WO2018019482A1 - Verbesserte lenkung von ionen aus einem plasma auf ein zu beschichtendes substrat - Google Patents

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Marcus Guenther
Oliver Schmidt
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01J37/32862—In situ cleaning of vessels and/or internal parts

Definitions

  • the present invention relates to a substrate holder and a
  • Coating system for coating substrates with ions from a plasma and a method for operating a coating system Coating system for coating substrates with ions from a plasma and a method for operating a coating system.
  • a plurality of components to be coated simultaneously are grouped as substrates around a central plasma.
  • the plasma acts as a source of ions of the
  • Coating material By applying a high voltage to the individual substrates, ions are accelerated in the direction of the substrates. As the ions impinge on the substrates with high kinetic energies, a high-quality coating is formed there.
  • a corresponding apparatus is known from DE 198 26 259 AI.
  • the separation of plasma generation and substrate voltage generation allows control of substrate temperature as well as the use of various types of plasma generation sources.
  • the substrate voltage is applied after a bipolar pulsed timing program to counteract charging effects.
  • JP 2001 107 729 A discloses applying a voltage in a sputtering system not to the substrate itself but to an electrode buried in the insulating substrate holder. By interaction of this voltage with the plasma, the electric field at the substrate surface, and thus the coverage of the substrate with the applied layer, homogenized.
  • JP 2000 119 849 A discloses the substrate on an insulating
  • the substrate holder comprises a first contact for supplying a potential Us to the substrate.
  • a charging area on the surface of the substrate holder is designed as chargeable by ions arriving from the ion source of the coating installation, and / or a second contact is provided, via which an electrode area on the surface of the substrate holder with one of
  • This potential UH can in particular a floating potential or a
  • an insulating piece of material of the substrate holder can provide the loading area.
  • the substrate holder can be made entirely of insulating material.
  • the surface of the substrate holder may also be electrically conductive. It can then for example be wholly or partially provided with a cover.
  • the cover may itself be insulating or at least insulated against the surface of the substrate holder.
  • the cover may, for example, comprise a dielectric layer on which a metal layer may optionally be arranged.
  • the surface of the substrate holder may also be, for example, electrically conductive and segmented in its plane into a plurality of mutually isolated regions.
  • the substrate holder may be made of a ceramic, on which the segmented electrically conductive surface is applied as a coating. A segment from which impinging ions can not drain can then serve as the loading area.
  • a region on an electrically conductive surface of the substrate is configured as a charging region by a cover, then this region can in particular simultaneously serve as the electrode region.
  • the steering of the ions from the plasma to the substrate is improved.
  • the proportion of the ions incident on the substrate can be increased, while at the same time the proportion of the ions that misses the substrate and on minor surfaces of the substrate holder or the
  • Coating plant hits is reduced.
  • Coating in which by bombardment with high-energy gas ions, for example argon ions, impurities are removed from the surface of the substrate from the ion source plasma.
  • high-energy gas ions for example argon ions
  • impurities are removed from the surface of the substrate from the ion source plasma.
  • these gas ions encounter metallic secondary surfaces, they can dissolve out metal atoms, such as iron atoms.
  • ions that miss the substrate and impinge on minor surfaces are not available on the surface of the substrate. Regions of the substrate surface that are not in direct line of sight with the ion source may be undersupplied with ions. If the substrate is a complex component, which has, for example undercuts, it must during the
  • Editing may be rotated or repositioned. This concerns both the cleaning and the subsequent coating.
  • the substrate holder according to the invention provides two independent constructive measures which counteract both the undesired removal of secondary surfaces during cleaning and the undersupplying of regions of the substrate surface with ions.
  • a loading area on the surface of the substrate holder charges during operation of the coating system by charged particles, in particular gas ions and / or ions of a coating material. From this charge emanates an electric field, which reduces the electric field in the free space between the ion source and the substrate holder on balance. Ions from the ion source, which miss the substrate, so weaker on the
  • Substrate holder accelerated towards. Surprisingly, this has the effect that at least a portion of the ions, which has already missed the substrate per se, on the trajectory to the substrate holder by random collision processes still receives a sufficient momentum component in the direction of the substrate surface and impinges on the substrate surface. Depending on its strength and on the velocity of the incident ions, the electric field emanating from the charge of the charging region can even redirect these ions directly to the substrate surface without the need for statistical collision processes.
  • a charging area is provided on the surface of the substrate holder and can be acted upon by an additional, freely selectable potential UH, then this can be done electric field between the ion source, the substrate and the substrate holder to an even greater extent and be adapted with even greater freedom so that ions that have missed the substrate itself, are actively redirected towards the surface of the substrate.
  • the potential region can be designed in such a way that the potential Us on the surface of the substrate is lowest in terms of energy from the point of view of the ions and / or the ions are repelled by the substrate holder.
  • the invention also provides a coating system which is optimized for use with the substrate holder according to the invention, but also without these substrate holder has advantages over conventional coating equipment and is sold as a separate unit.
  • This coating system comprises at least one ion source and a first voltage source, which is connectable to the substrate to be coated, so that gas ions, and / or ions of a coating material, from the ion source by an applied from the first voltage source to the substrate electric potential Us in the direction of the Substrate can be accelerated.
  • the ion source can be in particular a plasma.
  • Potential Mother in free space beyond the plasma edge layer decides in which direction and at what speed the ions move out of the plasma.
  • At least one secondary surface, toward which the substrate moves towards missing ions is designed to be chargeable by incident ions.
  • at least a second secondary surface toward which the substrate moves towards missing ions.
  • Voltage source provided, which is connectable to the secondary surface, so that this secondary surface is acted upon by a different potential from the potential U, arbitrary potential UH.
  • the secondary surface may be made chargeable in the same manner as previously described for the substrate holder.
  • the potential UH may in particular be a floating potential or a ground potential.
  • the secondary surface may be arranged on the substrate holder and / or elsewhere in the coating system. For example, some of the ions that miss the substrate may move onto the substrate holder and another portion may move onto the wall of the substrate
  • Vacuum recipient Such a situation may occur, for example, when a plasma is arranged as an ion source in the center of the coating system and the substrates to be coated are grouped around the plasma. The potential Us applied to the substrates then draws the ions radially outward from the plasma. Are the substrate holder, for example, in the ground or in the
  • the coating system interacts with the substrate holder such that the second voltage source, in conjunction with the second contact of the substrate holder, can apply a part of the surface of the substrate holder to the potential UH.
  • the second voltage source in conjunction with the second contact of the substrate holder, can apply a part of the surface of the substrate holder to the potential UH.
  • a controller for the second voltage source is provided.
  • This regulator is advantageously designed to reduce the potential UH of a change in the potential Us
  • the controller is adapted to the potential UH of a change of
  • the acceleration that ions experience from the plasma toward the substrate is due to an electrostatic force. This power depends on the
  • the potential of the plasma boundary layer in turn depends on the properties of the plasma, for example its
  • the plasma edge layer of a pure argon plasma as used for cleaning the substrate upstream of the actual coating, has a different potential than the plasma edge layer of a plasma, which additionally contains the actual coating material.
  • the potential Us at the substrate is guided as a process parameter.
  • the controller now ensures that the potential UH is always adjusted to minimize the impact of ions on minor surfaces. This can in particular ensure that a change in the properties of the plasma, and / or of Us, does not suddenly lead to an undersupply of regions of the substrate surface with ions.
  • a substrate holder according to the invention in the electrical connection between the first voltage source and the substrate, and / or in the electrical
  • the first voltage source may be connected to the substrate via the first contact of the substrate holder, and / or the second voltage source may be connected via the second contact of the substrate holder to an electrode region of the substrate holder.
  • the thickness of this dielectric coating or insulating cover is given by the material-dependent dielectric strength.
  • the thickness should be chosen be that the breakdown field strength at any time greater than the field strength in the coating or cover, due to the
  • the maximum thickness is limited by the interfering contours of the substrate holders, e.g. adjacent substrate holder and / or
  • the invention also relates to a method of operating a coating system in which gas ions and / or ions of a coating material are accelerated from an ion reservoir by applying an electrical potential Us to a substrate in the direction of the substrate.
  • At least one secondary surface to which the substrate moves towards missing ions is acted upon by a potential UH different from the potential Us.
  • a potential UH which acts repulsively on the ions.
  • the potential UH may in particular be a floating potential or a ground potential.
  • Component must be rotated or otherwise moved in a vacuum recipient. A corresponding effort for mechanical or electrical feedthroughs in the vacuum recipient can be saved. This applies both to the actual coating and to the cleaning preceding this coating. However, are means for movement of the substrate in the Coating plant available, this movement can cooperate advantageously with the measures according to the invention.
  • Substrate be distributed over an area with a certain spatial extent. Nevertheless, especially with large-sized components as substrates, and / or with a particularly complex geometry of the undercuts, parts of the surface can be undersupplied with ions. Especially in the area outside the direct line of sight to the ion source the total dose of ions over the
  • the potential U H is varied in order to homogenize the surface of the substrate in order to change the location at which the deflected ions impinge on the substrate.
  • Voltage source be embodied.
  • the method can be embodied in particular in a computer program.
  • the invention therefore also relates to a computer program product with machine-readable instructions which, when executed on a computer and / or a control unit with a coating system connected thereto, the coating system to a coating system according to the Upgrade the invention, and / or cause the computer, the control unit and / or the coating system to carry out a method according to the invention.
  • the invention can be used particularly advantageously for the deposition of DLC wear protection layers and thus indirectly improves all components of the injection technique which use such DLC layers. Furthermore, the invention can also be applied to all low-pressure-based
  • Plasma coatings are used in which the plasma generation on the one hand and the acceleration of the ions by a bias voltage on the other hand are decoupled from each other. This applies both in in-line systems and in batch production. Examples of such applications are magnetron sputtering, an ECR source, a low voltage arc, or other ion sources.
  • FIG. 1 embodiment of a coating system 100 according to the invention
  • FIG 2 embodiment of a substrate holder 1 according to the invention
  • Figure 3 parasitics in the prior art, which the invention counteracts.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a coating installation 100 in a top view.
  • Coating unit 100 comprises a vacuum recipient 110, in the center of which a plasma with plasma edge layer 104a as ion source 104
  • the substrates to be coated 2a-2f are via a loop 111 electrically connected to each other and are from the first
  • Voltage source 106 is supplied with a potential Us. This potential Us attracts the ions 101, 102 from the ion source 104.
  • the ion source 104 is set to emit only argon ions 101.
  • the argon ions 101 carry impurities from the substrates 2a-2f.
  • the ion source 104 is adjusted so that it also emits ions 102 of the actual coating material 103.
  • the coating material 103 deposits on the substrates 2a-2f.
  • the substrates 2a-2f are used with substrate holders 1 in
  • the substrate holder 1 are hidden in the perspective selected in Figure 1 by the substrates 2a-2f and therefore not shown.
  • the inner wall of the vacuum recipient 110 forms an auxiliary surface 105 to which
  • This secondary surface 105 is provided with an insulating cover 113, the thickness of which is shown greatly exaggerated in FIG. Furthermore, the
  • the deflection has, on the one hand, the effect that less material is removed from the auxiliary surface 105 and deposits on the substrates 2a-2f. On the other hand, the entire surface of the substrate 2a-2f is reached in each case, and not only the partial regions which lie in direct line of sight with the ion source 104. During the actual coating, the deflection accordingly has the effect that the coating material 103 is deposited on the complete surface of the substrate 2a-2f and no partial areas
  • Wear protection layers have the consequence that there is an increased wear and the component fails early.
  • Figure 2 shows an embodiment of a substrate holder 1 according to the invention.
  • the substrate holder 1 has a first contact 3, over which the
  • Substrate 2 can be acted upon by a potential Us.
  • its electrically conductive surface 11 has a loading area 12, which is provided with an insulating cover 13.
  • the entire surface 11 of the substrate holder 1 is further acted upon by a second contact 4 with the potential UH and serves at the same time as the electrode area 14. Zur
  • the substrate 2 is connected to the substrate holder 1 via an insulating intermediate piece 15
  • Substrate holder 1 isolated so that the potential Us is not shorted to the potential UH.
  • FIG. 3 illustrates the disturbing effects in the prior art, which the invention counteracts.
  • FIG. 3 a shows the previous situation during the cleaning of the substrate 2. From the ion source 1, gas ions 101 are accelerated in the direction of the substrate 2, which is at the potential Us. Since the substrate 2 is electrically conductively connected to the substrate holder 1, the substrate holder 1 is also at the potential Us and attracts the gas ions 101 as strongly as the substrate
  • Substrate holder 1 are knocked out, which are reflected as impurities 21 on the substrate 2. Furthermore, the side of the substrate 2 facing away from the ion source 104 is not detected by the gas ions 101. There from the outset contaminants 22 are thus through the cleaning of the substrate 2 is not eliminated and can the application of the
  • Interrupt coating material 103 is interrupt coating material 103.
  • FIG. 3b shows the previous situation in the production of the coating from the coating material 103 on the substrate 2
  • Coating material 103 can reach only about half the surface of the substrate 2. For example, to completely coat the substrate 2, it must be rotated.

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Abstract

Substrathalter (1), umfassend einen ersten Kontakt (3) für die Zuführung eines Potentials Us zum Substrat (2), wobei ein Ladebereich (12) auf der Oberfläche (11) des Substrathalters (1) als durch von der lonenquelle (104) einer Beschichtungsanlage (100) eintreffende Ionen (101, 102) aufladbar ausgebildet ist (13), und/oder wobei ein zweiter Kontakt (4) vorgesehen ist, über den ein Elektrodenbereich (14) auf der Oberfläche (11) des Substrathalters (1) mit einem vom Potential Us verschiedenen, frei wählbaren Potential UH beaufschlagbar ist. Beschichtungsanlage (100) mit mindestens einer lonenquelle (104) und einer ersten Spannungsquelle (106), die mit dem zu beschichtenden Substrat (2) verbindbar ist, so dass Gasionen (101), und/oder Ionen (102) eines Beschichtungsmaterials (103), aus der lonenquelle (104) durch ein von der ersten Spannungsquelle (106) am Substrat (2) angelegtes elektrisches Potential Us in Richtung auf das Substrat (2) beschleunigt werden können, wobei mindestens eine Nebenfläche (11, 105), auf die sich das Substrat (2) verfehlende Ionen (101, 102) zubewegen, als durch eintreffende Ionen (101, 102) aufladbar ausgebildet ist (13, 113), und/oder wobei mindestens eine zweite Spannungsquelle (107) vorgesehen ist, die mit der Nebenfläche (11, 105) verbindbar ist, so dass diese Nebenfläche (11, 105) mit einem vom Potential Us verschiedenen, frei wählbaren Potential UH beaufschlagbar ist. Verfahren zum Betreiben und Computerprogrammprodukt.

Description

Beschreibung Titel
Verbesserte Lenkung von Ionen aus einem Plasma auf ein zu beschichtendes Substrat
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Substrathalter und eine
Beschichtungsanlage zur Beschichtung von Substraten mit Ionen aus einem Plasma sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Beschichtungsanlage.
Stand der Technik
Beim Vakuumbeschichten von Bauteilen im industriellen Maßstab wird eine Mehrzahl gleichzeitig zu beschichtender Bauteile als Substrate um ein zentrales Plasma herum gruppiert. Das Plasma fungiert als Quelle für Ionen des
Beschichtungsmaterials. Durch Anlegen einer Hochspannung an die einzelnen Substrate werden Ionen in Richtung auf die Substrate beschleunigt. Da die Ionen mit hohen kinetischen Energien auf den Substraten auftreffen, wird dort eine qualitativ hochwertige Beschichtung gebildet.
Eine entsprechende Apparatur ist aus der DE 198 26 259 AI bekannt. Die Trennung von Plasmaerzeugung und Substratspannungserzeugung erlaubt eine Regelung der Substrattemperatur sowie die Verwendung verschiedener Typen von Plasmaerzeugungsquellen. Die Substratspannung wird nach einem bipolar gepulsten Zeitprogramm angelegt, um Aufladungseffekten entgegenzuwirken.
Die JP 2001 107 729 A offenbart, in einer Sputteranlage nicht das Substrat selbst, sondern eine in dem isolierenden Substrathalter vergrabene Elektrode mit einer Spannung zu beaufschlagen. Durch Wechselwirkung dieser Spannung mit dem Plasma wird das elektrische Feld an der Substratoberfläche, und damit auch die Bedeckung des Substrats mit der aufgebrachten Schicht, homogenisiert. Die JP 2000 119 849 A offenbart, das Substrat auf einem isolierenden
Substrathalter zu lagern und gleichzeitig Ladungen aus dem Substrat durch Anlegen einer Biasspannung an das Substrat abzuführen. Auf diese Weise werden Spannungen in den aufgedampften dünnen Schichten reduziert.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der Erfindung wurde ein Substrathalter zum Einbau eines Substrats in eine Beschichtungsanlage entwickelt. Dabei ist vorgesehen, dass eine
Oberfläche des Substrathalters einer lonenquelle der Beschichtungsanlage zugewandt ist. Der Substrathalter umfasst einen ersten Kontakt für die Zuführung eines Potentials Us zum Substrat.
Erfindungsgemäß ist ein Ladebereich auf der Oberfläche des Substrathalters als durch von der lonenquelle der Beschichtungsanlage eintreffende Ionen aufladbar ausgebildet, und/oder es ist ein zweiter Kontakt vorgesehen, über den ein Elektrodenbereich auf der Oberfläche des Substrathalters mit einem vom
Potential Us verschiedenen, frei wählbaren Potential UH beaufschlagbar ist. Dieses Potential UH kann insbesondere ein Floating-Potential oder ein
Massepotential sein.
Beispielsweise kann ein isolierendes Materialstück des Substrathalters den Ladebereich bereitstellen. Insbesondere kann der Substrathalter vollständig aus isolierendem Material gefertigt sein. Die Oberfläche des Substrathalters kann aber auch elektrisch leitend sein. Sie kann dann beispielsweise ganz oder teilweise mit einer Abdeckung versehen sein. Die Abdeckung kann selbst isolierend oder zumindest gegen die Oberfläche des Substrathalters isoliert sein. Die Abdeckung kann beispielsweise eine dielektrische Schicht umfassen, auf der optional noch eine Metallschicht angeordnet sein kann. Die Oberfläche des Substrathalters kann aber auch beispielsweise elektrisch leitend und in ihrer Ebene in mehrere voneinander isolierte Bereiche segmentiert sein.
Beispielsweise kann der Substrathalter aus einer Keramik gefertigt sein, auf der die segmentierte elektrisch leitende Oberfläche als Beschichtung aufgebracht ist. Ein Segment, von dem auftreffende Ionen nicht abfließen können, kann dann als Ladebereich dienen.
Ist ein Bereich auf einer elektrisch leitenden Oberfläche des Substrats durch eine Abdeckung als Ladebereich ausgestaltet, so kann dieser Bereich insbesondere auch gleichzeitig als Elektrodenbereich dienen.
Es wurde erkannt, dass durch den Ladebereich und den Elektrodenbereich einzeln oder in Kombination die Lenkung der Ionen aus dem Plasma auf das Substrat verbessert wird. Insbesondere kann der Anteil der Ionen, der auf das Substrat auftrifft, erhöht werden, während zugleich der Anteil der Ionen, der das Substrat verfehlt und auf Nebenflächen des Substrathalters oder der
Beschichtungsanlage auftrifft, vermindert wird.
Ionen, die mit hoher Energie auf Nebenflächen auftreffen, können dort Atome herauslösen, die sich als Verunreinigungen auf dem Substrat niederschlagen. Dies betrifft insbesondere den Reinigungsprozess vor der eigentlichen
Beschichtung, bei dem durch Beschuss mit hochenergetischen Gasionen, beispielsweise Argon-Ionen, aus dem als lonenquelle dienenden Plasma Verunreinigungen von der Oberfläche des Substrats abgetragen werden. Treffen diese Gasionen beispielsweise auf metallische Nebenflächen, können sie dort Metallatome, wie etwa Eisen-Atome, herauslösen.
Zugleich stehen Ionen, die das Substrat verfehlen und auf Nebenflächen auftreffen, auf der Oberfläche des Substrats nicht zur Verfügung. Bereiche der Substratoberfläche, die nicht in direkter Sichtlinie zur lonenquelle liegen, sind so möglicherweise mit Ionen unterversorgt. Ist das Substrat ein komplexes Bauteil, welches beispielsweise Hinterschnitte aufweist, muss es während der
Bearbeitung möglicherweise gedreht oder neu positioniert werden. Dies betrifft sowohl die Reinigung als auch die anschließende Beschichtung.
Der Substrathalter gemäß der Erfindung stellt zwei voneinander unabhängige konstruktive Maßnahmen bereit, die sowohl dem unerwünschte Abtragen von Nebenflächen bei der Reinigung als auch der Unterversorgung von Bereichen der Substratoberfläche mit Ionen entgegenwirken. Ein Ladebereich auf der Oberfläche des Substrathalters lädt sich im Betrieb der Beschichtungsanlage durch geladene Teilchen, insbesondere Gasionen und/oder Ionen eines Beschichtungsmaterials, auf. Von dieser Ladung geht ein elektrisches Feld aus, welches das elektrische Feld im freien Raum zwischen der lonenquelle und dem Substrathalter per saldo reduziert. Ionen von der lonenquelle, die das Substrat verfehlen, werden also schwächer auf den
Substrathalter hin beschleunigt. Überraschenderweise hat dies die Wirkung, dass zumindest ein Teil der Ionen, der das Substrat an sich schon verfehlt hat, auf der Flugbahn zum Substrathalter durch statistische Stoßprozesse doch noch eine hinreichende Impulskomponente in Richtung auf die Substratoberfläche erhält und auf der Substratoberfläche auftrifft. Das von der Ladung des Ladebereichs ausgehende elektrische Feld kann, abhängig von seiner Stärke und von der Geschwindigkeit der eintreffenden Ionen, diese Ionen sogar unmittelbar auf die Substratoberfläche umlenken, ohne dass hierfür noch statistische Stoßprozesse nötig sind.
Diese Effekte können allein durch eine Abänderung des Substrathalters bewirkt werden, ohne dass an der Beschichtungsanlage selbst konstruktive
Veränderungen vorgenommen werden müssen. Insbesondere kann eine bestehende Beschichtungsanlage mit dem Substrathalter gemäß der Erfindung nachgerüstet werden, ohne dass die Beschichtungsanlage selbst hierfür besondere Voraussetzungen erfüllen müsste. Nach der bisher im allgemeinen Fachwissen vorherrschenden Meinung wurden
Aufladungseffekte an Anlagenteilen durch von der lonenquelle eintreffende Ionen lediglich als zu vermeidender Störeffekt angesehen, den es zu vermeiden galt. Der Substrathalter und andere Anlagenteile, auf die sich die das Substrat verfehlenden Ionen zubewegten, waren daher in der Regel geerdet, so dass die durch die Ionen eingebrachten Ladungen abfließen konnten. Die Erfinder haben erkannt, dass sich dieser vermeintliche Störeffekt gezielt nutzen lässt, um die Qualität der erhaltenen Beschichtung zu verbessern.
Ist auf der Oberfläche des Substrathalters ein Ladebereich vorgesehen und mit einem zusätzlichen, frei wählbaren Potential UH beaufschlagbar, so kann das elektrische Feld zwischen der lonenquelle, dem Substrat und dem Substrathalter in noch größerem Maße und mit noch größerer Freiheit so angepasst werden, dass Ionen, die das Substrat an sich schon verfehlt haben, aktiv in Richtung auf die Oberfläche des Substrats umgelenkt werden. Die Potentiallandschaft kann insbesondere so gestaltet werden, dass das Potential Us an der Oberfläche des Substrats aus Sicht der Ionen energetisch am tiefsten liegt und/oder die Ionen vom Substrathalter abgestoßen werden.
Neben dem Substrathalter stellt die Erfindung auch eine Beschichtungsanlage bereit, die für die Verwendung mit dem Substrathalter gemäß der Erfindung optimiert ist, aber auch ohne diesen Substrathalter Vorteile gegenüber herkömmlichen Beschichtungsanlagen aufweist und als separate Einheit verkaufbar ist.
Diese Beschichtungsanlage umfasst mindestens eine lonenquelle und eine erste Spannungsquelle, die mit dem zu beschichtenden Substrat verbindbar ist, so dass Gasionen, und/oder Ionen eines Beschichtungsmaterials, aus der lonenquelle durch ein von der ersten Spannungsquelle am Substrat angelegtes elektrisches Potential Us in Richtung auf das Substrat beschleunigt werden können. Dabei kann die lonenquelle insbesondere ein Plasma sein. Die
Potentiallandschaft im freien Raum jenseits der Plasmarandschicht entscheidet darüber, in welche Richtung und mit welcher Geschwindigkeit sich die Ionen aus dem Plasma heraus bewegen.
Erfindungsgemäß ist mindestens eine Nebenfläche, auf die sich das Substrat verfehlende Ionen zubewegen, als durch eintreffende Ionen aufladbar ausgebildet. Alternativ oder in Kombination ist mindestens eine zweite
Spannungsquelle vorgesehen, die mit der Nebenfläche verbindbar ist, so dass diese Nebenfläche mit einem vom Potential Us verschiedenen, frei wählbaren Potential UH beaufschlagbar ist. Insbesondere kann die Nebenfläche auf die gleiche Weise aufladbar ausgebildet werden wie zuvor für den Substrathalter beschrieben. Das Potential UH kann insbesondere ein Floating-Potential oder ein Massepotential sein. Je nach Geometrie der Beschichtungsanlage, des Substrats und des
zugehörigen Substrathalters kann die Nebenfläche am Substrathalter und/oder auch an anderer Stelle innerhalb der Beschichtungsanlage angeordnet sein. Beispielsweise kann sich ein Teil der Ionen, die das Substrat verfehlen, auf den Substrathalter zu bewegen und ein anderer Teil auf die Wand des
Vakuumrezipienten. Eine solche Situation kann beispielsweise eintreten, wenn ein Plasma als lonenquelle im Zentrum der Beschichtungsanlage angeordnet ist und die zu beschichtenden Substrate um das Plasma herum gruppiert sind. Das an den Substraten anliegende Potential Us zieht die Ionen dann aus dem Plasma radial nach außen. Sind die Substrathalter beispielsweise im Boden oder in der
Decke des Vakuumrezipienten befestigt, so bewegen sich Ionen, die die
Substrate verfehlen, bevorzugt auf die Seitenwand des Vakuumrezipienten zu.
Die Beschichtungsanlage wirkt zum einen dahingehend mit dem Substrathalter zusammen, dass die zweite Spannungsquelle in Verbindung mit dem zweiten Kontakt des Substrathalters einen Teil der Oberfläche des Substrathalters mit dem Potential UH beaufschlagen kann. Zum anderen kann auch die
Wahrscheinlichkeit für das Auftreffen von Ionen, die das Substrat verfehlt haben, auf weiteren, nicht zum Substrathalter gehörigen, Nebenflächen durch Aufladung mit den eintreffenden Ionen, durch Beaufschlagung mit dem Potential UH, oder auch durch eine Kombination beider Maßnahmen, vermindert werden. Die Wirkung ist jeweils die gleiche wie zuvor für den Substrathalter beschrieben: das resultierende elektrische Feld zwischen der lonenquelle, dem Substrat und den Nebenflächen wird so abgeändert, dass ein Auftreffen von Ionen auf den Nebenflächen mit hoher Energie verhindert wird und idealerweise die Ionen auf die Substratoberfläche umgelenkt werden.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Regler für die zweite Spannungsquelle vorgesehen. Dieser Regler ist vorteilhaft dazu ausgebildet, das Potential UH einer Änderung des Potentials Us
dahingehend nachzuführen, dass das Potential Us aus Sicht der Ionen energetisch tiefer liegt als das Potential UH. Alternativ oder auch in Kombination ist der Regler dazu ausgebildet, das Potential UH einer Änderung von
Eigenschaften des lonenreservoirs, und/oder einer Änderung des Potentials Us, dahingehend nachzuführen, dass das Potential UH aus Sicht der Ionen abstoßend ist.
Die Beschleunigung, die Ionen aus dem Plasma in Richtung des Substrats erfahren, geht auf eine elektrostatische Kraft zurück. Diese Kraft hängt von der
Potentialdifferenz zwischen dem Plasma und dem Substrat ab, der sogenannten Plasmarandschicht. Das Potential der Plasmarandschicht hängt wiederum von den Eigenschaften des Plasmas ab, beispielsweise von dessen
Zusammensetzung, Druck und Ionisierung. So hat etwa die Plasmarandschicht eines reinen Argon-Plasmas, wie es für die der eigentlichen Beschichtung vorgeschaltete Reinigung des Substrats verwendet wird, ein anderes Potential als die Plasmarandschicht eines Plasmas, welches zusätzlich das eigentliche Beschichtungsmaterial enthält. Um die kinetische Energie der auf das Substrat eintreffenden Ionen, und damit auch die Wirkung der Ionen auf dem Substrat, zu kontrollieren, wird das Potential Us am Substrat als Prozessparameter geführt.
Der Regler sorgt nun dafür, dass das Potential UH stets angepasst wird, um das Auftreffen von Ionen auf Nebenflächen zu minimieren. Damit kann insbesondere sichergestellt werden, dass eine Änderung der Eigenschaften des Plasmas, und/oder von Us, nicht plötzlich zu einer Unterversorgung von Bereichen der Substratoberfläche mit Ionen führt.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Substrathalter gemäß der Erfindung in die elektrische Verbindung zwischen der ersten Spannungsquelle und dem Substrat, und/oder in die elektrische
Verbindung zwischen der zweiten Spannungsquelle und der Nebenfläche, geschaltet. Beispielsweise kann die erste Spannungsquelle über den ersten Kontakt des Substrathalters mit dem Substrat verbunden sein, und/oder die zweite Spannungsquelle kann über den zweiten Kontakt des Substrathalters mit einem Elektrodenbereich des Substrathalters verbunden sein.
Wird ein Bereich auf dem Substrathalter oder einer sonstigen Nebenfläche mit einer dielektrischen Beschichtung oder anderen isolierenden Abdeckung aufladbar ausgebildet, so gibt es für die Dicke dieser dielektrischen Beschichtung bzw. isolierenden Abdeckung ein Minimum. Dieses Minimum ist durch die materialabhängige Durchschlagsfestigkeit gegeben. Die Dicke sollte so gewählt sein, dass die Durchbruchsfeldstärke zu jedem Zeitpunkt größer ist als die Feldstärke in der Beschichtung bzw. Abdeckung, die aufgrund der
Oberflächenladung entsteht. Die maximale Dicke ist durch die Störkonturen der Substrathalter begrenzt, wie z.B. benachbarte Substrathalter und/oder
Anlagenteile bzw. das Plasma selbst.
Je nach Anwendung können also dünne Beschichtungen mit Dicken von wenigen Mikrometern, aber auch etwa Isolierungen aus Keramik- oder Polymermaterialien mit Dicken bis zu mehreren Zentimetern zur Realisierung eines Ladebereichs verwendet werden.
Nach dem zuvor Gesagten bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zum Betreiben einer Beschichtungsanlage, in der Gasionen, und/oder Ionen eines Beschichtungsmaterials, aus einem lonenreservoir durch Anlegen eines elektrischen Potentials Us an einem Substrat in Richtung auf das Substrat beschleunigt werden.
Erfindungsgemäß wird mindestens eine Nebenfläche, auf die sich das Substrat verfehlende Ionen zubewegen, mit einem vom Potential Us verschiedenen Potential UH beaufschlagt. Hierbei wird vorteilhaft insbesondere ein Potential UH gewählt wird, das auf die Ionen abstoßend wirkt. Dies hat zur Folge, dass zumindest einige der Ionen von der Nebenfläche ferngehalten werden. Das Potential UH kann insbesondere ein Floating-Potential oder ein Massepotential sein.
Besonders vorteilhaft wird eine Kombination von Potentialen Us und UH gewählt wird, die in Richtung der Nebenfläche fliegende Ionen auf das Substrat hin umlenkt. Auf diese Weise kann insbesondere die Oberfläche eines komplexen Bauteils mit Hinterschnitten, von denen aus es keine direkte Sichtlinie in
Richtung der lonenquelle gibt, vollständig bearbeitet werden, ohne dass das
Bauteil im Vakuumrezipienten gedreht oder sonst wie bewegt werden muss. Ein entsprechender Aufwand für mechanische oder elektrische Durchführungen in den Vakuumrezipienten kann eingespart werden. Dies gilt sowohl für die eigentliche Beschichtung als auch für die dieser Beschichtung vorausgehende Reinigung. Sind jedoch Mittel für eine Bewegung des Substrats in der Beschichtungsanlage vorhanden, so kann diese Bewegung mit den Maßnahmen gemäß der Erfindung vorteilhaft zusammenwirken.
Die aus dem Potential der lonenquelle im Zusammenspiel mit den Potentialen Us und UH gebildete Potentiallandschaft lenkt Ionen abhängig von ihrem
Ausgangsort und ihrem Ausgangsimpuls gemäß den Gesetzen der Elektrostatik in deterministischer Weise zu einem bestimmten Ort auf der Oberfläche des Substrats. Da die lonenquelle, etwa ein Plasma, räumlich ausgedehnt ist und auch die Anfangsimpulse der Ionen eine Verteilung mit einer gewissen Breite aufweisen, werden auch die Auftrefforte der Ionen auf der Oberfläche des
Substrats über ein Gebiet mit einer bestimmten räumlichen Ausdehnung verteilt sein. Dennoch können speziell bei großformatigen Bauteilen als Substrate, und/oder bei einer besonders komplexen Geometrie der Hinterschnitte, Teile der Oberfläche mit Ionen unterversorgt bleiben. Um speziell im Bereich außerhalb der direkten Sichtlinie zur lonenquelle die Gesamtdosis an Ionen über die
Oberfläche des Substrats zu homogenisieren, wird in einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung das Potential UH variiert, um den Ort, an dem die umgelenkten Ionen auf dem Substrat auftreffen, zu ändern. Nach dem zuvor Gesagten entfaltet das Verfahren besonders vorteilhafte
Wirkungen im Zusammenhang mit einer Beschichtungsanlage gemäß der Erfindung, und/oder mit einer Beschichtungsanlage, die einen Substrathalter gemäß der Erfindung enthält. Dass es sich bei der Beschichtungsanlage um eine Anlage gemäß der Erfindung handelt, ist umgekehrt jedoch keine notwendige Bedingung dafür, dass eine Verbesserung erzielt wird. Es handelt sich also auch bei dem Verfahren um ein eigenständiges verkaufbares Produkt, das als Add-On einer bestehenden Beschichtungsanlage hinzufügbar ist. In diesem Add-On kann beispielsweise auch die Funktionalität des Reglers für die zweite
Spannungsquelle verkörpert sein.
Das Verfahren kann insbesondere in einem Computerprogramm verkörpert sein. Die Erfindung bezieht sich daher auch auf ein Computerprogrammprodukt mit maschinenlesbaren Anweisungen, die, wenn sie auf einem Computer und/oder einem Steuergerät mit daran angeschlossener Beschichtungsanlage ausgeführt werden, die Beschichtungsanlage zu einer Beschichtungsanlage gemäß der Erfindung aufwerten, und/oder den Computer, das Steuergerät und/oder die Beschichtungsanlage dazu veranlassen, ein Verfahren gemäß der Erfindung auszuführen.
Die Erfindung kann besonders vorteilhaft zur Abscheidung von DLC- Verschleißschutzschichten verwendet werden und verbessert somit indirekt alle Komponenten der Einspritztechnik, die derartige DLC-Schichten verwenden. Des Weiteren kann die Erfindung auch bei allen niederdruckbasierten
Plasmabeschichtungen eingesetzt werden, bei denen die Plasmaerzeugung einerseits und die Beschleunigung der Ionen durch eine Biasspannung andererseits voneinander entkoppelt sind. Dies gilt sowohl in In-Line-Anlagen als auch in der Batch- Fertigung. Beispiele für derartige Anwendungen sind das Magnetronsputtern, eine ECR-Quelle, ein Niedervoltbogen oder andere lonenquellen.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
Ausführungsbeispiele
Es zeigt:
Figur 1 Ausführungsbeispiel einer Beschichtungsanlage 100 gemäß der Erfindung;
Figur 2 Ausführungsbeispiel eines Substrathalters 1 gemäß der Erfindung; Figur 3 Störeffekte im Stand der Technik, denen die Erfindung entgegenwirkt.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Beschichtungsanlage 100 in Aufsicht. Die Beschichtungsanlage 100 umfasst einen Vakuumrezipienten 110, in dessen Zentrum ein Plasma mit Plasmarandschicht 104a als lonenquelle 104
angeordnet ist. Die zu beschichtenden Substrate 2a-2f sind über eine Ringleitung 111 elektrisch miteinander verbunden und werden von der ersten
Spannungsquelle 106 mit einem Potential Us beaufschlagt. Dieses Potential Us wirkt anziehend auf die Ionen 101, 102 aus der lonenquelle 104. Zum Reinigen der Substrate 2a-2f wird die lonenquelle 104 so eingestellt, dass sie nur Argon-Ionen 101 emittiert. Die Argon-Ionen 101 tragen Verunreinigungen von den Substraten 2a-2f ab. Anschließend wird die lonenquelle 104 so eingestellt, dass sie auch Ionen 102 des eigentlichen Beschichtungsmaterials 103 emittiert. Das Beschichtungsmaterial 103 schlägt sich auf den Substraten 2a-2f nieder. Die Substrate 2a-2f werden mit Substrathaltern 1 im
Vakuumrezipienten 110 gehalten. Die Substrathalter 1 sind in der in Figur 1 gewählten Perspektive durch die Substrate 2a-2f verdeckt und daher nicht eingezeichnet. Die Innenwand des Vakuumrezipienten 110 bildet eine Nebenfläche 105, auf die
Ionen 101, 102, die die Substrate 2a-2f verfehlen, sich zu bewegen. Diese Nebenfläche 105 ist mit einer isolierenden Abdeckung 113 versehen, deren Dicke in Figur 1 stark übertrieben eingezeichnet ist. Weiterhin wird die
Nebenfläche 105 über die zweite Spannungsquelle 107 mit einem Potential UH beaufschlagt. Dieses Potential UH wird durch den Regler 108 kontinuierlich so nachgeführt, dass zum Einen das Potential Us aus Sicht der Ionen 101, 102 immer tiefer liegt als das Potential UH und dass zum Anderen das Potential UH aus Sicht der Ionen 102, 102 immer abstoßend ist. Die isolierende Abdeckung 113 und das Potential UH haben zusammen die
Wirkung, dass Ionen 101, 102, die die Substrate 2a-2f verfehlen, zumindest teilweise in Richtung auf die Substrate 2a-2f umgelenkt werden. Die Flugbahn, der die umgelenkten Ionen 101, 102 ohne die Umlenkung folgen würden, ist gestrichelt eingezeichnet.
Während der Reinigung der Substrate 2a-2f hat die Umlenkung zum einen die Wirkung, dass weniger Material von der Nebenfläche 105 abgetragen wird und sich auf den Substraten 2a-2f niederschlägt. Zum anderen wird jeweils die ganze Oberfläche des Substrats 2a-2f erreicht und nicht nur die Teilbereiche, die in direkter Sichtlinie zur lonenquelle 104 liegen. Während der eigentlichen Beschichtung hat die Umlenkung dementsprechend die Wirkung, dass sich das Beschichtungsmaterial 103 jeweils auf der kompletten Oberfläche des Substrats 2a-2f niederschlägt und keine Teilbereiche
unbeschichtet bleiben. Derartige Fehlstellen könnten z.B. bei
Verschleißschutzschichten zur Folge haben, dass dort ein erhöhter Verschleiß auftritt und das Bauteil frühzeitig versagt.
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Substrathalters 1 gemäß der Erfindung. Der Substrathalter 1 hat einen ersten Kontakt 3, über den das
Substrat 2 mit einem Potential Us beaufschlagbar ist. Zusätzlich weist seine elektrisch leitende Oberfläche 11 einen Ladebereich 12 auf, der mit einer isolierenden Abdeckung 13 versehen ist. Die komplette Oberfläche 11 des Substrathalters 1 ist weiterhin über einen zweiten Kontakt 4 mit dem Potential UH beaufschlagbar und dient insoweit zugleich als Elektrodenbereich 14. Zur
Verdeutlichung der Wirkung sind in Figur 2 die lonenquelle mit
Plasmarandschicht 104a sowie die Flugbahnen der Ionen 101, 102 einschließlich ihrer Umlenkung in Richtung auf das Substrat 2 eingezeichnet. Das Substrat 2 ist über ein isolierendes Zwischenstück 15 am Substrathalter 1 gegen den
Substrathalter 1 isoliert, damit das Potential Us nicht gegen das Potential UH kurzgeschlossen wird.
Figur 3 verdeutlicht die Störeffekte im Stand der Technik, denen die Erfindung entgegen wirkt.
Figur 3a zeigt die bisherige Situation bei der Reinigung des Substrats 2. Aus der lonenquelle 1 werden Gasionen 101 in Richtung auf das Substrat 2, das sich auf dem Potential Us befindet, beschleunigt. Da das Substrat 2 elektrisch leitend mit dem Substrathalter 1 verbunden ist, befindet sich auch der Substrathalter 1 auf dem Potential Us und zieht die Gasionen 101 genauso stark an wie das Substrat
2. Im Ergebnis können durch die Gasionen 101 Fremdatome 16 aus dem
Substrathalter 1 herausgeschlagen werden, die sich als Verunreinigungen 21 auf dem Substrat 2 niederschlagen. Weiterhin wird die der lonenquelle 104 abgewandte Seite des Substrats 2 von den Gasionen 101 nicht erfasst. Dort von vornherein vorhandene Verunreinigungen 22 werden also durch die Reinigung des Substrats 2 nicht beseitigt und können das Aufbringen des
Beschichtungsmaterials 103 stören.
Figur 3b zeigt die bisherige Situation bei der Herstellung der Beschichtung aus dem Beschichtungsmaterial 103 auf dem Substrat 2. Die Ionen 102 des
Beschichtungsmaterials 103 können nur etwa die Hälfte der Oberfläche des Substrats 2 erreichen. Um das Substrat 2 komplett zu beschichten, muss es beispielsweise gedreht werden.

Claims

Ansprüche
1. Substrathalter (1) zum Einbau eines Substrats (2) in eine
Beschichtungsanlage (100) dergestalt, dass eine Oberfläche (11) des
Substrathalters (1) einer lonenquelle (104) der Beschichtungsanlage (100) zugewandt ist, umfassend einen ersten Kontakt (3) für die Zuführung eines Potentials Us zum Substrat (2), dadurch gekennzeichnet, dass ein Ladebereich (12) auf der Oberfläche (11) des Substrathalters (1) als durch von der lonenquelle (104) der Beschichtungsanlage (100) eintreffende Ionen (101, 102) aufladbar ausgebildet ist (13), und/oder dass ein zweiter Kontakt (4) vorgesehen ist, über den ein Elektrodenbereich (14) auf der Oberfläche (11) des
Substrathalters (1) mit einem vom Potential Us verschiedenen, frei wählbaren Potential UH beaufschlagbar ist.
2. Beschichtungsanlage (100) mit mindestens einer lonenquelle (104) und einer ersten Spannungsquelle (106), die mit dem zu beschichtenden Substrat (2) verbindbar ist, so dass Gasionen (101), und/oder Ionen (102) eines
Beschichtungsmaterials (103), aus der lonenquelle (104) durch ein von der ersten Spannungsquelle (106) am Substrat (2) angelegtes elektrisches Potential Us in Richtung auf das Substrat (2) beschleunigt werden können, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Nebenfläche (11, 105), auf die sich das Substrat (2) verfehlende Ionen (101, 102) zubewegen, als durch eintreffende Ionen (101, 102) aufladbar ausgebildet ist (13, 113), und/oder dass mindestens eine zweite Spannungsquelle (107) vorgesehen ist, die mit der Nebenfläche (11, 105) verbindbar ist, so dass diese Nebenfläche (11, 105) mit einem vom
Potential Us verschiedenen, frei wählbaren Potential UH beaufschlagbar ist.
3. Beschichtungsanlage (100) nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, dass ein Regler (108) für die zweite Spannungsquelle (107) vorgesehen ist, der dazu ausgebildet ist, das Potential UH einer Änderung des Potentials Us dahingehend nachzuführen, dass das Potential Us aus Sicht der Ionen (101, 102) energetisch tiefer liegt als das Potential UH.
4. Beschichtungsanlage (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regler (108) für die zweite Spannungsquelle (107) vorgesehen ist, der dazu ausgebildet ist, das Potential UH einer Änderung von Eigenschaften des lonenreservoirs (104), und/oder einer Änderung des
Potentials Us, dahingehend nachzuführen, dass das Potential UH aus Sicht der Ionen (101, 102) abstoßend ist.
5. Beschichtungsanlage (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Substrathalter (1) nach Anspruch 1 in die elektrische Verbindung zwischen der ersten Spannungsquelle (106) und dem Substrat (2), und/oder in die elektrische Verbindung zwischen der zweiten Spannungsquelle (107) und der Nebenfläche (11), geschaltet ist.
6. Verfahren zum Betreiben einer Beschichtungsanlage (100), in der Gasionen (101), und/oder Ionen (102) eines Beschichtungsmaterials (103), aus einem lonenreservoir (104) durch Anlegen eines elektrischen Potentials Us an einem Substrat (2) in Richtung auf das Substrat (2) beschleunigt werden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Nebenfläche (11, 105), auf die sich das Substrat (2) verfehlende Ionen (101, 102) zubewegen, mit einem vom Potential Us verschiedenen Potential UH beaufschlagt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein
Potential UH gewählt wird, das auf die Ionen (101, 102) abstoßend wirkt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kombination von Potentialen Us und UH gewählt wird, die in Richtung der Nebenfläche (11, 105) fliegende Ionen (101, 102) auf das Substrat (2) hin umlenkt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das
Potential UH variiert wird, um den Ort (21), an dem die umgelenkten Ionen (101, 102) auf dem Substrat (2) auftreffen, zu ändern.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Beschichtungsanlage (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, und/oder eine Beschichtungsanlage (100) mit einem Substrathalter (1) nach Anspruch 1, gewählt wird.
11. Computerprogrammprodukt, enthaltend maschinenlesbare
Anweisungen, die, wenn sie auf einem Computer und/oder einem Steuergerät mit daran angeschlossener Beschichtungsanlage (100) ausgeführt werden, die Beschichtungsanlage (100) zu einer Beschichtungsanlage (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5 aufwerten, und/oder den Computer, das Steuergerät und/oder die Beschichtungsanlage (100) dazu veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10 auszuführen.
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