CH636647A5

CH636647A5 - Vakuumbedampfungsanlage.

Info

Publication number: CH636647A5
Application number: CH118279A
Authority: CH
Inventors: Rainer Dr Buhl; Hans Signer
Original assignee: Balzers Hochvakuum
Priority date: 1979-02-01
Filing date: 1979-02-01
Publication date: 1983-06-15
Also published as: FR2448223A1; DE3000451C2; GB2040317A; FR2448223B1; GB2040317B; US4279216A; DE3000451A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vakuumaufdampfan-lage mit einer Einrichtung zur Erzeugung einer Gleichstromglimmentladung zwecks Behandlung der zu beschichtenden Substratflächen. Eine solche Behandlung kann als Vorbereitung zur Aufdampfung oder während des Aufdampfens einer Schicht oder auch zur Nachbehandlung derselben nützlich sein.

Ein Beispiel einer derartigen Behandlung stellt die Reinigung der Substratflächen vor dem Bedampfen dar. Neben den meist chemischen Reinigungsverfahren, die vor dem Einbringen der Substrate in die Beschichtungskammer angewendet werden, hat sich eine Reinigung durch Kathodenzerstäubung unmittelbar vor dem Beginn der Beschichtung oder auch eine laufende Reinigung während des Beschichtens besonders in der Anfangsphase der Aufdampfung gut bewährt, weil sie oft eine aussergewöhnlich gute Haftung der Schichten ergibt. Dabei wurden die Substrate an den negativen Pol einer Gleichspannungsquelle gelegt und der Druck des Restgases so eingestellt, dass die mittlere freie Weglänge der Gasmoleküle zwischen zwei aufeinander folgenden Stössen im Gasraum etwa Vin bis >/ioo des Abstandes der Substrate von der gegenüberliegenden Wand des Rezipienten beträgt. In der Kathodenfallstrecke, deren Dicke etwa 20 mittlere freie Weglängen beträgt und an der fast die gesamte Potentialdifferenz der Entladung abfällt, werden die gebildeten Ionen auf die Kathode zu beschleunigt, treffen auf die Substrate auf und entfernen durch Zerstäubung zunächst die Verunreinigungen und dann auch die obersten Oberflächenschichten, wobei die abgestäubten Atome in das Restgas der Beschichtungskammer hineindiffundieren und durch einen Gasstrom weggespült werden können. Bei diesem Prozess entladen sich die positiv geladenen Gasionen an den Substraten und der entsprechende elektrische Strom muss abgeführt werden, was die Anwendung des Verfahrens in erster Linie auf die Reinigung elektrisch leitender Substrate beschränkt.

Für die Anwendung auf elektrisch nichtleitende Substrate kann man, wie bekannt, die Gleichspannungsquelle durch eine Hochfrequenzquelle ersetzen, doch erfordert dies bedeutend höhere apparative Aufwendungen. Es ist auch schon vorgeschlagen worden, die isolierenden Substrate in ein Netz einzuschliessen, bzw. hinter einem Gitter anzuordnen, welchés dann auf eine negative Gleichspannung gelegt wird. Doch ist dabei nicht zu vermeiden, dass gleichzeitig eine unerwünschte Verunreinigung der Substratoberfläche mit dem Metall erfolgt, aus welchem das Netz oder Gitter gefertigt ist, da die nunmehr als Kathode wirksamen Metallteile desselben ebenfalls einer Zerstäubung unterliegen und die abgestaubten Metallatome teilweise an der Substratoberfläche kondensiert werden. Falls Metallschichten auf die Substrate aufgebracht werden sollten, stört dies zwar meist nicht. Wenn jedoch transparente Schichten beispielsweise reflexvermindernde Schichten z.B. auf der Oberfläche von Linsen aufzubringen sind, ist eine derartige Vorbeschichtung mit einem Metall nicht zulässig. Aus diesen Gründen war das Reinigen von elektrisch nichtleitenden Substraten durch Kathodenzerstäubung trotz der damit erreichbaren besseren Haftfestigkeit der Schichten nicht sehr gebräuchlich.

Vielmehr wird oft eine andere elektrische Reinigungsmethode angewendet, die in einer von der vorbeschriebenen völlig verschiedenen geometrischen Anordnung betrieben wird, nämlich die Glimmentladung, bei welcher die Substrate sich auf Erdpotential befinden und zusammen mit der Rezi-pientenwand die Anode bilden, die von den Elektronen getroffen wird. Im Gegensatz zur Reinigung durch Kathodenzerstäubung ist hiebei die ebenfalls negativ gepolte Kathode viele mittlere freie Weglängen von den Substraten entfernt. Die bei diesem Verfahren auf die Substratflächen treffenden Elektronen bewirken aber nur eine Desorption schwach gebundener Adsorbate und keine Zerstäubung fest gebundener Oberflächenschichten. Die Reinigung der Substrate bei der Glimmentladungsanordnung erfolgt zwar sehr schonend, ist aber wie gesagt, nur mässig wirksam. Ausserdem wird auch bei diesem Verfahren von der Kathode (Glimmelektrode) Metall abgestäubt; da jedoch die Entfernung zu den Substraten viele mittlere freie Weglängen beträgt, gelangen nur relativ wenige von der Kathode abgestäubte Metallatome auf die Substratoberfläche, so dass die Verunreinigung derselben bei der Glimmentladungsmethode für viele Anwendungen nicht merklich ist.

Ein weiteres Verfahren, bei dem eine Behandlung der Substrate mittels einer elektrischen Entladung stattfindet, ist unter dem Namen «lonplating» oder «ionenunterstützte Aufdampfung» bekannt geworden. Hierbei spielt nicht nur die laufende Entfernung von Verunreinigungen während der Kondensation der Schicht durch Ionenbeschuss eine Rolle, sondern mehr noch der Umstand, dass durch die Ionen Energie auf die zu beschichtende Fläche übertragen wird, was für die Erzielung einer guten Haftfestigkeit förderlich ist. Diese Energieübertragung kann dabei direkt durch aufprallende Ionen erfolgen oder indirekt, wenn durch Zusammen-stösse mit neutralen Molekülen (der Restgasatmosphäre oder des Dampfes des zu kondensierenden Materials) zuerst auf diese Energie übertragen wird und die neutralen Moleküle dann ihrerseits Energie auf die Substratoberfläche übertragen. Eine solche Energieübertragung kann auch zur Nachbehandlung einer Schicht wünschenswert sein, z.B. um sie durch Erhitzung härter und widerstandsfähiger gegen äussere Einflüsse zu machen, oder zur Durchführung einer chemischen Reaktion z.B. Oxidation der Schicht in einer entsprechenden reaktiven Atmosphäre.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vakuumbedampfungsanlage zu schaffen, die eine Behandlung, vorzugsweise eine Reinigung der Substratflächen vorwiegend mit Neutralteilchen ermöglicht. Diese Vakuumdampfanlage mit einer Vakuumkammer, einer Gaseinlassöffnung in der Kammerwand, einer Dampfquelle und einer Haltevorrichtung für die zu beschichtenden Sub-

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strate, wobei vor den zu beschichtenden Substratflächen eine Durchbrechungen aufweisende, als Kathode schaltbare Elektrode angeordnet ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der genannten Elektrode und den Substratflächen Abschirmelemente vorgesehen sind, derart, dass die Sichtverbindung von der Elektrode zu den Substratflächen unterbrochen ist.

Im nachfolgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der anliegenden Zeichnung näher beschrieben.

Die Figur 1 stellt schematisch die Gesamtanordnung der Vakuumanlage dar. Die Figuren 2a-2e zeigen verschiedene Formen der Abschirmelemente.

In Figur 1 bedeutet 1 die zylindrische Wand einer Vakuumkammer, die durch eine Bodenplatte 2 und eine Deckplatte 3 stirnseitig abgeschlossen ist. In der Kammer befindet sich die schematisch dargestellte Verdampfungsquelle 4, der der Heizstrom mittels der vakuumdichten Stromdurchführungen 5 und 6 zugeführt wird. Die Evakuierung der Kammer geschieht durch den Absaugstutzen 7. Durch die Deckplatte 3 ist zentral eine Antriebswelle 8 vakuumdicht hindurchgeführt, welche die Trägerplatte 9 für die zu beschichtenden Substrate trägt. Während der Bedampfung wird diese Trägerplatte in Drehbewegung versetzt, um die der Dampfquelle zugewandten Substratflächen möglichst gleichmässig beschichten zu können. Zwischen der Dampfquelle und den Substratflächen ist ferner die mit Durchbrechungen versehene Elektrode 10 z.B. in Form einer Mehrzahl von parallelen Gitterstäben angeordnet, die miteinander elektrisch leitend verbunden sind und mittels einer Spannungszuführung 11, die ihrerseits bei 12 durch die Kammerwand nach aussen geführt ist, mit einem gegenüber der Dampf quelle 4 negativen Potential beaufschlagt, d.h. als Kathode geschaltet werden können. Der Abstand der Elektrode 10 von den Substraten sollte in der Grössenordnung weniger mittlerer freier Weglängen der Gasmoleküle bei Betriebsdruck in der Aufdampfkammer liegen.

Im Sinne der Erfindung sind nun zwischen den Elektrodenstäben 10 und den Substratflächen Abschirmelemente 13 vorgesehen, die die Aufgabe haben, die Sichtverbindung von den Elektroden 10 zur besagten Substratoberfläche zu unterbrechen. Dadurch wird erreicht, dass die von den kathodisch geschalteten Elementen 10 gegebenenfalls abgestäubten Metallatome die Substratflächen nicht erreichen können; nichtsdestoweniger gelangen die von den im elektrischen Feld beschleunigten Ionen gestossenen Neutralteilchen durch die Zwischenräume zwischen den Elektrodenstäben 10 hindurch auf die Substratflächen, und indem sie kinetische Energie auf diese übertragen, wird eine laufende Reinigung derselben während der Beschichtung und eine bessere Haftfestigkeit der niedergeschlagenen Schichten erzielt. Vorzugsweise sind die Abschirmelemente 13, wie in der Zeichnung dargestellt, mit der Kammerwand 1 elektrisch verbunden.

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Anstelle der beschriebenen durch parallele Gitterstäbe gebildeten Elektrode kann natürlich auch eine anders geformte, Durchbrechungen für den Dampfdurchtritt aufweisende Elektrode z.B., wie an sich bekannt, ein Netz oder ein Lochblech vorgesehen werden, wobei jedoch stets im Auge zu behalten ist, dass die Durchtrittsöffnungen genügend zahlreich und genügend gross sein müssen, um auf den Substraten den gewünschten Niederschlag in der gewünschten Verteilung erhalten zu können. Für eine gleich-mässige Verteilung ist es zweckmässig, den Substratträger 9, wie in Figur 1 durch den Pfeil angedeutet, mittels der Welle 8 in Rotation während der Bedampfung zu versetzen. Auch eine Relativbewegung der Elektrode und ihrer Abschirmung gegenüber den Substratflächen, kann für eine gleichmässige Kondensatverteilung dienlich sein.

Die Elektrode 10 und die ihr zugeordneten Abschirmelemente 13 können mechanisch miteinander verbunden sein, wobei sie jedoch elektrisch gegeneinander isoliert werden müssen.

Die Figuren 2a und 2b zeigen brauchbare Querschnittsformen der Elektrodenstäbe 10 und der Abschirmelemente. Das einem bestimmten Elektrodenstab zugeordnete Abschirmelement kann dieses dachförmig übergreifen. Die Formen nach den Figuren 2c und 2e sind besonders brauchbar.

In den Figuren 2c-2e bedeutet 14 die als Kathode schaltbare Elektrode von jeweils unterschiedlicher Querschnittsform. Diese Elektrode trägt mittels eines Isolators 15 das Abschirmelement 13. Die mechanische Verbindung zwischen den genannten Teilen kann auf jede bekannte Art und Weise, die im Hinblick auf die Benutzung dieser Elemente unter Vakuum in Frage kommt, erfolgen.

Besondere Vorteile bietet die Ausführungsform der Figur 2e mit T-förmigem Profil der Elektroden-Gitterstäbe, wobei die auf die Dampfquelle zu gerichtete Kante 17 eine solche elektrische Feldverteilung bewirkt, dass einerseits die von den Substratflächen fernzuhaltenden Ionen hauptsächlich an die genannte Kante geführt werden, andererseits die von diesen Ionen (durch Stoss oder Ladungsaustausch) erzeugten schnellen Neutralteilchen auf den Substraten eine hohe Ätzrate erzielen. Die hohe Ionenstromdichte an der vorspringenden Kante 17 bewirkt, dass diese auch bei hohen Beschichtungsraten mit elektrisch isolierenden Materialien ihre Funktion als Kathode der Entladung beibehält, weil die auf die Kante aufwachsende Isolierschicht durch die Entladung selbst laufend weggestäubt wird. Ausserdem ergibt das T-Profil einen mechanisch stabilen Aufbau. Die Ausführungsformen der Figuren 2c bis 2e bieten ferner den Vorteil, dass die die Abschirmelemente tragenden Isolatoren 15 durch die Elektrode 14 gegen Bedampfung geschützt sind.

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1. Vakuumbedampfungsanlage mit einer Vakuumkammer, einer Gaseinlassöffnung in der Kammerwand,

einer Dampfquelle und einer Haltevorrichtung für die zu beschichtenden Substrate, wobei vor den zu beschichtenden Substratflächen eine Durchbrechungen aufweisende, als Kathode schaltbare Elektrode angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der genannten Elektrode (10) und den Substratflächen (9) Abschirmelemente (13) vorgesehen sind, derart, dass die Sichtverbindung von der Elektrode zu den Substratflächen unterbrochen ist.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmelemente (13) mit der Kammerwand (1) elektrisch leitend verbunden sind.

3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (10) gegenüber den Abschirmelementen (13) elektrisch isoliert und von diesen getragen ist.

4. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode aus Gitterstäben (10) T-förmigen Profils besteht.

5. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (14) so geformt ist, dass die die Abschirmelemente (13) tragenden Isolatoren (15) durch die Elektrode (14) gegen Bedampfung geschützt sind.