DE4203371C1 - - Google Patents
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- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/24—Vacuum evaporation
- C23C14/32—Vacuum evaporation by explosion; by evaporation and subsequent ionisation of the vapours, e.g. ion-plating
- C23C14/325—Electric arc evaporation
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- Vaporization, Distillation, Condensation, Sublimation, And Cold Traps (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Materialverdampfung in einem Vakuumbehälter durch Beschuß des zu
verdampfenden Materials mit Elektronen aus einer
Vakuum-Bogen-Verdampfung unter Zufuhr eines Gases oder
Gasgemisches in den Vakuumbehälter, insbesondere zur Oberflächenbe
schichtung von Substraten mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1
genannten Merkmalen. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens mit den im Oberbegriff des
Anspruchs 4 genannten Merkmalen.
Die Lebensdauer von Maschinenteilen und die Einsatzzeit von
Werkzeugen wird durch den bei ihrem Einsatz auftretenden Ver
schleiß begrenzt. Wegen der ständig zunehmenden Automatisierung
und Verkettung von Produktionsprozessen ist ein durch Verschleiß
einzelner Teile ausgelöster Maschinenstillstand ein erheblicher
Kostenfaktor, so daß einem Verschleißschutz eine zunehmende
wirtschaftliche Bedeutung zukommt.
Zur erheblichen Reduzierung des Verschleisses von Maschinen
teilen und Werkzeugen haben sich seit Jahren Beschichtungen mit
dünnen Hartstoffschichten bewährt, wobei die in der Praxis
eingesetzten Hartstoffe, wie beispielsweise Nitride und Carbide
sehr harte, gut leitende und extrem verschleißbeständige Werk
stoffe ergeben. Da ihrem Einsatz als Vollmaterial neben dem
hohen Preis ihre Sprödigkeit und Bruchanfälligkeit entgegen
steht, werden derartige Hartstoffe als dünne Schichten auf Bau
teile aus Stahl und anderen Werkstoffen aufgebracht. Durch diese
Beschichtung verlieren die Hartstoffe ihre Sprödigkeit und
passen sich weitgehend der Zähigkeit des Grundwerkstoffes an.
Unter Aufrechterhaltung der Zähigkeit des Bauteils ergeben sich
somit durch die Beschichtung mit Hartstoffen extrem harte
Oberflächen. Durch Verwendung von Schichtdicken von weniger als
100 Mikrometer bleibt die Maßhaltigkeit der beschichteten Teile
erhalten, so daß Nacharbeit nur in Ausnahmefällen erforderlich
ist. Außerdem haben derartige Hartstoffschichten geringe Reib
beiwerte und gute Gleiteigenschaften.
Um derartige dünne Hartstoffschichten zu erzeugen, bedarf es der
Aufdampfung der Schichten in einem Vakuumverfahren, wobei die
eigentlichen Hartstoffe erst während der Beschichtung aus
Metallanteilen und Gasen, wie beispielsweise Stickstoff ent
stehen. Neben der chemischen Abscheidung aus der Dampfphase, die
zum Zustandekommen der chemischen Reaktionen hohe Bauteiltempe
raturen im Bereich zwischen 800° und 1100° C benötigt, wird die
physikalische Abscheidung aus der Dampfphase angewandt, bei der
Metalldampf direkt erzeugt wird und auf dem Bauteil mit dem Gas
zum Hartstoff reagiert. Dieses sogenannte PVD-Verfahren
(Physical Vapour Deposition) findet bei Temperaturen zwischen
200° und 650° C statt und ermöglicht demzufolge Beschichtungen
auf bereits vergüteten Stählen ohne Härteverlust und Verzug und
im Gegensatz zur chemischen Abscheidung aus der Dampfphase ohne
Umweltbelastung. Außerdem ist das PVD-Verfahren geeignet,
Metallschichten auf verschiedensten Substraten für die unter
schiedlichsten funktionellen Anforderungen abzuscheiden. Bei
spielsweise können dekorative oder elektrisch und magnetisch
aktive Metallschichten auf Bauteilen aus Glas, Keramik und
Kunststoff abgeschieden werden. Derartige Schichten können auch
als korrosionsmindernde Schichten auf metallischen Bauteilen
dienen.
Das bekannte Verfahren der eingangs genannten Art benutzt zur physikalischen Materialver
dampfung einen Vakuumbehälter, in dem das zu verdampfende
Material mit Elektronen aus einer Vakuum-Bogen-Verdampfung
beschossen wird. Zur Erzeugung der Bogenspannung ist eine Strom
quelle vorgesehen, deren negativer Pol mit einer selbstver
zehrenden Kathode und deren positiver Pol mit einer selbstver
zehrenden Anode verbunden ist, wobei die selbstverzehrende Ka
thode mit einer Abschirmung versehen ist. Durch den Vakuum-Bogen
werden Elektronen erzeugt, wobei sich die Kathode zwangsläufig
verzehrt. Damit dieses Kathodenmaterial nicht auf die Substrate
gelangt, ist die Kathode abgeschirmt. Die erzeugten Elektronen
rufen durch ihr Auftreffen auf die Anode eine Verdampfung des
Anodenmaterials hervor, so daß sich auch die Anode verzehrt.
Dieses verdampfte Anodenmaterial lagert sich als Beschichtung
auf den Substraten ab.
Ein Verfahren der voranstehend beschriebenen Art mit einer
anodischen Vakuum-Bogen-Verdampfung ist aus der DE 34 13 891 C2
bekannt. Bei diesem Verfahren wird zwischen einer mehr oder
weniger abgedeckten, kalten selbstverzehrenden Kathode und einer
heißen selbstverzehrenden Anode eine Vakuum-Bogen-Entladung auf
rechterhalten, wobei aus der heißen selbstverzehrenden Anode der
zur Beschichtung genutzte Metalldampf austritt. Die zur Anode
fliegenden Elektronen des Vakuum-Bogen-Plasmas ionisieren dabei
das von der Anode abdampfende Material durch inelastische Stöße.
Dieses bekannte Verfahren hat den Nachteil, daß eine bestimmte
räumliche Zuordnung von Kathode und Anode gegeben sein muß und
daß der Beschichtungsprozeß nur begrenzt regelbar ist, weil
dieser sowohl die Erzeugung von Elektronen in der
Vakuum-Bogen-Verdampfung als auch die Verwendung dieser
Elektronen zur Verdampfung des Beschichtungsmaterials umfaßt.
Eine unabhängige Beeinflussung der Elektronenerzeugung einer
seits und des Beschusses des Beschichtungsmaterials durch die
erzeugten Elektronen andererseits ist nicht möglich.
Um hier eine gewisse Abhilfe zu schaffen, ist in der DE 40 42 337 C1
ein Verfahren beschrieben, bei dem der Ionisationsgrad
dadurch gesteuert wird, daß der geradlinige Stromfluß zwischen
der Arbeitsfläche der Kathode und dem Verdampfungsgut an der
Anode mittels einer beweglichen Abschirmung behindert wird,
wobei der Grad dieser Behinderung den Ionisationsgrad des
Dampfes steuert. Eine solche Behinderung hat nur eine begrenzte
Wirkung und schafft keine unabhängige Beeinflussung von
Elektronenerzeugung und Verdampfung des Beschichtungsmaterials.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte
Verfahren der eingangs beschriebenen Art derart weiterzu
bilden, daß eine stufenlose Regelung einerseits der
Elektronenerzeugung und andererseits der Verdampfung und
schließlich des Ionisierungsgrades bei weitgehend unabhängiger
räumlicher Anordnung der selbstverzehrenden Kathode und der
selbstverzehrenden Anode möglich ist.
Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, daß durch eine zweite, steuerbare
Stromquelle zwischen der Anode der kathodischen
Vakuum-Bogen-Verdampfung und einer zweiten selbstverzehrenden
Anode die durch die kathodische Vakuum-Bogen-Verdampfung
erzeugten Elektronen gezielt der selbstverzehrenden Anode
zugeführt werden.
Durch die erfindungsgemäße Weiterbildung des bekannten
Verfahrens wird es möglich, die Elektronenerzeugung aufgrund der
Vakuum-Bogen-Verdampfung durch Veränderung des Bogenstroms aus
der ersten Stromquelle stufenlos zu regeln und unabhängig davon
den Elektronenfluß zur heißen, selbstverzehrenden Anode durch
Spannungsänderung der zweiten Stromquelle stufenlos zu regeln,
wobei gleichzeitig der Ionisierungsgrad durch Wahl der Art des
Gases oder Gasgemisches und des Gasdruckes steuerbar ist. Die
insbesondere zur Oberflächenbeschichtung von Substraten ver
wendete Materialverdampfung im Vakuumbehälter läßt sich somit
hinsichtlich ihrer Parameter unabhängig voneinander gezielt dem
jeweiligen Anwendungsfall anpassen, ohne daß eine bestimmte
räumliche Zuordnung der Kathode, der Anoden und der Substrate
erforderlich ist.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann beim erfindungs
gemäßen Verfahren zur Konditionierung der Substrate die Leistung
der zweiten Stromquelle derart eingestellt werden, daß unter
Vermeidung einer Verdampfung des Materials der selbstver
zehrenden Anode die Gasatome des Gases oder Gasgemisches
ionisiert werden. Hierdurch ist es möglich, vor der eigentlichen
Beschichtung der Substrate diese durch Beschuß mit Ionen zu rei
nigen und zu erwärmen.
Bei einer erfindungsgemäßen Weiterbildung können die durch
mindestens eine kathodische Vakuum-Bogen-Verdampfung erzeugten
Elektronen zur gleichzeitigen oder aufeinanderfolgenden Ver
dampfung mehrerer selbstverzehrender Anoden genutzt werden, so
daß die Abscheidung von mehrlagigen Schichten oder von mehr
komponentigen Schichten möglich ist, wenn selbstverzehrende
Anoden aus unterschiedlichen Materialien eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des voran
stehend beschriebenen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß
zusätzlich zu der die kathodische Vakuum-Bogen-Verdampfung be
wirkenden Stromquelle eine zweite regelbare Stromquelle zwischen
der nicht selbstverzehrenden Anode der kathodischen Va
kuum-Bogen-Verdampfung und einer selbstverzehrenden zweiten
Anode zur Regelung des Elektronenflusses für die Verdampfung der zweiten
Anode vorgesehen ist. Die beiden unabhängig voneinander wirksamen
Stromquellen gestatten eine stufenlose Regelung einerseits der
Elektronenerzeugung und andererseits der Verdampfung, wobei zu
sätzlich der Vorteil entsteht, daß eine fast beliebige Anordnung
der beteiligten Elemente innerhalb des Vakuumbehälters möglich
ist.
Um auf besonders einfache Weise vor dem eigentlichen Be
schichtungsvorgang eine Konditionierung der bereits im
Vakuumbehälter befindlichen Substrate, insbesondere eine
Reinigung ihrer Oberfläche und eine Erwärmung zu erzielen, kann
gemäß einem weiteren Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung
eine zusätzliche, sich nicht verzehrende Anode als Alternative
zu der sich verzehrenden Anode im Vakuumbehälter angeordnet
sein. Wenn anstelle der sich selbstverzehrenden Anode diese
kalte Anode mit der zweiten Stromquelle verbunden wird, läßt
sich der Ionisierungsgrad und der Zustand des Plasmas derart
einstellen, daß die auf die Substrate auftreffenden Elektronen
ohne Verdampfung der selbstverzehrenden Anode eine
Konditionierung der Substrate bewirken. Zur Durchführung des
eigentlichen Beschichtungsvorganges wird anschließend anstelle
der kalten Anode die selbstverzehrende Anode mit der zweiten
Stromquelle verbunden.
Um den auf die selbstverzehrende Anode einwirkenden Elektronen
fluß aus der von der ersten Stromquelle bewirkten kathodischen
Vakuum-Bogen-Verdampfung beeinflussen zu können, kann gemäß
einem weiteren Merkmal der Erfindung die Abschirmung der
Kathode zur Freigabe der aktiven Fläche der Kathode beweglich
angeordnet sein.
Die Variationsmöglichkeiten des Beschichtungsvorganges können
erfindungsgemäß dadurch erweitert werden, daß außer mindestens
einer selbstverzehrenden Anode mit eigener, einzeln regelbarer
Stromquelle mehrere Kathoden mit zugehöriger Abschirmung zur
Erhöhung und Vergleichmäßigung der Verdampfungsleistung
angeordnet sind.
Um die Beschleunigung des Ionenflusses auf die Substrate regeln
zu können, kann erfindungsgemäß ein Substrathalter verwendet
werden, der durch eine dritte regelbare Stromquelle auf einem
negativen Potential gehalten wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der
Vakuumbehälter als nicht selbstverzehrende Anode der
kathodischen Vakuum-Bogen-Verdampfung ausgebildet. Hierdurch er
gibt sich eine besonders einfache Konstruktion.
Der Totaldruck des Gases oder des Gasgemisches im Vakuumbehälter
liegt erfindungsgemäß im Bereich von 1 · 10-4 bis 2 · 10-2 mbar.
Die Anodenspannungen liegen zwischen 10 und 50 V, die
Anodenströme zwischen 20 und 300 A. Die Substratstromdichten
liegen zwischen 0,2 und 2 mA cm-2.
In der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele der erfindungs
gemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt, und zwar zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vor
richtung mit einer selbstverzehrenden Anode und einer
kalten Anode, die alternativ mit der zweiten Strom
quelle verbunden werden können,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit zwei alternativ be
treibbaren selbstverzehrenden Anoden und
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel mit zwei entweder gleich
zeitig oder nacheinander betreibbaren selbstver
zehrenden Anoden, denen jeweils eine eigene
kathodische Vakuum-Bogen-Verdampfung zugeordnet ist.
Das in Fig. 1 schematisch dargestellte erste Ausführungsbeispiel
zeigt einen Vakuumbehälter 1, der mit einer verschließbaren Be
schickungsöffnung 2 und einer Anschlußleitung 3 versehen ist,
durch welche dem Vakuumbehälter 1 ein Gas oder Gasgemisch, wie
beispielsweise Argon, Stickstoff oder ein kohlenwasserstoff
haltiges Gasgemisch zugeführt werden kann.
In der einen Ecke des Vakuumbehälters 1 befindet sich eine
selbstverzehrende Kathode 4, die gegenüber dem Inneren des Vaku
umbehälters 1 durch ein als Anode ausgebildetes Abschirmblech 5
abgeschirmt ist. Durch eine mit ihrem Minuspol an die Kathode 4
und mit ihrem Pulspol an den Vakuumbehälter 1 und damit das Ab
schirmblech 5 angeschlossene erste Stromquelle 6 wird zwischen
der Kathode 4 und dem als Anode wirkenden Abschirmblech 5 eine
kathodische Vakuum-Bogen-Verdampfung erzielt, die der Erzeugung
von Elektronen dient. Der Elektronenfluß zwischen dem als Anode
wirkenden Abschirmblech 5 und der selbstverzehrenden Kathode 4
ist in Fig. 1 durch Punkte eingezeichnet. Die Zeichnung läßt
weiterhin erkennen, daß ein bestimmter Elektronenfluß seitlich
neben dem Abschirmblech 5 austritt. Dieser Elektronenfluß ist
durch gepunktete Linien dargestellt und mit der Bezugsziffer 7
gekennzeichnet.
Von der selbstverzehrenden Kathode 4 durch das Abschirmblech 5
abgedeckt ist in dem Vakuumbehälter 1 ein Substrathalter 8 ange
ordnet, auf dem die zu beschichtenden Gegenstände (Substrate)
angeordnet werden. Um die Oberfläche dieser Substrate zu be
schichten, ist in dem Vakuumbehälter 1 eine selbstverzehrende
Anode 9 angeordnet, die beim Ausführungsbeispiel die Form eines
Verdampfertiegels hat und das Beschichtungsmaterial enthält.
Diese selbstverzehrende Anode 9 ist über einen Schalter 10 mit
dem Pluspol einer zweiten Stromquelle 11 verbindbar, deren
Minuspol mit dem Vakuumbehälter 1 verbunden ist. Auf diese Weise
ist es möglich, durch Einstellen einer bestimmten Spannung an
der selbstverzehrenden Anode 9 im Verhältnis zu der Spannung
zwischen der Kathode 4 und dem als Anode dienenden Abschirmblech
5 einen jeweils gewünschten Teil des Elektronenflusses 7 auf das
im Verdampfertiegel der selbstverzehrenden Anode 9 befindliche
Material zu lenken. Die auf das Material auftreffenden
Elektronen führen zu einer Verdampfung dieses Beschichtungs
materials, so daß sich dieses auf der Oberfläche der am Sub
strathalter 8 angeordneten Substrate ablagert. Um die Ablagerung
des verdampften Beschichtungsmaterials auf den Substraten zu
steuern, wird beim Ausführungsbeispiel am Substrathalter 8 ein
negatives Potential erzeugt. Hierzu dient eine dritte Strom
quelle 12, deren Minuspol mit dem Substrathalter 8 und deren
Pluspol mit dem Vakuumbehälter 1 verbunden ist.
In Fig. 1 ist schraffiert der Transportraum 13 angedeutet, der
bevorzugt mit dem verdampften Material der selbstverzehrenden
Anode 9 gefüllt ist. Der Ionisationsgrad in diesem Transportraum
13 läßt sich durch die Anwesenheit eines Inertgases beliebig
regeln, wobei das Inertgas durch inelastische Stöße mit den be
schleunigten Elektronen aus der kathodischen Vakuum-Bogen-Ver
dampfung hochgradig ionisiert werden kann.
Durch die plasmagestützte Abscheidung des Beschichtungsmaterials
aus der Dampfphase werden hochenergetische Teilchen bereitge
stellt, die an der Schichtbildung teilhaben und bei niedriger
Beschichtungstemperatur eine große Haftfestigkeit der
Oberflächenbeschichtung und sehr gute Schichtmorphologien er
geben. Durch das Vorhandensein eines ionisierten Reaktivgases
kann darüber hinaus eine hohe chemische Reaktivität geschaffen
werden, so daß auch reaktive Schichtbildungen bei niedrigen Tem
peraturen möglich sind. Schließlich besteht die Möglichkeit,
mittels der erzeugten Plasmen diamantähnliche Schichten oder gar
Diamantschichten aufzubringen.
Da neben der ersten Stromquelle 6 zur Erzeugung der kathodischen
Vakuum-Bogen-Verdampfung zwischen Kathode 4 und Abschirmblech 5
eine zweite, unabhängig von der ersten regelbare Stromquelle 11
vorhanden ist, läßt sich die Elektronenstrahl-Verdampfung der
heißen selbstverzehrenden Anode 9 in Anwesenheit eines
Inertgases beliebig steuern. Die Regelparameter einerseits der
Elektronenerzeugung und andererseits der Verdampfung des Be
schichtungsmaterials erfahren hierdurch eine erhebliche
Erweiterung.
Neben der einfachen Steuerung der Verdampfungsrate und des
Ionisationsgrades ergibt die Verwendung der zweiten Stromquelle
11 den Vorteil, daß die Einbaulage und die Form der heißen
selbstverzehrenden Anode 9 die Entladung nur unwesentlich be
einflussen, so daß in jedem Fall die Leistung an der heißen
selbstverzehrenden Anode 9 kontinuierlich von Null bis auf einen
Maximalwert regelbar ist.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ragt in den Transportraum 13
eine kalte Anode 14 hinein, die mittels des Schalters 10 an
stelle der heißen selbstverzehrenden Anode 9 mit dem Pluspol der
zweiten Stromquelle 11 verbunden werden kann. Mit Hilfe dieser
kalten Anode 14 kann eine negative Substratvorspannung bzw. das
Entstehen eines negativen Potentials an den Substraten erzeugt
werden, so daß das in dem Vakuumbehälter 1 entstehende Plasma
vor dem eigentlichen Beschichtungsvorgang zum Aufheizen oder
Ionenreinigen der Substrate eingesetzt werden kann. Weiterhin
ist es möglich, durch das Ausbilden eines negativen Potentials
an den Substraten ein Ionenbombardement während der
Schichtbildung auszuführen.
Die Betriebsgrößen der drei Stromquellen 6, 11 und 12 sind in
Fig. 1 eingezeichnet. Sie lassen erkennen, daß die erste Strom
quelle 6 mit einer Spannung zwischen 0 und 70 V und einem Strom
zwischen 0 und 400 A betrieben werden kann. Der Spannungsbereich
der zweiten Stromquelle 11 liegt zwischen 0 und 100 V und der
Strombereich zwischen 0 und 400 A. Die dritte Stromquelle 12
kann zwischen 0 und 1500 V und zwischen 0 und 30 A betrieben
werden. Die in dem Vakuumbehälter 1 herrschenden Totaldrücke des
Gases oder Gasgemisches liegen im Bereich von 1 · 10-4 bis 2 · 102 mbar. Die entstehenden Substratstromdichten liegen zwischen
0,1 bis 2 mA cm-2. Um Metall-Kohlenstoff-Schichten abzu
scheiden, kann auch ein kohlenwasserstoffhaltiges Gas oder Gas
gemisch in den Vakuumbehälter 1 eingelassen werden. Schließlich
ist es möglich, als Gas bzw. Gasgemisch ein Reaktivgas in den
Vakuumbehälter 1 einzuführen, um Hartstoffschichten auf den Sub
straten abzuscheiden.
Das zweite Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 zeigt wiederum einen
Vakuumbehälter 1 mit einem in diesem Fall drehbaren Substrat
halter 8. Auch bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel wird mittels
einer dritten Stromquelle 12 ein negatives Potential an den
Substraten erzeugt und durch die Anschlußleitung 3 ein Gas oder
Gasgemisch in den Vakuumbehälter 1 eingeführt.
Die kathodische Vakuum-Bogen-Verdampfung wird ebenfalls zwischen
einer selbstverzehrenden Kathode 4 und einer kalten Anode er
zeugt, die als Abschirmblech 5 ausgebildet ist. Dieses Abschirm
blech 5 ist bei dem zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 2
beweglich angeordnet, so daß die aktive Fläche der Kathode 4
variiert werden kann. Neben der ersten Stromquelle 6 ist
wiederum eine zweite Stromquelle 11 vorgesehen, deren Minuspol
mit dem Vakuumbehälter 1 verbunden ist. Der Pluspol der zweiten
Stromquelle 11 kann über einen Schalter 15 wahlweise mit einer
von zwei heißen selbstverzehrenden Anoden 9 verbunden werden.
Hierdurch ist es möglich, die beiden heißen selbstverzehrenden
Anoden 9 wechselseitig zu betreiben, um Mehrlagenschichten
herzustellen. Neben dem wechselseitigen Betreiben der heißen
selbstverzehrenden Anoden 9 kann auch das Abschirmblech 5
zwischen der kalten selbstverzehrenden Kathode 4 und den Sub
straten entfernt werden, so daß das Material der kalten selbst
verzehrenden Kathode 4 an der Schichtbildung teilhaben kann oder
das Plasma zur Substratkonditionierung (Erwärmen und Ionenrei
nigung der Substrate) genutzt werden kann.
Die Fig. 3 zeigt schließlich den schematischen Aufbau eines Aus
führungsbeispiels mit zwei Einrichtungen zur kathodischen Vaku
um-Bogen-Verdampfung. Beim Ausführungsbeispiel sind in den Vaku
umbehälter 1 einander gegenüberliegend zwei selbstverzehrende
Kathoden 4 und als nicht selbstverzehrende Anoden dienende Ab
schirmbleche 5 angeordnet, die jeweils mit Hilfe einer eigenen
ersten Stromquelle 6 zur Erzeugung einer kathodischen
Vakuum-Bogen-Verdampfung eingesetzt werden. Weiterhin sind zwei
selbstverzehrende Anoden 9 vorgesehen, die jeweils mit dem Plus
pol einer eigenen Stromquelle 11 verbunden sind.
Hierdurch ist es möglich, entweder Mehrlagenschichten oder mehr
komponentige Schichten abzuscheiden, wobei der Anteil des je
weils eine selbstverzehrende Anode 9 bildenden Materials be
liebig zwischen einem und 99% eingestellt werden kann. Durch
Verwenden eines Reaktivgases, beispielsweise Stickstoff, können
Hartstoffschichten, beispielsweise TiN abgeschieden werden. Auch
das Abscheiden von harten Kohlenwasserstoffschichten, die keinen
oder einen bestimmten Metallanteil aufweisen, ist dadurch
möglich, daß ein kohlenwasserstoffhaltiges Gas in den Vakuum
behälter 1 zugegeben wird.
Bei allen Ausführungsbeispielen können durch die Leistung der
zweiten Stromquelle 11 die Verdampfungsrate und der Ionisa
tionsgrad des auf das Substrat auftreffenden Teilchenstroms ge
regelt werden. Hierbei ist es möglich, die Leistung der zweiten
Stromquellen 11 derart niedrig zu wählen, daß im wesentlichen
die Gasatome des Gases oder Gasgemisches ionisiert werden, ohne
daß es zu einer Verdampfung des Anodenmaterials kommt. Hierdurch
ist insbesondere eine Erwärmung und Reinigung der Substrate
möglich. Durch das Anlegen einer negativen Vorspannung an den
Substraten mittels der dritten Stromquelle 12 kann die Auftreff
geschwindigkeit der Gasionen auf die Substrate erhöht werden, um
die Ionenreinigung und Erwärmung der Substrate zu verbessern.
Bezugszeichenliste
1 Vakuumbehälter
2 Beschickungsöffnung
3 Anschlußleitung
4 Kathode
5 Abschirmblech
6 erste Stromquelle
7 Elektronenfluß
8 Substrathalter
9 Anode
10 Schalter
11 zweite Stromquelle
12 dritte Stromquelle
13 Transportraum
14 Anode
15 Schalter
2 Beschickungsöffnung
3 Anschlußleitung
4 Kathode
5 Abschirmblech
6 erste Stromquelle
7 Elektronenfluß
8 Substrathalter
9 Anode
10 Schalter
11 zweite Stromquelle
12 dritte Stromquelle
13 Transportraum
14 Anode
15 Schalter
Claims (10)
1. Verfahren zur Materialverdampfung in einem Vakuumbehälter
durch Beschuß des zu verdampfenden Materials mit Elektronen
aus einer Vakuum-Bogen-Verdampfung unter Zufuhr eines Gases
oder Gasgemisches in den Vakuumbehälter, insbesondere zur
Oberflächenbeschichtung von Substraten, mit einer Abschirmung
der selbstverzehrenden Kathode der Vakuum-Bogen-Verdampfung
und einer Stromquelle zur Erzeugung der Bogenspannung zwi
schen der selbstverzehrenden Kathode und einer Anode,
dadurch gekennzeichnet,
daß durch eine zweite, steuerbare Stromquelle zwischen der
Anode der kathodischen Vakuum-Bogen-Verdampfung und einer
zweiten selbstverzehrenden Anode die durch die kathodische
Vakuum-Bogen-Verdampfung erzeugten Elektronen gezielt der
selbstverzehrenden Anode zugeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Konditionierung der Substrate die Leistung der zweiten Strom
quelle derart eingestellt wird, daß unter Vermeidung einer
Verdampfung des Materials der selbstverzehrenden Anode die
Gasatome des Gases oder Gasgemisches ionisiert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
durch mindestens eine kathodische Vakuum-Bogen-Verdampfung
erzeugten Elektronen zur gleichzeitigen oder aufeinander
folgenden Verdampfung mehrerer selbstverzehrender Anoden
genutzt werden.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens
einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einer mit einer Abschirmung
versehenen selbstverzehrenden Kathode und einer Anode, die in
einem Vakuumbehälter angeordnet sind, und mit einer Strom
quelle zur Erzeugung einer eine Vakuum-Bogen-Verdampfung be
wirkenden Bogenentladung zwischen der selbstverzehrenden
Kathode und der Anode,
dadurch gekennzeichnet,
daß zusätzlich zu der die kathodische Vakuum-Bogen-Verdamp
fung bewirkenden Stromquelle (6) eine zweite regelbare Strom
quelle (11) zwischen der nicht selbstverzehrenden Anode der
kathodischen Vakuum-Bogen-Verdampfung und einer selbstver
zehrenden zweiten Anode (9) zur Regelung des Elektronen
flusses für die Verdampfung der zweiten Anode (9) vorgesehen
ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine
zusätzliche, sich nicht verzehrende Anode (14) als Alter
native zu der sich verzehrenden Anode (9) im Vakuumbehälter
(1) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Abschirmung (5) der Kathode (4) zur Freigabe der
aktiven Fläche der Kathode (4) beweglich angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 6, da
durch gekennzeichnet, daß außer mindestens einer selbstver
zehrenden Anode (9) mit eigener, einzeln regelbarer Strom
quelle (11) mehrere Kathoden (4) mit zugehöriger Abschirmung
(5) zur Erhöhung und Vergleichmäßigung der Verdampfungs
leistung angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 7, ge
kennzeichnet durch einen Substrathalter (8), der durch eine
dritte regelbare Stromquelle (12) auf einem negativen Poten
tial gehalten wird.
9. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß der Vakuumbehälter (1) als nicht
selbstverzehrende Anode der kathodischen Vakuum-Bogen-Ver
dampfung ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß der Totaldruck des Gases bzw.
Gasgemisches im Vakuumbehälter (1) im Bereich von 1 · 10-4
bis 2 · 10-2 mbar beträgt.
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4203371A DE4203371C1 (de) | 1992-02-06 | 1992-02-06 | |
AT92121375T ATE129093T1 (de) | 1992-02-06 | 1992-12-16 | Verfahren und vorrichtung zur materialverdampfung in einem vakuumbehälter. |
DE59203997T DE59203997D1 (de) | 1992-02-06 | 1992-12-16 | Verfahren und Vorrichtung zur Materialverdampfung in einem Vakuumbehälter. |
EP92121375A EP0554552B1 (de) | 1992-02-06 | 1992-12-16 | Verfahren und Vorrichtung zur Materialverdampfung in einem Vakuumbehälter |
Applications Claiming Priority (1)
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