DE2823876C2

DE2823876C2 - Verfahren zum Verdampfen von Material mittels eines Niedervoltbogens

Info

Publication number: DE2823876C2
Application number: DE2823876A
Authority: DE
Inventors: Helmut Wangs Daxinger; Eberhard Dr. Balzers Moll
Original assignee: Balzers Hochvakuum 6200 Wiesbaden De GmbH; Balzers Hochvakuum 6200 Wiesbaden GmbH
Current assignee: OC Oerlikon Balzers AG
Priority date: 1977-06-01
Filing date: 1978-05-31
Publication date: 1984-04-19
Also published as: NL179660C; GB1589160A; FR2393079B1; FR2393079A1; NL179660B; DE2823876A1; US4197175A; NL7707659A; CH631743A5

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verdampfen von Material mittels eines Nledervoltbogens, wobei das ?u verdampfende Material mit Elektronen aus tier Niedervoltbogenentladung beschossen wird. Die Erfindung dient vor allem dem Verdampfen in Vakuumaufdampfanlagen.

Für die Verdampfung mittels Elektronenstrahls werden z. B. Elektronenstrahlverdampfer mit Glühkathode verwendet, wobei die für die Verdampfung erforderliche Leistungsdichte auf dem zu verdampfenden Material dadurch erreicht wird, daß ein relativ kleiner Elektronenstrom (z. B. 1 A) durch eine relativ große Spannung (z. B. 10 kV) beschleunigt wird. Dabei entsteht ein Strahl von geringem Querschnitt, der oft durch ein Magnetfeld in einer bogenförmigen Bahn auf das zu verdampfende Material geführt wird. Ein solcher Elektronenstrahl führt jedoch nur zu einer geringen Aktivierung (d. h. Ionisation, Anregung, Dissoziation) des Restgases und des Dampfes in der Aufdampfanlage. Dies hat mehrere Gründe: (1) die geringe Stromstärke; (2) die Wirkungsquerschnitte sind bei hohen Energien klein; (3) höhere Restgasdrücke können nicht zugelassen werden, denn sie führen zu Überschlägen an der Beschleunigungsstrecke ι und zur Zerstäubung der Glühkathode. Eine Aktivierung des Dampfes des Verdampfungsmaterials oder des Restgases im Aufdampfraum wäre aber zur Erzielung besserer Schichten bei vielen Aufdampfprozessen sehr erwünscht.

Bekannt sind auch bereits Elektronenstrahlverdampfer mit Hohlkathode. Man unterscheidet kalte und heiße Hohlkathoden (siehe z. B. CT. Wan. D.L. Chambers and D.C. Carmichael, The Journal of Vakuum Science anc Technology, Vol. 8, No. 8, p. VM 99, 1971). Beide Arten können im Gegensatz zum normalen Elektronenstrahlverdampfer bei Drücken oberhalb von lO^⁴ mbar betrieben werden; die erwünschte Strom-Charakteristik liefert jedoch nur die heiße Hohlkathode. Sie liefert hohe Ströme bei kleiner Brennspannung (z. B. 100 V, 100 A) und damit eine effektive Aktivierung des Restgases und des Dampfes. Heiße Hohlkathoden können jedoch nur schwer gezündet werden und erfordern deshalb eine zusätzliche Zündeinrichtung. Außerdem wird dabei das Kathodenmaterial zerstäubt und auf den zu beschichtenden Gegenständen als Verunreinigung niedergeschlagen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art unter Verwendung von relativ hohen Drücken gleichzeitig eine hohe Aktivierung des Restgases zu ermöglichen und die Zerstäubung des Kathodenmaterials zu vermindern bzw zu verhindern, daß etwa doch zerstäubtes Kathodenmaierial auf die Substrate gelangt. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß

a) das im Verdampfungsraum angeordnete, zu verdampfende Material selbst als Anode geschaltet wird;

b) die durch die genannte Öffnung eingeschnürte Entladung im Verdampfungsraum zusätzlich durch ein Magnetfeld auf die Anode geführt und zur Erzielung einer für die Verdampfung hinreichenden Leistungsdichte auf der Oberfläche der Anode gebündelt wird.

Dadurch 1st es vorteilhafterweise möglich, dem Elektronenstrahl-Brennfleck auf dem zu verdampfenden Material einen so kleinen Querschnitt zu geben, daß die erforderliche Leistungsdichte leicht erzielt wird. Durch passende Bemessung eines parallel zu der gebündelten Entladung verlaufenden Magnetfeldes kann sogar erreicht werden, daß der Elektronenstrahl trotz hoher Strahlstromstärkc Im Auldampfraum einen Querschnitt von der Größenordnung der erwähnten Öffnung /wischen der Glühkaihodenkammer und dem Aufdampfraum beibehält. Dadurch wird eine genügend hohe Verdampfungsgeschwindigkclt auch für schwer verdampfbare Metalle erzielt; eine Leistungsdichte auf der Oberilii-

ehe der Anode von mehr als 10 kW pro cm² ist zu empfehlen. Die Leistungsdichte und damit die Verdampfungsgeschwindigkeit kann mittels der Magnetfeldstärke variiert werden.

Um eine hohe Aktivierung des Restgises zu erreichen, empfehlen sich für den Niedervoltbogen Bogenspannung kleiner als 200 Volt, jedoch mit Strömen von mindestens 30 A. Auch ist es vorteilhaft, die Trennwand mit der Öffnung zwischen der Glöhkathodenkammer und dem Aufdampfraum elektrisch zu isolieren und bei der Durchführung des beschriebenen Verfahrens auf Schwebepotential zu halten, um eine Belastung der Blende durch Elektronen- oder Ionenbeschuß soweit wie möglich herabzusetzen, um dem Niedervoltbogen möglichst wenig Energie zu entziehen.

Das zu verdampfende Material kann entweder auf positivem oder Erdpotential gehalten werden, wobei dann die Kathode auf Erd- bzw. negatives Potential gelegt wird. Auch eine Betriebsweise, bei der sowohl die Kathode als auch das zu verdampfende Matrial auf positivem Potential gegenüber Masse gehalten werden. Ist möglich. Die zu bedampfenden Substrate liegen dabei im allgemeinen auf einem negativen Potential gegenüber dem Anodenpotential. Dabei entstehen-je nach Potentialdiflerenz und geometrischer Anordnung der Substrate unterschiedliche Bewegungsrichtungen der Ionen und unterschiedliche Dampfverteilungen im Aufdampfraum.

Die Spannung zwischen der Anode und den Substraten kann während der Durchlührung des Prozesses verändert werden. Z. B. kann man mit Hochspannung beginnen, um durch die damit verbundene hohe Zerstäubungsgeschwindigkeit eine gute Haftfestigkeit der Schicht zu erzielen, und den Prozeß dann bei niedriger Spannung fortsetzen, um ein gleichmäßiges Schichtwachstum sicherzustellen.

In der gleichen Auldampfkammer können mehrere Anoden aus unterschiedlichen Verdampfungsmaterialien vorgesehen werden, auf welche der Elektronenstrahl abwechselnd z. B. mit Hilfe geeigneter magnetischer Felder gelenkt wird.

Auch können im gleichen Aufdampfraum mehrere Anoden als Verdamplungsquellen mit zugehörigen, in getrennten Kammern untergebrachten Glühkathoden vorgesehen werden, so daß gleichzeitig oder nacheinander aus diesen Verdamplungsquellen unter gleichen oder unterschiedlichen elektrischen Bedingungen (Leistung, Leistungsdichte) aufgedampft werden kann. Das gleichzeitige Verdampfen aus mehreren DamplQuellen kann zur Herstellung von Legierungen nützlich sein.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des beschriebenen Verfahrens In Verbindung mit einer tür die Durchlührung des Verfahrens geeigneten Vorrichtung anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt eine Vakuumaufdamptkammer 17 mit elneir. Evakuierungsanschluß 18, welche durch eine Öffnung 6 mit einer Glühkathodenkammer 13 verbunden ist. In letzterer ist die Glühkathode 3 untergebracht, die durch das Stromversorgungsgeräi 1 gespeist wird. Am Boden der Aufdampfkammer 10 befindet sich der mittels der Kühlmlitelkanäle 21 und der Kühlmlttelzu- und -ableitungen 11 kühlbare Tiegel 20 für das zu verdampfende Material 19. In der Auldampfkammer 1st eine zylindermantellörmige Haltevorrichtung 8 zur Aufnahme der zu bedamplcnden Substrate angeordnet. Die Glühkathodenkammer weist außerdem eine Gasleitung 2 und einen Kühlmittelkanal 14 aul, wobei letzterer besonders zur Kühlung der Trennwand zwischen der Glühkathodenkammer und der Aufdamplkammer während des Betriebes dient.

Zur Erzeugung eines zur Achse " der Entladung ungefähr parallelen Magnetfeldes im Aufdampfraum sind am Bodenteil 10 und am Deckteil 16 der Aufdampfkammer außen Magnetspulen 5 angebracht.

Für die Durchführung des beschriebenen Verfahrens werden die zu beschichtenden Substrate an der der Dampfquelle zugewandten Seite der Haltevorrichtung 8 befestigt, das zu verdampfende Material in den Tiegel gegeben, die Aufdampfkammer geschlossen und evaku-

K) iert, und über die Leitung 2 ein geeignetes Gas in die Glühkathodenkammer eingeführt. Geeignet sind vor allem Edelgase, wenn eine Reaktion mit den Substraten vermieden werden soll, oder die entsprechenden reaktiven Gase, wenn eine solche Reaktion z. B. zwecks Her-

r> stellung von Schichten aus Metallverbindungen erwünscht ist. Z. B. kann man zur Erzeugung von Nitridschichten Stickstoff oder eine gasförmige Stickstoffverbindung einleiten, zur Erzeugung von Karbidschichten ein eine gasförmige Kohlenstoffverbindung enthaltendes

2(> Gas, zur Erzeugung von Boridschichten eine gasförmige Borverbindung oder zur Erzeugung von Oxidschichten Sauerstoff oder ein eine Sauerstoffverbindung enthaltendes Gas. Man kann aber auch beim reaktiven Aufdampfen Im Hinblick auf die Schonung der Glühkathode 3 in

2~> die Glühkathodenkammer 13 ein inertes Gas und zur Erzielung der erwünschten Reaktionen im Aufdamplraum in diesen über eine separate Zuleitung das gewünschte reaktive Gas getrennt einführen, so daß in letzterem während des Aufdampfens eine reaktive Restgasatmo-

)" Sphäre vorherrscht, deren Druck durch laufendes Abpumpen auf den für den vorgesehenen Prozeß optimalen Wert eingestellt werden kann.

Zur Herstellung von Titannitridschichten wurde in den Tiegel 20 Titanmetall in Stückform eingebracht, alsdann

i' die Anlage auf 10"⁴ mbar evakuiert und danach über die Leitung 2, die Glühkathodenkammer 13 und die Öffnung 6 Stickstoff in die Aufdampfkammer 17 eingeführt und daraus laufend abgepumpt. In solchem Maße, daß in der Glühkathodenkammer ein N_;-Druck von 5xlO'² mbar und in der Aufdampfkammer ein N_;-Restgasdruck von 5,2 χ 10-' mbar aufrechterhalten wurde. Dann wurde die auf Erdpotcntlal liegende Glühkathode mit 1,5 kW beheizt und darauf eine Spannung von + 70 Volt an die Anode gelegt. Durch kurzzeitiges Anlegen der Anoden-

■>"' spannung an die Trennwand 15 zwischen der Glühkathodenkammer 13 und der Auldampfkammer 17 wurde sodann der Niedervoltbogen gezündet (die vorstehenden und alle folgenden Spannungsangaben beziehen sich stets auf Spannungsdilferenzen gegenüber dem auf Erdpoten-

'"' tlal befindlichen Rezipienten). Es ergab sich ein über die Glühkathode fließender Strom von 116 A. Der über die Anode llleßende Strom betrug 131 A. Die Differenz zwischen den beiden Strömen von 15 A gib; den Strom an, der über die Substrate und den Rezipienten floß. Durch

" den auf den Tiegel 19 als Anode fließenden Elektronenstrom wurde das darin befindliche Titan geschmolzen und verdampfte mit etwa 0,3 g pro Minute. Unter der Einwirkung des durch die Nledervoltbogenentladung zwischen der Glühkathode und der Anode stark ionlsier-

^b" ten Restgases erhielt man auf den am Träger 8 befestigten Substraten eine harte, äußerst haftfeste Titannltrldschlcht von goldgelber Färbung. Derartige Schichten sind z. B. als Überzüge für Gebrauchsgegenstände, die einer starken Abnutzung unterworfen sind, nützlich.

Nachfolgend werden weitere Beispiele angeführt, welche die angewendeten Spannungen. Stromstärken und die Restgasatmosphärc bei der Verdampfung von Titan angeben. Bei diesen Beispielen wird eine Leistung von

etwa 5 bis 8 kW auf einer Anodenllüche von etwa 0,2 cm' angegeben (Haltwertsbrelte des Strahls etwa 0,5 cm).

Beispiele:

2. Gas: Argon, 5 ■ 10 ■' mbar Kathode: 0 V; 133 A Anode: +37 V; ISO A Reziplenl + Substrate: 0 V; 17 A; 629 W

3. Gas: Argon, 2,5 ■ 10 ■' mbar Kathode:-40 V; 152 A Anode: 0 V; 117 A Rezlplent + Substrate: 0 V; 35 A; 0 W

4. Gas! Argon, 2,5 ■ 10 ^ rnbur Kathode:+30V; 116 A Ancde: +80 V; 144 A Rezlplent + Substrate: 0 V; 28 A; 2240 W

5. Gas: Argon 5 ■ 10 ' mbar
Kathode: -40 V; 152 Λ
Anode: 0 V; 117 A
Rezlplent: 0 V: 30 A; 0 W
Substrate: -200 V; 5 A; 1000 W

6. Gas: N... 5 ■ 10 ·' mbar
Kathode: 0 V; 116 Λ
Anode: +70 V; 131 A

Rezlplent + Substrate: 0 V; 15 A: 1050 W

Bei der Herstellung reiner Metalischichten wird, wie schon erwähnt, mit einer Inerten Restgasatmosphäre gearbeitet. Harte widerstandsfähige Metallverblndunger aus Nitriden, Karbiden, Borlden und Oxiden kann mar dagegen durch reaktives Aufdampfen erhalten. Hlerfüi kommen. Insbesondere die Übergap.gselemente d. h. die Meialle der Nebengruppen der vierten bis achten Gruppe des periodischen Systems, also Titan bis Nickel, Zlrko nium bis Palladium und Hafnium bis Platin in Frage.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verdampfen von Material mittels eines N'edervoltbogens, wobei das zu verdampfende -, Material mit Elektronen aus einer Niedervoltbogenentladung zwischen einer in einer vom Verdamv>fungsraum getrennten, mit diesem durch eine Öffnung verbundenen Kammer angeordneten Glühkathode und einer Anode beschossen wird, und wobei während des Betriebes in die Glühkathodenkammer laufend Gas eingeführt wird und der Verdampfungsraum durch Pumpen unter einem für den vorgesehenen Beschichtungsprozeß hinreichenden Vakuum gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß r,

a) das im Verdampfungsraum (17) angeordnete, zu verdampfende Material (19) selbst als Anode geschaltet wird;

b) die durch die genannte Öffnung (6) eingeschnürte Entladung (7) fm Verdampfungsraum zusätzlich durch ein Magnetfeld auf die Anode geführt und zur Erzielung einer für die Verdampfung hinreichenden Leistungsdichte auf der Oberfläche der Anode gebündelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld parallel zu der gebündelten Entladung (7) verläuft und zur Beibehaltung eines Querschnitts des Elektronenstrahls im Verdampfungsraum von der Größenordnung der Öffnung (6) bemes- sen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Niedervoltbogenentladung mit einer Leistungsdichte auf der Oberfläche der Anode (19) von mehr als 10 kW pro cm² betrieben wird. r,

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfungsgeschwindigkeit durch Veränderung der Magnetfeldstärke variiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühkathode (3) auf Massepotential und das zu verdampfende Material (19) auf positivem Potential gegenüber Masse gehalten werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu bedampfenden Substrate (8) auf *^r> einem gegenüber der Anode (20) negativen Potential gehalten werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung zwischen der Anode (19) und den Substraten (8) während der Durchführung '>" des Prozesses verändert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Aufdampfraum (17) eine ein Reaktionsgas enthaltende Atmosphäre aufrechterhalten wird. ^v>

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Aufdampfraum (17) eine eine gasförmige Kohlenstoffverbindung enthaltende Atmosphäre aufrechterhalten wiru.