DE3854307T2

DE3854307T2 - Hohlkathodenkanone und Vorrichtung zur Materialablagerung durch Ionenbeschichtung.

Info

Publication number: DE3854307T2
Application number: DE3854307T
Authority: DE
Inventors: Yukio C O Technical Re Inokuti; Osamu Ohkubo
Original assignee: Ulvac Inc; Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp; Ulvac Inc
Priority date: 1987-02-12
Filing date: 1988-02-10
Publication date: 1996-01-04
Anticipated expiration: 2008-02-11
Also published as: EP0278494A2; DE3854307D1; EP0278494B1; US4863581A; EP0278494A3

Description

Diese Erfindung betrifft eine Hohlkathodenkanone (hierin später als HCD-Kanone bezeichnet), die bei der Ionenbeschichtung mittels eines Hohlkathoden-Entladungsvorgangs (hollow cathode discharge = HCD) benutzt wird, und insbesondere eine HCD-Kanone für hohe Ionisierung und große Abscheidung mit guten Entladungseigenschaften und langer Lebensdauer, sowie ein Abscheidungsgerät zur Ionenbeschichtung, das die Ausbildung eines Abscheidungsfilmes mit verbesserter Gleichförmigkeit und Bindungseigenschaft bei der Ionenbeschichtung durch die genannte HCD-Kanone ermöglicht.
Der Ionenbeschichtungsvorgang unter Benutzung eines Plasmas wird bei Keramikbeschichtung mit TiN, TiC, Ti(CN) und dergleichen angewendet. Bei dem Ionenbeschichtungsvorgang wird ausgeführt ein HCD-Vorgang, eine Kombination aus EB-(Elektronenstrahl)- und HF-(Hochfrequenz)-Vorgängen, Mehrbogenvorgänge, Bogenentladungsvorgänge usw. Unter diesen Vorgängen wird der HCD-Vorgang weithin eingesetzt zur Keramikbeschichtung mit TiN, TiC, Ti(CN) und dergleichen, da das Ionisierungsverhältnis eine Höhe von 20 60% erreicht und die Filmbildungsrate mit 0,05 0m5 um/min relativ hoch ist. Insbesondere hat der HCD- Vorgang den Vorteil, daß die Keramikbeschichtung leicht und ohne Schwierigkeiten auch dann ausgeführt werden kann, wenn sich verschiedene Faktoren, wie die Strömungsrate des N&sub2;-Gases, der Unterdruckgrad, die Vorspannung, die Substrattemperatur, die Vorbehandlung des Substrats und dergleichen leicht geändert werden.
Die Ionenbeschichtung durch den HCD-Vorgang wird beispielsweise beleuchtet in Metal Surface Technologie, 35[1], pp 16 24 (1984) und Powder and Powder Metallurgy, 32 (1985), pp 55 60.
Da die Hohlkathode zur Plasmaerzeugung, wie sie gegenwärtig eingesetzt wird, oder die HCD-Kanone aus Ta besteht, beträgt die nutzbare Lebenszeit pro Kanone nur etwa 100 150 Stunden und eine Verwendung über diese nutzbare Lebenszeit hinaus ist bei Keramikbeschichtung unmöglich, so daß eine derartige sehr teure (400.000 1.000.000 ¥ pro Kanone) etwa 30 50% der Beschichtungskosten verursacht. Deshalb ist es erwünscht und wird verlangt, eine billigere HCD-Kanone zu entwickeln, die zum stabilen Gebrauch während einer langen Zeit fähig ist.
Die Erfinder hatten vorher eine HCD-Kanone aus Graphit entwikkelt statt der üblichen Ta-HCD-Kanone, um die Kosten der HCD- Kanone herabzusetzen. Die Graphit-HCD-Kanone besitzt den Vorteil, daß die Produktionskosten nur 1/50 1/100 der bei der üblichen Ta-HCD-Kanone entstehenden Kosten betragen, aber sie befriedigt in den Entladungseigenschaften und der Dauerhaftigkeit nicht unbedingt.
Zur Zeit wird hauptsächlich eine Ta-HCD-Kanone bei der Ionenbeschichtung durch HCD-Vorgänge eingesetzt, die in eine umgekehrte L-Form gebogen ist, um so einen Strahlbeginn der HCD zu erleichtern und eine Lösung einer zu verdampfenden Substanz wie Ti oder dergleichen zuwege zu bringen. Als Ergebnis wird, wenn eine Keramikbeschichtung mit beispielsweise TiN an einem Substrat ausgeführt wird, der Abscheidungsfilm an dem Abschnitt des Substrats, der genau über der HCD-Kanone sitzt, unerwünscht dünn. Auch hat eine HCD-Kanone mit solch einer gebogenen Form den Nachteil, daß sie infolge der Kollision des Hochtemperatur- Ti-Dampfstroms dünn wird.
In jüngster Zeit haben die Erfinder die Graphit-HCD-Kanone statt der üblichen Ta-HCD-Kanone entwickelt, wie bereits vorher erwähnt. Die Graphit-HCD-Kanone ist jedoch nicht geeignet, die Entladungsanforderungen an die HCD-Kanone zu befriedigen, insbesondere den stabilen Gebrauch während einer langen Zeit, obwohl die Produktionskosten gegenüber der üblichen Kanone auf 1/50 1/100 verringert sind.
Andererseits beträgt bei der normalen Ionenbeschichtungs-Vorrichtung mit der herkömmlichen HCD-Kanone mit einer Kapazität von 300 A oder 500 A die Filmbildungsrate bei der Ti-Beschichtung beispielsweise etwa 0,05 0,5 um/min und das Ionisierungsverhältnis beträgt höchstens 30 40%. In jüngster Zeit wurde, um die Filmbildungsrate bis auf mehrere um/min anzuheben, die Entwicklung der HCD-Kanone für Abscheidung mit einer großen Kapazität von etwa 1 000 A befördert, wodurch das Ionisierungsverhältnis auf nicht weniger als 50% erhöht und die Qualität des durch Ionenbeschichtung erzeugten Abscheidungsfilms verbessert werden konnte. Jedoch wird bei der Benutzung einer HCD-Kanone mit großer Kapazität möglicherweise die Befürchtung entstehen, daß der Abscheidungsfilm unhomogen wird und von dem Substrat abblättert oder abschält.
In Journal of Vacuum Science and Technology/A, Band 4, Nr. 3, Teil 1, Mai bis Juni 1986, wird auf Seiten 397 bis 402 ein elektronen-gestütztes Abscheidugnsgerät beschrieben, das zwei Magnetspulen umfaßt, eine am Austritt der Kanone und die andere am Tiegel, um den Elektronenstrahl auf engen Raum zu begrenzen.
Aus GB-A-2 149 201 ist ein mit einem Wobbel-Magnetfeldgenerator und zwei Magnetspulen versehenes Abscheidungsgerät bekannt. Zur Verdampfung benutzt das Abscheidungsgerät einen Elektronenstrahl.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Hohlkathodenkanone zur Ionenbeschichtung zu schaffen, die aus einem wirtschaftlich einsetzbaren Material gefertigt und zum stabilen Einsatz während einer langen Zeit befähigt ist und mit deren Benutzung ein großes Abscheidungsgerät für die Ionenbeschichtung eines Substrats geschaffen werden kann, das einen Abscheidungsfilm mit verbesserter Gleichmäßigkeit und verbesserten Bindungseigenschaften ausbildet, und das auch dann, wenn die Hohlkathodenkanone eine große Kapazität von etwa 1.000 A oder mehr besitzt.
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung wird dieses Ziel erreicht mit einer Hohlkathodenkanone für Ionenbeschichtung mit einer Hohlkathode für das Abscheiden und Ionisieren einer abzuscheidenden Substanz bei der Ionenbeschichtung durch einen HCD-Vorgang, bei der die Hohlkathode aus einer aus Graphit hergestellten Außenschicht und einer aus Ta, W oder LaB&sub6; hergestellten Innenschicht besteht.
Bei einer bevorzugten Ausführung der ersten Erfindung werden der Innendurchmesser der Außenschicht und der Außendurchmesser der Innenschicht allmählich zu der oberen Öffnung der Hohlkathode hin verringert. Um die Entladungseigenschaften und die Standfestigkeit zu verbessern und die Aufnahme von Graphit in eine Plasma-Atmosphäre der HCD zu vermeiden, besteht die Kathode aus der Außengraphitschicht und der Innenschicht aus Ta, W oder LaB&sub6;, die konzentrisch innerhalb der Außenschicht mit einem gewissen Zwischenraum angeordnet ist. Weiter kann ein Teil der Innenschicht oder die gesamte Innenschicht aus einem Draht gefertigt sein.
Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Ziel erreicht mit einem Abscheidungsgerät für die Ionenbeschichtung eines Substrats durch einen HCD-Vorgang mit wenigstens einem eine abzuscheidende Substanz aufnehmenden Tiegel, mindestens einer Hohlkathode zur Erzeugung des Plasmas und einer diese umgebenden Vakuumkammer, wobei die Hohlkathode aus einer aus Graphit hergestellten Außenschicht und einer konzentrisch innerhalb der Außenschicht mit einem gewissen Zwischenraum angeordneten und aus Ta, W oder LaB&sub6; hergestellten Innenschicht besteht und eine Fokussierungsspule den Außenumfang der Außenschicht umgibt und so angeordnet ist, daß eine Emission des Plasmastrahls in einer nach unten gehenden und zusammenlaufenden Richtung bezüglich der in dem Tiegel aufgenommenen Substanz bestimmt wird und mit einer Fokussierungsspule zum Ablenken des emittierten Plasmastrahls in einer zu der Oberfläche der in dem Tiegel aufgenommenen Substanz senkrechten Richtung, die so angeordnet ist, daß sie den Außenumfang des Tiegels umgibt, um dadurch Hindernisse zu beseitigen gegen einen Durchtritt des sich zu dem Substrat hin bewegenden Dampfes der Substanz.
Bei einer bevorzugten Ausführung der zweiten Erfindung wird weiter ein Strahlwobbel-Magnetfeldgenerator in Nachbarschaft zum Tiegel angeordnet, um den auf die Oberfläche der in dem Tiegel aufgenommenen Substanz abgelenkten Strahl zu wobbeln. Weiter umgibt die den Außenumfang des Tiegels umgebende Fokussierungsspule den Durchlaß für die Bewegung des Dampfes der Substanz in einen Bereich von dem Tiegel in der Nähe des Substrates oder besitzt einen Durchmesser, der allmählich von dem Tiegel zu dem Substrat hin anwächst. Darüberhinaus ist zum Abscheiden einer großen Menge der Substanz auf dem Substrat mit einer großen Oberfläche mindestens eine zweite Fokussierungsspule weiter so angeordnet, daß sie die Außenumfänge der jeweils einen von mindestens zwei Tiegeln umgebenden Fokussierungsspulen umgibt und rechtwinklig, ellipsoidisch oder erdnußförmig ausgebildet ist.
Bei dem Abscheidungsgerät zur Ionenbeschichtung steht ein Reaktionsgaseinlaß in die Vakuumkammer vor und ist mit einem mit Spannung beaufschlagbaren Rohr versehen, um das Reaktionsgas zu aktivieren.
Die Erfindung wird mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
Fig. 1a und 1b schematische Darstellungen sind, die jeweils eine Ausführung der erfindungsgemäßen HCD-Kanone darstellen;
Fig. 2 und 3 jeweils schematische Ansichten der üblichen HCD-Kanone sind;
Fig. 4, 5a und 5b jeweils eine andere Ausführung der erfindungsgemäßen HCD-Kanone darstellen;
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Ausführung der erfindungsgemäßen Ionenbeschichtungs-Vorrichtung mit schubweiser Fertigung ist;
Fig. 7 eine schematische Darstellung ist, die den Beschichtungszustand bei einer kontinuierlichen PVD-Vorrichtung nach der Erfindung zeigt;
Fig. 8 eine schematische Ansicht einer anderen Ausführung für eine schubweise fertigende Ionenbeschichtungs-Vorrichtung nach der Erfindung ist;
Fig. 9 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführung der erfindungsgemäßen Ionenbeschichtungs-Vorrichtung mit schubweiser Fertigung ist;
Fig. 10 und 11a 11c schematische Ansichten sind, welche die Beziehung zwischen Tiegel und Fokussierungsspule bei Ansicht von der Oberseite der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigen; und Fig. 12 eine schematische Ansicht der Ionenbeschichtungs- Vorrichtung unter Benutzung der üblichen Ta-HCD-Kanone ist.
In Fig. 1a und 1b sind jeweils eine erste bzw. eine zweite Ausführung der erfindungsgemäßen HCD-Kanone gezeigt.
Die in Fig. 1a gezeigte HCD-Kanone umfaßt eine Elektronenkanone 1, die aus einer Fe-Legierung hergestellt ist, und eine an dem vorderen Ende der Elektronenkanone 1 angeschlossene Hohlkathode 2, die besteht aus einer aus Graphit gefertigten Außenschicht 3 und einer aus Ta gefertigten Innenschicht 4.
Bei der HCD-Kanone nach Fig. 1b besteht die Hohlkathode 2 aus einer äußeren Graphitschicht 5 und einer inneren Ta-Schicht 6, wobei der Innendurchmesser der Außenschicht 5 und der Außendurchmesser der Innenschicht 6 jeweils zu einer vorderen Öffnung 7 der Hohlkathode 2 hin allmählich verringert werden. Das bedeutet, wie in Fig. 1b gezeigt, der Abstand zwischen den Linien 1a und 1b, welche die Grenzen zwischen den Innenumfang der Außenschicht und den Außenumfang der Innenschicht bilden, wird zur vorderen Öffnung 7 hin geringer. In diesem Fall ist es erwünscht, daß der Neigungswinkel θ der Begrenzungslinie 1a (1b) innerhalb eines Bereiches von 0,5º 30º liegt in Hinsicht auf eine Verbesserung der Entladungseigenschaften.
Dazu ist ein Einlaß 8 für Ar-Gas, ein Einlaß 9 für Kühlwasser und ein Auslaß 10 für das Kühlwasser vorhanden.
Die Beziehung der Struktur der Hohlkathode in der HCD-Kanone zur nutzbaren Lebenszeit und den Entladungseigenschaften wurde geprüft unter Benutzung der nachfolgend aufgeführten HCD- Kanonen (a) (d). Die Auflösung von Ti wurde ausgeführt durch Durchleiten von Ar-Gas durch die Mohlkathode in jeder dieser HCD-Kanonen mit einer Strömungsrate von 40 cm³/min in der Weise, daß der Restunterdruck 9,3 x 0&supmin;² Pa (7 x 10&supmin;&sup4; mmHg) betrug, die Beschleunigungsspannung 60 V und der Beschleunigungsstrom 700 A, und dabei wurden die Lebenszeit und die Entladungseigenschaften der HCD-Kanone so überwacht, daß die in der nachfolgenden Tabelle 1 gezeigten Ergebnisse erhalten wurden.
(a) HCD-Kanone aus Ta (siehe Fig. 2)
(b) HCD-Kanone mit einer aus Graphit bestehenden Hohlkathode (siehe Fig. 3)
(c) HCD-Kanone mit einer Hohlkathode, die aus einer äußeren Graphitschicht und einer inneren Ta-Schicht besteht (Fig. 1a)
(d) die gleiche Kanone wie im Falle (c), jedoch wurde hier der Innendurchmesser der Außenschicht und der Außendurchmesser der Innenschicht zu der vorderen Öffnung hin verringert (Fig. 1b). Tabelle 1 Lebenszeit der HCD-Kanone (h) Kosten, bezogen auf die Lebenszeit * Entladungszustand Bemerkungen gut häufig Probleme mit den Entladungs-Eigenschaften Bei Langzeiteinsatz entsteht ein Spalt zwischen Grafit und Ta, Entladungs-Eigenschaften ändern sich Vergl.-Beisp. Annehmbares Beispiel * (Herstellkosten der HCD-Kanone)/(Lebenszeit), bezogen auf Kanone (a) = 1
Wie aus Tabelle 1 zu ersehen, besitzt die Ta-HCD-Kanone (a) eine nutzbare Lebenszeit von 70 Stunden und einen guten Entladungszustand, jedoch werden die Kosten, bezogen auf die nutzbare Lebenszeit der HCD-Kanone, sehr hoch. Andererseits beträgt bei der Graphit-HCD-Kanone (b) die nutzbare Lebenszeit 30 Stunden, jedoch sind die Kosten für die nutzbare Lebenszeit sehr wirtschaftlich mit 1/100 der bei (a) entstehenden Kosten. Jedoch erweist sich die HCD-Kanone (b) häufig als schlecht in den Entladungseigenschaften im Vergleich mit denen der HCD- Kanone (a) und kann nicht stabil mit guter Entladung betrieben werden.
Im Gegensatz dazu kann bei der erfindungsgemäßen HCD-Kanone (c) die nutzbare Lebenszeit sehr weit, auf 300 Stunden, erhöht werden. Das kommt von der Tatsache her, daß die innere Ta- Schicht durch die äußere Graphitschicht geschützt und der Verbrauch von Ta infolge der Kollision mit Ti-Dampf geringer wird, was die Lebenszeit der Ta-Kathode verlängert. Weiter sind die Kosten, bezogen auf die nutzbare Lebenszeit, bei der HCD- Kanone (c) etwas höher als die der HCD-Kanone (b), jedoch beträchtlich niedriger als die der HCD-Kanone (a) und diese erweist sich als sehr wirtschaftlich. Der Entladungszustand ist gut im Vergleich mit dem Falle der HCD-Kanone (b), jedoch wird zwischen der Außenschicht und der Innenschicht während der langen Nutzzeit ein Spalt erzeugt, so daß dort eine Entladung entsteht und demzufolge die Entladung der HCD-Kanone dazu neigt, unstabil zu werden.
Bei der erfindungsgemäßen HCD-Kanone (d) ist der Außendurchmesser der inneren Ta-Schicht im oberen Anteil groß und im unteren Anteil gering, so daß die Bindungseigenschaften zwischen der äußeren Graphitschicht und der inneren Ta-Schicht immer im selben Zustand gehalten werden und deshalb der gute Entladungszustand in der langen nutzbaren Lebenszeit gleichmäßig gehalten werden kann.
Da jedoch die HCD-Kanone (d) so benutzt wird, daß die Spannung direkt an die Graphitschicht angelegt wird, wenn eine Plasma- Atmosphäre durch die HCD-Kanone gebildet wird, geht Graphit in diese Atmosphäre über, und damit kann C in dem entstehenden Beschichtungsfilm enthalten sein, was die Filmeigenschaften nachteilig verschlechtert.
Als Ergebnis der Untersuchungen für den letzteren Fall wurde festgestellt, daß eine HCD-Kanone mit einem Aufbau, wie er beispielsweise in Fig. 4 gezeigt ist, Vorteile erbringt.
Die in Fig. 4 gezeigte HCD-Kanone kennzeichnet sich nämlich dadurch, daß ein Zwischenraum 11 zwischen der inneren Ta- Schicht 4 und der äußeren Graphitschicht 3 gebildet ist. Dazu ist ein Einlaß 12 für Argongas in der Mitte des unteren Endes der Innenschicht 4 vorgesehen, und ein Kupferblock 13 ist mit einem Einlaß 14 und einem Auslaß 15 für Kühlwasser versehen, das zum Kühlen der Innenschicht 4 gebraucht wird.
Dann wurde eine Beziehung zwischen der Struktur, der nutzbaren Lebenszeit und den Entladungseigenschaften der Hohlkathode gemäß der Erfindung und dem in dem TiN-Abscheidungsfilm enthaltenen Kohlenstoffgehalt (dargestellt durch CPS) durch die nachfolgende Untersuchung geprüft.
Bei dieser Untersuchung wurden drei HCD-Kanonen (a) (c) nach der folgenden Tabelle 2 benutzt, bei denen es sich handelt um
(a) Ta-HCD-Kanone (Fig. 2),
(b) HCD-Kanone mit einer äußeren Graphitschicht und einer inneren Ta-Schicht, bei der der Innendurchmesser der äußeren Schicht und der Außendurchmesser der inneren Schicht zu der vorderen Öffnung hin reduziert wird (Fig. 1b), und
(c)HCD-Kanone mit einer äußeren Graphitschicht und einer inneren Ta-Schicht, die konzentrisch zum Innenumfang der Außenschicht mit einem bestimmten Abstand angeordnet ist (Fig. 4).
Ti wurde gelöst durch Hindurchleiten von Ar-Gas durch die Hohlkathode mit einer Strömungsrate von 30 cm³/min mit den Bedingungen, daß der Unterdruck 1,3 x 10&supmin;² Pa (10&supmin;&sup4; mmHg), die Beschleunigungsspannung 60 V und der Beschleunigungsstrom 700 A betrug, während N&sub2;-Gas in die ionisierte Plasma-Atmosphäre eingeführt wurde zum Abscheiden von TiN-Film mit 1,5 um Dicke auf dem Glassubstrat.
Bei dieser Untersuchung der nutzbaren Lebenszeit und des Entladungszustandes der HCD-Kanone wurde der Kohlenstoffgehalt im TiN-Film durch einen Ionen-Mikroanalysator (IMMA) gemessen, und es ergaben sich die in Tabelle 2 gezeigten Ergebnisse. Tabelle 2 Lebenszeit der HCD-Kanone (h) Kosten, bezogen auf die Lebenszeit * Entladungszustand Kohlenstoffgehalt im Film mit IMMA ** Bemerkungen gut etwas Entladung tritt auf Vergl.-Bsp. Annehmb. Beispiel * (Herstellkosten der HCD-Kanone)/(Lebenszeit), bezogen auf Kanone (a) = 1 ** Kohlenstoffgehalt im Tin-Film, analysiert durch Ionenmikroanalysator
Wie aus Tabelle 2 zu ersehen, beträgt die Lebenszeit der Ta- HCD-Kanone (a) 60 Stunden (kürzer als die nach Tabelle 1 mit dem gleichen Strom von 700 A) und der Entladungszustand ist gut. Weiter beträgt der durch IMMA analysierte Wert des Kohlenstoffgehaltes im TiN-Film 115 CPS, was Hintergrunddaten bildet und die Tatsache anzeigt, daß kein wesentlicher C-Gehalt in dem Film vorhanden ist.
Andererseits ist bei der HCD-Kanone (b) die nutzbare Lebenszeit in hohem Maße verlängert auf 100 Stunden, und damit wird die Lebenszeit der Kathode beträchtlich verlängert. Da jedoch die Kapazität der HCD-Kanone 700 A beträgt, wird etwas Entladung zwischen Graphit und Ta hervorgerufen und demzufolge ergibt sich als Analysenwert des Kohlenstoffgehaltes im TiN-Film durch IMMA 260 CPS, was einen wesentlichen Anteil von C in dem Film bedeutet.
Bei der HCD-Kanone (c) wird die nutzbare Lebenszeit weiter auf 500 Stunden verlängert, und die auf die Lebenszeit bezogenen Kosten werden ebenfalls in hohem Maße verringert. Weiter wird im Gebrauch keine Entladung erzeugt und der für den Kohlenstoffgehalt in dem TiN-Film durch IMMA analysierte Wert beträgt 120 CPS, was im wesentlichen dem der HCD-Kanone (a) entspricht und anzeigt, daß kein wesentlicher Anteil von C im Film enthalten ist.
Unter diesen HCD-Kanonen mit großer Kapazität zeichnet sich die HCD-Kanone (c) durch ihre Entladungseigenschaften, Eigenschaften des Abscheidungsfilmes, der Kanonen-Lebenszeitkosten und dergleichen im Vergleich zu der HCD-Kanone (b) aus, wie aus Tabelle 2 zu ersehen. Insbesondere ist bei der HCD-Kanone (c) die Auswirkung der Reduzierung des Ta-Verbrauches, der durch die Kollision mit dem Ti-Dampf entsteht, groß, da die Spannung nicht direkt an die Graphitschicht angelegt wird und die Ta- Kathode durch die Graphitschicht geschützt ist.
In Fig. 5a und 5b sind schematisch andere Ausführungen der erfindungsgemäßen HCD-Kanone gezeigt. Die HCD-Kanone nach Fig. 5a besteht aus einer aus W hergestellten inneren Schicht 4, einer aus Graphit hergestellten äußeren Schicht 3 und einer Wicklung 16 aus einem hohlen W-Draht, die außerhalb des unteren Abschnitts der Innenschicht 4 längs des Innenumfangs der Außenschicht 3 angeordnet ist. Andererseits besteht die HCD-Kanone nach Fig. 5b aus der äußeren Graphitschicht 3 und Doppelspulen 16', die als Innenschicht innerhalb der Außenschicht mit einem Abstand 11 angeordnet sind und aus hohlem W-Draht bestehen. Bei diesen HCD-Kanonen wird die Innenseite der Kanone beträchtlich unregelmäßig im Vergleich zu der HCD-Kanone der Fig. 4, so daß der wirksame Plasmastrahl erzeugt werden kann. Weiter werden die Herstellkosten niedriger infolge der Verwendung des hohlen W-Drahtes.
Nun wird die Erfindung mit Bezug auf das Abscheidungsgerät für die Ionenbeschichtung unter Benutzung der erwähnten HCD-Kanone beschrieben.
In Fig. 6 ist schematisch eine Ausführung der Ionenbeschichtungs-Vorrichtung mit einem HCD-Vorgang unter Benutzung des Abscheidungsgerätes für Ionenbeschichtung nach der Erfindung gezeigt, und hier ist ein Substrat 21, ein Einlaß 22 für Reaktionsgas, ein Tiegel 23, eine Materialschmelze 24 (z.B. Ti), ein Ablaßventil zur Erzeugung des Hochvakuums, eine Vakuumkammer 26 und eine HCD-Kanone 27 zu sehen.
Die HCD-Kanone 27 ist bei der dargestellten Ausführung eine Kombination aus einer äußeren Graphitschicht 27-1 und einer inneren Ta-Schicht 27-2, die innerhalb der äußeren Schicht angeordnet und von dieser durch einen gewissen Zwischenraum getrennt ist. Dazu können die Innenschicht 27-2 und der Tiegel 23 mittels eines (nicht dargestellten) Leiters verbunden werden, um eine Entladung zwischen der Außen- und der Innenschicht zu verhindern, wodurch die abnormale Entladung der HCD- Kanone verringert und die nutzbare Lebenszeit der Kanone verlängert wird.
Weiter wird die HCD-Kanone 27 immer auf konstantem Abstand zum Tiegel 23 gehalten mittels eines Vorschubmechanismus 27-3, wodurch die Zuführung von stabilem Plasmastrahl während einer langen Lebenszeit sichergestellt werden kann. Eine Leistungsquelle 27-4 für die HCD-Kanone und ein Einlaß 27-5 für Ar-Gas sind weiter gezeigt.
Eine Fokussierungsspule 28 ist um die HCD-Kanone 27 angeordnet und fokussiert das erzeugte Plasma zu einem feinen Plasmastrahl 29. Der so fokussierte feine Plasmastrahl 29 wird so abgelenkt, daß er sich in eine Richtung senkrecht zur Oberfläche der Materialschmelze 24 biegt, wie gestrichelt in Fig. 6 gezeigt, und das geschieht mittels einer um den Tiegel 23 angeordneten Fokussierungsspule 30, die bewirkt, daß das Magnetfeld von der Aufwärtsrichtung nach Abwärtsrichtung geändert wird und auf die Materialschmelze 24 aufgestrahlt wird. Durch die Bestrahlung mit dem senkrecht abgelenkten Plasmastrahl wird die Materialschmelze 24 genau nach oben verdampft, wodurch die gleichmäßige Abscheidung des verdampften Materials auf das Substrat erreicht werden kann.
Bisher wurde einfach eine Hochspannung von 10 kV 2 000 kV benutzt bei einem niedrigen Strom von nicht mehr als 10 mA, um den Elektronenstrahl abzulenken und zu wobbeln. Um einen hochionisierten Dampfstrahl zu erzeugen, ist es jedoch günstig, die HCD-Kanone bei niedriger Spannung und hohem Strom einzusetzen. In diesem Zusammenhang wird normalerweise die niedrige Spannung von 10 100 V und ein hoher Strom von etwa 1 000 1 500 A eingesetzt. Wenn darüberhinaus ein höherer Strom als der gerade angegebene benutzt wird, wird das Fokussieren und Ablenken des Strahls schwierig, aber die Verwendung eines derartigen höheren Stromes wird ermöglicht durch Benutzen von zwei Fokussierungsspulen wie bei der Erfindung.
In Fig. 7 ist schematisch und im Schnitt eine Ausführung einer kontinuierlichen PVC-Anlage für eine Stahlblechwicklung nach der Erfindung gezeigt. In diesem Fall ist das Substrat 21 ein Stahlblech, das einer Ionenbeschichtung unterworfen wird. In diesem Fall wird ein Luft/Luft-System für das Stahlblech eingesetzt, bei dem das Stahlblech durch eine Reihe von Differenzdruckkammern geleitet wird mit allmählich erhöhtem Vakuum an der Eintrittsseite der Ionenbeschichtungszone und durch eine Reihe von Differenzdruckkammern mit allmählich abgesenktem Vakuum an der Abfuhrseite der Ionenbeschichtungszone. So wird ein kontinuierliches Durchleiten des langen Stahlblechs leicht mit den beschriebenen Differenzdruck-Abdichtsystemen verwirklicht unter Aufrechterhaltung des bestimmten Differenzdruckes zwischen den jeweiligen Differenzdruckkammern.
In Fig. 7 und danach werden mit der Fig. 6 gemeinsame Teile mit den gleichen Bezugszeichen dargestellt, und gleichartige Teile werden mit beigefügtem Apostroph am Bezugszeichen dargestellt. In Fig. 7 sind Strahlwobbel-Magnetfeldgeneratoren 31 bzw. 31' dargestellt, welche die Plasmastrahlen 29 bzw. 29' in den Pfeilrichtungen 32 und 32' bei etwa 1 500 Hz ablenken, um sie mit hoher Geschwindigkeit zu wobbeln, wodurch der Plasmastrahl auf einen weiten Bereich der Oberfläche der Materialschmelze aufgestrahlt wird. Als Ergebnis kann ein Dampfstrom über einem großen Oberflächenbereich erzeugt werden, um eine gleichmäßige Abscheidung des verdampften Materials auf der ganzen Oberfläche des Stahlblechs zu bewirken, wodurch die gleichförmige Ionenbeschichtung der Oberfläche eines breiten Stahlblechs ermöglicht wird.
Fig. 8 zeigt eine abgewandelte Ausführung der Vorrichtung nach Fig. 6, bei der die Fokussierungsspule 30 sich bis nahe zum Ende des Reaktionsgasrohres 35 erstreckt. In diesem Fall geht das durch den Strahl von der HCD-Kanone gelöste und ionisierte Material geradlinig zum Substrat 21 hin, und aus diesem Grund kann die Abscheidungswirksamkeit beträchtlich erhöht werden. Darüberhinaus kann der Strahlwobbel-Magnetfeldgenerator 31 gemäß Fig. 7 eingesetzt werden. Ein Spannungsanlegegerät 33 für das Reaktionsgas ist mit einem Kühlrohr 34 und einem Ta-Rohr 35 versehen. Die Ionisierung des Reaktionsgases kann durch Anlegen einer Spannung an das Rohr 35 beschleunigt werden.
Als ein Verfahren zum Befördern der Ionisierung des Reaktionsgases ist es möglich, einen Dampf durch einen HCD-Vorgang statt durch den Einsatz des Reaktionsgasrohres 35 zu ionisieren. Bei diesem HCD-Vorgang wird bevorzugt der HCD-Strahl in Form einer Schicht für die Dampfionisierung ausgebreitet. Dazu kann die Kapazität des HCD-Strahles etwa 1/4 1/10 des Plasmastrahls 29 betragen.
Fig. 9 zeigt eine weiter abgewandelte Ausführung der Vorrichtung nach Fig. 8, bei der die Form der Fokussierungsspule 30 geändert ist. Bei der Fokussierungsspule 30 der Fig. 9 wird nämlich der Spulendurchmesser von der Umgebung des Tiegels zu der Umgebung des Endes des Reaktionsgasrohres 35 allmählich erhöht, wodurch der Dampfstrom wirksam mit einem größerem Oberflächenbereich auf dem Substrat abgeschieden werden kann.
In diesem Fall ist es auch mögich, den Dampf durch einen HCD- Vorgang statt durch das Reaktionsgasrohr 35 zu ionisieren als ein Verfahren, die Ionisierung des Reaktionsgases zu befördern.
Fig. 10 zeigt schematisch eine abgewandelte Ausführung bei Anordnung des Tiegels und der Fokussierungsspule der Fig. 9, gesehen von der oberen Fläche der Vorrichtung, um den Dampfstrom zu einem großen Oberflächenbereich des Substrats abzuscheiden. In diesem Fall werden zwei Tiegel 23 und 23' zur gleichförmigen Abscheidung auf dem Substrat benutzt. Zu diesem Zweck wird eine andere große Fokussierungsspule 38 um die beiden Fokussierungsspulen 30 und 30' angeordnet, die jeweils einen dieser Tiegel 23 bzw. 23' umgeben.
In Fig. 11a bis 11c sind die anderen Anordnungen von Tiegel und Fokussierungsspule gezeigt zum wirksamen und gleichförmigen Abscheiden des Dampfstromes auf der großen Oberfläche des Substrates. Dabei zeigt Fig. 11a den Fall, daß ein rechtwinkliger Tiegel 23 durch eine rechtwinklige Fokussierungsspule 40 umgeben ist, und Fig. 11b zeigt einen Fall, bei dem ein ellipsoidförmiger Tiegel 23' durch eine ellipsoidförmige Fokussierungsspule 40' umgeben ist, und Fig. 11c zeigt den Fall, daß der ellipsoidförmige Tiegel 23 von einer erdnußförmigen Fokussierungsspule 40" umgeben ist.
Bei den angeführten Vorrichtungen sind die Plasmaerzeugungs- Bedingungen bei der HCD-Kanone eine Beschleunigerspannung von 50 100 V, ein Strom von 500 5 000 A und eine Vorspannung von 20 150 V, und die Substrattemperatur beträgt 300 800ºC, und weiter sind die Anregungsbedingungen für die Fokussierungsspulen 28 und 30 jeweils 1 30 V und 100 1 000 A.
In Fig. 12 ist schematisch das übliche Abscheidungsgerät unter Benutzung der HCD-Kanone mit umgekehrter L-Form gezeigt. In diesem Fall ist die Kanone in der Bewegungsbahn des Dampfstromes vorhanden, so daß der auf einem der Kanone zugewendeten Teil des Substrats abgeschiedene Film, wie vorher erwähnt, ungleichmäßig wird.
Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele werden angeführt zur Darstellung der Erfindung, und es ist nicht beabsichtigt. die Erfindung dadurch zu begrenzen.

Ausführungsbeispiel 1

Die Ausbildung eines TiN-Abscheidungsfilms wurde ausgeführt durch Benutzen der HCD-Kanone nach Fig. 1b, deren Hohlkathode aus einer äußeren Graphitschicht und einer inneren Schicht besteht, die hergestellt ist aus (a) Ta, (b) W oder (c) LaB&sub6;, mit einem Vakuum von 10,6 x 10&supmin;² Pa (8 x 10&supmin;&sup4; mmHg), wodurch die in der nachfolgenden Tabelle 3 gezeigten Ergebnisse für die Lebenszeit und den Entladungszustand erhalten wurde. In diesem Fall betrugen die Beschleunigerspannung und der Strom der HCD- Kanone 70 V bzw. 1 000 A und die Strömungsrate des Ar-Gases in der Hohlkathode betrug 35 cm³/min. Tabelle 3 Lebenszeit der HCD-Kanone (h) Kosten pro Lebenszeit * Entladungszustand gut, problemlos * (Herstellkosten der HCD-Kanone)/(Lebenszeit), bezogen auf den Wert für Kanone (a) = 1

Ausführungsbeispiel 2

Die Ausbildung von CrN-Abscheidungsfilm wurde ausgeführt unter Benutzung der HCD-Kanone nach Fig. 4, deren Hohlkathode aus einer äußeren Graphitschicht und einer inneren Schicht besteht, die mit einem Zwischenraum konzentrisch angeordnet und hergestellt ist aus (a) Ta, (b) W oder (c) LaB&sub6; unter einem Vakuum von 12,6 x 10&supmin;² Pa (9,5 x 10&supmin;&sup4; mmHg), wobei die Ergebnisse für Lebenszeit und Entladungszustand, wie auch C-Gehalt im CrN- Film, durch IMMA analysiert, in der nachfolgenden Tabelle 4 gezeigt sind. In diesem Falle betrug die Beschleunigerspannung und der -Strom der HCD-Kanone 60 65 V bzw. 1 000 A und die Strömungsrate des Argongases war 35 cm³/min. Tabelle 4 Lebenszeit der HCD-Kanone (h) Entladungs-Zustand Kohlenstoff-Gehalt im Film, bestimmt durch IMMA ** gut ** Analyse-Wet des Kohlenstoff-Gehalts im CrN-Film, bestimmt durch Ionen-Mikroanalysator

Ausführungsbeispiel 3

Eine Bramme aus Siliziumstahl, der enthielt C: 0,0425; Si: 3,32%, Mn: 0,062%, Mo: 0,013%, Se: 0,019% und Sb: 0,023% wurde warmgewalzt auf eine Dicke von 1,8 mm und dann einer zweimaligen Kaltwalzung mit Zwischenglühen bei 950ºC unterworfen, um ein endgültiges kaltgewalztes Blech von 0,20 mm Dicke zu erhalten.
Nachdem Entkohlung und Primär-Rekristallisationsglühung in einer nassen Wasserstoff-Atmosphäre bei 820ºC ausgeführt wurde, wurde die Stahlblechoberfläche mit einem Schlamm aus einem Glühseparator beschichtet, der bestand aus MgO (35%), Al&sub2;O&sub3; (60%), TiO&sub2; (3%) und MgSO&sub4; (2%), und wurde dann einer Sekundär- Rekristallisationsglühung bei 850ºC während 50 Stunden unterworfen und weiter einer Reinigungsglühung in einer trockenen Wasserstoff-Atmosphäre bei 1 200ºC während 5 Stunden.
Nachdem eine Oxidschicht von der Stahlblechfläche durch Beizen entfernt wurde, wurde die Oberfläche durch elektrolytisches Polierenin einen Spiegelzustand mit einer durchschnittlichen Mittellinien-Rauhigkeit von Ra = 0,05 um versetzt.
Dann wurde ein TiN-Abscheidungsfilm von 1 um ausgebildet unter Benutzung der Ionenbeschichtungs-Vorrichtung nach Fig. 6 und 8.
In diesem Fall waren die Plasmaerzeugungs-Bedingungen, Beschleunigerspannung und -Strom von 70 V bzw. 1.000 A, während die Anregungsbedingungen für die Fokussierungsspulen 28 und 30 in der nachfolgenden Tabelle 5 gezeigt sind. Darüberhinaus betrug die Vorspannung 100 V und die Substrattemperatur war 400ºC, während der Erzeugungszustand des HCD-Strahls und die Verdampfungsrate in Fig. 5 gezeigt sind. Ebenfalls sind die magnetischen Eigenschaften des sich ergebenden Produktes, die Gleichmäßigkeit des TiN-Films und die Adhäsions-Eigenschaft in Tabelle 5 dargestellt. Tabelle 5 Art der Ionen-Beschichtigungsvorrichtung Bedingung der Fokussierspule um HCD-Kanone Tiegel Strahlerzeugungszustand Verdampfungsrate (um/min) Film-Ungleichmäßigkeit ** Magnetische Eigenschaften Adhäsions-Eigenschaft Vorrichtung nach Fig. 6 verwendet an Reaktionsgasrohr angelegt nicht Keine Abscheidung wegen Strahldiscontinuität Abscheidfähig * Abschälen beim Biegen des Bleches mit einem Durchmesser von 10 mm um 180º O kein Abschälen Δ etwas Abschälen ** Gleichmäßigkeit des TiN-Films wurde bewertet an der Oberfläche einer Stahlblechprobe mit den Maßen 0,20x150x300 mm
Wie aus Tabelle 5 zu ersehen, sind die Magneteigenschaften, die Gleichmäßigkeit des TiN-Films und die Adhäsions-Eigenschaft bei den Bedingungen 3 und 6, insbesondere bei Bedingung 6 der erfindungsgemäßen Art ausgezeichnet.

Ausführungsbeispiel 4

Eine Rolle (10 t) eines kaltgewalzten Stahlblechs mit 0,7 mm Dicke und niedrigem Kohlstoffgehalt, das enthielt C: 0,043%, Mn: 0,35%, S: 0,012% und P: 0,008% wurde mit elektrolytischer Politur in einen Spiegelzustand mit einer durchschnittlichen Mittellinien-Rauhigkeit von Ra = 0,1 um gebracht, und dann einer Ionenbeschichtung mit TiN (Dicke von TiN: 2,0 um) unterworfen durch Benutzung der kontinuierlichen PVD-Vorrichtung erfindungsgemäßer Art (Fig. 7). In diesem Fall betrugen die Plasmaerzeugungs-Bedingungen Beschleunigerspannung und -Strom 72 V bzw. 1 000 A, Vorspannung 80 V und Substrattemperatur 350ºC. Die Anregungsbedingungen für die Fokussierungsspulen 28, 28', 30 und 30', die Betriebsbedingungen des Strahlwobbel- Magnetfeldgenerators 31, der Erzeugungszustand des HCD-Strahls und die Gleichmäßigkeits- und Adhäsions-Eigenschaften des TiN- Films an der Stahlblechfläche nach der Ionenbeschichtung sind in der nachfolgenden Tabelle 6 gezeigt. Tabelle 6 Bedingung der Fokussierspule um HCD-Kanone Tiegel Erzeugungszustand des HCD-Strahls Strahl-Wobbel-Magnetfeld Ungleichmäßigkeit des TiN-Films ** Adhäsions-Eigenschaft * nicht verwendet Keine Abscheidung wegen Strahldiscontinuität Abscheidbar * Abschälen beim wiederholten Hin- und Herbiegen um 180º, fünf mal O kein Abschälen Δ etwas Abschälen ** Gleichmäßigkeit des TiN-Films in Breitenrichtung des Bleches von 0,20x500x1 mm wurde in der kontinuierlichen PVD-Vorrichtung bewertet
Wie aus Tabelle 6 zu ersehen, sind die Gleichmäßigkeits- und Adhäsions-Eigenschaften des abgeschiedenen Films bemerkenswert ausgezeichnet bei den Bedingungen 3 und 4, insbesondere Bedingung 4 erfindungsgemäßer Art.
Wie vorher erwähnt, kann gemäß der Erfindung eine HCD-Kanone mit geringen Produktionskosten, verbesserten Entladungseigenschaften und verbesserter Standhaftigkeit geschaffen werden. Weiter können nach dem zweiten Aspekt der Erfindung Abscheidungsfilme mit einer guten Gleichmäßigkeit und einem ausgezeichneten Adhäsionsverhalten mit hohem Wirkungsgrad durch Ionenabscheidung mittels des HCD-Vorganges gebildet werden.

Claims

1. Hohlkathodenkanone für das Ionenbeschichten mit einer Hohlkathode (2) für das Ablagern und das Ionisieren eines mit Hilfe der Ionenbeschichtung mit Hilfe des HCD-Verfahrens abzulagernden Stoffes, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkathode (2) aus einer äußeren, aus Graphit bestehenden Schicht (3, 5) und einer Innenschicht (4, 6) aus Ta, W oder LaB&sub6; besteht.

2. Hohlkathodenkanone nach Anspruch 1, wobei sich ein Innendurchmesser der äußeren Schicht (5) und ein Außendurchmesser der inneren Schicht (6) allmählich in Richtung auf eine Endöffnung (7) der Hohlkathode (2) verringern.

3. Hohlkathodenkanone nach Anspruch 1, wobei die innere Schicht (4, 6) konzentrisch innerhalb der äußeren Schicht (3, 5) mit einem vorgegebenen Zwischenraum angeordnet ist.

4. Hohlkathodenkanone nach Anspruch 1, wobei ein Teil oder die Gesamtheit der inneren Schicht (4) aus einem Draht (16) besteht.

5. Ablagerungsvorrichtung für das Ionenbeschichten eines Substrates (21) mit Hilfe eines HCD-Verfahrens mit wenigstens einem Tiegel (23) zur Aufnahme wenigstens eines abzulagernden Stoffes (24), wenigstens einer zur Plasmaerzeugung bestimmten Hohlkathode, welche mit einer ersten fokussierenden Wicklung (28) und einer zweiten fokussierenden Wicklung (30) zum Ablenken des emittierten (Plasma)-Strahles (29) in einer zur Oberflächen des in

dem Tiegel (23) untergebrachten Stoffes (24) normalen Richtung, wobei eine Vakuumkammer (26) dieselben umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkathode aus einer aus Graphit bestehenden äußeren Schicht (27-1) und einer konzentrisch innerhalb der äußeren Schicht (27-1) angeordneten Innenschicht (27-2) besteht, welche aus Ta, W oder LaB&sub6; besteht und in einem vorgegebenen Abstand zu der äußeren Schicht angeordnet ist, wobei die erste fokussierende Wicklung (28) den Außenumfang der Außenschicht (27-1) umgibt und die Hohlkathode entfernt von dem Zwischenraum zwischen dem Tiegel (23) und dem Substrat (21) angeordnet ist, in welchem sich der Dampf des Stoffes in Richtung auf das Substrat zubewegt und die zweite fokussierende Wicklung (30) so angeordnet ist, daß sie den Außenumfang des Tiegels (22) umringt.

6. Ablagerungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem ein den (Plasma)-Strahl wobbelnder Magnetfeldgenerator (31) in der Nähe des Tiegels (23) angeordnet ist, um den auf die Oberfläche des in dem Tiegel angeordneten Stoffes abgelenkten (Plasma)-Strahl (29) zu wobbeln.

7. Ablagerungsvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die den Außenumfang des Tiegels (23) umringende fokussierende Wicklung (30) den Durchtritt, durch welchen sich der Dampf des Stoffes (24) bewegt, in einem Bereich von dem Tiegel (23) bis nahe zu dem Substrat (21) umgibt.

8. Ablagerungsvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die den Außenumfang des Tiegels (23) umgebende fokussierende Wicklung (30) einen Durchmesser aufweist, der sich allmählich von dem Tiegel (23) in Richtung auf das Substrat (21) vergrößert, so daß der Durchtritt, durch welchen sich der Dampf des Stoffes (24) bewegt, in einem Bereich von dem Tiegel (23) bis nahe zu dem Substrat umringt ist.

9. Ablagerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei wenigstens eine weitere fokussierende Wicklung (38) so angeordnet ist, daß sie die äußeren Umfänge der fokussierenden Wicklungen (30, 30') umringt, welche jeweils einen von wenigstens zwei Tiegeln (23, 23') umringen.

10. Ablagerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die fokussierende Wicklung (38) rechtwinklig, elliptisch oder erdnußförmig gestaltet ist.

11. Ablagerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der Einlaß (22) für das Reaktionsgas mit einer an Spannung anlegbaren Röhre (35) versehen ist, welche sich von dem Einlaß (22) in das Innere der Vakuumkammer (26) erstreckt.

12. Ablagerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei ein von einer Hohlelektrode in Blattform ausgesandter Strahl in die Vakuumkammer (26) hineingebbar ist, um die Ionisation des Reaktionsgases zu fördern.