DE19625875A1 - Bedampfungsanlage und Verdampfereinheit - Google Patents

Description

Bei der Erfindung handelt sich um eine Anlagen für die plasmaunterstützte Vakuumbedampfung von Werkstücken, eine Verdampfereinheit, die nach dem Prinzip der Lichtbogenkatodenfußpunktverdampfung arbeitet und eine bestimmte Form der Integration der Verdampfereinheit in die Beschichtungsanlage.

Zahlreiche Verfahren zur plasmaunterstützten physikalischen Vakuumbedampfung wurden in den letzten 30 Jahren vorgeschlagen und viele von ihnen haben inzwischen eine breite Anwendung gefunden (siehe E. Bergmann und E. Moll: plasma assisted PVD coating technologies erschienen in Surface Coatings and Technologies Band 37 (1989), Seiten 483 ff).

Jede physikalische Vakuumbedampfung kann als Abfolge von drei Verfahrenselementen betrachtet werden, die wiederum stationär sind: Verdampfen von Komponenten des schichtbildenden Werkstoffs in einer geeigneten Einrichtung, die man Verdampfereinheit nennt, Transport dieser Komponenten und gegebenenfalls anderer gasförmiger Komponenten, zu den Werkstücken mit molekularer Strömung oder mit elektrostatischer oder elektromagnetischer Führung, Umsetzung dieser Komponenten an den Werkstücken zu Schichten mit den geforderten Eigenschaften. Zahlreiche Baumuster von Verdampfereinheiten sind bekannt und heute im Einsatz (siehe E. Bergmann und E. Moll op. cit.). Im Bereich der physikalischen Vakuumbedampfung von Werkstücken mit verschleißfesten Schichten beruhen sie entweder auf der Katodenzerstäubung oder auf der Lichtbogenverdampfung. Ist dieser Vorgang mit einer chemischen Reaktion mit weiteren schichtbildenden Komponenten verknüpft, die gasförmig in den Beschichtungsraum eingebracht wurden, so spricht man von reaktiver Verdampfung. Besteht der Schichtwerkstoff nur aus den aus der Quelle verdampften Komponenten, so spricht man von nichtreaktiver Verdampfung. Die vorgeschlagene Erfindung bezieht sich auf beide Verfahren.

Wird zur Verdampfung an der Verdampfereinheit ein Lichtbogen verwendet, so gibt es die Möglichkeit, die schichtbildenden Komponenten entweder an der Anode oder an der Kathode der Bogenentladung zu verdampfen. Da im letzteren Fall die Anbindung der Lichtbogenentladung an die Kathode über ein oder mehrere kleine Flächen geschieht, deren Ausdehnung im Verhältnis zur Kathodenfläche vernachlässigbar ist, spricht man in diesem Fall von Katodenfußpunktverdampfung. Hierzu gibt es zahlreiche Veröffentlichungen und Verfahrensvorschläge, seit L. P. Sablev, N. P. Petrovich, V. N. Gorbunov, J. I. Luzenko, V. M. Lunev und V. V. Usov in DE 21 36 532 dargelegt haben, wie sich dieses Phänomen zur physikalischen Vakuumbedampfung nutzen läßt. Bei der vorgeschlagenen Erfindung handelt es sich um ein Verfahren zur Katodenfußpunktverdampfung.

Bei der Anwendung des Verfahrens gibt es anerkanntermaßen 3 Probleme, für die im Laufe der letzten 20 Jahre zahlreiche Lösungen vorgeschlagen wurden: Das Stabilitätsproblem: Die Stabilität der Lichtbogenentladung und die Begrenzung des Aufenthalts des Kathodenfußpunkts auf die Kathodenfläche, die zur Verdampfung vorgesehen ist, im Folgenden Targetfläche genannt.

Das Mikrotröpfchenproblem: Die Phasenverteilung des von der Kathode zu den Werkstücken transportierten Materials, das im Allgemeinen aus Atomen, Ionen und Mikrotröpfchen besteht.

Das Gleichmäßigkeitsproblem: Die Gleichmäßigkeit des Abtrags des schichtbildenden Werkstoffs von der zur Verdampfung vorgesehenen Fläche.

Zur Lösung des Problems der Stabilität wurden bereits in DE 21 36 532 die Verwendung von Schutzschirmen und magnetischen Feldern vorgeschlagen. Hierzu gibt es inzwischen zahlreiche Ausführungsbeispiele. Zuletzt wurde von M. Belletti in der EP 548032 A2 auch vorgeschlagen, hierzu das von den Stromzuleitungen induzierte magnetische Feld zu verwenden. Diese Schrift enthält eine ausführliche Darstellung des Stands der Technik bezüglich Begrenzung mit Schutzschirmen. Im Falle von Magnetfeldern werden immer Felder verwendet, bei denen der Bereich, in dem die Komponente des Magnetfelds parallel zur Targetfläche ein Maximum hat, eine geschlossene Schleife bildet. Diese Prinzip wurde von C. F. Morrison jr. in der US 4724058 vorgeschlagen und inzwischen mit zeitlich veränderlichen oder rotierenden rotationssymmetrischen Magnetfeldern, wie in der DE 41 09 213 weiter ausgestaltet.

Das am Kathodenfußpunkt emittierte Material besteht aus Atomen, Ionen und Mikrotröpfchen verschiedener Größe. Deren Gesamtheit wird als Plasmastrom bezeichnet. Die Verteilung der Komponenten des Plasmastrahls ist richtungsabhängig, wie eine Untersuchung von J. E. Daalder, erschienen 1976 im Band 9 der Serie D des Journal of physics, Seiten 2379-2395, gezeigt hatte. Ein bedeutender Anteil von Mikrotröpfchen macht die Beschichtung ungeeignet oder weniger leistungsstark. Bei der Entstehung im Kathodenfußpunkt werden die Proportionen im Wesentlichen von der Frequenz bestimmt, mit dem der Kathodenfußpunkt seine Position auf der Targetfläche verändert. Der Anteil an Mikrotröpfchen sinkt dabei mit steigender Frequenz. Da der hohe Strom, der die Kathode verläßt, mit der Lorenzkraft sehr gut gelenkt werden kann, verwendet man Magnetfelder mit einer starken Komponente des Vektors parallel zur Targetoberfläche, um die Katodenfußpunkte auf einer engen Spur zu führen und so den Anteil an Mikrotröpfchen zu senken. Diese Methode wird die Methode des geführten Katodenfußpunkts genannt und wurde zuerst von S. Ramalingam und K. Kim in der US 4673477 vorgeschlagen.

Eine zweite Methode zur Reduktion des Anteils an Mikrotröpfchen besteht in der Anwendung von Umlenkungen des Plasmastroms. Diese Methode wird als gefilterte Kathodenfußpunktbeschichtung bezeichnet. Sie wurde unter anderem von D. M. Sanders und S. Falabella in der US 5282944 und von N. Matentzoglu, G. Schumacher und J. Becker in der DE 41 25 365 vorgeschlagen. In DE 41 25 365 wird vorgeschlagen, einen Schutzschirm zu verwenden, der zwischen der Targetoberfläche und den zu beschichtenden Werkstücken angebracht ist. Die Ionen werden elektrostatisch um den Schirm umgelenkt, während die Mikrotröpfchen von ihm zurückgehalten werden. US 5282944 verwendet eine ringförmige Targetfläche (17′), die in einer Nebenkammer untergebracht ist. Der Plasmastrom wird elektromagnetisch um 90° umgelenkt und erreicht die Hauptkammer, wo er wiederum elektrostatisch um 90° umgelenkt wird, um die Werkstücke (27′) zu erreichen. Die Verdampfereinheit und Form der Integration der Verdampfereinheit in die Beschichtungsanlage sind so ausgeführt, daß nur Ionen den Weg von der Targetfläche zu den Werkstücken zurücklegen können.

Eine 3. Methode verwendet eine elektromagnetische Zusatzionisierungseinrichtung, die die Atome und teilweise auch die Mikrotröpfchen auf ihrem Weg von der Targetoberfläche zu den Werkstücken nachionisiert. Sie wurde von P. E. Sathrum und B. F. Coll in der EP 511153 vorgeschlagen. Die zur Zeit beste Methode kombiniert die Prinzipien der 2. und der 3 Methoden und wurde von J.R. Treglio in US 5317235 vorgeschlagen. Die Lichtbogenkathodenfußpunktverdampfereinheit ist als Nebenkammer (20′′) ausgeführt. Diese Nebenkammer ist mit der Hauptkammer durch eine kleine Öffnung (32′′) verbunden. Die Targetfläche (24′′) ist ringförmig und so positioniert, daß alle Komponenten des Plasmastroms wenigstens einmal umgelenkt werden müssen, um die Werkstücke zu erreichen. Die Umlenkung wird mit einem Spulenmagneten (30′′) bewerkstelligt.

Auch zum Problem der Gleichmäßigkeit der Targetoberflächenabtragung wurden zahlreiche Lösungsvorschläge gemacht. Diese umfassen im Wesentlichen elektrostatische und magnetische Vorrichtungen zur Steuerung des Lichtbogenkathodenfußpunkts. Erstere wurden von H. Tamagaki in der EP 492592 vorgeschlagen. Wegen ihrer Unvollkommenheit wird hier nicht näher darauf eingegangen. Die magnetischen Methoden führen den bereits in der US 4724058 vorgeschlagenen Gedanken weiter und modulieren entweder das Magnetfeld durch variable von Spulen erzeugte Zusatzfelder oder sie bewegen das Magnetmaterial in einer Doppeldrehbewegung. Diese Methode wurde unter anderem von H. Veltrop, B. Buil und S. Boelens in der EP 283095 und von J. Reschke, W. Erbkamm, W. Nedon, R. Pochert, B. Scheffel, S. Schiller und H. Schmidt in DE 41 09 213 vorgeschlagen.

Die zur Lösung der 3 Probleme vorgeschlagenen Methoden können den Anwender der Katodenfußpunktverdampfung, der anspruchsvolle Beschichtungen zu einem Preis herstellen will, der vom Markt akzeptiert wird, in mehrerer Hinsicht nicht befriedigen. Nicht das geringste Problem ist dabei bereits, daß die Methoden jeweils nur 1 Problem lösen, und meist so gestaltet sind, daß sie eine Lösung der anderen Probleme mit den dafür vorgeschlagenen Methoden ausschließen.

Die Methoden zur Lösung des Problems der Stabilität schlagen Schirme vor, die auf einem Potential liegen sollten, daß zwischen Kathodenpotential und Anodenpotential liegt. Schirme mit diesem Potential müssen aber bei der Methode der gefilterten Katodenfußpunktverdampfung als elektrostatisch führende Hindernisse für die Umlenkung des Plasmastrahls verwendet werden. Da es in der Natur an jedem Punkt nur ein elektrisches Feld gibt, können solche Schirme nicht gleichzeitig die Kathode an der den Werkstücken abgekehrten Seite umhüllen und im Raum zwischen Targetfläche und Werkstücken den Plasmastrom steuern. Ähnliches gilt für die magnetischen Felder. Für die Lösung des Problems der Stabilität braucht man gemäß US 4673477 magnetische Felder, bei denen der Bereich, bei denen die Komponente parallel zur Targetfläche ein Maximum hat, eine geschlossene Schleife bildet; für die Führung des Plasmastrahls benötigt man ein magnetisches Feld, das im Wesentlichen normal zur Targetfläche ist. Auch alle vorgeschlagenen Magnetfelder zur Steuerung der Gleichmäßigkeit verwenden Magnetfelder, die in weiten Bereichen parallel zur Oberfläche sind. Diese Methoden sind daher mit den Methoden des gefilterten Katodenfußpunktverdampfung nicht kompatibel. Der klügste Fachmann kann dieses Dilemma nicht lösen. Die Methoden der gefilterten Katodenfußpunktverdampfung haben weitere schwere Nachteile. Ein großer Teil, typischerweise 60-90% des verdampften schichtbildenden Werkstoffs erreicht die Werkstückoberflächen nicht. Dies macht diese Verfahren doppelt ineffizient. Der überwiegende Teil des Werkstoffs, der mit großem Aufwand verdampft wurde wird verschwendet. Der überwiegende Teil des verdampften schichtbildenden Werkstoffs, der mit großem Aufwand verdampft wurde um damit wertvolle Schichten zu erzeugen und so einen guten Preis dafür zu erzielen, muß mit großem Aufwand von den Schutzschirmen und Umlenkeinrichtungen wieder entfernt werden. Es ist auch für einen Fachmann nicht einfach, dicke verschleiß- und korrosionsfeste Hartstoffschichten von empfindlichen Spulen zu entfernen. Es findet sich auch in all den Schriften kein Hinweis, wie dies zu bewerkstelligen sei.

Die Methoden der gefilterten Kathodenfußpunktverdampfung und der Zusatzionisierungseinrichtungen zeigen beim Betrieb weitere unerwartete Nachteile. In beiden Methoden werden nicht nur die Mikrotröpfchen sondern auch die Atome aus dem Plasmastrahl entfernt, entweder durch Filtern oder durch Ionisation. Es hat sich nun gezeigt daß die Verwendung von schichtbildenden Werkstoffkomponenten, die nur aus Ionen bestehen mit 2 Nachteilen verbunden ist: Die auftreffenden Ionen zerstäuben einen Anteil des bereits abgeschiedenen Schichtwerkstoffs. Dieser Anteil geht dabei verloren. Er ist im Bereich von 30-80% des brutto abgeschiedenen Schichtwerkstoffs. Das Verfahren wird noch ineffizienter und teurer. Die auftreffenden Ionen verursachen Fehlstellen im Gitter des abgeschiedenen polykristallinen Schichtwerkstoffs. Fehlstellen haben ein bedeutenden negativen Einfluß auf die elektrischen und optischen Eigenschaften der abgeschiedenen Schicht. Ein Übermaß an Fehlstellen ist auch für die mechanischen Eigenschaften schädlich.

Die Methoden zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Targetoberflächenabtragung sind aber noch in anderer Hinsicht unbefriedigend. Die Spulen, die man für variable magnetische Felder benötigt, sind schwer ins Hochvakuum zu integrieren, insbesondere da sie noch zusätzlich vom Kathodenkörper, der mit der Kathode eines Leistungsgeräts verbunden ist, elektrisch isoliert werden müssen. Die zur Erzeugung von genügend starken Magnetfeldern nötigen Ströme bedingen in der Praxis eine Kühlung, für die wiederum nicht der Kühlkreislauf der Kathode verwendet werden kann, sondern ein zweiter Kühlkreislauf benötigt wird. Ähnliches gilt für die vorgeschlagene komplizierte Doppelbewegung. Selbstverständlich sind alle diese Probleme für den Fachmann konstruktiv lösbar, aber der Aufwand ist beträchtlich. Komplexe Konstruktionen haben sich aber im Vakuum und insbesondere im Plasma noch nie bewährt. Die beiden Lösungsvarianten lösen auch das Problem der Krempenbildung nicht. Eine Krempe entsteht zum Beispiel beim Abtrag einer kreisförmigen Targetfläche, da die Randzone der Targetoberfläche weniger stark abgetragen wird als die zentrale Zone. Die Targetoberfläche wird konkav. Die Ursache hierfür liegt in der Form der gewählten Magnetfelder, die immer eine von zwei Polzonen umschlossene Fläche mit horizontalem Magnetfeld sind. Da der Magnet sich im Kathodentopf bewegen muß wird eine ringförmige Randzone der Targetoberfläche immer nur von den Polschuhen überstrichen. Diese Randzone ist ein Bereich, in dem sich der geführte Kathodenfußpunkt nicht aufhält. Eine befriedigende Lösung für dieses Problem wurde bisher nicht gefunden.

Die Erfindung löst die erwähnten Probleme durch eine neuartige Anlage, durch einen neuartigen Aufbau der Verdampferquellen und eine bestimmte Form der Integration der Verdampfereinheit in die Beschichtungsanlage.

Der Stand der Technik der Anlagen verwendet entweder in die Kammer eingebaute, oder an sie angeflanschte Verdampferquellen. Bei den Vorschlägen für den gefilterten Kathodenfußpunktverdampfer verwendet man in einigen Vorschlägen Nebenkammern, jedoch sind diese immer so ausgebildet, daß keine direkten geraden Linien die Targetoberfläche durch die Verbindungsöffnung der Nebenkammer mit den Werkstücken verbinden können, was Teil des Funktionsprinzips ist, aber zu den bekannten Nachteilen führt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einer Hauptkammer, in der sich keine Lichtbogenkathodenfußpunktverdampfer befinden. In ihr sind nur die Werkstücke, deren Aufnahmen und, wenn nötig, Vorrichtungen zum Konditionieren und Dekonditionieren der Werkstücke untergebracht. Sie besteht weiters aus wenigstens einer Nebenkammer. Die Nebenkammer enthält die Lichtbogenkathodenfußpunktverdampfer und ist mit der Hauptkammer durch eine große rechteckige Öffnung verbunden, durch die der neutrale Dampf also die Atome der verdampften schichtbildenden Komponente ungehindert zu den Werkstücken strömen können. Bei tiefen Kammerdrucken wird diese Strömung molekular sein. Das Prinzip dieser freien Strömung der Atome bedingt, daß die Verbindung zwischen Nebenkammer und Hauptkammer einen wesentlichen Teil der Kammerhöhe abdeckt. Die Höhe sollte der Beschichtungshöhe in der Hauptkammer entsprechen. Als Beschichtungshöhe bezeichnet man die Länge der Zylindererzeugenden des Raumbereichs, in dem sich alle Werkstückflächen wenigstens befinden müssen, die für die Beschichtung vorgesehen sind. Das Verhältnis von Beschichtungshöhe zur Hauptkammerhöhe hängt natürlich von der Art der zu beschichtenden Werkstücke ab. Sie hängt auch von der Geschicktheit des Konstrukteurs bei der Konstruktion der Aufnahmen und der Konditionierungseinrichtungen ab. Für eine wirtschaftliche Anlage sollte die Beschichtungshöhe wenigstens 60% der Hauptkammerhöhe betragen. Die Tiefe der Nebenkammer ist eine jener Kenngrößen, der erfindungsgemäßen Anlage, die das Verhältnis von Atomen, Ionen und Mikrotröpfchen bestimmen. Es hat sich gezeigt, daß bei Tiefen, die geringer als 300 mm sind, der Anteil an Mikrotröpfchen, die auf den Werkstückoberflächen auftrifft so groß wird, daß die Beschichtung mit Titanverbindungen auch bei einfachen geschliffenen Werkzeugen bereits starke Leistungseinbußen zeigt. Will man ausschließlich polierte Werkzeuge beschichten, mag es sinnvoll sein, die Tiefe auf über 500 mm zu erhöhen. Auch die Wahl der verdampften Komponente des schichtbildenden Werkstoffs und die Höhe, um die die Verdampferquelle in die Nebenkammer hineinragt, beeinflussen die Wahl der Tiefe der Nebenkammer. Unsere Optimierung war mit Verdampfereinheiten durchgeführt worden, die 80 mm weit in die Nebenkammer hineinragten. Wählt man die Nebenkammer zu tief, tiefer als 800 mm geht der Effekt, der der Erfindung zugrundeliegt verloren. Der Anteil der Atome., die von den Targetoberflächen direkt die Werkstückoberflächen erreicht, wird zu gering. Die Breite des rechteckigen Ausschnitts läßt sich genau durch den Öffnungswinkel bestimmen. Der Öffnungswinkel, ist der Winkel, den die beiden Ebenen, die einerseits durch die Hauptkammerachse, andererseits durch die beiden der Hauptkammer und der Nebenkammer gemeinsamen Zylindererzeugenden definiert sind, miteinander an ihrer Schnittlinie, der Hauptkammerachse einnehmen. Für nichtzylindrische Hauptkammern gilt Analoges. Für den Öffnungswinkel gelten die gleichen Betrachtungen wie für die Tiefe der Nebenkammer, nur daß in diesem Zusammenhang die Form der Kontaktfläche der Verdampfereinheiten oder die Projektion der Verdampfereinheiten auf die zur Kammerverbindungsöffnung parallele Nebenkammerwand bei der Optimierung berücksichtigt werden muß. Die Praxis hat gezeigt, daß sich nur mit Öffnungswinkeln, die zwischen π/10 und π/3 liegen, befriedigende Resultate erzielen lassen. In einer bevorzugten Ausführung ist die zur Kammerverbindungsöffnung parallele Nebenkammerwand als Tür ausgebildet, die mit der Nebenkammer über einen Flansch und Dichtungen vakuumdicht verbunden ist. Dies erleichtert den Unterhalt wesentlich, vor allem dann, wenn auf dieser Tür die Verdampferquellen angebracht sind.

Auch wenn diese erfindungsgemäße Anordnung bei verschiedenen Baumustern von Verdampfereinheiten, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, es erlaubt befriedigende Beschichtungsresultate zu erzielen, so hat sich doch gezeigt daß eine Anordnung mit wenigstens zwei rotationssymmetrischen Verdampfereinheiten besonders günstig ist. Auch dies zeigt, wie weit das Verhalten erfindungsgemäßen Anlage vom Stand der Technik abweicht. Dieser empfiehlt die Verwendung von einzelnen rechteckigen Verdampfereinheiten oder eine spiralförmige Anordnung der rotationssymmetrischen Verdampfereinheiten. Das elektrische Potential auf dem die Nebenkammerwand bezüglich der Targetfläche liegt beeinflußt natürlich ebenfalls das Verhältnis von Ionen zu Atomen der verdampften Komponente des schichtbildenden Werkstoffs. Es hat sich gezeigt, daß optimale Bedingungen erreicht werden, wenn die Nebenkammer eine Auskleidung aufweist, die von der Hauptkammerwand und der Nebenkammerwand elektrisch-isoliert ist.

Die erfindungsgemäße Verdampfereinheit ist im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich einfacher aufgebaut. Dies bringt nicht nur Kostenvorteile. Es hat sich auch gezeigt, daß durch die Einfachheit die Zuverlässigkeit stark erhöht wird. Die erfindungsgemäße Verdampfereinheit besteht aus einem rotationssymmetrischen Topf, dessen Rückseite mit der Wand der Kammer, in die sie eingebaut ist, fest und vakuumdicht verbunden ist. Einzelheiten solcher Verbindungen können dem Stand der Technik, wie er seit langem für Einbauten in Vakuumanlagen besteht, entnommen werden. Der Topf wird durch eine Kühlplatte vakuumdicht verschlossen. An seiner Stirnseite dieser so entstandenen Baugruppe wird dann eine Scheibe aus der zu verdampfenden schichtbildenden Komponente aufgebracht. Die den Werkstücken zugewandte Seite der Scheibe aus der zu verdampfenden schichtbildenden Komponente wird Targetoberfläche genannt. Die andere oberflächenbildende Kreisfläche wird Targetrückseite genannt. In seinem Inneren enthält der Topf ein rotationssymmetrisches Bauteil, das permanent ein Magnetfeld erzeugt. Das Magnetfeld ist nicht rotationssymmetrisch. Dieses magnetfelderzeugende Bauteil rotiert um die Achse der Verdampferquelle, die mit der Achse des Topfs und des magnetfelderzeugenden Bauteils zusammenfällt. Die Verdampferquelle weist 2 konzentrische Stromzuführungen auf. Die konzentrische Stromzuführung bringt gegenüber dem Stand der Technik, wie er in DE 41 09 213 dargestellt ist wesentliche Verbesserungen: Die Anordnung ist einfacher. Man benötigt keinen doppelwandigen Topf. Dadurch, daß man ein nichtrotationssymmetrisches Magnetfeld verwendet, muß dieses nicht so nahe an der Targetfläche untergebracht werden. Dies erlaubt es zwischen der Scheibe aus der zu verdampfendenden Komponente des Schichtwerkstoff und das magnetfelderzeugende Bauteil eine Kühlplatte einzufügen. Man erzielt dadurch eine wesentlich verbesserte Kühlung, was sich vorteilhaft auf das Verhältnis von Atomen zu Mikrotröpfchen auswirkt das am Kathodenfußpunkt erzeugt wird. Eine weitere Verbesserung gelang durch die Verwendung von 2 konzentrischen Stromzuführungen. Zwar wurde schon in EP 492 592 darauf hingewiesen, daß bei rechteckigen Verdampfereinheiten die Verwendung von mehreren Stromzuführungen vorteilhaft ist. Die dort aufgezeigten Gründe treffen überraschenderweise auch für rotationssymmetrische Verdampfereinheiten zu. Die Verwendung von konzentrischen Zuführungen bringt aber gegenüber der linearen Anordnung wesentliche Vorteile. Sie erleichtert die Abschirmung und erlaubt es so, die inzwischen erhobenen Forderungen nach elektromagnetischer Verträglichkeit zu erfüllen. Dies sind aber nur die wesentlichen konstruktiven Merkmale in denen sich die erfindungsgemäße Verdampfereinheit vom Stand der Technik unterscheidet und eine Verbesserung bringt. Bei der erfindungsgemäßen Verdampfereinheit handelt es sich nämlich um keinen geführten Kathodenfußpunkt, wie er allen bisherigen Vorschlägen zur Verwendung von Magnetfeldern zugrunde liegt. Das verwendete Magnetfeld ist nicht so aufgebaut, daß der Bereich, in dem die Komponente des Magnetfelds parallel zur Targetfläche ein Maximum hat eine geschlossene Schleife bildet. Es handelt sich um ein Magnetfeld, das in möglichst weiten Bereichen der Targetoberfläche zu dieser parallel ist. Ein derartiges Magnetfeld übt auf der gesamten Kathodenfläche auf den Kathodenfußpunkt eine Kraft aus, die diesen dazu bringt auf einen anderen Punkt weiterzuspringen. Im Gegensatz zum geführten Funken wird keine bevorzugte Sprungrichtung angestrebt. Wichtig ist nur die Häufigkeit des Sprungs. Man kann von einem gejagten Kathodenfußpunkt sprechen. Durch die Rotation des nicht rotationssymmetrischen Magnetfelds wird der Effekt weiter verstärkt, indem auf der gesamten Kathodenfläche ständig ein zu dieser paralleles Magnetfeld vorhanden ist, dessen Richtung sich jedoch ständig ändert. Der Kathodenfußpunkt oder die Kathodenfußpunkte werden unaufhaltsam gejagt, ohne einen Ruhepunkt finden zu können.

Damit ist auch das Problem der ungleichmäßigen Targetflächenabtragung gelöst. Eine weitere Verbesserung besteht darin, das magnetfelderzeugende Bauteil schnell rotieren zu lassen, wenigstens mit 50 Umdrehungen/Minute, bevorzugt mit mehr als 500 Umdrehungen/Minute. Der Stand der Technik wie EP 283095 verwendete langsame Doppelrotationen. Dies war für den geführten Kathodenfußpunkt richtig. Der gejagte Kathodenfußpunkt funktioniert um so besser, je unerbittlicher, sprich schneller der oder die Kathodenfußpunkte gejagt werden.

Auch bei der weiteren Ausführungen habe ich wesentliche Verbesserungen erzielen können. So ist die doppelfunktionale Verwendung von Kupferrohren als Stromzuführung und als Wasserzuführung möglich, weil wir die konzentrische Anordnung und die später genauer beschriebene Konstruktion des Kühlkörpers gewählt haben. Die Anordnung des magnetfelderzeugenden Bauteils an Luft, erlaubt es dieses und seine Achse mit gut geschmierten Kugel lagern an den Topf oder die Kammerwand anzubinden. Dies ist wiederum Voraussetzung für die schnelle Rotation des magnetfelderzeugenden Bauteils.

Im Besonderen und bevorzugt wird das magnetfelderzeugende Bauteil so ausgeführt, daß das von ihm bei Stillstand erzeugte Magnetfeld im Wesentlichen nur Linien enthält, die die Targetoberfläche nur einmal durchstoßen. Das heißt sie treten nur aus der Targetoberfläche aus, beziehungsweise in die Targetoberfläche ein. Die Rückführung zum Gegenpol geschieht nach dem Eintritt beziehungsweise Austritt in die zylindrische Targetoberfläche, Kühlkörperoberfläche oder Oberfläche des magnetfelderzeugenden Bauteils. Dieses Magnetfeld kann durch verschiedene Aufbauten von Komponenten aus Dauermagneten und ferromagnetischen Werkstoffen erzeugt werden. Falls sie alleine nicht genügend mechanische Stabilität besitzen, können sie in eine Struktur aus diamagnetischem Werkstoff, zum Beispiel Kunststoff eingebettet werden. Eine bevorzugte einfache Struktur besteht aus Dauermagneten und ferromagnetischen Polschuhen. Diese sind so angeordnet, daß ein Pol parallel zur Targetoberfläche ist oder mit dieser einen bestimmten Winkel einschließt. An ihm treten alle Magnetfeldlinien ein(aus), die in die Targetoberfläche eintreten, beziehungsweise aus dieser austreten. Dieser Pol ist exzentrisch angeordnet. Der Gegenpol oder die Gegenpole bilden einen Kreis, der zur Targetscheibe konzentrisch sein kann. Die Gegenpolflächen sind aber nicht zur Targetoberfläche parallel. Ihre Flächennormalen schließen mit der Achse der Targetoberfläche Winkel β_i ein. In diesem Fall bestimmt man ihren mit den Polflächen gewuchtetem Mittelwert. Er sei β. Es können auch alle Gegenpolflächen denselben Winkel β mit der Achse der Targetoberfläche einschließen. Dies ist aber nicht unsere bevorzugte Ausführung. Um einen stabilen Betrieb der Kathodenfußpunktverdampfereinheit zu erreichen, sollte dieser Winkel bevorzugt nicht kleiner als π/20 und nicht größer als 4π/5 sein. Voraussetzung für den geführten Kathodenfußpunkt im Stand der Technik war β = 0 gewesen. In der erfindungsgemäßen Anlage kann der Betrieb der Verdampfereinheiten weiter verbessert werden. Die Verbesserungen betreffen die Stabilität der Verdampfereinheit und die Qualität der in der Anlage erzeugten Schichten. Dies ist möglich, wenn man im Bereich des Übergangs von der Hauptkammer zur Nebenkammer zusätzliche Anoden anbringt. Die Verwendung von anderen Anoden als der Kammerwand, die man als Zusatzanoden bezeichnet, und auch das Splitten des Anodenstroms zwischen Kammerwand und Zusatzanoden sind im Stand längst bekannt. Sie sind entweder zur Targetoberfläche konzentrisch oder wie in EP 511153 als Ring vor der Targetoberfläche ausgebildet. Ein Anbringen im Bereich des Übergangs von der Haupt- zur Nebenkammer ist neu und erlaubt es, den Ionenanteil im Strom der schichtbildenden Komponenten zu reduzieren und so die Eigenspannungen in der Schicht, die insbesonders bei einer Titankarbonitridbeschichtung von Hartmetallwerkzeugen störend sind, zu reduzieren.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß die optimalen Bedingungen für die Schichtabscheidung in Anwendungen des Verschleißschutzes dann gegeben sind, wenn der Öffnungswinkel α, der den Kammerausschnitt bestimmt, gleich dem mittleren Winkel β ist, den die Gegenpole mit der Verdampferachse einschließen. Dies glaube ich so erklären zu können, daß das Magnetfeld dem Ionenstrom eine konische Ausrichtung gibt. Bei gleichem Winkel paßt dieser gut durch die Öffnung zur Hauptkammer.

Ausführungsbeispiel

Die Einzelheiten der Erfindung können aus den folgenden Figuren nachvollzogen werden, Fig. 1 und Fig. 2 zeigen zwei Ansichten der erfindungsgemäßen Anlage, Fig. 3 gibt eine Ansicht der wesentlichen Elemente der erfindungsgemäßen Verdampfereinheit, Fig. 4 eine Ausführungsbeispiel des Kühlkörpers und Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel des magnetfelderzeugenden Bauteils. Fig. 6 ist eine weitere Ausführung des magnetfelderzeugenden Bauteils. Im Einzelnen zeigt

Fig. 1 eine Anlagen für die plasmaunterstützte Vakuumbedampfung von Werkstücken, die aus einer Hauptkammer (1) und einer Nebenkammer (3) besteht. Hauptkammer und Nebenkammer sind durch die Öffnung (4) so miteinander verbunden, daß eine molekulare Strömung nicht behindert wird. In der Hauptkammer befinden sich die zu beschichtenden Werkstücke (8), in der Nebenkammer (2) Verdampferquellen (5). Einzelheiten der Anlage wie Pumpen, Gaszuführungen, Substratbewegungsmechanismen und Konditionierungseinrichtungen sind nicht dargestellt, da der Aufbau und die Positionierung dem Fachmann bekannt sind. Die Fig. 1 zeigt weiterhin die Höhe (7) der Anlage (2) und die Länge (6) der rechteckigen Öffnung (4), die Hauptkammer mit Nebenkammer verbindet. Fig. 2 zeigt teilweise die gleichen Elemente wie Fig. 1. Zusätzlich zeigt sie den Öffnungswinkel α, der den Ausschnitt charakterisiert und die Tiefe (9) der Nebenkammer (3). Die Verdampfereinheit (5) ist auf einer Tür (10) aufgebracht, die zur Verbindungsfläche (4) parallel ist. Die Nebenkammer ist mit einer Auskleidung (11) versehen, die von der Nebenkammerwand, der Tür (10) und der Hauptkammerwand (2) durch eine elektrische Isolation (35) getrennt ist. Im Bereich zwischen Nebenkammer und Hauptkammer sind oben und unten zwei Zusatzanoden (31) angebracht. Es handelt sich dabei um 2 rechteckige Kupferprofile, deren Länge der Breite des Ausschnitts entspricht und deren Breite im Bereich zwischen 5 und 20 mm liegt. Sie sind natürlich etwas kürzer als der Ausschnitt um elektrischen Kontakt sicher zu vermeiden. Sie sind auf ein Rohr aufgeschweißt, das wassergekühlt ist, und das gleichzeitig als Stromzuführung dient. Strom und Wasser werden durch eine nicht dargestellte Durchführung nach außen geführt.

Fig. 3 zeigt die wesentlichen Einzelheiten des Aufbaus der Verdampfereinheit. Sie ist rotationssymmetrisch aufgebaut, mit einer Symmetrieachse (23). Einzelheiten, deren Ausführung dem Fachmann vertraut sind, wie Schrauben, Dichtungen und Durchführungen sind nur dann dargestellt, wenn sie eine besondere Funktion oder Ausführung aufweisen. Die Verdampfereinheit besteht aus einer Scheibe (13) aus der zu verdampfenden schichtbildenden Komponente des Schichtwerkstoffs. Sie ist mit der dahinter liegenden Kühlplatte (14) fest verbunden. Diese Verbindung kann entweder durch einzelne Schrauben in der Randzone, durch Pratzen an der Randzone, durch einen Gewindebolzen im Zentrum oder durch eine Überwurfmutter bewerkstelligt werden. Die Verbindung ist nicht vakuumdicht. Die dahinter liegende Kühlplatte wird bevorzugt aus Kupfer gefertigt. Einzelheiten sind in der Fig. 4 dargestellt. In ihr Inneres führen zwei konzentrische Kupferrohre (18) und (24). (24) dient zur Zuleitung des Kühlwassers und (18) zur Ableitung des Kühlwassers. Die beiden Rohre (18) und (24) sind durch Kupferbrücken (36) miteinander elektrisch verbunden und über ein Kabel (22) an den negativen Pol einer geeigneten Gleichspannungsversorgung (20) angeschlossen. Der positive Pol der Gleichspannungsversorgung ist über ein Kabel (21) und einen Stromteiler mit den Zusatzanoden und der Kesselwand verbunden. Der Kühlkörper ist mechanisch steif und durch die Dichtungsringe (15) vakuumdicht mit einem Topf (12) verbunden, der aus rostfreiem Stahl, Inconel, Aluminium, Kupfer oder einem anderen nicht ferromagnetischem Material gefertigt sein kann. Dieser Topf wiederum ist mechanisch steif und durch Dichtungsringe mit der Kammerwand, beziehungsweise die Nebenkammertür (37) verbunden. Auch dies kann mit Schrauben oder Pratzen, bevorzugt mit einer Verbindung, die den einschlägigen ISO-Normen für Vakuumtechnik entspricht, realisiert werden. In diesem Topf befindet sich ein magnetfelderzeugendes Bauteil (16), das in Fig. 6 näher dargestellt ist. Dieses Bauteil ist über eine Achse (38) und ein schnelläufiges Kugellager (17) mechanisch an den Topf angebunden. Diese Achse wird von einem Motor (30) angetrieben. Fig. 4 zeigt ein Beispiel für die Realisation des Kühlkörpers (14). Er besteht aus einem Kupfertopf (25), dessen Stirnseite durch eine dünne, aufgelötete Kupferfolie (26) verschlossen ist. Sein Inneres ist durch eine Trennwand (27) in eine obere Kammer (29) und eine untere Kammer (28) geteilt. Im Zentrum seiner Unterseite befindet sich ein Loch, an das ein Zuflußrohr (24) angeschlossen ist. Dieses füllt die untere Kammer (28). An einer dreieckigen Öffnung des Trennblechs tritt das Wasser in die obere Kammer (29) über und tritt nach deren Durchströmung durch das Ablaßrohr (18) wieder aus. Das Ablaßrohr (18) ist mit der Folie (26) in deren Zentrum (39) elektrisch leitend verbunden. Das Einlaßrohr (24) leitet den elektrischen Strom über den Topf (25) an einen Bereich (40) der in etwa der Kontaktfläche zwischen Folie und Topf entspricht, die Randzone der Targetoberfläche. Die Wandstärken und die Werkstoffe der beiden Rohre und des Topfs müssen so gewählt werden, daß der elektrische Widerstand der beiden Zuleitungen annähernd gleich ist. Annähernd gleich ist zum Beispiel erfüllt, wenn der Unterschied im Widerstand nicht größer als 0.2 Ω ist.

Fig. 5 zeigt eine bevorzugte Form des erfindungsgemäßen Magnetfelds. In einer Platte (16) aus Polyethylen wurde exzentrisch ein Zylinder (46) aus dem dauermagnetischen Werkstoff Neodym-Eisen-Bor eingesetzt und mit einem Polschuh (30) versehen, dessen Oberfläche den Nordpol der magnetischen Anordnung bildet. An die Rückseite des Dauermagneten schließt sich ein spinnenförmiger Polschuh mit langen Armen (34) und kurzen Armen (33) aus Weicheisen an, der den magnetischen Fluß zu den Gegenpolen (31) und (32) leitet. Sie bilden den Südpol der magnetischen Anordnung. Alle Gegenpole liegen auf einem mit der Platte konzentrischem Kreis. Die Flächennormalen (42) und (41) der einzelnen Arme bilden mit der Rotationsachse der Platte (23) Winkel β₁ und β₂. Die Pole sind durch Magnetlinien (39) miteinander verbunden. Auf Grund des Form der Anordnung, treten alle Magnetlinien am Nordpol aus der Magnetplatte parallel zur Achse (23) aus und werden so in ihrem Verlauf aus der Targetoberfläche, nachdem sie diese durchdrungen haben, austreten. An den Südpolen werden sie wieder im Wesentlichen normal zu den Polflächen (31) und (32), also parallel zu den Flächennormalen (40) und (42) in den Polschuh eintreten. Davor haben sie in den meisten Fällen den Zylindermantel einer der drei Bauelemente (12), (13), (14) durchdrungen.

Fig. 6 zeigt eine andere praktische Realisierung. Die Aufsicht 6a zeigt den Nordpol (30) der von einem Polschuh aus Weicheisen gebildet ist. Unter ihm befindet sich wiederum ein Zylinder (46) aus dem dauermagnetischem Werkstoff Neodym-Eisen- Bor. Dieser Zylinder sitzt auf einer Weicheisenplatte (44). An diese Weicheisenplatte schließen sich an einigen Stellen Quader aus dauermagnetischem Material (45) an, die einen unsymmetrischen Stern bilden. An ihren Enden schließen sich weitere Quader aus dauermagnetischem Material (40) an, die zu ihnen in einem bestimmten Winkel stehen. Sie sind mit ihnen durch einen kleinen Polschuh (43) verbunden. An ihrem Ende können weitere Polschuhe angebracht sein. Auch diese Anordnung erzeugt ein Magnetfeld, wie es in Fig. 5 dargestellt ist.

Claims (20)

1. Anlage für die plasmaunterstützte physikalische Bedampfung von Werkstücken, die einen oder mehrere Kathodenfußpunktverdampfereinheiten umfaßt,
dadurch gekennzeichnet, daß
sie aus einer zylindrischen Hauptkammer (1) und wenigstens einer quaderförmigen Nebenkammer (3) besteht,
daß der Zylindermantel der zylindrischen Hauptkammer wenigstens eine rechteckige Öffnung aufweist
daß die rechteckigen Öffnungen der zylindrischen Hauptkammer mit den quaderförmigen Nebenkammern entlang einer Längsseitenfläche eine verbindende Öffnung (4) bildend verbunden sind und
daß die zu beschichtenden Substrate (8) ausschließlich in der Hauptkammer untergebracht sind.

2. Anlage gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß in der zylindrischen Hauptkammer keine Verdampfereinheiten eingebaut sind und
daß alle Verdampfereiheiten (5) in der quaderförmigen Nebenkammer eingebaut sind.

3. Anlage gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Länge (6) der rechteckigen Öffnung wenigstens 60% der Länge (7) des Zylindermantels der Hauptkammer ist und
daß die Tiefe (7) zwischen 300 und 800 mm beträgt.

4. Anlage gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die rechteckige Öffnung des Zylindermantels der Hauptkammer einem Öffnungswinkel α entspricht, der größer als π/10 und kleiner als π/3 ist.

5. Anlage gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet,
daß die quaderförmige Nebenkammer (3) eine Türe (10) aufweist, die die Seitenfläche bildet, die zur Verbindungsseitenfläche (4) parallel ist und
daß diese Türe die Verdampfereinheit(en) (5) trägt.

6. Anlage gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet,
daß die Nebenkammer (3) eine Auskleidung (5) aufweist und
daß diese Auskleidung von der Hauptkammerwand (2) und der Nebenkammerwand elektrisch isoliert ist.

7. Anlage gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nebenkammer wenigsten 2 rotationssymmetrische Verdampfereinheiten eingebaut sind.

8. Verdampfereinheit nach dem Prinzip der Katodenfußpunktverdampfung für eine Anlage für die plasmaunterstützte physikalische Bedampfung von Werkstücken, die einen oder mehrere Kathodenfußpunktverdampfereinheiten umfaßt, bestehend aus einem rotationssymmetrischem Topf (12), der mit der Kammerwand (37) der Anlage fest verbunden ist, einer ebenen kreisförmigen Targetfläche (13), die aus wenigstens einer der Komponenten des Werkstoffs besteht, der die Schicht bilden soll, einer Wasserkühlung, einem beweglichen magnetfelderzeugendem Bauteil (16) dadurch gekennzeichnet, daß
das magnetfelderzeugende Bauteil (16) um eine Achse (23), die der Topfachse entspricht eine einfache Rotation ausführt
das vom magnetfelderzeugendem Bauteil erzeugte magnetische Feld nicht rotationssymmetrisch ist und
daß sie wenigstens zwei konzentrische Stromzuführungen aufweist.

9. Verdampfereinheit gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß sich unmittelbar an die Targetfläche ein vakuumdichter wasserdurchströmter Kühlkörper (14) anschließt und
daß sich hinter dem Kühlkörper das rotierende magnetfelderzeugende Bauteil (16) befindet.

10. Verdampfereinheit gemäß wenigstens einem der Anspruch 8-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsgeschwindigkeit des magnetfelderzeugenden Bauteils (16) wenigstens 50 Umdrehungen/Minute beträgt.

11. Verdampfereinheit gemäß wenigstens einem der Ansprüche 8-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsgeschwindigkeit wenigstens 500 Umdrehungen/ Minute erreicht.

12. Verdampfereinheit gemäß wenigstens einem der Ansprüche 8-11, dadurch gekennzeichnet, daß Wasserzuführung und Stromzuführung teilweise über zwei konzentrische Rohre (18), (24) erfolgt.

13. Verdampfereinheit gemäß wenigstens einem der Ansprache 8-12, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre aus Kupfer sind.

14. Verdampfereinheit gemäß wenigstens einem der Ansprüche 8-13, dadurch gekennzeichnet, daß,
eines der beiden Rohre elektrisch mit dem Zentrum (39) der Oberfläche (26) des Kühlkörpers verbunden ist, die an die Targetrückseite anschließt
eines der beiden Rohre mit der Randzone (40) der Oberfläche (26) des Kühlkörpers verbunden ist, die an die Targetrückseite anschließt.

15. Verdampfereinheit gemäß wenigstens einem der Ansprüche 8-14, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Widerstände der beiden Zuleitungen annähernd gleich sind.

16. Verdampfereinheit gemäß wenigstens einem der Ansprüche 8-15, dadurch gekennzeichnet, daß das rotierende magnetfelderzeugende Bauteil (16) sich an Luft befindet.

17. Verdampfereinheit gemäß wenigstens einem der Ansprüche 8-16, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetlinien (39), die Pole (30) und Gegenpole (31), (32) des magnetfelderzeugenden Bauteils (16) verbinden, die Targetoberfläche im Wesentlichen nur an jeweils einem Punkt Targetfläche durchstoßen.

18. Verdampfereinheit gemäß wenigstens einem der Ansprüche 8-17, dadurch gekennzeichnet, daß alle Polflächen (30) im Wesentlichen parallel zur Targetoberfläche orientiert sind und die meisten der Gegenpolflächen (31), (32), mit der Achse der Targetfläche (23) einen durchschnittlichen Winkel 13 einschließen und daß der Winkel β zwischen π/10 und π/3 beträgt.

19. Anlage und Verdampfereinheit gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1-7 und gemäß wenigstens einem der Ansprüche 8-18, dadurch gekennzeichnet daß der Winkel α gleich dem Winkel β ist.

20. Anlage und Verdampfereinheit gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1-7 und gemäß wenigstens einem der Ansprüche 8-18, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich, der zur Verbindungsfläche und einer der beiden Kammerwände unmittelbar benachbart ist, eine oder mehrere Anoden (31) angebracht sind, die wenigstens einen Teil des Lichtbogenentladungsstrom aufnehmen.