DE4306611A1 - Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung von Substraten durch Plasmaeinwirkung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Oberflächenbehand­ lung von Substraten durch Plasmaeinwirkung, insbesondere zum Beheizen, Ätzen und zum chemischen Umwandeln der Substratober­ flächen, mit einer Katode als Elektronenquelle und einer in Richtung auf das Plasma konkaven Anode aus amagnetischem Werk­ stoff, hinter deren dem Plasma abgekehrten Rückseite Magnet­ systeme unterschiedlicher Pollage derart angeordnet sind, daß die von den Polen (N, S) ausgehenden Magnetfeldlinien (F) auf mindestens einem Teil ihrer Länge durch den von der Anode um­ schlossenen Hohlraum verlaufen, und mit einer Substratführungs­ einrichtung, mittels welcher die Substrate auf einem gegenüber der Anode negativen Potential haltbar sind.

Um Substrate der Einwirkung eines Plasmas auszusetzen, ist es erforderlich, mit einer Vakuumkammer in der Umgebung der Sub­ strate einen bestimmten Unterdruck zu erzeugen und eine Gasat­ mosphäre aufrechtzuerhalten sowie dem Plasma ständig elektrische Leistung zuzuführen. Die Leistungszufuhr geschieht bevorzugt durch in der Vakuumkammer angeordnete Elektroden, von denen die eine als Katode, die andere als Anode geschaltet ist, um den Stromkreis über das Plasma zu schliefen. Die Erfindung befaßt sich mit der Ausbildung der Anode.

Durch die DE-PS 22 41 229 ist es zum Zwecke des Ätzens von Sub­ straten bekannt, über einer plattenförmige Elektrode eine topf­ förmige Elektrode anzuordnen. Durch den Anschluß beider Elek­ troden an einen Hochfrequenzgenerator erhält die plattenförmige Elektrode und damit das auf ihr liegende Substrat die Funktion einer Katode, während die topfförmige Elektrode eine sogenannte Hohlanode bildet. Dies ist im Zusammenhang mit Hochfrequenz auf einen sogenannten Gleichrichtereffekt zurückzuführen, durch den stets die Elektrode mit der relativ kleinsten wirksamen Fläche Katodenpotential annimmt. Dabei spielt der enge Spalt zwischen dem Rand der Topfanode und der plattenförmigen Katode eine aus­ schlaggebende Rolle, da er das Flächenverhältnis definiert. Wird der Spalt nennenswert vergrößert, so schlagen die Potentiale um, und die topfförmige Elektrode nimmt gegenüber der Summe der Flächen der plattenförmigen Elektrode und der leitfähigen Teile der Vakuumkammer die kleinere Fläche ein, mithin also Katoden­ potential an. Die bekannte Vorrichtung besitzt im übrigen kei­ nerlei Magnetfeld zur Unterstützung der Ionisationswirkung ge­ genüber dem Plasma. Die DE-OS 36 06 959, DE-OS 40 39 930 und die DE-PS 41 09 691 offenbaren Weiterentwicklungen dieses Prinzips mit Mitteln zur Vergrößerung der Anodenflächen, jedoch ohne Verwendung von Magnetsystemen.

Durch die DE-PS 40 38 497 ist es bekannt, beiderseits eines Plasmaschlauches plattenförmige Elektroden anzuordnen, hinter denen sich Magnetsysteme befinden, so daß auf der dem Plasma zugekehrten Seite dieser Elektroden Magnetfelder mit tunnel­ förmig verlaufenden Feldlinien gebildet werden. Die Elektroden haben aufgrund ihrer Polarität relativ zum Plasma Anodenfunk­ tion, jedoch ist die ionisierende Wirkung der Magnetfelder auf das Plasma wegen des geringen Plasmaeinschlusses relativ gering. (Die ionisierende Wirkung des Magnetfeldes beruht darauf, daß die Elektronen im Plasma sich auf schraubenlinienförmigen Bahnen um die einzelnen Magnetfeldlinien bewegen, wodurch die Ionisa­ tionswahrscheinlichkeit erhöht wird).

Durch die DE-OS 40 09 151 ist es weiterhin bekannt, gegenüber einer Zerstäubungskatode, die zum Beschichten von Substraten dient, eine teilzylindrisch gebogene Anode anzuordnen, hinter der sich gleichfalls Magnetsysteme in einer solchen Anordnung befinden, daß die erzeugten Feldlinien auf einem Teil ihrer Länge auf der dem Plasma zugekehrten Seite der Anode verlaufen. Auch in diesem Falle ist der ionisierende Einfluß der Anode auf das Plasma relativ gering, was sich unter anderem an einem re­ lativ geringen Anodenstrom ablesen läßt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, mit der die Er­ zeugung eines sehr viel intensiveren Plasmas möglich ist.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der eingangs an­ gegebenen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch, daß die Anode einen Anodenboden und eine Zarge aufweist, deren Mantellinien im wesentlichen senkrecht zum Anodenboden verlaufen und deren Rand einen rechteckigen Verlauf hat, derart, daß die Anode fünf Seiten eines quaderförmigen Hohlraums umschließt, dessen sech­ ste, offene Seite der Substratführungseinrichtung zugekehrt ist, und daß außerhalb der gegenüberliegenden Langseiten der Zarge auf der einen Seite ein erstes Magnetsystem mit Polflächen ei­ ner ersten Polarität (N) und auf der anderen, gegenüberliegenden Seite ein zweites Magnetsystem mit Polflächen einer zweiten Po­ larität (S) angeordnet sind, derart, daß der Hohlraum von Ma­ gnetfeldlinien durchsetzt ist, die von einer Seite der Zarge durch den Hohlraum zur gegenüberliegenden Seite der Zarge durchlaufend sind.

Es handelt sich im Ergebnis um eine Plasmaquelle, die mittels Magnetfeldunterstützung durch einen invertierten Magnetsatz und mit einer Hohlanode arbeitet. Mit dieser Quelle wird erreicht, daß für die Elektronen ein sehr guter Einschluß in der Hohlanode realisiert wird. Die in dieser Anordnung erzeugbaren Plasmen sind sehr intensiv, da die Plasmaerzeugung sowohl durch die Ma­ gnetfeldunterstützung als auch durch den Hohlanodeneffekt un­ terstützt wird. Eine wesentliche Folge ist, daß Niederdruck­ plasmen mit Trägerkonzentrationen bis zu 10¹¹/cm³ geliefert werden können und daraus resultierende Stromdichtewerte von ei­ nigen mA/cm² vor der Quelle meßbar sind.

Diese Lokalisierung des Plasmas im Anodenbereich macht die Quelle besonders für Anwendungen beim Ätzen von groben Substraten einsetzbar. Die Problematik beim Ätzen, z. B. von Stahlblechen, ist dadurch gegeben, daß ein auf Hochspannung be­ findliches Stahlblech bei nicht lokalisiertem Plasma grundsätz­ lich einer groben Überschlagsgefahr an den Blechkanten ausge­ setzt ist bzw. daß ein zu großflächig ausgedehnter Plasmabereich die gewünschte Plasmaintensität und damit eine ausreichende Ätzwirkung nicht mehr garantieren kann. Im Gegensatz zu den be­ kannten und vorstehend beschriebenen Anordnungen für das Ätzen von unmagnetischen Materialien oder schwach magnetischen Mate­ rialien mit einem hinter dem Anodenblech angeordneten Magnet­ satz, weist die neue Plasmaquelle den Vorteil auf, daß der ma­ gnetische Plasmaeinschluß schon in der Quelle geschieht. Hier­ durch ist es möglich, magnetisches Material wie z. B. Stahlblech, aber auch Werkzeugstähle und andere magnetische Stähle vor der Plasmaquelle zu positionieren und zu ätzen. Der Vorgang der Ät­ zung wird so ausgelöst, daß das Substrat selber auf ein hohes negatives Potential von einigen 100 V gelegt wird, während die Quelle selber auf Anodenpotential befindlich ist.

Die Katode kann dabei ausschließlich durch die Substratfüh­ rungseinrichtung mit den Substraten, durch einen Elektronen- Emitter und/oder durch eine Zerstäubungskatode gebildet werden, mit der zusätzlich eine Beschichtung der Substrate möglich ist.

Grundsätzlich sind zwei Betriebsarten für das Ätzen möglich: Die erste Betriebsart arbeitet mit zwei Spannungsquellen und einem Dreielektrodensystem, wobei das Anodenpotential gegenüber der auf Erdpotential befindlichen Kammerwand eingestellt wird und das Substrat gegenüber der Kammerwand als Bezugselektrode auf das negative Potential gelegt wird. Die zweite Betriebsart besteht bei Verwendung nur einer Spannungsquelle darin, daß die Anode den positiven Pol einer Hochspannungsversorgung darstellt, während die Substratanordnung an den negativen Pol der gleichen Hochspannungsversorgung gelegt wird. Hierdurch wird erreicht, daß der Strompfad eindeutig über die Anode führt, d. h. das An­ odenpotential stellt sich in dieser Anordnung so ein, daß nahezu der komplette Entladungsstrom zur Anode geführt wird. Wie be­ reits weiter oben erwähnt, betragen die typischen Stromdichten einige mA/cm², d. h. bei Potentialen von 500 bis 1000 V (negativ) werden Leistungsdichten von mehreren W/cm² am Substrat erzeugt. Diese Beschußleistung führt zu Abtragsraten von einigen Zehntel nm/sec bis zu einigen nm/sec, wenn Argon als Ätzgas eingesetzt wird.

Neben den Möglichkeiten der Ätzung von Substraten mit Edelgas besteht auch die Möglichkeit, die für viele Anwendungen notwen­ digen Reduzierungen von Oberflächen z. B. durch Anwendung von Argonwasserstoffgemischen vorzunehmen. Des weiteren kann die erfindungsgemäße Plasmaquelle auch dazu benutzt werden, eine sauerstoffhaltige Entladung zu betreiben, mit welcher es möglich ist, die Oberfläche nachträglich durch Oxidation zu passivieren. Im Zusammenhang mit großtechnischen Prozessen und insbesondere beim Einsatz in Mehrkammer-In-Line-Systemen ist es besonders vorteilhaft, daß die bezeichnete Quelle als lange Linearquelle ausführbar ist, d. h. im Rahmen von Anwendungen bis auf mehrere Meter Länge skalierbar ist.

Die erfindungsgemäße Plasmaquelle lädt sich in vorteilhafter Weise auch an die Stelle der ebenen (DE-PS 40 38 497) oder schwach gekrümmten Anodenbleche (DE-OS 40 09 151) setzen, wo­ durch die Intensität des Plasmas deutlich erhöht wird.

Bei der Verwendung der Anode in den bekannten Vorrichtungen werden als besondere Vorteile erreicht, daß das Plasma bereits raumfüllend vorliegt. Das raumfüllend vorliegende Plasma tritt nun in Kontakt mit dem lokalisiert vorliegenden Anodenplasma, wodurch es gelingt, eine elektrische Einkopplung des Anoden­ plasmas in das raumfüllende Plasma zu erhalten. Resultierend aus diesem Vorgang ist eine zusätzliche über die Anode steuerbare Plasmadichte in der bekannten Anordnung beim Beschichtungsbe­ trieb. Neben dem Beschichtungsbetrieb erweist sich die bereits oben bezeichnete Anwendung der Anode zum Ätzen von Substraten als besonders vorteilhaft.

Durch die erfindungsgemäße Anode gelingt es, Plasma in den Be­ reich der sonst nur von der Zerstäubungskatode gespeisten Plas­ masäule zusätzlich einzuspeisen. Besonderer Vorteil bei dieser Einspeisung des von der Anode ausgehenden Plasmas ist es, daß die Anode als magnetisch unterstützte Elektrode im Gegensatz zu einer magnetisch unterstützten Zerstäubungskatode als Plasma­ lieferant keinen Abtrag durch Ionenbeschuß, d. h. kein die zu ätzenden Teile verschmutzendes Material liefert. Hierdurch ge­ lingt es, eine saubere Hochleistungsätzung ohne Kontamination vorzunehmen, ohne daß am Substrat selber ein komplizierter Ma­ gnetaufbau erforderlich ist. Der Erfindungsgegenstand bildet dadurch die Grundlage zum Ätzen von großvolumigen Teilen und Teileanordnungen.

Für das Beheizen der Substrate gilt das gleiche was oben für das Ätzen von Substraten erwähnt wurde. Beim Heizen der Substrate wird Helium, gegebenenfalls mit einem Zusatz von Wasserstoff, eingelassen, wobei durch Anwendung von Potentialen von einigen 100 V dafür gesorgt wird, daß die auf das Substrat auftreffenden Heliumionen keinen oder nur einen unwesentlichen Abtrag von Ma­ terial verursachen. Durch die vorliegenden hohen Plasmadichten wird erreicht, daß bei z. B. Ionenstromdichten von einigen mA/cm² und Potentialen von 300 V Leistungsdichten von mehreren W/cm² am Substrat auftreten. Hierdurch gelingt es sehr viel effizienter, als durch die Verwendung von Strahlungsheizern, Formteile auf­ zuheizen, wobei als zusätzlicher Vorteil durch die vorliegenden hohen Trägerkonzentrationen und Ionenstromdichten erreicht wird, daß bei den dann vorliegenden kleinen Dunkelraumabständen das Plasma sehr gut in Konturen eindringt, d. h. eine ausgedehnte konturierte Substratanordnung wird optimal beschossen und damit erwärmt.

Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn die Polflächen beider Magnetsysteme je ein Rechteck umschließen, das parallel zu den Langseiten der Zarge verläuft, insbesondere wenn die beiden auf den Langseiten der Rechtecke liegenden Teilabschnitte der Pol­ flächen einerseits im Bereich der dazu parallelen Übergänge vom Anodenboden zu den Langseiten der Zarge liegen und andererseits im Bereich der dazu parallelen Teilabschnitte des Randes der Zarge. Dadurch wird erreicht, daß der quaderförmige Hohlraum der Anode von einem weitgehend homogenen Magnetfeld mit etwa paral­ lelen Feldlinien durchsetzt wird, so daß alle Volumenelemente des Gases im Hohlraum der gleichen Ionisationswahrscheinlichkeit unterliegen.

Es ist weiterhin von Vorteil, wenn die im Bereich des Randes der Zarge liegenden Magnete in der Weise auf die Langseiten der Zarge ausgerichtet sind, daß die Normalen auf die Polflächen mit einer längsten Mittenebene M-M des Hohlraums in Richtung auf den Anodenboden eines spitzen Winkels α einschließen.

Mit anderen Worten, der Einschluß der Elektroden in der Hohlan­ ode kann zusätzlich durch die Raumform der Magnetanordnung be­ einflußt werden. Insbesondere kann durch die Einstellung leicht nach außen gekippter Polflächen auf den beiden äußeren Rändern der Anode erreicht werden, daß die Magnetfeldlinien etwas stär­ ker in den Raum heraustreten und daß dadurch das Plasma verbes­ sert in Kontakt mit einem vor der offenen Seite der Hohlanode befindlichen Substrat oder Elektrode tritt.

An die Anode kann statt eines Gleichspannungspotentials ein ge­ pulstes positives Potential angelegt werden. Beim Ätzbetrieb wird gleichermaßen eine gepulste Hochspannung auf die Anode ge­ schaltet.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Einsatzmöglichkeiten des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den übrigen Unter­ ansprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel und dessen Einsatz im Zusammenwirken mit Zerstäubungskatoden zu Beschichtungszwecken werden nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch den Erfindungsgegenstand,

Fig. 2 den unteren Teil von Fig. 1 in verkleinertem Maßstab,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch den Gegenstand nach Fig. 1 in wiederum verkleinertem Maßstab und

Fig. 4 einen Radialschnitt durch eine Beschichtungsanlage mit zwei erfindungsgemäßen Vorrichtungen und zwei Magnetron-Beschichtungskatoden in äquidistanter und alternierender Anordnung auf dem Umfang einer rotie­ renden Substratführungseinrichtung.

In den Fig. 1 bis 3 ist eine Anode 1 dargestellt, die aus einem ebenen Anodenboden 2 und einer Zarge 3 besteht, deren Mantellinien senkrecht zum Anodenboden 2 verlaufen. Die Zarge 3 besteht aus zwei zueinander parallelen Langseiten 4 und 5, die an ihren beiden Enden durch Stirnseiten 6 und 7 miteinander verbunden sind. Infolgedessen umschließt die Anode 1 fünf Seiten eines quaderförmigen Hohlraums 8, dessen sechste, offene Seite einer Substratführungseinrichtung 9 zugekehrt ist, die in Fig. 4 gezeigt und im Zusammenhang damit noch näher erläutert wird. Die Zarge 4 besitzt auf der dem Anodenboden 2 abgekehrten Seite einen Rand 10, der in einer zum Anodenboden parallelen Ebene einen rechteckigen Verlauf hat. Der Ausdruck "rechteckig" ist jedoch nicht kritisch zu sehen. So können die beiden Stirnseiten 6 und 7 auch als hohle Halb-Zylinderflächen ausgebildet sein, ohne daß sich hierdurch an der im wesentlichen quaderförmigen Ausbildung des Hohlraums etwas ändert.

Außerhalb der gegenüberliegenden Langseiten 4 und 5 der Zarge 3 ist auf der einen Seite ein erstes Magnetsystem 11 mit Pol­ flächen 11a einer ersten Polarität N angeordnet und auf der an­ deren, gegenüberliegenden Seite ein zweites Magnetsystem 12 mit Polflächen 12a einer zweiten Polarität S. Dadurch ist der Hohl­ raum 8 von Magnetfeldlinien (gestrichtelt, mit Pfeilen) durch­ setzt, die von einer Seite der Zarge 3 durch den Hohlraum 8 hindurch zur gegenüberliegenden Seite der Zarge durchlaufend sind. Die Polflächen 11a und 12a beider Magnetsysteme 11 und 12 umschließen je ein Rechteck, das parallel zu den Langseiten 4 und 5 der Zarge 3 verläuft.

Genauer gesagt liegen die beiden auf den Langseiten der Recht­ ecke liegenden Teilabschnitte der Polflächen einerseits im Be­ reich der dazu parallelen Übergänge vom Anodenboden 2 zu den Langseiten 4 und 5 der Zarge, andererseits liegen sie im Bereich der dazu parallelen Teilabschnitte des Randes 10 dieser Zarge. Die Polflächen werden von Permanentmagneten 11b, 11c und 11d bzw. 12b, 12c und 12d gebildet. Die Permanentmagnete 11b und 11c bzw. 12b und 12c sind dabei in Form eines nach unten offenen "U" angeordnet, dessen Joch wesentlich länger ist als die beiden Schenkel, von denen jeweils die hinteren (11c und 12c) in Fig. 1 sichtbar sind.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, sind die im Bereich des Randes 10 der Zarge 3 liegenden Permanentmagnete 11d und 12d in der Weise auf die Langseiten 4 und 5 der Zarge 3 ausgerichtet, daß die Normalen 11e, 12e auf die Polflächen 11a und 12a unter einem spitzen Winkel α auf eine Mittenebene M-M des Hohlraums 8 aus­ gerichtet sind, die in den Fig. 1 und 2 ebenso senkrecht zur Zeichenebene verläuft, wie die beiden Langseiten 4 und 5 der Zarge 3. Der spitze Winkel α wird dabei zwischen den besagten Normalen auf die Polflächen 11a und 12a und der Mittenebene M-M eingeschlossen, und zwar auf der Seite, die dem Anodenboden 2 zugekehrt ist. Die "gekippte" Lage der Permanentmagnete 11d und 12d ist in Fig. 1 etwa maßstäblich gezeigt und beträgt 60. Da­ durch erhalten die von den Polflächen 11a und 12a der Perma­ nentmagnete 11d und 12d ausgehenden Feldlinien einen deutlich bogenförmig gekrümmten Verlauf, so daß sie stärker aus der of­ fenen Seite der Zarge 3 bzw. des Hohlraums 8 austreten, wie dies gleichfalls in Fig. 1 gestrichelt angedeutet ist.

Die Magnetsysteme 11 und 12 sind aus quaderförmigen Teilab­ schnitten zusammengesetzt, die aus einzelnen Permanentmagneten bestehen und in der angegebenen Ausrichtung und Raumlage an ei­ nem "U"-förmigen, nach unten und im Bereich der Stirnseiten 6 und 7 offenen Magnetjoch 13 befestigt sind, das ansonsten der Anode 1 geometrisch ähnlich geformt ist. Die Magnetsysteme 11 und 12 sind auf den einander zugekehrten und zueinander paral­ lelen Innenseiten 13a und 13b des Magnetjochs 13 in entsprechend ausgefrästen Vertiefungen gehalten. Die Reihen von Permanentma­ gneten 11b und 11d bzw. 12b und 12d haben eine Länge, die der Länge der Langseiten 4 und 5 der Zarge entspricht. Auf den Au­ ßenseiten 13c und 13d des Magnetjochs 13 sind Kühlrohre 14 an­ geordnet, die das Magnetjoch 13 und damit die Permanentmagnete gegen eine Überhitzung schützen. Das Magnetjoch 13 ist mit den Kühlrohren 14 wiederum von einem gegenüber der Anode 1 iso­ lierten Gehäuse 15 umgeben. Diese Isolation des Gehäuses 15 ge­ schieht zu dem Zweck, daß sich das Gehäuse 15 beim Betrieb auf ein floatendes Potential einstellen kann, so daß das Gehäuse im elektrischen Gleichgewichtszustand nicht in den Elektronen­ transport eingreift. Es ist den Fig. 1 bis 3 noch zu entneh­ men, daß die durch den Rand 10 der Zarge 3 definierte Öffnung 16 der Anode 1 mit der Fläche des Anodenbodens 2 übereinstimmt.

Unter Heranziehung der Fig. 4 wird die Befestigung der Anode 1 und der übrigen Teile der Plasmaquelle wie folgt erläutert: Eine Vakuumkammer 17, zu der eine Tür 17a gehört, umschließt ein im wesentlichen zylindrisches Kammervolumen 18, in dem sich in im wesentlichen koaxialer Anordnung die bereits beschriebene Sub­ stratführungseinrichtung 9 befindet. Im vorliegenden Fall be­ steht die Substratführungseinrichtung 9 aus einem ersten, um eine Rotationsachse A drehbaren Hauptträger 19, an dem elek­ trisch leitend mehrere, um je eine eigene Achse A₁, A₂, A₃ . . . drehbare Hilfsträger 20 für die Substrate gelagert sind. Dabei sind die Achsen A₁ bis A_n äquidistant auf einem Kreis angeord­ net, der konzentrisch zur Rotationsachse A verläuft. Sämtliche Achsen verlaufen zueinander parallel und sind dabei in der Weise antreibbar, daß die Substrate aufgrund der überlagerten Drehbe­ wegung auf einer epizyklischen Bahn an den Anoden 1 und 1A vorbeiführbar sind. Die Achsen A₁ . . . A_n sind beispielhaft als Stangen ausgebildet, auf die rotationssymmetrischen Teile wie Fräser und Messerköpfe oder sogenannten Käfige für Kleinteile, z. B. Bohrer, aufsteckbar sind. Die Ausbildung derartiger Haupt- und Hilfsträger mit epizyklischer Substratbewegung ist an sich bekannt und braucht daher nicht näher erläutert zu werden. Um den Hauptträger 19 auf ein definiertes elektrisches Potential legen zu können, ist dessen Welle 19a mit einem Gleitkontakt 19b versehen, an den Leitungen 19c und 19d gelegt sind.

Gemäß Fig. 4 sind auf der Innenseite 17b der Vakuumkammer 17 zwei Anoden 1 und 1A in Bezug auf die Rotationsachse A diametral gegenüberliegend angeordnet, wobei die längste Achse der Anoden 1, 1A parallel zur Rotationsachse A verläuft und die Länge des Hohlraums der Anoden im wesentlichen der Länge der Achsen A₁ bis A_n entspricht. Dabei sind die Öffnungen 16 der Anoden 1 und 1A auf die Rotationsachse A ausgerichtet, und zwar derart, daß die Oberflächenelemente der hier nicht dargestellten Substrate nacheinander der Einwirkung einer jeden Anode 1 bzw. 1A aus­ setzbar sind.

In der Wand der Vakuumkammer sind ferner auf dem Umfang der Substratführungseinrichtung 9 zwei Beschichtungskatoden 21 und 22 angeordnet, die in herkömmlicher Bauweise als "unbalanced magnetrons" ausgeführt sind, d. h. sie besitzen zur Erweiterung der Reichweite des Plasmas je eine rechteckig gewickelte Ma­ gnetspule 23 und 24, deren Feld dem Feld der Permanentmagneten der Beschichtungskatoden 21 und 22 überlagert ist. Wie aus der Bezeichnung der Pole hervorgeht, besitzen die Beschichtungs­ katoden, sogenannte Magnetron-Katoden, eine entgegengesetzte Pollage, d. h. einem Nordpol ist jeweils ein Südpol gegenüber angeordnet und umgekehrt. Gemäß Fig. 4 sind die Beschichtungs­ katoden 21 und 22 auf halbem Wege zwischen den Anoden 1 und 1A angeordnet, so daß eine alternierende Reihenfolge gebildet wird. Die Substrate können beim Umlauf der Substratführungseinrichtung 9 mithin abwechselnd geätzt und beschichtet werden.

Zwecks Befestigung der Anoden 1 und 1A auf der Innenseite 17b der Vakuumkammer 17 sind paarweise Verschraubungen 25 vorge­ sehen, die durch jeweils eine Traverse 26 miteinander verbunden sind (siehe auch Fig. 1). Mehrere solcher Traversen 26 tragen jeweils mittels Schrauben 27 unter Zwischenschaltung von Iso­ lierringen 28 und Isolierbuchsen 29 das Magnetjoch 13. An dem Magnetjoch 13 ist wiederum mittels Schrauben 30 unter Zwischen­ schaltung weiterer Isolierringe 31 und Isolierbuchsen 32 die Anode 1 befestigt, und zwar unter Zwischenschaltung von Flanschplatten 33, die mit dem Anodenboden 2 verschraubt sind, und in die die Schrauben 33 eingreifen, deren Köpfe zur Vermei­ dung von Spannungsüberschlägen versenkt in einem Isolierstoff­ napf 34 untergebracht sind.

An den Außenseiten des Magnetjochs 13 ist mittels Distanzbuchsen 35 und Schrauben 36 das Gehäuse 15 befestigt. Durch die iso­ lierte Befestigung des Magnetjochs 13 mit den Magnetsystemen 11 und 12 sowohl gegenüber der Anode 1 als auch gegenüber der Po­ tentialzuführung und auch gegenüber den auf Massenpotential liegenden Traversen 26 können sich die Magnetsysteme 11 und 12 zusammen mit dem Magnetjoch 13 und dem nach oben offenen Gehäuse 15 auf ein floatendes Potential einstellen, auf dessen Wirkung bereits weiter oben hingewiesen wurde. Die Potentialzufuhr zur Anode 1 bzw. 1A erfolgt gemäß Fig. 3 über ein Kabel 37, eine Steckkupplung 38 mit einem Kontaktstift 38a und eine elektrisch leitende Tragstütze 39, die an dieser Stelle die Schraube 30 ersetzt und in der gezeigten Weise vakuumdicht durch die Wand der Vakuumkammer 17 hindurchgeführt ist. Zur Vermeidung von Überschlägen ist auch die Tragstütze 39 mit einem Isolierstoff­ überzug 40 versehen.

In Fig. 4 sind noch drei Spannungsquellen 41, 42 und 43 darge­ stellt, von denen einzelne oder alle als Impulsgeneratoren aus­ geführt sein können. Die Spannungsquelle 41 dient ausschließlich für den Anodenbetrieb. Die Spannungsquelle 42 dient ausschließ­ lich für die Versorgung der Substratführungseinrichtung 9; sie liefert die Elektronen für die Plasmen, und die Spannungsquelle 43 dient ausschließlich für die Versorgung der Beschichtungskatoden 21 und 22. Die einleitend beschriebenen unterschiedlichen Betriebsarten sind durch ihre verschiedene Leitungsführung dargestellt.

Die Leitungsführung der Spannungsquellen 41 und 42 in der ersten Betriebsart ist ausgezogen dargestellt. Durch die Spannungs­ quelle 41 wird das Anodenpotential gegenüber der auf Erdpoten­ tial befindlichen Kammerwand eingestellt. Die Substratführungs­ einrichtung 9 wird durch die Spannungsquelle 42 gegenüber der Kammerwand als Bezugselektrode durch die Leitung 19d auf ein negatives Potential gelegt.

Die zweite Betriebsart ist hinsichtlich ihrer Leitungsführung in gestrichelten Linien dargestellt: Dabei sind die Anoden 1 und 1A an den positiven Pol der Spannungsquelle 41 gelegt, während die Substratführungseinrichtung 9 durch die Leitung 19c an den ne­ gativen Pol der gleichen Spannungsquelle 41 gelegt wird. In dem zuletzt genannten Fall führt der Strompfad eindeutig über die Anoden, d. h. das Anodenpotential stellt sich bei dieser Anord­ nung so ein, daß praktisch der gesamte Entladungsstrom zur Anode bzw. zu den Anoden geführt wird.

Die Spannungsquelle 43 kann unabhängig in beiden Betriebsarten zugeschaltet werden, wenn ein Beschichtungsprozeß durchgeführt werden soll.

Die Abmessungen der Anoden sind dabei in weiten Grenzen wählbar. Versuche wurden durchgeführt mit folgenden Anodenabmessungen:

Länge = 750 mm
Breite = 200 mm
Tiefe = 150 mm.

Die Länge ist skalierbar bis etwa 4 bis 6 Meter. Die Breite kann zwischen 40 und 300 mm gewählt werden, vorzugsweise zwischen 50 und 120 mm. Die Tiefe kann zwischen 50 und 200 mm gewählt wer­ den, vorzugsweise zwischen 60 und 100 mm.

An die Stelle der Substratführungseinrichtung nach Fig. 4, die für die Beschichtung von im wesentlichen rotationssymmetrischen Formteilen vorgesehen ist, beispielsweise von Fräsern, kann auch eine walzenförmige Substratführungseinrichtung treten, die bei­ spielsweise als Kühlwalze ausgeführt ist, über die eine Folie geführt wird, die von einer Vorratsrolle bis zu einer Aufwic­ kelrolle über diese Kühlwalze geführt wird. In einem solchen Falle wird üblicherweise die Vakuumkammer 17 durch Trennwände unterteilt, um dem Ausgasungsverhalten der Folien Rechnung zu tragen. Derartige Kammerunterteilungen und Folienführungssysteme sind Stand der Technik, so daß hierauf nicht weiter eingegangen wird. Auch kann wahlweise die Rotationsachse A sowohl senkrecht ausgerichtet sein als auch waagrecht. Die waagrechte Ausrichtung der Rotationsachse einer Kühlwalze wird in der Regel beim Be­ handeln von Folien gewählt.

Beispiel

In einer Vorrichtung nach Fig. 4 mit zwei Anoden nach den Fig. 1 bis 3 wurden jeweils fünf Fräser mit einem Außendurch­ messer von 75 mm auf je einer von sechs Rotationsachsen A₁ bis A₆ angeordnet. Die Stapelhöhe von jeweils fünf Fräsern auf jeder Achse betrug 400 mm. Die beiden Beschichtungskatoden 21 und 22 wurden mit Targets 21a und 22a aus Titan bestückt, so daß sich auf den Substraten durch Anwesenheit von Stickstoff im Gemisch mit Argon äußerst harte und verschleißfeste Schichten aus Ti­ tannitrid bildeten. Bei den einzelnen Verfahrensstufen des Aufheizens, Ätzens und Beschichtens wurden je nach Betriebsart Betriebsparameter in den nachstehend angegebenen Bereichen bzw. mit den nachstehend genannten Werten gemessen. In jedem Falle ergaben sich einwandfreie, gleichmäßige und gleichmäßig harte und haftfeste Beschichtungen aus Titannitrid.

1. Heizen mit Helium: Betriebsart II (Pluspol der Spannungsquelle 41 auf die Anoden geschaltet)

2. Ätzen

3. Beschichten

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung von Substraten durch Plasmaeinwirkung, insbesondere zum Beheizen, Ätzen und zum chemischen Umwandeln der Substratoberflächen, mit einer Katode als Elektronenquelle und einer in Richtung auf das Plasma konkaven Anode (1) aus amagnetischem Werkstoff, hinter deren dem Plasma abgekehrten Rückseite Magnetsysteme (11, 12) unterschiedlicher Pollage derart angeordnet sind, daß die von den Polen (N, S) ausgehenden Magnetfeldlinien (F) auf mindestens einem Teil ihrer Länge durch den von der Anode (1) umschlossenen Hohlraum (8) verlaufen, und mit einer Substratführungseinrichtung (9) mittels welcher die Substrate auf einem gegenüber der Anode (1) negativen Po­ tential haltbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (1) einen Anodenboden (2) und eine Zarge (3) aufweist, de­ ren Mantellinien im wesentlichen senkrecht zum Anodenboden verlaufen und deren Rand (10) einen rechteckigen Verlauf hat, derart, daß die Anode fünf Seiten eines quaderförmigen Hohlraums (8) umschließt, dessen sechste, offene Seite der Substratführungseinrichtung (9) zugekehrt ist, und daß au­ ßerhalb der gegenüberliegenden Langseiten (4, 5) der Zarge (3) auf der einen Seite ein erstes Magnetsystem (11) mit Polflächen (11a) einer ersten Polarität (N) und auf der anderen, gegenüberliegenden Seite ein zweites Magnetsystem (12) mit Polflächen (12a) einer zweiten Polarität (S) an­ geordnet sind, derart, daß der Hohlraum von Magnetfeldli­ nien durchsetzt ist, die von einer Seite der Zarge (3) durch den Hohlraum (8) zur gegenüberliegenden Seite der Zarge durchlaufend sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polflächen (11a, 12a) beider Magnetsysteme (11, 12) je ein Rechteck umschließen, das parallel zu den Langseiten (4, 5) der Zarge (3) verläuft.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden auf den Langseiten der Rechtecke liegenden Teilabschnitte der Polflächen (11a, 12a) einerseits im Be­ reich der dazu parallelen Übergänge vom Anodenboden (2) zu den Langseiten (4, 5) der Zarge (3) liegen und andererseits im Bereich der dazu parallelen Teilabschnitte des Randes (10) der Zarge (3).

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die im Bereich des Randes (10) der Zarge (3) liegenden Permanent-Magnete (11d, 12d) in der Weise auf die Lang­ seiten (4, 5) der Zarge (3) ausgerichtet sind, daß die Normalen auf die Polflächen (11a, 12a) mit einer längsten Mittenebene (M-M) des Hohlraums (8) in Richtung auf den Anodenboden (2) eines spitzen Winkel (α) einschließen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (1) von einem geometrisch ähnlichen Magnetjoch (13) umgeben ist, das auf seinen Innenseiten (13a, 13b) die Magnetsysteme (11, 12) trägt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetjoch (13) von einem gegenüber der Anode (1) iso­ lierten Gehäuse (15) umgeben ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Rand (10) der Zarge (3) definierte Öffnung (16) der Anode (1) mit der Fläche des Anodenbodens (2) zu­ mindest im wesentlichen übereinstimmt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (1) an einen Impulsgenerator angeschlossen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Anode (1, 1A) auf der Innenseite (17b) ei­ ner Vakuumkammer (17) angeordnet ist, in der um eine Rota­ tionsachse (A) drehbar die Substratführungseinrichtung (9) angeordnet ist, daß die offene Seite (16) der Anode (1, 1A) auf die Rotationsachse (A) ausgerichtet ist, derart, daß Oberflächenelemente der Substrate nacheinander der Einwir­ kung der Anode aussetzbar sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratführungseinrichtung (9) aus einen ersten, um die Rotationsachse (A) drehbaren Hauptträger (19) besteht, an dem mehrere, um je eine eigene Achse (A₁, A₂, A₃, . . . ) drehbare Hilfsträger (20) für die Substrate gelagert sind, wobei die Achsen der Hilfsträger einen radialen Abstand von der Rotationsachse (A) aufweisen und sämtliche Achsen in der Weise antreibbar sind, daß die Substrate auf einer epizyklischen Bahn an der Anode vorbeiführbar sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Umfang der Substratführungseinrichtung (9) minde­ stens zwei Anoden (1, 1A) und mindestens zwei Beschich­ tungskatoden (21, 22) in alternierender Reihenfolge ange­ ordnet sind.