DD142568A1 - DEVICE FOR REACTIVE COATING WITH THE PLASM & TRON - Google Patents

Description

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Einrichtung zum reaktiven Beschichten mit dem PlasmatronDevice for reactive coating with Plasmatron

Anwendungsgebiet der Erfindung Application area of the invention

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum reaktiven Beschichten mit dem Plasmatron durch Zerstäuben eines elektrisch leitenden Targets in einem Reaktionsgas. Sie findet bevorzugt .Anwendung zur Abscheidung von Schichten aus chemischen Verbindungen wie Oxiden oder Karbiden«The invention relates to a device for reactive coating with the plasmatron by sputtering an electrically conductive target in a reaction gas. It is preferred for use in depositing layers of chemical compounds such as oxides or carbides. «

Charakteristik der bekennten technischen Lösungen Characteristic of the well-known technical solutions

Die Herstellung von Schichten chemischer Verbindungen durch direkte Verdampfung oder Zerstäubung ist nur für einige spezielle Materialien möglich· Im allgemeinen tritt durch den Verdampfungs- oder Zerstäubungsprozeß thermische Dissoziation der Verbindung ein· Nachteilig ist weiterhin, daß das Verdampfen oder Zerstäuben von Verbindungen an eine sehr geringe Kondensat ionsrate gebunden iet_e Deshalb wurden unterschiedliche Verfahren zum Verdampfen oder Zerstäuben von elektrisch leitenden Materialien, meist Metallen, in Gegenwart von Reaktionsgasen entwickelt mit dem Ziel, das Reaktionsprodukt aus Metallteilchen und Gas in Form der gewünschten chemischen Verbindung zu kondensieren. Dieses sogenannte reaktive Beschichten weist verschiedene Unzulänglichkeiten auf. Der Druck des reaktiven Gases beim Verdampfen oder Zerstäuben kann nicht beliebig erhöht werden, weil sonst chemische Reaktionen am Verdampfer oder am Target der Zerstäubungsquelle eintreten» Da- ' durch ist der Eeaktionsgrad nur ungenügend, und die angestreb-The preparation of layers of chemical compounds by direct evaporation or sputtering is possible only for some specific materials. · Generally, the evaporation or sputtering process causes thermal dissociation of the compound. A further disadvantage is that evaporation or sputtering of compounds into a very small condensate ionsrate bound iet _e Therefore, different methods of evaporation or sputtering of electrically conductive materials, usually metals, developed in the presence of reaction gases with the aim to condense the reaction product of metal particles and gas in the form of the desired chemical compound. This so-called reactive coating has several shortcomings. The pressure of the reactive gas during evaporation or atomization can not be increased arbitrarily, because otherwise chemical reactions will occur at the evaporator or at the target of the atomisation source. As a result, the degree of reaction is inadequate and the desired

te chemische- Zusammensetzung der Schichten wird nicht erreicht. Ein Ausweg wird darin gesucht, die Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsrate herabzusetzen. Dadurch verschlechtert sich die Ökonomie der reaktiven Beschichtung» Es ist auch versucht worden, durch spezielle Arten des Gaseinlasses am Substrat einen höheren Partialdruck des reaktiven Gases zu erreichen. Weiterhin ist versucht worden, durch eine zusätzliche elektrische Entladung bei begrenztem Druck des reaktiven Gases den Reaktionsgrad zu erhöhen. Dieses Verfahren wird als ARE (activated reactive evaporation) bezeichnet«, Mit beiden Maßnahmen gelang jedoch nur eine geringe Erhöhung des Reaktionsgrades. Das reaktive Beschichten durch Zerstäuben im Gleichstrombetrieb ist bisher nur mit sehr geringer Kondensationsrate gelungen» Auch nach dem Einsatz von Hochrate-Zerstäubungsquellen vom Typ des Plasmatrons liegen die Maximalwerte der Kondensationsrate von Verbindungen noch niedrig im Bereich 0,01 ..« 0,1 /cm je Minute·The chemical composition of the layers is not reached. A way out is sought to reduce the rate of evaporation or atomization. As a result, the economics of the reactive coating deteriorate. "Attempts have also been made to achieve a higher partial pressure of the reactive gas by means of special types of gas inlet on the substrate. Furthermore, it has been attempted to increase the degree of reaction by an additional electrical discharge with limited pressure of the reactive gas. This process is referred to as ARE (activated reactive evaporation). However, with both measures only a slight increase in the degree of reaction was achieved. The reactive coating by sputtering in DC operation has so far succeeded only with very low condensation rate »Even after the use of high-rate sputtering sources of the type of plasmatrone, the maximum values of the condensation rate of compounds are still low in the range 0.01 ..« 0.1 / cm per minute ·

Ziel der Erfindung Aim of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht darin, die Mangel des Standes der Technik zu überwinden und eine Einrichtung für das reaktive Beschichten durch Zerstäubung eines elektrisch leitenden Targets in einem Reaktionsgas anzugeben©The object of the invention is to overcome the deficiency of the prior art and to provide a device for the reactive coating by sputtering of an electrically conductive target in a reaction gas ©

Darlegung des Wesens der Erfindung Explanation d the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung für das reaktive Beschichten mit dem Gleichstrom-Plasmatron anzugeben, die durch Erhöhung des Reaktionsgrades, d. h« Aktivierung der chemischen Reaktion, die Herstellung von Schichten chemischer Verbindungen mit der für das Plasmatron typischen hohen Kondensationsrate ermöglicht» Die- Einrichtung soll apparativ einfach sein»The invention has for its object to provide a device for the reactive coating with the DC Plasmatron, by increasing the degree of reaction, d. h "Activation of the chemical reaction, the production of layers of chemical compounds with the high condensation rate typical of the plasmatron, enables" the device to be simple in terms of apparatus "

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Plasmatron-Zerstäubungsquelle und ihr gegenüber vorzugsweioe beweglich angeordneten Substraten sowie einem Gaseinlaß dadurch gelöst,According to the invention, this object is achieved with a plasmatron sputtering source and its substrates which are preferably arranged movably with respect to them, and with a gas inlet,

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daß der Beschichtungsraum zwischen der Plasmatron-Zerstäubungsquelle und den zu beschichtenden Substraten von einer elektrisch leitenden, gegen die übrigen Teile der Beschichtungseinrichtung isoliert angeordneten Wand umgeben ist· Gegenüber der Zerstäubungsquelle im Bereich der Substrate ist eine Öffnung von höchstens der dreifachen Größe der Targetfläche der Zerstäubungsquelle vorhanden. Zwischen der Wand und den Substraten bzw. deren elektrisch leitenden Halterungen ist eine Potentialdifferenz von mindestens 5 Volt eingestellt, bo daß die Polung der Substrate gegenüber der Wand positiv ist, und daß die Öffnung der Wand im Bereich der Substrate so klein ist, daß die mittlere Stromdichte negativer Ladungsträger auf den Substr-aten mehr als 5 ο 10""^ A cm beträgt«that the coating space between the plasmatron sputtering source and the substrates to be coated is surrounded by an electrically conductive wall arranged insulated from the remaining parts of the coating device. An opening of at most three times the size of the target surface of the sputtering source is provided opposite the sputtering source in the region of the substrates , Between the wall and the substrates or their electrically conductive supports a potential difference of at least 5 volts is set, bo that the polarity of the substrates against the wall is positive, and that the opening of the wall in the region of the substrates is so small that the central Current density of negative charge carriers on the substrates is more than 5 ο 10 "" ^ A cm "

'Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung wird erreicht, daß während der reaktiven Beschichtung durch Plasmatronzerstäubung gleichzeitig ein sehr dichter Strom negativer Ladungsträger niedriger Energie auf die Substrate trifft. Dadurch wird eine Aktivierung des reaktiven Prozesses im Plasmabereich nahe der Substrate und vor allem auf der Substratoberfläche erreicht. Die Energie der Elektronen kann durch Erhöhung der Potentiaidifferenz erhöht und damit der chemischen Natur der angestrebten Reaktion, insbesondere ihrer Aktivierungsenergie, angepaßt werdeno Ist die erforderliche Stromdichte negativer Ladungsträger nicht erreicht, so muß die Öffnung der leitenden Wand im Bereich der Substrate allmählich so weit verringert werden,It is achieved with the device according to the invention that during the reactive coating by plasma atomization simultaneously a very dense stream of negative charge carriers of low energy impinges on the substrates. This achieves activation of the reactive process in the plasma region near the substrates and, in particular, on the substrate surface. The energy of the electrons can be increased by increasing the Potentiaidifferenz and thus the chemical nature of the desired reaction, in particular their activation energy, be adjusted If the required current density of negative charge carriers is not reached, the opening of the conductive wall in the region of the substrates must be gradually reduced so far .

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bis die mittlere Stromdichte mindestens 5 ο 10 ^J A cm erreicht*until the average current density reaches at least 5 ο 10 ^J A cm *

Eine zweckmäßige Ausführung der erfindungsgemäßen Einrichtung besteht darin, daß die Substrate bzw, deren elektrisch leitende Halterungen geerdet sind und die Wand an den negativen Pol der Spsnnungsquelle gelegt ist, deren positiver Pol geerdet ist*An expedient embodiment of the device according to the invention is that the substrates or whose electrically conductive mounts are grounded and the wall is connected to the negative pole of the Spsnnungsquelle whose positive pole is grounded *

Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, daß die leitende Wand geerdet und die Substrate bzw* deren elektrisch leitende Halterungen an den positiven Pol der Spannungsquelle gelegt sind, deren negativer Pol geerdet ist*However, it may also be expedient that the conductive wall is grounded and the substrates or * their electrically conductive brackets are placed on the positive pole of the voltage source whose negative pole is grounded *

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Der Wirkmechanismus der erfindungsgemäßen Einrichtung unterscheidet sich grundlegend von dem reaktiven Diodenzerstäuben, bei dem zwar auch die Substrate positiv gegenüber ihrer Umgebung gepolt sind und von Elektronen getroffen werden, bei dem die Energie der Elektronen jedoch um etwa zwei Größenordnungen höher ist und nicht bzw. nur in einfacher Weise durch Änderung der Entladungsleistung beeinflußt werden kann. Aus diesem Grunde tritt beim reaktiven Diodenzerstäuben auch nicht bevorzugt eine Aktivierung der Reaktion, sondern eine meist sehr störende übermäßige Erwärmung der Substrate auf· Der Wirkmechanis- ' mus der erfindungsgemäßen Einrichtung unterscheidet sich auch von dem der ionengestützten Vakuumbeschichtung, wo eine Beeinflussung der Schicht durch einen vergleichsweise niedrigen Strom positiver Ladungsträger angestrebt wird*The mechanism of action of the device according to the invention differs fundamentally from the reactive diode sputtering, in which although the substrates are poled positive to their environment and are hit by electrons, but in which the energy of the electrons is higher by about two orders of magnitude and not or only in can be easily influenced by changing the discharge power. For this reason, activation of the reaction also does not occur preferentially in reactive diode sputtering, but rather a mostly very disturbing excessive heating of the substrates. The mode of action of the device according to the invention also differs from that of the ion-supported vacuum coating, where the layer is influenced by a comparatively low current of positive charge carriers is desired *

AusführunggbeispielAusführunggbeispiel

In der zugehörigen Zeichnung ist eine BeSchichtungskammer im Schnitt dargestellteIn the accompanying drawing, a coating chamber is shown in section

In der Beschichtungskammer 1 befindet sich die Plasmatron-Zerstäubungsquelle 2. Durch einen Gaseinlaß mit Regelventil"3 wird das Reaktionsgas, im Beispiel Methan mit einem Argon-Anteil von 60 %, bis zu einem Druck von 0,3 Pa eingelassen. Die Piasmatron-Zerstäubungsquelle 2 mit ihrem Gleichstromgenerator 4 dient zum Zerstäuben des Targets 5 aus Titan© Die zu beeohichtenden Substrate 6 befinden sich auf einer metallischen Halterung 7 in Form einer Palette, die während der Beschichtung in Pfeilrichtung hin- und herbewegt wird. Die Halterung ist geerdet. Der Beschichtungsraum 8 zwischen den Substraten und der Zerstäubungsquelle 2 ist von einer isoliert angeordneten elektrisch leitenden Wand 9 umgeben_e Die öffnung 10 im Bereich der Substrate 6 stimmt mit der Größe und Form des Targets 5 überein₀ Die Spannungsquelle 11 ist so gepolt, daß ihr positiver Pol geerdet und ihr negativer Pol mit der Wand verbunden ist. Auf diese Weise entsteht zwischen den Substraten 6 und der Wand 9 eine Potentialdifferenz mit positiver Polung der Substrate 6, Die Potentialdifferenz ist mittels derIn the coating chamber 1 there is the plasmatron sputtering source 2. Through a gas inlet with control valve "3 , the reaction gas, in the example methane with an argon content of 60 %, is admitted to a pressure of 0.3 Pa 2 with its direct current generator 4 serves to atomize the target 5 from titanium © The substrates 6 to be coated are located on a metallic holder 7 in the form of a pallet, which is moved back and forth in the direction of the arrow during the coating 8 between the substrates and the sputtering source 2 is isolated from a disposed electrically conductive wall 9 surrounded _e the opening 10 in the area of the substrates 6 is consistent with the size and shape of the target 5 match ₀ the voltage source 11 is polarized such that its positive pole connected to ground and its negative pole is connected to the wall, thus forming between the substrates 6 and the wall 9 a potential difference with positive polarity of the substrates 6, the potential difference is by means of

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Spannungsquelle 11 auf 12 V eingestellt. Die öffnung 10 derVoltage source 11 set to 12V. The opening 10 of the

ρ Hand. 9 ist mit 200 cm so bemessen, daß bei einer Leistungρ hand. 9 is measured at 200 cm so that at a power

der Zerstäubungsquelle 2 von 2 kW die mittlere Stromdichte negativer Ladungsträger auf den Substraten 6 in der Zeit der Beschichtung 20 · 10"^ A cm beträgt. Auf den Substraten 6 kondensiert eine Titankarbidschicht mit hoher Rate₀ the sputtering source 2 of 2 kW, the average current density of negative charge carriers on the substrates 6 in the life of the coating 20 x 10 "^ A cm. On the substrates 6 condenses a titanium carbide layer at a high rate ₀

Claims (3)

211739 Erfindungsanspruch211739 claim for invention 1* Einrichtung zum reaktiven Beschichten mit dem Plasmatron, bestehend aus einer Plasmatron-Zerstäubungsquelle und ihr gegenüber vorzugsweise beweglich.angeordneten Substraten und einem Gaseinlaß, dadurch gekennzeichnet, daß der Be-Schichtungsraum (8) zwischen der Plasmatron-Zerstäubungsquelle (2) und den zu beschichtenden Substraten (6) von einer elektrisch leitenden, isoliert angeordneten Wand (9) umgeben ist, die im Bereich der Substrate (6) eine Öffnung (10) von höchstens der dreifachen Größe der Targetfläche der Plasmatron-Zerstäubungsquelle (2) besitzt, daß zwischen der Wand (9) und den Substraten (6) bzw. deren Halterungen (7) eine Potentialdifferenz von mindestens 5 Volt eingestellt ist, daß die Polung der Substrate (6) gegenüber der Wand (9) positiv ist, und daß die Öffnung (10) der Wand (9) im Bereich der Substrate (6) so klein ist, daß die mittlere Stromdichte negativer ladungsträger auf den Substraten (6) mehr als 5 · 10 A cm beträgt.A device for reactive coating with the plasmatron, consisting of a Plasmatron sputtering source and its preferably beweg..anordneten relative to substrates and a gas inlet, characterized in that the bedding layer (8) between the Plasmatron sputtering source (2) and the zu coating substrates (6) by an electrically conductive, insulated arranged wall (9) is surrounded, in the region of the substrates (6) has an opening (10) of at most three times the size of the target surface of the Plasmatron sputtering source (2) that between the wall (9) and the substrates (6) and their holders (7) is set a potential difference of at least 5 volts, that the polarity of the substrates (6) relative to the wall (9) is positive, and that the opening (10 ) of the wall (9) in the region of the substrates (6) is so small that the average current density of negative charge carriers on the substrates (6) is more than 5 · 10 A cm. 2« Einrichtung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrate (6) bzw. deren Halterungen (7) geerdet und die Wand (9) an den negativen Pol der Spannungsquelle (11) gelegt ist, deren positiver Pol geerdet ist«2 «Device according to item 1, characterized in that the substrates (6) or their holders (7) grounded and the wall (9) is connected to the negative pole of the voltage source (11) whose positive pole is grounded« 3· Einrichtung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand (9) geerdet und die Substrate (6) bzw« deren Halterungen (7) an den positiven Pol der Spannungsquelle (11) gelegt sind, deren negativer Pol geerdet isto3. Device according to item 1, characterized in that the wall (9) is earthed and the substrates (6) or their holders (7) are connected to the positive pole of the voltage source (11) whose negative pole is earthed Hierzu 1 Blatt ZeichnungenFor this 1 sheet drawings