DE69522694T2

DE69522694T2 - Verfahren und vorrichtung zum plasmaspritzen

Info

Publication number: DE69522694T2
Application number: DE69522694T
Authority: DE
Inventors: Gary J. Follett; Steh M. Kirk; Gunter A. Kohler
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1994-08-16
Filing date: 1995-06-23
Publication date: 2002-07-04
Anticipated expiration: 2015-06-24
Also published as: KR970704907A; CA2196301A1; US5464667A; EP0778902B1; JPH10504061A; DE69522694D1; WO1996005333A1; EP0778902A1; MX9701062A

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Kohlenstoffbeschichtungen und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Plasmaabscheiden kohlenstoffreicher Beschichtungen.

Hintergrund der Erfindung

Kohlenstoffreiche Beschichtungen können recht hart, chemisch träge, korrosionsbeständig und für Wasserdampf und Sauerstoff undurchdringlich sein. Demgemäß werden sie auf einer großen Vielzahl von Substraten häufig als mechanische und chemische Schutzschichten verwendet. Beispielsweise wurden kohlenstoffreiche Beschichtungen auf starre Platten und flexible magnetische Medien aufgebracht. Sie wurden auch auf akustische Membranen, bei optischen und ophtalmologischen Linsen verwendete polymerische Substrate sowie auf elektrostatische photographische Trommeln aufgebracht.
Kohlenstoffreiche Beschichtungen, wie sie hier verwendet werden, enthalten mindestens 50 und typischerweise etwa 70-95 Atomprozent Kohlenstoff, 0,1-20 Atomprozent Stickstoff, 0,1-15 Atomprozent Sauerstoff und 0,1-40 Atomprozent Wasserstoff. Diese kohlenstoffreichen Beschichtungen können abhängig von ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften als "amorphe" Kohlenstoffbeschichtungen, "hydrierte amorphe" Kohlenstoffbeschichtungen, "Graphitbeschichtungen", "i-Kohlenstoff"-Beschichtungen, "diamantartige" Beschichtungen usw. klassifiziert werden. Wenngleich sich die molekularen Strukturen von diesen Beschichtungstypen nicht immer leicht unterscheiden lassen, weisen sie typischerweise zwei Typen von Kohlenstoff- Kohlenstoff-Bindungen, nämlich trigonale Graphitbindungen (sp2) und tetraedrische Diamantbindungen (sp3) auf. Sie können auch Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen und Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindungen usw. aufweisen. Abhängig vom Anteil der von Kohlenstoff verschiedenen Atome und dem Verhältnis zwischen den sp3- und den sp2-Bindungen können unterschiedliche strukturelle und physikalische Eigenschaften erhalten werden.
Diamantartige kohlenstoffreiche Beschichtungen weisen diamantartige Eigenschaften einer sehr großen Härte, einer sehr geringen elektrischen Leitfähigkeit, geringer Reibungskoeffizienten und einer optischen Durchlässigkeit über einen breiten Wellenlängenbereich auf. Sie können hydriert oder nicht hydriert sein. Diamantartige Kohlenstoffbeschichtungen enthalten typischerweise ein nichtkristallines Material mit trigonalen Graphitbindungen (sp2) und tetraedrischen Diamantbindungen (sp3), wenngleich angenommen wird, daß die sp3- Bindungen vorherrschen. Im allgemeinen sind diamantartige Beschichtungen härter als Graphitkohlenstoffbeschichtungen, die härter als Kohlenstoffbeschichtungen mit einem hohen Wasserstoffanteil, also Kohlenwasserstoffmoleküle oder Teile davon enthaltende Beschichtungen, sind.
Verfahren zum Herstellen von Beschichtungen durch Plasmaabscheidung, also durch Plasma unterstützte chemische Dampfabscheidung, sind bekannt. Einige dieser Verfahren haben jedoch Mängel. Beispielsweise kann die Verwendung eines hohen Gasflusses, eines hohen Drucks und einer hohen Leistung bei bestimmten Verfahren die Bildung von Kohlenstoffpulver anstelle des gewünschten glatten, harten Kohlenstoffilms bewirken. In US-A-5 232 791 und in US-A-5 286 534 ist ein Verfahren zur Plasmaabscheidung einer einige dieser Mängel überwindenden kohlenstoffreichen Beschichtung offenbart. Bei diesem Verfahren wird ein kohlenstoffreiches Plasma verwendet, das in einer langgestreckten Hohlkathode, also einer typischerweise ein Länge-Durchmesser-Verhältnis von 15 : 1 bis 1 : 1 aufweisenden rohrförmigen Kathode aus einem Gas wie Methan, Ethylen, Methyliodid, Methylcyanid oder Tetramethylsilan erzeugt wird. Das Plasma wird zu einem einer Radiofrequenz-Vorspannung ausgesetzten Substrat beschleunigt. Wenngleich dieses Verfahren auf dem Fachgebiet einen erheblichen Fortschritt darstellt, sind zum Abscheiden einer großen Vielfalt kohlenstoffreicher Beschichtungen unter der Anforderung einer geringen Energie andere Plasmaabscheidungsverfahren erforderlich.
In JP-A-62-047483 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Dünnfilms durch ein Glimmentladungssystem offenbart. Das Glimmentladungssystem erzeugt eine Plasmawolke, also ein negatives Glimmen, wodurch der gewünschte Dünnfilm auf einem Substrat abgeschieden wird.
JP-A-2-213481 betrifft eine Dünnfilm-Erzeugungsvorrichtung, und es ist darin ein Glimmentladungssystem offenbart, bei dem ein Plasmagas in ein Kathodensystem diffundiert.
In US-A-5 314 540 ist ein Plasmastrahlsystem offenbart, bei dem ein Plasma zwischen der Kathode und der Anode erzeugt wird und ein Strahlstrom aus der Kathode/Anode-Anordnung heraus gerichtet wird. Die Elektrodenkonfiguration ist eine sich innerhalb einer zylindrischen Kathode befindende stabartige Anode. Das Kathoden-Plasmastrahlsystem erzeugt einen einzigen Lichtbogen. Ein Argonplasma kann vor dem Einleiten eines Kohlenwasserstoffgases im Elektrodensystem erzeugt werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zur Plasmaabscheidung einer kohlenstoffreichen Beschichtung auf einem Substrat nach Anspruch 1 vor.
Das Verfahren kann die folgenden Schritte aufweisen:
(a) Bereitstellen eines Substrats in einer Vakuumkammer,
(b) Erzeugen eines kohlenstoffreichen Plasmas in der Vakuumkammer durch:
(1) Einleiten eines Plasmagases in ein Hohlkathoden- Schlitzsystem, das eine zwei parallel zueinander angeordnete Elektrodenplatten aufweisende Kathode aufweist,
(2) Bereitstellen einer zum Erzeugen und Aufrechterhalten eines kohlenstoffreichen Plasmas im Hohlkathoden-Schlitzsystem ausreichenden Spannung und
(3) Aufrechterhalten eines zum Aufrechterhalten des Plasmas ausreichenden Vakuums in der Vakuumkammer und
(c) Aufbringen des kohlenstoffreichen Plasmas auf das Substrat zum Bilden einer kohlenstoffreichen Beschichtung.
Das Hohlkathoden-Schlitzsystem weist zwei parallel orientierte Platten auf. Diese Platten erzeugen einen "Schlitz", in dem ein stabiles Plasma erzeugt wird. Demgemäß wird diese Konfiguration hier als ein Hohlkathodenschlitz bezeichnet. Der Schlitz ist im allgemeinen rechteckförmig und hat ein Länge-Breite-Verhältnis von weniger als 1. 1. Demgemäß ist die Breite des Raums zwischen den Platten größer als seine Länge, was ihn von einem "Rohr" oder einer langgestreckten Hohlkathode unterscheidet, wobei das Länge-Durchmesser-Verhältnis mindestens 1 : 1 beträgt und im allgemeinen größer ist. Diese Konfiguration weist auch verschiedene Arten erheblicher Vorteile auf, wie weiter unten erörtert wird. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß die Länge der Kathode der Abstand zwischen dem Einlaß für die Gase und dem Auslaß für das Plasma ist.
Das Hohlkathoden-Schlitzsystem weist vorzugsweise eine erste Abteilung, in der sich ein Hohlkathodenrohr befindet, eine mit der ersten Abteilung verbundene zweite Abteilung und eine mit der zweiten Abteilung verbundene dritte Abteilung auf, in der sich zwei parallele Platten befinden. Das Plasmagas weist ein Zuführgas, vorzugsweise eine Kombination aus einem Zuführgas und einem Trägergas auf, wobei das Trägergas in die erste Abteilung eingeleitet wird und wobei das Zuführgas zur Mischung mit dem Trägergas in die zweite Abteilung eingeleitet wird.
Wenngleich die Spannung unter Verwendung einer nicht pulsierenden, gefilterten Gleichspannungsversorgung oder einer pulsierenden Gleichspannungsversorgung angelegt werden kann, wird die Spannung bei besonders bevorzugten Ausführungsformen durch eine an das Hohlkathodenrohr angeschlossene erste pulsierende Gleichspannungsversorgung und eine an die zwei Elektrodenplatten, also den Hohlkathodenschlitz, angeschlossene zweite pulsierende Gleichspannungsversorgung bereitgestellt.
Das Plasma wird vorzugsweise während das Substrat sich in unmittelbarer Nähe einer Radiofrequenz-Vorspannungseinrichtung befindet und bevorzugter während sich das Substrat in Kontakt mit der Radiofrequenz-Vorspannungseinrichtung befindet, auf das Substrat abgeschieden. Die Radiofrequenz-Vorspannungseinrichtung zieht das Plasma zum Substrat hin, wodurch das Plasma zur wirksamen und schnellen Abscheidung zum Substrat hin beschleunigt wird. Das Verwenden der Radiofrequenz-Vorspannungseinrichtung trägt auch zum Bilden härterer kohlenstoffreicher Beschichtungen bei. Die Radiofrequenz- Vorspannungseinrichtung ist vorzugsweise eine Kühlrolle.
Bei bevorzugten Ausführungsformen wird das Plasma auf seinem Weg zum Substrat an einem Anodensystem vorbei gelenkt, das vorzugsweise an beide pulsierenden Gleichspannungsversorgungen angeschlossen ist. Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen wird das Plasma an einem einstellbaren Anodensystem vorbeigelenkt.
Die vorliegende Erfindung sieht auch eine Plasmastrahl- Abscheidungsvorrichtung nach Anspruch 14 vor. Die Vorrichtung weist ein Kathodensystem zum Erzeugen eines Plasmas und ein Anodensystem auf. Das Kathodensystem ist ein Hohlkathoden- Schlitzsystem mit einer Abteilung, in der sich eine zwei parallel zueinander angeordnete Elektrodenplatten aufweisende Kathode befindet. Das Hohlkathoden-Schlitzsystem weist vorzugsweise eine erste Abteilung, in der sich ein Hohlkathodenrohr befindet, eine mit der ersten Abteilung verbundene zweite Abteilung und eine mit der zweiten Abteilung verbundene dritte Abteilung auf, in der sich zwei parallele Elektrodenplatten befinden. Dieses Kathodensystem wird vorzugsweise in Kombination mit einem Anodensystem und zwei pulsierenden Gleichspannungsversorgungen verwendet, wobei das Hohlkathodenrohr an eine erste pulsierende Gleichspannungsversorgung angeschlossen ist und wobei die zwei Elektrodenplatten an eine zweite pulsierende Gleichspannungsversorgung angeschlossen sind. Das Anodensystem kann irgendeinem als Anode funktionierenden Typ angehören. Es ist vorzugsweise ein einstellbares Anodensystem, wie es hier beschrieben wird. Vorzugsweise weist die Plasmastrahl-Abscheidungsvorrichtung ein Kathodensystem (vorzugsweise ein Hohlkathoden- Schlitzsystem) zum Erzeugen eines Plasmas und ein sich im wesentlichen unterhalb des Wegs, über den sich das Plasma beim Betrieb bewegt, befindendes einstellbares Anodensystem auf. Diese Vorrichtung sowie die im vorhergehenden Absatz beschriebene Vorrichtung weist vorzugsweise eine Vorspannungselektrode auf, und die einstellbare Anode befindet sich im wesentlichen unterhalb einer den Schlitz des Hohlkathoden- Schlitzsystems und die Vorspannungselektrode verbindenden gedachten Linie, so daß sie sich unterhalb des Wegs des Plasmas befindet, wenn es sich beim Betrieb zwischen der Kathode und der Vorspannungselektrode bewegt.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm einer Plasmastrahl- Dampfabscheidungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 ist eine seitliche Schnittansicht eines bevorzugten Hohlkathoden-Schlitzsystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 zeigt Graphen von Leistungsanforderungen und den sich daraus ergebenden Abscheidungsraten eines Hohlkathodenrohrs (mit einem Durchmesser von 2,5 cm).
Fig. 4 ist eine Teilansicht einer Plasmastrahl-Dampfabscheidungsvorrichtung mit einem einstellbaren Anodensystem. Die Fig. 5 A - F zeigen Graphen der Beschichtungsdicke in Angström entlang der Breite eines Polyesterfilms (in mm vom linken Rand): (A) kein spezielles Anodensystem, (B) Schlitzöffnung des einstellbaren Anodensystems = 1-2 cm, (C) 150 mm der Mitte des Anodenschlitzes sind blockiert, (D) die rechte Hälfte des Anodenschlitzes ist blockiert, der Kathodenschlitz ist nicht blockiert, (E) die rechte Hälfte des Kathodenschlitzes ist blockiert, der Anodenschlitz ist nicht blockiert, und (F) die rechten Hälften des Kathodenschlitzes und des Anodenschlitzes sind blockiert.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abscheiden kohlenstoffreicher Beschichtungen durch Plasmastrahlabscheidung. Allgemein wird beim Prozeß gemäß der vorliegenden Erfindung ein kohlenstoffreiches Plasma (also ausgedehnte, gasförmige, reaktive, ionisierte und neutrale Kohlenwasserstoffragmente) verwendet, das in einem Strahlstrom auf ein Substrat gerichtet wird. Das Substrat ist im allgemeinen negativ geladen, weil es einer Radiofrequenz-Vorspannung ausgesetzt wird. Das kohlenstoffreiche Plasma wird unter Verwendung eines Hohlkathodensystems, also eines "Hohlkathodenrohrs" oder eines "Hohlkathodenschlitzes", vorzugsweise eines Schlitzes und bevorzugter eines in einer Linie mit einem Schlitz angeordneten Rohrs, aus einem Plasmagas erzeugt und dann auf eine Anode und typischerweise an dieser vorbei gerichtet. Dies steht im Gegensatz zu herkömmlichen "Plasmastrahlsystemen", bei denen das Plasma zwischen der Kathode und der Anode erzeugt wird und ein Strahlstrom aus der Kathode/Anode-Anordnung gerichtet wird.
Das Plasmagas kann gasförmig oder eine verdampfte Flüssigkeit sein. Es weist ein Zuführgas und wahlweise ein Trägergas, z. B. Argon, auf. Das Plasmagas weist vorzugsweise sowohl ein Zuführgas als auch ein Trägergas auf. Das Zuführgas ist irgendeine geeignete Quelle für die gewünschte Zusammensetzung der kohlenstoffreichen Beschichtung. Die aus dem kohlenstoffreichen Plasma abgeschiedenen kohlenstoffreichen Beschichtungen bilden im allgemeinen eine im wesentlichen undurchdringliche Sperre für Wasserdampf und Sauerstoff. Weiterhin sind die Beschichtungen im allgemeinen gegenüber einer mechanischen und chemischen Beeinträchtigung widerstandsfähig. Sie sind beispielsweise ausreichend elastisch, auf typischen flexiblen Substraten verwendet werden zu können, die beispielsweise bei magnetischen Medien und Verpackungsfilmen verwendet werden.
In Fig. 1 ist eine besonders bevorzugte Plasmastrahlvorrichtung zum Abscheiden allgemein als 10 angegebener kohlenstoffreicher Beschichtungen dargestellt. Die Vorrichtung weist eine über eine Flußsteuereinrichtung 24 mit einem Einlaßrohr 26 verbundene Zuführgasquelle 20 und eine über eine Flußsteuereinrichtung 25 mit einem Einlaßrohr 27 verbundene Trägergasquelle 22 auf. Trägergas, beispielsweise Argon, von der Gasquelle 22 wird über eine Einlaßöffnung 28 in eine Vakuumkammer 30 und in ein Hohlkathodensystem 40 eingeführt. Zuführgas, beispielsweise Acetylen, von der Gasquelle 20 wird über eine Einlaßöffnung 29 in die Vakuumkammer 30 und in das Hohlkathodensystem 40 eingeführt. Das bevorzugte Hohlkathodensystem 40 ist in drei Abteilungen, nämlich eine erste Abteilung 41, eine zweite Abteilung 42 und eine dritte Abteilung 43 eingeteilt. Das Trägergas wird, falls es verwendet wird, in die erste Abteilung 41 eingeführt, während das Zuführgas in die zweite Abteilung 42 eingeführt wird.
Zusätzlich zum Hohlkathodensystem 40 befinden sich innerhalb der Vakuumkammer 30 ein Anodensystem 60, vorzugsweise ein einstellbares Anodensystem, das auch als ein Erdungssystem wirken kann, eine Radiofrequenz-Vorspannungselektrode 70 sowie ein Substrat (beispielsweise ein Polyesterfilm wie Polyethylenterephtalat "PET") 75. Das Substrat 75 wird im allgemeinen von einer ersten Rolle 76 abgewickelt und wieder auf eine zweite Rolle 78 gewickelt. Das Plasmagas, also das Zuführgas allein oder eine Mischung aus Zuführgas und Trägergas, wird innerhalb des Hohlkathodensystems 40 in ein kohlenstoffreiches Plasma umgewandelt. Das kohlenstoffreiche Plasma wird dann auf das Substrat 75 gerichtet, das während des Abscheidens der kohlenstoffreichen Beschichtung aus dem kohlenstoffreichen Plasma die Radiofrequenz-Vorspannungselektrode 70 berührt. Das Substrat kann aus irgendeinem Material bestehen, das mit einer kohlenstoffreichen Beschichtung überzogen werden kann. Es kann beispielsweise ein Polymersubstrat, ein Metallsubstrat oder ein Keramiksubstrat sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Substrat ein dünner, also weniger als 20 Millizoll (0,05 cm) messender und flexibler Polymerfilm. Beispiele verwendbarer Filme sind orientiertes Polyester, Nylon, zweiachsig orientiertes Polypropylen und dergleichen.
Die Radiofrequenz-Vorspannungselektrode 70 besteht aus Metall, wie Kupfer, Stahl, Edelstahl usw. und weist vorzugsweise die Form einer Rolle auf, wenngleich dies nicht unbedingt erforderlich ist. Sie kann beispielsweise die Form einer Platte annehmen. Die Rolle ist jedoch vorteilhaft, weil bei ihr die Reibung zwischen der Elektrode und dem Substrat verringert ist, wodurch die Verzerrung des Films verringert wird. Die Radiofrequenz-Vorspannungselektrode 70 wird bevorzugt auf eine Temperatur von höchstens etwa der Zimmertemperatur, vorzugsweise auf eine Temperatur von etwa 0-5ºC wassergekühlt, was vorteilhaft ist, wenn wärmeempfindliche Substrate verwendet werden. Die Radiofrequenz-Vorspannungselektrode weist typischerweise eine Frequenz von etwa 25 kHz bis etwa 400 kHz auf, wenngleich es möglich ist, den Frequenzbereich bis in den Megahertzbereich hinein zu erhöhen. Sie weist typischerweise eine Vorspannung von etwa minus 100 Volt bis etwa minus 1500 Volt auf. Mit der Vorspannung wird in der Nähe der Radiofrequenz-Vorspannungselektrode 70, die ein negatives Potential an das Substrat anlegt, ein zusätzliches Plasma erzeugt und das Plasma 160 zur wirksamen und schnellen Abscheidung zum Substrat 75 hingezogen.
Zum Erzeugen des kohlenstoffreichen Plasmas ist eine erste Gleichspannungsversorgung 80 durch eine Schaltung 82 elektrisch direkt an die erste Abteilung 41 des Hohlkathodensystems 40 und durch eine Schaltung 84 an das Anodensystem 60 angeschlossen. Die erste Gleichspannungsversorgung 80 kann eine pulsierende Gleichspannungsversorgung, eine nicht pulsierende, gefilterte Gleichspannungsversorgung oder eine andere Plasmaerzeugungseinrichtung mit geeigneter Lichtbogenunterdrückung, wie sie bei Sputtersystemen verwendet wird, sein. Eine pulsierende Gleichspannungsversorgung ist jedoch im allgemeinen bevorzugt. Weiterhin ist eine zweite Gleichspannungsversorgung 85 durch eine Schaltung 87 elektrisch direkt an die dritte Abteilung 43 des Hohlkathodensystems 40 und auch durch die Schaltung 84 an das Anodensystem 60 angeschlossen. Die zweite Gleichspannungsversorgung 85 kann eine pulsierende Gleichspannungsversorgung, eine nicht pulsierende, gefilterte Gleichspannungsversorgung oder eine andere Plasmaerzeugungseinrichtung mit geeigneter Lichtbogenunterdrückung sein, wenngleich eine pulsierende Gleichspannungsversorgung bevorzugt ist. Ein Beispiel einer nicht pulsierenden, gefilterten Gleichspannungsversorgung ist eine gefilterte Gleichspannungsversorgung mit 25 Kilowatt, wie beispielsweise diejenige, die von Hippotronics Inc., New York, NY, erhältlich ist. Eine solche Spannungsversorgung erzeugt ein Plasma bei hohen Strömen von bis zu etwa 10 Ampere und bei einer verhältnismäßig niedrigen Spannung von etwa minus 100 Volt.
Eine RF-Vorspannungsversorgung 90 (beispielsweise die Spannungsversorgung Plamsaloc 3 von ENI Power Systems, Inc., Rochester, NY) ist durch eine Schaltung 92 an die Radiofrequenz-Vorspannungselektrode 70 und durch eine Schaltung 94 an eine Erde 100 angeschlossen. Die Gleichspannungsversorgungen 80 und 85 können auch an die Erde 100 angeschlossen sein, wenngleich dies keine bevorzugte Anordnung ist. Die elektrische Verbindung ist in Fig. 1 durch die unterbrochene Linie 105 dargestellt. Demgemäß ist das Anodensystem 60 bei dieser Anordnung, bei der alle drei Spannungsversorgungen an eine Erde 100 angeschlossen sind, geerdet. Die vorhergehend erwähnte Anordnung, bei der das Anodensystem 60 nicht geerdet ist, ist im Vergleich zur späteren Anordnung vorteilhaft. Wenn das Anodensystem 60 beispielsweise nicht geerdet ist, ist das gebildete Plasma stabiler, was zumindest deswegen der Fall ist, weil das Anodensystem für das Plasma als von der geerdeten Metallkammer verschieden erscheint. Wenn das Anodensystem 60 weiterhin nicht geerdet ist, ist die Beschichtungsdicke über die Bahn, also die Beschichtungsdicke entlang der Breite des Substrats, auch gleichmäßiger. Weiterhin ist das Plasma enger begrenzt, und das Abscheidungsmuster kann durch Ändern des Aussetzens des Plasmas gegenüber dem Anodensystem 60 leichter gesteuert werden, wie in den Beispielen in näheren Einzelheiten erklärt wird.
Wie oben erwähnt wurde, sind die Gleichspannungsversorgungen 80 und 85 vorzugsweise pulsierende Gleichspannungsversorgungen. Dies liegt daran, daß pulsierende Gleichspannungsversorgungen stabilere Plasmabedingungen als nicht pulsierende Gleichspannungsversorgungen bieten, was zu gleichmäßigen Plasmaabscheidungsraten und daher entlang der Bahn, also in Längsrichtung des Substrats, zu einer Gleichmäßigkeit der Beschichtung führt. Sie ermöglichen weiterhin die Verwendung hoher Stromflüsse und demgemäß hoher Abscheidungsraten bei verhältnismäßig niedriger Spannung.
Unabhängig davon, ob sie als die erste Gleichspannungsversorgung 80 oder die zweite Gleichspannungsversorgung 85 oder für beide verwendet wird, liefert eine bevorzugte pulsierende Gleichspannungsversorgung eine Spannung, die typischerweise etwa 25-1000mal je Sekunde, bevorzugter etwa 25-200mal je Sekunde und am bevorzugtesten etwa 100- 120mal je Sekunde durch Null läuft. Dies ermöglicht das Löschen und das dann erfolgende Neuzünden des Plasmas, wenn die Kathode ihr erforderliches Potential erreicht. Beispiele solcher pulsierenden Gleichspannungsversorgungen sind die Spannungsversorgung Airco Temescal Model CL-2A mit einer maximalen Ausgabe von 500 mA und einer von 0 bis minus 5000 Volt über eine volle Welle gleichgerichteten Gleichspannung mit 120 Hz, die von Airco Temescal, Berkeley, CA erhältlich ist. Bei einer anderen Version dieser Spannungsversorgung werden zwei Airco-Temescal-Transformatoren parallel verwendet, was zu einer maximalen Ausgabe von 1 Ampere führt. Diese pulsierenden Gleichspannungsversorgungen wurden bei den weiter unten beschriebenen Beispielen verwendet. Eine weitere Spannungsversorgung wurde mit einer maximalen Ausgabe von 10 Ampere gebaut und auch bei den weiter unten beschriebenen Beispielen verwendet. Dies wurde mit einem von MAG-CON Inc., Roseville, MN erhaltenen größeren (1 Kilowatt) Transformator vom Streutyp mit einer Vollwellengleichrichtung zum Erreichen einer pulsierenden Gleichspannungsausgabe ausgeführt. Hier ist ein Transformator vom "Streutyp" ein Transformator, der für eine Last mit einem negativen dynamischen Widerstand einen stabilen Arbeitspunkt bietet. Typischerweise beträgt die Ausgabe dieser 10-Ampere-Spannungsversorgung bei einem Strom von 0 bis 10 Ampere 0 bis minus 1500 VDC (Volt Gleichstrom). Diese Spannungsversorgung ist strombegrenzt, wodurch das Bilden von Lichtbögen hoher Intensität an den Kathodenoberflächen verhindert wird. Falls größere Ströme erforderlich sind, kann ein größerer Transformator vom Streutyp verwendet werden, oder es können zwei oder mehr kleinere Transformatoren parallel angeordnet werden.
Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind sowohl die Spannungsversorgung 80 als auch die Spannungsversorgung 85 pulsierende Gleichspannungsversorgungen. Bei diesen Ausführungsformen wird ein Trägergas in die erste Abteilung 41 des Hohlkathodensystems 40 eingeleitet, und eine pulsierende Gleichspannungsversorgung, vorzugsweise eine pulsierende Gleichspannungsversorgung mit 500 mA, wird zum Erzeugen eines Plasmas aus dem Trägergas verwendet. Wenngleich das Bilden dieses anfänglichen Trägergasplasmas nicht immer erforderlich sein mag, wenn eine pulsierende Gleichspannungsversorgung zum Erzeugen eines Plasmas in der dritten Abteilung 43 des Hohlkathodensystems 40 verwendet wird, ist es zum Zünden eines Plasmas in der dritten Abteilung erforderlich, wenn eine nicht pulsierende, gefilterte Gleichspannungsversorgung verwendet wird. Nach dem anfänglichen Zünden des Trägergasplasmas bei besonders bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird dieses anfängliche Plasma in die zweite Abteilung 42 des Hohlkathodensystems 40 eingeleitet, wo es mit dem Zuführgas gemischt wird. Diese Mischung wird dann in die dritte Abteilung 43 eingeleitet, wo ein zweites Plasma unter Verwendung einer pulsierenden Gleichspannungsversorgung erzeugt wird. Diese pulsierende Gleichspannungsversorgung kann eine 1-Ampere- oder eine 10-Ampere-Spannungsversorgung sein, wie sie bei den Beispielen verwendet wird, oder sie kann eine 500-mA-Spannungsversorgung oder eine 20-Ampere-, 30-Ampere-, 50-Ampere- oder 100-Ampere-Spannungsversorgung usw. sein, was von der gewünschten Zuführgas-Fragmentkonzentration und der Kohlenstoffbeshichtungs-Abscheidungsrate abhängt.
In der ersten Abteilung 41 des Hohlkathoden-Schlitzsystems 40 beträgt die erzeugte und aufrechterhaltene Spannung vorzugsweise etwa minus 200 bis etwa minus 1000 Volt und vorzugsweise etwa minus 200 bis etwa minus 500 Volt. Die der ersten Abteilung zugeführte Leistung beträgt typischerweise etwa 20 - 10 000 Watt, vorzugsweise etwa 20-1000 Watt und bevorzugter etwa 100-500 Watt. In der dritten Abteilung 43 des Hohlkathoden-Schlitzsystems 40 beträgt die erzeugte und aufrechterhaltene Spannung vorzugsweise etwa minus 50 bis etwa minus 500 Volt und bevorzugter etwa minus 80 bis etwa minus 120 Volt. Die dieser zweiten Abteilung zugeführte Leistung beträgt typischerweise etwa 50-3000 Watt und bevorzugter etwa 1000-3000 Watt. Bei weiter unten beschriebenen Experimenten, bei denen zwei pulsierende Gleichspannungsversorgungen verwendet werden, sind typische Parameter in der ersten Abteilung ein Plasmastrom von 0,5 Ampere und eine Plasmaspannung von etwa 500 Volt, und typische Parameter in der dritten Abteilung sind ein Plasmastrom von 1 oder 10 Ampere und eine Plasmaspannung von minus 100 Volt.
Unter den richtigen Bedingungen wird in der Vakuumkammer ein stabiler Plasmastrahl 160 gebildet, der sich in einem ausgedehnten Muster ausbreitet, wobei die Form des Ausgangsschlitzes des Hohlkathoden-Schlitzsystems 40 im wesentlichen abgebildet wird. Bevorzugte Plasmen haben eine hohe Zuführgas-Fragmentkonzentration, d. h. das Fragmentieren des Zuführgases tritt bei einer hohen Rate auf, so daß eine hohe Rate des Abscheidens der kohlenstoffreichen Beschichtung auf das Substrat 75 bereitgestellt wird. Das heißt, daß das gebildete Plasma umso wünschenswerter ist, je höher die Abscheidungsrate einer kohlenstoffreichen Beschichtung ist und je gleichmäßiger die Beschichtung ist, was von der Systemanordnung und dem zugeführten Strom und der zugeführten Spannung abhängt. Wenn weiterhin eine sehr gleichmäßige kohlenstoffreiche Beschichtung bei Anforderungen geringer Leistung bei einer verhältnismäßig hohen Rate abgeschieden werden kann, ist das System hinsichtlich praktischer Erwägungen (beispielsweise der Kosten, der Sicherheit und des Verhinderns eines Überhitzens) umso wünschenswerter.
Zum Überwachen der Bedingungen in der Vakuumkammer 30 können ein Massenspektrometer 110, ein Emissionsspektrometer 120 und ein Kapazitätsmanometer 130 bereitgestellt und an die Vakuumkammer 30 angeschlossen werden. Ein Vakuum kann durch irgendeine typischerweise zum Erzeugen eines Vakuums verwendete Einrichtung innerhalb der Vakuumkammer 30 erzeugt und aufrechterhalten werden. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform werden beispielsweise eine Diffusionspumpe 140 und eine mechanische Pumpe 150 verwendet, die über einen Vakuumeinlaß 142 an die Kammer 30 angeschlossen sind. Die Vakuumkammer wird typischerweise auf einem Druck von etwa 0,13-40 Pa (1-300 mTorr), vorzugsweise von etwa 0,67 - 6,7 Pa (5-50 mTorr) gehalten.
Wie oben erwähnt wurde, besteht das bevorzugte Hohlkathodensystem 40 aus drei in Reihe angeordneten Abteilungen, nämlich einer ersten Abteilung 41, einer zweiten Abteilung 42 und einer dritten Abteilung 43. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, besteht die erste Abteilung 41 aus zur zweiten Abteilung 42 hin offenen Wänden 44. Wenngleich die Wände 44 vorzugsweise aus Kupfer bestehen, können sie aus jedem beliebigen hochtemperaturbeständigen, leitfähigen Material, wie Graphit, oder aus einem Metall, beispielsweise aus Molybdän, Wolfram oder Tantal, bestehen. Vorzugsweise sind zumindest die oberen und die unteren Wände wassergekühlt, so daß es nur eine geringe oder keine Wärmeausdehnung gibt, wodurch ermöglicht wird, daß die elektrischen Bedingungen im wesentlichen konstant sind. Falls die Wände jedoch aus Graphit bestehen, ist kein Wasserkühlen erforderlich. Die Wände werden vorzugsweise auf Zimmertemperatur oder darunter und bevorzugter auf eine Temperatur von etwa 0-5ºC gekühlt. Die Abmessungen der ersten Abteilung 41 sind typischerweise durch eine Breite, Länge und Höhe von etwa 2-20 cm gegeben, wenngleich es keine speziellen Größenbeschränkungen gibt. Wenngleich die Form weiterhin als rechteckig dargestellt ist, kann die Abteilung die Form eines Zylinders oder eine andere gewünschte Konfiguration annehmen.
Die erste Abteilung 41 ist so ausgelegt, daß sie ein Plasma des Trägergases, beispielsweise Argon, aufrechterhalten kann. Das Trägergas tritt über einen langgestreckten Kanal 46, der als eine Hohlkathode wirkt, in die erste Abteilung 41 ein. Falls gewünscht, wird das Trägergas darin in ein Plasma umgewandelt. Demgemäß kann diese Abteilung als Argonplasmakammer bezeichnet werden. Dieser langgestreckte Kanal weist vorzugsweise die Form eines Rohrs auf, das aus irgendeinem hochleitfähigen wärmebeständigen Material, wie Graphit, Molybdän, Wolfram oder Tantal, bestehen kann und irgendeine einer Vielzahl von Querschnittskonfigurationen, beispielsweise eine kreisförmige, quadratische, rechteckige usw., aufweisen kann. Das Rohr besteht vorzugsweise aus Graphit und weist einen kreisförmigen Querschnitt mit einem von etwa 10 : 1 bis etwa 5 : 1 reichenden Länge-Durchmesser-Verhältnis auf. Der Innendurchmesser beträgt etwa 0,3 cm bis etwa 2,5 cm und vorzugsweise etwa 0,5-1,5 cm. Solche Hohlkathodenrohre sind in näheren Einzelheiten in US-A-5 232 791 und in US-A-5 286 534 (Kohler u. a.) beschrieben. Das Graphitrohr und die Kupferwände sind an dieselbe Gleichspannungsversorgung, nämlich die Gleichspannungsversorgung 80 (Fig. 1) angeschlossen. Wenngleich die Kathode in der in Fig. 2 dargestellten ersten Abteilung 41 die Form eines kreisförmigen Rohrs aufweist, ist dies nicht unbedingt erforderlich, wenngleich es, zumindest deswegen, weil es bei dieser Konfiguration einfacher ist, ein stabiles Plasma zu erzeugen und aufrechtzuerhalten, vorteilhaft ist.
Das in der Hohlkathode in der ersten Abteilung erzeugte Plasma tritt in die zweite Abteilung 42 ein, die aus Wänden 45 besteht. Vorzugsweise tritt das Trägergasplasma durch eine Öffnung 47 in einer Unterteilungsplatte 48 in die Abteilung 42 ein. In der zweiten Abteilung 42 wird das Trägergasplasma mit dem Zuführgas gemischt, das durch ein Zuführgas-Einlaßrohr 49 eintritt. Diese Mischung tritt dann vorzugsweise durch eine Öffnung 50 in einer Unterteilungsplatte 51 in die dritte Abteilung 43 ein. Demgemäß ist die zweite Abteilung 42 eine Mischkammer, die zur ersten Abteilung 41 und auch zur dritten Abteilung 43 offen ist. Wenngleich die Wände 45, das Zuführgas-Einlaßrohr 49 sowie die Unterteilungsplatten 48 und 51, also die Endplatten der zweiten Abteilung, vorzugsweise aus Glas, beispielsweise Quarz, bestehen, können sie auch aus einem beliebigen elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Keramik, bestehen. Die Öffnung 47 in der Platte 48, also der Unterteilungsplatte zwischen der ersten und der zweiten Abteilung, ist vorzugsweise kreisförmig und weist einen Durchmesser von etwa 0,3-2 cm, vorzugsweise von etwa 0,5-1 cm auf. Die Öffnung 50 in der Platte 51, also der Unterteilungsplatte zwischen der zweiten und der dritten Abteilung, weist vorzugsweise die Form eines länglichen Ovals oder Rechtecks, also eines Schlitzes, auf, wobei ihre Größe im allgemeinen die Abmessungen der Öffnung zwischen den Elektrodenplatten in der dritten Abteilung wiedergeben, also abbilden (unten erörtert). Das Zuführgas-Einlaßrohr 49 weist vorzugsweise die Form eines "T" auf, wobei sich Ausgangsöffnungen an den Enden des Kreuzstücks sowie in Längsrichtung des Kreuzstücks befinden, um ein besseres Verteilen des Zuführgases zu ermöglichen. Die Abmessungen der zweiten Abteilung 42 sind typischerweise durch eine Breite, Länge und Höhe von etwa 2-200 cm gegeben, wenngleich es keine spezielle Größenbeschränkung gibt. Wenngleich die Form weiterhin als rechteckig dargestellt ist, kann die Abteilung die Form eines Zylinders oder eine andere gewünschte Konfiguration annehmen.
Die dritte Abteilung 43 besteht aus Wänden 53 und einer Frontplatte 54, wenngleich diese Frontplatte 54 für das Funktionieren des Hohlkathoden-Schlitzsystems 40 nicht unbedingt erforderlich ist. Die Frontplatte 54 besteht vorzugsweise aus Glas, beispielsweise aus Quarz, wenngleich auch andere elektrisch isolierende Materialien, beispielsweise Keramik, verwendet werden können. Die Wände 53 bestehen vorzugsweise aus Graphit, wenngleich sie auch aus Kupfer oder einem hochschmelzenden Metall, beispielsweise Molybdän, Wolfram oder Tantal, bestehen können, so daß sie erhöhten Temperaturen widerstehen. Falls die Wände aus Graphit bestehen, werden zumindest die oberen und die unteren Wände vorzugsweise auf die gleiche Temperatur wie die oben für die erste Abteilung 41 erörterte wassergekühlt. Die Abmessungen der dritten Abteilung 43 sind typischerweise durch eine Breite, Länge und Höhe von etwa 5 cm bis etwa 200 cm gegeben, wenngleich es keine spezielle Größenbeschränkung gibt. Wenngleich die Form weiterhin als rechteckig dargestellt ist, kann die Abteilung die Form eines Zylinders oder eine andere gewünschte Konfiguration annehmen. Typische Abmessungen für diese Abteilung sind eine Höhe von 10 cm, eine Länge von 10 cm und eine Breite von 15-30 cm, was jedoch von der Breite des beschichteten Substrats abhängt.
Die dritte Abteilung 43 weist auch zwei zueinander parallel mit einem Spalt 57 angeordnete Elektrodenplatten 55 und 56 auf. Die Platten sind an eine zweite Gleichspannungsversorgung 85 (Fig. 1) angeschlossen, um zwischen den Elektrodenplatten ein Plasma zu erzeugen. Das Plasma wird in den vorderen Abschnitt 58 der dritten Abteilung 43 eingestrahlt und auf einer Sichtlinie durch einen Schlitz 59 in der Frontplatte 54 auf das Substrat gerichtet.
Die parallelen Platten 55 und 56 wirken als eine Kathode und bestehen aus Graphit oder einem hochtemperaturbeständigen, leitfähigen Material, wie Kupfer oder hochschmelzenden Metallen. Sie bestehen vorzugsweise aus Graphit, weil die Bogenentladung der Platten zu einem gewissen Abtrag der Platten führt, wodurch eine Kohlenstoffabscheidung auf dem Substrat auftritt, wenn bei der Bildung des Plasmas nur ein Trägergas verwendet wird. Die Elektrodenplatten 55 und 56 sind dicht gegenüber der Unterteilungsplatte 51 angeordnet, so daß das Plasmagas, beispielsweise eine Mischung aus einem kohlenstoffreichen Zuführgas und einem Trägergasplasma, durch den Schlitz 50 direkt in den Raum zwischen den Elektrodenplatten 55 und 56, also den Spalt 57, gerichtet wird. Die Länge (also die Abmessung zwischen dem Ende der Platten, wo die Gase beim Schlitz 51 eintreten, und dem Ende der Platten, wo das Plasma in den vorderen Abschnitt 58 austritt) der Elektrodenplatten ist so gewählt, daß ein stabiles Plasma erzeugt wird und wenig oder kein Kohlenstoff auf den Platten selbst abgeschieden wird. Diese beträgt typischerweise etwa 0,3-10 cm, wenngleich dies abhängig von den Drücken der Gase variieren kann. Die Länge der Elektrodenplatten ist geringer als ihre Breite. Die Länge der Elektrodenplatten beträgt vorzugsweise etwa die Hälfte der Länge der dritten Abteilung. Die Dicke der Elektrodenplatten 55 und 56 beträgt typischerweise etwa 0,05-1 cm, vorzugsweise etwa 0,3-0,6 cm. Die Breite der Elektrodenplatten 55 und 56 beeinflußt nicht die Bildung des Plasmas sondern wird abhängig von der Breite des zu beschichtenden Substrats gewählt. Die Breite der Elektrodenplatten kann demgemäß etwa 2-200 cm betragen oder größer sein. Die Größe des Spalts 57 zwischen den Platten 55 und 56 ist so gewählt, daß ein stabiles Plasma erzeugt wird, daß der Spalt jedoch nicht verstopft. Das heißt, daß der Abstand zwischen den Elektrodenplatten 55 und 56 nicht so groß ist, daß ein Plasma nicht erzeugt werden kann, und nicht so klein ist, daß der Spalt durch Kohlenstoffablagerungen verstopft. Typischerweise beträgt der Spalt 57 zwischen den Elektrodenplatten 55 und 56 etwa 0,3-2 cm und vorzugsweise etwa 0,6 cm. Die Abmessungen der Öffnung 50, also des Schlitzes 50, in der Platte 51 gleichen typischerweise den Abmessungen des Spalts 57 und sind durch eine Höhe von 0,3-2 cm, vorzugsweise von etwa 0,6 cm und eine Breite von etwa 2-200 cm gegeben, wobei dies wiederum von der Breite des Substrats abhängt.
Demgemäß wird die Kathode in der dritten Abteilung hier als "Hohlkathodenschlitz" bezeichnet. Weiterhin wird ein Hohlkathodensystem, das einen Hohlkathodenschlitz allein oder in Kombination mit einem anderen Hohlkathodenschlitz oder mit einem Hohlkathodenrohr aufweist, hier als Hohlkathoden- Schlitzsystem bezeichnet. Ein Hohlkathodenschlitz ist vorteilhaft, weil er eine Eingrenzung für das Plasma bereitstellt und ihm einen Richtungssinn verleiht. Weiterhin unterstützt die "Schlitzkonfiguration" ein Plasma über einen breiten Bereich von Strömen bei einer im wesentlichen konstanten und geringen Spannung, wodurch im allgemeinen hohe Abscheidungsraten ermöglicht werden, ohne daß eine Neigung zum Überhitzen besteht.
Es sei bemerkt, daß in die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung auch ein oder mehrere zusätzliche Hohlkathoden- Schlitzsysteme aufgenommen werden können, die hier beschriebene kohlenstoffreiche Plasmen erzeugen. Die zusätzliche Kathode (die zusätzlichen Kathoden) kann auf dem Substrat mehr als eine Schicht bereitstellen oder eine erhöhte Abscheidungsrate der kohlenstoffreichen Schicht bereitstellen.
Die Verwendung der bevorzugten strombegrenzten pulsierenden Gleichspannungsversorgung in Kombination mit dem Hohlkathoden-Schlitzsystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist zumindest deswegen vorteilhaft, weil dadurch über einen ausgedehnten Zeitraum ein sehr stabiles Plasma erzeugt wird, was die Bahn entlang im allgemeinen zu hohen Abscheidungsraten und gleichmäßigen Beschichtungsdicken führt. Das Plasma wird durch sich zufällig und ständig auf der Oberfläche beider Elektroden bewegende Lichtbögen geringer Intensität hervorgerufen und ist dementsprechend im allgemeinen gleichmäßig zwischen den Elektrodenplatten verteilt. Demgemäß ist die sich aus der Verwendung der Elektrodenplatten ergebende Entladung eine Bogenentladung und keine sich aus der Verwendung eines Rohrs ergebende Glimmentladung, wie in US-A-5 232 791 und in US-A-5 286 534 (Kohler u. a.) beschrieben ist. Dieser Plasmamodus scheint das Ergebnis des konstanten Löschens und erneuten Zündens des Plasmas zu sein, wodurch im allgemeinen das Einfrieren des Lichtbogens verhindert wird und eine übermäßige Bildung mehrerer Lichtbogen gefördert wird.
Im Gegensatz nur zu einem Hohlkathodenrohr, wie es in US-A-5 232 791 und in US-A-5 286 534 (Kohler u. a.) beschrieben ist, oder einer Kombination zweier solcher Hohlkathodenrohre hält ein Hohlkathodenschlitz oder eine Kombination eines Hohlkathodenrohrs und eines Hohlkathodenschlitzes, wie sie hier beschrieben wird, ein Plasma bei etwa minus 100 Volt bei einem Strom von bis zu 10 Ampere aufrecht. Wenngleich das Hohlkathodenrohr im allgemeinen in wirksamer Weise ausgezeichnete kohlenstoffreiche Beschichtungen liefert, ist das Verhalten des hier beschriebenen Hohlkathoden-Schlitzsystems unerwartet und vorteilhaft. Die Leistungsanforderungen für eine Glimmentladung und die sich ergebenden Abscheidungsraten eines Hohlkathodenrohrs beim Herstellen kohlenstoffreicher Beschichtungen sind in Fig. 3 dargestellt. Die experimentelle Vorgehensweise ist in Beispiel 2 schematisch angegeben (Vergleichsbeispiel). Es ist hieraus ersichtlich, daß für das Hohlkathodenrohr mit einer Glimmentladung eine erhebliche Erhöhung der Spannung und damit eine höhere Leistung erforderlich ist, weil zum Erzeugen höherer Abscheidungsraten ein höherer Strom verwendet wird. Beim Hohlkathoden-Schlitzsystem wird jedoch ein hoher Plasmastrom und demgemäß eine hohe Abscheidungsrate bei einer sehr geringen (etwa 100 Volt betragenden) oder keiner Änderung der Plasmaspannung erreicht. Es sei auf die Ergebnisse in Beispiel 1 verwiesen. Folglich steigt die Leistung nur proportional zum Plasmastrom an. Durch diese gemäßigte Leistungsanforderung und die Verwendung einer geringen Spannung ist das Hohlkathoden-Schlitzsystem einzigartig und für einen umfangreichen Betrieb sehr praktisch. Dies liegt daran, daß die bei einer gegebenen Spannung mit dem Hohlkathoden-Schlitzsystem gemäß der vorliegenden Erfindung verfügbaren höheren Ströme zu einem höheren Fragmentierungsgrad des Kohlenwasserstoff-Zuführgases (bei geringeren Leistungsanforderungen) führen, was zu höheren Abscheidungsraten führt. Demgemäß ermöglicht das Hohlkathoden-Schlitzsystem gemäß der vorliegenden Erfindung eine erhebliche Plasmastabilität, eine Abscheidung mit großer Breite und die Verwendung eines hohen Plasmastroms zum Erreichen hoher Abscheidungsraten.
Die Abscheidungsraten von Kohlenstoffbeschichtungen bei Verwendung der Systeme gemäß der vorliegenden Erfindung sind zum angelegten Strom proportional. Diese Abscheidungsraten sind im allgemeinen etwa 1-2 Größenordnungen höher als die meisten Abscheidungsraten, über die bisher berichtet wurde, beispielsweise 1-8 nm/s (10-80 Å/s), und sie sind erheblich höher als die Abscheidungsrate von 25 nm/s (250 Å/s), über die im US-Patent 5 182 132 (Murai u. a.) berichtet wurde. Beispielsweise können unter Verwendung des Hohlkathoden- Schlitzsystems gemäß der vorliegenden Erfindung und der im Beispiel 1 beschriebenen Prozedur Abscheidungsraten von bis zu etwa 75 nm/s (750 Å/s) erhalten werden. Es wird angenommen, daß mit Spannungsversorgungen höheren Stroms und höheren Gasflußraten sogar noch höhere Abscheidungsraten erreicht werden können.
Zusätzlich zum oben beschriebenen Hohlkathoden-Schlitzsystem und den pulsierenden Gleichspannungsversorgungen enthalten besonders bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Anodensystem 60 (Fig. 1), vorzugsweise ein einstellbares Anodensystem (Fig. 4). Das Anodensystem, insbesondere das einstellbare Anodensystem, trägt zum Aufrechterhalten eines stabilen Plasmas und zur Gleichmäßigkeit der gebildeten kohlenstoffreichen Beschichtungen bei. Wenngleich das einstellbare Anodensystem hier in Kombination mit dem Hohlkathoden-Schlitzsystem gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben ist, ist dies nicht unbedingt erforderlich. Das einstellbare Anodensystem kann beispielsweise statt mit dem Hohlkathodenschlitz vorteilhaft mit dem Hohlkathodenrohr verwendet werden, das in US-A-5 232 791 und in US-A-5 286 534 (Kohler u. a.) beschrieben ist. Weiterhin kann jede beliebige Anode vorteilhaft mit dem bevorzugten Hohlkathoden-Schlitzsystem verwendet werden, solange das Plasma in der Kathode erzeugt wird und zur Anode und an dieser vorbei gerichtet wird.
Wie in Fig. 4 dargestellt ist, besteht das einstellbare Anodensystem 60 aus einem elektrisch leitenden Stab 61, der parallel zum Kathodenschlitz 59 angeordnet ist. Die Länge des Stabs 61 kann die Länge des Schlitzes 59 vorzugsweise um bis zu etwa 30 cm übersteigen. Bevorzugter sind der Stab 61 und der Kathodenschlitz 59 so ausgerichtet, daß sich der Stab um etwa 5 cm bis etwa 15 cm über beide Enden des Schlitzes hinaus erstreckt. Der Stab 61 des Anodensystems ist etwa auf der Hälfte zwischen dem Hohlkathodenschlitz 59 und dem Substrat 75 und in einem ausreichenden Abstand unterhalb (beispielsweise etwa 2-30 cm und typischerweise etwa 5 cm unterhalb) des Wegs, über den sich das Plasma während des Betriebs bewegt, angeordnet, um das Blockieren des Plasmas auf seinem Weg vom Schlitz zum Substrat zu verhindern. Dies liegt etwa 2-30 cm unterhalb einer die Mitte des Hohlkathodenschlitzes 59 und die Mitte der Vorspannungselektrode 70 verbindenden gedachten Linie.
Der Stab 61 des Anodensystems besteht aus Graphit, Wolfram oder einem hochschmelzenden Metall, vorzugsweise Graphit. Sein Durchmesser beträgt vorzugsweise etwa 0,5-2 mm. Er ist an beiden Enden fest an Abstandshaltern 62 angebracht, die vorzugsweise einen Durchmesser von etwa 1-3 cm aufweisen. Das Anodensystem kann unter Verwendung aus einem leitenden Material, wie Kupfer und Aluminium usw., vorzugsweise Kupfer, bestehender Abstandshalter und durch direktes Anbringen der Abstandshalter 62 an einer Metallgrundplatte 63, die typischerweise die Grundplatte der Beschichtungskammer, also der Vakuumkammer 30 (Fig. 1), ist, geerdet werden. Alternativ können die Abstandshalter 62 zum Isolieren des Anodensystems aus einem isolierenden Material bestehen.
Der Stab 61 des Anodensystems ist in einen Glaskasten 64 eingeschlossen. Die Oberseite 65 des Kastens weist einen parallel zum Stab 61 des Anodensystems verlaufenden Schlitz 66 auf. Die Breite des Schlitzes 66 kann variieren, und sie beträgt im allgemeinen etwa 0,5-3 cm. Das Variieren der Schlitzbreite wird verwendet, um eine optimale Wechselwirkung zwischen dem Hohlkathoden-Schlitzsystem 40 und dem Stab 61 des Anodensystems 61 zu erreichen. Das heißt, daß die Schlitzbreite so eingestellt werden kann, daß die Wechselwirkung zwischen der Kathode und der Anode variiert wird (daher "einstellbares Anodensystem"), wodurch die Plasmastabilität sowie die Kohlenstoffabscheidungsraten und die Gleichmäßigkeit der Kohlenstoffbeschichtung quer über die Bahn beeinflußt werden. Eine optimale Wechselwirkung zwischen der Kathode und der Anode ist wünschenswert, um irgendwelche zusätzlichen Plasmaerdungswege zu geerdeten Teilen der Kammer zu vermeiden.
Während des Plasmabetriebs liegt der Stab 61 des Anodensystems auf einer Temperatur von etwa 750-1250ºC, vorzugsweise auf einer Temperatur von etwa 1000ºC, um das Umwandeln unbeabsichtigt abgeschiedenen Plasmakohlenstoffs in leitenden Graphit zu gewährleisten und auf diese Weise eine angemessene elektrische Leitfähigkeit des Anodenstabs aufrechtzuerhalten. Wenngleich bei einem hohen Plasmastrom ein ausreichendes Erwärmen auftritt, ist ein unterstützendes Widerstandsheizen des Stabs bei einem geringeren Plasmastrom wünschenswert. Wie weiter unten in Beispiel 3 dargestellt ist, kann die Dicke der Beschichtung quer über die Bahn durch Variieren des Aussetzens des Plasmas gegenüber dem Stab 61 des Anodensystems variiert werden. Dies wird durch Steuern des elektrischen Felds zwischen der Kathode und der Anode, also durch Blockieren von Abschnitten des Schlitzes 66 des Anodensystems 60 und durch Richten des Plasmas entlang dem nicht blockierten Feld erreicht. Auf diese Weise ist das Anodensystem einstellbar, so daß die Beschichtungsdicke quer über die Bahn beeinflußt werden kann.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung können zum Herstellen einer Vielzahl kohlenstoffreicher Beschichtungen, wie amorpher Beschichtungen und dergleichen, verwendet werden. Durch das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte typische Beschichtungen enthalten mehr als etwa 50 Atomprozent (vorzugsweise etwa 70-95 Atomprozent) Kohlenstoff zusammen mit kleineren Anteilen Sauerstoff (vorzugsweise etwa 0,1-15 Atomprozent), Stickstoff (vorzugsweise etwa 0,1-20 Atomprozent) und Wasserstoff (vorzugsweise etwa 0,1-40 Atomprozent), wenngleich die gebildeten Beschichtungen keinen Sauerstoff, Stickstoff oder Sauerstoff zu enthalten brauchen. Die Zusammensetzung der kohlenstoffreichen Beschichtung kann durch den Druck des Trägergases, die Zusammensetzung des Zuführgases, die Konfiguration der Hohlkathode und die von den Gleichspannungsversorgungen und Radiofrequenz-Spannungsversorgungen zugeführte elektrische Leistung gesteuert werden. Beispielsweise kann durch Erhöhen der Konzentration des Trägergases oder durch Erhöhen der Vorspannung eine Beschichtung mit einem höheren Kohlenstoffgehalt gebildet werden.
Wie zuvor erwähnt wurde, wird das kohlenstoffreiche Plasma aus einem Zuführgas oder einer Mischung aus einem Zuführgas und einem Trägergas erzeugt. Diese wird hier als "Plasmagas" bezeichnet. Die Flußrate des Trägergases kann etwa 50-500 Standardkubikzentimeter (sccm), vorzugsweise etwa 50-100 sccm betragen, und die Flußrate des Zuführgases kann etwa 100 - 60 000 sccm, vorzugsweise etwa 300-2000 sccm betragen. Für Kohlenstoffabscheidungsraten von etwa 2-80 nm/s (20-800 Å/s) beträgt die Flußrate des Zuführgases beispielsweise etwa 50-350 sccm, und die Flußrate des Trägergases etwa 50-100 sccm, wobei höhere Flußraten des Zuführgases in Kombination mit geringeren Flußraten des Trägergases typischerweise zu höheren Abscheidungsraten führen. Im allgemeinen wird für härtere Beschichtungen die Flußrate des Trägergases erhöht und die Flußrate des Zuführgases verringert.
Das Zuführgas, also die Kohlenstoffquelle, kann irgendeines einer Vielzahl gesättigter oder ungesättigter Kohlenwasserstoffgase sein. Diese Gase können beispielsweise auch Stickstoff, Sauerstoff, Halogenide und Silicium enthalten. Beispiele geeigneter Zuführgase sind unter anderem gesättigte und ungesättigte Kohlenwasserstoffe, wie Methan, Ethan, Ethylen, Acetylen und Butadien, stickstoffhaltige Kohlenwasserstoffe, wie Methylamin und Methylcyanid, sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffe, wie Methylalkohol und Aceton, halogenhaltige Kohlenwasserstoffe, wie Methyliodid und Methylbromid, und siliciumhaltige Kohlenwasserstoffe, wie Tetramethylsilan, Chlorotrimethylsilan und Tetramethoxysilan. Das Zuführgas kann bei der Gebrauchstemperatur und dem Gebrauchsdruck gasförmig sein, oder es kann eine leicht zu verflüchtigende Flüssigkeit sein. Ein besonders bevorzugtes Zuführgas ist Acetylen.
Wie zuvor erwähnt wurde, kann ein Trägergas auch vorteilhaft mit dem Zuführgas verwendet werden. Beispielsweise ist das Zuführgasplasma ohne das unterstützende Plasma vom Trägergas bei Verwendung einer pulsierenden oder einer gefilterten Gleichspannungsversorgung um etwa minus 100 Volt herum schwierig aufrechtzuerhalten. Wenn beispielsweise nur das Zuführgas verwendet wird, steigt die Spannung bei einer pulsierenden Gleichspannungsversorgung mit 1 Ampere gelegentlich auf etwa minus 1000 Volt, und das Plasma wird bei einer nicht pulsierenden, gefilterten Spannungsversorgung mit 10 Ampere gelegentlich völlig gelöscht.
Das Trägergas kann ein beliebiges Inertgas sein, also ein Gas, das unter den Bedingungen des Drucks und der Temperatur des Verfahrens der vorliegenden Erfindung im wesentlichen nicht mit dem gewählten Zuführgas reagiert. Geeignete Trägergase sind beispielsweise Helium, Neon, Argon, Krypton und Stickstoff. Typischerweise sind Moleküle mit einem höheren Molekulargewicht, wie beispielsweise Argon, bevorzugt. Die Begriffe "inert" und "Träger" sollen nicht beinhalten, daß diese Gase überhaupt nicht am Abscheidungsprozeß teilnehmen. Es wird im allgemeinen angenommen, daß die erzeugten Trägergasionen als Beschußteilchen zum Entfernen der weicheren Abschnitte der Beschichtungen, beispielsweise derjenigen Abschnitte, die einen höheren Wasserstoffatomanteil aufweisen, wirken und dadurch die Dichte und die Festigkeit der Beschichtungen verbessern.
Die Dicke der durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugten kohlenstoffreichen Beschichtungen ist typischerweise größer als etwa 5 nm und beträgt vorzugsweise etwa 10-100 nm, bevorzugter etwa 10-40 nm und am bevorzugtesten etwa 10-20 nm. Dickere Beschichtungen sind möglich aber typischerweise nicht erforderlich. Das Substrat bewegt sich bei einer Rate durch das Plasma, die dafür ausgelegt ist, eine Beschichtung einer gewünschten Dicke bereitzustellen. Die Geschwindigkeit, bei der das Substrat 75 von der Rolle 76 zur Rolle 78 läuft, kann etwa 10-4000 mm/s betragen, sie beträgt jedoch für die oben beschriebenen Gasflußraten und Drücke sowie die oben beschriebene Vorrichtung typischerweise etwa 10-1500 mm/s.
Zusammenfassend sei bemerkt, daß das Hohlkathoden- Schlitzsystem gemäß der vorliegenden Erfindung, vorzugsweise in Kombination mit einer pulsierenden Gleichspannungsversorgung und bevorzugter in Kombination mit dem oben beschriebenen einstellbaren Anodensystem vorteilhaft ist, weil das Plasma eingegrenzt und gerichtet ist. Das Eingrenzen trägt zu einer hohen Abscheidungsausbeute bei, die im allgemeinen ausschließlich auf das Filmsubstrat konzentriert ist. Die Gerichtetheit, also die gerichtete Diffusion, des Plasmas ist teilweise auf den Gas- oder Druckgradient innerhalb und außerhalb der Hohlkathode zurückzuführen. Hierdurch werden der Transport des Plasmas zum Substrat und dadurch die Abscheidungsraten erhöht. Weiterhin ist das Hohlkathoden- Schlitzsystem gemäß der vorliegenden Erfindung, vorzugsweise in Kombination mit einer pulsierenden Gleichspannungsversorgung und bevorzugter in Kombination mit dem oben beschriebenen Anodensystem vorteilhaft, weil es die Verwendung hoher Ströme bei geringen und im allgemeinen konstanten Spannungen ermöglicht. Dieses System ermöglicht auch hohe Fragmentierungsraten durch Verwenden hoher Flußraten und dementsprechend hoher Drücke innerhalb des Hohlkathoden-Schlitzsystems. Es ist wichtig, daß im allgemeinen keine Pulverbildung von Kohlenstoff, die häufig mit verhältnismäßig hohen Drücken verbunden ist, beobachtet wird. Sobald das Plasma als Strahl aus dem Hohlkathoden-Schlitzsystem austritt, wird der Druck gering genug, damit daß Abscheiden bei hohen Vorspannungen möglich wird. Die Verwendung hoher Vorspannungen wird im allgemeinen zum genauen Auslegen spezieller Beschichtungseigenschaften (beispielsweise Härte, Haftvermögen und Leitfähigkeit) und/oder zum Betreiben des Verfahrens bei hohen Bahngeschwindigkeiten verwendet.
Die vorliegende Erfindung wird weiterhin durch die folgenden nicht einschränkenden Beispiele beschrieben. Diese Beispiele werden zum weiteren Veranschaulichen der verschiedenen speziellen und bevorzugten Ausführungsformen und Techniken gegeben. Es sei jedoch bemerkt, daß innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung zahlreiche Abänderungen und Modifikationen vorgenommen werden können.

Beispiele

Typische Systemabmessungen

Hohlkathoden-Schlitzsystem zum Beschichten eines 15-cm-Films Erste Abteilung (rechteckiger Kasten mit einem Kathodenrohr): Innenabmessungen (Höhe: 2,5 cm, Breite: 15,2 cm, Länge: 4,0 cm), Außenabmessungen (Höhe 6,4 cm, Breite: 17,1 cm, Länge: 5,0 cm).
Quarzplatte zwischen der ersten und der zweiten Abteilung: Höhe: 5,2 cm, Breite: 20,3 cm, Länge: 0,3 cm mit einem einen Durchmesser von 0,6 cm aufweisenden kreisförmigen Loch.
Zweite Abteilung: Innenabmessungen (Höhe: 5,3 cm, Breite: 14,7 cm, Länge: 3,8 cm), Außenabmessungen (Höhe 6,0 cm, Breite: 15,4 cm, Länge: 3,8 cm).
Quarzplatte zwischen der zweiten und der dritten Abteilung: Höhe: 11,7 cm, Breite: 20,3 cm, Länge: 0,3 cm mit einem 13,2 cm · 0,4 cm messenden Schlitz.
Dritte Abteilung: Innenabmessungen (Höhe: 8,0 cm, Breite: 15,1 cm, Länge: 9,5 cm), Außenabmessungen (Höhe 9,1 cm, Breite: 20,5 cm, Länge: 9,5 cm). Elektrodenplatten (Breite: 15,1 cm, Länge: 5,5 cm) mit einem zwischen den zwei 0,6 cm hohen Elektrodenplatten erzeugten Schlitz.
Frontquarzplatte: Höhe: 12,0 cm, Breite: 22,7 cm, Länge: 0,3 cm mit einem 17,6 cm · 2,0 cm messenden Schlitz.

Hohlkathoden-Schlitzsystem zum Beschichten eines 30-cm-Films

Erste Abteilung: wassergekühlte Spulen (mit einem Außendurchmesser von 6,5 cm) um ein 9,8 cm messendes Kathodenrohr (mit einem Innendurchmesser von 4,0 cm).
Quarzplatte zwischen der ersten und der zweiten Abteilung: Höhe: 7,0 cm, Breite: 38,1 cm, Länge: 0,6 cm mit einem ovalen Loch mit einem Durchmesser von 2,3 cm · 1,5 cm.
Zweite Abteilung: Innenabmessungen (Höhe: 6,3 cm, Breite: 37,5 cm, Länge: 3,9 cm), Außenabmessungen (Höhe 6,9 cm, Breite: 38,1 cm, Länge: 3,9 cm).
Quarzplatte zwischen der zweiten und der dritten Abteilung: Höhe: 10,3 cm, Breite: 39,6 cm, Länge: 0,3 cm mit einem 30,1 cm · 0,5 cm messenden Schlitz.
Dritte Abteilung: Innenabmessungen (Höhe: 6,7 cm, Breite: 29,1 cm, Länge: 9,5 cm), Außenabmessungen (Höhe 10,2 cm, Breite: 34,1 cm, Länge: 9,5 cm). Elektrodenplatten (Breite: 11,1 cm, Länge: 4,8 cm) mit einem zwischen den zwei 0,8 cm hohen Elektrodenplatten erzeugten Schlitz.
Frontquarzplatte: Höhe: 10,1 cm, Breite: 39,5 cm, Länge: 0,3 cm mit einem 30,5 cm · 2,5 cm messenden Schlitz.

Beschreibung der Spannungsversorgung

Die Spannungsversorgung Airco Temescal CL-2A besteht aus einem Leistungstransformator vom Streutyp, der einem Vollwellen-Brückengleichrichter eine Wechselspannung zuführt, um eine Ausgabe zu erzeugen, die der Absolutwert der Ausgangsspannung des Transformators, also der negative Absolutwert einer bei null Volt beginnenden und auf einen negativen Spitzenwert von etwa 5000 Volt im Leerlauf gehenden Sinuswelle ist. Bei einer rein ohmschen Last von 100 Ohm würde sich diese Spannungsversorgung bei auf 500 mA begrenztem Strom auf eine Spannung von minus 200 Volt erhöhen. Bei einem Lichtbogenplasma als Last steigt die Ausgangsspannung der Spannungsversorgung auf die Durchbruchspannung der Vorrichtung an, und die Spannung fällt dann unmittelbar auf die Gleichgewichtsspannung des Lichtbogens bei einem auf 500 mA begrenzten Strom ab. Demgemäß bewirkt der verwendete Streutransformator das Begrenzen des Stromflusses durch die Last oder das Plasma in ähnlicher Weise wie ein ohmscher Ballast bei einem typischen Glimmentladungssystem. Wenn der Zyklus der Ausgangsspannung der Spannungsversorgung (beginnend bei To) insbesondere durch die 120-Hz-Wellenform (beginnend bei einer Ausgangsspannung von null Volt) fortschreitet, erhöht sich die Spannung im Laufe der Zeit auf einen negativen Spannungswert, der erheblich oberhalb der Gleichgewichtsspannung des Lichtbogens liegt. Zu diesem Zeitpunkt tritt im Plasmastrahl ein Spannungsdurchbruch auf, wird ein Lichtbogen erzeugt und fällt die Ausgabe der Spannungsversorgung auf die Gleichgewichtsspannung des Lichtbogens von etwa minus 100 Volt und den Sättigungsstrom des Leistungstransformators von etwa 500 mA für die Spannungsversorgung CL-2A. Wenn die Zeit durch den Zyklus fortschreitet, fällt die Versorgungsspannung unter die Lichtbogenspannung, und der Lichtbogen wird gelöscht. Die Ausgangsspannung der Spannungsversorgung fällt weiter und erreicht null Volt bei T&sub0; + 1/120 s, und der Vorgang beginnt erneut. Der Zeitraum für diesen ganzen Zyklus beträgt 1/120 s oder das Zweifache der Frequenz der Eingangs- Netzwechselspannung der Spannungsversorgung. Die Arbeitsweisen der 1-A-Spannungsversorgung und der 10-A-Spannungsversorgung sind abgesehen davon, daß der Grenzstrom 1 A bzw. 10 A beträgt, identisch.

Beispiel 1

Kohlenstoffreiche Beschichtungen wurden auf Siliciumchips abgeschieden, die auf einem von DuPont de Nemours (Wilmington, DE) erhaltenen 15 cm breiten und 1 Millizoll (2,54 · 10&supmin;³ cm) dicken KaptonTM-Film vom Typ 100H angeordnet wurden. Die Siliciumchips maßen etwa 1 cm · 3 cm, waren teilweise maskiert und wurden quer über den KaptonTM-Film positioniert. Die Siliciumchips wurden durch den KaptonTM- Film, der in Schleifenform über die vorgespannte Kühlrolle und die zwei Rollen des Bahnantriebssystems transportiert wurde, bei einer Geschwindigkeit von etwa 5 cm je Sekunde wiederholt über die vorgespannte Kühlrolle geführt. Der Hohlkathodenschlitz war etwa 15 cm breit, und die Graphitplatten wiesen einen Spalt von etwa 0,6 cm auf. Die Kühlrolle hatte einen Durchmesser von 5 cm, war 18 cm lang, wurde auf 5ºC gekühlt und befand sich etwa 6,5 cm vom Hohlkathodenschlitz entfernt. Der Erdungskasten, also die Anode, war etwa 20 cm breit und wies einen 3 mm messenden Graphitstab auf, der elektrisch bis auf eine Temperatur erhitzt wurde, auf der er rot glühte. Alle Spannungsversorgungen unter Einschluß der Anode waren an eine gemeinsame Erde (d. h. die Erde 100 in Fig. 1) angeschlossen. Nach dem Evakuieren der Vakuumkammer auf einen Druck von etwa 0,13 Pa (1 mTorr) wurden Argonflüsse zwischen 50 sccm und 100 sccm in die Argonplasmakammer, also die erste Abteilung des hier beschriebenen Hohlkathoden- Schlitzsystems, eingeführt. Das Plasma wurde unter Verwendung der Spannungsversorgung Airco Temescal Model CL-2A (mit einer maximalen Ausgabe von 0,5 A) bei etwa minus 450 Volt und bei einem pulsierenden Gleichstrom von 0,5 A aufrechterhalten. Die Acetylenflußraten wurden zwischen 50 und 336 sccm variiert und in die Mischkammer, also die zweite Abteilung des hier beschriebenen Hohlkathoden-Schlitzsystems, eingeführt. Der Hohlkathodenschlitz wurde durch die nicht pulsierende, gefilterte Gleichspannungsversorgung mit 25 Kilowatt von Hippotronics gespeist. Der Strom wurde zwischen 4800 mA und 10 000 mA variiert. Die Experimente bei 1000 mA wurden jedoch mit einer pulsierenden Gleichspannungsversorgung mit einer den Kathodenschlitz speisenden maximalen Ausgabe von 1 A ausgeführt. Die folgende Tabelle zeigt die Abscheidungsraten unter verschiedenen Bedingungen. Die Abscheidungsrate wurde anhand der Abscheidungszeit und der Beschichtungsdicke bestimmt. Die Abscheidungszeit wurde anhand der Bahngeschwindigkeit und der etwa 5 cm · 15 cm betragenden Abscheidungsfläche berechnet. Die Beschichtungsdicke wurde durch ein von Tencor Instruments, Mountainview, CA hergestelltes Stufenprofilometer, das die Stufe zwischen den maskierten und wiederholt beschichteten Bereichen mit ausreichender Genauigkeit gemessen hat, bestimmt.

Beispiel 2 (zum Vergleich)

Kohlenstoffreiche Beschichtungen wurden auf einem 15 cm breiten und 1 Millizoll (2,54 · 10&supmin;³ cm) dicken KaptonTM-100H- Film und Siliciumchips abgeschieden. Es wurde das in US-A-5 286 534 und in US-A-5 232 791 (Kohler u. a.) beschriebene Plasmastrahlverfahren verwendet. Die Hohlkathode war ein Graphitrohr mit einem Durchmesser von 2,5 cm, einer Länge von 10 cm und einem Abstand von 21 cm vom Substrat. Das Substrat stand in Kontakt mit einer als Vorspannungselektrode wirkenden wassergekühlten Kupferplatte. Die Anode war eine Nickelchrom-Drahtschleife (mit einem Durchmesser von etwa 30 cm) zwischen dem Hohlkathodenrohr und dem Substrat. Argon (50 sccm) und Acetylen (150 sccm) wurden in das Hohlkathodenrohr eingeführt. Durch Versorgen des Hohlkathodenrohrs mit einer pulsierenden Gleichspannungsversorgung mit einer maximalen Ausgabe von 1 Ampere mit Energie wurde ein Plasma erzeugt. Die Abscheidungszeit betrug für die ortsfesten Proben eine Minute. Wie in Fig. 3 dargestellt ist, erhöhte sich die Abscheidungsrate bei sich erhöhendem Strom begleitet von einer erheblichen Erhöhung der Spannung.

Beispiel 3

Kohlenstoffreiche Beschichtungen wurden auf einem 30 cm breiten, 0,56 Millizoll (1,4 · 10&supmin;³ cm) messenden Polyethylenterephtalat-Film mit Videoqualität abgeschieden, in dem sich weniger als etwa 1% eines SiO&sub2;-Schlupfmittels (OX-50 von Degussa aus Deutschland) befand, das zum Lagern und Handhaben in einem Verpackungsfilm mit Feuchtigkeitssperreigenschaften (hergestellt von Minnesota Mining and Manufacturing Company, St. Paul, MN) Korona-behandelt und umwickelt worden war, wobei zwei pulsierende Gleichspannungsversorgungen (mit einer maximalen Ausgabe von 1 Ampere und 10 Ampere) verwendet wurden. Der Hohlkathodenschlitz war 10 cm breit, und die Kupferplatten wiesen einen etwa 0,8 cm messenden Spalt auf. Die Kühlrolle wies einen Durchmesser von 48 cm auf, war 32 cm breit, wurde auf etwa 5ºC gekühlt und befand sich 9 cm vom Vorderteil des Hohlkathodenschlitzes entfernt. Das Anodensystem wurde zwischen eine gedachte Linie zwischen der Kühlrolle und dem Hohlkathodenschlitz und darunter angeordnet und an die zwei pulsierenden Gleichspannungsversorgungen angeschlossen. Nachdem die Vakuumkammer auf einen Druck von etwa 0,13 Pa (1 mTorr) evakuiert worden war, wurden 40 sccm Argon in die Argonplasmakammer, also die erste Abteilung des bevorzugten Hohlkathoden-Schlitzsystems gemäß der vorliegenden Erfindung, durch einen langgestreckten Kanal eingeleitet. Ein Plasma wurde unter Verwendung einer pulsierenden Gleichspannungsversorgung mit einer maximalen Ausgabe von 1 A erzeugt und bei minus 200 Volt und 1 Ampere aufrechterhalten. Acetylen (460 sccm) wurde in die Mischkammer, also die zweite Abteilung des Hohlkathoden- Schlitzsystems gemäß der vorliegenden Erfindung, eingeführt. Die dritte Abteilung des die Hohlkathodenplatten enthaltenden Hohlkathoden-Schlitzsystems war an eine pulsierende Gleichspannungsversorgung mit einer maximalen Ausgabe von 10 Ampere angeschlossen. Bei einer Spannung von minus 100 Volt wurde unter Verwendung eines Stromflusses von 10 Ampere ein stabiles Plasma erzeugt. Die Vorspannung wurde auf minus 720 Volt gehalten. Der Druck lag bei etwa 0,80 Pa (6 mTorr). Bei einer Bahngeschwindigkeit von etwa 15 m/min wurde eine 10-20 nm (100-200 Å) messende kohlenstoffreiche Beschichtung mit guter Gleichmäßigkeit quer über die Bahn und die Bahn entlang erhalten, was sich durch Wasserdampf-Durchlässigkeitswerte von etwa 1,3-1,6 g/m² je Tag zeigte (gemessen mit einem von Modern Controls, Inc., Minneapolis, MN hergestellten Durchlässigkeitstestgerät Permatran W-6 unter Verwendung des ASTM-Testverfahrens F 1249-90 - Aluminiumfolienstandard zur Kalibrierung, Probe über Nacht hergerichtet, Zelle bis zur Hälfte mit entionisiertem Wasser gefüllt, 60 Minuten dauernder Test bei einem Gasdruck von 1,0 · 10&sup5; Pa (15 psi)).

Beispiel 4

Die in Beispiel 3 verwendete pulsierende Gleichspannungsversorgung mit einer maximalen Ausgabe von 10 Ampere wurde durch eine von Hippotronics erhältliche nicht pulsierende, gefilterte Hochstrom-Gleichspannungsversorgung mit 25 Kilowatt (Modell Nr. 803-8.8A) ersetzt. Die Vorrichtungsanordnung, die Gasflußraten und der Druck gleichten den in Beispiel 3 beschriebenen. Das Argonplasma wurde bei minus 500 Volt und einem Strom von 1 Ampere aufrechterhalten. Der Hohlkathodenschlitz wies eine Spannung von minus 95 Volt bei 9 Ampere auf. Die Vorspannung wurde bei minus 900 Volt gehalten. Bei einer Bahngeschwindigkeit von etwa 20 m/min wurden 600 Meter des im Beispiel 3 verwendeten PET-Films mit einer kohlenstoffreichen Beschichtung überzogen. Die Beschichtung war 10-20 nm (100-200 Å) dick und wies Wasserdampf-Durchlässigkeitswerte von 1-2 g/m² je Tag auf, die wie in Beispiel 3 beschrieben gemessen wurden. Nach dem Heißlaminieren (also dem Überziehen mit etwa 1 Millizoll (2,54 · 10&supmin;³ cm) messendem, unter dem Handelsnamen EXACT 3027 von Exxon Chemical Company, Houston, TX erhältlichem Korona-behandeltem Etylenbutencopolymer) lagen die Wasserdampf-Durchlässigkeitswerte unterhalb von 1 g/m² je Tag. In einer Reihe von Experimenten wurden kohlenstoffbeschichtete und laminierte Proben mehrere Male gefaltet. Der zweimal gefaltete, nur die Kohlenstoffbeschichtung enthaltende PET-Film wies ein Ansteigen der Wasserdampfdurchlässigkeit auf etwa 10 g/m² je Tag auf, wenngleich dieser Wert noch geringer war als derjenige des PET-Films allein (30 g/m² je Tag) oder des PET-Films mit dem darauf laminierten Polymer ohne die Kohlenstoffbeschichtung (18 g/m² je Tag). Die die Kohlenstoffbeschichtung und den Ethylenbutenüberzug enthaltenden laminierten Proben, die bis zu sechsmal gefaltet wurden, wiesen jedoch einen hohen Grad an Flexibilität auf, was zu einer langsamen Verschlechterung der Sperreigenschaften führte. Demgemäß erhöhten sich die Wasserdampfdurchlässigkeitswerte leicht, blieben jedoch unterhalb von etwa 2 g/m² je Tag. Demgemäß können die durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Kohlenstoffbeschichtungen auf flexiblen Substraten verwendet werden, und sie sind für Verpackungsanwendungen, beispielsweise wenn sie in Kombination mit einem Polymerüberzug verwendet werden, besonders vorteilhaft.

Beispiel 5

Kohlenstoffreiche Beschichtungen wurden auf einem 15 cm breites, 0,56 Millizoll (1,4 · 10&supmin;³ cm) messendes doppelschichtiges Polyethylenterephtalat mit Videoqualität abgeschieden, wobei nur eine Schicht davon weniger als etwa 1% eines SiO&sub2;-Schlupfmittels (OX-50 von Degussa aus Deutschland) enthielt, das zuvor zum Lagern und Handhaben in einen von Minnesota Mining and Manufacturing Company (St. Paul, MN) hergestellten Verpackungsfilm mit Feuchtigkeitssperreigenschaften eingewickelt war. Der Hohlkathodenschlitz war etwa 15 cm breit, und die Graphitplatten wiesen einen etwa 0,6 cm messenden Spalt auf. Die Kühlrolle wies einen Durchmesser von 5 cm auf, war 18 cm lang, wurde auf 5ºC gekühlt und befand sich etwa 6,5 cm vom Hohlkathodenschlitz entfernt. Der Anodenkasten war etwa 23 cm breit und wies einen 3 mm messenden Graphitstab auf, der elektrisch bis auf eine Temperatur erhitzt wurde, bei der er rot glühte. Alle Spannungsversorgungen unter Einschluß des Anodenkastens waren an eine gemeinsame Erde angeschlossen. Nach dem Evakuieren der Vakuumkammer auf einen Druck von etwa 0,13 Pa (1 mTorr) wurden 50 sccm Argon in die Argonplasmakammer eingeführt, wo ein Plasma unter Verwendung der Spannungsversorgung Airco Temescal Model CL-2A (mit einer maximalen Ausgabe von 0,5 A) bei minus 450 Volt und einem pulsierenden Gleichstrom von 0,5 A aufrechterhalten wurde. Acetylen (258 sccm) wurde in die Mischkammer eingeführt. Der Hohlkathodenschlitz wurde durch die nicht pulsierende, gefilterte Gleichspannungsversorgung mit 25 Kilowatt von Hippotronics gespeist. Ein leicht instabiles Plasma wurde bei minus 100 Volt und um 4,2 A herum aufrechterhalten. Die Vorspannung wurde bei minus 700 Volt gehalten. Der Druck betrug 1, 43 Pa (11 mTorr). Bei einer Bahngeschwindigkeit von 6 m/min wurde eine kohlenstoffreiche Beschichtung mit variierenden Graden der Gleichmäßigkeit entlang der Bahn erhalten. Der PET-Film wurde auf der das SiO&sub2;-Schlupfmittel nicht enthaltenden Seite beschichtet. Es wurden verschiedene Proben entlang dem PET- Film hinsichtlich ihrer Sperreigenschaften untersucht. Die Wasserdampf-Durchlässigkeitswerte variierten zwischen 0,5 g/m² je Tag und 3 g/m² je Tag. Diese Schwankung ist wahrscheinlich auf die Änderung der Acetylenfragmentierung zurückzuführen. Massenspektrometrie zeigte tatsächlich eine zeitliche Änderung des unfragmentierten Teils des Acetylenzuführgases. Folglich tritt eine Änderung der Dicke der kohlenstoffreichen Beschichtung auf, wodurch eine Änderung der Sperreigenschaften hervorgerufen wird. Dagegen zeigte die Massenspektrometrie eine konstante zeitliche Rate der Acetylenfragmentierung, wenn eine pulsierende Gleichspannungsversorgung verwendet wurde.

Beispiel 6

Eine Reihe von Experimenten wurde unter Verwendung der in Beispiel 5 beschriebenen 15 cm messenden Beschichtungsvorrichtung mit einer pulsierenden Gleichspannungsversorgung mit einer maximalen Ausgabe von 1 Ampere anstelle der nicht pulsierenden, gefilterten Gleichspannungsversorgung ausgeführt. Fig. 5A zeigt eine sehr ungleichmäßige Beschichtungsdicke auf dem in Beispiel 5 verwendeten PET-Film. Die Beschichtung wurde bei Verwendung der Plasmakammer selbst als Erde erhalten. Weiterhin wurde vor der Hohlkathode eine Erddrahtschleife angeordnet, ohne die symmetrische Anordnung bezüglich der Kathode zu beachten. Ein Vergleich von Fig. 5A mit 5B zeigt die Verbesserung der Gleichmäßigkeit quer über die Bahn, wenn das Anodensystem verwendet wird. Die Symmetrie des Abscheidungsmusters (wobei sich die stärkste Abscheidung in der Mitte ergibt) weist auf die Wichtigkeit der entwickelten symmetrischen Kathoden-Erdungsanordnung hin, die letztendlich für die Anordnung des Musters des elektrischen Feldes und folglich für die gesteuerten Abscheidungsbedingungen verantwortlich zu sein scheint. Fig. 5C unterstreicht, daß kleine Änderungen der Symmetrie des Anodensystems eine erhebliche Wirkung auf die Änderung des Abscheidungsmusters haben. Fig. 5C zeigt, daß eine gleichmäßige Beschichtungsdicke über die gesamte Abscheidungsbreite durch eine kleine Modifikation der Erdungsschlitzöffnung erreichbar ist, wobei die Mitte des Erdungsschlitzes mit einem Glasträger blockiert ist. Die Fig. 5D und 5E geben weiteren Aufschluß darüber, daß jedes Verzerren oder teilweise Blockieren des Musters des elektrischen Felds zu einem bestimmten Abscheidungsmuster führt. In Fig. 5D ist die rechte Hälfte des Erdungsschlitzes blockiert, was zu einer verringerten Beschichtungsdicke auf der rechten Seite führt. Das Abscheidungsmuster ist in Fig. 5E ähnlich, wenngleich die experimentelle Anordnung recht verschieden ist, wobei die rechte Seite des Kathodenschlitzes und nicht der Erdungsschlitz blockiert ist. Die Ähnlichkeit des Beschichtungsmusters und der Menge des abgeschiedenen Kohlenstoffs in den Fig. 5D und 5E weist darauf hin, daß das Abscheiden unabhängig davon, wo das Blockieren am Schlitz der Hohlkathode oder am Schlitz des Anodensystems auftritt, durch die Intensität des zwischen der Kathode und der Anode (Erde) erzeugten Musters des elektrischen Felds gesteuert oder zumindest erheblich beeinflußt wird. Fig. 5F zeigt das Abscheidungsmuster, wenn die rechten Hälften des Erdungsschlitzes und des Kathodenschlitzes blockiert sind.

Beispiel 7

Kohlenstoffreiche Beschichtungen wurden auf verschiedenen 15 cm breiten Polymerfilmsubstraten abgeschieden. Der Hohlkathodenschlitz war etwa 15 cm breit, und die Graphitplatten wiesen einen etwa 0,6 cm messenden Spalt auf. Die Radiofrequenz-Vorspannungselektrode war eine wassergekühlte Kupferplatte (20 cm · 25 cm), die sich etwa 515 cm von dem Hohlkathodenschlitz entfernt befand. Eine Erdungsdrahtschleife (mit einem Durchmesser von etwa 35 cm) wurde zwischen dem Hohlkathodenkasten und dem Substrat angeordnet. Der Hohlkathodenschlitz wurde durch eine pulsierende Gleichspannungsversorgung mit einer maximalen Ausgabe von 1 Ampere bei 1000 mA und etwa minus 100 Volt mit Energie versorgt. Die Filmsubstrate wurden entweder ortsfest beschichtet, während sie in Kontakt mit der Vorspannungs-Elektrodenplatte standen, oder während sie fortlaufend bei konstanter Geschwindigkeit über die Platte glitten. Die folgende Tabelle zeigt unter Verwendung eines Durchlässigkeitstestgeräts Permatran W-6 und des in Beispiel 3 skizzierten Verfahrens gemessene Wasserdampf-Durchlässigkeitswerte für das Substrat vor ("Substrat") und nach ("Probe") der Kohlenstoffabscheidung. Für alle Substrate unter Einschluß des nicht durch Korona-Behandlung oder andere Plasmabehandlungen (Argonbehandlungen) vorbehandelten oder zum Vermeiden einer Wasserabsorption speziell verpackten oder mit einem Schlupfmittel hergestellten 4 Millizoll (1,0 · 10&supmin;² cm) messenden PET-Films wurden ausgezeichnete Sperrwerte erhalten.

Beispiel 8

Das in Beispiel 3 verwendete Hohlkathodensystem wurde durch ein Graphitrohr (wie in US-A-5 286 534 und US-A-5 232 791 beschrieben ist) mit einem Innendurchmesser von 0,6 cm und einer Länge von etwa 15 cm ersetzt. Das Zuführgas und das Trägergas (460 sccm C&sub2;H&sub2; und 40 sccm Argon) wurden als eine Mischung in das Rohr eingeführt. Andererseits gleichte die Vorrichtungsanordnung einschließlich des Anordnens des Anodensystems und des Abstands der Öffnung des Kathodenrohrs zum Substrat der in Beispiel 3 beschriebenen. Kohlenstoffreiche Beschichtungen wurden auf einen 30 cm breiten, 0,56 Millizoll (1,4 · 10&supmin;³ cm) messenden doppelschichtigen PET-Film mit Videoqualität (in Beispiel 5 beschrieben) bei einem Plasma-Lichtbogenstrom von 10 Ampere und minus 75 Volt bei einer Geschwindigkeit von 14 m/min unter Verwendung der pulsierenden Spannungsversorgung mit einer maximalen Ausgabe von 10 Ampere abgeschieden. Der Druck betrug etwa 1,0 Pa (8 mTorr), und die Vorspannung betrug minus 600 Volt. Wasserdampf-Durchlässigkeitstests (wie in Beispiel 3 beschrieben gemessen) wiesen auf von etwa 8 g/m² je Tag an den äußeren Abschnitten bis zu etwa 0,5 g/m² je Tag in der Mitte reichende Änderungen der Gleichmäßigkeit quer über die Bahn hin. Die Ungleichmäßigkeit wurde dem von einer kleinen Kathodenrohröffnung, die als eine Punktquelle angesehen werden kann, erzeugten Kohlenstoffplasma zugeschrieben. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse wird durch eine angemessene Änderung der Konfiguration des Anodensystems eine höhere Gleichmäßigkeit quer über die Bahn erwartet.

Beispiel 9

Ein 1 Millizoll (2,54 · 10&supmin;³ cm) messender Kapton-Film (DuPont, H100) und eine 1 Millizoll (2,54 · 10&supmin;³ cm) messende Aluminiumfolie (beide 15 cm breit) wurden entsprechend der Vorrichtungsanordnung und dem größten Teil der in Beispiel 5 beschriebenen Verfahrensbedingungen mit Kohlenstoff beschichtet. Das Hohlkathodenschlitz-Plasma wurde bei etwa minus 100 Volt und 6 Ampere aufrechterhalten. Der Druck betrug etwa 1,0-1,3 Pa (8-10 mTorr). Der kohlenstoffbeschichtete KaptonTM-Film wurde durch ESCA auf die optische Durchlässigkeit und die Wasserdampfdurchlässigkeit untersucht. Kohlenstoff wurde unter ortsfesten Bedingungen innerhalb von 2-3 Minuten auf die Aluminiumfolie abgeschieden und dann für die Analyse durch Raman-Spektroskopie abgeschabt. Weiterhin wurde die Aluminiumfolie als ein Substrathalter für Ge-FTIR- Kristalle und für Siliciumchips zum Messen der Dicke und der Härte des abgeschiedenen Kohlenstoffs verwendet.
Für die Probe A wurden die folgenden IR-Absorptionsspitzen beobachtet:
Die Probe A enthielt im wesentlichen eine erhebliche Konzentration von Kohlenwasserstoffanteilen zusammen mit einem erheblichen Teil ungesättigten und oxidierten Kohlenstoffs. Beim Vergleich der Absorptionsspitzenhöhen der Probe A mit denen der Probe B (bei einer Vorspannung von minus 300 Volt verarbeitet) war der Kohlenwasserstoffteil der Probe B um etwa 40% verringert und war der Teil oxidierten Kohlenstoffs um etwa 10-20% verringert, der Teil des ungesättigten Kohlenstoffs war jedoch um etwa 15-20% erhöht. Für die Probe C wurden (verglichen mit der Probe A) bei Verwendung etwas intensiverer Plasmabedingungen ähnliche, jedoch geringfügig größere Zusammensetzungsänderungen erhalten. Die C=O-Spitze war in der Probe B nahezu auf Null verringert und in der Probe C vollständig beseitigt. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, daß verschiedene Typen kohlenstoffreicher Beschichtungen unter Verwendung der geänderten Abscheidungsbedingungen abgeschieden wurden, wobei sich die Proben B und C einer diamantartigen Beschichtung nähern.
Die Raman-Spektren der Proben B und C waren abgesehen von Spitzen bei 1330-1334 cm&supmin;¹ und einer größeren und schärferen Spitze bei 1580-1583 cm&supmin;¹, die auf das Vorhandensein einer Graphitkomponente hinwies, im wesentlichen flach. Die Werte der Mohs-Härte der Proben B und C näherten sich denen von Diamant (etwa 10).
Die vorliegende Erfindung wurde mit Bezug auf verschiedene spezielle und bevorzugte Ausführungsformen und Techniken beschrieben. Es sei jedoch bemerkt, daß zahlreiche Abänderungen und Modifikationen innerhalb des in den Ansprüchen spezifizierten Schutzumfangs der Erfindung vorgenommen werden können.

Claims

1. Verfahren zum Plasmaabscheiden einer kohlenstoffreichen Beschichtung auf einem Substrat, aufweisend:

(a) Bereitstellen eines Substrats in einer Vakuumkammer,

(b) Erzeugen eines kohlenstoffreichen Plasmas in der Vakuumkammer durch

(1) Einleiten eines Plasmagases in ein Hohlkathoden- Schlitzsystem, das eine zwei parallel zueinander angeordnete Elektrodenplatten aufweisende Kathode aufweist,

(2) Bereitstellen einer Spannung, die bewirkt, daß mehrere Lichtbögen geringer Intensität gebildet werden und sich zufällig und ständig auf der Oberfläche beider Elektrodenplatten bewegen und bewirkt, daß das Plasma ständig gelöscht und neu gezündet wird, und

(3) Aufrechterhalten eines zum Aufrechterhalten des Plasmas ausreichenden Vakuums in der Vakuumkammer und

(c) Abscheiden des kohlenstoffreichen Plasmas auf das Substrat zum Bilden einer kohlenstoffreichen Beschichtung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Spannung durch eine an die Elektrodenplatten angeschlossene pulsierende Gleichspannungsversorgung bereitgestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Trägergasplasma zwischen den zwei Elektrodenplatten des Hohlkathoden-Schlitzsystems eingeleitet wird, wobei der Schritt des Einleitens des Trägergasplasmas das Einleiten eines Trägergases in eine erste Abteilung und das Bilden eines Plasmas aus dem Trägergas aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Trägergasplasma einer zweiten Abteilung zugeführt wird, wo ein Zuführgas eingeführt wird, und wobei die Mischung aus dem Trägergasplasma und dem Zuführgas zwischen den zwei Elektrodenplatten in einer dritten Abteilung eingeleitet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Trägergas in der ersten Abteilung, die ein an eine ändere pulsierende Gleichspannungsversorgung angeschlossenes Hohlkathodenrohr aufweist, zu einem Plasma gemacht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Plasmagas ein Trägergas und ein Zuführgas aufweist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Schritt des Abscheidens des kohlenstoffreichen Plasmas das Aussetzen des Substrats gegenüber dem Plasma aufweist, während sich das Substrat in unmittelbarer Nähe zu einer Radiofrequenz-Vorspannungseinrichtung befindet, wodurch das Plasma zum Substrat hin beschleunigt wird und darauf als eine kohlenstoffreiche Beschichtung abgeschieden wird.

8. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die pulsierende Gleichspannungsversorgung einen maximalen Strom von 10 Ampere aufweist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das kohlenstoffreiche Plasma aus einem Zuführgas erzeugt wird, das aus der aus gesättigten und ungesättigten Kohlenwasserstoffen, stickstoffhaltigen Kohlenwasserstoffen, sauerstoffhaltigen Kohlenwasserstoffen, halogenhaltigen Kohlenwasserstoffen und siliciumhaltigen Kohlenwasserstoffen bestehenden Gruppe ausgewählt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Zuführgas Acetylen ist.

11. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Radiofrequenz- Vorspannungseinrichtung eine Kühlrolle ist und wobei das Substrat die Kühlrolle während des Abscheidens der kohlenstoffreichen Beschichtung berührt.

12. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das kohlenstoffreiche Plasma zum Substrat und an einem Anodensystem vorbei, das an beide pulsierenden Gleichspannungsversorgungen angeschlossen ist, beschleunigt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die kohlenstoffreiche Beschichtung bei einer Abscheidungsrate von etwa 75 nm/s abgeschieden wird.

14. Plasmastrahl-Abscheidungsvorrichtung mit einem Kathodensystem zum Erzeugen eines auf ein Substrat abzuscheidenden Plasmas und einem Anodensystem, wobei das Kathodensystem ein Hohlkathoden-Schlitzsystem mit einer Abteilung aufweist, in der sich eine Kathode befindet, die zwei parallel zueinander angeordnete Elektrodenplatten aufweist, wobei die zwei Elektroden an eine Spannungsversorgung angeschlossen sind, die das Bilden mehrerer Lichtbögen geringer Intensität und das zufällige und ständige Bewegen von ihnen auf der Oberfläche beider Elektroden bewirkt und bewirkt, daß das Plasma ständig gelöscht und neu gezündet wird.

15. Plasmastrahl-Abscheidungsvorrichtung nach Anspruch 14, wobei die zwei Elektrodenplatten an eine pulsierende Gleichspannungsversorgung angeschlossen sind.

16. Plasmastrahl-Abscheidungsvorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, wobei das Hohlkathoden-Schlitzsystem eine erste Abteilung, die dafür ausgelegt ist, ein Trägergas zu empfangen und das Trägergas in ein Plasma umzuwandeln, und eine weitere Abteilung aufweist, die die Elektrodenplatten enthält und an die erste Abteilung angeschlossen ist, um das in der ersten Abteilung erzeugte Trägergasplasma zu empfangen.

17. Plasmastrahl-Abscheidungsvorrichtung nach Anspruch 16, die zwischen der das Trägergas empfangenden Abteilung und der die Elektrode enthaltenden Abteilung eine weitere Abteilung aufweist, die dafür ausgelegt ist, ein Zuführgas zu empfangen.

18. Plasmastrahl-Abscheidungsvorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, wobei die erste Abteilung ein an eine weitere pulsierende Gleichspannungsversorgung angeschlossenes Hohlkathodenrohr aufweist.

19. Plasmastrahl-Abscheidungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, welche weiter eine Vorspannungselektrode aufweist.

20. Plasmastrahl-Abscheidungsvorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Vorspannungselektrode eine Kühlrolle aufweist.

21. Plasmastrahl-Abscheidungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 20, wobei das Anodensystem ein einstellbares Anodensystem ist, das sich im wesentlichen unterhalb einer den Schlitz des Hohlkathoden-Schlitzsystems und das Substrat verbindenden gedachten Linie befindet, so daß es sich unterhalb des Wegs des sich beim Betrieb zwischen der Kathode und dem Substrat bewegenden Plasmas befindet.

22. Plasmastrahl-Abscheidungsvorrichtung nach Anspruch 15, wobei die pulsierende Gleichspannungsversorgung einen maximalen Strom von 10 Ampere aufweist.

23. Plasmastrahl-Abscheidungsvorrichtung nach Anspruch 21, wobei das einstellbare Anodensystem einen in einen Glaskasten eingeschlossenen elektrisch leitenden Stab aufweist, wobei der Glaskasten einen einstellbaren Schlitz aufweist.