DE4425626A1

DE4425626A1 - Method and appts. for plasma coating components with metal and polymer layers

Info

Publication number: DE4425626A1
Application number: DE19944425626
Authority: DE
Inventors: Michael Dr Geisler; Rolf Adam; Heinrich Dipl Chem D Gruenwald
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: Oerlikon Deutschland Holding GmbH
Priority date: 1994-07-20
Filing date: 1994-07-20
Publication date: 1996-01-25

Abstract

The invention concerns plasma deposition of coatings on substrates (2) with at least one metal layer and at least one plasma polymer layer in a vacuum chamber (4). The chamber is provided with vacuum locks (6), a gas inlet (18), a substrate transport unit (10), a substrate holder (12), and an appts. (8) with a magnetic device (22) and a coating cathode (14). A process gas is fed into the chamber. A glow discharge process is initiated, and a plasma polymer layer is deposited on the substrate in the position (A). After extinguishing the glow discharge, and evacuating the chamber to a pressure below 0.01 Pa, the substrate is removed to position (B). A noble gas or a gaseous O2 carrier is then introduced. A low pressure glow discharge is initiated, and the cathode (14) is freed from the plasma polymer layer. The substrate is returned to the position (A) to be coated with the cathode material.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patent anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ge mäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 15.The invention relates to a method according to the preamble of the patent claims 1 and a device for performing the method ge according to the preamble of claim 15.

Die Beschichtung von Formteilen mittels sputterinduzierter Kathodenzer stäubung ist bekannt. Bei diesem Vakuum-Beschichtungsverfahren wird das aufzutragende Beschichtungsgut durch Beschuß einer Kathode mit positiven Ionen aus einer im wesentlichen vor der Kathode gezündeten Plasmaentladung durch Kathodenzerstäubung (sputtering) abgetragen. Das derart gesputterte Kathodenmaterial wird auf dem der Kathode gegen über angeordneten Substrat abgeschieden und bildet eine kontinuierlich aufwachsende Schicht. Um die Haftbeständigkeit von z. B. derartig aufge tragener Metallschichten zu erhöhen, ist es oftmals erforderlich sie mit einer korrosionsschützenden Deckschicht aus Polymeren zu beschichten bzw. die Metallschicht auf eine auf dem Substrat aufgebrachte, haftver mittelnde Polymerschicht durch Kathodenzerstäubung aufzutragen. Als Ausgangssubstanzen dieser Polymere werden z. B. zur Erzeugung trans parenter Schutzschichten organische Siliziumverbindungen verwendet, die als Gas einem Niedertemperaturplasma zugeführt werden, in welchem ähnlich wie bei der Pyrolyse eine Fragmentierung der Moleküle erfolgt, welche als Radikalbruchstücke auf die sich auf an das Plasma an grenzende Flächen, insbesondere die des Substrats, als aus einem makromolekularen Netzwerk bestehende dünne Schichten absetzen. Die Beschichtungsrate und die Homogenität der Schichtverteilung sind ebenso wie bei der Metallisierungsbeschichtung stark von den Anlagen parametern, wie elektrischer Leistung der Plasmaquelle, Gasdruck und Gasart abhängig.The coating of molded parts using sputter-induced cathode zeros dusting is known. In this vacuum coating process the coating material to be applied by bombarding a cathode positive ions from an essentially ignited in front of the cathode Plasma discharge removed by sputtering. The cathode material sputtered in this way is opposed to that of the cathode deposited over arranged substrate and forms a continuous growing layer. To the adhesion of z. B. up like this increased metal layers, it is often necessary to use them to coat a corrosion-protective top layer made of polymers or the metal layer on an applied to the substrate, adhesion apply the middle polymer layer by sputtering. As Starting substances of these polymers are, for. B. to generate trans parent protective layers used organic silicon compounds, which are supplied as gas to a low-temperature plasma, in which Similar to pyrolysis, the molecules are fragmented, which as radical fragments on which are attached to the plasma bordering surfaces, in particular that of the substrate, as from one macromolecular network to deposit existing thin layers. The Coating rate and the homogeneity of the layer distribution are just as with the metallization coating from the systems parameters such as electrical power of the plasma source, gas pressure and Gas type dependent.

Bei dem bekannten Herstellungsverfahren erfolgt die Metallisierungsbe schichtung und die Plasmapolymerisation in jeweils voneinander separier ten Vakuumprozeßkammern. Der Grund für die räumliche Trennung des Metallisierungs- und Plasmapolymerisations-Verfahrens ist, daß bei der Plasmapolymerisation elektrisch nicht leitende Plasmapolymerbeläge auf der Innenbeschichtung der Vakuumkammer abgeschieden werden. Wird beispielsweise die Entladung mit Gleichspannung angeregt, so wird diese wegen der Beschichtung der Elektrode mit einer isolierenden Plasmapolymerschicht instabil, was die Produktqualität einer nach folgenden Metallbeschichtung verschlechtert. Diese Nachteile treten ins besondere bei kurz getakteten Zerstäubungsanlagen auf, da bei diesen wegen der kurzen Beschichtungszeit mit hohen Beschichtungsraten ge arbeitet werden muß, wobei wegen der hohen Konzentration reaktiver Fragmente Partikel bereits aus der Gasphase agglomerien, die im weiteren Verlauf der Reaktion Kondensationskeime für die Bildung von Staub in der Anlage darstellen. In the known manufacturing process, the metallization takes place layering and the plasma polymerization in separate from each other vacuum process chambers. The reason for the spatial separation of the Metallization and plasma polymerization process is that in the Plasma polymerisation of electrically non-conductive plasma polymer coatings the inner coating of the vacuum chamber. Becomes for example, the discharge is excited with DC voltage, so this is because of the coating of the electrode with an insulating Plasma polymer layer unstable, which is the product quality after following metal coating deteriorated. These disadvantages come into play especially in the case of short-cycle atomization systems, since these because of the short coating time with high coating rates must be worked, being more reactive because of the high concentration Fragments of particles already from the gas phase agglomerate in the further course of the reaction condensation nuclei for the formation of Show dust in the system.

Die herkömmliche Durchführung des oben genannten Beschichtungsver fahrens ist sonst technisch aufwendig und aus wirtschaftlichen Gründen nachteilig.Conventional implementation of the above coating method driving is otherwise technically complex and for economic reasons disadvantageous.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtungen anzugeben, mit welchen Metallbeschichtungen und korrosionsschützende bzw. haftver mittelnde Plasmapolymerschichten in einfacher Weise kostengünstig auf Substrate aufgebracht werden können.The invention is therefore based on the object, a method and Implementation of this method to specify suitable devices with which metal coatings and corrosion protection or adhesion average plasma polymer layers in a simple manner inexpensively Substrates can be applied.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird ein erfindungsgemäßes Beschichtungsverfahren und eine erfindungsgemäße Vorrichtung vorge schlagen, mit welchen die Metallisierungsbeschichtung und die Plasmapolymerisationsbeschichtung in einer einzigen Prozeßkammer durchgeführt werden können. Insbesondere wird hierbei die für die Metal lisierungsbeschichtung verwendete Kathode auch zur Zündung und Auf rechterhaltung des den Plasmapolymerisationsprozeß stützenden Plasmas verwendet. Durch die Verwendung nur einer einzigen Beschich tungsquelle (Kathode), mit der eine Metallbeschichtung und eine Polymeri sationsbeschichtung möglich ist, ergibt sich im Vergleich zu den her kömmlichen Beschichtungsverfahren in zwei getrennten Prozeßkammern ein vereinfachter Aufbau der gesamten Beschichtungsstationen und eine Vereinfachung des Beschichtungsverfahrens durch Wegfall des Trans portvorganges des Substrates von der Metallisierungsbeschichtungs station zur Plasmapolymerisations-Beschichtungsstation, wodurch insbe sondere die Herstellung von korrosionsgeschützten Metallbeschichtungen auf einzelnen Formteilen vereinfacht wird.To solve the problem, an inventive Coating method and a device according to the invention with which the metallization coating and the Plasma polymerization coating in a single process chamber can be carried out. In particular, this is for the Metal lization coating also used cathode for ignition and opening maintaining the plasma polymerization process Plasmas used. By using only one coating tion source (cathode) with which a metal coating and a polymeri coating is possible, results in comparison to the forth conventional coating processes in two separate process chambers a simplified structure of the entire coating stations and one Simplification of the coating process by eliminating the trans port process of the substrate from the metallization coating station to the plasma polymerization coating station, whereby esp especially the production of corrosion-protected metal coatings is simplified on individual moldings.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst eine Plasmapoly merschicht durch Zünden und Aufrechterhalten einer Gasentladung in einer reaktiven Atmosphäre auf dem Substrat abgeschieden und als Haftschicht unmittelbar auf dem Substrat-Grundkörner bzw. als korrosionsschützende Deckschicht auf der Metallschicht abgeschieden. Als Prozeßgas wird vorteilhaft ein Gasgemisch aus Gasen der Gruppen:
Kohlenwasserstoffe, Organosiloxane, Organosilazene, Organosilizium verbindungen, Stickoxide sowie Edelgas und Permanentgase verwendet. Als besonders effektiv hat sich die Verwendung von Hexamethyldisiloxan und/oder Oxtamethyltetrasiloxan allein oder im Gemisch mit N₂- oder einem Edelgas mit einem Anteil von 0,1 bis 10 erwiesen. Der Minuspol der Leistungsversorgung wird dabei vorzugsweise mit der Sputterkathode und der Pluspol mit Anlagenmasse verbunden. Nach Abscheiden einer 5 nm-200 nm dicken Plasmapolymerschicht auf dem Substrat wird die mit einer Flächenleistungsdichte von 0,1 W/cm²-10 W/cm² betriebene, Glimmentladung vorzugsweise durch Unterbrechung der Stromzufuhr der Sputterkathode ausgeschaltet und das Substrat auf eine der Sputterkathode abgewandten Zwischenposition gefahren.In the method according to the invention, a plasma polymer layer is first deposited on the substrate by igniting and maintaining a gas discharge in a reactive atmosphere and deposited directly on the substrate base grains as an adhesive layer or on the metal layer as a corrosion-protecting cover layer. A gas mixture of gases of the groups is advantageously used as the process gas:
Hydrocarbons, organosiloxanes, organosilazenes, organosilicon compounds, nitrogen oxides and noble gas and permanent gases are used. The use of hexamethyldisiloxane and / or oxamethyltetrasiloxane alone or in a mixture with N₂ or a noble gas in a proportion of 0.1 to 10 has proven to be particularly effective. The negative pole of the power supply is preferably connected to the sputter cathode and the positive pole to the system ground. After depositing a 5 nm-200 nm thick plasma polymer layer on the substrate, the glow discharge operated with an area power density of 0.1 W / cm²-10 W / cm² is preferably switched off by interrupting the power supply to the sputtering cathode and the substrate is moved to an intermediate position facing away from the sputtering cathode hazards.

Zur Reinigung der Beschichtungs-/Sputterkathode von der an dieser ange lagerten Plasmapolymerschicht wird in das Entladungsvolumen ein Edel gas und/oder ein gasförmiger Sauerstoffträger, z. B. O₂-, N₂O-, und/oder CF₄-, NF₃-Gas, eingelassen und das Substrat mittels einer Transportvor richtung in eine der Sputterkathode bzw. Beschichtungskathode abge wandten Zwischenposition positioniert . . Nach Zünden einer Nieder druckglimmentladung und kontrolliertem Anstieg der Glimmleistungsdichte auf Werte zwischen 10 und 50 W/cm² setzt ein Targetreinigungsprozeß ein, bei welchem die Sputterkathode von ihrer Plasmapolymerschichtbe legung freigesputtert wird. Am Ende dieses Targetreinigungsprozesses brennt die Glimmentladung bei Spannungen, wie sie bei dem ver wendeten Sputterkathodentyp bei metallisch sauberen Aluminiumtargets typisch für die Plasmaimpedanz ist, nämlich z. B. 450 V bei 20 A und 4 pbar Argon. Im Anschluß an dieses Reinigungsverfahren steht die Sput terkathode für einen weiteren Metallisierungsbeschichtungsprozeß zur Verfügung. Hierzu wird lediglich das zu beschichtende Substrat von seiner Zwischenposition in die Beschichtungsposition rücktransportiert, in welcher ein weiterer Beschichtungsvorgang durchgeführt werden kann, um das Substrat vorzugsweise mit einer z. B. 300 bis 2000 Å dicken Alu miniumschicht zu belegen. To clean the coating / sputtering cathode on the attached stored plasma polymer layer becomes a noble in the discharge volume gas and / or a gaseous oxygen carrier, e.g. B. O₂-, N₂O-, and / or CF₄, NF₃ gas, let in and the substrate by means of a transport direction in one of the sputtering cathode or coating cathode positioned intermediate position. . After igniting a low pressure glow discharge and controlled increase in glow power density a target cleaning process is based on values between 10 and 50 W / cm² one in which the sputtering cathode is from its plasma polymer layer laying is sputtered. At the end of this target cleaning process burns the glow discharge at voltages such as those in the ver used sputter cathode type with clean metallic aluminum targets is typical for the plasma impedance, namely z. B. 450 V at 20 A and 4 pbar argon. The sput follows this cleaning process cathode for a further metallization coating process for Available. For this purpose, only the substrate to be coated from transported back from its intermediate position to the coating position, in which another coating process can be carried out around the substrate preferably with a z. B. 300 to 2000 Å thick aluminum minimum layer.

Die Reinigung einer von einer Plasmapolymerschicht belegten Kathode aus Aluminiumdurch durch eine Niederdruckglimmentladung, erfolgt auf dem Hintergrund des bekannten Standes der Technik in überraschender Weise derart effektiv, daß dieser Targetreinigungsprozeß z. B. innerhalb von 10 sec zu sauberen Aluminiumtargets führt, und so eine dauerhafte "Vergiftung" der Sputterkathode unterbunden werden kann.The cleaning of a cathode covered by a plasma polymer layer made of aluminum by means of a low pressure glow discharge the background of the known prior art in surprising Way so effective that this target cleaning process z. B. within of 10 sec leads to clean aluminum targets, and so a permanent one "Poisoning" of the sputter cathode can be prevented.

Durch eine Variation, vorzugsweise eine Abschwächung des Kathodenma gnetfeldes während der PCVD-Verfahrensschritte, ist die Polymerbe schichtung weiter optimierbar.By varying, preferably weakening the cathode dimension gnetfeldes during the PCVD process steps, is the Polymerbe Layering can be further optimized.

Die Durchführung des Verfahrens erfolgt erfindungsgemäß mit einer Vor richtung, die im wesentlichen eine Vakuumkammer mit einer Vakuum schleuse, eine Gaseinlaßeinrichtung, eine Einrichtung mit einer Beschich tungskathode zur Erzeugung einer Plasmaentladung sowie einen dieser Einrichtung gegenüber angeordneten Drehteller mit einer Halteraufnahme aufweist, in welchen ein ein Substrat aufnehmender Substrathalter ein setzbar ist. Erfindungswesentlich ist, daß das Substrat zwischen den Verfahrensschritten Plasmapolymerisationsbeschichtung und Targetreinigung mittels des Drehtellers aus der, der Kathode gegenüber angeordneten Beschichtungsposition in eine, der Kathodensputterfläche abgewandten Zwischenposition überführbar ist und im Anschluß an den Reinigungsprozeß in die Beschichtungsposition rückführbar ist.According to the invention, the method is carried out with a pre direction, which is essentially a vacuum chamber with a vacuum lock, a gas inlet device, a device with a coating tion cathode for generating a plasma discharge and one of these Facility opposite turntable with holder holder in which a substrate holder receiving a substrate is settable. It is essential to the invention that the substrate between the Process steps plasma polymerization coating and Target cleaning using the turntable from the, opposite the cathode arranged coating position in one, the cathode sputtering surface facing away intermediate position is transferable and following the Cleaning process is traceable to the coating position.

Durch die Verwendung eines Magnetrons als Einrichtung zur Zündung und Aufrechterhaltung des Plasmas sind sowohl während des Metallbe schichtungsprozesses wie auch während des Reinigungsprozesses hohe Sputterraten und damit vorteilhaft kurze Prozeßzeiten realisierbar.By using a magnetron as a device for ignition and maintaining the plasma are both during the metalbe layering process as well as during the cleaning process Sputter rates and thus advantageously short process times can be achieved.

Zur Strom-/Spannungs-Versorgung der Kathode sind jeweils eine Magnetronversorgungseinheit und eine Glimmversorgungseinheit vorge sehen, zwischen denen mittels eines Umschalters die an der Kathode liegende elektrische Spannung in kurzer Schaltzeit, derartig abgreifbar ist, daß Spannung sowohl negativer als auch positiver Polarität an die Sput terkathhode anlegbar ist. Weiterhin ist vorgesehen, daß die Spannung der Leistungsversorgung der Glimmentladung eine Frequenz von 1 bis 100 kHz aufweist, wodurch die Glimmentladung entsprechend dem ver wendeten Gasgemisch optimal betrieben werden kann.For the current / voltage supply of the cathode there are one Magnetron supply unit and a glow supply unit featured see between them by means of a switch on the cathode lying electrical voltage in a short switching time, which can be tapped in this way, that voltage of both negative and positive polarity to the sput terkathhode can be created. It is also provided that the voltage of the Power supply of the glow discharge a frequency of 1 to 100 kHz, whereby the glow discharge according to ver used gas mixture can be operated optimally.

Um das Substrat während des Reinigungsprozesses in seiner Zwischen position gegen mögliche Kontamination mit von der Kathode frei ge sputterten Plasmapolymerschichtteilchen zu schützen, ist ein unterhalb des Substrathalters und in vertikaler Richtung frei bewegbarer Stempel vorgesehen, der den Substrathalter mit seinem Öffnungsrand während des Substratreinigungsprozesses gegen die obere Vakuumkammerwand hebt, so daß das im Innenraum des Substrathalters befindliche Substrat im wesentlichen dicht abgeschlossen wird. Zur Aufnahme, d. h. zur Absorption der während des Reinigungsprozesses von der Sputterkathode abgelösten Partikel, ist in der Vakuumkammer ein Schutzblech vorge sehen, auf das die überschüssigen Plasmapolymerschichtteilchen abge schieden werden.To the substrate during the cleaning process in between position against possible contamination with the cathode Protecting sputtered plasma polymer layer particles is one below of the substrate holder and freely movable stamp in the vertical direction provided that the substrate holder with its opening edge during of the substrate cleaning process against the upper vacuum chamber wall lifts so that the substrate located in the interior of the substrate holder is essentially sealed. For inclusion, d. H. to Absorption of the sputtering cathode during the cleaning process detached particles, a mudguard is provided in the vacuum chamber see on which the excess plasma polymer layer particles abge be divorced.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes er geben sich aus den übrigen Unteransprüchen.Further advantageous refinements of the subject matter of the invention arise from the remaining subclaims.

Im folgenden wird ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes anhand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert.A particularly advantageous exemplary embodiment of the subject matter of the invention is explained in more detail below with reference to FIGS. 1 to 3.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 einen abgewickelten azimentalen Schnitt durch eine erfin dungsgemäße Beschichtungsanlage mit kombinierter Alu minium- und PCVD (Plasma Chemical Vapor Deposition)- Station, FIG. 1 is a developed minium azimentalen section through a dung OF INVENTION modern coating system with a combined aluminum and PCVD (Plasma Chemical Vapor Deposition) - station,

Fig. 2 einen Querschnitt durch das Schichtprofil eines mit einer Haftschicht, Metallschicht und Deckschicht beschichteten Substrats, und Fig. 2 shows a cross section through the profile of a layer coated with an adhesive layer, metal layer and cover layer substrate, and

Fig. 3 einen Querschnitt durch das Schichtprofil eines mit einer Metallschicht und einer Deckschicht beschichteten Substrats. Fig. 3 shows a cross section through the profile of a coated layer with a metal layer and a top layer substrate.

Die in Fig. 1 dargestellte Beschichtungsvorrichtung besteht im wesent lichen aus einer Vakuumkammer 4, die mittels nicht dargestellter Vakuumpumpen und Absaugöffnungen evakuierbar ist. Die den Vakuum bereich einschließenden Kammerwandungen 11a, 11b besitzen in der Aufsicht einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt. Die obere Kammerwandung 11a ist zur Beschickung der Vakuumkammer 4 in einem Bereich als Teil einer Vakuumschleuse 6 ausgebildet. Die Vakuum schleuse 6 besteht aus einem raumfesten oberen Teil, mit einem stufen förmig ausgeformten Absatz 31, der im äußeren Radialbereich der Kammerwand 11a angeordnet ist. Vakuumseitig ist in die Kammerwand 11a im Bereich der Absatzkante ein Dichtungselement 21a integriert. Zum Abdichten des Vakuumbereichs gegen die äußere Atmosphäre wird ein innerhalb der Vakuumkammer 4 befindlicher Substrathalter 12 mit seinem oberen Öffnungsrand gegen das Dichtungselement 21a gepreßt. In diesem Zustand ist die Vakuumschleuse 6 geschlossen und kann mit einem zu beschichtenden Substrat 2 beschickt werden. Nach Schließen eines nicht dargestellten Schleusendeckels wird die Vakuumschleuse 6 auf Kammerdruck abgepumpt. Nach Erreichen des Kammerdrucks wird ein den Substrathalter 12 gegen das Dichtungselement 21a pressender Stempel 46a abgesenkt, wodurch der Substrathalter 12 in eine Halterauf nahme 20 überführt wird. Der sich vom Atmosphärenbereich in den Innen raum der Vakuumkammer 4 erstreckende Stempel 46a wird durch zwei, nämlich einerseits in der Kammerwand 11b und andererseits in dem Boden des Substrathalters 20 befindliche Durchtrittsöffnungen 27a bzw. 27b in das Kammerinnenvolumen geführt. In der Durchbruchsöffnung 27a ist zwischen der Mantelfläche des Stempels 46a und der Fläche der Kammerwand 11 ein Dichtungselement 21 b eingesetzt, wodurch bei Be wegung des Stempels 46a das Vakuum aufrechterhalten bleibt. Nach Ab senkung des Stempels 46a unterhalb der Durchbruchsöffnung 27b kann der in der Halteraufnahme 20 lagernde Substrathalter 12 mittels einer als Drehteller 10 ausgebildeten Transporteinrichtung durch Rotation des Drehtellers 10 aus der Schleusenposition in eine Beschichtungsposition A transportiert werden. In dieser der Vakuumschleuse 6 diametral gegen überliegenden Beschichtungsposition A ist in die obere Kammerwandung 11a eine Einrichtung 8 zur Durchführung einer induzierten Beschichtung mittels Kathodensputtern bzw. eines plasmaunterstützten CVD-Prozesses eingesetzt. Die Einrichtung 8 besteht im wesentlichen aus einem Magne tron, das eine Elektrode 14 aufweist, die entweder als Sputterkathode mit einer Sputterkathodenfläche 15 oder als Anode schaltbar und mit Span nung entsprechender Polarität beaufschlagbar ist. Zur elektrischen Isola tion der Einrichtung 8 von der übrigen elektrischen Masse der Vakuum kammer 4 ist die Einrichtung 8 in die Kammerwand 11a lösbar eingesetzt, wobei mittels eines Dichtungselementes 21c sowohl die elektrische Isola tion wie auch die Vakuumisolation hergestellt wird. In dem in Fig. 1 dar gestellten Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung 8 als Zwischenpol target-Hohlmagnetron-Typ ausgebildet. Bei diesem Magnetrontyp wird zur Erhöhung der Flächenleistungsdichte auf der Sputterkathodenfläche 15 während des Sputterprozesses ein im wesentlichen parallel zur Sputter kathodenfläche 15 verlaufendes Magnetfeld 16 verwendet. Zur Erzeugung dieses Magnetfeldes sind Magneteinheiten 23a und 23b vorgesehen, die jeweils an den Seitenflächen der zu einem im wesentlichen ovalen Ring geformten Elektrode 14 anliegen, wobei die Magneteinheiten 23a bzw. 23b in Reihenfolge mit wechselnden Polaritäten zueinander ausgerichtet sind, wodurch jeweils ein magnetischer Dipol zwischen einzelnen Magneteinheiten 23a und 23b entsteht. Zur Verstärkung der sich über die Sputtertargetfläche 15 erstreckenden Magnetfelder 16 sind die Magnet einheiten 23a, 23b über ein Joch 30 miteinander in magnetischem Kon takt. Die durch das Joch 30 und die Magneteinheiten 23a und 23b gebil dete Magnetanordnung ist von einem verschiebbaren Weicheisenring 38 ringförmig umschlossen. Zur Positionierung des Weicheisenrings 38 ist eine in Fig. 1 nicht dargestellte hydraulische Verstellvorrichtung vorge sehen um mit dem als magnetischer shunt wirkenden Weicheisenring 38 in Abhängigkeit von seiner relativen Verschiebeposition zu den Magnet einheiten 23a und 23b das Kathodenmagnetfeld 16 abzuschwächen. Zum Einlaß von Prozeßgasen ist in der Nähe der Einrichtung 8 in die Kammerwand 11a eine Gaseinlaßeinrichtung 18 eingesetzt. Zur elektrischen Versorgung der Elektrode 14 ist diese mittels einer elektrischen Leitung 26 mit jeweils einer für den Sputterbeschichtungs prozeß bzw. den PCVD-Prozeß vorgesehene Spannungsversorgung 24a, 24b wechselweise über einen in die elektrische Leitung 26 eingesetzten Umschalter 28 verbunden. Um eine unkontrollierte Beschichtung der Innenkammerwände im Plasma angrenzenden Bereich zu vermeiden, sind unterhalb der Elektrode 14 Schutzschilde 40a und 40b vorgesehen, die auf mindestens 400°C durch Zufuhr elektrischer Heizenergie erwärmbar sind. Ein weiteres Schutzblech 42 ist auf dem Drehteller 10 und neben dem in der Beschichtungsposition A befindlichen Substrathalter 12 vorge sehen. An diesem Schutzblech 42 adsorbiert ein Teil der während der Beschichtungsprozesse freigesetzten Beschichtungssubstanzen, wodurch eine Bedeckung der Innenflächen der Kammerwand 11a und 11b ver mieden wird. Zur Reinigung der Sputtertargetflächen nach Durchführung eines plasmainduzierten CVD-Prozesses ist der Substrathalter 12 durch Rotation des Drehtellers 10 in eine Zwischenposition B überführbar. In dieser Zwischenposition ist analog zur Schleusenposition ein Stempel 46b angeordnet, der durch eine Durchbruchöffnung 27c in den Vakuum bereich der Vakuumkammer 4 hinein verschiebbar ist und mit welchem der Substrathalter 12 gegen die Innenfläche 19b der Kammerwand 11a mit dem Öffnungsrand 17 des Substrathalters 12 andrückbar ist. Hier durch wird der Innenbereich des Substrathalters 12 und das in diesem befindliche Substrat 2 von dem übrigen Vakuumbereich, insbesondere während der Freisetzung von polymeren Substanzen während der plasmaunterstützten Reinigung der Sputtertargetfläche, getrennt.The coating apparatus illustrated in Fig. 1 consists Wesent handy from a vacuum chamber 4 which is evacuated by means of vacuum pumps not shown and suction openings. The chamber walls 11 a, 11 b enclosing the vacuum area have an essentially circular cross section in plan view. The upper chamber wall 11 a is designed to feed the vacuum chamber 4 in one area as part of a vacuum lock 6 . The vacuum lock 6 consists of a fixed upper part, with a step-shaped shoulder 31 , which is arranged in the outer radial region of the chamber wall 11 a. On the vacuum side, a sealing element 21 a is integrated in the chamber wall 11 a in the area of the shoulder edge. To seal the vacuum area against the external atmosphere, a substrate holder 12 located within the vacuum chamber 4 is pressed with its upper opening edge against the sealing element 21 a. In this state, the vacuum lock 6 is closed and can be loaded with a substrate 2 to be coated. After closing a lock cover, not shown, the vacuum lock 6 is pumped down to chamber pressure. After reaching the pressure chamber, a substrate holder 12 is lowered against the sealing element 21 a press Direction punch 46 a, whereby the substrate holder 12 in a transfer holder support is transferred 20th The extending from the atmospheric area into the interior of the vacuum chamber 4 stamp 46 a is guided through two, namely on the one hand in the chamber wall 11 b and on the other hand in the bottom of the substrate holder 20 through openings 27 a and 27 b into the chamber interior volume. In the opening 27 a, a sealing element 21 b is inserted between the outer surface of the die 46 a and the surface of the chamber wall 11 , whereby the vacuum is maintained when the die 46 a is moved. After lowering the punch 46 a below the opening 27 b, the substrate holder 12 which is mounted in the holder receptacle 20 can be transported from the lock position into a coating position A by means of a transport device designed as a turntable 10 by rotating the turntable 10 . In this vacuum lock 6, diametrically opposite coating position A, a device 8 is used in the upper chamber wall 11 a for carrying out an induced coating by means of cathode sputtering or a plasma-assisted CVD process. The device 8 consists essentially of a magnet tron, which has an electrode 14 , which can be switched either as a sputtering cathode with a sputtering cathode surface 15 or as an anode and can be acted upon with voltage of appropriate polarity. For electrical insulation of the device 8 from the remaining electrical mass of the vacuum chamber 4 , the device 8 is releasably inserted into the chamber wall 11 a, both the electrical insulation and the vacuum insulation being produced by means of a sealing element 21 c. In the embodiment shown in FIG. 1, the device 8 is designed as an intermediate pole target hollow magnetron type. In this magnetron the power density on the surface Sputterkathodenfläche 15 during the sputtering process, a substantially parallel to the sputtering cathode surface 15 extending magnetic field 16 is used to increase. To generate this magnetic field, magnetic units 23 a and 23 b are provided, each of which abuts on the side faces of the electrode 14 which is formed into an essentially oval ring, the magnetic units 23 a and 23 b being aligned with one another in order with changing polarities, as a result of which a magnetic dipole between individual magnet units 23 a and 23 b arises. To reinforce the extending over the Sputtertargetfläche 15 magnetic fields 16, the magnet are units 23 a, 23 b via a yoke 30 each other in magnetic con tact. The through the yoke 30 and the magnet units 23a and 23b gebil finished magnet arrangement is a displaceable soft iron ring 38 enclosed in a ring. To position the soft-iron ring 38 is not shown in Fig. 1 hydraulic adjusting see provided to the acting as a magnetic shunt soft iron ring 38 in function of its relative displacement position of the magnet units 23 a and 23 the cathode magnetic field b attenuate sixteenth For the inlet of process gases in the vicinity of the device 8 in the chamber wall 11 a, a gas inlet device 18 is used. For the electrical supply of the electrode 14 , this is connected by means of an electrical line 26 to a respective voltage supply 24 a, 24 b provided for the sputter coating process or the PCVD process, alternately via a switch 28 inserted in the electrical line 26 . To an uncontrolled coating of the inner chamber walls to prevent the plasma adjacent area, 14 shields 40 a and 40 b are provided below the electrode, the electrical to at least 400 ° C by supplying heating energy can be heated. Another mudguard 42 is provided on the turntable 10 and next to the substrate holder 12 located in the coating position A. Part of the coating substances released during the coating processes is adsorbed on this mudguard 42 , as a result of which a covering of the inner surfaces of the chamber wall 11 a and 11 b is avoided. To clean the sputtering target surfaces after carrying out a plasma-induced CVD process, the substrate holder 12 can be transferred into an intermediate position B by rotating the turntable 10 . In this intermediate position, a stamp 46 b is arranged analogously to the lock position, which can be moved through an opening 27 c into the vacuum area of the vacuum chamber 4 and with which the substrate holder 12 against the inner surface 19 b of the chamber wall 11 a with the opening edge 17 of the substrate holder 12 can be pressed. Here, the inner region of the substrate holder 12 and the substrate 2 located therein are separated from the rest of the vacuum region, in particular during the release of polymeric substances during the plasma-assisted cleaning of the sputtering target surface.

Zur Versorgung der während der Gasphasenprozesse betriebenen Glimmentladung, ist eine Wechselspannungsversorgung 24b mit einer Frequenzbandbreite von 1 bis 100 kHz vorgesehen. To supply the glow discharge operated during the gas phase processes, an AC voltage supply 24 b with a frequency bandwidth of 1 to 100 kHz is provided.

Fig. 2 zeigt eine mit der in Fig. 1 dargestellten Beschichtungsvorrich tung hergestellte Schichtenfolge bestehend aus einer auf dem Substrat körper 2 mittels PCVD-Technik aufgedampften Haftschicht 3, einer auf die Haftschicht 3 mittels Kathodensputtern aufgetragenen Metallschicht 5 und einer wiederum mittels PCVD-Technik auf die Metallschicht 5 aufge tragenen Schutzschicht 7. Bei der in Fig. 3 dargestellten Schichtenfolge liegt die Metallschicht 5 unmittelbar auf dem Substratkörper 2 auf. Als Schutzschicht 7 ist wiederum eine mittels PCVD-Technik aufgetragene Plasmapolymerschicht 7 vorgesehen. FIG. 2 shows a layer sequence produced with the coating device shown in FIG. 1, consisting of an adhesive layer 3 vapor-deposited on the substrate body 2 by means of PCVD technology, a metal layer 5 applied to the adhesive layer 3 by means of cathode sputtering and, in turn, by means of PCVD technology the metal layer 5 worn protective layer 7th In the layer sequence shown in FIG. 3, the metal layer 5 lies directly on the substrate body 2 . As the protective layer 7, in turn, applied by means of a PCVD technique plasma polymer layer 7 is provided.

BezugszeichenlisteReference list

2 Substrat
2a Substratfläche
3 Haftschicht
3a Substratfläche
4 Vakuumkammer
5 Metallschicht
5a Substratfläche
6 Vakuumschleuse
7 Schutzschicht
8 Einrichtung
9 Substratfläche
10 Substrattransporteinrichtung, Drehteller
11a, 11b Kammerwand
12 Substrathalter
13 Aufnahmeeinrichtung
14 Beschichtungskathode, Sputterkathode, Elektrode
15 Sputterkathodenfläche
16 Kathodenmagnetfeld
17 Öffnungsrand
18 Gaseinlaßeinrichtung
19a, 19b Innenflächenbereich
20 Halteraufnahme
21a, 21b, 21c, 21d Dichtungselement
22 Magnetanordnung
23a, 23b Magneteinheit
24a, 24b Spannungsversorgung
26 elektrische Leitung
27a, 27b, 27c Durchbruchsöffnung
28 Umschalter
30 Joch
31 Absatz
32 Plasmawolke
36 Targetfläche
38 Weicheisenring
40a, 40b Schutzschild
42 Schutzblech
46a, 46b Stempel
A Beschichtungsposition
B Zwischenposition
c Schleusenposition 2 substrate
2 a substrate area
3 adhesive layer
3 a substrate area
4 vacuum chamber
5 metal layer
5 a substrate area
6 vacuum lock
7 protective layer
8 Setup
9 substrate surface
10 substrate transport device, turntable
11 a, 11 b chamber wall
12 substrate holder
13 receiving device
14 coating cathode, sputtering cathode, electrode
15 sputter cathode surface
16 cathode magnetic field
17 opening edge
18 gas inlet device
19 a, 19 b inner surface area
20 holder holder
21 a, 21 b, 21 c, 21 d sealing element
22 magnet arrangement
23 a, 23 b magnet unit
24 a, 24 b power supply
26 electrical wire
27 a, 27 b, 27 c opening
28 switches
30 yokes
31 paragraph
32 plasma cloud
36 target area
38 soft iron ring
40 a, 40 b protective shield
42 mudguard
46 a, 46 b stamp
A coating position
B intermediate position
c Lock position

Claims

1. Method for the plasma-induced coating of substrates ( 2 ) with at least one metallic layer ( 5 ) and with at least one plasma polymer layer ( 3 , 7 ) in a vacuum chamber ( 4 ), with a vacuum lock ( 6 ) for inserting and removing the substrate ( 2 ) in or out of the vacuum chamber ( 4 ), a gas inlet device ( 18 ), a substrate transport device ( 10 ), a substrate holder ( 12 ) and a device ( 8 ) with a magnet arrangement ( 22 ) for generating and maintaining a plasma, the plasma preferably by applying a coating cathode (14) with an electric voltage to establish an electric field between the coating cathode (14) and a counter electrode, preferably of the switched as anode vacuum chamber (4) is ignited, and wherein the coating process the following in a single Vacuum chamber ( 4 ) process steps to be carried out

a) introducing the substrate ( 2 ) into the vacuum chamber ( 4 ) by means of the vacuum lock ( 6 ),
b) positioning the substrate ( 2 ) by means of the substrate transport device ( 10 ), which is preferably designed as a turntable ( 10 ), in a coating position (A) such that the substrate surfaces to be coated ( 2 a, 3 a, 5 a) Coating cathode ( 4 ) are facing,
c) admitting a gas or a gas mixture as process gas for generating a plasma for coating the substrate ( 2 ) with a plasma polymer layer by a PCVD process,
d) igniting and setting a glow discharge by applying an electrical ignition voltage to the coating cathode ( 14 ), a plasma polymer layer ( 3 , 7 ) being deposited on the substrate ( 2 , 5 ),
e) interrupting the glow discharge and pumping out the vacuum chamber ( 4 ), preferably below a chamber pressure of 0.01 Pa,
f) positioning the substrate (2) transport means by means of the substrate (10) to an intermediate position (B) where be averted by the coated surfaces of the substrate (2) from the coating cathode (14) and inlet of an inert gas and / or a gaseous oxygen carrier up to a maximum partial pressure of preferably 100 Pa,
g) igniting a low-pressure glow discharge, the glow power density being set to values of preferably 10 W / cm 2 to 50 W / cm 2 based on the cathode area, as a result of which the coating cathode ( 14 ) is sputtered free from the plasma polymer layer,
h) interrupting the supply of the base gases and operating the glow discharge exclusively with the supplied noble gases,
i) positioning the substrate (2) by the substrate transport device (10) in the coating position (A) with respect to the coating cathode (14), whereby the substrate surfaces (2 a, 5 a) of the of the sputter cathode (14) free sputtered by sputtering Cathode substances is coated, transporting the substrate ( 2 ) into the vacuum lock ( 6 ) and discharging the coated substrate ( 2 ).

2. The method according to claim 1, characterized in that on the substrate ( 2 ) deposited by means of cathode sputtering, preferably metallic layers ( 5 ), a plasma polymer layer ( 7 ) is deposited by suitable process gas is let into the vacuum chamber ( 4 ) and a glow charge is ignited and maintained by applying an electrical voltage to the coating cathode ( 14 ).

3. The method according to claim 1 and / or 2, characterized in that in a first process step, the substrate ( 2 ) by means of sputtering with the preferably metallic cathode substance ( 5 ), in particular aluminum, and in a second process step with a plasma-induced polymerization layer ( 7 ) is coated.

4. The method according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that a gas or a gas mixture consisting of gases of the groups as process gas:

- hydrocarbons,
Organosiloxanes, preferably hexamethyldisiloxane and / or oxamethyltetrasiloxane,
Organosilazenes, preferably hexamethyldisilazene,
- Organosilicon compounds, preferably those which have a C = C double compound
- nitrogen oxides,
- noble gases and
- permanent gases

up to a respective partial pressure of 0.05 Pa to 500 Pa with an effective pumping speed of 50 l / sec to 5000 l / sec of the vacuum pumps corresponding to a pumping speed of 20 l / sec to 2000 l / sec per m² substrate area in the vacuum chamber ( 4th ) is let in.

5. The method according to at least one of claims 1 to 4, characterized characterized that the area power density of the process Glow discharge to values from 0.1 W / cm² to preferably 10 W / cm², based on the cathode area.

6. The method according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that the plasma polymer layers ( 3 , 7 ) in a layer thickness of 5 nm to 200 nm on the substrate surfaces to be coated ( 2 a, 3 a, 5 a, 9 ) deposited become.

7. The method according to at least one of claims 1 to 6, characterized in that the layers to be deposited by cathode sputtering on the substrate surface ( 2 a, 3 a) ( 3 , 5 ) in a layer thickness of 30 nm to 200 nm, preferably in a layer thickness from 30 nm to 120 nm.

8. The method according to at least one of claims 1 to 7, characterized in that the area power of the sputter cathode ( 14 ) is set to 10 W / cm² to 20 W / cm² during sputtering.

9. The method according to at least one of claims 1 to 8, characterized characterized in that for performing the cathode cleaning process the glow power density corresponding to a Power density / time curve is set, the glow power density preferably within a time interval of 10 sec at power densities from 10 W / cm² to 50 W / cm² at a time linear or an initially exponentially increasing and increasing finally follows a less steep course.

10. The method according to at least one of claims 1 to 9, characterized in that preferably oxygen, nitrous oxide and / or water vapor and / or CF₃, NF₃ gas are let into the vacuum chamber ( 4 ) as the oxygen carrier gas.

11. The method according to at least one of claims 1 to 10, characterized in that the cathode magnetic field ( 16 ) is varied during one or more PCVD process steps, preferably weakened or switched off.

12. The method according to at least one of claims 1 to 11, there characterized in that hexamethyldisiloxane gas amounts of Nitrogen gas and / or an inert gas up to a proportion of 0.1 to 10 is added and that when using a nitrogen Noble gas mixture is a mass flow ratio between nitrogen and the rare gas is set from 0.1 to 10.

13. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that subsequent to the PCVD coating or after positioning the substrate ( 2 ) in the intermediate position (B) at least one gas or a gas mixture preferably consisting of oxygen, nitrous oxide, trifluor nitrogen or hydrogen is admitted into the vacuum chamber ( 4 ) up to a respective partial pressure of 0.1 Pa to 10 Pa and that a glow discharge with an electrical power density of 0.1 W / cm² to 10 for a period of preferably up to 30 sec W / cm², based on the area of the coating cathode ( 14 ) is operated, whereby the polymerization layer ( 3 , 7 ) is hydrophilized.

14. The method according to at least one of claims 1 to 13, characterized in that the last on the substrate ( 2 , 5 ) applied polymerization layer ( 7 ) with a metallic layer ( 5 ), preferably an aluminum layer in a layer thickness of preferably 2 nm to 10 nm is coated.

15. Device for carrying out one of the methods for plasma-induced coating of substrates ( 2 ) with at least one metallic layer ( 5 ) and with at least one plasma polymer layer ( 3 , 7 ) according to claims 1 to 14 with a vacuum chamber ( 4 ), a vacuum lock ( 6 ) for introducing and discharging a substrate ( 2 ) into or out of the vacuum chamber ( 4 ), a gas inlet device ( 18 ), a substrate transport device ( 10 ) and a device ( 8 ) with an electrode ( 14 ) for generation and maintenance of a plasma, characterized in that the plasma-induced polymer layer ( 3 , 7 ) and the metallic layer ( 5 ) produced by sputtering can be applied to the substrate ( 2 ) in a single vacuum chamber ( 4 ), the plasma causing the polymerization coating and the plasma causing the sputtering can be ignited and / or stabilized by the electrode ( 14 ) of the device ( 8 ), d he electrode ( 14 ) covered by plasma polymerization with a polymer layer can be sputtered out by means of cathode sputtering.

16. The apparatus according to claim 15, characterized in that the device ( 8 ) for igniting the plasma essentially from both a sputtering cathode ( 14 ) and a coating cathode ( 14 ) acting electrode ( 14 ), one of the electrodes ( 14 ) be adjacent magnet arrangement (22) and a Voltage supply (24 a, 24 b) is made which by means of electrical lines (26) with the coating cathode (14) or sputter cathode (14) and the electrical ground of the switched as a counter electrode vacuum chamber (4 ) is electrically conductively connected, whereby between the vacuum chamber ( 4 ) electrically insulated coating cathode ( 14 ) or sputter cathode ( 14 ) an electric field can be generated.

17. The apparatus according to claim 15 and / or 16, characterized in that the substrate transport device consists of a turntable ( 10 ) having a radially arranged receiving device ( 13 ), by means of which preferably in one, in the receiving device ( 13th ) stored substrate holder ( 12 ), fixed substrate ( 2 ) can be transported by rotating the turntable ( 10 ) into one of the vacuum lock ( 6 ), the coating cathode ( 14 ) or a position (C, A, B) opposite the coating cathode ( 14 ) .

18. The device according to at least one of claims 15 to 17, characterized in that the substrate holder ( 12 ) by means of a lifting device, preferably by means of a the chamber wall ( 11 ) and the turntable ( 10 ) in each case an opening ( 27 a, 27 b , 27 c) piercing stamp ( 46 a, 46 b) with its circumferential opening edge ( 17 ) against an inner surface area ( 19 a, 19 b) of the vacuum chamber ( 4 ) can be pressed, the inner space of the substrate holder ( 12 ) by the remaining chamber volume of the vacuum chamber ( 4 ) can be separated in a vacuum-tight manner by means of sealing elements ( 21 a, 21 b, 21 d), as a result of which the substrate holder ( 12 ) serves both as a shut-off element of the vacuum lock ( 6 ) and as a protective wall of the substrate ( 2 ) against being covered particles detached from the electrode ( 14 ) connected as the coating cathode or sputter cathode can be used.

19. The device according to at least one of claims 15 to 18, characterized in that the device ( 8 ) is a magnetron with their different polarity alternately arranged magnet units ( 23 a, 23 b) for generating a with its field lines substantially parallel to the coating cathode ( 14 ) or sputter cathode ( 14 ) extending magnetic field ( 16 ).

20. The device according to at least one of claims 15 to 19, characterized in that the magnetic field ( 19 ) by means of permanent magnets ( 23 a, 23 b) and / or by a coil arranged on the surface opposite the cathode surface ( 14 ), preferably by a ribbon reel.

21. The device according to at least one of claims 15 to 20, characterized in that the device ( 8 ) has a magnet arrangement ( 22 ) surrounding and perpendicular to the sputtering surface ( 15 ) of the sputtering cathode ( 14 ) slidably mounted soft iron ring ( 38 ) , with which the magnetic field ( 16 ) formed in front of the sputter cathode surface ( 15 ) is adjustable, preferably weakenable, in its field strength depending on the sliding position of the soft iron ring ( 38 ).

22. The device according to at least one of claims 15 to 21, characterized in that the electrode ( 14 ) by means of a switch ( 28 ) used in the electrical line ( 26 ) alternately with a magnetron sputtering supply ( 24 a) serving for cathode sputtering or a glow supply causing the glow discharge ( 24 b) can be connected.

23. The device according to at least one of claims 15 to 22, characterized in that the electrode ( 14 ) with a relative to the mass of the vacuum chamber ( 4 ) positive or negative electrical potential can be applied.

24. The device according to at least one of claims 15 to 23, characterized in that the voltage of the glow power supply ( 24 b) is adjustable to a frequency of 1 to 100 kHz.

25. The device according to at least one of claims 15 to 24, characterized in that in the vacuum chamber ( 4 ), adjacent to the electrode ( 14 ) protective shields ( 14 a, 14 b) are arranged, which are at a temperature of at least 400 ° C can be heated, as a result of which the coating of the chamber wall ( 11 a) in the area of the device ( 8 ) with polymers or cathode substances can be reduced.

26. The device according to at least one of claims 15 to 25, characterized in that the vacuum chamber ( 4 ) has at least one, preferably in the vicinity of the substrate device ( 10 ) arranged mudguard ( 42 ) on which the glow discharge in particular during operation polymer particles released into the vacuum are separable.