DE3880275T2

DE3880275T2 - Anlage und Verfahren zur Ablagerung einer dünnen Schicht auf ein durchsichtiges Substrat, insbesondere zur Herstellung von Glasscheiben.

Info

Publication number: DE3880275T2
Application number: DE88830503T
Authority: DE
Inventors: Liberto Massarelli; Francesco Sebastiano
Original assignee: Societa Italiana Vetro SIV SpA
Current assignee: Societa Italiana Vetro SIV SpA
Priority date: 1987-11-27
Filing date: 1988-11-22
Publication date: 1993-10-21
Anticipated expiration: 2008-11-23
Also published as: US4933057A; ATE88222T1; EP0318441A3; EP0318441A2; BR8806229A; DE3880275D1; PL161618B1; PL275999A1; RU1809840C; IT8748644A0; JPH01168862A; IT1211938B; DD275861A5; ES2040896T3; EP0318441B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Auftragen einer dünnen Schicht auf die Oberfläche eines durchsichtigen Substrats und zur Erzeugung einer sehr hohen Qualität der dünnen Schicht im Vergleich zu der, die sich nach dem Stand der Technik erreichen ließ.
In diesem Zusammenhang und in der folgenden Beschreibung ist unter "dünne Schicht" ein Film zu verstehen, der mit geeigneten Materialien, die unter den Oberbegriff Metalle fallen, hergestellt wird und eine Dicke von einigen Zehnteln bis zu einigen Hundertsteln Å hat und der als ein Überzug auf die Oberfläche eines Substrats, wie beispielsweise Glas, aufgetragen wird, um dieser Oberfläche modifizierte physikalische, mechanische, elektrische oder optische Eigenschaften zu verleihen.
Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Verfahren und Vorrichtungen zum Auftragen von dünnen Schichten bekannt.
In der folgenden Beschreibung wird insbesondere auf das Verfahren des Auftragens dünner Schichten mittels Kathodenzerstäubung Bezug genommen. Auf diesem technologischem Gebiet stehen eine Vielzahl von Patent- und bibliographischen Bezugsquellen zur Verfügung.
Als ein Beispiel beschreiben US-A-2146025, 3282816, 3400066, 4041353 ein Verfahren des Auftragens eines Metalls auf ein Substrat und die Vorrichtungen zur Ausführung dieses Verfahrens.
US-A-3616450 und 3711398 lehren die Herstellung einer Vorrichtung zum Auftragen einer dünnen Schicht auf ein Substrat, bei der eine zylinderförmige Kathode mit der Anode auf einer Seite und dem zu beschichteten Substrat auf der gegenüberliegenden Seite verwendet wird.
Bei dieser Vorrichtung erzeugen die Atome, die sich von der Innenwand des Zylinders ablösen, eine dünne Schicht auf der Oberfläche eines Substrats, das sich in senkrechter Richtung zur Achse des Zylinders befindet.
In US-A-3878085 wird eine Vorrichtung zum Auftragen einer dünnen Schicht auf flache Oberflächen beschrieben, bei der eine Kathode verwendet wird, die als einzelne, elliptisch geformte flache Platte ausgeformt ist, und die verbesserten Auftragwirkungsgrad ermöglicht.
Im gleichen Patent sind auch die Vorteile beschrieben, die aus dem Einsatz magnetischer Felder entstehen, die an die Kathoden angelegt werden, und die in der Verringerung der zur Auslösung einer elektrischen Entladung erforderlichen Spannung bestehen.
Andere Darstellungen von Vorrichtungen zum Auftragen von dünnen Schichten auf Substrate sind in den US-Patenten 4060470 und 4472259 beschrieben.
Das Verfahren der Kathodenzerstäubung zum Auftragen von dünnen Schichten wird auch in dem Text von L. Holland "Vaccuum Deposition of Thin Films", Seite 401-460 beschrieben, der von Chapman and Hall Ltd. herausgegeben wurde,sowie dem Text von L.I. Maissel, R. Clang "Handbook of Thin Film Technology", Seite 3-1/4-44, der von McCraw Hill herausgegeben wurde.
Dieses Verfahren besteht im wesentlichen in der Tatsache, daß Gasionen, die durch eine elektrische Entladung erzeugt werden, auf die Kathode zu beschleunigt werden und durch das Auftreffen darauf Atome herausgelöst werden, die auf der Oberfläche des Substrats angelagert werden und die gewünschte Beschichtung bilden.
Die so erreichten Beschichtungen haften jedoch nicht derart, daß ein Erzeugnis mit guter Qualität gewährleistet ist, besonders, wenn die dünne Schicht direkt dem Kontakt mit der Umgebung ausgesetzt wird.
Dieser Nachteil stellt eine erhebliche Einschränkung der industriellen Anwendbarkeit von Erzeugnissen dar, die mit dünnen Schichten überzogen sind, wie beispielsweise Glasscheiben für die Fester von Gebäuden und Fahrzeugen.
J.S. Williams und J.M. Poate haben in ihrem Buch "Ion Implantation und Beam Processing", das von Academic Press herausgegeben wurde, (Seite 189-259) einen Versuch beschrieben, der mit Laborproben durchgeführt wurde, wonach, wenn eine Ionenbeschießung auf der Beschichtung ausgeführt wird, während diese durch die Wirkung der von der Kathode abgegebenen Atome hergestellt wird, eine dünne Schicht entsteht, die Haft- und Gleichmäßigkeitseigenschaften aufweist, die bei weitem über den bisher bekannten liegen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, die eine industrielle Anwendung dieser Technik ermöglichen, die nur im Labormaßstab getestet worden ist, und zwar insbesondere dann, wenn eine erhebliche Größe des Substrats zu behandeln ist, die nicht mit einer Laborprobe zu vergleichen ist. Normalerweise ist, wenn das Substrat eine Glasscheibe ist, die Bezugsgröße die, die bei einer Anwendung in einem Gebäude und/oder einem Kraftfahrzeug zutrifft.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung löst das Problem der Schaffung einer Vorrichtung zum Auftragen einer dünnen Schicht auf ein Substrat, die eine Anlagerung von aus einer Kathode herausgelösten Atomen nutzt und gleichzeitig mit der Erzeugung derselben eine Beschießung der Schicht selbst mit Ionen ausführt.
Die vorliegende Erfindung schafft des weiteren ein Verfahren zur Herstellung dieser dünnen Schicht.
Durch die Verwendung einer Vorrichtung und eines Verfahrens dieser Art werden dünne Schichten hergestellt, die auf ein Substrat jeder beliebigen Art aufgetragen werden und die hohe Haft- und Gleichmäßigkeitseigenschaften aufweisen, so daß es möglich ist, die Schichten auch zu verwenden, wenn sie der Umgebung ausgesetzt werden.
Darüber hinaus kann beim Einsatz der vorliegenden Erfindung aufgrund der starken Erzeugung von Ionen durch die Vorrichtung das zu beschichtende Substrat in einem größeren Abstand angebracht werden, als er in der bekannten Technik verbreitet ist, und des weiteren kann die Menge des Einsatzgases im System verringert werden, was den Vorteil der Reinheit der Beschichtung selbst mit sich bringt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Auftragen einer dünnen Schicht auf die Oberfläche eines durchsichtigen Substrats durch Kathodenzerstäubung, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß sie eine Vielzahl von Kathodenplatten, die aneinandergrenzend angeordnet sind und einen am Ende offenen, umschlossenen Raum zur Erzeugung von auf ein Substrat aufzutragenden Atomen bilden, umfaßt, wobei die Kathodenplatten ein am Ende offenes, rechteckiges Parallelepiped bilden, das zwei einander gegenüberliegende, kurze Seiten und zwei einander gegenüberliegende, lange Seiten hat, wobei das Verhältnis der Länge der kurzen Seiten des Parallelepipeds zur Höhe der Platten 1:1 bis 1:2 beträgt, und die kurzen Seiten kürzer als 70 mm sind; eine Magneteinrichtung, die um die Vielzahl von Kathodenplatten herum angeordnet ist und ein magnetisches Feld erzeugt; eine Kühleinrichtung zum Kühlen der Kathodenplatten; und eine Anode an einem offenen Ende des rechteckigen Parallelepipeds, die so angeordnet ist, daß sie einen Winkel von im Wesentlichen 90º mit jeder der Kathodenplatten bildet, wobei ein durchsichtiges Substrat am anderen offenen Ende des Parallelepipeds mit offenem Ende angeordnet werden kann, so daß beim Anlegen einer Spannung an die Kathodenplatten und die Anode zur Erzeugung von Atomen in einer Menge, die ausreicht, um eine dünne Schicht von Atomen auf der Oberfläche des durchsichtigen Substrats aufzutragen, Ionen in einer Menge erzeugt werden, die ausreicht, um die dünne Schicht zu beschießen, wodurch die Eigenschaften der dünnen Schicht verbessert werden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Auftragen einer dünnen Schicht auf eine Oberfläche, das durch die Schritte der Schaffung einer oben beschriebenen Vorrichtung in einer Kammer zum Auftragen einer dünnen Schicht auf die Oberfläche eines durchsichtigen Substrats durch Kathodenzerstäubung; des Anbringens eines Substrats vor der Anode; der Erzeugung eines Vakuums in der Kammer; der Einleitung eines Gases in die Kammer bei einem Druck von 10,1 bis 10,2 Pascal; des Anlegens einer Spannung von 200 bis 1000 V an die Kathodenplatten und die Anode, um das Gas zu ionisieren, und der Emission eines Atomflusses und eines Ionenflusses aus dem rechteckigen Parallelepiped in Mengen, die ausreichen, um eine dünne Schicht von Atomen auf die Oberfläche des Substrats aufzutragen, bzw., um die dünne Schicht mit dem Ionenfluß zu beschießen, gekennzeichnet ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter dargestellt, die eine nichteinschränkende Ausführung zeigen, und bei denen:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist;
Fig. 2 eine schematische Ansicht von der Unterseite der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist; und
Fig. 3 eine Abwandlung der Vorrichtung in Fig. 1 in schematischer Querschnittsansicht darstellt.
Erfindungsgemäß und unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 umfaßt die Vorrichtung eine flache Platte, die im folgenden als Anode bezeichnet wird, die elektrisch an den positiven Anschluß einer elektrischen Spannungsquelle angeschlossen ist, die in der Figur nicht dargestellt ist, sowie vier voneinander unabhängige Platten, die im folgenden als Kathodenplatten bezeichnet werden und in den Figuren mit den Bezugszeichen 1 bis 4 gekennzeichnet sind, welche mittels geeigneter Anschlußeinrichtungen elektrisch an den negativen Anschluß der gleichen Spannungsquelle angeschlossen sind.
Die Kathodenplatten 1 bis 4 sind so angeordnet, daß sie einen Winkel von 90º zur Anode 5 bilden, und jede der Kathodenplatten 1 bis 4 bildet einen Winkel von 90º mit der angrenzenden Platte. Durch diese Anordnung bilden die Kathodenplatten 1 bis 4 ein rechteckiges Parallelepiped, dessen vertikale Wände durch die Platten gebildet werden, und von dessen horizontalen Flächen eine, die untere, offen ist, und die andere, die obere, durch die Anode 5 verschlossen ist.
Die Kathodenplatten 1 bis 4 bestehen aus dem gleichen Material, das in Form einer dünnen Schicht auf das Substrat aufgetragen werden soll.
Dauermagneten 6 und Magnetpole 7, die den magnetischen Ring schließen, sind um die Kathodenplatten 1 bis 4 herum angeordnet.
Deionisiertes Kühlwasser fließt in einem Kanal 8 und hält die Temperatur der Kathodenplatten 1 bis 4 in akzeptablen Grenzen.
Der Kühlkanal 8 ist an einer Seite durch die Innenfläche der Platten 1 bis 4 abgeschlossen und an der anderen Seite durch eine Lagerung 9, die des weiteren mittels Schrauben 15 den Dauermagneten 6 hält. Äquipotentialflächen 10 aus Metall dienen dazu, eine innere elektrische Entladung zu verhindern, während ein magnetisches Metallblech 11 den äußeren Abschluß des Magnetkreises bildet.
Die gesamte Vorrichtung wird von einem Metallträger 12 gehalten, der ebenfalls Äquipotentialfunktion hat.
Die oben beschriebene Vorrichtung wird in eine Glas- oder Metallkammer, die nicht in der Figur dargestellt ist, gegeben, in der ein Vakuum erzeugt wird. Dann wird ein Gas bei einem Druck von 10,1 bis 10,2 Pascal eingeleitet, und die Kathoden 1 bis 4 werden mit einer Spannung von 200 bis 1000 V gespeist.
Das Gas wird ionisiert und erzeugt eine elektrische Entladung zwischen der Anode und den Kathoden. Die Gasionen bei der Entladung werden auf die Kathoden zu beschleunigt, und wenn sie mit ihnen in Kontakt kommen, werden durch den Aufprall ein oder mehrere Atome ausgestoßen. Die so herausgelösten Atome werden mit einer Energie, die proportional zu der des auftreffenden Ions ist, in umgekehrte Richtung geleitet und werden hauptsächlich in einem Winkel, der innerhalb von 30º liegt, auf die gegenüberliegende Wand gerichtet. Die Atome beenden ihren Weg also im allgemeinen an der gegenüberliegenden Kathode und kehren in umgekehrter Richtung zurück, wenn sie nicht auf andere Teilchen auftreffen.
Durch dieses Zurückprallen besteht eine große Wahrscheinlichkeit, daß die Atome auf die Elektronen des Gases auftreffen, das das Plasma bildet, und sie können ihrerseits ionisiert werden. So wird eine große Menge Ionen zwischen den Wänden der Kathoden 1 bis 4 erzeugt, und sie werden durch die positive Ladung der Anode 5 auf die gegenüberliegende Öffnung und anschließend auf das Substrat gerichtet, auf dem sie gleichzeitig mit den Atomen angelagert werden und so die gewünschte Beschichtung erzeugen.
Um eine wirksame Ionisation der Atome und damit eine Menge an Ionen zu erreichen, die ausreicht, um die gewünschte Verdickung der dünnen Schicht zu erzeugen, ist der Abstand zwischen den Kathodenplatten 1 und 3 geringer als 70 mm. Darüber hinaus beträgt das Verhältnis dieses Abstandes zur Höhe der Kathodenplatten 1 und 3 von 1:1 bis 1:2.
Die vorliegende Erfindung schafft, wie oben dargestellt, gleichzeitige, durch dieselbe Quelle erzeugte Flüsse von Ionen und Atomen, die, wenn sie aufgetragen worden sind, Erzeugnisse bilden, die vorteilhafterweise auch im Kontakt mit der Außenumgebung eingesetzt werden können. Diese Erzeugnisse sind neuartig und stellvertretend für sie stehen Scheiben aus Glas, die mit dünnen Schichten überzogen sind, die für Fenster in Gebäuden und Fahrzeugen eingesetzt werden können.
Gemäß einer abgewandelten Ausführung, die in Fig. 3 dargestellt ist, bei der ähnliche oder identische Bauteile wie die oben beschriebenen der Einfachheit halber mit den gleichen Bezugszeichen wie bei der in Fig. 1 und 2 dargestellten Vorrichtung gekennzeichnet sind, kann eine zweite Anode 13 parallel zur Anode 5 hinzugefügt werden, und die Anode 13 wird separat mit einer Spannung gespeist, die sich von der Anode 5 unterscheidet.
Die zweite Anode 13 besteht aus zwei Abschnitten 13' und 13" und ist mit einem Schlitz 16 versehen, durch den der Ionenfluß konzentriert wird.
Außerhalb der zweiten Anode 13 befindet sich eine zusätzliche Elektrode 14, die die Aufgabe hat, die Ionen herauszulösen und gleichzeitig zu beschleunigen.
Die Elektrode 14 wird durch eine negative Spannung von 5 kV bis 500 kV gespeist, um die Ionen anzuziehen und zu beschleunigen.
Die Elektrodengruppe 13 und 14 bildet ein echtes System elektrischer Linsen, so daß zusätzlich zur Beschleunigung die Ionen auch fokussiert werden können.
Mittels einer Vorrichtung, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, ist es möglich, eine weitaus größere innere und fokussierte Ionenbeschießung zu erreichen, woraus sich die Möglichkeit ergibt, die Haftung der dünnen Schicht am Substrat in bestimmten begrenzten Bereichen zu verbessern.
Obwohl einige bevorzugte Ausführungen der Erfindung beschrieben worden sind, versteht sich, daß Änderungen und Abwandlungen hergestellt werden können, die in den Umfang derselben fallen.

Claims

1. Vorrichtung zum Auftragen einer dünnen Schicht auf die Oberfläche eines durchsichtigen Subtstrats durch Kathodenzerstäubung, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß sie umfaßt:

eine Vielzahl von Kathodenplatten (1, 2, 3, 4), die in aneinandergrenzend angeordnet sind und einen am Ende offenen, umschlossenen Raum zur Erzeugung von auf ein Substrat aufzutragenden Atomen bilden, wobei die Kathodenplatten ein am Ende offenes, rechteckiges Parallelepiped bilden, das zwei einander gegenüberliegende, kurze Seiten und zwei einander gegenüberliegende, lange Seiten hat, wobei das Verhältnis der Länge der kurzen Seiten des Parallelepipeds zur Höhe der Platten 1:1 bis 1:2 beträgt, und die kurzen Seiten kürzer als 70 mm sind;

eine Magneteinrichtung (6, 7), die um die Vielzahl von Kathodenplatten herum angeordnet ist und ein magnetisches Feld erzeugt;

eine Kühleinrichtung (8) zum Kühlen der Kathodenplatten; und

eine Anode (5) an einem offenen Ende des rechteckigen Parallelepipeds, die so angeordnet ist, daß sie einen Winkel von im wesentlichen 90º mit jeder der Kathodenplatten bildet, wobei ein durchsichtiges Substrat am anderen offenen Ende des rechteckigen Parallelepipeds mit offenem Ende angeordnet werden kann, so daß beim Anlegen einer Spannung an die Kathodenplatten und die Anode zur Erzeugung von Atomen in einer Menge, die ausreicht, um eine dünne Schicht von Atomen auf der Oberfläche des durchsichtigen Subtrats aufzutragen, Ionen in einer Menge erzeugt werden, die ausreicht, um die dünne Schicht zu beschießen, wodurch die Eigenschaften der dünnen Schicht verbessert werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Anode (5) eine erste Anode ist; und

eine zweite Anode (13) am anderen offenen Ende des reckteckigen Parallelepipeds mit offenem Ende gegenüber der ersten Anode (5) und parallel zu ihr angeordnet ist, wobei die zweite Anode einen Spalt (16) hat, durch den ein Atomfluß treten kann.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, die weiterhin umfaßt:

eine Elektrode (14), die parallel zur zweiten Anode angeordnet ist, wobei die Elektrode an eine Seite der zweiten Anode (13) angrenzend angeordnet ist, die von dem rechteckigen Parallelepiped mit offenem Ende weg gerichtet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei:

die Kühleinrichtung einen Kühlkanal (8) umfaßt, der die Vielzahl von Kathodenplatten umgibt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Magneteinrichtung einen Dauermagneten (6) umfaßt, der die Vielzahl von Kathodenplatten umgibt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, die weiterhin umfaßt

ein Halteelement (12), das den Dauermagneten umgibt.

7. Verfahren zum Auftragen einer dünnen Schicht auf eine Oberfläche, das durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist:

Schaffung einer Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6 in einer Kammer zum Auftragen einer dünnen Schicht auf die Oberfläche eines durchsichtigen Substrats durch Kathodenzerstäubung wobei die Vorrichtung umfaßt:

eine Kühleinrichtung (8) zum Kühlen der Kathodenplatten; und

eine Anode (5) an einem offenen Ende des rechteckigen Parallelepipeds, die so angeordnet ist, daß sie einen Winkel von im wesentlichen 90º mit jeder der Kathodenplatten bildet, wobei ein durchsichtiges Substrat am anderen offenen Ende des rechteckigen Parallelepipeds mit offenem Ende angeordnet werden kann, so daß beim Anlegen einer Spannung an die Kathodenplatten und die Anode zur Erzeugung von Atomen in einer Menge, die ausreicht, um eine dünne Schicht von Atomen auf der Oberfläche des durchsichtigen Subtrats aufzutragen, Ionen in einer Menge erzeugt werden, die ausreicht, um die dünne Schicht zu beschießen, wodurch die Eigenschaften der dünnen Schicht verbessert werden;

Anbringung eines Subtstrats vor der Anode;

Erzeugung eines Vakuums in der Kammer;

Einleitung eines Gases in die Kammer bei einem Druck von 10,1 bis 10,2 Pascal;

Anlegen einer Spannung von 200 bis 1000 V an die Kathodenplatten und die Anode, um das Gas zu ionisieren; und

Emission eines Atomflusses und eines Ionenflusses aus dem rechteckigen Parallelepiped in Mengen, die ausreichen, um eine dünne Schicht von Atomen auf die Oberfläche des Substrats aufzutragen beziehungsweise, um die dünne Schicht mit dem Ionenfluß zu beschießen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, das weiterhin folgenden Schritt umfaßt:

Fokussieren des Flusses der Atome und der Ionen auf einen begrenzten Bereich des Substrats.