DE4421045C2 - Einrichtung zur plamagestützten Beschichtung von Substraten, insbesondere mit elektrisch isolierendem Material - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur plasmagestützten Beschichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbeson­ dere zur Beschichtung von temperaturempfindlichen Substraten, z. B. optische Linsen aus Kunststoff. Plasmagestützte Schich­ ten können dabei optisch transparente, mechanisch sowie che­ misch beständige Oxid- und Nitridschichten oder Magnesium­ fluorid sein.

Nach dem Stand der Technik sind bereits Verfahren bekannt, bei denen die Schichtabscheidung in einer Atmosphäre mit angeregten Ionen bzw. mit Ionenbeschuß durchgeführt wird. Die Ionenbehandlung erfolgt dabei sowohl während der Schicht­ abscheidung als auch danach. Die optischen Verluste konnten damit erheblich reduziert werden. In jüngerer Zeit hat sich das sogenannte reaktive Niedervoltionenplattieren bewährt, bei dem in Ar/O₂- oder Ar/N₂-Atmosphäre Schichten mit dichtem amorphen Gefüge und glatter Oberfläche hergestellt werden konnten. Diese Schichten weisen bessere Adhäsionswerte und eine gute Stöchiometrie auf.

Ein derartiges Verfahren wird z. B. in der DE 35 43 316 A1 beschrieben. Das jeweilige schichtbildende Material wird dabei in einem Tiegel durch einen hochenergetischen Elek­ tronenstrahl verdampft. Gleichzeitig wird zwischen einer Glühkathode und dem Verdampfungstiegel, der als Anode geschal­ tet ist, eine Niedervoltbogenentladung aufrechterhalten, die die Ausbildung eines Plasmas in der Beschichtungskammer bewirkt. Verfahrensgemäß wird durch den hochenergetischen Elektronenstrahl das schichtbildende Material verdampft und der Dampf in dem Plasma zumindest teilweise ionisiert. Die Substrate werden auf einer negativ vorgespannten Halterung montiert, so daß die Abscheidung unter wesentlicher Beein­ flussung durch das Plasma erfolgt. Wie bereits erwähnt, werden grundsätzlich vorteilhafte Schichten mit dieser Ver­ fahrensführung erzielt. Nachteilig ist bei diesem Verfahren jedoch, daß das Verdampfungsmaterial elektrisch leitend sein muß und die Verdampfung und die Plasmaerzeugung über den Verdampfer verkoppelt sind, was die Regelung des Gesamtpro­ zesses kompliziert. Die Ionen des Plasmas können dadurch auch nicht zur Vor- und Nachbehandlung der Substrate eingesetzt werden. Dieser Nachteil könnte an sich beseitigt werden, indem eine separate Anode für die Niedervoltbogenentladung einge­ setzt wird. Bei der Abscheidung von dünnen isolierenden Schichten führt diese Maßnahme jedoch nicht zum Erfolg, da zwangsläufig eine solche Anode im Beschichtungsraum in kurzer Zeit mit einer isolierenden Schicht bedeckt würde, und damit die Niedervoltbogenentladung erlischt.

Die DE 42 21 361 C1 gibt eine Lösung dieses Problems an, bei der eine niederenergetische Bogenentladung zwischen einer Hohlkathode und einer Anode erzeugt wird, wobei ein Teil der Anode auf eine Temperatur erhitzt wird, die wesentlich über der Schmelztemperatur des verdampften schichtbildenden Mate­ rials bzw. der Zersetzungstemperatur der Reaktionsprodukte des verdampften Materials liegt. Damit wird erreicht, daß die Anode teilweise metallisch blank bleibt und die Bogenentla­ dung zur Plasmaerzeugung stabil aufrechterhalten werden kann. Nachteilig an dieser Lösung ist, daß die hohe Temperatur der Anode auch zu relativ hohen Temperaturstrahlungen innerhalb der Beschichtungskammer führt. Insbesondere temperaturemp­ findliche Substrate können nur mit erheblichem technischem Aufwand durch Strahlungsblenden oder gar nicht beschichtet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur plasmagestützten Beschichtung von Substraten, insbesonde­ re mit elektrisch isolierendem Material zu schaffen, welche eine kalte Anode aufweist und bei der die Substrate während der Beschichtung thermisch nur gering belastet werden. Eine unmittelbar weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, daß die Schichtausbildung auf den Substraten sehr homogen er­ folgt.

Die Erfindung löst die Aufgabe mit den Mitteln des kennzeich­ nenden Teils des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird erreicht, daß der Dampf des Beschichtungsmaterials, insbesondere ein isolierendes Material oder ein Reaktionsprodukt aus einem verdampften Material, welches in der reaktiven plasmaaktivierten Atmo­ sphäre in der Beschichtungskammer als isolierendes Material auf den Substraten abgeschieden wird, nicht auf die Anode gelangt, da sich diese geschützt hinter der Substratanordnung befindet. Dazu ist es erforderlich, daß die flächige Sub­ stratanordnung bezüglich der Achse zwischen der Anode und der Dampfquelle optisch dicht erfolgt oder die entsprechende Substrathalterung optisch dicht ist. Die elektrische Ver­ bindung zwischen der Kathode der Niedervoltbogenentladung, das kann eine Hohlkathode oder eine Glühkathode sein, und der Anode ist über entsprechende Spalte zwischen der Substratanordnung und der Beschichtungskammer gewährleistet.

Das erfindungsgemäße Merkmal der geometrischen Anpassung der Anode an die Substratanordnung führt zu einer homogenen Ausbildung des Plasmas vor den Substraten in Richtung zur Dampfquelle und dadurch zu einer gleichmäßigen Schichtdicke der abgeschiedenen Schicht. Die gleichmäßige Schichtabschei­ dung kann durch Rotation der Substrate während der Beschich­ tung weiter verbessert werden.

Bei der geometrischen Anpassung der Anode an die Substrat­ anordnung ist es besonders wesentlich, die Randbereiche anzupassen. Die Anode kann demnach auch ringförmig sein. Technisch einfacher ist jedoch oft eine flächige Ausbildung der Anode, die zur Senkung der Temperaturbelastung der Sub­ strate auch gekühlt sein kann.

Zur Verhinderung, daß abgelenkte Dampfteilchen oder Reak­ tionsprodukte dennoch auf die Anode gelangen und diese mit einer isolierenden Schicht-überziehen ist es vorteilhaft, den Bereich zwischen der Substratanordnung und der Beschichtungs­ kammer mit plasmadurchlässigen Dampfblenden zu versehen.

Die grundsätzliche erfinderische Lösung ermöglicht auch bei der Verdampfung von bzw. Beschichtung der Substrate mit isolierendem Material die ungestörte Aufrechterhaltung der Plasmaentladung und vermeidet unerwünschte Temperaturbela­ stungen durch eine heiße Anode der Plasmaentladung.

Insbesondere zur Beschichtung von Substraten mit sehr gerin­ ger Temperaturbelastbarkeit, wie es bei Kunststoff der Fall ist, ist es vorteilhaft zusätzliche Maßnahmen an der Kathode der Niedervoltbogenentladung zu treffen, daß auch von dieser keine unerwünschte Temperaturbelastung der Substrate ausgeht.

Vorteilhaft wird dazu die verlängerte Achse der Niedervoltbo­ genentladung an der Kathode derart gelegt, daß diese außerhalb der Substratanordnung liegt. Damit wird verhindert, daß eine direkte Temperaturstrahlung auf die Substrate erfolgt. Weite­ re Maßnahmen können mit Einhausungen der Kathode bzw. Blenden­ anordnung getroffen werden.

Als besonders wirksam hat sich die Anordnung einer gekühlten zusätzlichen Anode im Bereich der Kathode erwiesen, die ins­ besondere die schnellen Elektronen innerhalb der Nieder­ voltbogenentladung auf sich zieht.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Einrichtung bestehen insbesondere darin, daß mit einfachen technischen Mitteln, bei stabilen Plasmabedingungen Substrate mit geringer Tempe­ raturbelastbarkeit homogen mit isolierendem Material be­ schichtet werden können.

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Die zugehörige Zeichnung zeigt schematisch eine Beschich­ tungseinrichtung mit der erfindungsgemäßen Einrichtung im Schnitt.

Die Zeichnung zeigt eine Beschichtungskammer 1 mit einer drehbaren Substrathalterung 2 und den daran angeordneten zu beschichtenden Substraten 3. Zur Verdampfung des Beschich­ tungsmaterials dient ein Elektronenstrahlverdampfer 4.

Zur Plasmaerzeugung mittels Niedervoltbogenentladung wird eine Hohlkathode 5 eingesetzt. Die Anode 6 befindet sich erfindungsgemäß gegenüber der Hohlkathode 5 und dem Elektro­ nenstrahlverdampfer 4 hinter der Substratanordnung, d. h. der Gesamtheit der einzelnen Substrate 3 bzw. der Substrathalte­ rung 2. Die geometrische Ausbildung der Anode 6 entspricht erfindungsgemäß im wesentlichen dem äußeren Durchmesser der Substratanordnung, d. h. sie ist im Ausführungsbeispiel kreisförmig und weist den gleichen Durchmesser auf wie die Substrathalterung 2.

Zwischen der Beschichtungskammer 1 und der Substratanordnung befinden sich zwei Dampfblenden 7 und 8, die insbesondere das Eindringen von gestreuten Teilchen des Beschichtungsmaterials in den Bereich hinter der Substratanordnung und auf die Anode 6 verhindern sollen. In der Mitte der Substrathalterung 2 befindet sich ein Testglaswechsler 9. Seitlich an der Be­ schichtungskammer 1 ist ein Gaseinlaß 10 zum Einlaß des jeweils erforderlichen Prozeßgases angeordnet.

Nachfolgend soll die erfindungsgemäße Einrichtungen im Be­ trieb näher beschrieben werden. Dabei wird davon ausgegangen, daß eine Vielzahl von Linsen aus Kunststoff mit einer optisch transparenten und harten, kratzfesten Siliziumoxidschicht beschichtet werden sollen.

Nach der Bestückung der Substrathalterung 2 mit den Substra­ ten 3 und den bekannten Verfahrensschritten zur Glimmreini­ gung der Substrate 3 innerhalb der Beschichtungskammer 1 beginnt die plasmagestützte Beschichtung. Dazu wird zuerst die Niedervoltbogenentladung zwischen der Hohlkathode 5 und der Anode 6 gezündet. Durch die erfindungsgemäße Einrichtung steht dazu innerhalb der Beschichtungskammer 1 eine saubere beim vorhergehenden Beschichtungszyklus unbeschichtete Anode 6 der Hohlkathode 5 gegenüber. Die Niedervoltbogenentladung führt zur Ausbildung eines Plasmas innerhalb der Beschich­ tungskammer 1, wobei das Plasma durch die Lage der Anode 6 um die äußeren Kanten der Substrathalterung 2 herumgezogen wird und im Bereich der Substrate 3 eine außerordentlich homogene Dichte aufweist. Danach beginnt die Verdampfung von Silizium aus dem Tiegel des Elektronenstrahlverdampfers 4 bei gleich­ zeitigem Einlaß von O₂ über den Gaseinlaß 10. Das verdampfte Silizium wird in der plasmaaktivierten Sauerstoffatmosphäre als SiO_x-Schicht auf der Oberfläche der Substrate 3 und zwangsläufig auch auf allen übrigen Oberflächen innerhalb der Beschichtungskammer unterhalb der Substratanordnung abge­ schieden. Hinter der rotierenden Substratanordnung kommt es durch die Dampfblenden 7 und 8 praktisch zu keiner Beschich­ tung. Das gilt insbesondere auch für die Anode 6 der Nieder­ voltbogenentladung, die sich ebenfalls hinter der Substrat­ anordnung befindet. Damit kann mit einer sauberen elektrisch leitfähigen Anode 6 während des gesamten Beschichtungszyklus­ ses eine stabile Niedervoltbogenentladung aufrechterhalten werden.

Zur Senkung der Temperaturbelastung der Substrate 3 sind innerhalb der Beschichtungseinrichtung des Ausführungsbei­ spieles weitere Maßnahmen vorgesehen. Die Anode 6 weist ein Kühlrohrsystem 15 auf, welches die Anode 6 auf relativ nied­ riger Temperatur hält und damit auch die Substrate 3 bzw. die Substrathalterung 2 von der Rückseite kühlt.

Die Hohlkathode 5 ist seitlich an der Beschichtungskammer 1 in einem Rohrstutzen 16 angeordnet, derart daß die Achse 17 der Niedervoltbogenentladung an der Hohlkathode 5 parallel zu der Oberfläche der Substrate 3 liegt und damit außerhalb der Sub­ stratanordnung. Damit wird eine direkt Wärmestrahlung von der Hohlkathode 5 auf die Substrate 3 grundsätzlich vermieden. Zusätzlich bildet der Rohrstutzen 16 bzw. die Öffnung an der Wand der Beschichtungskammer 1 eine optische Blende, die auch für die Wärmestrahlung wirkt. Des weiteren ist im Be­ reich der Mündung der Hohlkathode 5 eine relativ kleinflächige Ringanode 18 angeordnet, deren Potential etwas geringer ist als das Potential der Anode 6. Diese Ringanode 18 ist ge­ kühlt, wodurch der Rohrstutzen gegen hohe Wärmebelastung geschützt ist und was für die Erfindung von besonderer Bedeu­ tung ist, die für die Wärmebelastung der Substrate ungün­ stigen schnellen Elektronen innerhalb der Niedervoltbogenent­ ladung werden von dieser Ringanode 18 abgesaugt.

Die plasmagestützte Beschichtung der Substrate 3, im Beispiel optische Linsen aus temperaturempfindlichem Kunststoff, mit einer SiO_x-Schicht erfolgt problemlos und mit hoher Gleich­ mäßigkeit mit allen Vorteilen einer plasmagestützten Schicht­ abscheidung.

Claims (7)

1. Einrichtung zur plasmagestützten Beschichtung von Sub­ straten, insbesondere mit elektrisch isolierendem Materi­ al, mit einer Dampfquelle zum Verdampfen des Beschich­ tungsmaterials bzw. einer Komponente des schichtbildenden Materials und einer Niedervolt-Plasmaeinrichtung, beste­ hend aus einer Glüh- oder Hohlkathode, die sich in der Nähe der Dampfquelle befindet und einer Anode, dadurch­ gekennzeichnet, daß die Anode (6) der Niedervolt-Plas­ maeinrichtung gegenüber der Kathode (5) und der Dampfquelle (4) hinter der Substratanordnung (2, 3) angeordnet ist, derart daß die Anode (6) von der Kathode (5) optisch getrennt ist und geometrisch, mindestens in Bezug auf die äußere Kontur, im wesentlichen an die Substratanordnung (2, 3) angepaßt ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Substratanordnung (2, 3) und der Wand der Beschich­ tungskammer (1) plasmadurchlässige Dampfblenden (7, 8) vorhanden sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratanordnung (2, 3) um eine zentrische Achse drehbar angeordnet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Linie zwischen der Kathode (5) der Niedervolt- Plasmaeinrichtung und der Substratanordnung (2, 3) durch Blenden unterbrochen ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe der Kathode (5) der Niedervolt-Plasmaeinrichtung eine zusätzliche Anode, insbesondere eine gekühlte Ringa­ node (18) vorhanden ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verlängerte Hauptachse (17) der Niedervoltbogenentla­ dung an der Kathode (5) außerhalb der Substratanordnung liegt.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (6) der Niedervolt-Plasmaeinrichtung eine Kühleinrichtung (15) aufweist.