DE69634071T2

DE69634071T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Beschichten eines Substrats

Info

Publication number: DE69634071T2
Application number: DE69634071T
Authority: DE
Inventors: Pierre Vanden Brande; Stephane Lucas; Alain Weymeersch
Original assignee: Cockerill Sambre SA
Current assignee: ArcelorMittal Liege Upstream SA
Priority date: 1995-12-20
Filing date: 1996-11-19
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2016-11-20
Also published as: ES2235178T3; DK0780486T3; EP0780486B1; PT780486E; DE69634071D1; ATE285484T1; BE1009838A3; EP0780486A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung einer Beschichtung auf Basis eines Elements, insbesondere eines Metalls, auf einem Substrat in einer Kammer, welche ein Target umfaßt, das eine gegen das Substrat orientierte und das Element enthaltende Oberflächenschicht aufweist, wobei dieses Verfahren umfaßt:

– ein Halten des Targets bei einem negativen Potential in Bezug auf das Substrat, eine Bildung eines Plasmas zwischen der Oberflächenschicht und dem Substrat, in einem Magnetfeld, und ein Bringen des Targets auf eine Temperatur, die ausreicht, um es zu ermöglichen, daß das Element in der Kammer einen Dampfdruck aufweist, der einen Übergang in einen Dampfzustand veranlaßt;
– einen Übergang in einen Dampfzustand einer ersten Menge des Elements aus der Oberflächenschicht, um einen Dampf zu bilden, und eine Kondensation dieses Dampfs auf dem Substrat;
– gleichzeitig mit dem Übergang in einen Dampfzustand und der Kondensation, eine Kathodenzerstäubung der Oberflächenschicht des Targets, um auf das Substrat eine zweite Menge des vorstehend genannten Elements aufzubringen;
– eine Einstellung der Verlustleistungsdichte an dem Target; und
– einen Wärmeübergang zwischen dem Target und einem Kühlsystem

Die vorliegende Erfindung bietet insbesondere ein Verfahren zur Bildung einer Beschichtung auf einem Substrat durch Kondensation eines Elements auf diesem Substrat, das sich durch eine Kammer, in der die Verdampfung des Elements stattfindet, bewegt.
Die bisher bekannten Verfahren der vorstehend genannten Art weisen insbesondere den Nachteil auf, daß sich in bestimmen Fällen, vor allem bei relativ erheblichen Dicken der Beschichtung, Haftungsprobleme ergeben können.
Außerdem ist die Homogenität der Beschichtung sowohl im Hinblick auf die Zusammensetzung als auch im Hinblick auf die Dicke nicht immer konstant.
Eines der wesentlichen Ziele der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu beheben und somit eine sehr gute Haftung der Beschichtung auf dem Substrat selbst bei relativ erheblichen Dicken sicherzustellen, wobei hohe Auftragungsgeschwindigkeiten und infolgedessen ein erhöhter Durchsatz sichergestellt werden.
Um dieses Problem zu lösen, ist erfindungsgemäß ein Verfahren wie eingangs beschrieben vorgesehen, wobei dieses Verfahren ferner umfaßt:

– eine kontinuierliche Bewegung des Substrats durch die Kammer, mit kontinuierlicher Bildung der Beschichtung auf diesem sich bewegenden Substrat; und
– eine Einstellung eines Verhältnisses zwischen der ersten Menge und der zweiten Menge des Elements während der Bildung der Beschichtung auf dem Substrat, durch Variieren der Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Target und dem Kühlsystem und Variieren der Verlustleistungsdichte an dem Target.

Weitere Details und Besonderheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, die beispielhaft und nicht auf eine besondere Ausführungsform der Erfindung einschränkend ist, unter Bezugnahme auf die einzige beigefügte Figur, die einen vertikalen Längsschnitt durch eine spezifische Vorrichtung für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch darstellt.
Die Erfindung betrifft allgemein ein vorzugsweise kontinuierliches Verfahren zur Bildung einer Beschichtung auf einem beliebigen Substrat, wobei das Verfahren aus der Kombination der an sich bekannten Technik der Verdampfung und Kondensation unter Vakuum und der an sich ebenfalls bekannten Technik der Kathodenzerstäubung, auch "sputtering" genannt, besteht.
Erfindungsgemäß wurde allerdings festgestellt, daß sich beim gleichzeitigen Anwenden dieser beiden bekannten Techniken ein gewisser gegenseitiger Synergieeffekt einstellt, der ein Vermeiden der Nachteile zum Ergebnis hat, die jede dieser einzeln eingesetzten Techniken aufweist.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, auf einem Substrat oder Träger Auftragungen mit sehr hoher Geschwindigkeit zu erzielen, so daß das Verfahren vorteilhafterweise kontinuierlich durchgeführt werden kann. Außerdem werden Beschichtungen mit einer perfekten Homogenität und eine bessere Haftung im Vergleich zur alleinigen Verwendung der Technik der Vakuumverdampfung erhalten. Der Anteil der einen oder der anderen Technik an der Bildung der vorgenannten Beschichtung ist eine Funktion der an dem Target aufrechterhaltenen Leistungsdichte und des Wärmeübergangs zwischen dem Target und dem Kühlsystem, die die Temperatur des Targets bestimmen, sowie eine Funktion der Art des zu verdampfenden und zu zerstäubenden Elements.
Daher wird erfindungsgemäß, wie in der Figur dargestellt, das mit einer vorzugsweise metallischen Beschichtung 2 zu überziehende Substrat 1 durch eine Vakuumkammer 3 bewegt, in der die Verdampfung und die Kathodenzerstäubung des Elements, aus dem die Beschichtung 2 besteht, stattfinden.
Obwohl die Erfindung nicht auf die Bildung einer metallischen Beschichtung beschränkt ist, wird zur Erleichterung der Beschreibung nachfolgend nur ein Metall als Element, aus dem die Beschichtung besteht, erwähnt.
Bei der in der vorgenannten Figur gezeigten spezifischen Ausführungsform wird das Substrat 1 von einer metallischen Folie, insbesondere von einem Stahlblech, gebildet, das die Kammer 3 in einer kontinuierlichen Weise durchläuft.
Diese Kammer 3 umfaßt ein Target 4, das eine gegen das Substrat 1 orientierte Oberflächenschicht 5 umfaßt, welche das zur Bildung der Beschichtung 2 bestimmte Metall im flüssigen Zustand enthält. Dieses Target 4 wird in der Praxis vorzugsweise durch einen Tiegel gebildet, der das vorstehend genannte Metall im flüssigen Zustand enthält. Dieser Tiegel 4 ist aus einem Material hergestellt, das erhöhten Temperaturen in der Größenordnung von 1.000°C bis 1.300°C standhalten kann und das bei diesen erhöhten Temperaturen nicht durch das Element, das es enthält, angegriffen wird. Er kann aus einem nicht elektrisch leitenden Material, wie z. B. aus Tonerde, aus Bornitrid, etc. oder aus einem elektrisch leitenden Material, wie z. B. aus Kohlenstoff, aus Molybdän, aus Wolfram, etc., sein. Die Wahl dieses Materials hängt im wesentlich von seinen Widerstandseigenschaften gegenüber dem zu verdampfenden und zu zerstäubenden Metall ab.
In dem Fall, in dem der Tiegel 4 aus einem nicht leitenden Material hergestellt ist, muß eine Stromzuführung 6 ermöglichen, daß das zu verdampfende Metall mit Leistung versorgt wird. Wenn der Tiegel hingegen aus einem elektrisch leitenden Material ist, kann dieser mechanisch durch eine Stromzuführung unterstützt werden. Allerdings kann es selbst im Fall eines aus einem leitenden Material hergestellten Tiegels vorzuziehen sein, eine Stromzuführung 6 unmittelbar in Kontakt mit dem zu verdampfenden und zu zerstäubenden Metall zu verwenden, um unabhängig von den thermischen Ausdehnungen einen guten elektrischen Kontakt sicherzustellen. Die Seitenwände eines Tiegels aus einem leitenden Material sind vorteilhafterweise durch eine Abschirmung 7 elektrisch isoliert, wodurch ermöglicht wird, die Bildung einer Entladung (Plasma) an den Seiten des Tiegels und folglich die Kathodenzerstäubung an diesen Seitenwänden zu vermeiden. Das Verhältnis der Mengen, die gleichzeitig verdampft und zerstäubt werden, wird über die Temperatur des Targets aktiv eingestellt, indem die Verlustleistung an dem Target und die Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Target und dem Kühlsystem variiert werden. Diese thermische Steuerung erlaubt es dem in dem Tiegel 4 enthaltenen Element, insbesondere dem Metall, ausreichende Temperaturen zu erreichen, so daß der Dampfdruck in der Kammer 3 schließlich einen Prozeß der Vakuumverdampfung bewirkt. Außerdem ist der Tiegel 4 oberhalb eines Magnetkreises 8 angeordnet, der somit eine Magnetronentladung ermöglicht. Dieser Magnetkreis 8 wird vorzugsweise mit Gleichstrom versorgt.
Der Magnetkreis 8 wird durch einen Wasserkreislauf so gekühlt, daß er bei einer Temperatur von 15°C bis 60°C, vorzugsweise in der Größenordnung von 20°C bis 40°C, gehalten wird.
Darüber hinaus wird die thermische Steuerung des Tiegels 4 durch an sich bekannte Mittel verwirklicht, wie beispielsweise eine Einstellung des Wärmeübergangs durch Isolationselemente mit konstanter oder variabler Wärmeleit fähigkeit 9, die unterhalb des Tiegels 4 angeordnet sind und es ermöglichen, die Temperatur des Tiegels 4 zwischen 200°C und 1.500°C, je nach der Art des in letzterem enthaltenen Metalls, zu halten, zum Beispiel in der Größenordnung von 1.200°C im Fall von Zinn. Die Temperatur bestimmt den Dampfdruck und folglich die Verdampfungszeit des Metalls.
Gemäß einer Variante der Erfindung kann die vorstehend genannte thermische Steuerung ein regulatives, leitendes Fluid von der Art, wie es in der Druckschrift EP-A-0685571 beschrieben ist, umfassen.
Um die Kathodenzerstäubung zu ermöglichen, wird das zu verdampfende und zu zerstäubende, in dem Tiegel 4 enthaltende flüssige Metall 5 bei einem negativen Potential in Bezug auf das Substrat 1 gehalten, und es wird in der Nähe der Füllhöhe dieses flüssigen Metalls 5 aufgrund der Gegenwart des Magnetkreises 8 ein Plasma 10 erzeugt.
Ein Inertgas, wie beispielsweise Argon, wird durch Düsen 11 in die Kammer 3 eingeführt, vorzugsweise schräg gegen das Plasma 10 und gegen das in dem Tiegel 4 enthaltene flüssige Metall 5 gerichtet.
Auf diese Weise wird dieses Gas ionisiert und die so gebildeten Ionen bombardieren die Oberfläche des flüssigen Metalls 5, wobei sie Partikel dieses Metalls in Richtung auf das Substrat herausschleudern.
Die Druckschrift EP-A-0685571 beschreibt ein Verfahren zur Kathodenzerstäubung, das im Rahmen der vorliegenden Erfindung anwendbar ist und das eine geeignete Einstellung der Temperatur des Tiegels in oben beschriebenem Sinne vermittelt, um den erforderlichen Dampfdruck des vorstehend genannten Metalls oberhalb des Tiegels 4 zu erreichen.
Die Einstellung der Geschwindigkeit der Abscheidung dieses Metalls auf dem Substrat ergibt sich erfindungsgemäß durch den gemeinsamen Effekt der Einstellung der Leistungsdichte und des Wärmeübergangs.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Entladung oder das Plasma in dem von dem Metall oberhalb des Tiegels gebildeten Dampf aufrechterhalten. Es wurde festgestellt, daß in diesem Fall der durch die Düsen 11 in das Plasma gesprühte Inertgasstrom stark reduziert oder sogar weggelassen werden kann.
Es hat sich erwiesen, daß eine stabile Entladung erreicht werden kann, wenn der gesamte Gasdruck in der Kammer, einschließlich des Metalldampfes und des Inertgases, zwischen 0,002 und 0,5 Torr liegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere mit Zinn, Aluminium, Zink, Chrom und Nickel als gleichzeitig zu verdampfendem und zu zerstäubendem Metall anwendbar.
Der Tiegel 4 kann z. B. aus Graphit, Tonerde oder Molybdän gebildet sein.
Nachstehend sind einige Zahlenangaben von Tests aufgeführt, die mittels einer Vorrichtung vom Typ derjenigen, die in der beigefügten Figur gezeigt ist, durchgeführt wurden, wobei das Metall durch Zinn gebildet wurde.
Das Substrat wurde von einem Stahlblech von 0,25 mm gebildet, dessen eine Seite mit einer Beschichtung aus Zinn überzogen wurde.
Bei diesen Tests fand die thermische Steuerung im wesentlichen mittels einer regulativen Glimmerfolie statt, die eine Wärmeleitfähigkeit von 0,35 Wm^–1K^–1 und eine Dicke von 3 mm aufwies.
Die folgenden Ergebnisse wurden erhalten:
Bei dem Test Nr. 3 betrug der Dampfdruck P_Sn 5 × 10^–3 Torr, was es erlaubte, den als Inertgas zum Ionisieren verwendeten Argonstrom abzustellen.
In dem Fall, in dem der thermische Kontakt perfekt ist:
Die Ergebnisse der Tests Nr. 1 bis 3 zeigen, welchen Einfluß die Leistungsdichte hat.
Der Vergleich der Ergebnisse der Tests Nr. 3 und 4 zeigt, daß die reine Zerstäubung (perfekter thermischer Kontakt) für eine Abscheidungsgeschwindigkeit entsprechend der Größenordnung von 4 μm/min fünfmal mehr Leistung erfordert als die Zerstäubung plus Verdampfung (3 mm Glimmer).
Wenn bei dem Test Nr. 3 das Blech gekühlt war, betrug die Erhöhung der Temperatur 1 K, während bei einem nicht gekühlten Blech diese Erhöhung 69 K betrug.
Bei dem Test Nr. 4 betrug die Erhöhung der Temperatur bei einem gekühlten Blech 0,15 K und bei einem nicht gekühlten Blech 14 K.
Es versteht sich von selbst, daß die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform des Verfahrens zur Bildung einer Beschichtung auf einem Substrat und der in der beigefügten Figur dargestellten Vorrichtung beschränkt ist, sondern daß viele Varianten in Betracht gezogen werden können, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen, insbesondere was die Art des zu beschichtenden Substrats, das Element, aus dem die Beschichtung gebildet wird, die Mittel der thermischen Steuerung, etc. betrifft.
So kann in dem Fall, in dem das vorstehend genannte Element durch Zink gebildet wird, dieses im festen Zustand vorliegen und auf eine Temperatur in der Größenordnung von 450 bis 500°C erhitzt werden, um auf diese Weise eine Sublimation des Zink in ausreichendem Umfang zu erzielen. Das Zink kann z. B. in Form von Granulen in dem Tiegel vorliegen.
Folglich muß im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter "Verdampfung" der Übergang in den Dampfzustand ausgehend von einem Element sowohl im flüssigen Zustand als auch im festen Zustand am Target verstanden werden.

Claims

Verfahren zur Bildung einer Beschichtung auf Basis eines Elements, insbesondere eines Metalls, auf einem Substrat in einer Kammer, welche ein Target umfaßt, das eine gegen das Substrat orientierte und das Element enthaltende Oberflächenschicht aufweist, wobei dieses Verfahren umfaßt: – ein Halten des Targets bei einem negativen Potential in Bezug auf das Substrat, eine Bildung eines Plasmas zwischen der Oberflächenschicht und dem Substrat, in einem Magnetfeld, und ein Bringen des Targets auf eine Temperatur, die ausreicht, um es zu ermöglichen, daß das Element in der Kammer einen Dampfdruck aufweist, der einen Übergang in einen Dampfzustand veranlaßt; – einen Übergang in einen Dampfzustand einer ersten Menge des Elements aus der Oberflächenschicht, um einen Dampf zu bilden, und eine Kondensation dieses Dampfs auf dem Substrat; – gleichzeitig mit dem Übergang in einen Dampfzustand und der Kondensation, eine Kathodenzerstäubung der Oberflächenschicht des Targets, um auf das Substrat eine zweite Menge des vorstehend genannten Elements aufzubringen; – eine Einstellung der Verlustleistungsdichte an dem Target; und – einen Wärmeübergang zwischen dem Target und einem Kühlsystem; dadurch gekennzeichnet, daß es ferner umfaßt: – eine kontinuierliche Bewegung des Substrats durch die Kammer, mit kontinuierlicher Bildung der Beschichtung auf diesem sich bewegenden Substrat; und – eine Einstellung eines Verhältnisses zwischen der ersten Menge und der zweiten Menge des Elements während der Bildung der Beschichtung auf dem Substrat, durch Variieren der Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Target und dem Kühlsystem und Variieren der Verlustleistungsdichte an dem Target.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Bildung des Plasmas ein Einleiten eines Inertgasstroms in die Kammer und das Aufrechterhalten des Plasmas in einem aus dem Inertgas und dem Dampf des Elements gebildeten Gas umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Plasma in dem Dampf, der durch Verdampfung des Elements aus dem Target gebildet wird, gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Target ein Tiegel ist, der oberhalb eines Magnetkreises angeordnet ist, welcher gekühlt ist, eine Magnetronentladung ermöglicht und vorzugsweise mit Gleichstrom versorgt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Target und dem Substrat ein Gasdruck aufrechterhalten wird, der oberhalb von 0,002 Torr und höchstens bei 0,5 Torr liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vorstehend genannte Kathodenzerstäubung im wesentlichen in Abwesenheit eines ionisierten Inertgases, wie beispielsweise Argon, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner ein Aufrechterhalten des Plasmas in der Nähe der Oberflächenschicht des Targets mit Hilfe eines Magnetkreises umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Element ausgewählt ist aus der Gruppe, die von Zinn, Aluminium, Zink, Chrom und Nickel gebildet wird.