DE8804889U1

DE8804889U1 - Gerät zur Beschichtung von Substraten durch Kathodenzerstäubung

Info

Publication number: DE8804889U1
Application number: DE8804889U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-04-14
Filing date: 1988-04-14
Publication date: 1989-08-10

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Beschichtung von Substraten durch Kathodenzerstäubung mit einer evakuierbaren Kammer, in der sich jeweils mindestens eine Kathode und eine Anode sowie das Substrat befinden, mit einem Steuergerät zur Versorgung der Kathode mit einem negativen, elektrischen Potential relativ zur Anode oder zur Kairanerinnenwand und der Anode mit einem positiven, elektrischen Potential zur Kammerinnenwand sowie mit einem Gasanschluß und einem Gasauslaß zur Einleitung und Ableitung von Sondergasen bzw. zur Evakuierung, wobei die Anode und gegebenenfalls weitere Einrichtungen die Ionisation innerhalb der Kammer fördern.

Derartige Geräte werden zum Beispiel für die Beschichtung von Glasscheiben als UV-Filter kommerziell eingesetzt. Es werden dünnste Schichtdicken besonders gleichmäßig auf das Substrat aufgebracht, so daß der Umgang mife dem

* * t I # t 4 4 Il Il

• · I · · · 9 &igr;

• « ·»«· 4· ir

Beschichtungswerkstoff sparsam ist und auch ein Wechsel des Beschichtungsmaterials durch Austauschen der Kathode bzw. einer Kathodenblende sehr leicht möglich ist.

Der Beschichtungsvorgang läuft nach folgendem Schema ab:

Innerhalb einer stark evakuierten Kammer wird zum Beispiel eine bestimmte Konzentration von Argon aufrechterhalten. Innerhalb der Kammer befinden sich eine Kathode und eine Anode, wobei die Kathode das zu zerstäubende Material trägt und im übrigen im Bereich eines sogenannten Magnetronfeldes liegt, also eines Feldes aus elektrischer und magnetischen Kraftlinfen. Die Ionen aus dem bei diesen Randbedingungen als Plasma vorliegenden Argon werden mit hoher Geschwindigkeit auf das an der Kathode befindliche Be-Schichtungsmaterial geschleudert, und beim Auftreffen auf die Oberfläche setzen sie wiederum als Ionen vorliegende Dampfpartikel des Beschichtungsmaterial frei, die aufgrunde einer negativen Ladung des Substrates dorthin wandern und abgeschieden werden. Der Prozeß ist in der Regel begleitet von einer Glimmentladung.

Bei regelmäßigen Körpern wie Glasscheiben und dergleicnen bedarf es zur Erzielung einer regelmäßigen Beschichtung lediglich einer flächenhaften Kathode, um die gewünschte hervorragende Güte der Beschichtung zu erzielen. Bei unregelmäßig gestalteten Substraten gibt es hingegen Schwierigkeiten. Die der Kathode abgewandten Bereiche werden stark porös beschichtet, mit der Folge, daß bei einer späteren Beschichtung mit günstigen Bedingungen, beispielsweise nach einer Drehung des Substrates, die Schichten hoher Qualität abplatzen. Es darf also zu einer porösen Abscheidung erst gar nicht kommen. Aufgrund dieser Schwierigkeiten werden die bekannten Geräte nur bei regelmäßigen und glattflächigen Substraten eingesetzt.

Es ist Aufgäbe der Erfindung, ein Gerät der eingangs genannten Art so abzuändern, daß auch urregelmäßige Substrate beschichtet Werder,, könneil, und zwar mit einer

• * Il Il * '

4 < i ff I Il ß

&diams; · * H Il · 4

«41444 * « 4 t|*

■ * » * t«" *O* 44*

•9 8 89» 6»**

3
allseits gut haftenden, hochwertigen Deckschicht *

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß die Kathode während des Betriebes relativ zu dem Substrat versdhieblich angeordnet ist, und daß zur Bildung eines Hauptpotentials jeweils eine Leitung von dem Steuergerät zu der Kathode und der Anode und zur Bildung eines Nebenpotentials geringerer Spannung und Leistung jeweils eine Leitung zu der Kammerinnenwand verläuft.

Die Erfindung wendet sich ab von dem Bestreben, durch Vergrößern bzw. durch eine in der Form mit dem Substrat Übereinstimmende Kathode eine vollständige Erfassung der zu beschichtenden überfläche zu erreichen. Statt dessen lehrt die Erfindung, die Kathode zu bewegen mit der Folge, daß sis relativ klein gestaltet werden kann. In dieser Weise ist sie relativ leicht innerhalb der Kammer bewegbar und kann so der Kontur eines unragelmäßig gestalteten Substrates folgen.

Während der Beschichtung an einer Stelle eines beispielsweise länglichen Substrates kann es an einer anderen Stelle zu der befürchteten porösen Ablagerung kommen, so daß diesbezüglich Gegenmaßnahmen eingeleitet werden müssen. Das geschieht bei der Erfindung durch eine so hohe loiientfichte innerhalb der Kammer, daß außerhalb der Zone der Beschichtung die zu beschichtenden Flächen einem fortwährenden Ionenbombardement ausgesetzt werden, so dciß unvollkommen abgelagerte Schichten und Strukturen entfernt werden,

3Q nämlich durch das sogenannte Ätzen_f also durch den Beschüß zum Beispiel mit Argönionen. Es bedarf lediglich eines Gleichgewichtes derart, daß der Abtrag durch die allgemein hohe Ionenkonzentration in den gerade beschichteten Zonen unterhalb des Beschichtungsauftrages liegt und andererseits eine fortwährende, gute Reinigung der noch zu beschichtenden Fläche erfolgt. Die Versorgung der einzelnen Bauteile mit den im Anspruch 1 beschriebenen Potentialen sorgt für diese hohe Ionenkonzentration, die

·· « tt il

im übrigen durch die Merkmale deli ünterähspfüche 2 bis 6 gefördert wird.

Während die Bereitstellung des iJebenpotentials Über die Variablen Widerstände in erster Linie eine kostengünstige Lösung für eine hohe Ionenkonzentration darstellt,- wird durch eine Einleitung des Gases in der Nähe der Anode die Ionenbildung an dieser Stelle besonders gefördert. Durch eine teilweise Abdeckung der Anode mit Hilfe einer Keramikschicht kann die Ionenbildung stark konzentriert werden, wodurch die Emission in den Kaum der Kammer besonders begünstigt wird.

Auch das Magnetfeld der Kathode kann so gestaltet werden, daß es weit in den Raum der Kammer hinausreicht, was in erster Linie durch eine gewisse Inhomogenität erreicht wird. Sehr starke Permanentmagnete aus einer Eisen-Neodyum-Bor-Verbindung werden gepaart mit einem relativ schwachen Magneten im Zentrum einer Polkette, so daß die magnetischen Kraftlinien in größer Intensität Weit vor der Kathode verlaufen.

Eine weitere Steigerung der Ionenbildung kann durch die Bereitstellung eines Magnetfeldes im Bereich der Anode erzielt werden. In Weiterbildung ist deshalb vorgesehen, daß an dieser Stelle Permanentmagnete installiert werden. Aufgrund der an dieser Stelle vorherrschenden magnetischen Kraftlinien werden die auf die Anode zuströmenden Elektronen stark verwirbelt und zur Raumdurchmessung gezwungen.

und der nachfolgenden lönenbiiäiing gesteigert wird.

In den unteranSprüchen 9 bis 16 sind weitere lonisations hilfen bzw. Weiterbildungen und Kombinationen durch Merkmale bestimmt, deren Verwendung nachfolgend genauer beschrieben wird.

Wenn an eisier oder mehreren Stellen eine Spule oder

• tit litt

t i I t «««·

j mehrere Spulen innerhalb der Kanuner untergebracht sind, kann dur'ch Anlegen einer hochfrequenten Wechselspannung die Turbulenz von Gästeilchen angeregt werden, so daß die Bildung eines Plasmas gefördert wird, Ähnliche Effekte werden durch eine HöchfrequenzentladUng zwischen zwei

Elektroden erzielt. Unterstützend bei einer Höchfrequeftzentladung wirkt ein Magnetfeld, das beispielsweise mit Hilfe von Permanentmagneten im Bereich der Elektroden hervorgebracht wird. Beide Ionisationshilfen können ,Q innerhalb eines Gaseinlaßraumes, der sich innerhalb der Kammer befindet, untergebracht werden, so daß nur Ionen und Elektronen aus diesem Raum in die Kammer gelangen. Insgesamt entstehen dadurch Hochfrequenz-Teilchenquellen bzw. Hochfrequenz-Ionenquellen.

Eine weitere Möglichkeit zur Verstärkung der Präsenz

von Ionen innerhalb der Kammer besteht in der Bereit·* stellung von Glimmentladungsionenqüellen. Glimmentladungen finden zum Beispiel in einer Hohlkathode statt, die zusätzlich zu der bereits beschriebenen Kathode als Hilfskathode innerhalb der Kammer angeordnet ist. Oftmals genügen auch einfache, stabförmige Hilfskathoden, um die ionisierende Wirkung herbeizuführen. Wiederum besteht eine Verstärkungsmöglichkeit durch die Bereit-&ldquor;_ stellung eines entsprechenden Magnetfeldes. Die Bildung

von Ionen wird insbesondere auch durch eine Erwärmung der Kathode gefördert, so daß die Hilfskathoden als beheizte Glühkathoden eingesetzt werden können.

__n Wiederum können sämtliche Hilfskathoden innerhalb eines Glaseinlaßraumes in der Kammer installiert werden, so daß ausschließlich Ionen und Elektronen von diesem Raum aus in die Kammer gelangen. Eine ähnliche Richtwirkung kann durch Hohlkathoden-Bogenentladungen herbeigeführt

werden, also durch Bogenentladungen zwischen zwei Elek-35

troden, die innerhalb einer Hohlkathode angebracht sind.

Die Spannung für die Bogenentladungen liegt im Niedervoltbereich. Die Bogenentladung kann thermisch unter-

4 i 4*4 ■ · &iacgr;/&bgr;

10

stützt werden, wobei dann die Unterbringung innerhalb einer Höhlkathode niöht unbedingt erforderlich ist.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind, näher erläutert; in der ZeiöhnUng zeigen&iacgr;

Figur 1 einö perspektivische Ansicht

auf die Kanuner eines Gerätes gemäß der Erfindung,

Figur 2 ein schematisches Schaltbild

der elektrischen Versorgung der Kammer gemäß der Figur 1,

Figur 3 ein abgewandeltes Schaltbild

der elektrischen Versorgung und

Figur 4 ein schematisches Schaltbild

einer weiteren Variante der elek-

20

trischen Versorgung.

In der Figur 1 ist eine Kammer 1 gezeigt, die an einer Seite mit Hilfe eines Deckels (nicht dargestellt) gasdicht verschließbar ist und über einen nicht näher bezeichne ten Gasauslaß evakuierbar ist. Die Kammerinnenwand 2 ist durch eine Beplankung mit Hilfe von Lochblechen oder Stahlplatten elektrisch leitend. Vorzugsweise befindet sich in dem Deckel ein Schaufenster zur Beobachtung des Beschichtungsvorganges im Inneren. Das zu beschichtende

^ow Substrat 4 ruht auf einem Träger 3, der ztim Beispiel ein elektrisch antreibbarer Drehteller oder dergleichen ist. Darüber hinaus kann der Träger 3 angehoben, gekippt oder in sonstiger Weise bewegt werden. Unmittelbs^v" ve dem Träger befindet sich eine Kathode 5, die an ihrer Vorderseite mit einer Beschichtungsplatte 6 aus dem zu beschichtenden Werkstoff belegt ist. Die Platte kann aufgerastet, aufgeschraubt öder in sonstiger weise befestigt

IC« a » ·<*

lit · * · ·

! lilt ■ » · "»

f < ■ &igr; t I ■ I · · · · ■

■ f ■ &Lgr; » *· >

sein. Das Beschichtungsmaterial ist &zgr;&igr;&pgr;&eegr; Beispiel TIALN, TIN, ~ine Keramik oder ein sonstiges Beschichtungsmaterial

Zur besseren Erfassung unregelmäßig geformter Substrate

4 ist die Kathode 5 mit Hilfe eines Gestänges 7 höhenverstellbar und kippbar. Die Enden des Gestänges 7 sind an Blöcken S schwenkbar gelagert, die mit nicht näher dargestellten Spindeln entlang einer Schiene 9 auf-

und abwärts bewegbar sind. Eine gleichsinnige Bewegung I

verursacht eine Vertikalbewegung der Kathode 5, während eine gegensinnige Bewegung eine horizontale Bewegung der Kathode 5 bewirkt. Zur Verschwenkung der Kathode

5 sind gesonderte Mittel vorhanden, die nicht näher dargestellt sind.

Es ist ohne weiteres möglich und vorteilhaft, auf der der Kathode 5 gegenüberliegenden Seite der Kammer eine spiegelbildliche, identische Anordnung einer zweiten Kathode vorzusehen, wenn die Beschichtung in kürzerer Zeit ablaufen soll. Es kommt jedoch auf die Anzahl der Kathoden 5 im Prinzip nicht an.

An geeigneter Stelle ist eine Anode 10 innerhalb der Kammer 1 angeordnet, um die ein Gasauslaß 11 erkennbar ist. Die Anode 10 besteht aus einem flüssigkeitsgekühlten Kupferrohr und kann zum Teil mit einer Schutzschicht aus Keramik umgeben sein. Das aus dem Gaseinlaß 11 während des Betriebes in das Vakuum der Kammer austretende Argongas überströmt die Anode 10 und wird fortlaufend durch den bereits erwähnten Gasauslaß kontrolliert abgezogen, so daß stets eine gleichbleibende, vorbestimmte Argonmenge innerhalb der Kammer 1 vorhanden ist.

Wegen der starken Beanspruchung der Kathode 5 durch Auftreffen der Ionen des Argon/ das bei starkem Vakuum und in dem beschrieben Magnetronfeld als Plasma vorliegt, also sis ionsn^Siektrsnen-Qsnii^shf RiUS aueh die Kathode

H »« ti I Il Il

5 gekühlt werden. Dies geschieht mit einer umgepumpten Flüssigkeit, die übesr Schläuche (nicht dargestellt) an die Kathode 5 herangeführt wird,

In der Figur 2 ist ein Beispiel für eine elektrische Stromversorgung des Gerätes gemäß der Erfindung wiedergegeben. Ein Steuergerät 14 liefert zwischen einem Minuspol und einem Pluspol eine Spannung von zum Beispiel 700 V, wobei die Kathode 5 mit Hilfe einer Leitung 15 an den Minuspol und die Anode 10 über eine Leitung 16 an den Pluspol angeschlossen ist. An diesen beiden Leitungen 15 und 16 sind jeweils als Bestandteil des Steuergerätes 14, was mit gestrichelten Linien angedeutet ist, regelbare Widerstände 17 und IiI angeschlossen, deren anderer Ausgang an der Innenwandung 2 der Kammer mit Hilfe von Leitungen 19 und 20 angeschlosssen ist. Mit Hilfe dieser Anordnung kann auf der Kammerinnenwand 2 ein negatives Potential bereitgestellt werden, während das Anodenpotential weiter angehoben wird. In dieser Weise wird auf besonders kostengünstige Art ein hohe-.s positives Potential an der Anode, ein hohes negatives Potential an der Kathode und ein ausreichend negatives; Potential an der Innenseite der Kammer 1 hervorgerufen.

Zwar werden durch dasi negative Potential der Innenwand 2 Argonionen neutralisiert, also zu Molekülen zurückverwandelt, die von diesem negativen Potential weggeschleuderten Elektronen sind jedoch so zahlreich und so energiereich, daß durch Auftreffen dieser Elektronen auf Argonmolekülen mehr Ionen entstehen als an der Innenwand 2 absorbiert bzw. neutralisiert werden.

Die stark ionisierende Wirkung einer stark positiv geladenen Anode ist bereits beschrieben worden, so daß es an dieser Stelle keiner Wiederholung bedarf. Im ganzen entsteht eine hohe Ionenkonzerttration an praktisch jeder Stelle der Kanuner 1, so daß diejenigen Substratbereiche, die "eraäe &eegr;&iacgr;&ogr;&iacgr;&iacgr;&idiagr;; im Wijiku^naarnajiAtntiiri beschichtet Werden_;

t t

ti ti Ii &igr; Ii ti

t«| ltt I» lit t

Il »I ItIMt It · Kl

ti Il I It Il

von dem Ionenbombardement saubergehalten werden für die spätere Beschichtung nach dem Nachfahren der Kathode 5 bzw. nach einer entsprechenden Bewegung des Trägers 3. Falls sich erweist, daß die Ionenkonzentration mit dieser Konfiguration noch nicht ausreicht, kann die Anzahl der Anoden 10 erhöht werden, wobei auf eine gute Verteilung innerhalb der Kammer 1 zu achten ist.

In der Figur 3 ist eine Schaltungsvariante für die einzelnen Potentiale wiedergegeben. Während das Steuergerät 14' im eigentlichen Sinne erhalten bleibt, das dip Kathode 5 über die Leitung 15' und die Anode 10 über die Leitung 16' mit dem jeweiligen Potential versorgt, ist ein weiteres, kleineres Steuergerät 22 vorhanden, dessen positiver Anschluß ebenfalls über die Leitung 20' bis zu der Innenwand 2 der Kammer 1 geführt ist. Es wird damit dieselbe Wirkung erzielt wie mit dem vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiel unter Einschluß der Neiden regelbaren Widerstände 17 und

Die Steuergeräte 14 bzw. 14* und 22 befinden sich selbstverständlich nicht innerhalb der Kammer 1 wie in Her Figur 2 zu schematisch wiedergegeben sondern auOerhalb. Es sind dann entsprechende Leitungsdurchführungen und Leitungen als Geräteteile vorhanden, was jedoch für den angesprochenen Durchschnittsfachmann be.* der Realisierung keine Schwierigkeiten bereitet.

In der Figur 4 ist eine weitere Schaltimgsvariante zur Erzeugung der einzelnen Potentiale verdeutlicht. An den beiden Leitungen 15 und 16, die aus dem Steuergerät 14 für die Versorgung der Kathode 5 und der Anode 10 austreten, 1st ein veränderbarer Widerstand 23 parallelgeschaltet, der mit einem Mittelabgriff 24 versehen ist. Der Mittelabgriff ist mit der Gehäüseinnenwand 2 verbunden, und durch Ein justieren der Spannungsteilting werden die Potentiale der Kathode 5 Sowie der Anode 19 jeweils Relativ zu der KammeifinnenWand 2 festgelegt,

ti

l I
n

l ·

I 4 t 4*

Der variable Widerstand 23 kann als mechanisches Bauteil außerhalb der Kammer 1 manuell oder motorisch verstellt werden, abweichend davon sind selbstverständlich elektronische Spannungsteilungswiderstände einsetzbar, deren Verstellung berührungslos arbeitet.

Claims

Schutzansprtiche

1. Gerät zur Beschichtung von Substraten durch Kathodenzerstäubung mit einer evakuierbaren Kammer, in der sich jeweils mindestens eine Kathode und eine Anode fjowie das Substrat befinden, mit einem Steuergerät zur Versorgung der Kathode mit einem negativen, elektrischen Potential relativ zur Anode oder zur Kammerinnenwand und der Anode mit einem positiven, elektrischen Potential zur Kammerinnenwand sowie mit einem Gasanschluß und einem Gasauslaß zur Einleitung und Ableitung von Sondergasen bzw. zur Evakuierung, wobei die Anode und gegebenenfalls weitere Einrichtungen die Ionisation innerhalb der Kammer fördern, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (5) während des Betriebes relativ zu dem Substrat (4) verschieblich angeordnet ist, und daß zur Bildung eines Hauptpotentials jeweils eine Leitung [15, 16) von dem Steuergerät (14) zu der Kathode (5) und der Anode (10) und zur Bildung eines Nebenpotentials geringerer Spannung und Leistung jeweils eine Leitung (19, 20) zu der Anode (10) und der Kammerinnenwand

30 (2) verläuft.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des Nebenpotentials die Kathodenleitung (15) und die Anodenleitvmg (16) des Hauptpotentials jeweils über einen veränderbaren Widerstand (17, 18) oder über den Mittelabgriff (24) eines an diesen beiden Leitungen (15, 16} ange^ schlossenen veränderbaren Widerstandes (23) mit der Kammerinnenwand (2) verbunden sind.

• ti · » · i

• · * · it it

3* Gerät nach Anspruch &Idigr; oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem Gaseinlaß austretende Gasstrahl durch dEie Anode (10) hindurch, um die Anode (10) herum strömt öder auf die Anode (10) gerichtet

B ist.

4. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (10) als Rohr ausgebildet ist und teilweise von einer K^ramikschicht bedeckt ist.

5. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (5) in an sich bekannter Weise mit Permanentmagneten zur Bildung eines Dauermagnetfeldes besetzt ist, daß der eine Pol durch eine Mehrzahl von Eisen-Neodyujn-Bor-Magneten und der andere Pol durch einen kunststoffgebundenen, schwachen Magneten gebildet ist, und daß die Eisen-Neodyum-Bor-Magneten um den kunststoffgebundenen Magneten herum angeordnet sind.

6. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß iir. Bereich jeder Anode (10) zur Aufbringung eines eigenen Magnetfeldes Permanentmagnete ängordnet sind.

7i Gerät nach einem «äer vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichne t,* öaS tias Substrat (4} über einen einstellbaren elektrischen Widerstand mit der Kammerinnenwaöd (2) verbunden ist.

S* Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprache, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (4) in an sich bekannter Weise auf einem drehbaren und/oder verschiebbaren TrJiger (3) gehalten ist.

• ti It

III I «

ItII > ■ Il

S. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet/ daß die Kammer (1) eine öder mehrere Spulen als ionisationshilfe enthält*

10 -. Gerät mich einem der vorhergehenden AnsprÜcine, dadurch gekennzeichnet/ daß die Kammer (1) zwei sich gegenüberliegende Elektroden enthält.

11. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadüfch IU gekennzeichnet/ SaS Zusätzlich =u der Kathode (5) mindestens eine Hilfskathode innerhalb der Kammer (1) angebracht ist.

12. Gerät nach Anspruch 11, dadurch g e k e &eegr; &eegr; -

zeichnet, daß die Hilfskathode hohl ausgebildet ist.

13* Gerät nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet/ daß die Hilfskathode im Bereich eines Magnetfeldes angebracht ist.

14. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Glühkathode in der Kammer (1) angeordnet ist.

15. Gerät nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daR die Spulen, die Elektroden oder die Hilfs- bzw. Glühkathode innerhalb eines in der Kammer (1) befindlichen Gaseinlaß-

go räumes angeordnet sind.

16. Gerät nach Anspruch 10 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden innerhalb der Hohlkathode angeordnet sind.