DE4336680C2 - Verfahren zum Elektronenstrahlverdampfen - Google Patents

Verfahren zum Elektronenstrahlverdampfen

Info

Publication number
DE4336680C2
DE4336680C2 DE19934336680 DE4336680A DE4336680C2 DE 4336680 C2 DE4336680 C2 DE 4336680C2 DE 19934336680 DE19934336680 DE 19934336680 DE 4336680 A DE4336680 A DE 4336680A DE 4336680 C2 DE4336680 C2 DE 4336680C2
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
electron beam
evaporation
evaporated
arc
cathode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
DE19934336680
Other languages
English (en)
Other versions
DE4336680A1 (de
Inventor
Siegfried Prof Dr Schiller
Klaus Goedicke
Jonathan Reschke
Bert Scheffel
Christoph Metzner
Heinz Kern
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority to DE19934336680 priority Critical patent/DE4336680C2/de
Priority to PCT/DE1994/001210 priority patent/WO1995012006A1/de
Publication of DE4336680A1 publication Critical patent/DE4336680A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE4336680C2 publication Critical patent/DE4336680C2/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/30Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects
    • H01J37/305Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects for casting, melting, evaporating or etching
    • H01J37/3053Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects for casting, melting, evaporating or etching for evaporating or etching
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24Vacuum evaporation
    • C23C14/28Vacuum evaporation by wave energy or particle radiation
    • C23C14/30Vacuum evaporation by wave energy or particle radiation by electron bombardment
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24Vacuum evaporation
    • C23C14/32Vacuum evaporation by explosion; by evaporation and subsequent ionisation of the vapours, e.g. ion-plating

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdampfen von Materialien im Vakuum mittels Elektronenstrahl in Verbindung mit einer Bogenentladung. Das Verfahren ist vorzugsweise zum plasmagestützten Bedampfen großer Flächen geeignet und findet insbesondere Anwendung zum reaktiven Beschichten von Bauteilen, Werkzeugen und Bandstahl.
Beim Elektronenstrahlverdampfen werden in einer Elektronenkanone Elektronen von einer Glühkatode emittiert und durch eine Hochspannung (10...50 kV) beschleunigt. Der hochenergetische Elektronenstrahl kann mittels elektrischer oder magnetischer Felder abgelenkt und fokussiert werden und wird direkt auf die Oberfläche des zu verdampfenden Materials gerichtet. Der entscheidende Vorteil des Elektronenstrahlverdampfens liegt darin begründet, daß die dampfabgebende Oberfläche direkt beheizt wird, ohne daß die Energiezufuhr über den Tiegel bzw. das Verdampfungsmaterial erfolgt. Das ermöglicht auch die Verwendung von wassergekühlten Kupfertiegeln, womit Reaktionen zwischen Tiegelwand und Verdampfungsgut unterbunden werden. Ein weiterer wichtiger Grund für den Einsatz dieses Verfahrens ist die gute örtliche und zeitliche Steuerbarkeit des Elektronenstrahls, wodurch die Verwendung von großflächigen Verdampfertiegeln möglich wird. Mit leistungsfähigen Elektronenkanonen vom Axialtyp werden höchste Verdampfungsraten realisiert.
Ein Nachteil dieses Verdampfungsverfahrens liegt in dem relativ geringen Anteil von angeregten und ionisierten Teilchen und der geringen Energie (E<1 eV) der verdampften Teilchen. Das liegt einerseits an der relativ geringen Prozeßtemperatur (Verdampfungstemperatur) an der dampfabgebenden Oberfläche und andererseits darin begründet, daß der Wirkungsquerschnitt für den Stoß zwischen hochenergetischen Strahlelektronen und Dampfteilchen sehr gering ist.
Wesentliche Voraussetzungen für die Abscheidung qualitativ hochwertiger, dichter Schichten - auch bei niedriger Substrattemperatur und zur Herstellung von Verbindungsschichten durch reaktive Prozeßführung - sind jedoch gerade hohe Anregungs- und Ionisierungsgrade der Dampfwolke.
Es sind weiterhin Ionenplattierungsverfahren bekannt, bei denen zwischen einem Verdampfertiegel und einem Substrat eine haubenförmigen Elektrode bzw. eine Haube und darüber eine Elektrode angeordnet sind (US 5,227,203; JP 4-198474 A). Zwischen der Elektrode und dem Verdampfertiegel brennt eine herkömmliche Bogenentladung. Der Nachteil dieser Verfahren besteht darin, daß die Bogenentladung durch die Anordnung der Haube stabilisiert werden muß, da die Bogenentladung nur in Bereichen hoher Dampfdichte brennt. Dadurch muß der Elektronenstrahl durch diese Bereiche geführt werden, was zu einer Senkung der Verdampfungsrate aufgrund von Streuung des Elektronenstrahls führt. Desweiteren wird die Verdampfungsrate ein weiteres Mal verringert, da die Haube die freie Dampfausbreitung verhindert. Schließlich wird der gesamte Prozeß negativ durch von den Innenflächen der Haube abplatzende Schichten von zuvor kondensiertem Verdampfungsmaterial beeinflußt.
Es sind verschiedene Verfahren zur plasmagestützten Schichtabscheidung beschrieben, die den genannten Nachteilen entgegenwirken.
So ist es bekannt, die auf der Schmelzbadoberfläche durch den primären energiereichen Elektronenstrahl erzeugten Streu- und Sekundärelektronen durch eine zusätzliche Elektrode zu beschleunigen. Diese wird auf ein geringes, positives Potential (20...100 V) gelegt und in der Verdampfungszone so angeordnet, daß auf dem Weg der Elektronen zur Anode viele Stöße zwischen Elektronen, Dampf- und Reaktivgasteilchen erfolgen können (US 3,791,852). Es bildet sich eine Glimmentladung aus und das Substrat erreicht ein Ionenstrom. Die Energie der positiv ionisierten Teilchen kann zusätzlich durch eine an das Substrat gelegte negative Bias-Spannung erhöht werden.
Dieses Verfahren hat sich bisher jedoch technisch nicht durchgesetzt, da Versuche, den Prozeß großtechnisch durch den Einsatz von großen Verdampfertiegeln mit hohen Verdampfungsraten zu nutzen, gescheitert sind.
Es ist eine Einrichtung bekannt, welche das obengenannte Prinzip dahingehend verbessern soll, daß stöchiometrische Schichten auch bei höheren Beschichtungsraten abgeschieden werden können. Diese Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfertiegel von einer Kammer umgeben ist, die in Richtung auf das Substrat eine Blendenöffnung aufweist. Außerhalb der Kammer ist eine positiv vorgespannte Elektrode angeordnet, welche die in der Innenkammer erzeugten Ladungsträger absaugt, wobei eine im Bereich von Blendenöffnung und Elektrode brennende Glimmentladung erzeugt wird (DE 36 27 151 A 1). Mit diesem Verfahren können ohne weiteres Beschichtungsraten um 5 µm/min erzielt werden. Die Nachteile des Verfahrens liegen darin begründet, daß das Reaktivgas in die Innenkammer eingelassen wird und darin zu einem erhöhten Druck führt. Die Wechselwirkungen zwischen Elektronenstrahl und Reaktivgas sind zwar gewollt, führen jedoch bei höheren Beschichtungsraten und den damit erforderlichen höheren Gasmengen zu einer starken Streuung des Elektronenstrahls. Außerdem schlägt sich ein großer Anteil des verdampften Materials auf der Wandung der Innenkammer ungenutzt nieder.
Um die genannten Nachteile zu überwinden, wurden intensive Elektronenquellen entwickelt, die mit geringen Beschleunigungsspannungen arbeiten. Dazu gehören die Niedervoltbogen- Verdampfer und Hohlkatoden-Elektronenstrahl-Verdampfer mit geheizter oder kalter Katode. Charakteristisch für diese Verfahren ist die Ausbildung des Tiegels als Anode und der Einlaß eines Arbeitsgases (z. B. Argon) in einer separaten Katodenkammer. Da in der Beschichtungskammer ein geringer Gasdruck erwünscht ist, müssen Druckstufen zwischen Katoden- und Beschichtungskammer angeordnet werden. Es ist auch ein Verfahren zum Verdampfen von Metallen beschrieben, wobei ein Elektronenstrahl eines Transverseverdampfers und ein Niedervoltbogen auf den als Anode geschalteten Tiegel gerichtet werden (DE 28 23 876 C 2). Gegenüber den Einzelverfahren können damit Verdampfungsrate und Ionisierung bzw. Anregung unabhängiger voneinander realisiert werden.
Die Plasmaaktivierung ist bei diesen Prozessen sehr intensiv, diese Verfahren liefern in der Praxis Schichten mit sehr guten Eigenschaften, aber hohe Beschichtungsraten um 1 µm/s wurden mit diesen Verfahren jedoch nicht erreicht. Die Übertragung dieser Verfahren auf ausgedehnte Tiegel zur Beschichtung großer Flächen wurde bisher nicht gelöst.
Außerdem werden auch Bogenverdampfer zu Beschichtungszwecken eingesetzt. Dazu wird mit geeigneten Mitteln ein Lichtbogen auf der Katode des Bogenverdampfers gezündet. Der Lichtbogen brennt im selbsterzeugten Dampf zwischen Katode und Anode, wobei sich die Entladung auf der Katodenseite in sogenannten Katodenflecken mit sehr hohen Stromdichten (j = 105...108 A/cm2) zusammenschnürt (DE 31 52 736 C2). Die Katodenflecke, in denen sich die Aufschmelzung und Verdampfung des Targetmaterials vollzieht, bewegen sich stochastisch und sprunghaft über die Katodenoberfläche. Die mittlere Driftgeschwindigkeit und die Richtung dieser Bewegung wird vom Targetmaterial, vom Bogenstrom, äußeren magnetischen Feldern und der Anwesenheit zusätzlich eingebrachter Gase beeinflußt. Der entscheidende Vorteil dieses Verfahrens liegt in dem sehr hohen Ionisierungsgrad der erzeugten Dampfwolke (10...90%) mit einem hohen Anteil an mehrfach ionisierten Teilchen.
Mit diesem Verfahren aufgebrachte Schichten sind sehr dicht und weisen eine hohe Haftfestigkeit auf. Diese Vorteile werden jedoch bei vielen Anwendungen durch den unerwüschten Einbau von zahlreichen Mikropartikeln bis ca. 50 µm Größe, den sogenannten Droplets, stark eingeschränkt. Diese Droplets werden aufgrund der überaus hohen Stromdichte aus den Schmelzkratern an der Katodenoberfläche herausgeschleudert. Häufigkeit und Größe dieser Droplets können durch verschiedene Maßnahmen reduziert werden. Dazu zählen Methoden zur nachträglichen Filterung der Droplets mittels magnetischer oder elektrischer Umlenkfelder für geladene Partikel. Dies erfordert jedoch wieder zusätzlichen apparativen Aufwand.
Eine andere Entwicklungsrichtung der Bogenverdampfer geht davon aus, daß Droplets unterdrückt oder vermieden werden, wenn die hohe Eigendynamik des katodischen Bogenfußpunktes beschränkt wird, indem der Fußpunkt über zusätzliche Mittel auf der Target-oberfläche geführt wird. Der Fußpunkt wird durch das Feld eines Permanentmagneten auf einer geschlossenen Bahn geführt. Durch Verschieben des Magneten gegenüber der Targetoberfläche kann das Target definiert abgetragen werden (US 4,673,477).
Ein gleichmäßiges Abtragen der Targetoberfläche wird auch dadurch erreicht, daß zur Führung und Stabilisierung des Katodenfußpunktes ein Elektronen- oder Laserstrahl verwendet wird (DE 40 06 456 C1). Die Bogenentladung wird in einem Bereich betrieben, wo ein wesentlicher Teil des Bogenstroms durch kleine Flecken auf der Targetoberfläche fließt und das Target als Katode geschaltet ist. Der Laser- oder Elektronenstrahl erzeugt eine lokale Dampfwolke über dem Target. Der Katodenfußpunkt wird in der lokalen Dampfwolke konzentriert und kann durch Ablenkung von Laser- bzw. Elektronenstrahl über die Targetoberfläche geführt werden.
Es ist auch ein Verfahren zum Aufdampfen von Material im Vakuum bekannt, bei dem das zu verdampfende Material mit Elektronen aus einer Niedervoltbogenentladung beschossen wird, wobei das zu verdampfende Material zusätzlich mit einem hochenergetischen Elektronenstrahl beaufschlagt wird. Diese Kombination einer Bogenentladung mit einem Elektronenstrahlverdampfer soll hohe Bedampfungsraten bei refraktären Metallen und elektrisch nicht leitenden Materialien erreichen (DE 32 06 882 A1).
Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß zwar hochenergetische Elektronenstrahlen (Energie < 1 keV) Metalldämpfe gut durchdringen können, aber an den Gasen tritt eine erhebliche Streuung auf. Zur Aufrechterhaltung der Bogenentladung sind aber Gase, vorzugsweise Argon, zwingend nötig. Das führt zur praktischen Beschränkung. Es können zwar hochschmelzende Metalle und elektrisch nicht leitende Materialien verdampft werden; die gewünschte Aktivierung des Dampfes bzw. Reaktionsgases findet jedoch in einem kleinen Volumenbereich oberhalb des Verdampfertiegels statt. Dieser Mangel steht vielen Anwendungen entgegen.
Schließlich ist auch eine Bogenentladung für Beschichtungszwecke bekannt, bei welcher die Anode als thermisch isolierter Tiegel ausgebildet ist und mit dem Elektronenstrom eines Bogens aufgeheizt wird, welcher auf einer separaten, kalten Katode brennt. Auf dem heißen Verdampfungsgut der Anode konzentriert sich der Bogen von selbst zu sogenannten Anodenflecken und führt zu dessen intensiver Verdampfung, Anregung und Ionisierung. Der Bogen brennt vorwiegend im Dampf des anodischen Verdampfungsguts (DE 34 13 891 C2). Auch diese Form der Bogenverdampfung vermeidet die Entstehung von Droplets vollständig. Gegenüber den Verfahren mit katodischer Verdampfung sind nachteilig die vergleichsweise geringere Ionisierung des Dampfes, die Schwierigkeit, die gleichzeitig entstehenden Dämpfe von Anode und Katode zu trennen, und der notwendige Energieverbrauch zur Verdampfung von Katodenmaterial, das nicht zur Schichtbildung beiträgt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Vakuumbeschichten durch Elektronenstrahlverdampfen zu schaffen, mit welchem eine sehr hohe Beschichtungsrate erreicht wird. Dabei soll ein hoher Ionisierungsgrad der erzeugten Dampfwolke möglich und das Spektrum der abscheidbaren Materialien sehr groß sein. Die Beschichtung großer Flächen soll durch große Verdampferflächen möglich sein und dabei soll sich die Beschichtungsrate, Ionenstromdichte am Substrat und die mittlere Energie der abgeschiedenen Teilchen gut steuern lassen. Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren mit Bogenentladung dürfen keine Katodenflecke auftreten.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Es wurde gefunden, daß bei einer sehr hohen Dampfdichte im Raum zwischen Anode und Katode aufgrund einer entsprechend hohen Oberflächentemperatur des Verdampfungsgutes überraschenderweise die nichtstationären Katodenfleckerscheinungen auf der Katode verschwinden. Die Bogenentladung kann in einem Parameter-Bereich aufrechterhalten werden, in welchem sich ein intensives und verteiltes Plasma über den heißen und verdampfenden Teilen auf der Oberfläche des Verdampfungsgutes ausbildet. Der Fußpunkt des Bogens dehnt sich dabei über den Bereich aus, der vom abgelenkten Elektronenstrahl quasi gleichmäßig aufgeheizt ist. Das Verdampfungsgut ist Katode, indem es über die Tiegelwandung oder eine zusätzliche Elektrode im Tiegel kontaktiert wird.
Bereits bei einer geringen Spannung (10 bis 100 V) zwischen der Katode und Anode entsteht unter diesen Bedingungen ohne eine zusätzliche Zündeinrichtung eine stromstarke diffuse Bogenentladung mit einer Stromstärke über hundert, vorzugsweise mehrere tausend Ampere. Die Stromdichte dieses neuartigen Bogens ist, verglichen mit bekannten Vakuumlichtbögen, relativ gering und liegt bei 10 bis 1000 A/cm2.
Damit wird ein stabil arbeitendes Verfahren mit hoher Verdampfungsrate und steuerbarem Grad der Anregung und Ionisierung des Dampfes geschaffen. Die Obergrenze der erreichbaren Anregung und Ionisierung hängt von der Art des Verdampfungsmaterials ab. Sie läßt sich durch typische Werte für die Ionenstromdichte auf den zu beschichtenden Substraten im Bereich von 100 mA/cm2 charakterisieren. Für manche Materialien sind wesentlich höhere Werte erreichbar.
Eine Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die bei bekannten Vakuumlichtbögen auftretenden instationären Erscheinungen wie rasche Katodenfleckbewegung, häufiges Verlöschen der Entladung, Schwankungen von Brennspannung und Plasmaintensität nicht eintreten.
Der wesentliche Vorteil ist, daß die diffuse Bogenentladung mit ihrem großflächigen Katodenansatz keinerlei Droplets verursacht, weil die Dropletemission bei Bogenentladungen eng an die Katodenmechanismen mit sehr hohen Stromdichten gekoppelt ist. Tatsächlich konnte an Schichten, welche durch das beschriebene Verfahren hergestellt wurden, die Dropletfreiheit nachgewiesen werden.
Die besonderen Möglichkeiten des Verfahrens liegen darin, daß der Ort sowie die Fläche und folglich die Stromdichte des katodischen Ansatzes des diffusen Bogens gesteuert werden können. Sie ergeben sich daraus, daß der Elektronenstrahl sehr schnell abgelenkt werden kann und am Auftreffort beliebige Figuren und Flächen auf dem Verdampfungsgut zeichnen kann, die den Fußpunktbereich für den diffusen Bogen bilden. Zur Erzielung einer bestimmten Leistungsdichte kann der Elektronenstrahl fokussiert oder defokussiert werden. Durch den Einsatz getrennter Leistungsregelungen für Elektronenstrahl und Bogenentladung ergibt sich die Möglichkeit, Verdampfungsparameter (Verdampfungsrate) und Plasmaparameter (Ionisierungs- und Anregungsgrad) weitgehend unabhängig voneinander einzustellen.
Das Verfahren eignet sich zur Abscheidung von Schichten aus reinen Metallen und Legierungen unter Ioneneinwirkung (ion plating) und führt dabei zu sehr guten Schichteigenschaften. Es ist aber auch besonders geeignet für die reaktive Verdampfung zur Herstellung von Schichten aus chemischen Verbindungen.
Zur Abscheidung von Verbindungsschichten mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in bekannter Weise ein Reaktivgas in die Vakuumkammer eingelassen. Es erfolgen Reaktionen zwischen Reaktivgasteilchen und abgeschiedenen Dampfteilchen am Substrat. Es können stöchiometrische Schichten abgeschieden werden, wenn Verdampfungsrate und Reaktivgaseinlaß richtig aufeinander abgestimmt sind. Auch an der Katode treten Reaktionen mit dem Reaktivgas auf, die jedoch die Stabilität der diffusen Bogenentladung kaum beeinträchtigen, wenn der Elektronenstrahl mit einer hohen Leistungsdichte auf das Verdampfungsgut auftrifft und somit die Oberfläche frei von Kontaminationen hält.
Das Problem von flächenhaft ausgedehnten Plasmaquellen beim plasmagestützten Beschichten wurde bisher meistens durch eine Aneinanderreihung mehrerer einzelner Plasmaquellen mit zugehörigen separaten Stromversorgungen gelöst. Dieses Vorgehen ist technisch sehr aufwendig und teuer. Es zeigte sich, daß das erfindungsgemäße Verfahren für die plasmagestützte Großflächenbedampfung besonders geeignet ist. Die Ursache liegt darin, daß es überraschenderweise möglich ist, den Bogen auf der Katodenoberfläche in mehrere räumlich voneinander getrennte Gebiete zu teilen, indem durch den Elektronenstrahl verschiedene Gebiete der Oberfläche nacheinander durch eine hohe Wechselfrequenz quasi gleichzeitig beaufschlagt werden. Damit können auch räumlich ausgedehnte, große Verdampfertiegel für die Beschichtung von großflächigen Substraten verwendet werden. Dabei können mehrere getrennte Gebiete auf der Oberfläche des Verdampfungsgutes durch ein einziges Verdampfersystem (Elektronenstrahlkanone mit Ablenksystem) und ein gemeinsames Plasmastromversorgungssystem aktiviert werden.
An einem Beispiel wird die Erfindung näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung ist eine Einrichtung zum Elektronenstrahlverdampfen in der Draufsicht dargestellt.
An einem Rezipienten 1 ist eine Elektronenkanone 2 vom Axialtyp mit einer Leistung von max. 300 kW und einer einstellbaren Beschleunigungsspannung von 10 bis 50 kV angeflanscht. Mit einem Vakuum-Pumpsystem 3 wird der Rezipient 1 auf einen Druck von 10-3 Pa evakuiert. Im Rezipienten 1 befindet sich ein wassergekühlter Verdampfertiegel 4 aus Kupfer mit einem Durchmesser von 25 cm, der mit dem negativen Pol der Bogenstromversorgung 8 verbunden ist. Ein statisches Magnetfeld, das durch zwei sich gegenüberstehende Elektromagnete 5 erzeugt wird, lenkt den hochenergetischen Elektronenstrahl 6, der in horizontaler Richtung in den Rezipienten 1 eingeschossen wird, auf den Verdampfertiegel 4 ab. Mittels einer bekannten Ablenkeinrichtung an der Elektronenkanone 2 kann der Elektronenstrahl auf dem Verdampfungsgut am Auftreffort beliebige Figuren zeichnen. Im Abstand von 5 cm über dem Verdampfertiegel 4 ist eine U-förmige Elektrode 7 angeordnet, deren Öffnung in Richtung des einfallenden Elektronenstrahls 6 zeigt. Die Elektrode ist wassergekühlt und mit dem positiven Pol der Bogenstromversorgung 8 verbunden, welche in der Lage ist, geregelt Stromstärken von 20...2000 A bei Spannungen von 0...70 V zu liefern. Der negative Pol der Stromversorgung ist mit der Masse der Einrichtung verbunden. Das Substrat wird mittels einer Biasstromversorgung auf negatives Potential gegen Masse gelegt. Über das Gaseinlaßsystem 9 kann ein Reaktivgas in den Rezipienten eingelassen werden.
Das Verfahren zur Beschichtung eines Substrats mit Titannitrid wird wie folgt ausgeübt.
Der Verdampfertiegel 4 ist mit Titan gefüllt. Der Elektronenstrahl 6 wird auf die Oberfläche des Verdampfungsguts fokussiert und so abgelenkt, daß auf dem Verdampfungsgut eine spiralförmige Bahn mit einem äußeren Durchmesser von 6 cm entsteht. Diese spiralförmige Figur rotiert zeitlich periodisch auf einer Kreisbahn, so daß ihr Flächenschwerpunkt einen Kreis von 17 cm Durchmesser beschreibt und diesen mit einer Frequenz von 2 Hz durchläuft. Die Elektronenkanone 2 wird auf eine Leistung von 60 kW bei einer Spannung von 45 kV eingestellt. Das Verdampfungsgut befindet sich im flüssigen Zustand, und der Bereich der spiralförmigen Bahn ist quasi gleichmäßig aufgeheizt. Wenn im besagten Bereich eine stationäre Dampfdichte entstanden ist, wird die Bogenstromversorgung zugeschaltet. Es kann ein Lichtbogen auf der Targetoberfläche beobachtet werden, der ausschließlich im Titandampf brennt. Bei einer Stromstärke von 300 A schlägt die Entladung in die beschriebene diffuse Form um. Die Stromstärke wird nunmehr auf 1000 A erhöht, dabei beträgt die Entladungsspannung 15 V.
Das zu beschichtende Substrat befindet sich in einem Abstand von 20 cm über dem Rand des Verdampfertiegels 4. Die Biasspannung beträgt 50 V. Wenn die Bogenentladung in der beschriebenen diffusen Form mit einer Stromstärke von 1000 A brennt, fließt zum Substrat ein Strom mit einer Stromdichte von 100 mA/cm2.
Durch Einlaß von reaktivem Stickstoff bis zu einem Durck von 1,2 Pa wird die plasmagestützte Abscheidung von stöchiometrischen Titannitridschichten mit hoher Abscheiderate auf den Substaten erreicht.

Claims (4)

1. Verfahren zum Elektronenstrahlverdampfen im Vakuum mittels eines sehr schnell und hochfrequent auf dem in einem Verdampfertiegel befindlichen Verdampfungsgut abgelenkten hochenergetischen Elektronenstrahles und einer gleichzeitig zwischen dem als Katode geschalteten Verdampfungsgut und einer Anode brennenden Bogenentladung, dadurch gekennzeichnet, daß durch die schnelle Ablenkung des Elektronenstrahls ein Teil der gesamten Oberfläche des Verdampfungsgutes quasi gleichmäßig derart geheizt wird, daß in diesem Bereich eine hohe Verdampfungsrate entsteht und daß die Bogenentladung in diesem Bereich brennt und einen diffusen Bogen bildet, dessen Fußpunkt der vom Elektronenstrahl gleichmäßig beheizten Fläche auf dem Verdampfungsgut annähernd entspricht und dabei einen wesentlichen Teil des Dampfes ionisiert, und daß kein Prozeßgas während des Verfahrens zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Verdampfungsgut durch die örtliche und zeitliche Ablenkung des Elektronenstrahls mehrere quasi gleichmäßig beheizte Flächen entstehen und in jeder dieser Flächen ein diffuser Bogen gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zu bedampfenden Substrate auf ein frei wählbares, gegenüber dem Verdampfungsgut negatives Potential gebracht werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von Verbindungsschichten während des Verdampfungsprozesses ein Reaktivgas eingelassen wird.
DE19934336680 1993-10-27 1993-10-27 Verfahren zum Elektronenstrahlverdampfen Expired - Lifetime DE4336680C2 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19934336680 DE4336680C2 (de) 1993-10-27 1993-10-27 Verfahren zum Elektronenstrahlverdampfen
PCT/DE1994/001210 WO1995012006A1 (de) 1993-10-27 1994-10-11 Verfahren und einrichtung zum elektronenstrahlverdampfen

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19934336680 DE4336680C2 (de) 1993-10-27 1993-10-27 Verfahren zum Elektronenstrahlverdampfen

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE4336680A1 DE4336680A1 (de) 1995-05-04
DE4336680C2 true DE4336680C2 (de) 1998-05-14

Family

ID=6501165

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE19934336680 Expired - Lifetime DE4336680C2 (de) 1993-10-27 1993-10-27 Verfahren zum Elektronenstrahlverdampfen

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE4336680C2 (de)
WO (1) WO1995012006A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006031244A1 (de) * 2006-07-06 2008-01-10 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Vorrichtung zum Elektronenstrahlverdampfen
DE102015105310A1 (de) * 2014-08-20 2016-02-25 Von Ardenne Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Verdampfen von Materialien mittels Elektronenstrahl

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19605316C1 (de) * 1996-02-14 1996-12-12 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren und Einrichtung zur Regelung von plasmagestützten Vakuumbeschichtungsprozessen
EP1275750B1 (de) 2001-07-11 2009-07-01 Carl Zeiss Vision GmbH Bedampfungsanlage
DE102004019169A1 (de) * 2004-04-20 2005-11-17 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zum Abscheiden von Karbidschichten hochschmelzender Metalle
DE102010035315A1 (de) 2010-08-25 2012-03-01 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zum langzeitstabilen plasmaaktivierten Vakuumbedampfen
DE102012209196A1 (de) * 2012-05-31 2013-12-05 Von Ardenne Anlagentechnik Gmbh Verfahren zum Elektronenstrahlschmelzen und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3791852A (en) * 1972-06-16 1974-02-12 Univ California High rate deposition of carbides by activated reactive evaporation
DE3206882A1 (de) * 1981-03-13 1982-10-14 Balzers Hochvakuum Gmbh, 6200 Wiesbaden Verfahren und vorrichtung zum verdampfen von material unter vakuum
DE3152736C2 (de) * 1981-02-23 1984-04-05 Leonid Pavlovi&ccaron; Sablev Selbstverzehrende Kathode f}r einen Lichtbogen-Metallverdampfer
DE2823876C2 (de) * 1977-06-01 1984-04-19 Balzers Hochvakuum Gmbh, 6200 Wiesbaden Verfahren zum Verdampfen von Material mittels eines Niedervoltbogens
DE3413891C2 (de) * 1984-04-12 1987-01-08 Horst Dipl.-Phys. Dr. 4270 Dorsten De Ehrich
US4673477A (en) * 1984-03-02 1987-06-16 Regents Of The University Of Minnesota Controlled vacuum arc material deposition, method and apparatus
DE3627151A1 (de) * 1986-08-11 1988-02-18 Leybold Heraeus Gmbh & Co Kg Verfahren und vorrichtung zum reaktiven aufdampfen von metallverbindungen
DE4006456C1 (en) * 1990-03-01 1991-05-29 Balzers Ag, Balzers, Li Appts. for vaporising material in vacuum - has electron beam gun or laser guided by electromagnet to form cloud or pre-melted spot on the target surface
JPH04198474A (ja) * 1990-11-29 1992-07-17 Nkk Corp イオンプレーティング方法および装置
US5227203A (en) * 1992-02-24 1993-07-13 Nkk Corporation Ion-plating method and apparatus therefor

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4109061A (en) * 1977-12-08 1978-08-22 United Technologies Corporation Method for altering the composition and structure of aluminum bearing overlay alloy coatings during deposition from metallic vapor
JPS5842771A (ja) * 1981-09-07 1983-03-12 Sumitomo Electric Ind Ltd イオンプレ−テイング装置
JPS60128261A (ja) * 1983-12-15 1985-07-09 Kowa Eng Kk イオンプレ−テイング装置
JPS62150786A (ja) * 1985-12-24 1987-07-04 Kobe Steel Ltd NbN超電導膜の製造方法

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3791852A (en) * 1972-06-16 1974-02-12 Univ California High rate deposition of carbides by activated reactive evaporation
DE2823876C2 (de) * 1977-06-01 1984-04-19 Balzers Hochvakuum Gmbh, 6200 Wiesbaden Verfahren zum Verdampfen von Material mittels eines Niedervoltbogens
DE3152736C2 (de) * 1981-02-23 1984-04-05 Leonid Pavlovi&ccaron; Sablev Selbstverzehrende Kathode f}r einen Lichtbogen-Metallverdampfer
DE3206882A1 (de) * 1981-03-13 1982-10-14 Balzers Hochvakuum Gmbh, 6200 Wiesbaden Verfahren und vorrichtung zum verdampfen von material unter vakuum
US4673477A (en) * 1984-03-02 1987-06-16 Regents Of The University Of Minnesota Controlled vacuum arc material deposition, method and apparatus
US4673477B1 (de) * 1984-03-02 1993-01-12 Univ Minnesota
DE3413891C2 (de) * 1984-04-12 1987-01-08 Horst Dipl.-Phys. Dr. 4270 Dorsten De Ehrich
DE3627151A1 (de) * 1986-08-11 1988-02-18 Leybold Heraeus Gmbh & Co Kg Verfahren und vorrichtung zum reaktiven aufdampfen von metallverbindungen
DE4006456C1 (en) * 1990-03-01 1991-05-29 Balzers Ag, Balzers, Li Appts. for vaporising material in vacuum - has electron beam gun or laser guided by electromagnet to form cloud or pre-melted spot on the target surface
JPH04198474A (ja) * 1990-11-29 1992-07-17 Nkk Corp イオンプレーティング方法および装置
US5227203A (en) * 1992-02-24 1993-07-13 Nkk Corporation Ion-plating method and apparatus therefor

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006031244A1 (de) * 2006-07-06 2008-01-10 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Vorrichtung zum Elektronenstrahlverdampfen
DE102006031244B4 (de) * 2006-07-06 2010-12-16 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Vorrichtung zum Verdampfen eines Materials mittels eines Elektronenstrahls und zum Abscheiden des Dampfes auf ein Substrat
DE102015105310A1 (de) * 2014-08-20 2016-02-25 Von Ardenne Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Verdampfen von Materialien mittels Elektronenstrahl

Also Published As

Publication number Publication date
WO1995012006A1 (de) 1995-05-04
DE4336680A1 (de) 1995-05-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0725843B1 (de) Verfahren und einrichtung zum plasmaaktivierten elektronenstrahlverdampfen
DE102010049521B3 (de) Vorrichtung zum Erzeugen eines Elektronenstrahls
DE68915012T2 (de) Anlage zur Erzeugung von Dünnschichten und Ionenquelle unter Anwendung von Plasmazerstäubung.
EP0158972B1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Materialverdampfung in einer Unterdruckkammer durch Bogenentladung
DE3206882C2 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Verdampfen von Material unter Vakuum
EP0306612B1 (de) Verfahren zur Aufbringung von Schichten auf Substraten
DE4125365C1 (de)
DE2823876C2 (de) Verfahren zum Verdampfen von Material mittels eines Niedervoltbogens
EP2795657B1 (de) Vorrichtung zum erzeugen eines hohlkathodenbogenentladungsplasmas
EP0727508A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von Substratoberflächen
Coll et al. Design of vacuum arc-based sources
DE19546827C2 (de) Einrichtung zur Erzeugung dichter Plasmen in Vakuumprozessen
DE4042337C1 (en) Controlling degree of ionisation of vapour for surface coating - by preventing straight line current flow between hot anode target surface and cold cathode by using movable wall between them
DE4336680C2 (de) Verfahren zum Elektronenstrahlverdampfen
DE2902142A1 (de) Vorrichtung zum auftragen von ueberzuegen im vakuum
DE19600993A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur anodischen Verdampfung eines Materials mittels einer Vakuumlichtbogenentladung
DE19724996C1 (de) Verfahren zum plasmaaktivierten Elektronenstrahlverdampfen und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens
EP0791226B1 (de) Vorrichtung zum beschichten von substraten mit einem materialdampf im unterdruck oder vakuum
DE102015104433B3 (de) Verfahren zum Betreiben einer Kaltkathoden-Elektronenstrahlquelle
DD141932B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur teilchenstromionisierung und hochratebeschichtung
DE10318363A1 (de) Verfahren und Einrichtung zum plasmaaktivierten Hochrate-Bedampfen großflächiger Substrate
DE102020124270A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur anodischen Bogenverdampfung
DE4405254A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Materialverdampfung
DE102008060838A1 (de) Beschichtungsverfahren, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Oks et al. Space charge plasma optic devices: New applications in vacuum arc technology

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
D2 Grant after examination
8364 No opposition during term of opposition
8380 Miscellaneous part iii

Free format text: AUF DER TITELSEITE DER PATENTSCHRIFT WURDEN FALSCHE ZF UND ZEICHNUNG VEROEFFENTLICHT

R071 Expiry of right
R071 Expiry of right