DE19546827C2

DE19546827C2 - Device for generating dense plasmas in vacuum processes

Info

Publication number: DE19546827C2
Application number: DE1995146827
Authority: DE
Inventors: Henry Morgner; Manfred Dr Neumann; Steffen Straach
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1995-12-15
Filing date: 1995-12-15
Publication date: 1999-03-25
Anticipated expiration: 2015-12-16
Also published as: DE19546827A1

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.The invention relates to a device for generating dense plasmas in vacuum processes using hollow cathode discharge for plasma activation of reactive or non-reactive coating tion processes, in particular for coating strip-shaped substrates, such as. B. with alumi Nium oxide vapor-coated plastic films that are used as packaging material. The The device can also be used in an analogous manner for plasma etching processes.

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.It is well known that the use of plasma activated and ionized mate vials when coating substrates from the vapor phase a clear ver improvement of many layer properties. The adhesive strength on the substrate is improved, the layers grow with greater material density and the structure of the growing layer goes from a stalky structure to increasingly finer to to stem-free and dense structures. This allows improved optical, mechani electrical and electrical properties can be achieved. The reactive process management with determ Materials are improved or even made possible by plasma activation. The high rate deposition process is typically with a high particle density Vapor connected so that the use of a plasma with a high charge ger density is advantageous.

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).It is known that in the low pressure range between 10 ^-2 Pa-1 Pa very dense plasmas can be generated with a hollow cathode discharge. The electrons of the hollow cathode discharge plasma are divided into thermal electrons and electrons with higher energy, the so-called beam electrons, which form the low-energy electron beam. An evaporator crucible and the substrate to be coated are arranged above the evaporator gel in a vacuum chamber. A hollow cathode is arranged on a side wall of the vacuum chamber. The evaporator crucible serves as an anode and is connected to the hollow cathode via a power supply. Magnetic devices arranged on the hollow cathode and the evaporator crucible generate a magnetic guiding field between the two electrodes. The evaporator crucible is heated by the hollow cathode discharge, essentially by the low-energy electron beam (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.It is also known that with otherwise the same structure for the reactive evaporation of Materials additionally a gas inlet for the reactive gas is arranged in the vacuum chamber (Rother / Vetter; plasma coating process and hard material layers; German publisher for Basic industry, Leipzig; 1992). The molten metal crucible content increases the anode function is also true by being switched as an anode.

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.A major disadvantage of these methods is that the evaporation process required vaporization energy from the hollow cathode discharge. The evaporator and the plasma activation are both bound to the hollow cathode discharge and intertwined. Therefore, evaporation and plasma activation can only occur in low levels can be set independently of each other.

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 gegenüber 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.If electrically non-conductive materials are evaporated, the crucible surface is considered to be on ode not available in principle, d. H. an additional electrode, which acts as an anode, must be provided in the facility. This is usually opposite the hollow cathode arranged horizontally so that the evaporator crucible is located between the two electrodes. The disadvantage of this is that the materials condense on the anode and electrically cover non-conductive layers. This interferes with the functioning of the anode, and there are instabilities in the plasma activation that affect the quality of the on the Substrate to be deposited layer deteriorated.

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.To eliminate these disadvantages, it is known to raise the anode to such high temperatures heat that a constant re-evaporation of the precipitating on the anode Particle takes place (DE 42 35 199). The plasma discharge path, i.e. H. the area between the two electrodes, is an integral part of a high-rate evaporation device tung. With passive heating, the anode made of high-melting material is replaced by the heat me of the anode drop and the energy of the impinging electrons, especially the higher ones energetic beam electrons, heated so high that re-evaporation of the con densifying, electrically non-conductive oxide takes place.

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 lokalisierten, räumlich ungleichmäßigen Plasmaaktivierung führt.A disadvantage of this device is that the extremely high Ver vaporization temperatures of oxides and the large spatial separation of hollow cathode and anode only a limited area of the anode, usually a spot of one square centimeters of area, kept clean and therefore electrically conductive can be covered while the remaining surface of the anode is covered with condensed layers is. Since the discharge arc of the hollow cathode discharge inevitably affects this spot concentrated, the hollow cathode arch is constricted, which leads to a strongly localized spatially uneven plasma activation leads.

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.It is known to use a low-voltage arc source for plasma activation for reactive coating use of substrates with electrically insulating layers (DE 44 25 221 C1). For this purpose, an annular anode is arranged in front of a hollow cathode, with the inside through the anode is a multiple of the hollow cathode diameter. To the ring-shaped Protect the anode from direct coating with electrically insulating layers the hollow cathode and the ring-shaped anode are arranged in one housing. In addition, in this housing an inert gas supply arranged, which is a slight in the housing Generated overpressure in relation to the vacuum chamber. This will prevent ver vaporized material, which could be isolated layers on the annular anode siert, prevented or at least greatly reduced. A necessary feature of this arrangement is that at least to ignite the low-voltage arc discharge an additional full area Anode, in this case the bare metal target next to the ring-shaped anode, in which Discharge circuit is introduced. Furthermore, this facility requires another aperture, which is also electrically connected, to improve the Zündver keep ordering.

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.The main disadvantage is that the hollow cathode discharge with the annular Anode cannot be ignited alone. This leads to many equipment measures - such as housing, aperture and inert gas supply - and electrical measures - such as Zu set anode circuit and aperture circuitry - are necessary to a stable process to be able to operate. Another disadvantage is that it is also brought into the housing Inert gas to generate an overpressure. This leads to an increase in the process vacuum overprinting and thus complicates the deposition of densely structured layers, d. H. the he High pressure leads to the increased incorporation of voids in the layer and to training stiff layer structures. In addition, he loses with the hollow cathode discharge generated low-energy electron beam already in the pressurized Enclosure due to the strong scatter on the inert gas particles of energy. Furthermore are the required electrical wiring of the evaporator crucible and the aperture as too additional ignition electrodes complicated.

Es ist weiterhin eine Einrichtung zur Vakuumbedampfung unter Verwendung einer Hohlkatode, einem wassergekühltem Kupfertiegel und einer Einrichtung zum Ablenken des Plasmastrahls bekannt. (DE 32 22 327) Diese Hohlkatode ist seitlich in einem definierten Abstand vom Tiegel so angeordnet, daß der auf den Kupfertiegel gelenkte Plasmastrahl eine maximale Länge von 20 cm aufweist. Weiterhin ist der Raum über der Hohlkatode durch eine Abdeckkammer begrenzt, die eine für den Durchtritt des Plasmastrahls vorgesehene Öffnung mit geringem Durchmesser aufweist. Der Kupfertiegel ist von einer Magnetfeldspule umgeben, die ein Magnetfeld hoher Konzentration und eine kontinuierliche Regelung des Schmelzfleckdurchmessers erreicht.It is also a device for vacuum evaporation using a hollow cathode, a water-cooled copper crucible and a device for deflecting the plasma jet known. (DE 32 22 327) This hollow cathode is laterally at a defined distance from the crucible arranged so that the plasma jet directed onto the copper crucible has a maximum length of 20 cm. Furthermore, the space above the hollow cathode is limited by a cover chamber, the one provided for the passage of the plasma jet with a small diameter having. The copper crucible is surrounded by a magnetic field coil, which has a higher magnetic field Concentration and continuous control of the melt spot diameter achieved.

Diese bekannte Einrichtung ermöglicht zwar eine Fokussierung des Plasmastrahls auf dem Tiegel zur verbesserten Verdampfung des Materials, jedoch ist das Plasma selbst nicht aktivier- oder beeinflußbar, um beispielsweise den Beschichtungsprozeß gezielt beeinflussen und dadurch die Schichtbildung verbessern zu können.This known device allows the plasma beam to be focused on the crucible for improved evaporation of the material, but the plasma itself is not activated or can be influenced, for example to influence the coating process in a targeted manner and thereby the To be able to improve layer formation.

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.The invention has for its object a device for generating dense plasmas in vacuum processes, especially for plasma activation in the reactive and non-reactive active vacuum coating. This facility is said to be suitable for usual lay for vacuum coating, which consist of an evaporator, over which a substrate is moved, and a hollow cathode, the low-energy electron beam between the evaporator and the substrate is shot to generate a dense plasma. In particular, this should also be used to deposit electrically insulating layers, stable operation should be possible over a long period of time. The additional equipment Effort should be low and there should be no additional auxiliary devices for ignition the hollow cathode discharge may be required.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 10 beschrieben.According to the invention the object is achieved according to the features of claim 1. Further refinements are described in claims 2 to 10.

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, als Führungsfeld zur Führung des niederenergetischen Elektronenstrahls erreicht.The device according to the invention has the advantage that by means of a simple apparatus Building dense plasmas for plasma activation, e.g. B. in coating processes can be. This will u. a. due to a special geometric design of an anode, which is located in the immediate vicinity of a hollow cathode and that of the hollow cathode surrounds the discharge generated low-energy electron beam, and a Ma gnet device for generating a magnetic field, as a guiding field for guiding of the low-energy electron beam is reached.

Maßgebend für die außerhalb der Hohlkatoden-Anoden-Anordnung stattfindende Plasmaak tivierung ist ausschließlich der durch die Anode hindurchtretende niederenergetische Elek tronenstrahl. Das zwischen der Hohlkatode und Anode angeordnete magnetische Feld mit einer zur Hohlkatoden-Anoden-Mittelachse parallel orientierten Feldlinienrichtung dient zur Führung des bei der Hohlkatodenentladung aus der Hohlkatode austretenden niederenerge tischen Elektronenstrahles. Dieser niederenergetische Elektronenstrahl wird von dem magne tischen Feld 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.Decisive for the Plasmaak taking place outside the hollow cathode-anode arrangement Activation is exclusively the low-energy electr ray beam. The magnetic field between the hollow cathode and anode with a field line direction oriented parallel to the hollow cathode-anode central axis serves for Guiding of the low energy emerging from the hollow cathode during the hollow cathode discharge table electron beam. This low-energy electron beam is generated by the magne table field first through the opening of the anode and then further into the steam flow, where it is due to its ionizing effect in this area of the vapor and gas particles creates dense plasma.

Durch die Ausgestaltung und Anordnung der den niederenergetischen Elektronenstrahl um gebenden Anode und des magnetischen Feldes wird ein bestimmter Anteil der aus der Hohlkatode austretenden Strahlelektronen direkt auf die Anode gelenkt. Eine wärmeisolierte Aufhängung der Anode und deren Geometrie gewährleisten, daß sich keine wesentlichen Temperaturgradienten in der Anode ausbilden. Die Temperatur der Anode läßt sich über Änderungen des magnetischen Feldes 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, fortwährend und voll ständig abgedampft wird. Die elektrische Leitfähigkeit der Anode bleibt bestehen, 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 kreisringför miger Anodenquerschnitt.Due to the design and arrangement of the low-energy electron beam giving anode and the magnetic field is a certain proportion of the Hollow cathode emerging beam electrons directed directly to the anode. A heat insulated Suspension of the anode and its geometry ensure that no essential Form temperature gradients in the anode. The temperature of the anode can be over Set changes in the magnetic field in certain areas. Thereby and due to the increased anode case, the anode can be heated to the extent that it is electrical insulating material that would otherwise condense on the anode, continuously and fully is constantly evaporated. The electrical conductivity of the anode remains, and so does it stable operation of the hollow cathode discharge can be maintained. So there are none additional equipment measures for process stabilization - such. B. Gas purging Anode, housings, screens, etc. - necessary. A circular ring is particularly advantageous moderate anode cross-section.

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.Another advantage is the high level of ignition security. By adjusting the strength of the magnet At the beginning of the process, a large proportion of the beam electrons are applied to the anode guided and thus enables easy ignition of the hollow cathode discharge.

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.The operating voltage of the hollow cathode discharge is exclusively at the anode and Hollow cathode. When operating the discharge process, no further electrical Potentials, e.g. B. for additional ignition electrodes.

Überraschenderweise zeichnen sich die mit der erfindungsgemäßen Einrichtung aufgedampf ten Schichten durch eine verbesserte Haftfestigkeit aus. Das ist mit der Energie der Strahle lektronen erklärbar, die wesentlich höher sein muß, als die Energie der mit vergleichbaren Einrichtungen erzeugten Strahlelektronen.Surprisingly, the vapor deposited with the device according to the invention layers due to improved adhesive strength. That is with the energy of the rays explainable electrons, which must be much higher than the energy of comparable Devices generated beam electrons.

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.Another advantage is the simple structure of the device, which is also an afterthought Chen installation in known coating systems. This hollow cathode anode Arrangement is only from one side to the evaporation zone between the evaporator crucible and Add substrate to the evaporation process with additional plasma activation to support. This is especially the case with the subsequent addition of vaporization directions with a plasma source of importance.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist die Anordnung einer weiteren Magneteinrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes, welches nach dem Hindurchtreten des niede renergetischen Elektronenstrahls durch die Anode wirksam ist. Dadurch wird der niederener getische Elektronenstrahl quer zu seiner Ausbreitungsrichtung abgelenkt, mit dem Ergebnis der fächerförmigen Aufweitung des Plasmas, so daß eine größere Substratfläche homogen beschichtet wird. Voraussetzung dafür ist, daß das magnetische Wechselfeld eine ausrei chend große Frequenz besitzt, damit der niederenergetische Elektronenstrahl diesen flä chenmäßig vergrößerten Bereich des Dampfstromes gleichmäßig ionisieren kann.An advantageous embodiment is the arrangement of a further magnetic device for Generation of an alternating magnetic field, which after passing through the low Renewable electron beam through the anode is effective. This makes the lower one getic electron beam deflected transverse to its direction of propagation, with the result the fan-shaped expansion of the plasma, so that a larger substrate area is homogeneous is coated. The prerequisite for this is that the alternating magnetic field is sufficient has a sufficiently high frequency so that the low-energy electron beam flats it ionically enlarged area of the steam flow.

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.For large substrate widths, it is advantageous to use several hollow cathode-anode arrangements to be arranged side by side and perpendicular to the direction of substrate movement, their low-energy electron beams are also released by an alternating magnetic field can be fanned. This allows the number of hollow cathode anode arrangements that are necessary for a certain substrate width with a homogeneous coating, to reduce.

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 Sub strat dient der Verringerung der thermischen Belastung des Substrates, indem die vom Ver dampfungsgut rückgestreuten Elektronen vom Substrat ferngehalten werden. Die Einrich tung mit Hohlkatode, Anode und Magneteinrichtung für das, zur Führung des niedere nergetischen Elektronenstrahls magnetische Feld ist dabei so angeordnet, daß sich an dieses magnetische Feld das Magnetfeld der Magnetfalle anschließt. Damit ist es möglich, den niederenergetischen Elektronenstrahl der Hohlkatodenentladung weiter zu führen und damit den Bereich der Plasmaaktivierung zu vergrößern.It is particularly advantageous to use electron beam vapor deposition systems with a magnetic trap equip device according to the invention. The magnetic trap known per se consists of a magnet system with a pole piece on each side of the evaporator crucible. The horizontal magnetic field between the evaporator crucible and the sub generated by the magnetic trap strat serves to reduce the thermal load on the substrate by reducing the Ver backscattered electrons are kept away from the substrate. The Einrich device with hollow cathode, anode and magnetic device for that, for guiding the lower one energetic electron beam magnetic field is arranged so that this magnetic field connects the magnetic field of the magnetic trap. So it is possible to continue the low-energy electron beam of the hollow cathode discharge and thereby increasing the area of plasma activation.

Es ist auch möglich, bei einer solchen Anlage auf eine zusätzliche Magneteinrichtung zu ver zichten, weil das erforderliche magnetische Feld in diesem Fall von der Magnetfalle erzeugt wird.It is also possible to use an additional magnetic device in such a system waive, because in this case the required magnetic field is generated by the magnetic trap becomes.

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Die zugehörigen Zeich nungen zeigen in:The invention is explained in more detail using an exemplary embodiment. The associated drawing show in:

Fig. 1: einen Schnitt durch eine Bedampfungseinrichtung Fig. 1: a section through an evaporation device

Fig. 2: eine Draufsicht auf eine Bedampfungseinrichtung mit Magnetfalle und einer Ma gneteinrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes Fig. 2: a plan view of an evaporation device with a magnetic trap and a Ma gneteinrichtung for generating an alternating magnetic field

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 Feld 9 erzeugende Magneteinrichtung 10 umgibt die Hohlkatode 6. Die Feldstärke des magnetischen Feldes beträgt 1 kA/m. Bei dieser Feldstärke werden bereits Strahlelektronen 11 eines niederenergetischen Elektronenstrahls 12, der von einer Hohlkatodenentladung erzeugt wird, zur Anode 7 beschleunigt. Der Hauptanteil der Strahlelektronen 11 des niederenergetischen Elektronenstrahls 12 wird von dem magneti schen Feld 9 durch die Anode 7 in den Dampfstrom 13 geführt. Die Strahlelektronen 11 des niederenergetischen Elektronenstrahls 12 ionisieren durch Stoßprozesse die Gas- und Dampf teilchen 14 und erzeugen so in einem Bereich 15 ein dichtes Plasma. Durch diese Stoßpro zesse vermindert sich die Energie der Strahlelektronen 11, so daß sie ihre Vorzugsbewe gungsrichtung verlieren. Fig. 1 shows a section through an evaporation device for the coating of even substrates with Al _x O _y . In a vacuum chamber 1 , an evaporator crucible 2 with aluminum is arranged around 3 , which is evaporated with an electron beam. The substrate 4 to be coated is arranged above the evaporating crucible 2 . The gas inlets 5 for the reactive gas oxygen are located next to the evaporator crucible 2 . A hollow cathode 6 is laterally offset between the evaporator crucible 2 and the substrate 4 . An anode 7 designed as a circular ring with an inner diameter d of 25 mm, a wall thickness s of 15 mm and a length l of 15 mm is arranged at a distance of 10 mm from the opening of the hollow cathode 6 . The hollow cathode 6 and the anode 7 are connected to a power supply 8 . A magnetic device 10 generating a magnetic field 9 surrounds the hollow cathode 6 . The field strength of the magnetic field is 1 kA / m. At this field strength, beam electrons 11 of a low-energy electron beam 12 , which is generated by a hollow cathode discharge, are already accelerated to the anode 7 . The majority of the beam electrons 11 of the low-energy electron beam 12 is guided by the magnetic field 9 through the anode 7 into the vapor stream 13 . The beam electrons 11 of the low-energy electron beam 12 ionize the gas and vapor particles 14 by collision processes and thus generate a dense plasma in an area 15 . Through these processes, the energy Stoßpro reduces the electron beam 11 so that they lose their Vorzugsbewe supply direction.

Diese nun thermischen (abgebremsten) Elektronen 16 bewegen sich zur Anode 7 und führen zu deren Aufheizung, gemeinsam mit den Strahlelektronen 11, welche gleich nach Verlassen der Hohlkatode 6 zur Anode 7 beschleunigt werden. Die Anode 7 wird soweit aufgeheizt, daß fortwährend das auf der Anode 7 kondensierende Oxid abdampft.These now thermal (decelerated) electrons 16 move to the anode 7 and lead to their heating, together with the beam electrons 11 , which are accelerated to the anode 7 immediately after leaving the hollow cathode 6 . The anode 7 is heated up to such an extent that the oxide condensing on the anode 7 evaporates continuously.

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 angeordnet. Die Hohlkatode 6, die Anode 7 und die das magnetische Feld 9 erzeugende Magneteinrich tung 10 sind so angeordnet, daß sich an das von ihr erzeugte magnetische Feld 9 das Ma gnetfeld 19 der Magnetfalle 17 anschließt. Nach der Anode 7 ist in Richtung Verdampfertie gel 2 eine weitere Magneteinrichtung 20 angeordnet. Während des Betriebes der Bedamp fungseinrichtung 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 niedere nergetische Elektronenstrahl 12 quer zu seiner Ausbreitungsrichtung abgelenkt wird, um einen größeren Bereich des Dampfstromes zu ionisieren. FIG. 2 shows a vapor deposition device according to FIG. 1 with a known magnetic trap 17 . Pole shoes 18 of the magnetic trap 17 are arranged on both sides of the evaporator crucible 2 . The hollow cathode 6, the anode 7 and the magnetic field generating Magneteinrich 9 tung 10 are arranged such that to the magnetic field generated by it 9 gnetfeld the Ma 19 of the magnetic trap 17 is connected. After the anode 7 , another magnetic device 20 is arranged in the direction of the evaporator gel 2 . During operation of the vapor deposition device, an alternating magnetic field 21 with a field strength of 1 kA / m and a frequency of 200 Hz is generated by the magnet device 20 , with which the lower energetic electron beam 12 is deflected transversely to its direction of propagation by a larger area To ionize steam flow.

Claims

1.Device for generating dense plasmas in vacuum processes, consisting of an evaporator crucible, a hollow cathode arranged between the latter and a substrate fixed or moved above it, which generates a low-energy electron beam, an anode arranged in front of the hollow cathode and enclosing the low-energy electron beam, and the Associated Stromversorgungsein direction, characterized in that between the hollow cathode ( 6 ) and the anode ( 7 ), a magnetic device ( 10 ) is arranged such that the magnetic field ( 9 ) generated by it in the direction of the longitudinal axis of the hollow cathode ( 6 ) anode ( 7 ) for guiding the low-energy electron beam ( 12 ) is effective.

2. Device according to claim 1, characterized in that the magnetic device ( 10 ), the hollow cathode ( 6 ) is arranged completely or partially surrounding.

3. Device according to claim 1 and 2, characterized in that the anode ( 7 ) is designed as a circular ring.

4. Device according to claim 3, characterized in that the anode ( 7 ) has an inner diameter d between 10 mm and 40 mm and that the ratio of the wall thickness s to the length l of the anode ( 7 ) is between 2 to 1 and 1 to 2 .

5. Device according to claim 1 to 4, characterized in that the anode ( 7 ) consists of a high-melting, electrically conductive material.

6. Device according to claim 1 to 5, characterized in that the Magneteinrich device ( 10 ) is designed such that the field strength of the magnetic field ( 9 ) in the region of the anode ( 7 ) 1 kA / m to 10 kA / m, preferably 2 kA / m to 5 kA / m.

7. Device according to claim 1 to 6, characterized in that on the evaporator crucible ( 2 ), a magnetic trap ( 17 ) is arranged such that its magnetic field is also the magnetic field ( 9 ).

8. Device according to claim 1 to 7, characterized in that after the anode ( 7 ) in the direction of the evaporator crucible ( 2 ), a further magnetic device ( 20 ) is formed and arranged such that it has an alternating magnetic field ( 21 ) for deflecting the low-energy electron beam ( 12 ) perpendicular to the hollow cathode-anode central axis.

9. Device according to claim 8, characterized in that the further Ma gneteinrichtung ( 20 ) is designed so that the field strength of the magnetic alternating field generated by it ( 21 ) 0.5 kA / m to 5 kA / m, preferably 1 kA / m, and the frequency is 50 Hz to 1000 Hz, preferably 200 Hz to 500 Hz.

10. Device according to claim 1 to 9, characterized in that for the steaming broad substrates ( 4 ) a plurality of hollow cathode-anode arrangements are arranged side by side perpendicular to the substrate movement direction.