DE4105014A1 - Verfahren und vorrichtung zum ionenbeschichten oder reaktivverdampfen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zum Ionenbeschichten von Substraten oder Reaktiv­ verdampfen von Werkstoffen mit einem Tiegel mit einem Magnetfeld zur Ionisierung des verdampften Werkstoffs, beispielsweise für Bandbedampfungsanlagen mittels minde­ stens einer Elektronenstrahlquelle.

Es ist ein Verfahren zum Ionenbeschichten von Substraten (DE 33 40 585) bekannt, in dem ein Beschichtungsmaterial verdampft wird und ein mit Elektronen gesättigtes Mag­ netfeld in die Nähe eines Substrats gebracht wird, um die verdampften Atome des Beschichtungsmaterials positiv zu ionisieren. An das zu beschichtende Substrat wird eine negative Vorspannung angelegt, um die positiven Ionen des verdampften Beschichtungsmaterials anzuziehen.

Es ist weiterhin bekannt ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zum reaktiven Aufdampfen von Metallverbindungen (DE 36 27 151) auf Substrate durch Verdampfen mindestens eines Metalls mittels eines Elektronenstrahls in einer aus dem Reaktionsgas bestehenden Atmosphäre. Dabei wird im Bereich des Dampfstroms zum Substrat eine gegenüber Masse positiv vorgespannte Elektrode angeordnet. Der Elektronenstrahl wird mit dem Metalldampf und dem Reak­ tionsgas zu Ionisationszwecken in Wechselwirkung gebracht und die negativen Ladungsträger werden durch eine außerhalb des Dampfstroms liegende Elektrode abge­ saugt, die gegenüber Masse positiv vorgespannt ist.

Ein Verfahren und eine Anordnung zum Ablenken eines Elektronenstrahls (DE 35 13 546) ist vorveröffentlicht. Ein aus einer Elektronenstrahlquelle austretender fokus­ sierter Elektronenstrahl wird durch ein erstes Ablenksy­ stem mit einer ersten Ablenkspannung beaufschlagt, so daß der Elektronenstrahl in etwa fächerförmig in ein zweites Ablenksystem eintritt. Das zweite Ablenksystem wird mit einer zweiten Ablenkspannung so beaufschlagt, daß der Elektronenstrahl hinter dem zweiten Ablenksystem im wesentlichen parallel zur Mittellinie des Ablenkbe­ reichs verläuft.

Diese bekannten Verfahren, Vorrichtungen und Anordnungen haben jeweils für sich betrachtet folgende Nachteile:

Beim Ionenbeschichten ist durch eine niedrige Ionisa­ tionswahrscheinlichkeit die Ionenstromdichte zu gering, wodurch bei den Verdampfungsprozessen meist eine Nach­ ionisation notwendig wird.

Bei den bekannten Verdampfungsverfahren - einschließlich des oben geschilderten reaktiven Verdampfens mit Elek­ tronenstrahlen - ist die Verdampfungsrate des zu ver­ dampfenden Werkstoffs unbefriedigend. Es wäre wünschens­ wert, aus einem Tiegel mit hoher Rate verdampfen zu können, d. h. mehr Werkstoff pro Zeiteinheit aus dem Tiegel zu verdampfen, ähnlich dem bereits bekannten Höchstraten-Sputterverfahren.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die obengenannten Nachteile abzustellen sowie Verfahren und Vorrichtungen zu entwickeln, die zum Ionenbeschichten von Substraten oder zum Hochraten-Reaktivverdampfen von Werkstoffen mit einem hohen Ionisierungsgrad des ver­ dampften Werkstoffs einsetzbar sind und somit eine Ver­ besserung der Qualität einer auf ein Substrat aufbring­ baren Beschichtung darstellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

• 1. die Tiegelwände als Polschuhe mit gleicher Magneti­ sierungsrichtung ausgebildet sind und daß ein wei­ terer Polschuh mit entgegengesetzter Magnetisie­ rungsrichtung in dem Tiegel so angeordnet ist, daß in Verdampfungsrichtung vor einer sich in dem Tie­ gel befindlichen Schmelzbadoberfläche ein in sich geschlossener Tunnel von Magnetfeldlinien einstell­ bar ist, und daß
• 2. mittels von aus einer einzigen oder einer Gruppe von Elektronenstrahlquellen emittierten Elektronen­ strahlen auf der Schmelzbadoberfläche mindestens eine linienförmige Verdampferquelle erzeugbar ist, wobei vorzugsweise eine Gruppe von vier Elektronen­ strahlquellen so zur Badoberfläche ausgerichtet sind, daß die von diesen erzeugten Linienquellen zusammen ein Rechteck bilden, dessen Seiten paral­ lel zu den Tiegelwänden verlaufen, und daß
• 3. in dem geschlossenen Tunnel aus Magnetfeldlinien ein Plasma zündbar ist und die aus dem Plasma reflektierten, niedermagnetischen Elektronen auf Zykloidbahnen so geführt sind, daß diese Elektronen eine Mehrfachionisation mit hohem Ionisierungsgrad des von den Linienquellen verdampfenden Werkstoffs ermöglichen.

Dieses Verfahren und diese Vorrichtung ermöglichen mit Vorteil das Verdampfen von Werkstoffen aus einem Tiegel mit hoher Verdampfungsrate sowie die Mehrfachionisation des verdampfenden Werkstoffs und damit eine höhere Qua­ lität, der auf ein Substrat aufbringbaren Beschichtung.

Weitere Ausführungsmöglichkeiten und Merkmale sind in den Unteransprüchen näher beschrieben und gekennzeich­ net.

Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausführungsmög­ lichkeiten zu; eine davon ist in den anhängenden Zeich­ nungen näher dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 ein Verdampfertiegel mit einem Magnetfeld an der Schmelzbadoberfläche in Schnittdarstellung,

Fig. 2 der Verdampfertiegel nach Fig. 1 mit Elektro­ nenstrahlquellen in der Draufsicht,

Fig. 3 der Verdampfertiegel nach Fig. 1 in perspekti­ vischer Sicht.

Auf einer ebenen parallelepipeden Tiegelbodenplatte 1 sind Tiegelwände 2, 3 lotrecht so aufgesetzt (Fig. 1), daß diese gemeinsam mit der Platte 1 einen U-förmigen Hohlraum bilden, welcher mit einem zu verdampfenden Werkstoff 4 nahezu ausgefüllt ist und mit einer Schmelz­ badoberfläche 4a, 4b abschließt. Die Tiegelwände 2, 3 sind als Polschuhe mit gleicher Magnetisierungsrichtung ausgeführt. Damit sich an den der Bodenplatte 1 gegen­ überliegenden Schmelzbadoberflächen 4a, 4b ein Magnet­ feld ausbilden kann, ist zwischen und parallel zu den beiden äußeren Tiegelwänden 2, 3 ein weiterer Polschuh 6 angeordnet, dessen Magnetisierungsrichtung entgegenge­ setzt zu den Polschuhen 2, 3 verläuft.

Das Magnetfeld besteht aus zwei bogenförmig verlaufenden Feldern von Magnetlinien 5a, 5b, die sich zwischen den Polschuhen 2 und 6 sowie zwischen 3 und 6 ausbilden. Vor den Schmelzbadoberflächen 4a, 4b wird ein Plasma 7a, 7b gezündet, welches durch die bogenförmige Konfiguration der Magnetfeldlinien 5a, 5b komprimiert wird.

Der Tiegel 8 ist mitsamt seinem Inhalt 4 durch den An­ schluß 9 elektrisch isoliert und auf negative Spannung gelegt, wodurch ein magnetisch verstärktes Plasma 7a, 7b erzeugt wird, ähnlich dem bei einer Magnetronkathode.

Der Tiegel 8 (Fig. 2) wird durch die Tiegelwände 2, 2a, 3, 3a begrenzt, welche in Rechteckform angeordnet und als Polschuhe mit gemeinsamer Magnetisierungsrichtung ausgeführt sind. Den Gegenpol bildet der Polschuh 6, der in Längsrichtung mittig in dem Tiegel 8 vorgesehen ist. Um den Tiegel 8 herum sind in etwa tangentialer Anord­ nung vier Elektronenstrahlquellen 10a, 10b, 10c, 10d vorgesehen. Durch je einen in Strahlrichtung vor den Quellen angeordneten Parallel-Spreader 11a, 11b, 11c, 11d werden die Elektronenstrahlen 12a, 12b, 12c, 12d so modifiziert, daß diese beim Auftreffen auf die Schmelz­ badoberfläche des zu verdampfenden Werkstoffs 4 je eine linienförmige Verdampferquelle 13a, 13b, 13c, 13d erzeu­ gen, wobei diese Verdampferquellen 13a, 13b, 13c, 13d parallel zu den Polschuhen 2, 2a, 3, 3a verlaufen und ein geschlossenes Rechteck bilden. Diese Linienverdamp­ ferquellen 13a, 13b, 13c, 13d sind vergleichbar mit einem hypothetischen Sputtergraben bei einer Magnetron­ kathode.

Der Innenraum des kastenförmigen, nach oben offenen Tiegels 8 (Fig. 3) wird nahezu vollständig durch den zu verdampfenden Werkstoff 4 ausgefüllt. Der Polschuh 6 befindet sich in Längsrichtung des Tiegels 8 im Schmelz­ bad und schließt mit seiner in Verdampfungsrichtung zeigenden Schmalseite eben mit der Schmelzbadoberfläche 4a, 4b, ab. Auf dieser stellen sich durch den Beschuß mit Elektronenstrahlen die linienförmigen Verdampfer­ quellen 13a, 13b, 13c, 13d ein, welche in Form eines Rechtecks miteinander verbunden sind. In Verdampfungs­ richtung befindet sich über diesen Verdampferquellen 13a, 13b, 13c, 13d ein geschlossener Tunnel von Magnet­ feldlinien 5a, 5b mit rechteckförmigem Grundriß, wobei sich diese Feldlinien von den Polschuhen 2, 2a, 3, 3a zu dem Polschuh 6 hin erstrecken.

Bezugszeichenliste

 1 Tiegelbodenplatte
 2 Tiegelwand, Polschuh
 2a Tiegelwand, Polschuh
 3 Tiegelwand, Polschuh
 3a Tiegelwand, Polschuh
 4 zu verdampfender Werkstoff, Inhalt
 4a, 4b Schmelzbadoberfläche
 5a, 5b Magnetfeldlinien
 6 Polschuh
 7a, 7b Plasma
 8 Tiegel
 9 Anschluß
10a, 10b, 10c, 10d Elektronenstrahlquelle
11a, 11b, 11c, 11d Parallel-Spreader, Ablenkeinrichtung
12a, 12b, 12c, 12d Elektronenstrahl
13a, 13b, 13c, 13d Verdampferquelle, Linienquelle

Claims (7)

1. Verfahren und Vorrichtung zum Ionenbeschichten von Substraten oder Reaktivverdampfen von Werkstoffen mit einem Tiegel (8) mit einem Magnetfeld zur Ionisierung des verdampften Werkstoffs, beispiels­ weise für Bandbedampfungsanlagen mittels mindestens einer Elektronenstrahlquelle (10a, 10b, 10c, 10d), dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die Tiegelwände (2, 2a, 3, 3a) als Polschuhe mit gleicher Maqnetisierungsrichtung ausge­ bildet sind und daß ein weiterer Polschuh (6) mit entgegengesetzter Magnetisierungsrichtung in dem Tiegel (8) so angeordnet ist, daß in Verdampfungsrichtung vor einer sich in dem Tiegel (8) befindlichen Schmelzbadoberfläche (4a, 4b) ein in sich geschlossener Tunnel von Magnetfeldlinien (5a, 5b) einstellbar ist, und daß
• b) mittels von aus einer einzigen oder einer Gruppe von Elektronenstrahlquellen (10a, 10b, 10c, 10d) emittierten Elektronenstrahlen (12a, 12b, 12c, 12d) auf der Schmelzbadoberfläche (4a, 4b) mindestens eine linienförmige Ver­ dampferquelle (13a, 13b, 13c, 13d) erzeugbar ist, wobei vorzugsweise eine Gruppe von vier Elektronenstrahlquellen (10a, 10b, 10c, 10d) so zur Badoberfläche (4a, 4b) ausgerichtet sind, daß die von diesen erzeugten Linienquel­ len (13a, 13b, 13c, 13d) zusammen ein Rechteck bilden, dessen Seiten parallel zu den Tiegel­ wänden (2, 2a, 3, 3a) verlaufen, und daß
• c) in dem geschlossenen Tunnel aus Magnetfeld­ linien (5a, 5b) ein Plasma (7a, 7b) zündbar ist und die aus dem Plasma reflektierten, niedermagnetischen Elektronen auf Zykloid­ bahnen so geführt sind, daß diese Elektronen eine Mehrfachionisation mit hohem Ionisie­ rungsgrad des von den Linienquellen (13a, 13b, 13c, 13d) verdampften Werkstoffs (4) ermög­ lichen.

2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel (8) vorzugsweise kastenförmig ist mit einer in Verdampfungsrichtung offenen Oberseite.

3. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel (8) zusammen mit seinem Inhalt (4) elektrisch isoliert angeord­ net ist.

4. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma (7a, 7b) durch negatives Spannungspotential an Tiegel (8) und Inhalt (4) magnetisch verstärkbar ist.

5. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma (7a, 7b) durch Zu­ führung von Inert- oder Reaktivgas verstärkbar ist.

6. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenstrahlquellen (10a, 10b, 10c, 10d) mit einer an sich bekannten Ablenkeinrichtung (11a, 11b, 11c, 11d) zur Erzeu­ gung eines bandförmigen Elektronenstrahles (12a, 12b, 12c, 12d) versehen sind.

7. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenstrahlquellen (10a, 10b, 10c, 10d) oberhalb der Schmelzbadober­ fläche (4a, 4b) und außerhalb einer Projektions­ fläche vorgesehen sind, die sich lotrecht über dem Tiegel (8) erstreckt.