DE4407029A1 - Verfahren zum Beschichten eines Substrates und Aufdampfanlage zu seiner Durchführung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Substrates innerhalb eines eine Edelgasatmosphäre aufweisenden Rezipienten, bei dem Verdampfungsgut in ei­ nem Tiegel mit Hilfe eines Plasmas verdampft wird, indem man den Tiegel zur Ionisation der Gasatmosphäre und damit zur Erzeugung des Plasmas oberhalb des Verdampfungsgutes mit einer Hochspannungsversorgung verbindet. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Aufdampfanlage mit einer Ver­ dampferquelle innerhalb eines Rezipienten, welche in einer Gasatmosphäre einen Tiegel für Verdampfungsgut hat, der zur Ionisation der Gasatmosphäre und damit zur Erzeu­ gung eines Plasmas oberhalb des Verdampfungsgutes mit einer Hochspannungsversorgung verbindbar ist.

Ein Verfahren der vorstehenden Art und eine solche Auf­ dampfanlage wurden im April 1976 in San Francisco/ Cali­ fornien auf der Int. Conf. on Metallurgical Coatings vor­ gestellt und sind in der Vacuum Scientific Technology, Vol. 14, May/June 1977, Seiten 815 veröffentlicht. Bei der bekannten Vorrichtung wird zur Erzeugung des Plasmas eine Magnetron-Sputterelektrode benutzt. Dadurch wird es möglich, bei relativ geringem Druck im Rezipienten ein Plasma zu erzeugen, dessen Ionen und Atome das Verdamp­ fungsgut schmelzen und verdampfen. Obwohl zur Erzeugung des Plasmas eigentlich ein hoher Edelgas-Partialdruck im Rezipienten zweckmäßig wäre, wird darauf verzichtet, weil ein hoher Partialdruck die Diffusion der Ionen des Ver­ dampfunggutes zum Substrat zu stark behindern würde. Durch das starke Magnetfeld ist es bei der bekannten Vor­ richtung auch bei niedrigem Edelgas-Partialdruck möglich, ein Plasma zu zünden, so daß das Aufheizen des Verdamp­ fungsgutes beginnen kann.

Nachteilig bei einer Magnetron-Sputterelektrode ist es jedoch, daß durch das Material des Tiegels, durch das in ihm befindliche Verdampfungsgut, durch das verdampfte Verdampfungsgut und zusätzlich durch erforderliche Kühl­ kanäle das oberhalb des Verdampfungsgutes noch wirksame Magnetfeld stark geschwächt wird. Dadurch ergibt sich eine relativ geringe Verdampferleistung. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß der Tiegel relativ flach ausge­ bildet sein muß, damit oberhalb seines Flüssigkeitsspie­ gels noch ausreichend große Magnetkräfte wirken können. Diese flache Ausbildung bedingt ein relativ kleines Füll­ volumen des Tiegels, so daß die Anlage relativ häufig stillgesetzt und mit neuem Verdampfungsmaterial gefüllt werden muß.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei dem mit möglichst hohen Verdampfungsleistungen über möglichst lange Zeit ohne Unterbrechung der Aufdampfvorgänge gear­ beitet werden kann. Weiterhin soll eine Aufdampfanlage geschaffen werden, die eine möglichst hohe Aufdampflei­ stung hat und ein großes Volumen an Verdampfungsmaterial aufzunehmen vermag.

Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge­ löst, daß der Tiegel elektrisch mit einer ohne Permanent­ magnet arbeitenden Sputterdiode verbunden wird und daß nach einem Aufheizen des Verdampfungsgutes bis zum Ver­ dampfungspunkt der Druck im Rezipienten auf einen solchen Wert abgesenkt wird, bei dem das Diodenplasma überwiegend durch Dampfionen aufrechterhalten wird.

Die elektrische Verbindung des Tiegels mit der Sputter­ elektrode muß galvanisch sein, wenn der Tiegel aus einem elektrisch leitenden Material besteht und das Verfahren mit Gleichstrom betrieben wird. Besteht der Tiegel aus einem elektrisch nicht leitenden Material und arbeitet man mit Hochfrequenz, dann ist unter "elektrische Verbin­ dung" nur eine Hochfrequenzankopplung zu verstehen.

Während beim Stand der Technik das Magnetfeld der Magne­ tron-Sputterelektrode die Elektronen vor dem Target elek­ trostatisch konzentriert und dadurch die Erzeugung eines Plasmas bei geringem Druck des Edelgases im Rezipienten ermöglicht, lehrt die vorliegende Erfindung, das Plasma ohne Magnetfeld und dafür durch hohen Edelgasdruck zu zünden. Da dieser hohe Druck beim Beschichten nachteilig ist, wird er bei Erreichen des Verdampfungspunktes des Verdampfungsgutes reduziert. Durch das erfindungsgemäße Verändern des Druckes im Rezipienten beim Aufheizen des Verdampfungsgutes und beim Beschichtungsvorgang kann auf das Magnetfeld verzichtet werden. Dadurch ergeben sich wesentlich höhere Beschichtungsraten, und es wird mög­ lich, einen Tiegel mit relativ großer Füllhöhe zu be­ nutzen, so daß das Verfahren relativ lange ohne Unterbre­ chung ablaufen kann.

Die Lösung der zweitgenannten Aufgabe gelingt gemäß der Erfindung dadurch, daß der Tiegel elektrisch leitend mit einer ohne Permanentmagnet arbeitenden Sputterdiode ver­ bunden ist und daß der Rezipient Mittel zum Absenken des Druckes seiner Gasatmosphäre nach dem Aufheizen des Ver­ dampfungsgutes bis zum Verdampfungspunkt aufweist.

Eine solche Aufdampfanlage ermöglicht eine besonders hohe Beschichtungsrate und erlaubt ein langes Arbeiten ohne Öffnen der Anlage und erneutes Einfüllen von Verdamp­ fungsmaterial. Da die Aufdampfanlage ohne magnetische Bündelung der Elektronen arbeitet, braucht man bei ihrer Gestaltung keine Rücksicht auf ein mit dem Abstand vom Magneten rasch abnehmendes Magnetfeld zu nehmen. Unter "elektrisch leitend" ist wie zuvor eine galvanische Ver­ bindung oder eine Hochfrequenzankopplung zu verstehen.

Gegenüber üblicherweise eingesetzten Elektronenstrahl­ verdampfern hat die erfindungsgemäße Aufdampfanlage den Vorteil, daß mit "beliebigen" Argondrücken gearbeitet werden kann und gleichzeitig mit der Verdampfungsquelle ein Plasma erzeugt wird. Der Aufbau der Aufdampfanlage ist dennoch wesentlich einfacher als ein Elektronen­ strahlverdampfer.

Konstruktiv besonders einfach ist die Aufdampfanlage aus­ gebildet, wenn der Tiegel aus einem elektrisch leitenden Material besteht und thermisch isoliert, jedoch elek­ trisch leitend mit der Sputterdiode verbunden ist. Ein solcher Tiegel kann beispielsweise aus Wolfram bestehen, während als Verdampfungsgut eine Kupferplatte benutzt wird.

Am einfachsten ist die Aufdampfanlage gestaltet, wenn die Sputterdiode an negativem Gleichspannungspotential ange­ schlossen ist. Im Falle von isolierenden Tiegelmateria­ lien, wie Al₂O₃ oder BN kann das negative Gleichspan­ nungspotential durch Anlegen von Hochspannungsleistung an die Diode erzeugt werden.

Das Zünden des Plasmas und das Aufheizen des Verdamp­ fungsgutes erfolgt besonders rasch, wenn gemäß einer an­ deren Weiterbildung der Erfindung oberhalb des Tiegels eine mit Masse verbundene, zu Beginn des Aufdampfvorgan­ ges wegfahrbare Blende angeordnet ist.

Auch das zur Verbesserung der Qualität einer Beschichtung bekannte ionenunterstützte Aufdampfen kann bei der erfin­ dungsgemäßen Aufdampfanlage angewandt werden, wenn das Substrat an negativem Potential angeschlossen ist.

Die Erfindung läßt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips zeigt die Zeichnung eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Auf­ dampfanlage, welche nachfolgend beschrieben wird.

In einem schematisch dargestellten Rezipienten 1 ist eine Sputterdiode 2 angeordnet, welche mit negativem Potential einer Hochspannungsversorgung 3 verbunden ist. Auf der Sputterdiode 2 ist unter Zwischenschaltung einer elek­ trisch leitenden, thermischen Isolation 4 ein Tiegel 5 aus Wolfram aufgesetzt, in dem Verdampfungsgut 6 einge­ füllt ist. Zum Schutz der Sputterdiode 2 vor hohen Tempe­ raturen ist diese mit einer üblichen Wasserkühlung 7 aus­ gestattet.

Vor der Stirnfläche des Tiegels 5 ist eine wegfahrbare Blende 8 angeordnet, welche mit Masse verbunden ist. Auf der dem Tiegel 5 gegenüberliegenden Seite der Blende 8 ist ein zu beschichtendes Substrat 9 dargestellt. Zur Eingabe einer Edelgasatmosphäre - üblicherweise Argon - und gegebenenfalls eines Reaktivgases münden in den Rezi­ pienten 1 Gasleitungen, wie zum Beispiel die Gasleitungen 10 und 11.

Zu Beginn des Aufdampfvorganges wird die Sputterdiode mit negativer Gleichspannung versorgt. Im Rezipienten 1 wird ein relativ hoher Druck von etwa 1 mbar Argon aufrechter­ halten. Dadurch kommt es zu einem Zünden eines Plasmas und zu einem raschen Aufheizen des Verdampfungsgutes 6.

Ist der Verdampfungspunkt des Verdampfungsgutes 6 er­ reicht, dann wird der Druck im Rezipienten 1 so weit ab­ gesenkt, daß das Plasma und die Beheizung des Tiegels überwiegend durch Dampfionen aufrechterhalten werden. Hierdurch ergeben sich günstige Bedingungen für den Auf­ dampfprozeß mit Plasmaunterstützung. Das Plasma kann durch Verändern des Partialdruckes des Edelgases (Argon) beeinflußt werden.

Bezugszeichenliste

1 Rezipient
2 Sputterdiode
3 Hochspannungsversorgung
4 Isolation
5 Tiegel
6 Verdampfungsgut
7 Wasserkühlung
8 Blende
9 Substrat
10 Gasleitung
11 Gasleitung

Claims (6)

1. Verfahren zum Beschichten eines Substrates innerhalb eines eine Edelgasatmosphäre aufweisenden Rezipienten, bei dem Verdampfungsgut in einem Tiegel mit Hilfe eines Plasmas verdampft wird, indem man den Tiegel zur Ionisa­ tion der Gasatmosphäre und damit zur Erzeugung des Plas­ mas oberhalb des Verdampfungsgutes mit einer Hochspan­ nungsversorgung verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel elektrisch mit einer ohne Permanentmagnet ar­ beitenden Sputterdiode verbunden wird und daß nach einem Aufheizen des Verdampfungsgutes bis zum Verdampfungspunkt der Druck im Rezipienten auf einen solchen Wert abgesenkt wird, bei dem das Diodenplasma überwiegend durch Dampf­ ionen aufrechterhalten wird.

2. Aufdampfanlage mit einer Verdampferquelle innerhalb eines Rezipienten, welche in einer Gasatmosphäre einen Tiegel für Verdampfungsgut hat, der zur Ionisation der Gasatmosphäre und damit zur Erzeugung eines Plasmas ober­ halb des Verdampfungsgutes mit einer Hochspannungsversor­ gung verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Tie­ gel (5) elektrisch leitend mit einer ohne Permanentmagnet arbeitenden Sputterdiode (2) verbunden ist und daß der Rezipient (1) Mittel zum Absenken des Druckes seiner Gasatmosphäre nach dem Aufheizen des Verdampfungsgutes (6) bis zum Verdampfungspunkt aufweist.

3. Aufdampfanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Tiegel (5) aus einem elektrisch leitenden Material besteht und thermisch isoliert, jedoch elek­ trisch leitend mit der Sputterdiode (2) verbunden ist.

4. Aufdampfanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Sputterdiode (2) an negativem Gleichspan­ nungspotential angeschlossen ist.

5. Aufdampfanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß oberhalb des Tiegels (5) eine mit Masse verbun­ dene, zu Beginn des Aufdampfvorganges wegfahrbare Blende (8) angeordnet ist.

6. Aufdampfanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das Substrat (9) an negativem Potential ange­ schlossen ist.