DE2305359A1 - Anordnung zur aufdampfung duenner schichten unter gleichzeitiger einwirkung eines ionisierten gases - Google Patents

Description

BALZSRS HOCHVAKUUM GMBH, Heinrich-Herfcz-Str.6, D 6 Prankfurt/M

Anordnung zur Aufdämpfung dünner Schichten unter gleichzeitiger Sinviirkung eines ionisierten Gases.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Aufdampfung dünner Schichten unter gleichzeitiger Einwirkung eines ionisierten Gases.

Es ist ein Verfahren zur Herstellung von dünnen Schichten bekannt, bei dem in einer Vakmimaufdarnpfanlage ein Stoff in Anwesenheit einer mit desem Stoff chemisch reagierenden Atmosphäre verdampft und auf den zu beschichtenden Gegenständen

eine Schicht niedergeschlagen wii'd, Vielehe der aus der erwähnten chemischen Reaktion resultierenden chemischen Verbindung entspricht. Hauptsächlich wurde dieses Verfahren bisher angewendet, um beim Aufdampfen von oxydierbaren Substanzen in einer Sauerstoffatmosphäre geringen Druckes Oxidschichten zu erzeugen; aber auch Schichten aus anderen Verbindungen z. B. Nitriden, Sulfiden und dgl. können so hergestellt werden.

Bemerkenswert ist, dass viele der auf diesem VIege erhältliche Schichten praktisch absorptionsfrei sind, wogegen man :oft eine erhebliche, für viele Anwendungen sehr störende Lichtabsorption in Kauf zu nehmen hat, wenn man dieselben ansieh, absorptionsfreien Verbindungen direkt aufzudampfen versucht. Letzteres führt nämlich erfahrungsgemäss sehr häufig zu einer teilweisen Zersetzung der verdampften Verbindungen, so dass Niederschläge anderer chemischer Zusammensetzung (z.B. bei der Verdampfung von Oxiden Suboxide) entstehen.

Das Verfahren der reaktiven Aufdämpfung ist z.B. in der

. Patentschrift No. näher beschrieben

worden. Darin ist auch schon vorgeschlagen vrorden, die reaktive Äufdarapfung in einer Atmosphäre durchzuführen, welche Ionen des ,verbindungsbildenden Gases enthält. Es ist bekannt,

309837/1051

zu diesem Zweck in der Audacipfkaminer ein Gasentladunsssefäss vorzusehen, dessen Wand eine Oeffnung aufweist, durch welche das ionisierte Gas in den Aufdampfraum austreten kann.

In den letzten Jahren ist immer mehr die Forderung aufgetreten, Schichten herzustellen, die eine geringstmögliche Absorption besitzen, so dass sie z. B. Lichtströmen höchster Intensität (Laser) ausgesetzt werden dürfen, ohne zerstört zu werden. Diese und andere Anwendungsmöglichkeiten haben dazu geführt, dass dem Verfahren der reaktiven Aufdampfung in einer ionisierten Atmosphäre in letzter Zeit wieder mehr Aufmerksamkeit geschenkt wurde« Aber auch wenn es nicht auf höchste Absorptionsfreiheit ankommt, ist das reaktive Aufdampfen in einer ionisierten Atmosphäre für die. fabrikationsmässige Herstellung dünner Schichten interessant, v/eil es - wie Versuche gezeigt haben - auf diese Weise gelingt, harte und haftfeste Schichten mit grösserer Aufdampfgeschwindigkeit und bei besserem Vakuum als bisher möglich war, herzustellen. Die vorliegende Erfindung hat sich dementsprechend zum Ziel gesetzt, eine Anordnung anzugeben, mit welcher eine solche reaktive Aufdampfung in ionisierter Atmosphäre mit wesentlich höherem Wirkungsgrad als bisher durchgeführt werden kann.

Die erfindungsgemässe Anordnung zur Aufdämpfung dünner Schichten auf Unterlagen unter gleichzeitiger Einwirkung eines ioni-

309837/1051

sierten Gases ist dadurch gekennzeichnet, dass eine in zwei miteinander durch eine Gasströmungsdrosselstelle verbundene Teilräume unterteilte Gasentladungskammer vorgesehen ist, wobei der erste Teilraum eine Gasentladungselektrode aufweist und mit einer Zuführung für das zu ionisierende Gas

,und

verbunden ist,/ dass die Gegenelektrode und eine Verdampfungseinrichtung sowie Haltevorrichtungen für die zu bedampfenden Gegenstände im zweiten Teilräum angeordnet sind, und dieser mit einer. Vakuumpumpe zur Aufrechtarhaltung eines Druekgefälles zwischen den beiden Teilräumen während des Aufdampfens verbunden idt. \ '

Wie die Erfindung praktisch ausgeführt werden kann, soll an Hand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden.

Figur 1 zeigt schematisch die Gesamtanordnung eines Ausführungs· beispiels, wobei der eine Teilraum als Vorkammer in einer Gaszuführung zu dem als Aufdampfkammer dienenden zweiten Teilraum ausgebildet ist und die Vorkammer über eine Gasdrosselstelle in Form einer Düse mit der Auf dampf kammer in Verbindung steht.

Die Figur 2 zejg£ eine mögliche Ausbildung der* Vorkammer und des Düsenrohres als bauliche Einheit, welche an eine übliche Aufdampfanlage angeflanscht werden kann, um eine Anordnung' zur Auf dampf ung dünner Schichten gerr.äss Erfindung zu erhalten.

309837/1051

Die Figur J zeigt schematisch eine weitere mögliche Anordnung mit einer durch eine Trennwand in 2 Teilräume unterteilten Gasentladungskaminer.

In Figur 1 bezeichnet 1 die Glocke und. 2 die Grundplatte einer Vakuumaufdampfanlage, mit einer Verdampfungseinrichtung 5 und einer Haltevorrichtung H- für die zu bedampfenden Gegenstände 5· An die Verdampfungskammer sind die Vakuumpumpen 6 und die Ga.szuführungsleitung 7 angeschlossen.

Mit einer solchen Aufdampfanlage kann das bekannte Verfahren des reaktiven Aufdampfens durchgeführt werden, indem nach Einbringen der zu bedampfenden Gegenstände die Anlage evakuiert, bis zu einem gewissen Druck (üblicherweise etwa 1O~ Torr) mit einem reaktiven Gas z. B. mit Sauerstoff gefüllt und dann die Verdampfung einer in der Verdampfungs-" einrichtung 3 befindlichen, mit dem Gas reagierenden Substanz durchgeführt wird, wobei eine Schicht aus dem Reaktionsprodukt auf den Gegenständen 5 niedergeschlagen wird.

Um nun eine solche reaktive Aufdampfung in einer ionisierten Gasatmosphäre ausführen zu können, ist die Sinrichtung zur Zuführung des reaktiven Gases beispielsweise gernäss Figur ausgebildeti

309837/1051

Das Gaszuführungsrohr 7 ist mit einer Vorkammer 8 verbunden, in der sich eine axial angeordnete rohrförmige Hochspannungselektrode 9 befindet. Das Rohr 7 und die Wände der Vorkammer 8 können beispielsweise aus Quarz oder Aluminiumoxid bestehen. Der Bodenteil 10, welcher die Vorkammer abschliesst ist als Spannung s auf ührung und Haltevorrichtung für die Stabelektrode 9 ^ur*d gleichzeitig als Gaseinlass in die Vorkairner ausgebildet. Zu diesem Zweck ist die Bohrung 11 vorgesehen, die sich durch den rohrförmigen Slektrodenstab fortsetze. Das für die reaktive Aufdampfung erforderliche Gas wird aus einem Behälter 17 über ein Ventil 18 (Figur!) durch die Bohrung 11 und das Rohr 9 laufend in die Vorkammer eingelassen und strömt von da über das Rohr 7 in die Auf dampf kammer. Dabei wirkt das Rohr 7 als Gasströmungsdrosselstelle; ist . für die Durchführung des Verfahrens im besonderem Falle nur eine sehr geringe Gaseins trörnung in die Auf dampf kammer erwünscht, dann kann man ein Rohr 7 verwenden, dessen Ende geschlossen ist und lediglich eine Bohrung 12 aufweist, v,⁷ie dies die Figur 2 a vergrössert zeigt.

Ura die Vorkammer 8 und das Rohr 7 während des Betriebes kühlen zu können sind beide von einem Mantel 7& bzw. 8a unigeben und sind Anschlüsse Ij5 und lK zur Durchleitung eines Kühlrnediums durch die Kühlmantel vorgesehen. Ferner ist das Rohr

309837/1051

mit einer elektrisch isolierenden Hülle 15 umgeben und ist ein Plansch Io angebracht, um die beschriebene Einrichtung an eine Oeffnung in der Wand der Aufdampfkammer vakuumdicht anflanschen zu können, wie dies die Figur 1 andeutet.

Zum reaktiven Aufdampfen wird das Reaktionsgas laufend in den Aufdampfraum eingeführt und aus diesem mittels der Pumpe kontinuierlich in solchem Masse abgepumpt, dass in der Aufdampfkaramer gerade der benötigte Druck der reaktiven Atmosphäre sich einstellt. V/ird gleichzeitig an die Elektrode Q eine Hochspannung von beispielsweise tausend Volt angelegt, dann bildet sich zwischen dieser und der auf Erdpotential befindlichen als Gegenelektrode wirkenden Haltevorrichtung 4 für die zu bedampfenden Gegenstände durch die Gasströmungsdrosselstelle hindurch eine elektrische Gasentladung aus, welche die gewünschte Ionisation des reaktiven Gases der Aufdampfkammer ergibt. Es hat sich gezeigt, dass es im allgemeinen vorteilhafter ist, wenn die Elektrode in der Vorkammer auf negativen Potential liegt, doch kann auch Wechselspannung verwendet werden, wobei wenigstens in der einen EaIbwelle die gewünschte Ionisierungswirkung in der Aufdampfkarnmer eintritt.

Mit der beschriebenen Anordnung wurden mit Spannungen vcji 0,5 bis zu einigen kV und bei Vakuas im Aufdampfraum von

309837/1051

-~5 -5
ungefähr 10 bis 10. Torr 3ntladungsstromstärken von 100 mA bis einigen Ampere erzielt.

Im Sinne des Patentanspruches stellt die Vorkammer 8 einen ersten Teilraum der Gasentladungskammer dar, wobei der zweite Teilraum durch den Innenraum der Aufdampfanlage, und die Gasdrosselstelle zwischen den. beiden Teilräumen durch das Rohr 7 bzw. die Oeffnung 12 gebildet wird.

Die beschriebene Anordnung hat den Vorteil, dass die Kochspannungselektrode völlig ausserhalb der Aufdampfkammer, nämlich in einem abgeschirmten Gehäuse unterhalb der Grundplatte derselben angeordnet werden kann, sodass auch bei geöffneter Glocke 1 z. B. beim Beschicken der Anlage mit dem zu beschichtenden Gut keine Gefahr für das Bedienungspersonal besteht.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die Innenwand der Vorkammer als Hochspannungselektrode ausgebildet werden. In diesem Falle muss sie aus Metall bestehen und mit der Hochspannungszuführung elektrisch leitend verbunden sein. Eine, solche Elektrode besitzt eine grössere Fläche als die Stabelektrode 9 und kann deshalb eine grössere elektrische Leistung der Gasentladung aufnehmen, ohne unzulässig stark

309837/1051

erwärmt zu werden. Bei dieser zuletzt genannten Ausführungsform könnte das Rohr 9 fehlen bzw. hat es lediglich noch die Funktion eines Gaseinlasses in die Vorkammer. Es ist zweckraässig, es so zu dimensionieren, dass es zusammen mit der Bohrung Il einen hinreichend grossen Strömungswiderstand für das aus dem Behälter 1" über das Ventil 18 in die Vorkammer einzulassende Gas darstellt. Da hiebei zwi sehen der Vorkammer 8 und dem auf Erdpotential befindlichen Ventil 18, mit welchem die Vorkammer über eine elektrisch isolierende Rohrleitung verbunden ist, ein Druckunterschied zustande kommt, kann auf diese V/eise der Gefahr begegnet werden, dass die elektrische Gasentladung in der Vorkammer sich durch die Bohrung 11 hindurch bis zum Einlassventil l8~hin ausbreitet.

Die Anordnung der Figur 3 zeigt schematisch eine andere Möglichkeit der Ausbildung des Gasentladungsraumes mit einer Druckstufe, also der Aufteilung in z'wei Teilräume, in denen beim Betrieb ein unterschiedlicher Gasdruck herrscht. In Figur 3 bedeutet 20 die Grundplatte und 21 die Glocke einer üblichen Aufdampfanlage. An der Unterseite der Grundplatte ist, gegenüber dieser elektrisch isoliert, die Vorkammer angesetzt. Die Trennwand zwischen dem Raum 23 und dem ?>&.un wird durch eine Platte 25 aus einem elektrisch isolierenden

309837/1051

Werkstoff gebildet, in der sich die als Gasströmungsdrosselstelle wirkende Oeffnung 26 befindet.. Elektrode und Gegenelektrode der Gasentladung können entweder wiederum durch die Wände der beiden genannten Kammern 21 und 22 gebildet werden oder als besondere Sinbauelektroden ausgebildet werden. Die Figur 3 zeigt eine solche Einbauelektrode 27. Die sonstigen Einrichtungen z. B. für den Gaseinlass in die Vorkammer. Auf dampfeinrichtungen und Haltevorrichtungen für die zu bedampfenden Gegenstände können in beliebiger Weise z.B. entsprechend der Figur 1 ausgebildet sein.

Wenn die zu bedampfenden Gegenstände im besonderen Falle nicht, wie in Figur 1 skizziert, oberhalb des als Gasströmungsdrosselstelle ausgebildeten RohresY angeordnet" sind, sondern sich seitlich der 'Verdampfungseinrichtung und des in die Aufdampfkammer hineinragenden Gaszuführungsrohres befin-» den, dann kann auch die Bohrung 12 dementsprechend seitlich angebracht sein, um einen auf die zu bedampfenden Gegenstände zu gerichteten, ionisierten Gasstrahl zu erhalten.

Die Gegenelektrode in der Aufdampfkammer wird zweckmässigerv/eise auf Brdpotential· gelegt, wie die Beispiele zeigten. Selbstverständlich ist es aber auch möglich, an eine in der Aufdampfkammer elektrisch isoliert aufgestellte Gegenelektrode,

309837/1051

ζ. B. an die als solche ausgebildete Haltevorrichtung für die zu beschichtenden Gegenstände eine Spannung solcher Polarität anzulegen, dass sie gegenüber den Ionen als Saugspannung wirkt. Wenn die Elektrode in der Vorkammer sich also auf negativem Potential befindet, wird man für die Haltevorrichtung eine positive Saugspannung verwenden. Eine solche Massnahnie kann günstig sein, um die Ionen auf die zu beschichtenden Gegenstände zu konzentrieren.

Der Fortschritt der durch die Erfindung erzielt wurde, beruht wahrscheinlich darauf, dass im Bereich der zu fcescnichtenden Gegenstände in der Aufdampfkamraer eine wesentlich grössere Ionendichte als bisher möglich war, erzielt wird. Dies wiederum ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass das reaktive Gas in der Aufdampfkammer vom gesamten Entladungsstrom durchflossen wird, der, wie erwähnt, mehrere Ampere betragen kann. Dies im Gegensatz zu bekannten Anordnungen, bei denen die Entladung zwisehen zwei Elektroden in einer besonderen vom Aufdampfraum abgetrennten Gasentladungszelle stattfindet und lediglich ein kleiner Teil der in dieser Entladung erzeugten Ionen durch eine Oeffnung in der Wand der Zelle in den Aufdampfraum gelangen kann.

309837/1051

Claims (9)

PATENTANSPRUECHE

1. Anordnung zur Aufdampfung dünner Schichten auf Unterlagen unter gleichzeitiger Einwirkung eines ionsierten Gases dadurch gekennzeichnet, dass eine in zwei miteinander durch eine Gasströmungsdrosselstelle verbundene Teilräume unterteilte Gäsentladungskammer vorgesehen ist, wobei der erste Teilraum eine Gasentladungselektrode aufweist und mit einer Zuführung für das zu ionisierende Gas verbunden ist, und dass die Gegenelektrode und eine Verdampfungseinrichtung, sowie Haltevorrichtungen für die zu bedampfenden Gegenstände im zweiten Teilraum angeordnet sind und dieser mit einer Vakuumpumpe zur Aufrecht erhalt ung eines Druckgefälles zwischen den beiden Teilräumen während des Aufdampfens verbunden ist.

2. Anordnung nach Patentanspruch 1, dadurch g e kennzei chnet, dass der erste Teilraum als Vorkammer in einer Gaszuführung zu dem als Aufdampfkammer dienenden zweiten Teilraum ausgebildet ist, und die Vorkammer über eine Gasdrosselstelle mit der Aiiäampfkammer in Verbindung steht.

309837/1051

3» Anordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode durch die Innenwand der Aufdampfkammer gebildet wird.

4. Anordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode durch die Haltevorrichtung für die zu bedampfenden Gegenstände gebildet wird.

5. Anordnung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorkammer eine Hochspannungselektrode angeordnet ist.

6. Anordnung nach Patentanspruch 2, dadurch g e kennzei chnet, dass die Innenwand der Vorkammer als Hochspannungselektrode ausgebildet ist.

7. Anordnung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasströmungsdrosselstelle als ein die beiden Teilräume verbindendes Rohr ausgebildet ist.

8. Anordnung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasströmungsdrosselstelle als eine auf den Ort der zu beschichtenden Ge-

309837/1051

Of

genstände in der Aufdampfkammer zu gerichtete Düse ausgebildet ist.

9. Anordnung nach Patentanspruch 2, dadurch g e kennzei chnet, dass die Gasdrosseüsbelle als
■ Bohrung in einer elektrisch isolierenden Trennwand zwischen den beiden Teilräumen ausgebildet ist.

PR 72OI

309837/1051

Leerseite