WO1995012006A1 - Process and device for electron beam vapour deposition - Google Patents

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WO1995012006A1
WO1995012006A1 PCT/DE1994/001210 DE9401210W WO9512006A1 WO 1995012006 A1 WO1995012006 A1 WO 1995012006A1 DE 9401210 W DE9401210 W DE 9401210W WO 9512006 A1 WO9512006 A1 WO 9512006A1
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PCT/DE1994/001210
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Siegfried Schiller
Klaus Goedicke
Jonathan Reschke
Bert Scheffel
Christoph Metzner
Heinz Kern
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/30Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects
    • H01J37/305Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects for casting, melting, evaporating or etching
    • H01J37/3053Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects for casting, melting, evaporating or etching for evaporating or etching
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24Vacuum evaporation
    • C23C14/28Vacuum evaporation by wave energy or particle radiation
    • C23C14/30Vacuum evaporation by wave energy or particle radiation by electron bombardment
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24Vacuum evaporation
    • C23C14/32Vacuum evaporation by explosion; by evaporation and subsequent ionisation of the vapours, e.g. ion-plating

Definitions

  • the invention relates to a method for evaporating materials in a vacuum by means of an electron beam in connection with an arc discharge and the device for carrying out the method.
  • the method is preferably suitable for plasma-assisted vapor deposition of large areas and is used in particular for reactive coating of components, tools and strip steel.
  • electrons are emitted from a hot cathode in an electron gun and accelerated by a high voltage (10 ... 50 kV).
  • the high-energy electron beam can be deflected and focused by means of electrical or magnetic fields and is directed directly onto the surface of the material to be evaporated.
  • the decisive advantage of electron beam evaporation lies in the fact that the vapor-emitting surface is heated directly without the energy being supplied via the crucible or the evaporation material. This also enables the use of water-cooled copper crucibles, thereby preventing reactions between the crucible wall and the material to be evaporated.
  • Another important reason for using this method is the good local and temporal controllability of the electron beam, which enables the use of large-area evaporator crucibles. The highest evaporation rates are achieved with powerful electron guns of the axial type.
  • a disadvantage of this evaporation process lies in the relatively low proportion of excited and ionized particles and the low energy (E ⁇ leV) of the evaporated particles. This is due on the one hand to the relatively low process temperature (evaporation temperature) on the vapor-emitting surface and on the other hand to the fact that the cross section for the impact between high-energy beam electrons and vapor particles is very small.
  • a device which is intended to improve the above-mentioned principle in such a way that stoichiometric layers can also be deposited at higher coating rates.
  • This device is characterized in that the evaporator crucible is surrounded by a chamber which has an aperture in the direction of the substrate.
  • a positively biased electrode is arranged outside the chamber and sucks off the charge carriers generated in the inner chamber, a glow discharge burning in the area of the aperture opening and electrode being generated (DE 36 27 151 AI).
  • coating rates around 5 ⁇ m / min can be achieved without further notice.
  • the disadvantages of the method lie in the fact that the reactive gas is let into the inner chamber and leads to an increased pressure therein. The interactions between electrical Although the electron beam and reactive gas are wanted, they lead to strong scattering of the electron beam at higher coating rates and the higher gas quantities required.
  • a large proportion of the vaporized material is deposited unused on the wall of the inner chamber.
  • intensive electron sources have been developed that work with low acceleration voltages. These include the low-voltage arc evaporators and hollow-cathode electron beam evaporators with heated or cold cathodes. Characteristic of these processes is the design of the crucible as an anode and the inlet of a working gas (eg argon) in a separate cathode chamber. Since a low gas pressure is desired in the coating chamber, pressure stages must be arranged between the cathode and coating chamber. A method for evaporating metals is also described, an electron beam from a transversal evaporator and a low-voltage arc being directed onto the crucible connected as an anode (DE 28 23 876 C 2). Compared to the individual processes, the evaporation rate and ionization or excitation can thus be implemented more independently of one another.
  • a working gas eg argon
  • arc evaporators are also used for coating purposes.
  • an arc is ignited on the cathode of the arc evaporator using suitable means.
  • the cathode spots in which the melting and evaporation of the target material take place move stochastically and abruptly over the cathode surface.
  • the average drift speed and the direction of this movement is influenced by the target material, the arc current, external magnetic fields and the presence of additionally introduced 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.
  • Uniform removal of the target surface is also achieved by using an electron or laser beam to guide and stabilize the cathode base (DE 40 06 456 C 1).
  • the arc discharge is operated in an area where a substantial part of the arc current flows through small spots on the target surface and the target is connected as a cathode.
  • the laser or electron beam creates a local vapor cloud over the target.
  • the cathode base is concentrated in the local vapor cloud and can be guided over the target surface by deflecting the laser or electron beam.
  • a method for evaporating material in a vacuum in which the material to be evaporated is bombarded with electrons from a low-voltage arc discharge, as a result of which the material to be evaporated is additionally subjected to a high-energy electron beam.
  • This combination of an arc discharge with an electron beam evaporator is said to achieve high depletion rates for refractory metals and electrically non-conductive materials (DE 32 06 882 AI).
  • an arc discharge for coating purposes is also known, in which the anode is designed as a thermally insulated crucible and is heated with the electron current of an arc which burns on a separate, cold cathode.
  • the arc automatically concentrates on the hot evaporation material of the anode into so-called anode spots and leads to its intensive evaporation, excitation and ionization.
  • the arc burns mainly in the vapor of the anodized material. (DE 34 13 891 C 2) This form of arc evaporation completely avoids the formation of droplets.
  • the disadvantage is the comparatively less ionization of the steam, the difficulty in separating the vapors from the anode and cathode which arise at the same time, and the energy consumption required for the evaporation of cathode material, which does not contribute to the formation of layers.
  • the invention has for its object to provide a method for vacuum coating by electron beam evaporation and the associated device with which a very high Coating rate is reached.
  • a high degree of ionization of the generated steam cloud should be possible and the spectrum of separable materials should be very large.
  • the coating of large areas should be possible through large evaporator areas and the coating rate, ion current density on the substrate and the average energy of the deposited particles should be easy to control. In contrast to the known methods with arc discharge, no cathode spots may occur.
  • the arc discharge can be maintained in a parameter range in which an intense and distributed plasma is formed over the hot and evaporating parts on the surface of the material to be evaporated.
  • the base of the arc extends over the area that is almost uniformly heated by the deflected electron beam.
  • the material to be evaporated is a cathode in that it is contacted via the crucible wall or an additional electrode in the crucible.
  • the upper limit of the excitation and ionization that can be achieved depends on the type of evaporation material. It can be determined by typical values for the ion current density characterize substrates to be coated in the range of 100 mA / cm 2 . For some materials, much higher values can be achieved.
  • a special feature of the method according to the invention is that the transient phenomena which occur in known vacuum arcs, such as rapid movement of the cathode spot, frequent quenching of the discharge, fluctuations in the operating voltage and plasma intensity do not occur.
  • the main advantage is that the diffuse arc discharge with its large-area cathode attachment does not cause any droplets because the droplet emission in the case of arc discharges is closely coupled to the cathode mechanisms with very high current densities. In fact, the droplet freedom could be demonstrated on layers produced by the described method.
  • the special possibilities of the method are that the location as well as the area and consequently the current density of the cathodic approach of the diffuse arc can be controlled. They result from the fact that the electron beam can be deflected very quickly and at the point of impact can draw any figures and areas on the material to be evaporated, which form the base area for the diffuse arc. To achieve a specific power density, the electron beam can be focused or defocused. The use of separate power controls for the electron beam and arc discharge results in the possibility of largely independently adjusting evaporation parameters (evaporation rate) and plasma parameters (degree of ionization and excitation).
  • evaporation rate evaporation rate
  • plasma parameters degree of ionization and excitation
  • 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 layer properties. However, it is also particularly suitable for reactive evaporation for the production of layers from chemical compounds.
  • a reactive gas is introduced into the in a known manner Vacuum chamber embedded. Reactions take place between reactive gas particles and vapor particles deposited on the substrate. Stoichiometric layers can be deposited if the evaporation rate and the reactive gas inlet are correctly coordinated. Reactions with the reactive gas also occur at the cathode, but these hardly affect the stability of the diffuse arc discharge when the electron beam strikes the vaporized material with a high power density and thus keeps the surface free of contamination.
  • 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.
  • the recipient 1 is evacuated to a pressure of 10 ⁇ 3 Pa using a vacuum puncture system 3.
  • 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.
  • 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 capable of delivering 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.
  • the process for coating a substrate with titanium nitride is carried out as follows.
  • 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 in such a way that a spiral-shaped path with an outer diameter of 6 cm is formed on the material to be evaporated. This spiral figure rotates periodically on a circular path, so that its centroid describes a circle of 1 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-shaped web is heated up virtually 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 which burns exclusively in titanium vapor.
  • the discharge changes into the diffuse form described.
  • the current will now increased to 1000 A, the discharge voltage is 15 V.
  • 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 in the described diffuse form burns with a current of 1000 A, a current flows to the substrate with a current density of 100 mA / cm 2 .
  • the plasma-assisted deposition of stoichiometric titanium nitride layers with a high deposition rate on the substrates is achieved by admitting reactive nitrogen up to a pressure of 1.2 Pa.

Abstract

In the electron beam vapour deposition using an arc, cathode spots occur which lead to the formation of droplets. These very adversely affect the quality of the coatings. Accordingly to the invention, a periodically deflectable, high-energy electron beam is moved over the deposition material to form a virtually uniformly heated region in which there is a high rate of evaporation. An arc discharge is struck in this region which impinges in a diffuse manner and extends over said region. A high proportion of the vapour is ionised. No process gas is fed in during the process. The invention is applicable even to the reactive coating of components, tools and steel strip.

Description

VERFAHREN UND EINRICHTUNG ZUM ELEKTRONENSTRAHLVERDAMPFENMETHOD AND DEVICE FOR EVAPORATING ELECTRON BEAMS
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdampfen von Materia¬ lien im Vakuum mittels Elekt" -»nenstrahl in Verbindung mit einer Bogenentladung und die Einricntung zur Durchführung des Verfah¬ rens. Das Verfahren ist vorzugsweise zum plasmagestützten Bedamp¬ fen 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 by means of an electron beam in connection with an arc discharge and the device for carrying out the method. The method is preferably suitable for plasma-assisted vapor deposition of large areas and is used in particular for reactive coating of components, tools and strip steel.
Beim Elektronenstrahlverdampfen werden in einer Elektronenkanone Elektronen von einer Glühkatode emittiert und durch eine Hoch¬ spannung (10...50 kV) beschleunigt. Der hochenergetische Elektro¬ nenstrahl kann mittels elektrischer oder magnetischer Felder abgelenkt und fokussiert werden und wird direkt auf die Oberflä¬ che 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 Verdamp¬ fungsgut unterblinden 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 leistungsfähi¬ gen Elektronenkanonen vom Axialtyp werden höchste Verdaπpfungsra¬ ten realisiert.In electron beam evaporation, electrons are emitted from a hot cathode in an electron gun and accelerated by a high voltage (10 ... 50 kV). The high-energy electron beam can be deflected and focused by means of electrical or magnetic fields and is directed directly onto the surface of the material to be evaporated. The decisive advantage of electron beam evaporation lies in the fact that the vapor-emitting surface is heated directly without the energy being supplied via the crucible or the evaporation material. This also enables the use of water-cooled copper crucibles, thereby preventing reactions between the crucible wall and the material to be evaporated. Another important reason for using this method is the good local and temporal controllability of the electron beam, which enables the use of large-area evaporator crucibles. The highest evaporation rates are achieved with powerful electron guns of the axial type.
Ein Nachteil dieses Verdampfungsverfahrens liegt in dem relativ geringen Anteil von angeregten und ionisierten Teilchen und der geringen Energie (E<leV) der verdampften Teilchen. Das liegt einerseits an der relativ geringen Prozeßtemperatur (Verdamp¬ fungstemperatur) an der dampfabgebenden Oberfläche und anderer¬ seits darin begründet, daß der Wirkungsquerschnitt für den Stoß zwischen hochenergetischen Strahlelektronen und Dampfteilchen sehr gering ist.A disadvantage of this evaporation process lies in the relatively low proportion of excited and ionized particles and the low energy (E <leV) of the evaporated particles. This is due on the one hand to the relatively low process temperature (evaporation temperature) on the vapor-emitting surface and on the other hand to the fact that the cross section for the impact between high-energy beam electrons and vapor particles is very small.
Wesentliche Voraussetzungen für die Abscheidung qualitativ hochwertiger, dichter Schichten - auch bei niedriger Substrattem- peratur 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 with low substrate temperatures - temperature and for the production of connecting layers by reactive process control - are just high degrees of excitation and ionization of the vapor cloud.
Es sind verschiedene Verfahren zur plasmagestützten Schichtab- scheidung beschrieben, die die genannten Nachteile überwinden sollen.Various methods for plasma-assisted layer deposition are described which are intended to overcome 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 beschleu¬ nigen. 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 P 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-Span- nung erhöht werden.It is known to accelerate the scattering and secondary electrons generated on the molten bath surface by the primary high-energy electron beam by means of an additional electrode. This is set to a low, positive potential (20 ... 100 V) and arranged in the evaporation zone in such a way that many impacts between electrons, vapor and reactive gas particles can occur on the path of the electrons to the anode (US Pat. No. 3,791,852). A glow discharge forms and the substrate reaches an ion current. The energy of the positively ionized particles can additionally be increased by a negative bias voltage applied to the substrate.
Dieses Verfahren hat sich bisher jedoch technisch nicht durchge¬ setzt, da Versuche, den Prozeß großtechnisch durch den Einsatz von großen Verdampfertiegeln mit hohen Verda pfungsraten zu nutzen, gescheitert sind.However, this method has not yet become technically successful since attempts to use the process on an industrial scale by using 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 I). 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 Elektro- nenstrahl 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 is intended to improve the above-mentioned principle in such a way that stoichiometric layers can also be deposited at higher coating rates. This device is characterized in that the evaporator crucible is surrounded by a chamber which has an aperture in the direction of the substrate. A positively biased electrode is arranged outside the chamber and sucks off the charge carriers generated in the inner chamber, a glow discharge burning in the area of the aperture opening and electrode being generated (DE 36 27 151 AI). With this method, coating rates around 5 μm / min can be achieved without further notice. The disadvantages of the method lie in the fact that the reactive gas is let into the inner chamber and leads to an increased pressure therein. The interactions between electrical Although the electron beam and reactive gas are wanted, they lead to strong scattering of the electron beam at higher coating rates and the higher gas quantities required. In addition, a large proportion of the vaporized material is deposited unused on the wall of the inner chamber.
Um die genannten Nachteile zu überwinden, wurden intensive Elektronenquellen entwickelt, die mit geringen Beschleunigungs- spannungen arbeiten. Dazu gehören die Niedervoltbogen-Verda pfer und Hohlkatoθen-Elektronenstrahl-Verdampfer mit geheizter oder kalter Katode. Charakteristisch für diese Verfahren ist die Ausbildung des Tiegels als Anode und der Einlaß eines Arbeitsga¬ ses (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 Transverseverdamp¬ fers und ein Niedervoltboge iuf den als Anode geschalteten Tiegel gerichtet werden (DE 28 23 876 C 2) . Gegenüber den Einzel¬ verfahren können damit Verdampfungsrate und Ionisierung bzw. Anregung unabhängiger voneinander realisiert werden.In order to overcome the disadvantages mentioned, intensive electron sources have been developed that work with low acceleration voltages. These include the low-voltage arc evaporators and hollow-cathode electron beam evaporators with heated or cold cathodes. Characteristic of these processes is the design of the crucible as an anode and the inlet of a working gas (eg argon) in a separate cathode chamber. Since a low gas pressure is desired in the coating chamber, pressure stages must be arranged between the cathode and coating chamber. A method for evaporating metals is also described, an electron beam from a transversal evaporator and a low-voltage arc being directed onto the crucible connected as an anode (DE 28 23 876 C 2). Compared to the individual processes, the evaporation rate and ionization or excitation can thus be implemented more independently of one another.
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, in practice these processes provide layers with very good properties, but high coating rates of around 1 μm / s were not achieved with these processes. The transfer of these processes to extensive crucibles for coating large areas has 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...108 A/cm2) zusammenschnürt (DE 31 52 736) . Die Katodenflecke, in denen sich die Aufschmel¬ zung 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 beein¬ flußt. 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 steam between the cathode and the 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). The cathode spots in which the melting and evaporation of the target material take place move stochastically and abruptly over the cathode surface. The average drift speed and the direction of this movement is influenced by the target material, the arc current, external magnetic fields and the presence of additionally introduced 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 zahlrei¬ chen Mikropartikeln bis ca. 50 μm Größe, den sogenannten Droplets, stark eingeschränkt. Diese Droplets werden aufgrund der überaus hohen Stromdichte aus den Schmelzkratern an der Katoden¬ oberfläche 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 adhesive strength. In many applications, however, these advantages are severely limited by the undesired incorporation of numerous microparticles up to approximately 50 μm in size, the so-called droplets. Because of the extremely high current density, these droplets are thrown out of the melting craters on the surface of the cathode. The frequency and size of these droplets can be reduced by various measures. These include methods for the subsequent filtering of droplets using magnetic or electrical deflection fields for charged particles. However, this again requires additional equipment.
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 P 4,673,477).Another direction of development of the arc evaporators assumes that droplets are suppressed or avoided if the high intrinsic dynamics of the cathodic arc base point is restricted by guiding the base point via additional means on the target surface. The base point is guided through the field of a permanent magnet on a closed path. The target can be removed in a defined manner by moving the magnet relative to the target surface (US Pat. No. 4,673,477).
Ein gleichmäßiges Abtragen der Targetoberfläche wird auch dadurch erreicht, daß zur Führung und Stabilisierung des Katodenfußpunk- tes ein Elektronen- oder Laserstrahl verwendet wird (DE 40 06 456 C 1) . 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 Dampf- wölke konzentriert und kann durch Ablenkung von Laser- bzw. Elektronenstrahl über die Targetoberfläche geführt werden. 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, wodurch das zu verdampfende Material zusätzlich mit einem hochenergetischen Elektronenstrahl beaufschlagt wird. Diese Kombination einer Bogenentladung mit einem Elektronenstrahlverdampfer soll hohe Beda pfungsraten bei refraktären Metallen und elektrisch nicht leitenden Materialien erreichen (DE 32 06 882 A I).Uniform removal of the target surface is also achieved by using an electron or laser beam to guide and stabilize the cathode base (DE 40 06 456 C 1). The arc discharge is operated in an area where a substantial part of the arc current flows through small spots on the target surface and the target is connected as a cathode. The laser or electron beam creates a local vapor cloud over the target. The cathode base is concentrated in the local vapor cloud and can be guided over the target surface by deflecting the laser or electron beam. A method for evaporating material in a vacuum is also known, in which the material to be evaporated is bombarded with electrons from a low-voltage arc discharge, as a result of which the material to be evaporated is additionally subjected to a high-energy electron beam. This combination of an arc discharge with an electron beam evaporator is said to achieve high depletion rates for refractory metals and electrically non-conductive materials (DE 32 06 882 AI).
Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß zwar hochener¬ getische 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 prakti¬ schen Beschränkung. Es können zwar hochschmelzende Metalle und elektrisch nicht leitende Mat*- rialien verdampft werden; die gewünschte Aktivierui. r des Da-.^fes bzw. Reaktionsgases findet jedoch in einem kleinen Volumenbereich oberhalb des Verdampfer¬ tiegels statt. Dieser Mangel steht vielen Anwendungen entgegen.The disadvantage of this method is that high-energy electron beams (energy> 1 keV) can penetrate metal vapors well, but there is considerable scattering in the gases. However, gases, preferably argon, are absolutely necessary to maintain the arc discharge. This leads to a practical limitation. High-melting metals and electrically non-conductive materials can be evaporated; the desired activation. However, the vapor or reaction gas takes place in a small volume range above the crucible. This lack stands in the way of 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 aufge¬ heizt 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 C 2) 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 gleich¬ zeitig entstehenden Dämpfe von Anode und Katode zu trennen, und der notwendige Energieverbrauch zur Verdampfung von Katodenmate¬ rial, 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 is heated with the electron current of an arc which burns on a separate, cold cathode. The arc automatically concentrates on the hot evaporation material of the anode into so-called anode spots and leads to its intensive evaporation, excitation and ionization. The arc burns mainly in the vapor of the anodized material. (DE 34 13 891 C 2) This form of arc evaporation completely avoids the formation of droplets. Compared to the processes with cathodic evaporation, the disadvantage is the comparatively less ionization of the steam, the difficulty in separating the vapors from the anode and cathode which arise at the same time, and the energy consumption required for the evaporation of cathode material, which does not contribute to the formation of layers.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Vakuumbeschichten durch Elektronenstrahlverdampfen und die zugehörige Einrichtung zu schaffen, mit welchem eine sehr hohe Beschichtungsrate erreicht wird. Dabei soll ein hoher Ionisie¬ rungsgrad 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, lonenstromdichte am Substrat und die mittlere Energie der abgeschiedenen Teilchen gut steuern lassen. Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren mit Bogenentla¬ dung dürfen keine Katodenflecke auftreten.The invention has for its object to provide a method for vacuum coating by electron beam evaporation and the associated device with which a very high Coating rate is reached. A high degree of ionization of the generated steam cloud should be possible and the spectrum of separable materials should be very large. The coating of large areas should be possible through large evaporator areas and the coating rate, ion current density on the substrate and the average energy of the deposited particles should be easy to control. In contrast to the known methods with arc discharge, no cathode spots may occur.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach den Merkmalen des Anspru¬ ches 1 gelöst. Ausgestaltungen des Verfahrens und der Einrichtung sind in den Unteransprüchen beschrieben.According to the invention, the object is achieved according to the features of claim 1. Refinements of the method and the device 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 Verdamp¬ fungsgut ist Katode, indem es über die Tiegelwandung oder eine zusätzliche Elektrode im Tiegel kontaktiert wird.It has been found that, with a very high vapor density in the space between the anode and the cathode, the non-stationary cathode spot phenomena on the cathode surprisingly disappear due to a correspondingly high surface temperature of the material to be evaporated. The arc discharge can be maintained in a parameter range in which an intense and distributed plasma is formed over the hot and evaporating parts on the surface of the material to be evaporated. The base of the arc extends over the area that is almost uniformly heated by the deflected electron beam. The material to be evaporated is a cathode in that it is contacted via the crucible wall or an additional electrode in the crucible.
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 Bogenentla¬ dung 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 the anode, a current-intensive diffuse arc discharge with a current strength of more than one hundred, preferably several thousand amperes is produced under these conditions 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 Verdamp¬ fungsrate 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 charakte¬ risieren. Für manche Materialien sind wesentlich höhere Werte erreichbar.This creates a stable working method with a high evaporation rate and 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 determined by typical values for the ion current density characterize 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 Verlö¬ schen der Entladung, Schwankungen von Brennspannung und Plasmain¬ tensität nicht eintreten.A special feature of the method according to the invention is that the transient phenomena which occur in known vacuum arcs, such as rapid movement of the cathode spot, frequent quenching of the discharge, fluctuations in the operating 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 Katoden¬ mechanismen mit sehr hohen Stromdichten gekoppelt ist. Tatsäch¬ lich 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 cathode attachment does not cause any droplets because the droplet emission in the case of arc discharges is closely coupled to the cathode mechanisms with very high current densities. In fact, the droplet freedom could be demonstrated on layers produced by the described method.
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 Lei¬ stungsdichte kann der Elektronenstrahl fokussiert oder defokus- siert werden. Durch den Einsatz getrennter Leistungsregelungen für Elektronenstrahl und Bogenentladung ergibt sich die Möglich¬ keit, Verdampfungsparameter (Verdampfungsrate) und Plasmaparame¬ ter (Ionisierungs- und Anregungsgrad) weitgehend unabhängig voneinander einzustellen.The special possibilities of the method are that the location as well as the area and consequently the current density of the cathodic approach of the diffuse arc can be controlled. They result from the fact that the electron beam can be deflected very quickly and at the point of impact can draw any figures and areas on the material to be evaporated, which form the base area for the diffuse arc. To achieve a specific power density, the electron beam can be focused or defocused. The use of separate power controls for the electron beam and arc discharge results in the possibility of largely independently adjusting evaporation parameters (evaporation rate) and plasma parameters (degree of ionization and excitation).
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 layer properties. However, it is also particularly suitable for reactive evaporation for the production of layers from chemical compounds.
Zur Abscheidung von Verbindungsschichten mit dem erfindungsgemä¬ ßen Verfahren wird in bekannter Weise ein Reaktivgas in die Vakuumkammer eingelassen. Es erfolgen Reaktionen zwischen Reak¬ tivgasteilchen und abgeschiedenen Dampfteilchen am Substrat. Es können stöchiometrische Schichten abgeschieden werden, wenn Verdampfungsrate und Reaktivgaseinlaß richtig aufeinander abge¬ stimmt sind. Auch an der Katode treten Reaktionen mit dem Reak¬ tivgas 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 connecting layers with the method according to the invention, a reactive gas is introduced into the in a known manner Vacuum chamber embedded. Reactions take place between reactive gas particles and vapor particles deposited on the substrate. Stoichiometric layers can be deposited if the evaporation rate and the reactive gas inlet are correctly coordinated. Reactions with the reactive gas also occur at the cathode, but these hardly affect the stability of the diffuse arc discharge when the electron beam strikes the vaporized material with a high power density 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 zugehöri¬ gen separaten Stromversorgungen gelöst. Dieses Vorgehen ist technisch sehr aufwendig und teuer. Es zeigte sich, daß das erfindungsgemäße Verfahren für die plasmagestützte Großflächenbe- dampfung besonders geeignet ist. Die Ursache liegt darin, daß es überraschenderweise möglich ist, den Bogen auf der Katodenober¬ fläche 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 solved by stringing together a number of individual plasma sources 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 vaporization. The reason for this is that it is surprisingly possible to divide the arc on the cathode surface into a plurality of spatially separate areas, in that different areas of the surface are acted upon successively by a high alternating frequency at the same time by the electron beam. This means that spatially extended, large evaporator crucibles can also be used for the coating of large-area substrates. Several separate areas on the surface of the vaporized material can be activated by 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 Elektronenstrahl- verdampfen in der Draufsicht dargestellt.The invention is explained in more detail using an example. In the accompanying drawing, a top view of a device for electron beam vaporization is shown.
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-Punpsystem 3 wird der Rezipient 1 auf einen Druck von 10~3 Pa 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 Rich¬ tung in den Rezipienten 1 eingeschossen wird, auf den Verdampfer¬ tiegel 4 ab. Mittels einer bekannten Ablenkeinrichtung an der Elektronenkanone 2 kann der Elektronenstrahl auf dem Verdamp¬ fungsgut am Auftreffort beliebige Figuren zeichnen. Im Abstand von 5 cm über dem Verdairpfertiegel 4 ist eine U-förmige Elektrode 7 angeordnet, deren Öffnung in Richtung des einfallenden Elektro¬ nenstrahls 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. The recipient 1 is evacuated to a pressure of 10 ~ 3 Pa using a vacuum puncture system 3. 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 capable of delivering 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 Verdairpfertiegel 4 ist mit Titan gefüllt. Der Elektro¬ nenstrahl 6 wird auf die Oberfläche des Verdampfungsguts fokus- siert und so abgelenkt, daß auf dem Verdampfungsgut eine spiral¬ förmige 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 1 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 spiral¬ förmigen 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 Titan¬ dampf brennt. Bei einer Stromstärke von 300 A schlägt die Entla¬ dung 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 in such a way that a spiral-shaped path with an outer diameter of 6 cm is formed on the material to be evaporated. This spiral figure rotates periodically on a circular path, so that its centroid describes a circle of 1 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-shaped web is heated up virtually 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 which burns exclusively in titanium vapor. At a current of 300 A, the discharge changes into the diffuse form described. The current will 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 in the described diffuse form burns 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 stöchio etrischen Titannitridschichten mit hoher Abscheiderate auf den Substaten erreicht. The plasma-assisted deposition of stoichiometric titanium nitride layers with a high deposition rate on the substrates is achieved by admitting reactive nitrogen up to a pressure of 1.2 Pa.

Claims

PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS
1. Verfahren zum Elektronenstrahlverdampfen im Vakuum mittels eines sehr schnell und hochfrequent auf dem in einem Verdairpfer¬ tiegel befindlichen Verdampfungsgut abgelenkten hochenergetischen Elektronenstrahles und einer gleichzeitig zwischen dem als Katode geschalteten Verdampfungsgut und einer Anode brennenden Bogenent¬ ladung, dadurch gekennzeichnet, daß durch die schnelle Ablenkung des Elektronenstrahls ein Teil der gesamten Oberfläche des Verdampfungsgutes quasi gleichmäßig derart geheizt wird, daß in diesem Bereich eine hohe Verdampfungsrate entsteht und daß die Bogenentladung in diesem Bereich brennt und einen diffusen Bogen bildet, dessen Fußpunkt der vom Elektronenstrahl gleichmäßig beheizten Fläche auf dem Verdampfungsgut annähernd -.spricht und dabei einen wesentlichen Teil des Dampfes ionisier xnd daß kein Prozeßgas während des Verfahrens zugeführt wird.1. A method for electron beam evaporation in a vacuum by means of a very fast and high-frequency deflection of the high-energy electron beam deflected on the material to be evaporated in a vaporizer and an arc discharge burning simultaneously between the material to be evaporated and an anode, characterized in that the rapid deflection of the electron beam, part of the entire surface of the material to be evaporated is heated almost uniformly in such a way that a high evaporation rate occurs in this area and that the arc discharge burns in this area and forms a diffuse arc, the base of which approximates the area on the material to be evaporated, which is uniformly heated by the electron beam. . Speaking and thereby ionizing a substantial part of the steam that no process gas is supplied during the process.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Verdampfungsgut durch die örtliche und zeitliche Ablenkung des Elektronenstrahls mehrere quasi gleichmäßig beheizte Flächen entstehen und in jeder dieser Flächen ein diffuser Bogen gebildet wird.2. The method according to claim 1, characterized in that on the material to be evaporated by the local and temporal deflection of the electron beam several quasi uniformly heated surfaces are formed and a diffuse arc is formed in each of these surfaces.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zu bedampfenden Substrate auf ein frei wählbares, gegenüber dem Verdampfungsgut negatives Potential gebracht werden.3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the substrates to be vaporized are brought to a freely selectable, relative to the evaporative potential negative.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von Verbindungsschichten während des Verdamp¬ fungsprozesses ein Reaktivgas eingelassen wird.4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that a reactive gas is admitted for the production of connecting layers during the Verdamp¬ fungsprozesses.
5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem Rezipienten mit einem darin angeordneten Verdampfertiegel und einem Magnetsystem zur Ablenkung eines Elektronenstrahles, den eine an dem Rezipienten angeordnete Elektronenkanone erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß der Ver¬ dampfertiegel (4) an den negativen Pol einer Bogenstromversor- gungseinrichtung 8 gelegt ist, daß in geringem Abstand über dem Verda pfertiegel (4) außerhalb der Oberfläche des Verdampfungsgu- tes und innerhalb der Magneten (5) des MagnetSystems zur Umlen- kung des Elektronenstrahls (6) eine Elektrode (7) mit dem positi¬ ven Pol der Bogenstroiwersorgungseinrichtung 8 verbunden ist, und daß diese Elektrode (7) in dem Bereich, in den der Elektronen¬ strahl (6) eintritt, geöffent ist.5. Device for carrying out the method according to claim 1, consisting of a recipient with an evaporator crucible arranged therein and a magnet system for deflecting an electron beam, which generates an electron gun arranged on the recipient, characterized in that the evaporator crucible (4) to the negative pole of an arc current supply device 8 is placed at a short distance above the evaporator crucible (4) outside the surface of the evaporation gas tes and within the magnets (5) of the magnet system for deflecting the electron beam (6) an electrode (7) is connected to the positive pole of the arc current supply device 8, and that this electrode (7) in the area in which the Electron beam (6) enters, is open.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die als Anode wirkende Elektrode (7) wassergekühlt und/oder thermisch isoliert angeordnet ist.6. Device according to claim 5, characterized in that the electrode (7) acting as an anode is water-cooled and / or thermally insulated.
7. Einrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Verdampfertiegel (4) eine zusätzliche Elektrode für das Zuführen des Bogenstromes angeordnet ist.7. Device according to claim 5 and 6, characterized in that an additional electrode for supplying the arc current is arranged in the evaporator crucible (4).
8. Einrichtung nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Rezipienten (1) mehrere Elektronenkanonen (2) angeord¬ net sind, die jeweils einem bestimmten Bereich des Verdampfertie¬ gels (4) zugeordnet sind, um diesen mit dem Elektronenstrahl (6) zu beaufschlagen. 8. Device according to claim 5 to 7, characterized in that on the recipient (1) a plurality of electron guns (2) are angeord¬ net, each associated with a specific area of the Verdampfertie¬ gel (4) to this with the electron beam ( 6) to act upon.
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