DE4336680C2

DE4336680C2 - Process for electron beam evaporation

Info

Publication number: DE4336680C2
Application number: DE19934336680
Authority: DE
Inventors: Siegfried Prof Dr Schiller; Klaus Goedicke; Jonathan Reschke; Bert Scheffel; Christoph Metzner; Heinz Kern
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1993-10-27
Filing date: 1993-10-27
Publication date: 1998-05-14
Anticipated expiration: 2013-10-28
Also published as: DE4336680A1; WO1995012006A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdampfen von Materialien im Vakuum mittels Elektronenstrahl in Verbindung mit einer Bogenentladung. Das Verfahren ist vorzugsweise zum plasmagestützten Bedampfen großer Flächen geeignet und findet insbesondere Anwendung zum reaktiven Beschichten von Bauteilen, Werkzeugen und Bandstahl.The invention relates to a method for evaporating materials in a vacuum Electron beam in connection with an arc discharge. The method is preferred suitable for plasma-assisted vapor deposition of large areas and finds in particular Application for reactive coating of components, tools and steel strips.

Beim Elektronenstrahlverdampfen werden in einer Elektronenkanone Elektronen von einer Glühkatode emittiert und durch eine Hochspannung (10...50 kV) beschleunigt. Der hochenergetische Elektronenstrahl kann mittels elektrischer oder magnetischer Felder abgelenkt und fokussiert werden und wird direkt auf die Oberfläche des zu verdampfenden Materials gerichtet. Der entscheidende Vorteil des Elektronenstrahlverdampfens liegt darin begründet, daß die dampfabgebende Oberfläche direkt beheizt wird, ohne daß die Energiezufuhr über den Tiegel bzw. das Verdampfungsmaterial erfolgt. Das ermöglicht auch die Verwendung von wassergekühlten Kupfertiegeln, womit Reaktionen zwischen Tiegelwand und Verdampfungsgut unterbunden werden. Ein weiterer wichtiger Grund für den Einsatz dieses Verfahrens ist die gute örtliche und zeitliche Steuerbarkeit des Elektronenstrahls, wodurch die Verwendung von großflächigen Verdampfertiegeln möglich wird. Mit leistungsfähigen Elektronenkanonen vom Axialtyp werden höchste Verdampfungsraten realisiert.Electron beam evaporation turns electrons from one into an electron gun Hot cathode emitted and accelerated by a high voltage (10 ... 50 kV). Of the high-energy electron beam can be generated by means of electrical or magnetic fields be distracted and focused and will be directly on the surface of the vaporized Material directed. The decisive advantage of electron beam evaporation is that justifies that the vapor-emitting surface is heated directly without the Energy is supplied via the crucible or the evaporation material. That also makes it possible the use of water-cooled copper crucibles, with which reactions between The crucible wall and the material to be evaporated are prevented. Another important reason for the use of this method is the good local and time controllability of the Electron beam, which enables the use of large evaporator crucibles becomes. With powerful axial-type electron guns, the highest Evaporation rates realized.

Ein Nachteil dieses Verdampfungsverfahrens liegt in dem relativ geringen Anteil von angeregten und ionisierten Teilchen und der geringen Energie (E<1 eV) der verdampften Teilchen. Das liegt einerseits an der relativ geringen Prozeßtemperatur (Verdampfungstemperatur) an der dampfabgebenden Oberfläche und andererseits darin begründet, daß der Wirkungsquerschnitt für den Stoß zwischen hochenergetischen Strahlelektronen und Dampfteilchen sehr gering ist.A disadvantage of this evaporation process is the relatively low proportion of excited and ionized particles and the low energy (E <1 eV) of the vaporized Particles. On the one hand, this is due to the relatively low process temperature (Evaporation temperature) on the vapor-emitting surface and on the other hand therein justifies that the cross section for the impact between high-energy Beam electrons and vapor particles is very low.

Wesentliche Voraussetzungen für die Abscheidung qualitativ hochwertiger, dichter Schichten - auch bei niedriger Substrattemperatur und zur Herstellung von Verbindungsschichten durch reaktive Prozeßführung - sind jedoch gerade hohe Anregungs- und Ionisierungsgrade der Dampfwolke. Essential requirements for the deposition of high quality, dense layers - Even at low substrate temperatures and for the production of connection layers through reactive process management - however, are high levels of excitation and ionization the cloud of steam.

Es sind weiterhin Ionenplattierungsverfahren bekannt, bei denen zwischen einem Verdampfertiegel und einem Substrat eine haubenförmigen Elektrode bzw. eine Haube und darüber eine Elektrode angeordnet sind (US 5,227,203; JP 4-198474 A). Zwischen der Elektrode und dem Verdampfertiegel brennt eine herkömmliche Bogenentladung. Der Nachteil dieser Verfahren besteht darin, daß die Bogenentladung durch die Anordnung der Haube stabilisiert werden muß, da die Bogenentladung nur in Bereichen hoher Dampfdichte brennt. Dadurch muß der Elektronenstrahl durch diese Bereiche geführt werden, was zu einer Senkung der Verdampfungsrate aufgrund von Streuung des Elektronenstrahls führt. Desweiteren wird die Verdampfungsrate ein weiteres Mal verringert, da die Haube die freie Dampfausbreitung verhindert. Schließlich wird der gesamte Prozeß negativ durch von den Innenflächen der Haube abplatzende Schichten von zuvor kondensiertem Verdampfungsmaterial beeinflußt.Ion plating methods are also known in which between one Evaporator crucible and a substrate a hood-shaped electrode or a hood and an electrode is arranged above it (US 5,227,203; JP 4-198474 A). Between the A conventional arc discharge burns the electrode and the evaporator crucible. Of the The disadvantage of this method is that the arc discharge by the arrangement of the The hood must be stabilized since the arc discharge only occurs in areas with high vapor density burns. As a result, the electron beam must be guided through these areas, which leads to leads to a lowering of the evaporation rate due to scattering of the electron beam. Furthermore, the evaporation rate is reduced again because the hood is free Prevents steam from spreading. Eventually, the whole process is negatively affected by the Layers of previously condensed layers of the interior of the hood Evaporation material affected.

Es sind verschiedene Verfahren zur plasmagestützten Schichtabscheidung beschrieben, die den genannten Nachteilen entgegenwirken.Various methods for plasma-assisted layer deposition are described counteract the disadvantages mentioned.

So ist es bekannt, die auf der Schmelzbadoberfläche durch den primären energiereichen Elektronenstrahl erzeugten Streu- und Sekundärelektronen durch eine zusätzliche Elektrode zu beschleunigen. Diese wird auf ein geringes, positives Potential (20...100 V) gelegt und in der Verdampfungszone so angeordnet, daß auf dem Weg der Elektronen zur Anode viele Stöße zwischen Elektronen, Dampf- und Reaktivgasteilchen erfolgen können (US 3,791,852). Es bildet sich eine Glimmentladung aus und das Substrat erreicht ein Ionenstrom. Die Energie der positiv ionisierten Teilchen kann zusätzlich durch eine an das Substrat gelegte negative Bias-Spannung erhöht werden.So it is known to be on the melt pool surface by the primary high energy Electron beam generated scatter and secondary electrons through an additional electrode to accelerate. This is set to a low, positive potential (20 ... 100 V) and in the evaporation zone so that many on the way of the electrons to the anode Collisions between electrons, vapor and reactive gas particles can occur (US 3,791,852). A glow discharge forms and the substrate reaches Ion current. The energy of the positively ionized particles can be added to the Negative bias voltage applied to the substrate can be increased.

Dieses Verfahren hat sich bisher jedoch technisch nicht durchgesetzt, da Versuche, den Prozeß großtechnisch durch den Einsatz von großen Verdampfertiegeln mit hohen Verdampfungsraten zu nutzen, gescheitert sind.However, this method has not yet become technically accepted, since attempts to Process on an industrial scale through the use of large evaporator crucibles with high Evaporation rates have failed.

Es ist eine Einrichtung bekannt, welche das obengenannte Prinzip dahingehend verbessern soll, daß stöchiometrische Schichten auch bei höheren Beschichtungsraten abgeschieden werden können. Diese Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfertiegel von einer Kammer umgeben ist, die in Richtung auf das Substrat eine Blendenöffnung aufweist. Außerhalb der Kammer ist eine positiv vorgespannte Elektrode angeordnet, welche die in der Innenkammer erzeugten Ladungsträger absaugt, wobei eine im Bereich von Blendenöffnung und Elektrode brennende Glimmentladung erzeugt wird (DE 36 27 151 A 1). Mit diesem Verfahren können ohne weiteres Beschichtungsraten um 5 µm/min erzielt werden. Die Nachteile des Verfahrens liegen darin begründet, daß das Reaktivgas in die Innenkammer eingelassen wird und darin zu einem erhöhten Druck führt. Die Wechselwirkungen zwischen Elektronenstrahl und Reaktivgas sind zwar gewollt, führen jedoch bei höheren Beschichtungsraten und den damit erforderlichen höheren Gasmengen zu einer starken Streuung des Elektronenstrahls. Außerdem schlägt sich ein großer Anteil des verdampften Materials auf der Wandung der Innenkammer ungenutzt nieder.A device is known which improves the above-mentioned principle is supposed to deposit stoichiometric layers even at higher coating rates can be. This device is characterized in that the evaporator crucible is surrounded by a chamber which has an aperture in the direction of the substrate having. A positively biased electrode is arranged outside the chamber sucks off the charge carriers generated in the inner chamber, one in the range of Aperture opening and electrode burning glow discharge is generated (DE 36 27 151 A 1). With this method, coating rates can be changed without further notice 5 µm / min can be achieved. The disadvantages of the method are that the Reactive gas is admitted into the inner chamber and leads to an increased pressure therein. The interactions between electron beam and reactive gas are intentional, lead however with higher coating rates and the higher gas quantities required to a strong scattering of the electron beam. In addition, a large proportion of the evaporated material down on the wall of the inner chamber unused.

Um die genannten Nachteile zu überwinden, wurden intensive Elektronenquellen entwickelt, die mit geringen Beschleunigungsspannungen arbeiten. Dazu gehören die Niedervoltbogen- Verdampfer und Hohlkatoden-Elektronenstrahl-Verdampfer mit geheizter oder kalter Katode. Charakteristisch für diese Verfahren ist die Ausbildung des Tiegels als Anode und der Einlaß eines Arbeitsgases (z. B. Argon) in einer separaten Katodenkammer. Da in der Beschichtungskammer ein geringer Gasdruck erwünscht ist, müssen Druckstufen zwischen Katoden- und Beschichtungskammer angeordnet werden. Es ist auch ein Verfahren zum Verdampfen von Metallen beschrieben, wobei ein Elektronenstrahl eines Transverseverdampfers und ein Niedervoltbogen auf den als Anode geschalteten Tiegel gerichtet werden (DE 28 23 876 C 2). Gegenüber den Einzelverfahren können damit Verdampfungsrate und Ionisierung bzw. Anregung unabhängiger voneinander realisiert werden.In order to overcome the disadvantages mentioned, intensive electron sources were developed, who work with low acceleration voltages. These include the low-voltage arc Evaporators and hollow cathode electron beam evaporators with heated or cold Cathode. The design of the crucible as anode and the inlet of a working gas (e.g. argon) in a separate cathode chamber. Because in the Coating chamber a low gas pressure is desired, pressure levels must be between Cathode and coating chamber can be arranged. It is also a process for Evaporation of metals described, an electron beam Transverse evaporator and a low-voltage arc on the crucible connected as an anode be directed (DE 28 23 876 C 2). Compared to the individual process, this allows Evaporation rate and ionization or excitation realized independently will.

Die Plasmaaktivierung ist bei diesen Prozessen sehr intensiv, diese Verfahren liefern in der Praxis Schichten mit sehr guten Eigenschaften, aber hohe Beschichtungsraten um 1 µm/s wurden mit diesen Verfahren jedoch nicht erreicht. Die Übertragung dieser Verfahren auf ausgedehnte Tiegel zur Beschichtung großer Flächen wurde bisher nicht gelöst.The plasma activation is very intensive in these processes, these processes deliver in the Practice coatings with very good properties, but high coating rates around 1 µm / s were not achieved with these methods. The transfer of these procedures to extensive crucibles for coating large areas have not yet been solved.

Außerdem werden auch Bogenverdampfer zu Beschichtungszwecken eingesetzt. Dazu wird mit geeigneten Mitteln ein Lichtbogen auf der Katode des Bogenverdampfers gezündet. Der Lichtbogen brennt im selbsterzeugten Dampf zwischen Katode und Anode, wobei sich die Entladung auf der Katodenseite in sogenannten Katodenflecken mit sehr hohen Stromdichten (j = 10⁵...10⁸A/cm²) zusammenschnürt (DE 31 52 736 C2). Die Katodenflecke, in denen sich die Aufschmelzung und Verdampfung des Targetmaterials vollzieht, bewegen sich stochastisch und sprunghaft über die Katodenoberfläche. Die mittlere Driftgeschwindigkeit und die Richtung dieser Bewegung wird vom Targetmaterial, vom Bogenstrom, äußeren magnetischen Feldern und der Anwesenheit zusätzlich eingebrachter Gase beeinflußt. Der entscheidende Vorteil dieses Verfahrens liegt in dem sehr hohen Ionisierungsgrad der erzeugten Dampfwolke (10...90%) mit einem hohen Anteil an mehrfach ionisierten Teilchen.In addition, arc evaporators are also used for coating purposes. For this purpose, an arc is ignited on the cathode of the arc evaporator using suitable means. The arc burns in the self-generated vapor between the cathode and anode, the discharge being constricted on the cathode side in so-called cathode spots with very high current densities (j = 10 ⁵ ... 10 ⁸ A / cm ² ) (DE 31 52 736 C2). The cathode spots in which the melting and evaporation of the target material take place move stochastically and abruptly over the cathode surface. The mean drift speed and the direction of this movement is influenced by the target material, the arc current, external magnetic fields and the presence of additional gases. The decisive advantage of this process lies in the very high degree of ionization of the generated steam cloud (10 ... 90%) with a high proportion of multi-ionized particles.

Mit diesem Verfahren aufgebrachte Schichten sind sehr dicht und weisen eine hohe Haftfestigkeit auf. Diese Vorteile werden jedoch bei vielen Anwendungen durch den unerwüschten Einbau von zahlreichen Mikropartikeln bis ca. 50 µm Größe, den sogenannten Droplets, stark eingeschränkt. Diese Droplets werden aufgrund der überaus hohen Stromdichte aus den Schmelzkratern an der Katodenoberfläche herausgeschleudert. Häufigkeit und Größe dieser Droplets können durch verschiedene Maßnahmen reduziert werden. Dazu zählen Methoden zur nachträglichen Filterung der Droplets mittels magnetischer oder elektrischer Umlenkfelder für geladene Partikel. Dies erfordert jedoch wieder zusätzlichen apparativen Aufwand.Layers applied with this process are very dense and have a high level Adhesive strength. However, these advantages are achieved in many applications by the undesired installation of numerous microparticles up to approx. 50 µm in size so-called droplets, severely restricted. These droplets are extremely out of place high current density thrown out of the melt craters on the cathode surface. The frequency and size of these droplets can be reduced by various measures will. This includes methods for the subsequent filtering of droplets using magnetic or electrical deflection fields for charged particles. However, this requires again additional equipment expenditure.

Eine andere Entwicklungsrichtung der Bogenverdampfer geht davon aus, daß Droplets unterdrückt oder vermieden werden, wenn die hohe Eigendynamik des katodischen Bogenfußpunktes beschränkt wird, indem der Fußpunkt über zusätzliche Mittel auf der Target-oberfläche geführt wird. Der Fußpunkt wird durch das Feld eines Permanentmagneten auf einer geschlossenen Bahn geführt. Durch Verschieben des Magneten gegenüber der Targetoberfläche kann das Target definiert abgetragen werden (US 4,673,477).Another direction of development of the arc evaporator is that droplets can be suppressed or avoided if the high dynamic of the cathodic Arch base is limited by using additional means on the base Target surface is guided. The base is marked by a field Permanent magnets guided on a closed path. By moving the Magnets opposite the target surface can be removed in a defined manner (US 4,673,477).

Ein gleichmäßiges Abtragen der Targetoberfläche wird auch dadurch erreicht, daß zur Führung und Stabilisierung des Katodenfußpunktes ein Elektronen- oder Laserstrahl verwendet wird (DE 40 06 456 C1). Die Bogenentladung wird in einem Bereich betrieben, wo ein wesentlicher Teil des Bogenstroms durch kleine Flecken auf der Targetoberfläche fließt und das Target als Katode geschaltet ist. Der Laser- oder Elektronenstrahl erzeugt eine lokale Dampfwolke über dem Target. Der Katodenfußpunkt wird in der lokalen Dampfwolke konzentriert und kann durch Ablenkung von Laser- bzw. Elektronenstrahl über die Targetoberfläche geführt werden.Uniform removal of the target surface is also achieved in that Guiding and stabilizing the cathode base using an electron or laser beam is used (DE 40 06 456 C1). The arc discharge is operated in an area where a substantial part of the arc current through small spots on the target surface flows and the target is connected as a cathode. The laser or electron beam creates one local cloud of vapor over the target. The cathode base is in the local vapor cloud concentrated and can by deflecting laser or electron beam over the Target surface are performed.

Es ist auch ein Verfahren zum Aufdampfen von Material im Vakuum bekannt, bei dem das zu verdampfende Material mit Elektronen aus einer Niedervoltbogenentladung beschossen wird, wobei das zu verdampfende Material zusätzlich mit einem hochenergetischen Elektronenstrahl beaufschlagt wird. Diese Kombination einer Bogenentladung mit einem Elektronenstrahlverdampfer soll hohe Bedampfungsraten bei refraktären Metallen und elektrisch nicht leitenden Materialien erreichen (DE 32 06 882 A1).A method for vacuum deposition of material in which the Bombarded material to be vaporized with electrons from a low-voltage arc discharge is, the material to be evaporated additionally with a high-energy Electron beam is applied. This combination of an arc discharge with a Electron beam evaporators are said to have high vapor deposition rates for refractory metals and reach electrically non-conductive materials (DE 32 06 882 A1).

Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß zwar hochenergetische Elektronenstrahlen (Energie < 1 keV) Metalldämpfe gut durchdringen können, aber an den Gasen tritt eine erhebliche Streuung auf. Zur Aufrechterhaltung der Bogenentladung sind aber Gase, vorzugsweise Argon, zwingend nötig. Das führt zur praktischen Beschränkung. Es können zwar hochschmelzende Metalle und elektrisch nicht leitende Materialien verdampft werden; die gewünschte Aktivierung des Dampfes bzw. Reaktionsgases findet jedoch in einem kleinen Volumenbereich oberhalb des Verdampfertiegels statt. Dieser Mangel steht vielen Anwendungen entgegen.The disadvantage of this method is that high-energy electron beams (Energy <1 keV) metal vapors can penetrate well, but one occurs in the gases significant spread on. To maintain the arc discharge, however, gases are preferably argon, absolutely necessary. This leads to a practical limitation. It can high-melting metals and electrically non-conductive materials are evaporated; however, the desired activation of the steam or reaction gas takes place in one small volume area above the evaporator crucible. This deficiency faces many Applications.

Schließlich ist auch eine Bogenentladung für Beschichtungszwecke bekannt, bei welcher die Anode als thermisch isolierter Tiegel ausgebildet ist und mit dem Elektronenstrom eines Bogens aufgeheizt wird, welcher auf einer separaten, kalten Katode brennt. Auf dem heißen Verdampfungsgut der Anode konzentriert sich der Bogen von selbst zu sogenannten Anodenflecken und führt zu dessen intensiver Verdampfung, Anregung und Ionisierung. Der Bogen brennt vorwiegend im Dampf des anodischen Verdampfungsguts (DE 34 13 891 C2). Auch diese Form der Bogenverdampfung vermeidet die Entstehung von Droplets vollständig. Gegenüber den Verfahren mit katodischer Verdampfung sind nachteilig die vergleichsweise geringere Ionisierung des Dampfes, die Schwierigkeit, die gleichzeitig entstehenden Dämpfe von Anode und Katode zu trennen, und der notwendige Energieverbrauch zur Verdampfung von Katodenmaterial, das nicht zur Schichtbildung beiträgt.Finally, an arc discharge for coating purposes is also known, in which the Anode is designed as a thermally insulated crucible and one with the electron current Arc is heated, which burns on a separate, cold cathode. On the hot Evaporation material of the anode concentrates the arc from itself to so-called Anode spots and leads to its intensive evaporation, excitation and ionization. Of the Bow burns mainly in the vapor of the anodized material (DE 34 13 891 C2). This form of arc evaporation also prevents the formation of Droplets completely. Compared to the processes with cathodic evaporation are disadvantageous the comparatively less ionization of the steam, the difficulty, which at the same time separate the resulting vapors from the anode and cathode, and the necessary Energy consumption for the evaporation of cathode material that does not form layers contributes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Vakuumbeschichten durch Elektronenstrahlverdampfen zu schaffen, mit welchem eine sehr hohe Beschichtungsrate erreicht wird. Dabei soll ein hoher Ionisierungsgrad der erzeugten Dampfwolke möglich und das Spektrum der abscheidbaren Materialien sehr groß sein. Die Beschichtung großer Flächen soll durch große Verdampferflächen möglich sein und dabei soll sich die Beschichtungsrate, Ionenstromdichte am Substrat und die mittlere Energie der abgeschiedenen Teilchen gut steuern lassen. Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren mit Bogenentladung dürfen keine Katodenflecke auftreten.The invention is based on the object of a method for vacuum coating To create electron beam evaporation with which a very high coating rate is achieved. A high degree of ionization of the generated steam cloud should be possible and the range of separable materials can be very large. The coating great Areas should be possible through large evaporator areas and the Coating rate, ion current density on the substrate and the average energy of the let the separated particles be well controlled. In contrast to the known methods with Arc discharge must not cause cathode spots.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen beschrieben.According to the invention the object is achieved according to the features of claim 1. Refinements of the method are described in the subclaims.

Es wurde gefunden, daß bei einer sehr hohen Dampfdichte im Raum zwischen Anode und Katode aufgrund einer entsprechend hohen Oberflächentemperatur des Verdampfungsgutes überraschenderweise die nichtstationären Katodenfleckerscheinungen auf der Katode verschwinden. Die Bogenentladung kann in einem Parameter-Bereich aufrechterhalten werden, in welchem sich ein intensives und verteiltes Plasma über den heißen und verdampfenden Teilen auf der Oberfläche des Verdampfungsgutes ausbildet. Der Fußpunkt des Bogens dehnt sich dabei über den Bereich aus, der vom abgelenkten Elektronenstrahl quasi gleichmäßig aufgeheizt ist. Das Verdampfungsgut ist Katode, indem es über die Tiegelwandung oder eine zusätzliche Elektrode im Tiegel kontaktiert wird.It was found that with a very high vapor density in the space between the anode and Cathode due to a correspondingly high surface temperature of the material to be evaporated Surprisingly, the non-stationary cathode specks on the cathode disappear. Arc discharge can be maintained in a parameter range in which there is an intense and distributed plasma over the hot and evaporating parts on the surface of the evaporating material. The base the arc extends over the area of the deflected electron beam is heated up evenly. The material to be evaporated is by passing over the cathode Crucible wall or an additional electrode in the crucible is contacted.

Bereits bei einer geringen Spannung (10 bis 100 V) zwischen der Katode und Anode entsteht unter diesen Bedingungen ohne eine zusätzliche Zündeinrichtung eine stromstarke diffuse Bogenentladung mit einer Stromstärke über hundert, vorzugsweise mehrere tausend Ampere. Die Stromdichte dieses neuartigen Bogens ist, verglichen mit bekannten Vakuumlichtbögen, relativ gering und liegt bei 10 bis 1000 A/cm².Even at a low voltage (10 to 100 V) between the cathode and anode, under these conditions there is a powerful, diffuse arc discharge with a current of more than a hundred, preferably several thousand amperes, without an additional ignition device. The current density of this new type of arc is relatively low compared to known vacuum arcs and is 10 to 1000 A / cm ² .

Damit wird ein stabil arbeitendes Verfahren mit hoher Verdampfungsrate und steuerbarem Grad der Anregung und Ionisierung des Dampfes geschaffen. Die Obergrenze der erreichbaren Anregung und Ionisierung hängt von der Art des Verdampfungsmaterials ab. Sie läßt sich durch typische Werte für die Ionenstromdichte auf den zu beschichtenden Substraten im Bereich von 100 mA/cm² charakterisieren. Für manche Materialien sind wesentlich höhere Werte erreichbar.This creates a stable process with a high evaporation rate and a controllable degree of excitation and ionization of the steam. The upper limit of the excitation and ionization that can be achieved depends on the type of evaporation material. It can be characterized by typical values for the ion current density on the substrates to be coated in the range of 100 mA / cm ² . For some materials, much higher values can be achieved.

Eine Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die bei bekannten Vakuumlichtbögen auftretenden instationären Erscheinungen wie rasche Katodenfleckbewegung, häufiges Verlöschen der Entladung, Schwankungen von Brennspannung und Plasmaintensität nicht eintreten.A special feature of the method according to the invention is that the known Vacuum arcs occurring transient phenomena such as rapid Movement of cathode spots, frequent extinction of the discharge, fluctuations in Burning voltage and plasma intensity do not occur.

Der wesentliche Vorteil ist, daß die diffuse Bogenentladung mit ihrem großflächigen Katodenansatz keinerlei Droplets verursacht, weil die Dropletemission bei Bogenentladungen eng an die Katodenmechanismen mit sehr hohen Stromdichten gekoppelt ist. Tatsächlich konnte an Schichten, welche durch das beschriebene Verfahren hergestellt wurden, die Dropletfreiheit nachgewiesen werden.The main advantage is that the diffuse arc discharge with its large area The cathode approach does not cause any droplets because the droplet emission occurs during arc discharges is closely linked to the cathode mechanisms with very high current densities. Indeed could on layers, which were produced by the method described, the Droplet freedom can be demonstrated.

Die besonderen Möglichkeiten des Verfahrens liegen darin, daß der Ort sowie die Fläche und folglich die Stromdichte des katodischen Ansatzes des diffusen Bogens gesteuert werden können. Sie ergeben sich daraus, daß der Elektronenstrahl sehr schnell abgelenkt werden kann und am Auftreffort beliebige Figuren und Flächen auf dem Verdampfungsgut zeichnen kann, die den Fußpunktbereich für den diffusen Bogen bilden. Zur Erzielung einer bestimmten Leistungsdichte kann der Elektronenstrahl fokussiert oder defokussiert werden. Durch den Einsatz getrennter Leistungsregelungen für Elektronenstrahl und Bogenentladung ergibt sich die Möglichkeit, Verdampfungsparameter (Verdampfungsrate) und Plasmaparameter (Ionisierungs- und Anregungsgrad) weitgehend unabhängig voneinander einzustellen.The special possibilities of the method are that the location and the area and consequently the current density of the cathodic approach of the diffuse arc can be controlled can. They result from the fact that the electron beam is deflected very quickly can and draw any figures and surfaces on the evaporation material at the point of impact that form the base area for the diffuse arc. To achieve a With a certain power density, the electron beam can be focused or defocused. By using separate power controls for electron beam and arc discharge there is the possibility of evaporation parameters (evaporation rate) and Plasma parameters (degree of ionization and excitation) largely independent of one another adjust.

Das Verfahren eignet sich zur Abscheidung von Schichten aus reinen Metallen und Legierungen unter Ioneneinwirkung (ion plating) und führt dabei zu sehr guten Schichteigenschaften. Es ist aber auch besonders geeignet für die reaktive Verdampfung zur Herstellung von Schichten aus chemischen Verbindungen.The process is suitable for the deposition of layers of pure metals and Alloys under the influence of ions (ion plating) and leads to very good ones Layer properties. But it is also particularly suitable for reactive evaporation Production of layers from chemical compounds.

Zur Abscheidung von Verbindungsschichten mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in bekannter Weise ein Reaktivgas in die Vakuumkammer eingelassen. Es erfolgen Reaktionen zwischen Reaktivgasteilchen und abgeschiedenen Dampfteilchen am Substrat. Es können stöchiometrische Schichten abgeschieden werden, wenn Verdampfungsrate und Reaktivgaseinlaß richtig aufeinander abgestimmt sind. Auch an der Katode treten Reaktionen mit dem Reaktivgas auf, die jedoch die Stabilität der diffusen Bogenentladung kaum beeinträchtigen, wenn der Elektronenstrahl mit einer hohen Leistungsdichte auf das Verdampfungsgut auftrifft und somit die Oberfläche frei von Kontaminationen hält.For the deposition of connection layers using the method according to the invention, in known way, a reactive gas admitted into the vacuum chamber. There are reactions between reactive gas particles and vapor particles deposited on the substrate. It can stoichiometric layers are deposited when evaporation rate and Reactive gas inlet are properly coordinated. Also step on the cathode Reactions with the reactive gas on, however, the stability of the diffuse arc discharge hardly affect if the electron beam with a high power density on the Evaporation material strikes and thus keeps the surface free of contamination.

Das Problem von flächenhaft ausgedehnten Plasmaquellen beim plasmagestützten Beschichten wurde bisher meistens durch eine Aneinanderreihung mehrerer einzelner Plasmaquellen mit zugehörigen separaten Stromversorgungen gelöst. Dieses Vorgehen ist technisch sehr aufwendig und teuer. Es zeigte sich, daß das erfindungsgemäße Verfahren für die plasmagestützte Großflächenbedampfung besonders geeignet ist. Die Ursache liegt darin, daß es überraschenderweise möglich ist, den Bogen auf der Katodenoberfläche in mehrere räumlich voneinander getrennte Gebiete zu teilen, indem durch den Elektronenstrahl verschiedene Gebiete der Oberfläche nacheinander durch eine hohe Wechselfrequenz quasi gleichzeitig beaufschlagt werden. Damit können auch räumlich ausgedehnte, große Verdampfertiegel für die Beschichtung von großflächigen Substraten verwendet werden. Dabei können mehrere getrennte Gebiete auf der Oberfläche des Verdampfungsgutes durch ein einziges Verdampfersystem (Elektronenstrahlkanone mit Ablenksystem) und ein gemeinsames Plasmastromversorgungssystem aktiviert werden.The problem of extensive plasma sources in plasma-assisted Coating has so far mostly been done by lining up several individual ones Plasma sources solved with associated separate power supplies. This procedure is technically very complex and expensive. It was found that the process according to the invention is particularly suitable for plasma-assisted large-area vapor deposition. The cause is in that it is surprisingly possible to insert the arc on the cathode surface to divide several spatially separated areas by the Electron beam different areas of the surface one after the other through a high AC frequency are applied virtually simultaneously. It can also be used spatially extensive, large evaporator crucibles for the coating of large substrates be used. There can be several separate areas on the surface of the Evaporation material through a single evaporator system (electron beam gun with Deflection system) and a common plasma power supply system.

An einem Beispiel wird die Erfindung näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung ist eine Einrichtung zum Elektronenstrahlverdampfen in der Draufsicht dargestellt.The invention is explained in more detail using an example. In the accompanying drawing is a Device for electron beam evaporation shown in plan view.

An einem Rezipienten 1 ist eine Elektronenkanone 2 vom Axialtyp mit einer Leistung von max. 300 kW und einer einstellbaren Beschleunigungsspannung von 10 bis 50 kV angeflanscht. Mit einem Vakuum-Pumpsystem 3 wird der Rezipient 1 auf einen Druck von 10^-3Pa evakuiert. Im Rezipienten 1 befindet sich ein wassergekühlter Verdampfertiegel 4 aus Kupfer mit einem Durchmesser von 25 cm, der mit dem negativen Pol der Bogenstromversorgung 8 verbunden ist. Ein statisches Magnetfeld, das durch zwei sich gegenüberstehende Elektromagnete 5 erzeugt wird, lenkt den hochenergetischen Elektronenstrahl 6, der in horizontaler Richtung in den Rezipienten 1 eingeschossen wird, auf den Verdampfertiegel 4 ab. Mittels einer bekannten Ablenkeinrichtung an der Elektronenkanone 2 kann der Elektronenstrahl auf dem Verdampfungsgut am Auftreffort beliebige Figuren zeichnen. Im Abstand von 5 cm über dem Verdampfertiegel 4 ist eine U-förmige Elektrode 7 angeordnet, deren Öffnung in Richtung des einfallenden Elektronenstrahls 6 zeigt. Die Elektrode ist wassergekühlt und mit dem positiven Pol der Bogenstromversorgung 8 verbunden, welche in der Lage ist, geregelt Stromstärken von 20...2000 A bei Spannungen von 0...70 V zu liefern. Der negative Pol der Stromversorgung ist mit der Masse der Einrichtung verbunden. Das Substrat wird mittels einer Biasstromversorgung auf negatives Potential gegen Masse gelegt. Über das Gaseinlaßsystem 9 kann ein Reaktivgas in den Rezipienten eingelassen werden.At a recipient 1 is an electron gun 2 of the axial type with a power of max. 300 kW and an adjustable acceleration voltage from 10 to 50 kV flanged. With a vacuum pump system 3 , the recipient 1 is evacuated to a pressure of 10 ^-3 Pa. In the recipient 1 there is a water-cooled evaporator crucible 4 made of copper with a diameter of 25 cm, which is connected to the negative pole of the arc power supply 8 . A static magnetic field, which is generated by two opposing electromagnets 5 , deflects the high-energy electron beam 6 , which is injected into the recipient 1 in the horizontal direction, onto the evaporator crucible 4 . By means of a known deflection device on the electron gun 2 , the electron beam can draw any figures on the material to be evaporated at the point of impact. A U-shaped electrode 7 is arranged at a distance of 5 cm above the evaporator crucible 4 , the opening of which electrode points in the direction of the incident electron beam 6 . The electrode is water-cooled and connected to the positive pole of the arc power supply 8 , which is able to deliver regulated currents of 20 ... 2000 A at voltages of 0 ... 70 V. The negative pole of the power supply is connected to the mass of the device. The substrate is connected to negative potential against ground by means of a bias current supply. A reactive gas can be admitted into the recipient via the gas inlet system 9 .

Das Verfahren zur Beschichtung eines Substrats mit Titannitrid wird wie folgt ausgeübt.The process for coating a substrate with titanium nitride is carried out as follows.

Der Verdampfertiegel 4 ist mit Titan gefüllt. Der Elektronenstrahl 6 wird auf die Oberfläche des Verdampfungsguts fokussiert und so abgelenkt, daß auf dem Verdampfungsgut eine spiralförmige Bahn mit einem äußeren Durchmesser von 6 cm entsteht. Diese spiralförmige Figur rotiert zeitlich periodisch auf einer Kreisbahn, so daß ihr Flächenschwerpunkt einen Kreis von 17 cm Durchmesser beschreibt und diesen mit einer Frequenz von 2 Hz durchläuft. Die Elektronenkanone 2 wird auf eine Leistung von 60 kW bei einer Spannung von 45 kV eingestellt. Das Verdampfungsgut befindet sich im flüssigen Zustand, und der Bereich der spiralförmigen Bahn ist quasi gleichmäßig aufgeheizt. Wenn im besagten Bereich eine stationäre Dampfdichte entstanden ist, wird die Bogenstromversorgung zugeschaltet. Es kann ein Lichtbogen auf der Targetoberfläche beobachtet werden, der ausschließlich im Titandampf brennt. Bei einer Stromstärke von 300 A schlägt die Entladung in die beschriebene diffuse Form um. Die Stromstärke wird nunmehr auf 1000 A erhöht, dabei beträgt die Entladungsspannung 15 V.The evaporator crucible 4 is filled with titanium. The electron beam 6 is focused on the surface of the material to be evaporated and deflected so that a spiral path with an outer diameter of 6 cm is formed on the material to be evaporated. This spiral-shaped figure rotates periodically on a circular path, so that its centroid describes a circle of 17 cm in diameter and passes through it at a frequency of 2 Hz. The electron gun 2 is set to a power of 60 kW at a voltage of 45 kV. The material to be evaporated is in the liquid state and the area of the spiral track is heated up almost uniformly. If a stationary vapor density has arisen in said area, the arc power supply is switched on. An arc can be observed on the target surface that burns only in the titanium vapor. At a current of 300 A, the discharge changes into the diffuse form described. The current is now increased to 1000 A, the discharge voltage is 15 V.

Das zu beschichtende Substrat befindet sich in einem Abstand von 20 cm über dem Rand des Verdampfertiegels 4. Die Biasspannung beträgt 50 V. Wenn die Bogenentladung in der beschriebenen diffusen Form mit einer Stromstärke von 1000 A brennt, fließt zum Substrat ein Strom mit einer Stromdichte von 100 mA/cm².The substrate to be coated is at a distance of 20 cm above the edge of the evaporator crucible 4 . The bias voltage is 50 V. If the arc discharge burns in the described diffuse form with a current of 1000 A, a current flows to the substrate with a current density of 100 mA / cm ² .

Durch Einlaß von reaktivem Stickstoff bis zu einem Durck von 1,2 Pa wird die plasmagestützte Abscheidung von stöchiometrischen Titannitridschichten mit hoher Abscheiderate auf den Substaten erreicht.By admitting reactive nitrogen up to a pressure of 1.2 Pa Plasma-assisted deposition of high stoichiometric titanium nitride layers Deposition rate reached on the substrates.

Claims

1. A method for electron beam evaporation in a vacuum by means of a very fast and high-frequency deflected high-energy electron beam on the material to be evaporated in an evaporator crucible and an arc discharge burning simultaneously between the material to be evaporated and an anode, characterized in that a part is caused by the rapid deflection of the electron beam the entire surface of the material to be evaporated is heated almost uniformly in such a way that a high evaporation rate arises in this area and that the arc discharge burns in this area and forms a diffuse arc, the base of which approximately corresponds to the area on the material to be evaporated which is uniformly heated by the electron beam and thereby an essential one Part of the steam ionizes and that no process gas is supplied during the process.

2. The method according to claim 1, characterized in that on the Evaporation material due to the local and temporal deflection of the electron beam Several quasi uniformly heated surfaces are created and in each of these surfaces diffuse arc is formed.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the evaporating substrates on a freely selectable, opposite the material to be evaporated negative potential.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that for Production of connection layers during the evaporation process Reactive gas is admitted.