatte 581 enthält das PLC-Eingangsmodul 582.
Es wird zum Eintasten variabler Daten in den PLC 403 benutzt. Der PLC 403 enthält PLC-Software 404, die automatisch alle CAPD- und Zerstäuberprozeßfunktionen für das duale Ummantelungssystem 400 steuert.
Die Figuren 13, 14 und 15 zeigen die ordentlichen Verhältnisse der Hauptbetriebskomponenten des dualen Ummantelungssystems 400. Die Figur 13 zeigt den Substratdrehtisch 470. Die im Innenraum angeordnete CAPD-Kathode 424 ist oberhalb und in unmittelbarer Nähe des Substratdrehtisches 470 gestützt, und zwar durch den CAPD-Kathodenbefestigungsarm 468. Die entsprechende CAPD-Anode 425 und der Lichtbogenstarter 426 sind gemeinsam an demselben CAPD-Kathodenbefestigungsarm 468 befestigt. Die Nutzkabel 596 und 597 enthalten Kühlwasserrohre und elektrische Leitungen, die der im Innenraum besfestigten CAPD-Kathode 424 dienen.
Die im Innenraum besfestigte Zerstäuberkathode 449 und die korrespondierende Anode 464 sind an dem Zerstäuberkathodenbefestigungsarm 467 befestigt. Die entsprechenden Versorgungskabel 598 und 599 enthalten Kühlwasserrohre und elektrische Leitungen zur Versorgung der im Innenraum befestigten Zerstäuberkathode 449.
Die an der Tür befestigte Zerstäuberkathode 460 und ihre korrespondierende Anode 463 liegen der im Innenraum befestigten Zerstäuberkathode 449 derart gegenüber, daß eine gleichzeitige Zerstäuberbeschichtung an beiden Seiten des Substrats 540 ausgeführt werden kann.
Die an der Tür befestigte CAPD-Kathode 461 beschichtet die Außenseite des Substrats 540, während die im Innenraum befestigte CAPD-Kathode die Innenseite des Substrats 540 beschichtet. Der entsprechende CAPD-Lichtbogenstarter 465 und die Anode 462 sind an derselben linken Kammertür 446 befestigt. Der Substrattemperaturmonitor 466 ragt über den Sedimentationsschild 455 hinaus.
Die Figur 14 zeigt eine typische Befestigungsanordnung für kleine Substrate wie Ringe. Der Substratdrehtisch 470 steht in elektrischem Kontakt mit der Substratbefestigungsvorrichtung 471, die ihrerseits in elektrischem Kontakt mit dem Substrat 540 steht.
Die Figur 15 zeigt in unterbrochenen Linien, wie die Schildarmatur 512 die Zerstäuberkathodenschilde 513 und 514 während der Zerstäuberbeschichtung weg von den Zerstäuberkathoden 449 und 460 bewegt. Die Schildarmatur 512 in durchgehenden Linien bewegt die Zerstäuberkathodenschilde 513 und 514 vor die Zerstäuberkathoden 449 und 460, um sie vor dem Beschichten während des CAPD-Prozesses zu schützen.
Die Tröpfchenentfernungsschilde 555 (Figur 2) dienen der Entfernung aller Tröpfchen D aus dem Strom der positiven Ionenelektronen und neutralen Atome, die von der an der Tür befestigten CAPD- Kathode 461 und der im Innenraum befestigten CAPD-Kathode 424 verdampfen.
Die Tröpfchen D (Figur 2) enthalten geschmolzene Metallpartikel, welche, wenn man ihnen die Absetzung auf dem Substrat 8 ermöglicht, zu rauhen und gering glänzenden Filmen führen. Für dekorative Zwecke ist das nicht akzeptierbar. Es wurde experimentell bestimmt, daß Tröpfchen D unter einem Winkel von 30º oder weniger imitiert werden, wenn das CAPD-Target 615 (Figur 17) eine minimale Fläche von 6.450 mm² (10 Quadratzoll) aufweist. Der Abstand 557 der Tröpfchenbeseitigungsschilde 555 und die Öffnung 556 wurden so ausgewählt, daß die Tröpfchen D das Substrat 8 (Figur 2) nicht erreichen können.
Der Hauptzweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Film zu schaffen, der einen hohen Glanz und eine geeignete Farbe aufweist, welche so steuerbar ist, daß sie verschiedenen Goldfarben angeglichen werden kann. Die Figur 22 zeigt Probeentnahmen von Filmen, die nach der vorliegenden Erfindung erzeugt wurden. Die Folgenummern 8 und 9 listen die zehn- und vierundzwanzigkarätigen Goldcharakteristiken auf, die hierbei als Standards verwendet werden. L* bezeichnet den Glanz oder die Brillianz des Films, gemessen nach den CIE Lab-Farbkoordinaten. a* bezeichnet den Bereich der roten bis grünen Gehalte in dem Film. Positive a*-Werte bezeichnen die roten Gehalte und negative a*-Werte bezeichnen die grünen Gehalte in dem Film. b* bezeichnet einen Bereich von gelben bis blauen Gehalten in dem Film. Die positiven b*-Werte zeigen einen hohen Gelbgehalt in dem Film. Negative Werte würden einen blauen Gehalt in dem Film anzeigen.
Die Sequenznummern 1 bis 7 zeigen spezifische Filmcharakteristiken, die durch den CAPD-Prozeß im dualen Beschichtungssystem 400 erzeugt wurden. Nach Figur 19 variiert der Block 1006 die Verhältnisse zweier Prozeßgase (Figur 2, 33), die Acetylen als Quelle von Kohlenstoff und Stickstoff umfassen. Eine geeignete Anpassung der Verhältnisse von Kohlenstoff und Stickstoff in den Filmen auf Titan- und Zirkoniumbasis führt zu exzellenten Angleichungen der die Glanz- und Farbcharakteristiken des Films bezogen auf Gold gemäß Figur 22. Beim Betrieb eines typischen dualen Beschichtungssystems 400 wird also ein Film gewählt, der Sequenznummern 1 bis 7 der Figur 22 erzeugt. Als nächsteskann ein Goldfilm unter Verwendung des Zerstäuberprozesses gemäß Figur 1 aufgetragen werden.
Die bevorzugte Ausführungsform erzeugt in Folge die vorgenannten zwei Filme während eines einzigen Vakuumzyklusses (Figur 19, Block 1004). Die Adhäsion eines zweiten, aus Gold bestehenden Films auf einem durch CAPD angelagerten Films nach der Auswahl der Sequenznummern 1 bis 7 der Figur 22 ist kommerziell akzeptabel. Eine kommerziell akzeptabble Adhäsion wird durch einen Klebebandzugtest bestimmt.
Dieser Test führt zu keiner Goldabtragung.
Der Hauptzweck des dualen Beschichtungssystems 400 ist die Schaffung eines einzelnen Systems, das eine direkte Beschichtung von TiN oder ZrN mit Gold ohne Adhäsionsschwierigkeiten ermöglicht. In dem Prozeß wird das Gold vom Substrat 8 (Figur 1) abgetragen, so daß der darunter befindliche TiN- oder ZrN-Film zum Vorschein kommt. Kritisch ist, daß das Substrat 8 das gleiche Aussehen erhält, wenn der Goldfilm abgenutzt wird. Die relativen Werte der Sequenznummern 1 bis 7 in Figur 22 sind also kritisch imVerhältnis zu den Sequenznummern 8 und 9.
Die Figur 16 zeigt, die im Inneren befestigte Zerstäuberkathode 449 und die korrespondierende Anode 464 gemäß der Figuren 5, 8, 13 und 15. Die im Inneren befestigte Zerstäuberkathode 449 besteht aus dem Kathodenkörper 600, dem Zerstäubertarget 601 und dem Magneten 602. Die Klemme 603 befestigt das Target 601 an dem Kathodenkörper 600 und vervollständigt ihre elektrische Kontinuität. Die Leitung 508 versorgt die im Inneren befestigte Zerstäuberkathode 449 mit Energie. Der Kühlwassereinlaß 496 liefert Wasser zur Kühlwasserpassage 604, wodurch das Target 601 gekühlt wird. Der Auslaß 498 führt das Kühlwasser zur Kühlwasserverzweigung 432 (Figur 4) zurück. Der O-Ring 605 sorgt für eine wasserdichte Abdichtung zwischen dem Target 601 und dem Kathokörper 600.
Die korrespondierende Zerstäuberanode 464 besteht aus einem Anodenkörper 605, einem dunklen Raumschild 606 und einer Nabe 607. Der dunkle Raumschild 606 begrenzt die Plasmaentladung auf das Target 601 und ist durch Schrauben 608 am Anodenkörper 605 fixiert. Die Zerstäuberanode 464 ist von der im Inneren befestigten Zerstäuberkathode 419 mit Hilfe von Isolatoren 610, Teflon(R) Bolzen 609 und Isolierringen 611 isoliert. O-Ringe 612 und 613 halten eine Vakuumabdichtung zwischen den Versorgungsleitungen 598 und 599 und der Vakuumkammer 421 aufrecht. Die Figur 17 zeigt die im Inneren befestigte CAPD-Kathode 424 nach den Figuren 4, 8, 13 und 15. Die im Inneren befestigte CAPD-Kathode 424 besteht aus dem Kathodenkörper 614, dem CAPD-Target 615, dem die Targetkante isolierenden Streifen 616, der Kathodenkörperisolierung 617, dem Kathodenabdeckblech 618 und dem Magneten 530. Das Kathodenabdeckblech 618 ist vom Kathodenkörper 614 durch Isolatoren 619, 620, 621 und Teflon -Schrauben 622 isoliert. Der Targetkantenisolierstreifen 616 ist an dem CAPD-Target 615 durch isolierende Befestigungselemente 623 befestigt. Der O-Ring 624 schafft eine Vakuum- und Wasserabdichtung zwischen dem Kathodenkörper 614 und dem CAPD-Target 615. Die Kühlwasserpassage 625 wird über den Einlaß 591 mit Kühlwasser versorgt, wodurch das CAPD-Target 615 gekühlt wird. Der Auslaß 592 führt das Kühlwasser zum Kühlwasserverteiler 432 zurück. Die O-Ringe 626, 627, 628, 629, 630 und 631 dichten das Vakuum zwischen dem Kathodenkörper 614, der Kathodenabdeckung 618 und den Versorgungsleitungen 596, 597 und 632 ab. Die Versorgungskabel 596, 597 und 632 sind mit der Kathodenabdeckung 618 durch Befestigungsnaben 633, 634 und 635 verbunden.
Durch das Kabel 531 wird der Elektromagnet 530 mit Energie versorgt. Die Dichtung 636 hält eine wasserdichte Abdichtung zwischen dem Elektrmagneten 530 und dem Kathodenkörper 614 aufrecht. Energie wird durch die Leitungen 637 udn 638 über die Verbinder 639 und 640 an die CAPD-Kathode 424 geliefert. Isolierhülsen 641 udn 642 isolieren die Verbinder 639 und 640 gegen das Kathodenabdeckblech 618.
Gemäß Figur 18 hat der Substratdrehtisch 470 eine Befestigungsfläche 702, welche die Substratbefestigungsteile trägt. Die Substratbefestigungsvorrichtung 471 enthält ferner eine Grundsäule 701 und eine Stange 704 für variable Längen. Eine Substratklemme 703 ist an der Stange 708 für variable Längen befestigt. Die Substratklemme 703 hat eine elastische Federkonsistenz. Eine dreieckige Form stützt das Substrat 540 an drei Punkten. Ein Ring, ein Armband, ein Ohrring oder ähnlich geformtes Substrat kann dauerhaft mit minimalem Kontakt zur Substratklemme 703 befestigt werden.
Nach der Figur 3 hat der PLC 403 folgendes Grundhardwareleistungsvermögen:
Speiche für ein Betriebssystem,
Speicher für ein Prozeßprogramm,
ein Logikmodul für eine Prozeßprogrammausführung und
ein Logikmodul für die Eingangs/Ausgangssteuerung.
Die PLC Software 404 hat folgendes Grundfunktionsleistungsvermögen:
ein Betriebssystem zur Steuerung der
PLC-Hardware
und
ein logisches Leitermodul für das Prozeßprogramm.
In Figur 19 zeigt der Block 1000 das Plc-Betriebssystem, das gestartet wird und die Hardwarediagnosen kontrolliert, um sicher zu stellen, daß ein vollständig funktionales PLC existiert, bevor weiter verfahren wird.
Der Block 1001 zeigt das PLC, das alle Signaleingänge des dualen Beschichtungssystems 400 liest, eingeschlossen die des Substratsicherheitsschalters 435, des Zustandes der Umfassungsplatten 414, 415, 416, 417, 419 und 420, des den Vakuumdruck messenden Thermoelementfühlers 518, des Ionenrohrs 519, des Pirani-Meßfühlers 517, des Ventilsteuerpults 551, des Geschwindigkeitsindikators/Reglers 553 des Antriebsmotors 473, des manuellen/automatischen Wahlschalters 554, des CAPD- oder Zerstäuberprozeßhauptstartschalters 556, des Wahlschalters 562, des Prozeßbegrenzungschalters 557, des Kühlwassersicherheitsschalters 435, des Gehäusesicherheitsschalters 560, des Spannungs- und Stromstärkeindikators 564, 565, 566 und 567, des CAPD-Kathodenwahlschalters 568 und 569, des Substratvorspannungssteuermoduls 572, der inneren Zuführung 410 für die Zerstäuberenergie, des Energiesteuermoduls 574 für die an der Tür befestigte Zerstäuberkathode, des Energieindikators 853 und 854, des Kapazitätsmanometerfühlers 492 und des Prozeßgasreglers 578.
Der Block 1002 zeigt den PLC 403 für den Empfang variabler Formulierungsdaten, entweder vom PC 405 oder PLC-Eingangsmodul 582.
Zusätzlich kann der PLC 403 Daten zum PC 405 oder zum PLC-Eingangsmodul 582 schicken.
Der Block 1003 kontrolliert ein Sicherheitssystem, das den Zustand des Kühlwassersicherheitsschalters 403 und auch alle geschlossenen Gehäuseplatten 414, 415, 416, 417, 418, 419 und 420 und den Indikator 548 des Thermoelementmeßgerätes einschließt, das die Existenz eines Vakuums vor dem weiteren Fortgang anzeigen muß. Deshalb stellt die Programmlogik zuerst sicher, daß das duale Beschichtungssystem 400 einen ausreichenden Wasserfluß und alle Sicherheitsabdeckungen am Platz hat, und daß alle Türen und Öffnungen abgedichtet sind, wodurch für eine gesicherte Vakuumkammer gesorgt ist. Der Block 1004 zeigt die Logik für das Einordnen der mechanischen Pumpe 452, der Diffusionspumpe 451 und der Kryofalle 489.
Der Block 1005 zeigt durch das Lesen des Wahlschalters 562 die Logik für die Entscheidung, ob mit CAPD oder Zerstäubung fortzufahren ist.
Der Block 1006 zeigt die Logik zum Steuern des CAPD-Prozeßgases mit HIlfe des Prozeßgasreglers 578, der das Massenstromsteuerventil 427 und die variablen Eingangsprozeßparameter vom Block 1002 steuert. Die PLC-Logik erzeugt ein Fehlersignal für den Druck, der vom Einstellpunkt abweicht und stellt das Massenstromventil 427 entsprechend ein.
Der Block 1007 zeigt den ersten prozeßspezifischen Schritt für den CAPD-Prozeß. Dieser erste Schritt erfordert die Freigabe der CAPD-Energiezuführungen 408 und/oder 852. Als nächstes wird der CAPD-Magnet 530 freigegeben. Als nächstes wird die Substratvorspannungsenergiezuführung 409 freigegeben. Als nächstes wird der Substratdrehtisch 470 aktiviert. Als nächstes wird die Substratvorspannungsenergiezuführung 409 auf die vorgegebene Spannung, wie Sie vom Block 1002 erhalten wird, geregelt. Als nächstes zünden die Lichtbogenstarter 426, 465 die Lichtbogen.
Der Benutzer hat einen Substrattemperaturparameter in den Block 1002 gegeben. Jetzt wird im Block 1008 die Substrattemperatur durch Anderungen der CAPD-Energiezuführungen 408 und 852 und der Substratvorspannungsenergiezuführung 409 bis auf den Einstellpunkt gebracht.
Die Blöcke 1009, 1010, 1011, 1012 führen die Zeit aus, als Funktion der Leistungskonsumption und der Substrateinstellpunktformulierung, die eingegeben wurde in den Block 1002.
Der Block 1012 begrenzt den CAPD-Prozeß, nachdem ein vorbestimmter Amperestunden-Einstellpunkt vom Block 1002 empfangen wurde.
Der Block 1013 bestimmt, ob fortzufahren ist mit einem Zerstäuberprozeß wie bestimmt vom ßlock 1002. Der Block 1014 fährt fort mit einem befehlsmäßigen Abschalten, indem die inneren Kammerrohre 437 freigegeben werden, um das Substrat 540 auf eine vorbestimmte Temperatur zu kühlen, die durch den Block 1002 vorgegeben ist.
Der Block 1015 führt entweder eine atmosphärische Entlüftung durch die Öffnung des Entlüftungsventils 494 aus oder durch die Einführung des Prozeßgases durch das Prozeßgassteuerventil 427.
Der Zerstäuberprozeß wird im Block 1016 durch die Einführung des Prozeßgases mit Hilfe des Prozeßgasreglers 578 gestartet.
Als nächstes bewegen die Blöcke 1017, 1018 die Zerstäuberkathodenabdeckungen 513, 514 vor die Zerstäuberkathoden 464 und 463. Der Block 1017 fährt fort, die Zerstäuberenergiezuführungen 470, 577 mit Energie zu versorgen, um die Zerstäubertarget/Kathoden 449 und 460 sauber zu spritzen. Die Zeitdauer für das Sauberspritzen wird durch den Block 1002 diktiert.
Als nächstes entfernt der Block 1019 die Zerstäuberkathodenabdeckungen 513 und 514 von den Zerstäubertarget/Kathoden 449 und 460. Der Substratdrehtisch 470 wird aktiviert.
Als nächstes sputtert der Block 1020 für eine vorbestimmte Zeit, und die Zerstäubungsenergiezuführung 470, 575 liefert den Energieausgang wie durch den Block 1002 vorbestimmt. Die Zerstäubung schließt ab mit den Blöcken 1014 und 1015.
Der Block 1100 zeigt die PC-Ablaufausführungssoftware und den Erhalt der verschiedenen Prozeßformulierungen. Variable Prozeßformulierungen umfassen alle Zeit-, Temperatur-, Energie-, Fluß- und Druckvariablen, die der Benutzer für seinen Prozeß wünscht. Der Block 1101 zeigt die CRT auf dem PC, die variablen Eingangsformulierungen darstellend. Es wird ein optionaler Druckausgangs-Block 1102 gezeigt. Alternativ können die variablen Prozeßformulierungen durch das PLC-Eingangsmodul 582 eingebracht werden.
Der Block 1103 zeigt den PC, der die variablen Eingangsformulierungen von den Technologieeinheiten zu den PLC- Formatdaten überträgt. Der Block 1104 zeigt den PC 405, der die variablen Eingangsformulierungen speichert und wiedergewinnt.
Der Block 1105 steuert alle PC/PLC Kommuni kationen. Der Block 1106 zeigt den PLC 403, der die variablen Eingangsformulierungen empfängt. Zusätzlich kann dem PLC 403 durch den PC 405 angegeben werden, gemessene Prozeßparameter für die Darstellung und Speicherung durch den PC 405 zu übertragen.
Variable Prozeßformulierungen können in Konkurrenz mit der Ausführung von gemessenen Prozeßparameterndarstellungen und gespeichert in den Blöcken 1101, 1102 und 1104, in den Block 1100 gegeben werden.
Die beste Weise zur Praktizierung der vorstehend genannten Computerfertigkeit benutzt eine Texas-Instruments-Serie 500 PLC Modell 530 C-1102. Der darin verwendete PC ist ein IBM (oder kompatibeler) unter Verwendung eines Microsoftbetriebssystems, MS-DOS und IGH/VGH-Grafiken. IGH/VGH-Grafiken ermöglichen 16-farbige Darstellungen, wie Grundelemente und Text. Asynchrone serielle Kommunikationen zwischen dem PLC und dem PC benutzen Texas-Instruments-Aufgaben-Codes und Assemblersprachroutine.
Die PLC-Leiter-Logik-Software ist geschrieben unter Verwendung der Texas-Instruments-Tisoft-Leiter-Editors. Die PC- Ausführungssoftware ist in der "C" Sprache unter Verwendung eines Microsoft C Kompilierers geschrieben.
Die Ausführungssoftware für den PC ist menü-getrieben, wodurch der Bildschirm den Benutzer auffordern kann, in variable Formulierungen in Technologieeinheiten einzutreten.
ON-Line "Hilfs"-Führungstexte sind für die Benutzer erhältlich als ein Ausgang von allen Bildschirmen. Die Ausführungssoftware akzeptiert alle Daten in Technologieeinheiten und wandelt alle Daten zu PLC-maschinenlesbare Daten um, unter Benutzung von "C" Sprachensubroutine.
Der CRT-Block 1101, der Druckerblock 1102 und der Platten-Block 1104 können alle variablen Eingangsprozeßparameter empfangen und darstellen oder Drucken oder Speichern in realer Zeit.

Claims

1. Apparat zum Beschichten eines Substrats, bestehend aus

(a) einer Vakuumkammer (1),

(b) einem Pumpensystem (2) zum Erzeugen eines Vakuums innerhalb der Vakuumkammer,

(c) Teilen zum Installieren des Substrats (8) innerhalb der Vakuumkammer,

(d) einem Zerstäuber-Target oder einer Zerstäuber-Kathode (4) mit einer Erosionsfront (23),

(e) Magneten (20), angeordnet neben dem Zerstäuber-Target bzw. der Zerstäuber-Kathode an der der Erosionsfront abgewandten Seite,

(f) einer Zerstäuber-Anode (5) zur Erzeugung einer Plasmaentladung für das/die Zerstäuber-Target/Kathode,

(g) einem Zerstäuber-Netzteil (6) zur Erzeugung eines elektrischen Stromkreises zwischen dem/der Zerstäuber-Target/Kathode und seiner/ihrer Anode,

(h) Teilen (3) zum Einleiten und Steuern des Drucks eines Betriebsgases in der Vakuumkammer zum Herbeiführen einer Glühentladung zwischen dem/der Zerstäuber-Target/Kathode und der Anode zum Eindampfen der Erosionsfront und Absetzen einer Bedampfungsschicht auf dem Substrat,

(i) einem/einer kathodischen Lichtbogenplasmaabsetzungs- (CAPD) Target/Kathode (40) mit einer Erosionsfront,

(j) einer CAPD-Anode (50) für das/die CAPD-Target/Kathode, wobei sowohl die CAPD-Teile als auch die Magnetron-Zerstäubungsmittel innerhalb der Vakuumkammer angeordnet sind,

(k) einem CAPD-Netzteil (60) zur Erzeugung eines elektrischen Stromkreises zwischen dem/der CAPD-Target/Kathode und seiner/ihrer Anode,

(l) Teilen (44) zum Zünden eines Lichtbogens zwischen dem/der CAPD-Target/Kathode und der CAPD-Anode, um einen Lichtbogenpunkt auf der Erosionsfront zu bilden und dadurch die CAPD-Target-/Kathodenerosionsfront einzudampfen und eine dünne Schicht des CAPD-Kathodenmaterials auf dem Substrat abzusetzen und

(m) Teilen zur sequentiellen Steuerung der Auftragung von wenigstens zwei dünnen Schichten auf dem Substrat.

2. Apparat nach Anspruch 1 mit

(a) Teilen (70), um das Substrat unter eine elektrische Vorspannung zu setzen,

(b) Teilen zum Messen der elektrischen Substratvorspannung,

(c) Teilen zum Messen des Stroms des Zerstäuber-Netzteils,

(d) Teilen zum Steuern des Betriebsgasdrucks,

(e) Teilen zum Messen der Substrattemperatur,

(f) Teilen zum Steuern der Substrattemperatur,

(g) Teilen zum Messen des Stroms des CAPD-Netzteils und

(h) Teilen zum Kühlen der Vakuumkammer und des/der Zerstäubungs- Target/Kathode und des/der CAPD-Target/Kathode.

3. Apparat nach Anspruch 1 oder 2 mit einem Drehtisch in der Vakuumkammer, der mit dem Substrat in elektrischer Kontinuität steht und mit einem aufrechten Substrattraggestell auf dem Drehtisch.

4. Apparat nach Anspruch 3, in welchem das aufrechte Traggestell eine Klemmvorrichtung mit einer Feder aufweist, die das Substrat berührt.

5. Apparat nach Anspruch 3 oder 4 mit einem Substratvorspannungsnetzteil, einer Vakuumdrehdichtung für den Drehtisch und mit vermaschenden Stromverbindern.

6. Apparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem die Mittel zum Einleiten und Steuern eines Betriebsgases ein kapazitives Manometer, einen Nengenflußregler, ein Mengenfluß-Gassteuerventil und ein Drosselventil enthalten.

7. Apparat nach Anspruch 6, in welchem die Teile zum Einleiten und Steuern des Betriebsgases einen stromaufwärts gelegenen Druck-Regelkreis enthält.

8. Apparat nach Anspruch 6, in welchem die Teile zum Einleiten und Steuern des Betriebsgases einen stromabwärtsgelegenen Druck-Regelkreis enthalten.

9. Apparat nach Anspruch 2, in welchem ferner ein Infrarotsensor und ein Indikator zum Messen der Substrattemperatur vorgesehen sind.

10. Apparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner Mittel zum Verändern der CAPD-Zerstäubungsmenge, Mittel zum Verändern der Stärke des Substratvorspannungs-Netzteils und Mittel zum Verändern der Geschwindigkeit des Drehtisches enthält.

11. Apparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner miteinander verbundene Kühlwasserrohre zum Kühlen der Vakuumkammer, des/der Zerstäubungs-Targets/Kathode und des/der CAPD- Targets/Kathode aufweist.

12. Apparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem das Pumpsystem ferner eine mechanische Pumpe, eine Diffusionspumpe und eine Tiefsttemperaturfalle (oder -abscheider) aufweist.

13. Apparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner ein Substrat mit einer Anordnung von Werkstücken mit zwei oder mehr Seiten aufweist.

14. Apparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher ein(e) zweites/zweite Zerstäubungs-Target/Kathode und ein(e) zweites/zweite CAPD-Target/Kathode aufweist, so daß das Substrat gleichzeitig an beiden Seiten mit Material von entweder beiden Zerstäubungs-Targets bzw. -Kathoden oder beiden CAPD- Targets bzw. -Kathoden beschichtet werden kann.

15. Apparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem das/die Zerstäubungs-Target/-Kathode ferner bewegbare Abschirmungen zum Schutz des/der Zerstäubungs-Targets bzw. -Kathode vor einer Beschichtung während des Betriebes des/der CAPD- Targets/Kathode aufweist.

16. Apparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher einen Tröpfchenschirm enthält, der vor der Erosionsfront des/der CAPD-Target/Kathode angeordnet ist, wodurch verhindert wird, daß Tröpfchen das Substrat erreichen.

17. Apparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem die CAPD-Kathode Titan, Zirkonium oder Kohlenstoff aufweist.

18. Verfahren zum Absetzen mehrerer dünner Schichten nacheinander auf einem Substrat (8) mit folgenden Schritten:

(a) Anordnen des Substrats in einer Kammer (1),

(b) Evakuierung der Kammer,

(c) Aktivierung eines/einer kathodischen Lichtbogenplasmaabsetz (CAPD)-Target/Kathode (40) in der Kammer,

(d) Absetzen eines dünnen Films auf dem Substrat vom Material der Kathode,

(e) Einspritzen eines Betriebsgases in die Kammer,

(f) Aktivierung eines/einer Magnetron-Zerstäubungs-Targets/Kathode (4) in der Kammer,

(g) Schaffung einer Plasmaentladung in der Kammer und

(h) Absetzen eines dünnen Zerstäubungsfilms auf dem beschichteten Substrat.

19. Verfahren nach Anspruch 18 mit folgenden weiteren Schritten:

(i) Kühlen der Kammer und

(j) Steuerung aller vorhergehenden Verfahrensschritte durch Teile eines Computersystems.

20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, welches den Schritt des Abschirmens der CAPD-Tröpfchen von dem Substrat aufweist.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20 mit dem weiteren Schritt:

Auswahl der Zusammensetzung der CAPD-Kathode, Steuerung der CAPD-Beschichtungsverhältnisse derart, daß der entsprechende Film von im wesentlich demselben Glanz und derselben Farbe wie Gold ist.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21 mit folgendem Schritt:

Steuerung der Zerstäubungszustände derart, daß der entsprechende Film fest an dem dünnen CAPD-Film haftet.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, bei welchem das Kammervakuum zwischen der CAPD- und der Zerstäubungsablagerung nicht unterbrochen wird, ausgenommen beim Einspritzen des Betriebsgases.