DE4425221C1 - Verfahren und Einrichtung zum plasmagestützten Beschichten von Substraten in reaktiver Atmosphäre - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum plasmagestützten Beschichten von Substraten in einer reakti­ ven Atmosphäre, insbesondere zur Abscheidung isolierender Schichten, wobei das Plasma mit einer Niedervoltbogenentla­ dungsplasmaquelle erzeugt wird und ein leitfähiges Material, vorzugsweise ein Metall, mit einem Vakuumbogenverdampfer verdampft wird.

Nach dem Stand der Technik sind eine Vielzahl unterschiedli­ cher Verfahren sowie Einrichtungen zur plasmagestützten Beschichtung bekannt. Für die vorliegende Erfindung sind insbesondere die Lösungen relevant, die zur Erzeugung des Plasmas eine Niedervoltbogenentladung einsetzen. Das plasma­ gestützte Beschichten hat dabei vorteilhafte Auswirkungen auf die Qualität der abgeschiedenen Schicht, insbesondere die Haftfestigkeit und die Dichte der Schicht.

In der DE 42 28 499 C1 wird ein Verfahren und eine Einrich­ tung beschrieben, bei denen die Katode einer Niedervoltboge­ nentladung (z. B. Hohlkatode) und eines Vakuumbogenverdamp­ fers gleichzeitig elektrisch mit einer anodischen Elektrode verbunden sind. Damit kann während der Verdampfung des Tar­ gets eines Vakuumbogenverdampfers ständig und unabhängig davon mittels der Niedervoltbogenentladung ein intensives Plasma erzeugt werden. Die Niedervoltbogenentladung kann aber auch selbständig für die Plasmabehandlung der Substrate, z. B. zur Ionenreinigung, eingesetzt werden. Nachteilig ist dabei, daß das Verfahren bzw. die Einrichtung nur zur Ab­ scheidung von metallisch leitenden Schichten eingesetzt werden kann. Bei der Beschichtung werden durch konstruktive Gestaltungen zwar vorzugsweise die Substrate beschichtet, es ist aber nicht auszuschließen, daß auch die anodische Elek­ trode beschichtet wird. Das ist vertretbar, wenn sich auf der anodischen Elektrode leitfähige Schichten abscheiden. Wenn jedoch isolierende Schichten abgeschieden werden, dann wird die Einrichtung unbrauchbar, da die anodische Elektrode nach kurzer Zeit derart beschichtet ist, daß sie isolierend abge­ deckt ist und ihre Wirkung als Elektrode verliert.

Die DE 42 21 361 C1 gibt ein Verfahren und eine Einrichtung zur plasmagestützten Beschichtung an, die besonders für die Abscheidung isolierender Schichten geeignet sind. Dabei brennt die Niedervoltbogenentladung gegen eine Anode, die drahtförmige Anodenstäbe aus hochschmelzendem Material auf­ weist. Diese drahtförmigen Anodenstäbe erhitzen sich während der Niedervoltbogenentladung derart hoch, daß sich darauf keine Schicht, insbesondere keine isolierende Schicht ab­ scheiden kann. Damit bleiben mindestens die Anodenstäbe der Anode der Niedervoltbogenentladung, auch bei der plasmagestützten Abscheidung von isolierenden Schichten, metallisch rein und damit leitfähig.

Nachteilig an dieser Lösung ist die sehr hohe Wärmestrahlung der glühenden Anodenstäbe. Damit ist die Einrichtung für viele wärmeempfindliche Substrate nicht einsetzbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und eine Einrichtung zur plasmagestützten Beschichtung von Sub­ straten zu schaffen, mit denen in einer reaktiven Atmosphäre insbesondere isolierende Schichten zuverlässig und mit gerin­ ger thermischer Belastung der Substrate abgeschieden werden können.

Die Erfindung löst die Aufgabe für das Verfahren mit den kennzeichnenden Mitteln des Anspruchs 1 und für die Einrich­ tung mit den kennzeichnenden Mitteln des Anspruchs 4. Vor­ teilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekenn­ zeichnet.

Der Kern der Erfindung liegt dabei darin, daß die Oberfläche des Targets eines Vakuumbogenverdampfers nach Abschluß eines Beschichtungszyklusses immer metallisch rein ist und minde­ stens zum Zünden der Niedervoltbogenentladung als Anode eingesetzt wird. Derartig kann eine Niedervoltbogenentladung problemlos und stabil gezündet werden. Das Target des Vakuum­ bogenverdampfers ist dabei mit einer Anode für die Nieder­ voltbogenentladung elektrisch verbunden, die sich an einer gegen Beschichtung mit einer isolierenden Schicht geschützten Lage befindet. Erst wenn sich in der Beschichtungskammer ein intensives Plasma ausgebildet hat, ist es möglich, das Target des Vakuumbogenverdampfers als Anode von der Niedervoltboge­ nentladung abzuschalten. Die Niedervoltbogenentladung brennt danach zwischen der Katode und der eigentlichen Anode stabil weiter. Aufgrund der besonderen Bedingungen bei der Abschei­ dung isolierender Schichten ist es erforderlich, die eigent­ liche Anode der Niedervoltbogenentladung derart einzuhausen und gegenüber der Katode zurückzusetzen, daß eine unmittel­ bare Zündung der Niedervoltbogenentladung zwischen der Katode und der Anode nicht möglich ist, oder zumindest nur instabil möglich ist.

Zur weiteren Vergrößerung der Anodenfläche und damit zur weiteren Stabilisierung der Zündung der Niedervoltbogenentla­ dung ist es vorteilhaft, daß zum Abschluß eines Beschich­ tungszyklusses eine besondere Fläche mit reinem Targetmateri­ al vom Vakuumbogenverdampfer bedampft wird und diese Fläche beim nächsten Zünden der Niedervoltbogenentladung vorteilhaft als zusätzliche Anodenfläche eingesetzt werden kann. Je größer die als Anode einer Niedervoltbogenentladung einge­ setzte Fläche ist, um so sicherer erfolgt die Zündung.

Die erfindungsgemäße Einrichtung gemäß Anspruch 4 besteht im wesentlichen aus einem Schaltelement mit dem mindestens zum Zünden der Vakuumbogenentladung das Target des Vakuumbogen­ verdampfers an die Anode der Niedervoltbogenentladung ge­ schaltet werden kann, wobei die Anode und die Katode der Niedervoltbogenentladung gemeinsam derart eingehaust sind, daß sie vor einer Beschichtung mit isolierendem Material weitgehend geschützt sind. Zusätzlich mündet ein Inertgaszu­ führung in die Einhausung, mit der ein Inertgasstrom gegen die in die Einhausung eindringenden schichtbildenden Partikel erzeugt werden kann.

Insbesondere zum Schutz der Anode des Vakuumbogenverdampfers gegen Beschichtung mit isolierendem Material ist es vorteil­ haft, auch den Vakuumbogenverdampfer mit seiner Anode und Katode weitgehend einzuhausen und in die Einhausung einen Inertgasstrom einzuleiten.

Zur Vergrößerung der Anodenfläche, mindestens während der Zündphase der Niedervoltbogenentladung, ist es vorteilhaft vor dem Target des Vakuumbogenverdampfers eine Schwenkblende anzuordnen, die nach Abschluß der Beschichtung der Substrate vorteilhafterweise in einer neutralen Atmosphäre, über das Target geschwenkt und beschichtet wird. Mindestens zur Zün­ dung der Niedervoltbogenentladung wird diese Blende an das elektrische Potential des Targets des Vakuumbogenverdampfers gelegt und vom Target weggeschwenkt, derart daß die beschich­ tete Fläche offen der Katode der Niedervoltbogenentladung gegenüberliegt.

Zur Verminderung der Einwirkung der Strahlungswärme von der heißen Katode der Niedervoltbogenentladung auf die Substrate ist es vorteilhaft die optische Linie zwischen der Katode der Niedervoltbogenentladung und Substratanordnung durch Blenden zu unterbrechen. Die Niedervoltbogenentladung kann in glei­ cher Weise mit einer Glühkatode wie mit einer Hohlkatode realisiert werden.

Isolierende Beschichtungen sind in vielseitiger Weise be­ kannt, sehr häufig sind es zum Beispiel optisch transparente und kratzfeste Schichten oder auch Schichten, die die Gleit­ eigenschaft der Substrate verbessern. Die Substrate sind dabei häufig sehr temperaturempfindlich, zum Beispiel opti­ sche Linsen aus einem Kunststoff. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Einrichtung können derartige Substrate in vorteilhafter Weise problemlos beschichtet werden.

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Die zugehörige Zeichnung zeigt eine erfindungsgemäße Ein­ richtung mit einer Hohlkatode als Niedervoltbogenplasmaquelle und einem Vakuumbogenverdampfer.

Im Ausführungsbeispiel soll eine metallhaltige Kohlenstoff­ schicht (Me-C:H) plasmagestützt auf Stahl abgeschieden wer­ den. Im Beispiel wird als Metall Titan eingesetzt. Derartige Schichten haben extrem geringe Reibkoeffizienten und eignen sich zur Herstellung von schmiermittelfreien Lagerelementen. Die erfindungsgemäße Einrichtung weist innerhalb der Vakuum­ kammer 1 einen Vakuumbogenverdampfer 2 auf, der in bekannter Weise aus einem Target 3, einer zugehörigen Anode 4 und einer Stromquelle 5 besteht. Als Plasmaquelle ist erfindungsgemäß eine Niedervoltbogenplasmaquelle 6 angeordnete, die im Bei­ spiel aus einer Hohlkatode 7 und einer zugehörigen Anode 8 besteht. Die Stromversorgung der Niedervoltbogenplasmaquelle 6 erfolgt über die Stromquelle 9.

Die Substrate 10 sind auf einem Substrathalter 11 gehaltert und dem Vakuumbogenverdampfer 2 gegenüber angeordnet.

Als erfindungswesentliches Element weist die Einrichtung das Schaltelement 12 auf, mit welchem das Target 3 wahlweise in einen elektrischen Stromkreis zur Anode 4 des Vakuumbogenver­ dampfers 2 oder an die Anode 8 der Niedervoltbogenplasma­ quelle 6 geschaltet werden kann. Die Hohlkatode 7 und die Anode 8 der Niedervoltbogenplasmaquelle 6 sind gemeinsam mit einer Einhausung 15 umgeben. In die Einhausung 15 mündet eine Inertgaszuführung 16 ein. In ähnlicher Weise ist auch der Vakuumbogenverdampfer 2 mit seinem Target 3 und der Anode 4 von einer Einhausung 17 umgeben, in die eine Inertgaszufüh­ rung 18 einmündet.

Oberhalb des Targets 3 ist eine Schwenkblende 19 angeordnet, die um den Drehpunkt 20 schwenkbar ist. Die Betätigung der Schwenkblende 19 erfolgt über einen Elektromagnet 21. Die Schwenkblende 19 ist elektrisch über die Leitung 22 mit dem Schaltelement 12 verbunden.

Nachfolgend soll das erfindungsgemäße Verfahren unter Aus­ nutzung der erfindungsgemäßen Einrichtung in seinem erfin­ dungsgemäßen Zusammenwirken näher beschrieben werden.

Nach der Beschickung der Substrathalterung 11 mit den Sub­ straten 10 wird die Vakuumkammer 1 in bekannter Weise evaku­ iert. Danach wird das Schaltelement 12 so geschaltet, daß die Kontakte A, B und C miteinander verbunden sind. Damit liegt das Target 3 des Vakuumbogenverdampfers 2 und die Schwenk­ blende 19 auf dem gleichen Potential wie die Anode 8 der Niedervoltbogenplasmaquelle 6. Wenn nachfolgend mit der Stromquelle 9 eine Spannung zwischen der Katode 7 der Nieder­ voltbogenplasmaquelle 6 und der Anode 8 gelegt wird, dann wirkt das Target 3 und die mittels des Elektromagneten 21 aufgeklappte Schwenkblende 19 als Zusatzanode der Nieder­ voltbogenplasmaquelle 6. Während die Anode 8 der Niedervolt­ bogenplasmaquelle 6 zur Katode 7 für eine sichere Zündung der Niedervoltbogenentladung relativ ungünstig liegt, bildet die saubere Oberfläche des Targets 3 aus einem leitenden Ver­ dampfungsmaterial, im Beispiel Titan, und die mit Titan bedampfte Unterseite der Schwenkblende 19 eine vorteilhafte große Anodenfläche zur Katode 7. Bei einer entsprechenden Stromzuführung über die Stromquelle 9 erfolgt eine problem­ lose Zündung der Niedervoltbogenentladung zwischen der Katode 7 und dem Target 3 mit der Schwenkblende 19. Innerhalb der Vakuumkammer 1 bildet sich ein intensives Plasma aus. Unter diesen Bedingungen kann das Schaltelement 12 nach der Zündung umgeschaltet werden, derart daß die Kontakte D und E ver­ bunden werden. Damit entfällt das Target 3 und die Schwenk­ blende 19 als Anodenfläche für die Niedervoltbogenentladung. Diese brennt jedoch in stabiler Weise selbständig zwischen der Katode 7 und der Anode 8 weiter. Nach diesem Vorgang der Zündung der Niedervoltbogenplasmaquelle kann in bekannter Weise eine Plasmabehandlung der Substrate 10, zum Beispiel eine Ionenbeschußreinigung, durchgeführt werden. Zur eigent­ lichen Beschichtung wird danach in die Vakuumkammer 1 über den Reaktivgaseinlaß 25 ein Kohlenwasserstoffgas, im Beispiel Äthylen, eingelassen und über die Stromquelle 5 der Vakuumbo­ genverdampfer 2 gezündet. Das Target 3, im Beispiel Titan, wird verdampft und auf den Substraten 10 wird eine Misch­ schicht aus Titan und amorphem Kohlenstoff plasmagestützt abgeschieden.

Diese metallhaltige amorphe Kohlenstoffschicht scheidet sich zwangsweise auch an allen übrigen Einbauteilen innerhalb der Vakuumkammer 1 ab und bildet eine isolierende Beschichtung in äquivalenter Weise wie auf den Substraten 10. Verfahrensty­ pisch bleibt lediglich das Target 3, welches ständig ver­ dampft wird, metallisch blank.

Zum Abschluß des Beschichtungszyklus wird die Schwenkblende 19 über das Target 3 geklappt und mit einer abschließenden leitenden Schicht aus Titan beschichtet. Der nächste Be­ schichtungszyklus erfolgt in der gleichen Weise wie bereits vorher beschrieben wurde, wobei jetzt in besonderem Maße außer der Oberfläche des Targets 3 und der Unterseite der Schwenkblende 19 alle Einbauteile mit einer isolierenden Schicht beschichtet sind.

Zum weitestgehenden Schutz der Anode 8 vor einer isolierenden Beschichtung ist diese innerhalb der Einhausung 15 angeord­ net, wobei zusätzlich in der Einhausung 15 über die Inert­ gaszuführung 16 ein leichter innerer Überdruck gegenüber der Vakuumkammer 1 erzeugt wird. Das Einströmen von schichtbil­ denden Partikeln in die Einhausung 15 und insbesondere auf die Anode 8 wird damit stark vermindert. In ähnlicher Weise ist auch der Vakuumbogenverdampfer 2 mit einer Einhausung 17 versehen, damit die Anode 4 weitestgehend unbeschichtet bleibt.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht insbesondere darin, daß trotz der unvermeidlichen Ausbildung von isolie­ renden Beschichtungen auf grundsätzlich allen Einbauteilen in der Vakuumkammer 1 in sicherer Weise eine stabile Nieder­ voltbogenentladung gezündet werden kann.

Claims (10)

1. Verfahren zum plasmagestützten Beschichten von Substraten (10) in einer reaktiven Atmosphäre, wobei das Plasma mittels einer Niedervoltbogenplasmaquelle (6) erzeugt und ein Metall mit einem Vakuumbogenverdampfer (2) verdampft wird, bei dem das Target (3) des Vakuumbogenverdampfers (2) mindestens zum Zünden der Niedervoltbogenentladung als Anode der Niedervoltbogenplasmaquelle (6) geschaltet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abschluß eines Beschichtungszyklusses eine Fläche, die mindestens zum Zünden der Niedervoltbogenentladung an die Anode (8) der Niedervoltbogenplasmaquelle (6) ge­ schaltet wird, vom Vakuumbogenverdampfer (2) mit Metall bedampft wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (3) des Vakuumbogenverdampfers (2) mindestens zum Zünden der Niedervoltbogenentladung von der Anode (4) des Vakuumbogenverdampfers (2) elektrisch getrennt wird.

4. Einrichtung zum plasmagestützten Beschichten von Sub­ straten (10) in einer reaktiven Atmosphäre, mit einer Niedervoltbogenplasmaquelle (6), deren Anode (8) und Katode (7) sich in räumlicher Nähe befinden und gemeinsam eingehaust sind, wobei in die Einhausung (15) eine Inert­ gaszuführung (16) einmündet, und mit einem Vakuumbogen­ verdampfer (2), dessen Target (3) mittels eines Schalt­ elements (12) mit der Anode (8) der Niedervoltbogenplas­ maquelle (6) verbunden werden kann.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vakuumbogenverdampfer (2) vor dem Target (3) eine Schwenkblende (19) aufweist, die vom Target (3) wegge­ schwenkt werden kann und mindestens zum Zünden der Nie­ dervoltbogenentladung mittels eines Schaltelements mit der Anode (8) der Niedervoltbogenplasmaquelle (6) ver­ bunden werden kann.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeich­ net, daß das Target (3) des Vakuumbogenverdampfers (2) und die Schwenkblende (19) gemeinsam mittels eines Schaltelements (12) mit der Anode (8) der Niedervoltbo­ genplasmaquelle (6) verbunden werden können.

7. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (3) des Vakuumbogenverdampfers (2) und die zu­ gehörige Anode (4) gemeinsam eingehaust sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in die Einhausung (17) eine Inertgaszuführung (18) ein­ mündet.

9 Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines Schaltelements oder des Schaltelements (12), welches das Target (3) des Vakuumbogenverdampfers (2) mit der Anode (8) der Niedervoltbogenplasmaquelle (6) verbindet, das Target (3) von der Anode (4) des Vakuumbo­ genverdampfers (2) elektrisch getrennt werden kann.

10. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Linie zwischen der Katode (7) der Nieder­ voltbogenplasmaquelle (6) und der Substratanordnung durch Blenden unterbrochen ist.