DD146626A1 - DEVICE FOR ION-BASED COATING, LAYERING AND IONENETS - Google Patents
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Abstract
Die Vorrichtung zum ionengestuetzten Beschichten, Schichteinbringen und Ionenaetzen ist anwendbar in der Mikroelektronik, der Optoelektronik und Optik sowie zur Oberflaechenverguetung fuer den Korrosionsschutz und zur Verschleiszminderung. Ziele der Erfindung sind, die effektivere Nutzung des Rezipientenvolumens und die Verbesserung der Schichtdickenhomogenitaet sowie die Innenbeschichtung und Aetzung von Hohlzylindern und Prismen zu ermoeglichen. Die Aufgabe besteht in der Entwicklung einer koaxialen Vorrichtung, mit deren Hilfe ausgeleitete Teilchenstroeme teilweise ionisiert, auf vorgegebene Energien beschleunigt und auf groszen Substratflaechen abgeschieden werden koennen oder Ionenstrahlen definierter Energie erzeugt werden. Die erfindungsgemaesze Vorrichtung wird dadurch gekennzeichnet, dasz ein von Substrathaltern umgebenes Ionisierungs- und Beschleunigungssystem durch eine in der Systemachse befindliche rohrfoermige Anode, deren Mantelflaeche Bohrungen fuer den Gas- und/oder Dampfeinlasz aufweist, und in nachfolgens genannter Reihenfolge eine die Anode auf der ganzen Laenge umgebende zylinderspulenfoermige direkt geheizte Gluehkatode, eine Emissions- und/oder Beschleunigungselektrode vorzugsweise hoher Transparenz gebildet und durch zwei stirnseitig das Elektrodensystem teilweise oder vollstaendig ueberdeckende scheibenfoermige Abschirmelektroden abgegrenzt wird.The device for ion-supported coating, layer introduction and ion etching is applicable in microelectronics, optoelectronics and optics, as well as for surface protection for corrosion protection and wear reduction. The objectives of the invention are to enable the more effective use of the recipient volume and the improvement of the layer thickness homogeneity as well as the internal coating and etching of hollow cylinders and prisms. The task is to develop a coaxial device, with the help of which derived particle currents can be partially ionized, accelerated to predetermined energies and deposited on large substrate surfaces or ion beams of defined energy are generated. The device according to the invention is characterized in that a ionization and acceleration system surrounded by substrate holders is provided by a tubular anode in the system axis, the peripheral surface of which has bores for the gas and / or vapor inlet, and in the sequence named hereafter the anode over the entire length surrounding cylinderspulenfoermige directly heated Gluehkatode, an emission and / or acceleration electrode preferably high transparency formed and delimited by two frontally the electrode system partially or completely overlapping scheibenfoermige shielding electrodes.
Description
Vorrichtung zum ionengestützten Beschichten, Schichteinbringen und lonenätzenDevice for ion-supported coating, layering and ion etching
Anwendungsgebiete der ErfindungFields of application of the invention
Die Erfindung ist anwendbar in Gebieten der Technik, die den Einsatz von Schichten mit spezifischen Eigenschaften auf Festkörperoberflächen bzw« eine Materialabtragung von Schicht- oder Festkörperoberflächen durch Ionenätzung benötigen»The invention is applicable in fields of technology which require the use of layers having specific properties on solid surfaces or "material removal of layer or solid surfaces by ion etching".
Die Schichten können beispielsweise in der Mikroelektronik, der Optoelektronik und Optik oder zur Oberflächenvergütung, für den Korrosionsschutz und zur Verschleißminderung verwendet werden· Weiterhin ist die Vorrichtung über ihren Einsatz zur Erzeugung definierter Ätzstrukturen in der Mila?o- und Optoelektronik hinausgehend, auch für eine dem Beschichten oder Schichteinbringen vorausgehende Substratvorbehandlung und zur Erzeugung kleb- und beschichtungsfähiger Oberflächen auf unpolaren Plastwerkstoffen wie ze B* Pol^tetrafluoräthylen anwendbar·The layers can be used, for example, in microelectronics, optoelectronics and optics or for surface treatment, for corrosion protection and for reducing wear. Furthermore, the device goes beyond its use for producing defined etching structures in the field of optoelectronics and electronics, even for a coating or layer incorporating preliminary substrate pretreatment and generating tack and coatable surfaces on non-polar plastic materials such e Pol B * ^ tetrafluoroethylene applicable ·
Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions
Zum ionengestützten Beschichten von Festkörperoberflächen sowie zur Schichteinbringung und Ionenätzung Sind bereits Vorrichtungen bekannt« Dazu gehören Beschichtungsvorrichtungen, welche die Vorspannungsplasmazerstäubung, das Ionenplattieren, die Ionenstrahlserstäubung und die Ionenstrahl-Devices are Already Known for Ion Assisted Coating of Solid Surfaces, and for Coating and Ion Etching. These include coating devices that include bias plasma sputtering, ion plating, ion beam sputtering, and ion beam sputtering.
ablagerung durchzuführen gestatten· Durch geeignete Wahl der Betriebsbedingungen sind diese Vorrichtungen auch zur Schichteinbringung und Ionenätzung einsetzbar·By appropriate choice of operating conditions, these devices can also be used for layer deposition and ion etching.
Vorrichtungen zur Vorspannungsplasmazerstäubung (US-PS 3*021·271) bestehen aus einer mit dem zu zerstäubenden Material bedeckten Targethalterung, der geerdeten Targetabschirmung und der Substrathalterung· In dieser Anordnung wird in bekannter Weise eine Hochfrequenz- oder Gleichspannungsentladung aufrechterhalten, wobei die Substrathalterung bzw« das Substrat gegenüber dem Plasmapotential negativ vorgespannt wirdo Dadurch erfolgt die Beschichtung in Verbindung mit einem ständigen Bombardement energiereicher Ionen des Arbeitsgases und des abgestäubten Targetmaterials· Eine Durchführung von Ionenätzungen ist in jeder Plasmazerstäubungsvorrichtung möglich, wenn die zu ätzende Oberfläche als Target eingesetzt wird· Im Vergleich zu den nachfolgend beschriebenen bekannten Vorrichtungen auf der Grundlage des Ionenplattierungsverfahrens ist die bei der Vorspannungsplasmazerstäubung erreichbare Beschichtungsgeschwindigkeit gering· Plasmazerstäubungsvorrichtungen sind sowohl in planarer als auch in koaxialer Anordnung bekannt, arbeiten bei relativ hohen Drücken von 1 bis 10*" Pa und weisen auf Grund des Entladungsmechanismus eine große Energiestreuung der das Target oder Substrat bombardierenden Ionen auf· In der koaxialen Variante können derartige Vorrichtungen auch zur Beschichtung und Ätzung der Innenflächen von Hohlzylindern oder Hohlprismen eingesetzt werden·Devices for bias plasma sputtering (US Pat. No. 3,221,271) consist of a target holder covered with the material to be sputtered, the grounded target shield and the substrate holder. In this arrangement, a high frequency or DC discharge is maintained in a known manner, the substrate holder or substrate holder being As a result, the coating is carried out in conjunction with a constant bombardment of high-energy ions of the working gas and the sputtered target material. It is possible to carry out ion etching in each plasma sputtering apparatus if the surface to be etched is used as the target In the known devices described below based on the ion plating method, the coating speed achievable in the bias plasma sputtering is small. Plasma sputtering devices are both i n planar as well as in a coaxial arrangement known, work at relatively high pressures of 1 to 10 * "Pa and have due to the discharge mechanism, a large energy dispersion of the bombarding the target or substrate ions · In the coaxial variant such devices can also be used for coating and Etching of the inner surfaces of hollow cylinders or hollow prisms are used ·
Ionenstrahlablagerungs- und Itzvorrichtungen arbeiten im Hochvakuum bei Drücken K. 10" Pa und bestehen aus einer Ionenquelle und der Substrathalterung· Bei der Ionenstrahlablagerung (DS-OS 2*113,375) wird das abzulagernde Material in einer Ionenquelle ionisiert und als Ionenstrahl mit Energien von 30 eV bis 100 eV auf das Substrat gerichtet, wo die Schichtbildung' stattfindet·Ionenstrahlablagerungs- and Itzvorrichtungen work in a high vacuum at pressures K. 10 "Pa and consist of an ion source and the substrate holder · In the ion beam deposition (DS-OS 2 * 113.375) The material to be deposited is ionized in an ion source and an ion beam with an energy of 30 eV up to 100 eV directed to the substrate where the layer formation takes place ·
j . .j. ,
Bei der Ionenstrahlätzung hingegen wird das zu ätzende Pestkörpermaterial als Substrat eingesetzt und mit einem Ionenstrahl"höherer Energie abgetragen«.In ion beam etching, on the other hand, the material to be etched is used as a substrate and removed with an ion beam of "higher energy".
Vorrichtungen zur ioneninduzierten Ionenstrahlzerstäubungsablagerung (DD-WP 130*157) bestehen aus zwei Ionenquellon, der Targethalterung und der Substrathalterung. Mit Hilfe eines lonenstrahles wird das Target zerstäubt, und die dabei auf dem Substrat aufwachsende Schicht wird mit dem zweiten Ionenstrahl bombardiert· Bei allen ionenstrahlanlegen ist die Energiestreuung der gerichteten Ionenstrahlen gering und das Beschichten oder Ätzen kann unter Hochvakuumbedingungen erfolgen· Die planare Anordnung der Substrate erlaubt allerdings ohne komplizierte Substratbewegung oder den aufwendigen Einsatz mehrerer lonenstrahleinheiten nur die Beschichtung bzw* Ätzung von relativ kleinen Flächen, was bisher den effektiven Einsatz dieser Anlagen im industriellen Maßstab verhinderte· Eine Beschichtung oder Ätzung der Innenflächen von Hohlkörpern ist nicht möglich·Devices for ion-induced ion beam sputtering deposition (DD-WP 130 * 157) consist of two ion sources, the target holder and the substrate holder. With the help of an ion beam, the target is atomized, and the growing on the substrate layer is bombarded with the second ion beam · In all ion beam application, the energy scattering of the directed ion beams is low and the coating or etching can be carried out under high vacuum conditions · The planar arrangement of the substrates allowed however, without complicated substrate movement or the complicated use of several ion beam units, only the coating or etching of relatively small areas, which hitherto prevented the effective use of these installations on an industrial scale. A coating or etching of the inner surfaces of hollow bodies is not possible.
lonenplattierungsvorrichtungen (DE-AS 1·521·561) bestehen aus der planaren Anordnung einer Dampfquelle bzw· einer Gas- oder Dampfzuführung, der Ionisierungsvorrichtung und der Substrathalterung· In der Ionisierungsvorrichtung wird der eingeleitete dampf- oder gasförmige Teilchenstrom durch Elektronenstoßionisation teilweise ionisiert· Durch Anlegen einer negativen Vorspannung an die Substrathalterung werden die Ionen auf das Substrat beschleunigt, wo sie gemeinsam mit dem auftreffenden Neutralteilchenstrom zur Schichtbildung beitragen· Ein effektiver Einsatz der Ionenp^attierungsvorrichtungen unter Hochvakuumbedingungen ist im allgemeinen nicht möglich·Ion plating devices (DE-AS 1 · 521 · 561) consist of the planar arrangement of a vapor source or a gas or vapor supply, the ionization device and the substrate holder. In the ionization device, the vapor or gaseous particle stream introduced is partially ionized by electron impact ionization With a negative bias to the substrate support, the ions are accelerated onto the substrate where they contribute to film formation along with the impinging neutral particle stream. · Efficient use of the ion sequestration devices under high vacuum conditions is generally not possible.
Eine weitere planare, den lonenplattierungsvorrichtungen ähnliche, Vorrichtung zur Schicht.abscheidung Q)D-W 124*859) besteht aus einem'ionisierungssjystem mit transparenten Elektroden, die in der Reihenfolge Refle-Another planar apparatus for layer deposition Q) DW 124 * 859, similar to the ion plating apparatus, consists of an ionization system with transparent electrodes arranged in the order of reflection.
-+- 21595- + - 21595
xionselektrode, Glühkatode, Anode und Elektronenspiegelelektrode angeordnet sind· Über der Spiegelelektrode befindet sich die· gegenüber dem Ionisierungssystem auf negativem Potential liegende Substrathalterung· Die Vorrichtung kann auch bei Drücken < 10"* Pa betrieben werden·The substrate holder is located above the mirror electrode at a negative potential with respect to the ionization system. The apparatus can also be operated at pressures <10 "Pa.
Auf Grund der planaren Anordnung beträgt die dickenhomogen beschichtbare bzw*- ätzbare Substratfläche bei den Ionenplattierungsvorrichtungen meist nur einen Bruchteil der Querschnittsfläche der VakuumbeSchichtungskammer· Zur gleichmäßigen Beschichtung oder Ätzung der inneren Mantelflächen von Hohlkörpern sind die bekannten Vorrichtungen nicht geeignet·Due to the planar arrangement, the thickness-homogenously coatable or etchable substrate surface in the ion plating devices is usually only a fraction of the cross-sectional area of the vacuum coating chamber. The prior art devices are not suitable for uniform coating or etching of the inner lateral surfaces of hollow bodies.
Ziel der ErfindungObject of the invention
Das Ziel der Erfindung ist es, in-einer neuartigen Vorrichtung zur ionengestütsten Beschichtung, Schichteinbringung und Ionenätzung durch effektivere Nutzung des Rezipientenvolumens die Substratfläche zu vergrößern, die Schichtdicken· und Ätztiefenhomogenität zu verbessern, die Innenbeschichtung und Ätzung von Hohlzylindern und Prismen zu ermöglichen und insbesondere die produktive Abscheidung harter Kohlenetoff schichten mit diamantähnlicheη Eigenschaften zu gewährleisten*The object of the invention is to increase the substrate area in a novel apparatus for ion-deposited coating, layer deposition and ion etching by more effective utilization of the recipient volume, improve the layer thickness and etch depth homogeneity, enable the inner coating and etching of hollow cylinders and prisms, and in particular the ensure productive deposition of hard carbon layers with diamond-like properties *
Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention
Die technische Aufgabe der Erfindung besteht in der Entwicklung einer koaxialen Vorrichtung, deren nutzbare Substratfläche gegenüber den bekannten planaren Vorrichtungen wesentlich größer ist« Aufgabe der Erfindung ist weiterhin, eingeleitete Teilchenströme teilweise zu ionisieren, auf vorgegebene Energien zu beschleunigen und auf den Oberflächen verschiedenster Festkörpermaterialien abzuscheiden oder die Erzeugung von lonenstrahlen definierter Energie zu ermöglichen·The technical object of the invention is the development of a coaxial device, the usable substrate area compared to the known planar devices is substantially larger. The object of the invention is further to partially ionize introduced particle flows, accelerate to predetermined energies and deposit on the surfaces of various solid state materials or to enable the generation of ion beams of defined energy
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Mängel der bisher bekannten technischen Lösungen haben ihre Ursache, soweit es die Anwendung der Vorspannungsplasmazerstäubung in der planaren oder koaxialen Ausführungsvariante betrifft, in der relativ geringen Beschichtungsrate, die bei vorgegebener Ionenstromäichte und Energie durch die Zerstäubungsrate des Targetmaterials festgelegt wird· Ein weiterer Nachteil begründet sich im hohen Arbeitsdruck von > 1O"1 Pa,Defects of the hitherto known technical solutions have their cause, as far as the application of bias plasma sputtering in the planar or coaxial embodiment variant is concerned, in the relatively low coating rate which is determined for given ion current density and energy by the sputtering rate of the target material high working pressure of> 10 " 1 Pa,
Gemeinsame Mangel aller bekannten Ionenstrablvorrichtungen sind auf deren vorwiegend planare Geometrie des Ionenextraktions- und Beschleunigungssystems zurückzuführen und begründen sich hinsichtlich ihrer Anwendung zur Beschichtung, Schichteinbringung und Ionenätzung in der geringen dicken- oder tiefenhomogen beschichtbaren bzw» ätabaren Fläche, die oft weniger als 60 % der Querschnittsfläche des lonenstrahls beträgt· Eine Vergrößerung der nutzbaren Substratfläche ist nur durch relativ große Vakuumkammern oder durch aufwendige mechanische Bewegungen der Substrathalterung möglich· Der Beschichtungsrate sind ebenfalls die bei der Vorspannungszerstäubung erwähnten physikalischen Grenzen gesetzt« Die Ionenplattierung gestattet hingegen auf Grund der erzielbaren hohen Toilchenstromdichte die Realisierung hoher Aufwachsraten» Bezüglich der Substratfläche sind die bekannten lonenplattierungsvorrichtungen mit planerer Elektrodenanordnung ähnlichen Grenzen unterworfen wie die Ionensträtzvorrichtung· Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Innenflächen von Hohlzylindern oder Hohlprismen weder homogen beschichtet noch geätzt werden können·Common deficiencies of all known ion beam devices are due to their predominantly planar geometry of the ion extraction and acceleration system and are due to their application to coating, layer deposition and ion etching in the small thickness or depth homogeneously coatable or ätabaren surface, often less than 60 % of the cross-sectional area The ion beam can be increased only by using relatively large vacuum chambers or by complex mechanical movements of the substrate support. The coating rate is also set by the physical limits mentioned in the pre-stress atomization. On the other hand, ion plating permits high realization due to the achievable high heat flux density Growth rates »Regarding the substrate area, the known planar plating electrode type ion plating devices are subject to similar limits as The ion etching apparatus Another disadvantage is that the inner surfaces of hollow cylinders or hollow prisms can neither be homogeneously coated nor etched.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein von Substrathaltern umgebenes Ionisierungs- und Beschleunigungssystem durch eine in der Systemachse befindliche • rohrförmige Anode, deren Mantelfläche Bohrungen für den Gas- und/oder Dampfeinlaß aufweist, und in nachfolgend genannter Reihenfolge eine die Anode auf der ganzen Länge umgebende zylinderspulenförmige direkt geheizte Glühkatode,According to the invention, this object is achieved in that a surrounded by substrate holders ionization and acceleration system by a system axis located in the • tubular anode whose outer surface has holes for the gas and / or steam inlet, and in the following order one the anode on the whole Length surrounding cylindrical coil directly heated hot cathode,
-e- 21595 4-e- 21595 4
eine Emissions- und/oder eine Beschleunigungselektrode vorzugsweise hoher Transparenz gebildet und durch zwei stirnseitig das Elektrodens:/stern teilweise oder vollständig überdeckende scheibenförmige Abschirmelektroden abgegrenzt wird· Unter dem Begriff Transparenz soll das Verhältnis aus der Fläche der Elektrodenöffnungen und der Gesamtelektrodenfläche verstanden werden·an emission and / or an acceleration electrode, preferably of high transparency, is formed and delimited by two disc-shaped shielding electrodes that partially or completely cover the end of the electrode. The term transparency is understood to mean the ratio of the area of the electrode openings and the total electrode area.
Wird die Anode gegenüber der Elektronen emittierenden Glühkatode, den Abschirmelektroden und der Emissionselektrode positiv vorgespannt, kann bei geeigneter Anodenspannung und Einstellung eines ausreichenden Arbeitsdruckes in dieser Elektrodenanordnung eine unselbständige Entladung gezündet Und aufrechterhalten werden· Auf Grund der Geometrie des lonisierungsraumes bildet sich eine zylindrische Entladungssäule aus, die in axialer Richtung durch die Abschirmelektroden und in radialer Richtung durch die Emissionselektrode begrenzt wird· Durch Anlegen einer negativen Spannung an die Beschleunigungselektrode und die Sub strath alt ©rung, werden aus dem Ionisierungsraum in radialer Richtung positive Ionen extrahiert und beschleunigt· Auf diese V/eise wird ein von der gesamten z^lindermantelförmigen Fläche der Beschleunigungselektrode ausgehender Ionenstrom in Richtung auf die Substrathalterung erzeugt· Gegenüber einer Vorrichtung mit planarer Elektrodenanordnung 'und einem angenommenen Verhältnis Durchmesser zu Höhe von eins vergrößert sich-damit die lonenextraktionsfläche um den Faktor 4-· Der extrahierte Ionenstrom kann durch geeignete Wahl der lonenart und Energie zur Ionenätzung von Substraten oder zum ionengestützten Beschichten und Schichteinbringen genutzt werden· Bei Verwendung inerter oder reaktiver Arbeitsgase in Verbindung niit hohen Beschleunigungsspannungen von einigen keV kann eine Ionenätzung von Substratoberflächen oder eine Einbringung von Schichten in Festkörperoberflächen vorgenommen werden« Bei Verwendung niedriger BeschleunigungsspannungenIf the anode is positively biased with respect to the electron emitting thermionic cathode, the shielding electrodes and the emission electrode, a dependent discharge can be ignited and maintained in this electrode arrangement with a suitable anode voltage and a sufficient working pressure. A cylindrical discharge column is formed due to the geometry of the ionization space. By applying a negative voltage to the accelerating electrode and the substrate stratification, positive ions are extracted from the ionization space in the radial direction and accelerated. In fact, an ion current emanating from the entire cylindrical surface of the accelerating electrode is generated in the direction of the substrate holder. In contrast to a device with a planar electrode arrangement and an attached electrode The extracted ionic current can be used for ion etching of substrates or for ion-assisted coating and layering by suitable choice of ionic species and energy. When using inert or reactive working gases in With high acceleration voltages of a few keV, ion etching of substrate surfaces or incorporation of layers into solid surfaces can be performed. "Using low acceleration voltages
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in Verbindung mit einem Arbeitsgas, welches das Schichtmaterial enthält, treffen auf dem Substrat Ionen und der gaskinetische Strom des schichtbildenden Materials auf und führen zu einer ionengestützten Schichtablagerung·In combination with a working gas containing the layer material, ions and the gas kinetic current of the layer-forming material impinge on the substrate and lead to an ion-supported layer deposition.
In weiterer Ausführung der Erfindung ist im Ionisierungsraum ein vorzugsweise axial gerichtetes Magnetfeld vorhanden, welches zu einer Bahnverlängerung der Elektronen auf deren Weg von der Katode zur Anode führt· Bei konstantem Arbeitsdruck kann somit die Ionisierungsausbeute und damit die Plasmadichte erhöht oder bei gleichbleibendem Ionisierungsgrad der Arbeitsdruck verringert werden· Zur Erzeugung des Magnetfeldes ist es zweckmäßig, den Heizstrom der Glühkatode auszunutzen, ihre Stromzuführungen und/oder die Glühkatode selbst in der Form einer gestreckten Zylinderspule auszuführen, was zur Einsparung einer zusätzlichen Magnetspulenstromversorgung führt·In a further embodiment of the invention, a preferably axially directed magnetic field is present in the ionization space, which leads to a path extension of the electrons on their way from the cathode to the anode. At constant working pressure, the ionization yield and hence the plasma density can be increased or the working pressure can be reduced while the degree of ionization remains the same In order to generate the magnetic field, it is expedient to utilize the heating current of the thermal cathode, to carry out its current supply and / or the thermal cathode itself in the form of an elongated cylindrical coil, which leads to the saving of an additional magnetic coil power supply.
Zum Erreichen eines hohen Gaswirkungsgrades im Ionisierungssystem sowie zur Gewährleistung einer möglichst hohen Entladungsdichte wird vorgeschlagen, die in der Systemachse befindliche Anode für die Arbeitsgaszufuhr zu verwenden» Durch Bohrungen geeigneten Durchmessers in der als Rohr ausgebildeten Anode kann längs des gesamten Anodenrohres in radialer Richtung angenähert die gleiche Gas- oder Dampfeinströmrate erreicht werden· Dazu ist es notwendig, mit zunehmendem Abstand von den stirnseitigen Gas- oder Dampfzuführungsstellen die Anzahl der Bohrungen und/oder deren Durchmesser zu vergrößern«In order to achieve a high gas efficiency in the ionization system and to ensure the highest possible discharge density, it is proposed to use the anode located in the system axis for the working gas supply. Through bores of suitable diameter in the anode formed as a tube can approximately the same along the entire anode tube in the radial direction Gas or steam inflow rate can be achieved. · For this it is necessary to increase the number of holes and / or their diameters as the distance from the frontal gas or steam supply points increases «
Der Einsatz der vorgeschlagenen Vorrichtung als Ionenstrahleinheit zum Ionenstrahlätzen bzw« zum Schichteinbringen in Festkörperoberflächen, beispielsweise zur Ionenstrahlnitrierung oder Carburierung wird ermöglicht, wenn die Emissionselektrode und die Beschleunigungselektrode öffnungen gleicher Eorm aufweisen, die in radialer Richtung aufeinander justiert sind und die Transparenz dieser ·The use of the proposed device as an ion beam unit for ion beam etching or for layering in solid surfaces, for example for ion beam nitriding or carburization, is made possible if the emission electrode and the acceleration electrode have openings of the same shape which are aligned in the radial direction and the transparency of these
Elektroden soweit verringert wird, daß zwischen lonisierungsraum und dem Ort der Substrathalterüng ein Drückgefälle von wenigstens einer Größenordnung entsteht und im Rezipienten Drücke im Hochvakuumbereich vorherrschen. In ihrer einfachsten Form besteht die vorgeschlagene Vorrichtung nur aus der gegenüber der Katode und den Abschirmelektroden positiv vorgespannten Anode und der zur Ionenextraktion und Beschleunigung gegenüber der Katode Und den Abschirmelektroden negativ vorgespannten Substrathalterung. Mit dieser Anordnung kann unter Einbezug der Möglichkeit einer Bubstratvorbehandlung durch Ionenätzen eine effektive Schichtablagerung und Schichteinbringung durchgeführt werden*Is reduced to such an extent that between the ionization space and the location of Substrathalterüng a pressure gradient of at least one order of magnitude arises and prevail in the recipient pressures in the high vacuum range. In its simplest form, the proposed device consists only of the anode positively biased with respect to the cathode and the shielding electrodes and the substrate holder negatively biased for ion extraction and acceleration with respect to the cathode and the shielding electrodes. With this arrangement, including the possibility of bubble pretreatment by ion etching, effective layer deposition and layering can be performed *
Zur Hochratebeschichtung, zur Herstellung von Verbindungs- und Legierungsschichten oder zur Schichtdotierung werden erfinäungsgemäß im Ionisierungsraum eine oder mehrere Teilchenquellen, beispielsweise Verdampferquellen, angebracht, die einen Teilchenstrom erzeugen, der das schichtbildende Material bzw» eine oder mehrere Komponenten der zur Verbindungs- oder Legierungsbildung oder zur Schichtdotierung benötigten Materialien enthält· Durch den Einlaß von Gasen und/oder Dämpfen in das Ionisierungss^stern werden diese gemeinsam mit dem von der Teilchenquelle ausgehenden Materialstrom ,zumindest teilweise ionisiert und auf das Substrat beschleunigt, um dort zur Schichtbildung beizutragen·For high-rate coating, for the production of compound and alloy layers or for layer doping, one or more particle sources, for example evaporator sources, are mounted in the ionization space, which generate a particle stream containing the layer-forming material or one or more components of the compound or alloy formation or the By introducing gases and / or vapors into the ionizing star, these are at least partially ionized together with the material flow originating from the particle source and accelerated onto the substrate in order to contribute to layer formation.
Es wird weiterhin vorgeschlagen, daß die Glühkatode beim Betrieb der Vorrichtung mit reaktiven Gasen aus einem Material besteht, welches mit dem Reaktivgas eine flüchtige Verbindung eingeht! beispielsweise können bei Verwendung sauerstoffhaltiger Arbeitsgase Rheniumkatoden eingesetzt werden* .It is further proposed that the glow cathode during operation of the device with reactive gases of a material which enters into a volatile compound with the reactive gas! For example, rhenium cathodes can be used when using oxygen-containing working gases *.
In weiterer Ausführung der Erfindung wird vorgeschlagen, zum Zwecke der ionengestützten Beschichtung und Schichtein·In a further embodiment of the invention it is proposed, for the purpose of the ion-supported coating and layer
bringung sowie der Ionenätzung bei möglichst kleinen Säuerstoffpartialdrücken entweder die gesamten Abschirmelektroden oder wenigstens deren dem Ionisierungsraum zugewandte Seite aus Titan zu fertigen und diese Elektroden gegenüber der Katode auf ein negatives Potential zu legen, welches das Substratpotential nicht unterschreitet· Auf diese Weise kann eine Titanzerstäubung zwischen den beiden Abschirmelektroden erreicht werden, wodurch der bekannte Gettereffekt zur Wirkung kommt*either the entire shielding electrodes or at least their side facing the ionization space made of titanium and to lay these electrodes relative to the cathode to a negative potential which does not fall below the substrate potential · In this way, a titanium atomization between the Both shielding electrodes are achieved, whereby the well-known Gettereffekt comes into effect *
Beim Beschichten thermisch nicht beständiger Substratmaterialien werden zwischen den Elektronen emittierenden Bereichen der Katode und den Substrathaltern Strahlungsschirme angeordnet, die vorzugsweise Katodenpotential aufweisen© Zweckmäßig ist es, dafür die Emissionselektrode zu nutzen und deren Transparenz so zu gestalten, daß die Strahlung der Glühkatode nicht auf direktem Wege zum Substrat gelangt· Dabei muß allerdings eine Verringerung der Beschichtungsrate und der homogen beschichtbaren Substratfläche in Kauf genommen werden·When coating thermally unstable substrate materials radiation shields are arranged between the electron-emitting regions of the cathode and the substrate holders, preferably cathode potential © It is useful to use the emission electrode and make their transparency so that the radiation of the thermionic not directly However, a reduction of the coating rate and the homogeneously coatable substrate surface must be accepted.
Die Substrathalterungen sind drehbar ausgeführt, kühl- und heizbar und können je nach Beschaffenheit der Substrate einen kreisförmigen oder vieleckigen Querschnitt haben, im einfachsten Fall bestehen sie aus Platten, deren Vorder- und Rückseite mit Substraten belegt werden können« Die Beschichtung oder Ätzung der Innenflächen von Hohlzylindern oder Hohlkörpern beispielsweise der Innenflächen von Lagern oder Lagerschalen'.wird ermöglicht, wenn die Werkstücke einen größeren Innendurchmesser als die Ionisierungsvorrichtung haben, so daß sie diese umgeben und potentialmäßig als Substrat geschaltet werden können·The substrate holders are rotatable, coolable and heatable and, depending on the nature of the substrates, may have a circular or polygonal cross-section, in the simplest case consist of plates whose front and rear surfaces can be coated with substrates Hollow cylinders or hollow bodies, for example, of the inner surfaces of bearings or bearing shells, are made possible when the workpieces have a larger inner diameter than the ionization device, so that they can be surrounded and connected in a potential-like manner as a substrate.
Zur effektiven ionengestützten Beschichtung, Schichtein- · bringung und Ätzung isolierender Substrate werden auf den Substrathaltern oder in deren unmittelbarer Nähe Mittel zur Elektronenkompensation angebracht, oder an die Substrathalterungen wird eine hochfrequente Wechselspannung angelegt«For effective ion-supported coating, layer deposition and etching of insulating substrates, means for electron compensation are applied to the substrate holders or in their immediate vicinity, or a high-frequency alternating voltage is applied to the substrate holders.
-ίο- 21 5954-ί- 21 5954
Ausführungsbeispiel .,.-·.Exemplary embodiment.
Nachfolgend wird die Erfindung an zwei AusfÜhrungsbeispielen erläutert*The invention will be explained below with reference to two exemplary embodiments.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigenIn the accompanying drawings show
Fig· 1 schematische Darstellung der Vorrichtungen imFig. 1 is a schematic representation of the devices in
Längsschnitt und Fig« 2 schematische Darstellung der Vorrichtung in der Draufsicht·Longitudinal section and Fig. 2 schematic representation of the device in plan view ·
Im ersten Ausführungsbeispiel, das sich auf die Abscheidung harter Kohlenstoffschichten bezieht, wird die durch Isolatormaterial 2 in den Abschirmelektroden 3 befestigte Anode 1 von 10 Windungen ^iner zylinderspulenförmigen Glühkatode 4 umgeben· Um dieses Ionisierungss^stem werden unter Wegfall der in Fig· 1 und Fig· 2 eingezeichneten Emissionselektrode 5 und Beschleunigungselektrode 6 die Substrathalter angeordnet« Die Anode 1 wird gegenüber der Glühkatode 4· und den Abschirmelektroden 3 positiv vorgespannt· Die Substrathalter 7 werden gegenüber der Glühkatode 4 und den Abschirmelektroden 3 negativ vorgespannt· Durch Einlaß von kohlenstoffhaltigen Gasen oder Dämpfen, beispielsweise von Benzoldampf, in die als Gaszuführung dienende Anode 1 kann bei Anodenspannungen von + 100 V bis + 300 V und Heizstromstärke der Glühkatode 4 von 30 A bis 50 A in diesem Ionisierungss^stem bei Drücken von 10 pa bis 10""·5 Pa eine Entladung gezündet und aufrechterhalten werden· Werden die Substrathalterungen 7 auf - 150 Y bis - 3000 V vorgespannt, wachsen auf den Substraten harte diamantähnliche Kohlenstoffschichten mit Aufwachsraten von 20 nm/min bis 50 nm/min auf, wobei durch geeignete Wahl der negativen Substratvorspannung spezielle Schichteigenschaften erzielt werden können«In the first embodiment, which relates to the deposition of hard carbon layers, the anode 1 fixed by insulator material 2 in the shielding electrodes 3 is surrounded by 10 windings in a cylindrical coil filament 4 The anode 1 is positively biased to the thermionic cathode 4 and the shielding electrodes 3. The substrate holders 7 are biased negatively relative to the thermionic cathode 4 and the shielding electrodes 3 by the admission of carbonaceous gases or vapors , for example of benzene vapor, in the serving as a gas supply anode 1 can at anode voltages of + 100 V to + 300 V and Heizstromstärke the Glühkatode 4 of 30 A to 50 A in this Ionisierungss ^ stem at pressures of 10 pa to 10 "" x 5 Pa ignited a discharge and maintained · Who By biasing the substrate holders 7 to -150 Y to -3000 V, hard diamond-like carbon layers grow at the substrates with growth rates of 20 nm / min to 50 nm / min, whereby specific layer properties can be achieved by suitable selection of the negative substrate bias.
Die Haftfestigkeit der Schichten kann erhöht werden durch Ionenätzen der Substrate vor der Beschichtung« Dafür kommen inerte Arbeitsgase, vorzugsweise Krypton und Xenon, zum Einsatz« Nach einer vorgegebenen Ätzze.it bei Beschleuni-The adhesive strength of the layers can be increased by ion etching of the substrates before the coating "inert inert gases, preferably krypton and xenon, are used for this purpose." After a predetermined etching time at acceleration
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gungsspannungen bis zu - 3000 V an den Substrathaltern 7 erfolgt dann ein kontinuierlicher Übergang vom Ionenätzen zum ionengestützten Beschichten, was durch kontinuierlichen Arbeitsgaswechsel in Verbindung mit einer Verringerung der Beschleunigungsspannung erfolgt»At a voltage of up to -3000 V at the substrate holders 7, a continuous transition from ion etching to ion-assisted coating takes place, which is achieved by continuous change of working gas in conjunction with a reduction in the acceleration voltage.
Im zweiten Ausführungsbeispiel, das sich auf die Anwendung der Vorrichtung zum lonenstrahlätzen von Festkörperoberflächen bezieht, wird die Anode 1 von einer zylinderspülenförmigen Glühkatode 4 umgeben· Die Emissionselektrode 5 ist gasdicht mit den Abschirmelektroden 3 verbunden und wird von der Beschleunigungselektrode 6 umfaßt, um diese wiederum werden die Substrathalter 7 angeordnet· Die Transparenz der Emissionselektrode 5 und der Beschleunigungselektrode 6 wird so gewählt, daß eine Druckstufe entsteht und der Druck im Ionisierungsraum wenigstens eine Größenordnung über dem im Substratraum liegt* Die Transparenz von Emissionselektrode 5 und Beschleunigungselektrode 6 ergibt sich ausschließlich aus öffnungen in diesen Elektroden, welche in radialer Richtung aufeinander justiert sind· Durch den Einlaß inerter Gase, z· B« Argon, in das Ionisierungssystem kann bei geheizter Glühkatode und Anodenspannung von beispielsweise +5OV bis + 300 V in dieser Anordnung eine Edelgasentladung aufrechterhalten werden· Zur Ionenextraktion und Beschleunigung werden die Beschleunigungselektrode 6 und die auf gleichem Potential liegenden Substrathalter 7 gegenüber der Glühkatode 4, der Emissionselektrode 5 und don Abschirmelektroden 31 <3ie alle auf gleichem Potential liegen, negativ vorgespannt·In the second embodiment, which relates to the application of the device for ion beam etching of solid surfaces, the anode 1 is surrounded by a cylindrical rinsing cathode 4. The emission electrode 5 is connected in a gastight manner to the shielding electrodes 3 and is encompassed by the acceleration electrode 6, in turn The transparency of the emission electrode 5 and the acceleration electrode 6 is selected such that a pressure stage is formed and the pressure in the ionization space is at least an order of magnitude greater than that in the substrate space. The transparency of emission electrode 5 and acceleration electrode 6 results exclusively from openings in These electrodes, which are adjusted to each other in the radial direction. By introducing inert gases, for example argon, into the ionization system, in the case of a heated glow cathode and anode voltage of, for example, + 5OV to + 300 V in this arrangement Noble ion discharge are maintained · For ion extraction and acceleration, the acceleration electrode 6 and the substrate holder 7 lying at the same potential are negatively biased relative to the thermionic cathode 4, the emission electrode 5 and the shielding electrodes 31 <3ie, all of which are at the same potential.
Auf diese Weise kann je nach Transparenz der Emissionselektrode 5 und der Beschleunigungselektrode 6 bei Beschleunigungsspannungen von - 200 V bis - 5000 V auf die Substrathalter ein koaxialer Ionenstrahl mit lonenstrom-In this way, depending on the transparency of the emission electrode 5 and the acceleration electrode 6 at acceleration voltages of - 200 V to - 5000 V on the substrate holder a coaxial ion beam with ion current
2 * dichten bis zu 2 mA/cm extrahiert werdeno 2 * densities can be extracted up to 2 mA / cm o
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DD21595479A DD146626A1 (en) | 1979-10-02 | 1979-10-02 | DEVICE FOR ION-BASED COATING, LAYERING AND IONENETS |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DD21595479A DD146626A1 (en) | 1979-10-02 | 1979-10-02 | DEVICE FOR ION-BASED COATING, LAYERING AND IONENETS |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DD146626A1 true DD146626A1 (en) | 1981-02-18 |
Family
ID=5520399
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DD21595479A DD146626A1 (en) | 1979-10-02 | 1979-10-02 | DEVICE FOR ION-BASED COATING, LAYERING AND IONENETS |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DD (1) | DD146626A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4422407A (en) * | 1980-09-17 | 1983-12-27 | Compagnie Industrille Des Telecommunications Cit-Alcatel | Apparatus for chemically activated deposition in a plasma |
-
1979
- 1979-10-02 DD DD21595479A patent/DD146626A1/en unknown
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4422407A (en) * | 1980-09-17 | 1983-12-27 | Compagnie Industrille Des Telecommunications Cit-Alcatel | Apparatus for chemically activated deposition in a plasma |
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