DE69722619T2

DE69722619T2 - Vorrichtung zur Kondensationserzeugung eines Schichtes auf einem Substrat

Info

Publication number: DE69722619T2
Application number: DE69722619T
Authority: DE
Inventors: Pierre Vanden Brande; Alain Weymeersch
Original assignee: Cockerill Sambre SA
Current assignee: ArcelorMittal Liege Upstream SA
Priority date: 1997-10-08
Filing date: 1997-10-08
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2017-10-09
Also published as: ES2200117T3; DK0908924T3; DE69722619D1; JPH11189872A; EP0908924A1; PT908924E; ATE242545T1; EP0908924B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bildung einer Beschichtung auf einem Substrat durch Kondensation eines Elements, insbesondere eines Metalls, auf diesem Substrat, umfassend (a) einen Raum, wo eine Verdampfung und/oder Kathodenzerstäubung des Elements stattfindet und in welchem ein Target angeordnet ist, das mindestens eine Oberflächenschicht aufweist, welche das vorstehend genannte Element enthält und gegen das sich gegenüber und oberhalb des Targets befindliche Substrat gerichtet ist, sowie (b) Mittel zum Verdampfen des Elements und/oder (c) Mittel zum Durchführen der Kathodenzerstäubung des vorstehend genannten Elements von dem Target aus gegen das Substrat.
Eines der Probleme, das sich bei den bekannten Vorrichtungen vom vorstehend genannten Typ stellt, ist, daß sich die Wände des Raums, wo die Verdampfung und/oder die Kathodenzerstäubung stattfindet, mit dem Element, aus welchem die Beschichtung gebildet werden soll, kontaminieren. Dies beeinflußt nicht nur den richtigen Betrieb der Vorrichtung, da wiederholte Reinigungen dieser Wände erforderlich sind, sondern verursacht auch einen nicht unwesentlichen Verlust an auf dem Substrat abzulagerndem Material (siehe beispielsweise PATENTS ABSTRACTS OF JAPAN, Vol. 014, Nr. 576 (E-1016), 21. Dezember 1990, Zusammenfassung der JP-A-02 250325, wo die Seitenwände des negativ polarisierten Raums durch Ionenerosion gereinigt werden).
Somit ist eine der wesentlichen Aufgaben der vorliegenden Erfindung, die Kontaminierung dieser Wände zu vermindern und sogar zu unterdrücken.
Zu diesem Zweck umfaßt die Vorrichtung erfindungsgemäß eine elektrisch leitende Wand, die seitlich den Raum zwischen dem Target und dem Substrat begrenzt, und Mittel, um diese Wand in Bezug auf das Substrat negativ oder positiv zu polarisieren, wobei die negativ oder positiv polarisierte leitende Wand sich unter dem Bombardement von positiven Ionen oder von Elektronen erwärmt, wobei die Wand eine Temperatur aufweist, bei welcher ein von dem Target kommender Dampf des vorstehend genannten Elements nicht auf derselben kondensieren kann.
Vorteilhafterweise ist eine thermische Isolation auf der Seite der vorstehend genannten leitenden Wand vorgesehen, die derjenigen, welche gegen den Raum zwischen dem Target und dem Substrat gerichtet ist, entgegengesetzt ist.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist ein Magnetkreis auf der Seite der vorstehend genannten leitenden Wand vorgesehen, die derjenigen, welche gegen den vorstehend genannten Raum gerichtet ist, entgegengesetzt ist.
Weitere Details und Besonderheiten der Erfindung können der nachstehend als nicht beschränkendes Beispiel angegebenen Beschreibung einiger besonderer Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen entnommen werden.
Die 1 ist eine schematische Teilansicht im vertikalen Schnitt einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Beschichten eines Substrats, das in Form eines kontinuierlichen Bandes vorliegt.
Die 2 ist eine zu der der 1 analoge schematische Ansicht, bestimmt zur Behandlung von fixierten Substraten, die im Innern des Raums angeordnet sind.
Die 3 ist ein Schnitt längs der Linie III-III der 2.
Die 4 ist eine schematische Ansicht im Aufriß einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Schwenkkathode.
Die 5 ist ein Schnitt längs der Linie V-V der 4.
In den verschiedenen Figuren beziehen sich die gleichen Bezugszeichen auf analoge oder identische technische Maßnahmen.
Im allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung, die zur Bildung einer Beschichtung auf einem Substrat beliebiger Form durch Kondensation eines Elements, insbesondere eines Metalls, auf diesem Substrat verwendet werden kann.
Diese Vorrichtung umfaßt einen Raum oder eine Kammer unter Vakuum, in welchem/welcher ein Verdampfen und/oder eine Kathodenzerstäubung dieses Elements stattfindet und in welchem/welcher ein Target angeordnet ist. Dieses letztere weist eine Oberflächenschicht auf, die gegen das Substrat gerichtet ist und die das vorstehend genannte Element enthält. Mittel sind vorgesehen, um dieses Element zu verdampfen und/oder die Kathodenzerstäubung desselben von dem Target aus gegen das Substrat durchzuführen.
Erfindungsgemäß ist diese Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß sie eine leitende Wand, die den Raum zwischen dem Target und dem Substrat umgibt, und Mittel, um diese Wand in Bezug auf dieses letztere negativ oder positiv zu polarisieren, umfaßt.
So umfaßt die 1, die eine erste Realisierung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt, einerseits einen Verdampfer-Kathodenzerstäuber 1 und andererseits eine Kammer oder einen Raum 2 unter Vakuum, in welcher/welchem ein Plasma 3 erzeugt werden kann.
Der Verdampfer-Kathodenzerstäuber 1 ist im wesentlichen aus einem Tiegel 4 gebildet, unterhalb welchem ein Magnetkreis 5, der von diesem Tiegel durch eine thermische Isolation 6 getrennt ist, angeordnet ist.
Der Tiegel 4 enthält das zu zerstäubende, zu verdampfende oder zu sublimierende Element, das im allgemeinen aus einem Metall gebildet ist.
Die Vakuumkammer ist an ihrem oberen Teil gegenüber dem Tiegel 4 durch ein kontinuierliches Band aus Blech begrenzt, welches das Substrat 8 bildet und welches sich längs einer Richtung senkrecht zu der Zeichenebene bewegt. Dieser Tiegel 4 enthält eine Schicht aus Metall 7 und bildet das vorstehend genannte Target.
Der Raum 2' dieser Kammer 2, der zwischen dem Substrat 8 und dem Tiegel 4 geschaffen ist, ist seitlich durch eine leitende Wand 9 begrenzt.
Diese Wand 9 ist elektrisch polarisiert, beispielsweise negativ oder positiv in Bezug auf das Substrat.
Außerdem ist, um die Kathodenzerstäubung zu ermöglichen, das Metall 7, welches in dem Tiegel 4 enthalten ist, in Bezug auf das Substrat 1 auf einem negativen Potential gehalten, und das Plasma 3 wird in der Nähe dieses eventuell flüssigen Metalls 7 aufgrund der Anwesenheit des Magnetkreises 5 erzeugt.
Ein inertes Gas, beispielsweise Argon, wird unter Umständen in die Vakuumkammer 2 durch nicht dargestellte Injektoren eingebracht, die vorzugsweise schräg gegen das Plasma 3 und gegen das flüssige Metall 7 gerichtet sind.
In dieser Weise wird dieses inerte Gas ionisiert und die so gebildeten Ionen bombardieren die Oberfläche des Metalls 7, so daß Partikel dieses letzteren gegen das Substrat 8 geschleudert werden.
Das Dokument EP-A-95870065.6 beschreibt ein Kathodenzerstäubungsverfahren, welches im Rahmen der vorliegenden Erfindung für eine geeignete Einstellung der Temperatur des Tiegels 4 anwendbar ist, um den erforderlichen Dampfdruck des vorstehend genannten Metalls oberhalb des Tiegels zu erhalten, wie in dem Dokument EP-A-962031211.6 beschrieben. In diesem Fall ist die Einspritzung von Argon jedoch nicht immer unerläßlich.
So erwärmt sich die leitende Wand 9 unter dem Bombardement von positiven Ionen oder Elektronen, die in dem Plasma 3 enthalten sind.
Wenn die Temperatur der Wand 9 ausreichend hoch wird, kann der von dem Target 7 stammende Metalldampf nicht mehr kondensieren, so daß die Kontaminierung dieser Wand 9 sehr vermindert wird und praktisch inexistent ist.
Die Wahl des Materials der Wand 9 als ein Material mit geringem Dampfdruck und mit sehr geringem Kathodenzerstäubungsgrad, in dem Fall, in welchem sie negativ polarisiert ist, vermindert oder vermeidet die Kontaminierung mit der auf dem Substrat zu bildenden Ablagerung.
Ein solches Material kann beispielsweise Graphit, Tantal, Wolfram oder ein elektrisch leitendes Keramikmaterial sein.
Außerdem kann, um thermische Verluste in der Vakuumkammer 2 zu vermeiden und so den Energieverbrauch zu begrenzen, die leitende Wand 9 an ihrer Außenseite mit einer thermischen Isolation 10 versehen sein.
Ein Magnetkreis 11 ist ebenfalls hinter der leitenden Wand 9 angeordnet, was jedoch nicht unbedingt notwendig ist.
In einem besonderen Fall kann die leitende Wand 9 im wesentlichen auf demselben Potential wie das Target aus flüssigem Metall 7 gehalten sein, während das Substrat 8 auf Masse 12 gelegt sein kann.
Schließlich sind, wie bereits in dem Dokument EP-A-962031211.6 beschrieben, vorteilhafterweise nicht dargestellte Mittel zur thermischen Regulierung vorgesehen, um die Oberflächenschicht des Targets 8 im flüssigen Zustand zu halten.
Die in den 2 und 3 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich im Vergleich zu der in der 1 gezeigten dadurch, daß sie eine Vorrichtung zur Bildung einer Beschichtung auf der äußeren Oberfläche eines Objekts 8, das in der Vakuumkammer 2 hängt, betrifft. Dieses Objekt entspricht also dem Substrat, von welchem oben die Rede ist.
In dieser Ausführungsform umfaßt die leitende Wand 9 einen Teil 9', der sich auf der Seite gegenüber dem Tiegel 4 um das durch Verdampfen-Kathodenzerstäuben zu beschichtende Objekt 8 herum erstreckt.
Dieser Teil 9' erfüllt die gleiche Funktion wie die Wand 9, die sich seitlich um den oberhalb des Tiegels 4 gelegenen Raum erstreckt.
Die 4 und 5 betreffen eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die sich im Vergleich zu den vorstehend genannten dadurch unterscheidet, daß einerseits ein um eine vertikale Achse 15 schwenkbarer Tiegel 4 und andererseits zwei entgegengesetzte leitende Wände 9a und 9b verwendet werden, die längs der Richtung der Pfeile 16 und unter Umständen auch längs einer Richtung parallel zu ihrer Ebene beweglich sind.
Diese Ausführungsform paßt insbesondere zur Beschichtung von Substraten 5, die aus kontinuierlichen Bändern unterschiedlicher Breite, die sich in Richtung der Pfeile 17 bewegen, gebildet sind.
Und zwar indem der Tiegel 4 um die Achse 15 gedreht wird und indem gleichzeitig die leitenden Wände 9a und 9b bewegt werden, so daß sie immer so nah wie möglich an diesem Tiegel 4 sind, kann die Verdampfungs-Kathodenzerstäubungs-Zone sehr leicht an die Breite des zu bedeckenden Substrats 8 angepaßt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhafterweise angewendet werden, um Substrate mit Zink, Magnesium, Zinn, Mangan, Chrom oder einer Legierung dieser Metalle zu bedecken.
Typischerweise wird die leitende Wand 9 auf einem Potential von –500 Volt gehalten, während die Leistungsdichte im allgemeinen von 1 Watt pro cm² bis 100 Watt pro cm² variieren kann.

Claims

Vorrichtung zur Bildung einer Beschichtung auf einem Substrat (8) durch Kondensation eines Elements, insbesondere eines Metalls, auf diesem Substrat (8), umfassend einen Raum (2), wo eine Kathodenzerstäubung des Elements sowie eventuell gleichzeitig eine Verdampfung desselben stattfindet und in welchem ein Target (7) angeordnet ist, das mindestens eine Oberflächenschicht aufweist, welche das vorstehend genannte Element enthält und gegen das sich gegenüber und oberhalb des Targets (7) befindliche Substrat (8) gerichtet ist, und Mittel zum Durchführen der Kathodenzerstäubung des vorstehend genannten Elements von dem Target (7) aus gegen das Substrat (8), sowie eventuell Mittel zum gleichzeitigen Verdampfen des Elements, wobei diese Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß sie eine elektrisch leitende Wand (9, 9a, 9b) umfaßt, die zumindest seitlich den Raum (2') zwischen dem Target (7) und dem Substrat (8) begrenzt, und Mittel, um diese Wand (9, 9a, 9b) in Bezug auf das Substrat (8) negativ oder positiv zu polarisieren, und dadurch, daß die negativ oder positiv polarisierte leitende Wand (9, 9a, 9b) sich unter dem Bombardement von positiven Ionen oder von Elektronen erwärmt und eine Temperatur aufweist, bei welcher ein von dem Target kommender Dampf des vorstehend genannten Elements nicht auf derselben kondensieren kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine thermische Isolation (6) auf der Seite der vorstehend genannten leitenden Wand (9) vorgesehen ist, die derjenigen, welche gegen den Raum (2') zwischen dem Target (7) und dem Substrat (8) gerichtet ist, entgegengesetzt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Magnetkreis (11) auf der Seite der vorstehend genannten leitenden Wand (9, 9a, 9b) vorgesehen ist, die derjenigen, welche gegen den vorstehend genannten Raum (2') gerichtet ist, entgegengesetzt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vorstehend genannte Wand (9, 9a, 9b) aus einem leitenden Material mit niedriger Zerstäubungsausbeute und mit niedrigem Dampfdruck, wie beispielsweise Graphit, gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um die Wand (9, 9a, 9b) im wesentlichen auf dasselbe Potential wie das Target (7) zu legen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um das Substrat (8) auf Masse zu legen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur thermischen Regulierung vorgesehen sind, um zumindest die Oberflächenschicht des Targets (7) im flüssigen Zustand zu halten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen gekühlten Magnetkreis (5) auf der Seite des Targets (7), die derjenigen, die gegen das Substrat (8) gerichtet ist, entgegengesetzt ist, umfaßt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (7) auf einem in Bezug auf das Substrat negativen Potential liegt und dadurch, daß die Mittel zum Durchführen der Kathodenzerstäubung zwischen dem Target und dem Substrat ein Plasma erzeugen, das positive Ionen oder Elektronen enthält, welche, durch Bombardement der leitenden Wand, dieselbe auf der Temperatur halten, bei der ein von dem Target kommender Dampf des vorstehend genannten Elements nicht auf derselben kondensieren kann.