DE4409761A1 - Einrichtung zur plasmagestützten Verdampfung in einem Bogenentladungsplasma - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur plasmagestützten Verdampfung in einem Bogenentladungsplasma, die mit der Anode einer Stromquelle verbunden ist. Die Einrichtung kann zur Verdampfung unterschiedlicher Materialien, auch nichtleiten­ den Materialien, die thermisch verdampft werden müssen, eingesetzt werden.

Zur plasmagestützten Beschichtung von Substraten sind nach dem Stand der Technik verschiedene Verfahren und Einrichtun­ gen bekannt. Die Verdampfung des jeweiligen Verdampfungs­ materials kann dabei sowohl von der Katode wie von der Anode erfolgen.

Bei den anodisch verdampfenden Verfahren und Einrichtungen sind ebenfalls verschiedene Ausführungen bekanntgeworden. In breitem Maße eingeführt sind dabei Niedervoltbogenverdampfer, bei denen eine Niedervoltbogenentladung zwischen einer Kato­ de, das kann sowohl eine Glühkatode wie eine Hohlkatode sein, und einer Anode gezündet wird. Die Anode besitzt dabei in der Regel einen gekühlten selbst nichtverdampfenden Tiegel zur Aufnahme des Materials, welches verdampft werden soll. Ver­ fahrensbedingt sind solche Anordnungen für die Verdampfung elektrisch leitender Materialien besonders geeignet.

Die DE 34 13 891 C2 beschreibt ein Verfahren, bei dem zwi­ schen der Katode und der Anode eine Vakuumbogenentladung gezündet wird, wobei die auf der Oberfläche der Katode in den Katodenflecken gebildeten Elektronen, die Anode verdampfen und die Vakuumbogenentladung im wesentlichen durch das ver­ dampfte Anodenmaterial als Brennmedium aufrechterhalten wird. Das Verfahren arbeitet bei relativ niedrigen Drücken inner­ halb der Beschichtungskammer.

In der DD 2 63 423 A3 wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem parallel zu einer Bogenentladung innerhalb des äußeren Plasmas, ein zusätzlicher anodischer Tiegel angeordnet ist, auf den aus dem Plasma Elektronen extrahiert werden, die zur Verdampfung des Verdampfungsmaterials innerhalb des anodi­ schen Tiegels führt.

Die DD 2 57 451 A1 beschreibt einen Bogenentladungsverdampfer, der innerhalb des Verdampfertiegels mit gleichem elektrischen Potential einen Elektronenkollektor aus hochschmelzendem Material aufweist, an dem das Verdampfungsmaterial unmittel­ bar anliegt. Der Elektronenstrahl erhitzt den Elektronenkol­ lektor und das Verdampfungsmaterial wird zumindest am Anfang über Wärmeleitung und Wärmestrahlung aufgeheizt und ver­ dampft. Dieser Verdampfer eignet sich besonders zur Verdamp­ fung von Materialien mit schlechter elektrischer Leitfähig­ keit bzw. schlecht leitenden Oxidüberzügen.

In der EP 554 552 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Materialverdampfung beschrieben, bei dem das zu verdamp­ fende Material mit Elektronen aus einer Vakuumbogenverdamp­ fung beschossen wird. Zur stufenlosen Regelung der Elek­ tronenerzeugung und andererseits der Verdampfung ist neben einer ersten Stromquelle zur Erzeugung der Bogenspannung zwischen der selbstverzehrenden Katode und eine Anode eine zweite steuerbare Stromquelle zwischen der Anode der katodi­ schen Vakuumbogenverdampfung und einer zweiten selbstver­ zehrenden Anode vorgesehen, so daß die durch die katodische Vakuumbogenverdampfung erzeugten Elektronen im Vakuumbehälter gezielt der selbstverzehrenden Anode zugeführt werden.

Neben diesen an der Anode verdampfenden Einrichtungen bzw. Verfahren, sind auch verschiedene Verfahren und Einrichtungen bekannt, die mittels eines Vakuumlichtbogens das katodisch angeordnete Material verdampfen.

Die Verfahren und Einrichtung nach dem Stand der Technik sind überwiegend sehr spezifisch auf die zu verdampfenden Materia­ lien ausgerüstet und können oft nur elektrisch leitendes Material verdampfen. Für vielfältige Beschichtungsaufgaben sind derartige Einrichtungen zu unflexibel und durch ihre hohe Spezialisierung sehr aufwendig.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Einrichtung zur plasmagestützten Verdampfung zu schaffen, mit der bei relativ geringem technischen Aufwand beliebige Materialien mittels Elektronenbeschuß verdampft werden können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Einrichtung ge­ löst, die mit der Anode einer Stromquelle verbunden ist, einen Grundkörper und mindestens einen thermischen Verdampfer aufweist, wobei der thermische Verdampfer mit geringem ther­ mischen und elektrischen Kontakt auf einer ebenen Fläche des Grundkörpers angeordnet und die ebene Fläche dem Plasma zugewandt ist und die dem Plasma zugewandte ebene Fläche erheblich größer ist als die größte Querschnittsfläche des thermischen Verdampfers.

Bei einer Einrichtung für hohe Verdampfungsraten sind Boge­ nentladungsplasmen mit hoher Energiedichte besonders geeig­ net, solche Plasmen können auf verschiedene Weise erzeugt werden. Gleichermaßen geeignet sind Vakuumlichtbögen oder Niedervoltbögen, letztere sowohl mit einer Hohlkatode wie mit einer Glühkatode. Erfindungswesentlich ist, daß die Bogenent­ ladung zwischen einer Katode und einer relativ großen ebenen Fläche des Grundkörpers der erfindungsgemäßen Einrichtung brennt, oder durch eine separate Stromquelle zusätzlich gegen die große ebene Fläche des Grundkörpers getrieben wird. Der thermische Verdampfer ist nur mit geringem thermischen und elektrischen Kontakt auf der ebenen Fläche des Grundkörpers angeordnet, im einfachsten Fall steht er auf dieser, kann in einfachen Bohrungen einen Stabilisierungshalt haben oder auch an geeigneten Vorrichtungen an der ebenen Fläche des Grund­ körpers eingehangen werden.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß bereits nach kurzer Zeit der thermische Verdampfer, der sich innerhalb des Elek­ tronenstroms zur ebenen Fläche des Grundkörpers befindet, erwärmt wird und sich der Elektronenstrom aus der Bogenentla­ dung zunehmend auf den Verdampfer konzentriert. In der Folge wird der thermische Verdampfer mit dem darin befindlichen Verdampfungsmaterial intensiv aufgeheizt und das zu verdampfende Material wird zügig eingeschmolzen. Nach dem Einsetzen der Verdampfung fokussiert die Dampfwolke, die den Verdampfer nun umgibt, den Elektronenstrom nahezu vollständig auf das Verdampfungsgut.

Falls erforderlich kann der Strom gegen den Grundkörper kurz nach dem Einsetzen der Verdampfung auf verhältnismäßig gerin­ ge Werte abgesenkt werden, d. h. die Verdampfungsrate kann in einfacher Weise über diesen Strom reguliert werden. Der Verdampfungsprozeß ist selbststabilisierend, d. h. die Ver­ dampfung erfordert keine besonderen äußeren Steuerungsmaßnah­ men für das Aufheizen, Abschalten usf. Das zu verdampfende Material kann jeweils restlos aus dem thermischen Verdampfer verdampft werden.

Der thermische Verdampfer kann sowohl ein Verdampferwendel wie ein Verdampferschiffchen sein. Er ist keinerlei mecha­ nischen Spannungen durch die Einspannung desselben ausgesetzt und weist dadurch eine hohe Lebensdauer auf.

Die starke Konzentration der Bogenentladung auf den thermi­ schen Verdampfer führt zu einer hohen Ionisierung des Dampf­ stromes des zu verdampfenden Materials und in der Folge zu vorteilhaften plasmagestützten Schichtabscheidungen.

Die ebene Fläche des Grundkörpers kann in vorteilhafter Weise an die geometrischen Bedingungen innerhalb der Beschichtungs­ kammer und insbesondere an die Substratelage angepaßt werden. Sie kann rund oder vieleckig sein, je nachdem an welcher geometrischen Stelle die thermischen Verdampfer in Bezug auf die Substratlage vorteilhaft auf der ebenen Fläche positio­ niert werden sollen.

Die Zahl der thermischen Verdampfer richtet sich dabei aus­ schließlich nach den technologischen Erfordernissen. Die Ein­ richtung kann sowohl nur einen einzigen thermischen Verdamp­ fer aufweisen wie auch eine Vielzahl von derartigen Verdamp­ fern. Bei der Anordnung von mehreren thermischen Verdampfern konzentriert regelmäßig ein Verdampfer den Elektronenstrom auf sich. Das ist nicht von Nachteil, denn sobald der jeweils aktive Verdampfer leergedampft ist, also kein Verdampfungs­ material mehr aufweist, wird der nächste Verdampfer selbst­ regulierend aktiviert und in der Folge verdampft das in ihm enthaltene Verdampfungsmaterial. Dieser Effekt kann derart ausgenutzt werden, daß einzelne Verdampfer mit einer Blende abgedeckt werden, die erst dann entfernt werden, wenn es der technologisch bedingte Verfahrensablauf erfordert.

Die Erfindung soll nachfolgend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Die zugehörigen Zeichnungen zeigen das Beispiel I in den Fig. 1 bis 3 und das Beispiel II in Fig. 4. Im einzelnen zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Einrichtung mit einer Verdamp­ ferwendel als thermischen Verdampfer,

Fig. 1a ein Verdampferschiffchen als Variante für den thermischen Verdampfer nach Fig. 1,

Fig. 2 den thermischen Verdampfer nach Fig. 1 in einer Beschichtungskammer in der das Arbeitsplasma mittels einer Hohlkatodenbogenentladung erzeugt wird,

Fig. 3 den thermischen Verdampfer nach Fig. 1 in einer Beschichtungskammer in der das Arbeitsplasma mittels einer Vakuumlichtbogenentladung erzeugt wird und

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Einrichtung mit mehreren Ver­ dampferwendeln als thermischen Verdampfer.

Beispiel I

Fig. 1 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Einrichtung. Sie besteht aus einem flachen rotationssymmetrischen Grundkörper 1, auf dessen ebener Fläche 2 ein thermischer Verdampfer aufgestellt ist. Als thermischer Verdampfer ist eine Verdampferwendel 3 eingesetzt. In glei­ cher Weise kann auch ein Verdampferschiffchen 4 zum Einsatz kommen wie er beispielsweise in Fig. 1a dargestellt ist. In jedem Fall müssen die Füße 6 und 7 der Verdampferwendel 3 bzw. die Füße 8 und 9 des Verdampferschiffchens 4 derart geformt sein, daß der mit einem Verdampfungsmaterial 10 beladene thermische Verdampfer einen sicheren Stand auf der Fläche 2 des Grundkörpers 1 hat. Obwohl beim Betrieb des thermischen Verdampfers, also während der Verdampfung, ein relativ hoher Strom, gewöhnlich größer 50 A, über die Ver­ dampferwendel 3 bzw. das Verdampferschiffchen 4 zum Grundkör­ per 1 fließt, sind keine besonderen elektrischen Kontaktie­ rungen erforderlich. Die Berührungspunkte 11 und 12 sollten lediglich metallisch blank sein. Vorteilhafterweise ist der Grundkörper 1 mit einem Bolzen 13 mechanisch fest verbunden, der zugleich die Kühlwasserzu- und abführung 14 und die Stromzuführung übernimmt. Der Bolzen 13 ist mit dem positiven Pol einer Stromquelle 15 elektrisch verbunden.

Die Anordnung nach Fig. 1 wird am Boden einer Vakuumbe­ schichtungskammer 19 montiert wie sie in Fig. 2 und 3 darge­ stellt ist. Der Bolzen 13 ist zugleich als Vakuumdurchführung ausgebildet. Der untere Teil des Grundkörpers 1 ist mit einem Isolator 16, z. B. aus Keramik, abgedeckt. Er kann auch einfach mit einer Isolationsschicht beschichtet sein. Damit werden unerwünschte Entladungseffekte an dieser Fläche ver­ mieden.

In Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Einrichtung nach Fig. 1 in eine schematisch dargestellte Vakuumbeschichtungskammer 19 eingebaut. Das Arbeitsplasma wird mittels einer Hohlkato­ denbogenentladung mittels der Hohlkatode 17 erzeugt. Eine Stromquelle 18 treibt den Plasmastrom der Hohlkatodenboge­ nentladung. Die Wand der Vakuumbeschichtungskammer 19 ist als Anode der Hohlkatodenbogenentladung geschaltet. Die zu be­ schichtenden Substrate sind auf einem Substratträger 20 angeordnet, der sich vorteilhafterweise oberhalb der erfin­ dungsgemäßen Einrichtung mit dem thermischen Verdampfer, im Beispiel eine Verdampferwendel 3, bewegt. Die Verdampferwen­ del 3 ist mit 2 g Aluminium beladen.

Zur Verdampfung wird zu Beginn nur ein Bogenentladungsplasma unter Nutzung der Stromquelle 18 erzeugt und aufrechterhal­ ten. Das Plasma bewirkt eine vorteilhafte Vorbehandlung der Oberflächen der Substrate auf dem Substratträger 20. Danach wird die Stromquelle 15 zugeschaltet, wobei die Stromquelle den Bogenstrom auf konstant 100 A regelt. Nun kann man be­ obachten wie sich die Verdampferwendel 3 allmählich aufheizt, das Aluminium als Verdampfungsgut einschmilzt, die Verdamp­ ferwendel 3 benetzt wird und schließlich das Aluminium zügig verdampft. Nachdem das Aluminium aufgezehrt ist, bricht der Dampfstrom rasch ab und der thermische Verdampfer geht in einen rot- bis hellrot glühenden Zustand über. Die Stromquel­ le 15 ist nun abzuschalten, auch die Bogenentladung kann durch Abschalten der Stromquelle 18 beendet werden. Die Sub­ strate weisen nach der Verdampfung eine dünne Al-Reflexions­ schicht auf.

Da die Verdampferwendel 3 des thermische Verdampfers nicht fest eingespannt ist, treten keine mechanischen Spannungen beim Aufheizen und Abkühlen auf. Daraus resultiert letztlich eine vergleichbar höhere Lebensdauer gegenüber einer Ver­ dampferwendel, die durch Stromdurchgang widerstandsbeheizt wird und in einer Halteeinrichtung eingespannt ist.

Ein überraschendes Ergebnis ist auch, daß trotz einer fehlen­ den festen Kontaktierung des thermischen Verdampfers zum Grundkörper 1 keine Verschleißerscheinungen an den Berüh­ rungspunkten 11 und 12 beobachtet wurden.

Weiter konnte beobachtet werden, daß das Verdampfungsmate­ rial, insbesondere bei Aluminium in Wolframwendeln, nahezu rückstandslos abdampft.

Fig. 3 zeigt die erfindungsgemäße Einrichtung nach Fig. 1 in einer zu Fig. 2 äquivalenten Vakuumbeschichtungskammer 19, wobei das Arbeitsplasma von einem Vakuumlichtbogen be­ reitgestellt wird. Eine Stromquelle 21 treibt den Plasmastrom der Vakuumlichtbogenentladung. Dabei ist die Wand der Vakuum­ beschichtungskammer 19 als Anode geschaltet. Als Katode ist ein Target 22 eingesetzt. Die Substrate sind auf einem Sub­ strathalter 23 vorteilhafterweise zwischen dem Target 22 und dem thermischen Verdampfer angeordnet.

Wenn die Vakuumlichtbogenentladung nur für die Plasmabehand­ lung der Substratoberflächen erforderlich ist, so wird die Bogenentladung nur mit einem kleinen Strom zwischen 60 und 80 A betrieben. Der Ablauf der Beschichtung erfolgt in äquiva­ lenter Weise der Hohlkatodenbogenentladung wie es zu Fig. 2 bereits beschrieben wurde. Darüber hinaus kann aber auch das Target 22 als Verdampfer zur Beschichtung beitragen (Misch­ schichten) oder in anderer vorteilhafter Weise in den Ver­ fahrensablauf eingebunden werden.

Beispiel II

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, bei der die erfindungs­ gemäße Einrichtung einen Grundkörper 25 aufweist, welcher als ein langer flacher Quader ausgeführt ist. So können mehrere thermische Verdampfer, z. B. Wolframwendel 26, auf die ebene Fläche 27 des Grundkörpers 25 gestellt werden. Diese Aus­ führungsform ist besonders für lange horizontale Vakuumbe­ schichtungskammern, wie sie z. B. für die Beschichtung von Reflektoren mit Aluminium-Reflexionsschichten eingesetzt werden, geeignet.

Der Ablauf einer Beschichtung erfolgt entsprechend Beispiel I. Bemerkenswert ist bei diesem Beispiel, daß jeweils unkon­ trolliert bevorzugt ein Verdampferwendel 26 zuerst den Elek­ tronenstrom auf sich zieht. Erst wenn dieses weitgehend leergedampft ist, folgen nacheinander die anderen Verdampfer­ wendel 26. Eine Beeinträchtigung der Qualität der Beschich­ tung tritt dabei nicht ein.

Claims (5)

1. Einrichtung zur plasmagestützten Verdampfung in einem Bogenentladungsplasma, die mit der Anode einer Stromquelle verbunden ist, einen Grundkörper und mindestens einen thermischen Verdampfer aufweist, wobei der thermische Verdampfer mit geringem thermischen und elektrischen Kontakt auf einer ebenen Fläche (2) des Grundkörpers (1) angeordnet ist, die ebene Fläche (2) dem Plasma zugewandt ist und die dem Plasma zugewandte ebene Fläche (2) erheb­ lich größer als die größte Querschnittsfläche des ther­ mischen Verdampfers ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (1) wassergekühlt ist und dessen ebene Fläche (2, 27) rund oder vieleckig ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Verdampfer als ein Verdampferwendel (3) oder Verdampferschiffchen (4) ausgebildet ist und frei auf der ebenen Fläche (2, 27) steht oder in Halteeinrichtungen an der ebenen Fläche (2, 27), wie Bohrungen, Ausnehmungen oder Halteeinrichtungen, stabilisiert ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma ein Bogenentladungsplasma ist, und mittels eines Vakuumlichtbogens oder eines Niedervoltbogens, letzterer mit Hohlkatode (17) oder Glühkatode, erzeugt wird.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über mindestens einem von mehreren thermischen Verdampfern eine stellbare Abschirmung oder Blende vorhanden ist.