-
Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zur plasmagestützten Verdampfung
in einem Bogenentladungsplasma, die mit der Anode einer Stromquelle verbunden
ist. Die Einrichtung kann zur Verdampfung unterschiedlicher Materialien,
auch nichtleitender Materialien, die thermisch verdampft werden müssen, eingesetzt
werden.
-
Zur
plasmagestützten
Beschichtung von Substraten sind nach dem Stand der Technik verschiedene
Verfahren und Einrichtungen bekannt. Die Verdampfung des jeweiligen
Verdampfungsmaterials kann dabei sowohl von der Katode wie von der
Anode erfolgen.
-
Bei
den anodisch verdampfenden Verfahren und Einrichtungen sind ebenfalls
verschiedene Ausführungen
bekannt geworden. In breitem Maße
eingeführt
sind dabei Niedervoltbogenverdampfer, bei denen eine Niedervoltbogenentladung
zwischen einer Katode, das kann sowohl eine Glühkatode wie eine Hohlkatode
sein, und einer Anode gezündet wird.
Die Anode besitzt dabei in der Regel einen gekühlten, selbst nichtverdampfenden
Tiegel zur Aufnahme des Materials, welches verdampft werden soll.
Verfahrensbedingt sind solche Anordnungen für die Verdampfung elektrisch
leitender Materialien besonders geeignet.
-
Die
DE 34 13 891 C2 beschreibt
ein Verfahren, bei dem zwischen der Katode und der Anode eine Vakuumbogenentladung
gezündet
wird, wobei die auf der Oberfläche
der Katode in den Katodenflecken gebildeten Elektronen, die Anode
verdampfen und die Vakuumbogenentladung im Wesentlichen durch das
verdampfte Anodenmaterial als Brennmedium aufrechterhalten wird.
Das Verfahren arbeitet bei relativ niedrigen Drücken innerhalb der Beschichtungskammer.
-
Die
DE 40 26 494 A1 beschreibt
eine Vorrichtung zur Materialverdampfung mittels Vakuumlichtbogenverdampfung,
wobei eine Langzeitmaterialverdampfung für die industrielle Anwendung
ermöglicht werden
soll. Einer Kathode steht eine Anode gegenüber. Dabei besteht die Anode
aus einem kühlbaren Anodenträger, an
dem eine Anodenbasisplatte befestigt ist. An der Anodenbasisplatte
ist ein Behälter aus
einem elektrisch leitfähigen,
hochschmelzenden Material zu Aufnahme des Verdampfungsgutes befestigt.
-
In
IEEE Transactions on Plasma Science 18(1990)6, 859-903 (H. Ehrich
et al) werden ähnliche Anordnungen
dargestellt, bei denen an einer massiven Anode horizontal ausgerichtete
geeignete Halterungen vorgesehenen sind, die zur Aufnahme des Verdampfungsmaterials
dienen.
-
In
den beiden vorerwähnten
Beispielen ist die Anode (Anodenbasisplatte) jeweils das anodische
Tragteil für
einen Träger
des Verdampfungsmaterials.
-
Neben
diesen an der Anode verdampfenden Einrichtungen bzw. Verfahren,
sind auch verschiedene Verfahren und Einrichtungen bekannt, die
mittels eines Vakuumlichtbogens das katodisch angeordnete Material
verdampfen.
-
Die
Verfahren und Einrichtung nach dem Stand der Technik sind überwiegend
sehr spezifisch auf die zu verdampfenden Materialien ausgerüstet und
können
oft nur elektrisch leitendes Material verdampfen. Für vielfältige Beschichtungsaufgaben
sind derartige Einrichtungen zu unflexibel und durch ihre hohe Spezialisierung
sehr aufwendig.
-
Die
Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Einrichtung zur plasmagestützten Verdampfung
zu schaffen, mit der bei relativ geringem technischen Aufwand beliebige
Materialien mittels Elektronenbeschuß verdampft werden können.
-
Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe mit einer Einrichtung gelöst, die mit der Anode einer
Stromquelle verbunden ist, einen Grundkörper und mindestens einen thermischen
Verdampfer aufweist, wobei der thermische Verdampfer mit geringem
thermischen und elektrischen Kontakt auf einer ebenen Fläche des
Grundkörpers
angeordnet und die ebene Fläche
dem Plasma zugewandt ist und die dem Plasma zugewandte ebene Fläche erheblich
größer ist als
die größte Querschnittsfläche des
thermischen Verdampfers. Dabei wird, wie in den Ausführungsbeispielen
konkret dargelegt ist, als "erheblich
größer" ein Wert von mindestens
dem Zehnfachen verstanden.
-
Bei
einer Einrichtung für
hohe Verdampfungsraten sind Bogenentladungsplasmen mit hoher Energiedichte
besonders geeignet; solche Plasmen können auf verschiedene Weise
erzeugt werden. Gleichermaßen
geeignet sind Vakuumlichtbögen oder
Niedervoltbögen,
letztere sowohl mit einer Hohlkatode wie mit einer Glühkatode.
Erfindungswesentlich ist, daß die
Bogenentladung zwischen einer Katode und einer relativ großen ebenen
Fläche
des Grundkörpers
der erfindungsgemäßen Einrichtung brennt,
oder durch eine separate Stromquelle zusätzlich gegen die große ebene
Fläche
des Grundkörpers getrieben
wird. Der thermische Verdampfer ist nur mit geringem thermischen
und elektrischen Kontakt auf der ebenen Fläche des Grundkörpers angeordnet,
im einfachsten Fall steht er auf dieser, kann in einfachen Bohrungen
einen Stabilisierungshalt haben oder auch an geeigneten Vorrichtungen
an der ebenen Fläche
des Grundkörpers
eingehangen werden.
-
Überraschenderweise
wurde gefunden, daß bereits
nach kurzer Zeit der thermische Verdampfer, der sich innerhalb des
Elektronenstroms zur ebenen Fläche
des Grundkörpers
befindet, erwärmt
wird und sich der Elektronenstrom aus der Bogenentladung zunehmend
auf den Verdampfer konzentriert. In der Folge wird der thermische
Verdampfer mit dem darin befindlichen Verdampfungsmaterial intensiv
aufgeheizt und das zu verdampfende Material wird zügig eingeschmolzen.
Nach dem Einsetzen der Verdampfung fokussiert die Dampfwolke, die
den Verdampfer nun umgibt, den Elektronenstrom nahezu vollständig auf
das Verdampfungsgut.
-
Falls
erforderlich kann der Strom gegen den Grundkörper kurz nach dem Einsetzen
der Verdampfung auf verhältnismäßig geringe
Werte abgesenkt werden, d. h. die Verdampfungsrate kann in einfacher Weise über diesen
Strom reguliert werden. Der Verdampfungsprozeß ist selbststabilisierend,
d. h. die Verdampfung erfordert keine besonderen äußeren Steuerungsmaßnahmen
für das
Aufheizen, Abschalten usw. Das zu verdampfende Material kann jeweils restlos
aus dem thermischen Verdampfer verdampft werden.
-
Der
thermische Verdampfer kann sowohl ein Verdampferwendel wie ein Verdampferschiffchen sein.
Er ist keinerlei mechanischen Spannungen durch die Einspannung desselben
ausgesetzt und weist dadurch eine hohe Lebensdauer auf.
-
Die
starke Konzentration der Bogenentladung auf den thermischen Verdampfer
führt zu
einer hohen Ionisierung des Dampfstromes des zu verdampfenden Materials
und in der Folge zu vorteilhaften plasmagestützten Schichtabscheidungen.
-
Die
ebene Fläche
des Grundkörpers
kann in vorteilhafter Weise an die geometrischen Bedingungen innerhalb
der Beschichtungskammer und insbesondere an die Substratlage angepaßt werden.
Sie kann rund oder vieleckig sein, je nachdem an welcher geometrischen
Stelle die thermischen Verdampfer in Bezug auf die Substratlage
vorteilhaft auf der ebenen Fläche
positioniert werden sollen.
-
Die
Zahl der thermischen Verdampfer richtet sich dabei ausschließlich nach
den technologischen Erfordernissen. Die Einrichtung kann sowohl
nur einen einzigen thermischen Verdampfer aufweisen wie auch eine
Vielzahl von derartigen Verdampfern. Bei der Anordnung von mehreren
thermischen Verdampfern konzentriert regelmäßig ein Verdampfer den Elektronenstrom auf
sich. Das ist nicht von Nachteil, denn sobald der jeweils aktive
Verdampfer leergedampft ist, also kein Verdampfungsmaterial mehr aufweist,
wird der nächste
Verdampfer selbstregulierend aktiviert und in der Folge verdampft
das in ihm enthaltene Verdampfungsmaterial. Dieser Effekt kann derart
ausgenutzt werden, daß einzelne
Verdampfer mit Blenden abgedeckt werden, die erst dann entfernt
werden, wenn es der technologisch bedingte Verfahrensablauf erfordert.
-
Die
Erfindung soll nachfolgend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
-
Die
zugehörigen
Zeichnungen zeigen das Beispiel I in den 1 bis 3 und
das Beispiel II in 4. Im einzelnen zeigen
-
1 eine
erfindungsgemäße Einrichtung mit
einer Verdampferwendel als thermischen Verdampfer,
-
1a ein
Verdampferschiffchen als Variante für den thermischen Verdampfer
nach 1,
-
2 den
thermischen Verdampfer nach 1 in einer
Beschichtungskammer, in der das Arbeitsplasma mittels einer Hohlkatodenbogenentladung
erzeugt wird,
-
3 den
thermischen Verdampfer nach 1 in einer
Beschichtungskammer in der das Arbeitsplasma mittels einer Vakuumlichtbogenentladung
erzeugt wird und
-
4 eine
erfindungsgemäße Einrichtung mit
mehreren Verdampferwendeln als thermischen Verdampfer.
-
Beispiel I
-
1 zeigt
eine vorteilhafte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Einrichtung.
Sie besteht aus einem flachen rotationssymetrischen Grundkörper 1,
auf dessen ebener Fläche 2 ein
thermischer Verdampfer aufgestellt ist. Als thermischer Verdampfer
ist eine Verdampferwendel 3 eingesetzt. Die tatsächlichen
Maße des
Grundkörpers 1 und
des Verdampferwendels 3 können in der Praxis variieren. Wie
aus 1 entnommen werden kann, ist die Grundfläche des
Grundkörpers 1 erheblich,
d.h. um mindestens das Zehnfache größer als der größte Querschnitt
des Verdampferwendels 3.
-
In
gleicher Weise kann auch ein Verdampferschiffchen 4 zum
Einsatz kommen, wie es beispielsweise in 1a dargestellt
ist. In jedem Fall müssen die
Füße 6 und 7 der
Verdampferwendel 3 bzw. die Füße 8 und 9 des
Verdampferschiffchens 4 derart geformt sein, daß der mit
einem Verdampfungsmaterial 10 beladene thermische Verdampfer
einen sicheren Stand auf der Fläche 2 des
Grundkörpers 1 hat.
Obwohl beim Betrieb des thermischen Verdampfers, also während der
Verdampfung, ein relativ hoher Strom, gewöhnlich größer 50 A, über die Verdampferwendel 3 bzw.
das Verdampferschiffchen 4 zum Grundkörper 1 fließt, sind
keine besonderen elektrischen Kontaktierungen erforderlich. Die
Berührungspunkte 11 und 12 sollten
lediglich metallisch blank sein. Vorteilhafterweise ist der Grundkörper 1 mit
einem Bolzen 13 mechanisch fest verbunden, der zugleich
die Kühlwasserzu-
und abführung 14 und
die Stromzuführung übernimmt.
Der Bolzen 13 ist mit dem positiven Pol einer Stromquelle 15 elektrisch verbunden.
-
Die
Anordnung nach 1 wird am Boden einer Vakuumbeschichtungskammer 19 montiert
wie sie in 2 und 3 dargestellt
ist. Der Bolzen 13 ist zugleich als Vakuumdurchführung ausgebildet. Der
untere Teil des Grundkörpers 1 ist
mit einem Isolator 16, z. B. aus Keramik, abgedeckt. Er
kann auch einfach mit einer Isolationsschicht beschichtet sein. Damit
werden unerwünschte
Entladungseffekte an dieser Fläche
vermieden.
-
In 2 ist
die erfindungsgemäße Einrichtung
nach 1 in eine schematisch dargestellte Vakuumbeschichtungskammer 19 eingebaut.
Das Arbeitsplasma wird mittels einer Hohlkatodenbogenentladung mittels
der Hohlkatode 17 erzeugt. Eine Stromquelle 18 treibt
den Plasmastrom der Hohlkatodenbogenentladung. Die Wand der Vakuumbeschichtungskammer 19 ist
als Anode der Hohlkatodenbogenentladung geschaltet. Die zu beschichtenden
Substrate sind auf einem Substratträger 20 angeordnet,
der sich vorteilhafterweise oberhalb der erfindungsgemäßen Einrichtung
mit dem thermischen Verdampfer, im Beispiel eine Verdampferwendel 3, bewegt.
Die Verdampferwendel 3 ist mit 2 g Aluminium beladen.
-
Zur
Verdampfung wird zu Beginn nur ein Bogenentladungsplasma unter Nutzung
der Stromquelle 18 erzeugt und aufrechterhalten. Das Plasma
bewirkt eine vorteilhafte Vorbehandlung der Oberflächen der
Substrate auf dem Substratträger 20.
Danach wird die Stromquelle 15 zugeschaltet, wobei die Stromquelle
den Bogenstrom auf konstant 100 A regelt. Nun kann man beobachten,
wie sich die Verdampferwendel 3 allmählich aufheizt, das Aluminium als
Verdampfungsgut einschmilzt, die Verdampferwendel 3 benetzt
wird und schließlich
das Aluminium zügig
verdampft. Nachdem das Aluminium aufgezehrt ist, bricht der Dampfstrom
rasch ab und der thermische Verdampfer geht in einen rot- bis hellrot glühenden Zustand über. Die
Stromquelle 15 ist nun abzuschalten, auch die Bogenentladung
kann durch Abschalten der Stromquelle 18 beendet werden.
Die Substrate weisen nach der Verdampfung eine dünne Al-Reflexionsschicht auf.
-
Da
die Verdampferwendel 3 des thermische Verdampfers nicht
fest eingespannt ist, treten keine mechanischen Spannungen beim
Aufheizen und Abkühlen
auf. Daraus resultiert letztlich eine vergleichbar höhere Lebensdauer
gegenüber
einer Verdampferwendel, die durch Stromdurchgang widerstandsbeheizt
wird und in einer Halteeinrichtung eingespannt ist.
-
Ein überraschendes
Ergebnis ist auch, daß trotz
einer fehlenden festen Kontaktierung des thermischen Verdampfers
zum Grundkörper 1 keine
Verschleißerscheinungen
an den Berührungspunkten 11 und 12 beobachtet
wurden.
-
Weiter
konnte beobachtet werden, daß das Verdampfungsmaterial,
insbesondere bei Aluminium in Wolframwendeln, nahezu rückstandslos
abdampft.
-
3 zeigt
die erfindungsgemäße Einrichtung
nach 1 in einer zu 2 äquivalenten
Vakuumbeschichtungskammer 19, wobei das Arbeitsplasma von
einem Vakuumlichtbogen bereitgestellt wird. Eine Stromquelle 21 treibt
den Plasmastrom der Vakuumlichtbogenentladung. Dabei ist die Wand
der Vakuumbeschichtungskammer 19 als Anode geschaltet.
Als Katode ist ein Target 22 eingesetzt. Die Substrate
sind auf einem Substrathalter 23 vorteilhafterweise zwischen
dem Target 22 und dem thermischen Verdampfer angeordnet.
-
Wenn
die Vakuumlichtbogenentladung nur für die Plasmabehandlung der
Substratoberflächen erforderlich
ist, so wird die Bogenentladung nur mit einem kleinen Strom zwischen
60 und 80 A betrieben. Der Ablauf der Beschichtung erfolgt in äquivalenter
Weise der Hohlkatodenbogenentladung wie es zu 2 bereits
beschrieben wurde. Darüber
hinaus kann aber auch das Target 22 als Verdampfer zur
Beschichtung beitragen (Mischschichten) oder in anderer vorteilhafter
Weise in den Verfahrensablauf eingebunden werden.
-
Beispiel II
-
4 zeigt
eine Ausführungsform,
bei der die erfindungsgemäße Einrichtung
einen Grundkörper 25 aufweist,
welcher als ein langer flacher Quader ausgeführt ist. So können mehrere
thermische Verdampfer, z. B. Wolframwendel 26, auf die
ebene Fläche 27 des
Grundkörpers 25 gestellt
werden. Diese Ausführungsform
ist besonders für
lange horizontale Vakuumbeschichtungskammern, wie sie z. B. für die Beschichtung
von Reflektoren mit Aluminium-Reflexionsschichten eingesetzt werden,
geeignet. Ähnlich
wie im Beispiel I erläutert
wurde, ist die Grundfläche
des Grundkörpers 25 erheblich,
d.h. um mindestens das Zehnfache, größer als der größte Querschnitt
aller Wolframwendel 26 zusammen.
-
Der
Ablauf einer Beschichtung erfolgt entsprechend Beispiel I. Bemerkenswert
ist bei diesem Beispiel, daß jeweils
unkontrolliert bevorzugt ein Verdampferwendel 26 zuerst
den Elektronenstrom auf sich zieht. Erst wenn dieses weitgehend
leergedampft ist, folgen nacheinander die anderen Verdampferwendel 26.
Eine Beeinträchtigung
der Qualität
der Beschichtung tritt dabei nicht ein.