DE19546827A1 - Einrichtung zur Erzeugung dichter Plasmen in Vakuumprozessen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung dichter Plasmen in Vakuumprozessen mittels Hohlkatodenentladung zur Plasmaaktivierung reaktiver oder nichtreaktiver Beschich­ tungsprozesse, insbesondere zum Beschichten bandförmiger Substrate, wie z. B. mit Alumi­ niumoxid bedampfte Kunststoffolien, die als Verpackungsmaterial verwendet werden. Die Einrichtung ist auch in analoger Weise für Plasma-Ätzprozesse einsetzbar.

Es ist allgemein bekannt, daß die Verwendung von plasmaaktivierten und ionisierten Mate­ rialdämpfen bei der Beschichtung von Substraten aus der Dampfphase eine deutliche Ver­ besserung vieler Schichteigenschaften mit sich bringt. Die Haftfestigkeit auf dem Substrat wird verbessert, die Schichten wachsen mit größerer Materialdichte auf und die Struktur der aufwachsenden Schicht geht von einer stengeligen Struktur zu zunehmend feineren bis hin zu stengelfreien und dichten Strukturen über. Damit können verbesserte optische, mechani­ sche und elektrische Eigenschaften erzielt werden. Die reaktive Prozeßführung mit bestimm­ ten Materialien wird durch die Plasmaaktivierung verbessert oder sogar erst ermöglicht. Der Hochratebedampfungsprozeß ist typischerweise mit einer hohen Teilchendichte des Dampfes verbunden, so daß die Verwendung eines Plasmas mit einer hohen Ladungsträ­ gerdichte vorteilhaft ist.

Es ist bekannt, daß im Niederdruckbereich zwischen 10^-2 Pa-1 Pa sehr dichte Plasmen mit einer Hohlkatodenentladung erzeugt werden können. Die Elektronen des Hohlkatodenent­ ladungsplasmas unterteilen sich in thermische Elektronen und in Elektronen mit höherer Energie, die sogenannten Strahlelektronen, die den niederenergetischen Elektronenstrahl bilden. In einer Vakuumkammer sind ein Verdampfertiegel und oberhalb des Verdampfertie­ gels das zu beschichtende Substrat angeordnet. Eine Hohlkatode ist an einer Seitenwand der Vakuumkammer angeordnet. Der Verdampfertiegel dient als Anode und ist mit der Hohlka­ tode über eine Stromversorgung verbunden. An der Hohlkatode und dem Verdampfertiegel angeordnete Magneteinrichtungen erzeugen zwischen beiden Elektroden ein magnetisches Führungsfeld. Der Verdampfertiegel wird dabei von der Hohlkatodenentladung, im wesentli­ chen vom niederenergetischen Elektronenstrahl, aufgeheizt (US 3,562,141).

Es ist weiterhin bekannt, daß bei sonst gleichem Aufbau für die reaktive Verdampfung von Materialien zusätzlich ein Gaseinlaß für das Reaktivgas in der Vakuumkammer angeordnet ist (Rother/Vetter; Plasmabeschichtungsverfahren und Hartstoffschichten; Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig; 1992). Der schmelzflüssige metallische Tiegelinhalt nimmt dabei ebenfalls die Anodenfunktion wahr, indem er als Anode geschaltet wird.

Ein wesentlicher Nachteil dieser Verfahren besteht darin, daß der Verdampfungsprozeß die erforderliche Verdampfungsenergie aus der Hohlkatodenentladung bezieht. Die Verdamp­ fung und die Plasmaaktivierung sind beide an die Hohlkatodenentladung gebunden und miteinander verflochten. Daher können Verdampfung und Plasmaaktivierung nur in gerin­ gem Maße unabhängig voneinander eingestellt werden.

Werden elektrisch nicht leitfähige Materialien verdampft, steht die Tiegeloberfläche als An­ ode prinzipiell nicht zur Verfügung, d. h. eine zusätzliche Elektrode, die als Anode wirkt, muß in der Einrichtung vorgesehen werden. Diese wird üblicherweise der Hohlkatode gegen über­ liegend angeordnet, so daß sich der Verdampfertiegel zwischen beiden Elektroden befindet. Der Nachteil dabei ist, daß die Materialien auf der Anode kondensieren und sie mit elektrisch nicht leitfähigen Schichten bedecken. Dadurch wird die Funktionsweise als Anode gestört, und es kommt zu Instabilitäten bei der Plasmaaktivierung, die die Qualität der auf dem Substrat abzuscheidenden Schicht verschlechtert.

Zur Beseitigung dieser Nachteile ist es bekannt, die Anode auf so hohe Temperaturen zu erhitzen, daß eine ständige Rückverdampfung der sich auf der Anode niederschlagenden Teilchen stattfindet (DE 42 35 199). Die Plasmaentladungsstrecke, d. h. der Bereich zwischen den beiden Elektroden, ist dabei integrierter Bestandteil einer Hochrateverdampfungseinrich­ tung. Die Anode aus hochschmelzendem Material wird bei passiver Heizung durch die Wär­ me des Anodenfalles und die Energie der auftreffenden Elektronen, insbesondere die höher­ energetischen Strahlelektronen, so hoch aufgeheizt, daß eine Rückverdampfung des kon­ densierenden, elektrisch nicht leitfähigen Oxids stattfindet.

Ein Nachteil dieser Einrichtung besteht darin, daß durch die außerordentlich hohen Ver­ dampfungstemperaturen von Oxiden und die große räumliche Trennung von Hohlkatode und Anode nur ein begrenzter Flächenbereich der Anode, üblicherweise ein Fleck von eini­ gen Quadratzentimetern Fläche, metallisch sauber und damit elektrisch leitfähig gehalten werden kann, während die restliche Fläche der Anode mit kondensierten Schichten bedeckt ist. Da der Entladungsbogen der Hohlkatodenentladung sich zwangsläufig auf diesen Fleck konzentriert, erfolgt eine Einschnürung des Hohlkatodenbogens, was zu einer stark lokali­ sierten, räumlich ungleichmäßigen Plasmaaktivierung führt.

Es ist bekannt, eine Niedervoltbogenquelle zur Plasmaaktivierung für die reaktive Beschich­ tung von Substraten mit elektrisch isolierenden Schichten einzusetzen (DE 44 25 221 C1). Dazu ist vor einer Hohlkatode eine ringförmige Anode angeordnet, wobei der Innendurch­ messer der Anode ein Vielfaches des Hohlkatodendurchmessers beträgt. Um die ringförmige Anode vor der direkten Beschichtung mit elektrisch isolierenden Schichten zu schützen, sind die Hohlkatode und die ringförmige Anode in einer Einhausung angeordnet. Zusätzlich ist in dieser Einhausung eine Inertgaszuführung angeordnet, die in der Einhausung einen leichten Überdruck gegenüber der Vakuumkammer erzeugt. Damit wird das Eindringen von ver­ dampftem Material, welches zu isolierenden Schichten auf der ringförmigen Anode konden­ siert, verhindert oder zumindest stark reduziert. Ein notwendiges Merkmal dieser Anordnung ist, daß mindestens zum Zünden der Niedervoltbogenentladung eine zusätzliche vollflächige Anode, in diesem Fall das metallisch blanke Target neben der ringförmigen Anode, in den Entladungsstromkreis eingebracht wird. Desweiteren ist es bei dieser Einrichtung erforderlich, noch eine Blende, welche ebenfalls elektrisch beschaltet ist, zur Verbesserung des Zündver­ haltens anzuordnen.

Der wesentliche Nachteil besteht darin, daß die Hohlkatodenentladung mit der ringförmigen Anode nicht allein gezündet werden kann. Das führt dazu, daß viele apparative Maßnahmen - wie Einhausung, Blende und Inertgaszuführung - und elektrische Maßnahmen - wie Zu­ satzanodenschaltung und Blendenbeschaltung - notwendig sind, um einen stabilen Prozeß betreiben zu können. Ein weiterer Nachteil ist das zusätzlich in die Einhausung eingebrachte Inertgas zur Erzeugung eines Überdruckes. Dieses führt zu einer Erhöhung des Prozeßvaku­ umdrucks und erschwert damit die Abscheidung dicht strukturierter Schichten, d. h. der er­ höhte Druck führt zum verstärkten Einbau von Hohlräumen in der Schicht und zur Ausbil­ dung stengeliger Schichtstrukturen. Zudem verliert der mit der Hohlkatodenentladung er­ zeugte niederenergetische Elektronenstrahl bereits in der unter erhöhtem Druck stehenden Einhausung durch die starke Streuung an den Inertgasteilchen an Energie. Desweiteren sind die erforderlichen elektrischen Beschaltungen des Verdampfertiegels und der Blende als zu­ sätzliche Zündelektroden kompliziert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Erzeugung dichter Plasmen in Vakuumprozessen, insbesondere für die Plasmaaktivierung bei der reaktiven und nichtre­ aktiven Vakuumbeschichtung, zu schaffen. Diese Einrichtung soll geeignet sein, übliche An­ lagen zur Vakuumbeschichtung, die aus einem Verdampfer bestehen, über dem ein Substrat bewegt wird, und einer Hohlkatode, deren niederenergetischer Elektronenstrahl zwischen dem Verdampfer und dem Substrat eingeschossen wird, ein dichtes Plasma zu erzeugen. Dadurch sollen insbesondere auch elektrisch isolierende Schichten abgeschieden werden, wobei ein stabiler Betrieb über längere Zeit möglich sein soll. Der zusätzliche apparative Aufwand soll gering sein, und es sollen keine zusätzlichen Hilfseinrichtungen zum Zünden der Hohlkatodenentladung erforderlich sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 10 beschrieben.

Die erfindungsgemäße Einrichtung hat den Vorteil, daß mittels eines einfachen apparativen Aufbaus dichte Plasmen zur Plasmaaktivierung, z. B. bei Beschichtungsprozessen, erzeugt werden können. Dies wird u. a. durch eine spezielle geometrische Ausbildung einer Anode, welche in unmittelbarer Nähe einer Hohlkatode angeordnet ist und den von der Hohlkato­ denentladung erzeugten niederenergetischen Elektronenstrahl umgibt, sowie eine Ma­ gneteinrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes, dem magnetischen Führungsfeld, erreicht.

Maßgebend für die außerhalb der Hohlkatoden-Anoden-Anordnung stattfindende Plas­ maaktivierung ist ausschließlich der durch die Anode hindurchtretende niederenergetische Elektronenstrahl. Das zwischen der Hohlkatode und Anode angeordnete magnetische Füh­ rungsfeld mit einer zur Hohlkatoden-Anoden-Mittelachse parallel orientierten Feldlinienrich­ tung dient zur Führung des bei der Hohlkatodenentladung aus der Hohlkatode austretenden niederenergetischen Elektronenstrahles. Dieser niederenergetische Elektronenstrahl wird von dem magnetischen Führungsfeld erst durch die Öffnung der Anode geführt und dann weiter in den Dampfstrom, wo er durch seine ionisierende Wirkung in diesem Bereich der Dampf- und Gaspartikel ein dichtes Plasma erzeugt.

Durch die Ausgestaltung und Anordnung der den niederenergetischen Elektronenstrahl um­ gebenden Anode und des magnetischen Führungsfeldes wird ein bestimmter Anteil der aus der Hohlkatode austretenden Strahlelektronen direkt auf die Anode gelenkt. Eine wärmeiso­ lierte Aufhängung der Anode und deren Geometrie gewährleisten, daß sich keine wesentli­ chen Temperaturgradienten in der Anode ausbilden. Die Temperatur der Anode läßt sich über Änderungen des magnetischen Führungsfeldes in bestimmten Bereichen einstellen. Dadurch und durch den erhöht ausgebildeten Anodenfall ist die Anode soweit aufheizbar, daß elektrisch isolierendes Material, das sonst auf der Anode kondensieren würde, fortwäh­ rend und vollständig abgedampft werden. Die elektrische Leitfähigkeit der Anode bleibt be­ stehen, und es läßt sich ein stabiler Betrieb der Hohlkatodenentladung aufrechterhalten. Somit sind keine zusätzlichen apparativen Maßnahmen zur Prozeßstabilisierung - wie z. B. Gasspülung der Anode, Einhausungen, Blenden usw. - notwendig. Besonders vorteilhaft ist ein kreisringförmiger Anodenquerschnitt.

Ein weiterer Vorteil ist die hohe Zündsicherheit. Durch die Einstellung der Stärke des Magnet­ feldes zu Beginn des Prozesses wird ein großer Anteil der Strahlelektronen auf die Anode geführt und ermöglicht so ein problemloses Zünden der Hohlkatodenentladung.

Die Betriebsspannung der Hohlkatodenentladung liegt ausschließlich an der Anode und der Hohlkatode an. Beim Betrieb des Entladungsprozesses werden keine weiteren elektrischen Potentiale, z. B. für zusätzliche Zündelektroden, benötigt.

Überraschenderweise zeichnen sich die mit der erfindungsgemäßen Einrichtung aufge­ dampften Schichten durch eine verbesserte Haftfestigkeit aus. Das ist mit der Energie der Strahlelektronen erklärbar, die wesentlich höher sein muß, als die Energie der mit vergleich­ baren Einrichtungen erzeugten Strahlelektronen.

Ein weiterer Vorteil besteht im einfachen Aufbau der Einrichtung, der auch einen nachträgli­ chen Einbau in bekannte Beschichtungsanlagen ermöglicht. Diese Hohlkatoden-Anoden- Anordnung ist nur von einer Seite an die Bedampfungszone zwischen Verdampfertiegel und Substrat anzufügen, um den Bedampfungsprozeß mit einer zusätzlichen Plasmaaktivierung zu unterstützen. Das ist vor allem bei der nachträglichen Ergänzung von Bedampfungsein­ richtungen mit einer Plasmaquelle von Bedeutung.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist die Anordnung einer Magneteinrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes, welches nach dem Hindurchtreten des niederenergeti­ schen Elektronenstrahls durch die Anode wirksam ist. Dadurch wird der niederenergetische Elektronenstrahl quer zu seiner Ausbreitungsrichtung abgelenkt, mit dem Ergebnis der fä­ cherförmigen Aufweitung des Plasmas, so daß eine größere Substratfläche homogen be­ schichtet wird. Voraussetzung dafür ist, daß das magnetische Wechselfeld eine ausreichend große Frequenz besitzt, damit der niederenergetische Elektronenstrahl diesen flächenmäßig vergrößerten Bereich des Dampfstromes gleichmäßig ionisieren kann.

Für große Substratbreiten ist es vorteilhaft, mehrere Hohlkatoden-Anoden-Anordnungen nebeneinander und senkrecht zur Substratbewegungsrichtung anzuordnen, wobei deren niederenergetische Elektronenstrahlen ebenfalls durch ein magnetisches Wechselfeld aufge­ fächert werden können. Dadurch läßt sich die Anzahl von Hohlkatoden-Anoden-Anord­ nungen, die für eine bestimmte Substratbreite mit homogener Beschichtung notwendig sind, reduzieren.

Besonders vorteilhaft ist es, Elektronenstrahl-Bedampfungsanlagen mit Magnetfalle mit der erfindungsgemäßen Einrichtung auszurüsten. Die an sich bekannte Magnetfalle besteht aus einem Magnetsystem mit je einem Polschuh zu beiden Seiten des Verdampfertiegels. Das durch die Magnetfalle erzeugte horizontale Magnetfeld zwischen Verdampfertiegel und Substrat dient der Verringerung der thermischen Belastung des Substrates, indem die vom Verdampfungsgut rückgestreuten Elektronen vom Substrat ferngehalten werden. Die Ein­ richtung mit Hohlkatode, Anode und Magneteinrichtung für das magnetische Führungsfeld ist dabei so angeordnet, daß sich an das magnetische Führungsfeld das Feld der Magnetfalle anschließt. Damit ist es möglich, den niederenergetischen Elektronenstrahl der Hohlkato­ denentladung weiter zu führen und damit den Bereich der Plasmaaktivierung zu vergrößern.

Es ist auch möglich, bei einer solchen Anlage auf eine zusätzliche Magneteinrichtung zu ver­ zichten, weil das erforderliche magnetische Führungsfeld in diesem Fall von der Magnetfalle erzeugt wird.

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Die zugehörigen Zeich­ nungen zeigen in:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Bedampfungseinrichtung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Bedampfungseinrichtung mit Magnetfalle und einer Ma­ gneteinrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Bedampfungseinrichtung für die Beschichtung von ebe­ nen Substraten mit Al_xO_y. In einer Vakuumkammer 1 ist ein Verdampfertiegel 2 mit Alumini­ um 3 angeordnet, welches mit einem Elektronenstrahl verdampft wird. Über dem Verdamp­ fertiegel 2 ist das zu beschichtende Substrat 4 angeordnet. Die Gaseinlässe 5 für das Reak­ tivgas Sauerstoff befinden sich neben dem Verdampfertiegel 2. Zwischen Verdampfertiegel 2 und Substrat 4 ist seitlich versetzt eine Hohlkatode 6 angeordnet. Von der Öffnung der Hohlkatode 6 ist in einem Abstand von 10 mm eine als Kreisring ausgebildete Anode 7 mit einem Innendurchmesser d von 25 mm, einer Wandstärke s von 15 mm und einer Länge l von 15 mm angeordnet. Die Hohlkatode 6 und die Anode 7 sind mit einer Stromversorgung 8 verbunden. Eine ein magnetisches Führungsfeld 9 erzeugende Magneteinrichtung 10 um­ gibt die Hohlkatode 6. Die Feldstärke des magnetischen Führungsfeldes beträgt 1 kA/m. Bei dieser Feldstärke werden bereits Strahlelektronen 11 eines niederenergetischen Elektronen­ strahls 12, der von einer Hohlkatodenentladung erzeugt wird, zur Anode 7 beschleunigt. Der Hauptanteil der Strahlelektronen 11 des niederenergetischen Elektronenstrahls 12 wird vom magnetischen Führungsfeld 9 durch die Anode 7 in den Dampfstrom 13 geführt. Die Strahlelektronen 1 1 des niederenergetischen Elektronenstrahls 12 ionisieren durch Stoßpro­ zesse die Gas- und Dampfteilchen 14 und erzeugen so in einem Bereich 15 ein dichtes Plas­ ma. Durch diese Stoßprozesse vermindert sich die Energie der Strahlelektronen 11, so daß sie ihre Vorzugsbewegungsrichtung verlieren.

Diese nun thermischen (abgebremsten) Elektronen 16 bewegen sich zur Anode 7 und füh­ ren zu deren Aufheizung, gemeinsam mit den Strahlelektronen 11, welche gleich nach Ver­ lassen der Hohlkatode 6 zur Anode 7 beschleunigt werden. Die Anode 7 wird soweit aufge­ heizt, daß fortwährend das auf der Anode 7 kondensierende Oxid abdampft.

Fig. 2 zeigt eine Bedampfungseinrichtung gemäß Fig. 1 mit einer bekannten Magnetfalle 17. Zu beiden Seiten des Verdampfertiegels 2 sind Polschuhe 18 der Magnetfalle 17 angeord­ net. Die Hohlkatode 6, die Anode 7 und die das magnetische Führungsfeld 9 erzeugende Magneteinrichtung 10 sind so angeordnet, daß sich an das magnetische Führungsfeld 9 das Magnetfeld 19 der Magnetfalle 17 anschließt. Nach der Anode 7 ist in Richtung Verdamp­ fertiegel 2 eine weitere Magneteinrichtung 20 angeordnet. Während des Betriebes der Be­ dampfungseinrichtung wird von der Magneteinrichtung 20 ein magnetisches Wechselfeld 21 mit einer Feldstärke von 1 kA/m und einer Frequenz von 200 Hz erzeugt, mit dem der niede­ renergetische Elektronenstrahl 12 quer zu seiner Ausbreitungsrichtung abgelenkt wird, um einen größeren Bereich des Dampfstromes zu ionisieren.

Claims (10)

1. Einrichtung zur Erzeugung dichter Plasmen in Vakuumprozessen, bestehend aus einem Verdampfertiegel, einer zwischen diesem und einem darüber feststehenden oder be­ wegten Substrat angeordneten Hohlkatode, die einen niederenergetischen Elektronen­ strahl erzeugt, aus einer vor der Hohlkatode angeordneten, den niederenergetischen Elektronenstrahl umschließenden Anode und der zugehörigen Stromversorgungsein­ richtung, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Hohlkatode (6) und Anode (7) ei­ ne Magneteinrichtung (10) derart angeordnet ist, daß das von ihr erzeugte magneti­ sche Führungsfeld (9) in Richtung der Längsachse Hohlkatode (6) - Anode (7) wirksam ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magneteinrichtung (10) die Hohlkatode (6) vollständig oder teilweise umgebend angeordnet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (7) als Kreisring ausgebildet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (7) einen Innendurchmesser d zwischen 10 mm und 40 mm besitzt und daß das Verhältnis der Wandstärke s zur Länge l der Anode (7) zwischen 2 zu 1 und 1 zu 2 ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (7) aus einem hochschmelzenden, elektrisch leitfähigen Material besteht.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetein­ richtung (10) so ausgebildet ist, daß die Feldstärke des magnetischen Führungsfeldes (9) im Bereich der Anode (7) 1 kA/m bis 10 kA/m, vorzugsweise 2 kA/m bis 5 kA/m, beträgt.

7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Verdampfer­ tiegel (2) eine Magnetfalle (17) derart angeordnet ist, daß deren Magnetfeld das ma­ gnetische Führungsfeld (9) ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Anode (7) in Richtung Verdampfertiegel (2) eine Magneteinrichtung (20) derart ausgebildet und angeordnet ist, daß das von ihr erzeugte magnetische Wechselfeld (21) zur Ab­ lenkung des niederenergetischen Elektronenstrahls (12) senkrecht zur Hohlkatoden- Anoden-Mittelachse wirksam ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Magneteinrichtung (20) so ausgebildet ist, daß die Feldstärke des magnetischen Wechselfeldes (21) 0,5 kA/m bis 5 kA/m, vorzugsweise 1 kA/m, und die Frequenz 50 Hz bis 1000 Hz, vor­ zugsweise 200 Hz bis 500 Hz, beträgt.

10. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß für das Bedamp­ fen breiter Substrate (4) mehrere Hohlkatoden-Anoden-Anordnungen senkrecht zur Substratbewegungsrichtung nebeneinander angeordnet sind.