WO1995028508A1 - Verfahren und einrichtung für die ionengestützte vakuumbeschichtung - Google Patents

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WO1995028508A1
WO1995028508A1 PCT/DE1995/000476 DE9500476W WO9528508A1 WO 1995028508 A1 WO1995028508 A1 WO 1995028508A1 DE 9500476 W DE9500476 W DE 9500476W WO 9528508 A1 WO9528508 A1 WO 9528508A1
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coating
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Manfred Neumann
Klaus Goedicke
Siegfried Schiller
Jonathan Reschke
Henry Morgner
Falk Milde
Fred Fietzke
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
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    • H01J37/32697—Electrostatic control
    • H01J37/32706—Polarising the substrate

Definitions

  • the invention relates to a method and the associated device for the ion-assisted vacuum coating of electrically conductive or electrically insulating substrates with electrically insulating layers and electrically insulating substrates with electrically conductive layers.
  • a preferred area of application is the ion-assisted vacuum coating of plastic films with electrically insulating oxide layers.
  • the deposition of wear protection layers and corrosion protection layers as well as barrier layers for packaging purposes is of particular importance.
  • a variant of the ion-supported vacuum coating consists in arranging an ion source in the coating chamber in addition to the coating source, so that noble gas or reactive gas ions impinge on the substrate simultaneously with the atoms or molecules of the layer material.
  • the ion bombardment removes loose-fitting layer components from the layer surface by means of impact processes or transports them into more energetically favorable positions.
  • the stoichiometry of the layers can also be improved by bombarding them with reactive gas ions, for example with oxygen ions, in addition to the packing density.
  • the ion sources are equipped with suitable neutralizers.
  • the ion sources available hitherto are unsuitable for ion-supported coating with high coating rates, such as are required, for example, for the coating of plastic films or metal strips in coil coating plants.
  • the high ion currents adapted to the high coating rates cannot be achieved with reasonable effort.
  • the maintenance-free service life of the ion sources does not meet the requirements of industrial use due to the high vapor densities and the associated high pollution rates.
  • ions are generated between the coating source and the substrate by various means, and accelerated by applying a negative bias voltage to the substrate.
  • the ions can be generated by an independent or dependent glow discharge, an arc discharge or - in the case of coating by high-rate sputtering - by a magnetron discharge.
  • accelerating the ions onto the substrate by applying a negative bias voltage is only possible if it is a matter of depositing electrically conductive layers on electrically conductive substrates (vacuum coating vol. 4, G. Kienel, VDI-Verlag Düsseldorf, 1993, p. 33).
  • Electrodes are arranged in the plasma space between the steam source and the substrate to be coated, which electrodes are connected to AC voltage.
  • the frequency of this AC voltage is between a few kHz and a few 100 kHz, the voltage being + 250 V relative to the plasma potential of - 800 V.
  • the hot cathode constantly emits electrons evenly (DD 161 137 A 3).
  • This method and the associated device have the disadvantage that the layers produced have only a low packing density, so that the quality of the layers, in particular on plastic films, does not meet the high requirements placed on corrosion protection and barrier layers.
  • the effort to generate the high frequencies is relatively high.
  • the invention is based on the object of finding a method and a device for ion-assisted vacuum coating which provide high-rate coating of large-area electrically conductive or electrically insulating substrates with electrically insulating layers and electrically insulating substrates with electrically conductive layers with economically justifiable and, if possible little effort allowed.
  • plastic films or other band-shaped materials with a width of over one meter should be able to be coated inexpensively.
  • the outlay in terms of equipment for the device should not significantly exceed that which is otherwise customary.
  • the acceleration of ions from the plasma generated between the coating source and the substrate in the direction of the insulating substrate or the insulating layer is also possible according to the invention even without self-bias generation by means of a complex high-frequency field if, in the case of conductive substrates, the substrate or in the case of insulating substrates, alternating negative and positive voltage pulses relative to the plasma potential are applied to an electrode arranged directly behind the substrate, and the duration of the pulses is adapted to the charging time of the capacitor which is formed by the insulating layer or the insulating substrate.
  • the voltage pulses applied to the back of the insulating layer or the insulating substrate are transmitted as in the case of a capacitor to the surface of the insulating layer or the insulating substrate facing the plasma as long as there is no current flow from the plasma to this surface.
  • Positive ions are accelerated during the negative voltage pulse and electrons from the plasma are accelerated onto the surface of the substrate or layer during the positive voltage pulse.
  • the associated ion or electron current causes the capacitor formed by the insulating substrate and / or the insulating layer to be charged after a short time.
  • the surface facing the plasma then assumes the plasma potential and no further ions or electrons can be extracted from the plasma.
  • alternating negative and positive voltage pulses which directly adjoin one another and whose length is adapted to the charging time of the capacitor formed by the insulating substrate and / or the insulating layer, ion and electron currents directly adjoining the substrate are obtained - or layer surface. It has been shown that with plasma densities of approximately 10 10 cm -3, the duration of the negative pulses in the order of 1 ms for insulating layer or substrate thicknesses of approximately 1 ⁇ and in the order of 10 ⁇ s for insulating layer or Substrate thicknesses should be around 100 ⁇ m.
  • the duration of the positive impulses can be shorter than the duration of the negative impulses due to the higher mobility of the electrons compared to the ions.
  • a duration of the positive impulses that is shorter by a factor of 2 to 10 is sufficient in terms of time utilization and is relatively easy to implement in terms of technical complexity.
  • Another advantage of the method according to the invention with alternating positive and negative bias voltage in the medium frequency range compared to the continuous negative self-bias voltage in the case of high-frequency excitation is that voltage breakdowns and microarcs, which are used for bias voltages above 1000 V, particularly in the case of thin insulating ones Layers or thin insulating Substrates can occur, due to the polarity change in the medium frequency range do not occur or go out in the subcritical state.
  • the rise and fall times of the pulses should be optimally adapted to the method by appropriate wiring.
  • the fall time of the negative pulses and the subsequent rise time of the positive pulses should be chosen so large that the surface potential of the insulating layer is never raised by more than 20 V positive compared to the plasma potential. This is achieved if the positive voltage increase is set at most as quickly or more slowly than the negative charging of the insulating layer surface by electrons from the plasma. This measure ensures that the electrons are accelerated with the lowest possible bias voltage and do not unnecessarily burden the substrate with additional energy.
  • the fall time of the positive pulses and the subsequent rise time of the negative pulses should be as short as possible, so that the desired negative bias voltage is reached on the substrate or layer surface and is not already reduced by the ion current from the plasma during the negative voltage rise .
  • a particularly advantageous application of the method according to the invention consists in the ion-supported coating of conductive substrates with thin insulating layers.
  • Thin insulation layers up to a few ⁇ m thick form a capacitor with high capacitance and high charging time between the conductive substrate and the plasma and therefore only require relatively small and inexpensive pulse repetition frequencies.
  • thin insulating layers with ion-assisted coating with high-frequency excitation are strongly susceptible to voltage breakdowns and micro-arcing, so that the use of the method according to the invention is almost the only option for a stable and low-defect ion-assisted coating.
  • Plastic films coated in this way are required, for example, as barrier films in the packaging industry, which require minimal production costs.
  • the thicknesses of the plastic films of interest are 10-20 ⁇ m, so that the method according to the invention with relatively low pulse repetition frequencies can also be used in this case.
  • a particularly favorable design of the method according to the invention results if an electron beam evaporator is used as the coating source.
  • a plasma is already generated by the electron beam and by backscattered electrons, and a separate plasma source is often not necessary.
  • the most expedient device for carrying out the method according to the invention is a vacuum coating system known per se, which is equipped with a coating source, a substrate holder or guide device and with means for generating a plasma.
  • a voltage source for generating voltage pulses of alternating polarity with pulse heights between + 20 V and ⁇ 2000 V and pulse durations between 1 ⁇ s and 1000 ⁇ s is required.
  • One pole of this voltage source is arranged with an electrode approximately at plasma potential and the other pole is arranged in the case of conductive substrates with the substrate insulated against the plasma and in the case of insulating substrates with a substrate directly behind the substrate and over the entire coating area extending electrode connected.
  • the cooling roller usually provided for guiding and cooling the plastic film in the coating zone can be used as an electrode arranged directly behind the substrate.
  • this cooling roller must then be insulated from ground potential and, if necessary, provided with shields against the ignition of parasitic glow discharges.
  • Hollow cathode arc sources are particularly suitable.
  • AC-heated evaporator boats as a coating source in conjunction with hollow cathode arc sources
  • a further increase in uniformity, in particular when using only one hollow cathode arc source for a plurality of boat evaporators, is achieved by arranging known magnetic deflection systems on the hollow cathode arc sources, which cause an additional horizontal alternating deflection of the hollow cathode arches.
  • a further embodiment of the device according to the invention results from the use of two pulse magnetrons with time-changing polarity as plasma sources.
  • the pulse voltage source for the two pulse magnetrons can be used simultaneously as a voltage source for the pulse bias according to the invention.
  • the simplest solution consists in establishing an electrical connection between one of the two pulse magnetrons and the substrate or the electrode arranged directly behind the substrate. Since the plasma potential changes periodically relative to each of the two pulse magnetrons in accordance with the applied pulse voltage, the same periodic pulse voltage is also obtained between the plasma and the substrate. Receives the magnetron connected to the substrate has a positive pulse, then electrons are accelerated from the plasma to the substrate. If it receives a negative impulse, ions are accelerated to the substrate.
  • the pulse voltage source consists of two voltage sources connected in series, working synchronously and in the same direction, and that between these two pulse generators there is a voltage tap which is arranged with the substrate or with that immediately behind the substrate ten electrode is connected.
  • the pulse frequency on the substrate doubles.
  • a similar variant results if only one pulse voltage source is provided for the two pulse magnetrons and the two outputs of the pulse voltage source are connected to the substrate or to the electrode arranged directly behind the substrate via electrical resistors of the same size. In this case, the same potential relationships are obtained as in the aforementioned case, but only one pulse voltage source is required overall.
  • a similar embodiment of the device according to the invention results when using atomization sources as the sole coating source or in addition to any heated evaporator sources.
  • the atomization sources serve both as a coating source and as a plasma source.
  • DC voltage or high-frequency magnetrons as sputtering sources
  • separate voltage sources are used to operate the magnetrons and to generate the voltage pulses between the plasma and the substrate.
  • the electrically connected targets of the magnetrons serve as electrodes located approximately at plasma potential.
  • the pulse span Voltage source for the pulse magnetrons can also be used as a pulse voltage source for generating the voltage pulses between the plasma and the substrate. The same variants can be used that were described when using pulse magnetrons as the plasma source.
  • Fig. 1 shows a device for performing the method
  • FIG. 3 shows a device for coating plastic films with an electron beam evaporator as the coating source and a hollow cathode arc source as the plasma source,
  • Fig. 4 is a plan view of a device for coating
  • FIG. 5a shows an embodiment of the device according to FIG. 5 with two
  • FIG. 5b shows an embodiment of the device according to FIG. 5 with a
  • Fig. 6 shows a device for coating plastic films with two pulse magnetrons as a coating source and plasma source.
  • FIG. 1 shows an arrangement for carrying out the method with a coating source 1, a plasma source 2, the generated plasma 3, an insulating layer 4 and a conductive substrate 5.
  • a capacitor is formed over the insulating layer 4 as a dielectric.
  • the upper side of the insulating layer 4 charges up to the potential U s via the conductive substrate 5 and the lower side of the insulating layer 4 charges up to the potential U B via the plasma 3.
  • the current I flows from the plasma 3 to the lower side of the insulating layer 4. Because of the direct contact between the conductive layer
  • the substrate 5 and the insulating layer 4 match U s with the potential of the conductive substrate 5, while the potential U B differs from the potential U P of the plasma on the underside of the insulating layer 4.
  • FIG. 2 shows the basic time profile of the potentials U s and U B relative to the plasma potential U P and the profile of the current I when the conductive substrate 5 is alternately positive during the time t + and positive during the time t. a negative voltage is shown.
  • the potential U s directly follows the voltage applied to the conductive substrate 5.
  • the potential U B follows the rapid voltage jumps due to the capacitor effect of the insulating layer 4, but then falls out of the plasma due to the charge carrier current I B
  • the negative voltage changes of U s occur much faster than the charging time t of the insulating layer 4 by positive ions and that the positive voltage changes of U s are at most as fast or slower than the charging time t e of the insulating layer 4 by electrons. It is thereby achieved that the level of the negative voltage pulses U B on the underside of the insulating layer 4, which serves as a bias voltage for the ions extracted from the plasma 3, is only insignificantly reduced. In contrast, the relatively slow rise in the positive impulses means that the voltage drop due to the electrons sucked in takes place just as quickly or faster than the voltage rise influenced by the conductive substrate 5.
  • the positive potential U B on the underside of the insulating layer 4 does not increase appreciably above the plasma potential U P , so that the electrons extracted from the plasma 3 do not transmit an impermissibly high energy to the layer 4 and the substrate 5. This is particularly important when coating temperature-sensitive substrates 5 such. B. plastic films.
  • FIG. 3 shows a device for carrying out the method for the coating of plastic films by ion-assisted electron beam evaporation of uininium oxide.
  • a 10 ⁇ m thick electrically insulating plastic film 6 (polyester film) is vapor-coated with a 0.05 ⁇ m thick electrically insulating oxide layer 7, while it is passed in a known manner in a vacuum over a cooling roll 8 cooled to approximately -20 ° C.
  • the aluminum oxide 9 is evaporated from a water-cooled crucible 10 by an electron beam 12 generated in an electron gun 11.
  • the electrons backscattered on the aluminum oxide 9 are deflected by a magnetic field 14 generated in a magnetic trap 13 and are thus prevented from impinging on and heating up the oxide layer 7 and plastic film 6.
  • a cathode 16 of a hollow cathode arc source is located above the magnetic trap 13 arranged.
  • the low-voltage electron beam 17 generated in this way is guided through the edge field lines of the magnetic field 14 to the anode 18 of the hollow cathode arc source.
  • the low-voltage electron beam 17 stimulates, ionizes and dissociates the vapor stream 19 of the vaporized aluminum oxide and the oxygen admitted via a gas inlet system 20, so that a high-density plasma 21 is formed below the plastic film 6 to be vaporized.
  • a voltage source 22 for generating rectangular voltage pulses of alternating polarity is arranged between the anode 18, which is approximately at plasma potential, and the cooling roller 8, which is insulated against ground potential, as an electrode acting directly behind the insulating plastic film 6.
  • the negative pulses of approximately 200 V in height and approximately 20 ⁇ s in duration, ions from the high-density plasma 21 are accelerated onto the plastic film 6 or the growing oxide layer 7 in addition to the vapor and oxygen atoms partially ionized and excited in the plasma.
  • positive impulses which are also about 200 V high, but only about 5 ⁇ s in duration, electrons from the high-density plasma 21 are accelerated onto the plastic film 6 or the oxide layer 7.
  • the aluminum oxide layer deposited in this way has a high optical transparency and a high packing density and is particularly suitable as a barrier layer for high-quality packaging films.
  • Fig. 4 shows a top view of a section of a device for performing the method for the ion-supported coating of plastic films with u inium oxide by reactive evaporation of aluminum.
  • hollow cathode arc sources consisting of hollow cathodes 16 and one in common ⁇ seed anode 18, arranged.
  • the low-voltage electron beams 17 generated on the hollow cathodes 16 are guided through a magnetic field 24 running in the direction of transport of the plastic film 6 and deflected by the deflection system 25 in the vicinity of the hollow cathodes 16 transversely to the transport direction of the plastic film 6 in order to achieve a uniform distribution of the plasma over the entire width of the plastic film 6.
  • the alternating currents for heating the boat evaporators 23 produce alternating magnetic fields running in a ring around the boat evaporators 23
  • FIG. 5 shows a further device for carrying out the method, likewise with shuttle evaporators 23 as the coating source, but with two magnetrons operated in a pulsed manner
  • the voltage source 22 sets a magnetron 27 to a negative potential (cathode) and a magnetron 28 to a positive potential (anode) with alternating polarity.
  • One of the two magnetrons 27; 28, for example the magnetron 28, is connected to the cooling roller 8 arranged behind the plastic film 6 and insulated from ground potential.
  • the pulse-shaped ion bombardment achieves a particularly dense and low-defect layer which is suitable as a barrier layer for packaging films or as a corrosion or abrasion protection layer for the substrate or for a layer which has already been applied to the substrate.
  • the high uniformity of the plasma 21 generated by the magnetrons 27, 28 and the almost arbitrary length of the magnetrons 27, 28 enable a high constancy of the layer properties to be achieved even over coating widths of several meters.
  • FIG. 5a shows a variant of the device shown in FIG. 5, in which two voltage sources 22a and 22b, which are connected in series and work in synchronism and in the same direction, are used for the excitation of the two magnetrons 27, 28.
  • the voltage tapping for the electrically conductive substrate or the cooling roller 8 used in accordance with FIG. 5 and insulated against ground potential takes place at the connection point between the two voltage sources 22a and 22b.
  • the advantage over the device according to FIG. 5 is that, during each discharge direction of the two magnetrons 27, 28, ions and once electrons are accelerated from the plasma onto the plastic film 6, while in the device according to FIG. 5 in a discharge direction only ions and in the other discharge direction only electrons are sucked off.
  • the same pulse voltage between the magnetrons 27, 28, only half the pulse voltage between the plastic film 6 and the plasma is available.
  • FIG. 6 shows a device for carrying out the method when using sputter sources as the coating source. Coating by means of two magnetron sputtering sources 31; 32 shown. It is known that pulse sputtering is superior to reactive direct voltage or high frequency sputtering, particularly for depositing highly insulating, low-defect layers. A further improvement in the layer properties, in particular the packing density of the layers, is possible by additionally using the method according to the invention. This is particularly advantageous because both the voltage source 22a; 22b of the magnetron atomization sources 31; 32 as well as the plasma generated during sputtering can be used to carry out the method.
  • the coupling of the substrate or the cooling roller 8 used for the coating of plastic films 6 to the voltage source 22 a; 22 b corresponds to the coupling as shown in FIG. 5 a for the use of magnetrons as a plasma source.
  • the variant shown in FIG. 5b would also be usable, while the variant shown in FIG. 5 is less suitable due to the asymmetry of the two magnetrons.

Abstract

Das Verfahren und die zugehörige Einrichtung soll die Hochratebeschichtung großflächiger elektrisch leitender und auch elektrisch isolierender Substrate mit elektrisch isolierenden Schichten und elektrisch leitfähigen Schichten mit relativ geringem Aufwand ermöglichen. Die Substrate sind vorwiegend bandförmig, insbesondere Kunstoffolien mit Breiten über einem Meter. Erfindungsgemäß werden in einer an sich bekannten Einrichtung zum Vakuumbeschichten an das elektrisch leitende Substrat oder bei elektrisch isolierenden Substraten an eine dahinter angeordnete Elektrode, z.B. die Kühlwalze, relativ zum Plasma bzw. zu einer annähernd auf Plasmapotential befindlichen Elektrode abwechselnd negative und positive Spannungsimpulse angelegt. Die Form, die Spannung und die Dauer der Impulse ist an die Beschichtungsaufgabe und das Material angepaßt. Das Verfahren dient insbesondere zum Aufbringen von Verschleißschutz-, Korrosionsschutz- und Barriereschichten. Anwender ist u.a. die Verpackungsindustrie.

Description

VERFAHREN UND EINRICHTO G FOR DIE IONE QESTÜTZTE VAKÜÜMBESCHICH- TÜNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und die zugehörige Einrich¬ tung für die ionengestützte Vakuuiribeschichtung elektrisch leitfä¬ higer oder elektrisch isolierender Substrate mit elektrisch isolierenden Schichten und elektrisch isolierender Substrate mit elektrisch leitfähigen Schichten. Ein bevorzugtes Anwendungsge¬ biet ist die ionengestützte Vakuuiribeschichtung von Kunststoff¬ folien mit elektrisch isolierenden Oxidschichten. Von besonderer Bedeutung ist das Abscheiden von Verschleißschutzschichten und Korrosionsschutzschichten sowie von Barriereschichten für Verpak- kungszwecke.
Es ist bekannt, daß durch ionengestützte Vakuuiribeschichtung eine höhere Packungsdichte und damit eine größere Härte und bessere Barriereeigenschaften der aufwachsenden Schicht erzielt werden kann.
Eine Variante der ionengestützten Vakuuirbeschichtung besteht darin, zusätzlich zur Beschichtungsquelle eine Ionenquelle in der Beschichtungskammer anzuordnen, so daß gleichzeitig mit den Atomen bzw. Molekülen des Schichtmaterials Edelgas- bzw. Reaktiv¬ gasionen auf das Substrat auftreffen. Durch den Ionenbeschuß werden locker sitzende Schichtbestandteile durch Stoßprozesse von der Schichtoberfläche entfernt oder in energetisch günstigere Positionen befördert. Beim Abscheiden von Schichten aus chemi¬ schen Verbindungen, beispielsweise Oxiden, kann durch den Beschüß mit Reaktivgasionen, beispielsweise mit Sauerstoffionen, außer der Packungsdichte auch die Stöchiometrie der Schichten verbes¬ sert werden. Beim Beschichten elektrisch isolierender Substrate bzw. beim Abscheiden elektrisch isolierender Schichten ist es erforderlich, den Ionenstrahl durch Beimischen von Elektronen zu neutralisieren, damit sich die Schicht nicht elektrisch auflädt. Zu diesem Zweck werden die Ionenquellen mit geeigneten Neutrali¬ satoren ausgerüstet. Für die ionengestützte Beschichtung mit hohen Beschichtungsraten, wie sie beispielsweise für die Beschichtung von Kunststoffolien oder Metallband in Bandbeschichtungsanlagen benötigt werden, sind die bisher verfügbaren Ionenquellen ungeeignet. Zum einen sind die den hohen Beschichtungsraten angepaßten hohen Ionenströme mit vertretbarem Aufwand nicht realisierbar. Zum anderen entspricht die wartungsfreie Einsatzdauer der Ionenquellen infolge der hohen Dampfdichten und der damit verbundenen hohen Verschmutzungsraten nicht den Anforderungen des industriellen Einsatzes.
Es ist bekannt, zum Vermeiden dieser Nachteile die ionengestützte Beschichtung auch ohne Einsatz separater Ionenquellen zu reali¬ sieren. Zu diesem Zweck werden durch verschiedene Mittel Ionen zwischen Beschichtungsquelle und Substrat erzeugt .und durch Anlegen einer negativen Bias-Spannung an das Substrat auf dieses beschleunigt. Das Erzeugen der Ionen kann durch eine selbständige oder unselbständige Glimmentladung, eine Bogenentladung oder - beim Beschichten durch Hochratezerstäuben - durch eine Magnetron¬ entladung erfolgen. Das Beschleunigen der Ionen auf das Substrat durch Anlegen einer negativen Bias-Spannung ist jedoch nur möglich, wenn es sich um das Abscheiden elektrisch leitfähiger Schichten auf elektrisch leitfähigen Substraten handelt (Vakuum- beschichtung Bd. 4, G. Kienel, VDI-Verlag Düsseldorf, 1993, S. 33) .
Es ist bekannt, daß sich isolierende Substrate bzw. isolierende Schichten von selbst auf eine geringe negative Bias-Spannung in der Größenordnung von -10 V aufladen, wenn man in unmittelbarer Nähe der Substratoberfl che ein Plasma hoher Dichte erzeugt. Diese sogenannte Selbst-Bias-Spannung und die daraus resultieren¬ den Ionenenergien sind jedoch zu gering, um die gewünschte Strukturverbesserung und insbesondere die erhöhte Packungsdichte der abgeschiedenen Schichten zu bewirken.
Es ist weiterhin bekannt, diese Selbst-Bias-Spannung beim Beschichten isolierender Substrate bzw. beim Abscheiden isolie¬ render Schichten dadurch zu erhöhen, daß senkrecht zur Substrat¬ oberflache ein hochfrequentes elektrisches Wechselfeld zur Einwirkung gebracht wird. Oberhalb einer sogenannten Cut-off-Fre- quenz, die in Abhängigkeit von Geometrie und Wechselfeldamplitude bei einigen Megahertz liegt, werden die Elektronen des Plasmas zu intensiven Schwingungen angeregt, während die Ionen infolge ihrer größeren Masse der hohen Frequenz nicht folgen können. Das Ergebnis ist eine verstärkte Ionisierung des Plasmas und eine von Geometrie und Wechselfeldamplitude abhängige negative Aufladung der Substrat- bzw. Schichtoberfläche. Es ist üblich, diese Hochfrequenz-Anregung bei der für industrielle Anwendungen freigegebenen Frequenz von 13,56 MHz durchzuführen.
Die Anwendung derart hoher Frequenzen ist jedoch mit erheblichem technischen Aufwand verbunden und daher aus ökonomischen Gründen auf relativ kleine Substratflächen begrenzt. Typische Anwendungen sind die Beschichtung optischer Bauteile und elektronischer Bauelemente. Für die Übertragung der Hochfrequenzleistung sind Anpaßnetzwerke erforderlich, deren Verlustleistung mit der Kapazität der Hochfrequenzelektroden, d. h. mit der Substrat¬ größe, stark ansteigt. Beim Beschichten von Kunststoffolien muß beispielsweise die gesamte Kühlwalze, über die die Folie während der Beschichtung geführt wird, als Hochfrequenzelektrode ausge¬ bildet werden. Bei Beschichtungsbreiten in der Größenordnung von einem Meter oder mehr ist der erforderliche Aufwand für Hochfre¬ quenzgenerator und Anpaßnetzwerk ökonomisch nicht mehr vertret¬ bar.
Schließlich ist es auch bekannt, elektrisch nicht oder schlecht leitende Substrate ionengestützt zu beschichten. Dazu sind im Plasmaraum zwischen der Dampfquelle und dem zu beschichtenden Substrat Elektroden angeordnet, die an WechselSpannung ange¬ schlossen sind. Die Frequenz dieser Wechselspannung liegt zwi¬ schen einigen kHz und einigen 100 kHz, wobei die Spannung + 250 V relativ zum Plasmapotential von - 800 V beträgt. Die Glühkatode emittiert dabei ständig gleichmäßig Elektronen (DD 161 137 A 3). Dieses Verfahren bzw. die zugehörige Einrichtung haben den Nachteil, daß die erzeugten Schichten nur eine geringe Packungs- dichte aufweisen, so daß die Qualität der Schichten, insbesondere auf Kunststoffolien, nicht den hohen Anforderungen entspricht, die an Korrosionsschutz- und Barriereschichten gestellt werden. Außerdem ist der Aufwand zur Erzeugung der hohen Frequenzen relativ hoch.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung für die ionengestützte Vakuuiribeschichtung zu finden, die die Hochratebeschichtung großflächiger elektrisch leitfähiger oder elektrisch isolierender Substrate mit elektrisch isolieren¬ den Schichten und elektrisch isolierender Substrate mit elek¬ trisch leitfähigen Schichten bei ökonomisch vertretbarem und möglichst geringem Aufwand gestattet. Insbesondere sollen Kunst¬ stoffolien oder andere bandförmige Materialien mit einer Breite von über einem Meter kostengünstig beschichtet werden können. Der apparative Aufwand der Einrichtung soll den sonst üblichen nicht wesentlich übersteigen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß nach den Merkmalen des Patentan¬ spruches 1 gelöst. In den Unteransprüchen 2 bis 9 sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in den Patentansprüchen 10 bis 22 beschrieben.
Die Beschleunigung von Ionen aus dem zwischen Beschichtungsquelle und Substrat erzeugten Plasma in Richtung auf das isolierende Substrat bzw. die isolierende Schicht ist erfindungsgemäß auch ohne die Selbst-Bias-Erzeugung mittels eines aufwendigen Hochfre¬ quenzfeldes möglich, wenn im Falle leitfähiger Substrate an das Substrat oder im Falle isolierender Substrate an eine unmittelbar hinter dem Substrat angeordnete Elektrode abwechselnd negative und positive Spannungsimpulse relativ zum Plasmapotential ange¬ legt werden und die Dauer der Impulse an die Aufladezeit des Kondensators angepaßt wird, der durch die isolierende Schicht bzw. das isolierende Substrat gebildet wird. Die an der Rückseite der isolierenden Schicht bzw. des isolierenden Substrates ange¬ legten Spannungsiipulse werden wie bei einem Kondensator auf die dem Plasma zugewandte Oberfläche der isolierenden Schicht bzw. des isolierenden Substrates übertragen, solange kein Stromfluß vom Plasma auf diese Oberfläche erfolgt. Dadurch wird abwechselnd eine negative und eine positive Bias-Spannung an der dem Plasma zugewandten isolierenden Oberfläche des Substrates bzw. der Schicht erzeugt. Während des negativen Spannungsiπpulses werden positive Ionen und während des positiven Spannungsiitpulses werden Elektronen aus dem Plasma auf die Oberfläche des Substrates bzw. der Schicht beschleunigt. Durch den damit verbundenen Ionen- bzw. Elektronenstrom wird jedoch nach kurzer Zeit der durch das isolierende Substrat und/oder die isolierende Schicht gebildete Kondensator aufgeladen. Die dem Plasma zugewandte Oberfläche nimmt dann das Plasmapotential an, und es können keine weiteren Ionen bzw. Elektronen mehr aus dem Plasma abgesaugt werden. Durch das Abwechseln negativer und positiver Spannungsimpulse, die unmittelbar aneinander anschließen und deren Länge an die Aufla¬ dezeit des durch das isolierende Substrat und/oder die isolie¬ rende Schicht gebildeten Kondensators angepaßt wird, erhält man unmittelbar aneinander anschließende Ionen- und Elektronenströme auf die Substrat- bzw. Schichtoberfläche. Dabei hat sich gezeigt, daß bei Plasmadichten von etwa 1010 cm-3 die Dauer der negativen Impulse in der Größenordnung von 1 ms für isolierende Schicht- bzw. Substratdicken von etwa 1 μ und in der Größenordnung von 10 μs für isolierende Schicht- bzw. Substratdicken von etwa 100 μm liegen sollte. Die Dauer der positiven Impulse kann wegen der im Vergleich zu den Ionen höheren Beweglichkeit der Elektronen kürzer als die Dauer der negativen Impulse sein. Eine um den Faktor 2 bis 10 geringere Dauer der positiven Impulse ist bezüglich der Zeitausnutzung ausreichend und bezüglich des technischen Aufwandes relativ einfach realisierbar.
Damit ergeben sich zweckmäßige Impulsfolgefrequenzen von etwa 1 kHz für etwa 1 μm dicke Isolierschichten auf leitfähigen Substraten bzw. von etwa 100 kHz für isolierende oder leitfähige Schichten auf etwa 100 μm dicken isolierenden Substraten. Derar¬ tige Frequenzen sind im Gegensatz zu der bekannten Hochfrequenz¬ anregung bei 13,56 MHz mit wesentlich kostengünstigeren Generato¬ ren und ohne aufwendige Anpaßglieder zu realisieren. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens mit abwechselnder positiver und negativer Bias-Spannung im Mittelfrequenzbereich gegenüber der kontinuierlichen negativen Selbst-Bias-Spannung bei Hochfrequenzanregung besteht darin, daß Spannungsdurchschläge und Microarcs, die für Bias-Spannungen oberhalb von 1000 V insbeson¬ dere bei dünnen isolierenden Schichten oder dünnen isolierenden Substraten auftreten können, durch den Polaritätswechsel im Mittelfrequenzbereich nicht auftreten bzw. im unterkritischen Zustand erlöschen.
Es ist zweckmäßig, für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens rechteckförmige Spannungsimpulse zu verwenden, wobei die Anstiegs- und Abfallzeiten der Impulse durch entsprechende Beschaltung dem Verfahren optimal angepaßt werden sollten. Die Abfallzeit der negativen Impulse und die daran anschließende Anstiegszeit der positiven Impulse sollte so groß gewählt werden, daß das Oberflächenpotential der isolierenden Schicht zu keinem Zeitpunkt um mehr als 20 V positiv gegenüber dem Plasmapotential angehoben wird. Das wird erreicht, wenn der positive Spannungsan¬ stieg höchstens genauso schnell oder langsamer eingestellt wird, als die negative Aufladung der isolierenden Schichtoberfläche durch Elektronen aus dem Plasma erfolgt. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die Elektronen mit einer möglichst geringen Bias-Spannung beschleunigt werden und das Substrat nicht unnötig mit zusätzlicher Energie belasten. Dagegen sollte die Abfallzeit der positiven Impulse und die daran anschließende Anstiegzeit der negativen Impulse möglichst kurz sein, damit die gewünschte negative Biasspannung an der Substrat- bzw. Schichtoberfläche erreicht wird und nicht schon während des negativen Spannungsan¬ stiegs durch den Ionenstrom aus dem Plasma reduziert wird. Der negative Spannungsanstieg muß um so schneller erfolgen, je höher die Teilchendichte des Plasmas und je höher demzufolge der Ionenstrom auf die Substrat- bzw. Schichtoberfläche ist.
Bei Anwendungen mit geringerer Plasmadichte ist ein langsamerer negativer Spannungsanstieg zulässig und es können statt der rechteckförmigen Spannungsimpulse kostengünstiger zu erzeugende sinusförmige Spannungsimpulse verwendet werden. Dabei muß die Frequenz so hoch gewählt werden, daß ausreichend hohe negative Bias-Impulse an der Substrat- bzw. Schichtoberfläche erreicht werden.
Eine besonders vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der ionengestützten Beschichtung leitfähi¬ ger Substrate mit dünnen isolierenden Schichten. Dünne isolie- rende Schichten bis zu wenigen μm Dicke bilden zwischen dem leitfähigen Substrat und dem Plasma einen Kondensator mit hoher Kapazität und hoher Aufladungszeit und benötigen daher nur relativ kleine und kostengünstig realisierbare Impuls-Folgefre¬ quenzen. Darüber hinaus neigen dünne isolierende Schichten bei ionengestützter Beschichtung mit Hochfrequenzanregung stark zu Spannungsdurchschlägen und Mikrolichtbögen, so daß die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens die nahezu einzige Möglichkeit für eine stabile und defektarme ionengestützte Beschichtung darstellt.
Eine weitere vorteilhafte Anwendung des Verfahrens ergibt sich bei der ionengestützten Beschichtung dünner Kunststoffolien mit isolierenden oder leitfähigen Schichten. Derart beschichtete Kunststoffolien werden beispielsweise als Barrierefolien in der Verpackungsindustrie benötigt, die minimale Hersstellungskosten erfordern. Die interessierenden Dicken der Kunststoffolien betragen dabei 10-20 μm, so daß auch in diesem Fall das erfin¬ dungsgemäße Verfahren mit relativ geringen Impulsfolgefrequenzen zum Einsatz kommen kann.
Eine besonders günstige Gestaltung des erfindungsgemäßen Verfah¬ rens ergibt sich, wenn als Beschichtungsquelle ein Elektro¬ nenstrahlverdampfer verwendet wird. In diesem Falle wird bereits durch den Elektronenstrahl und durch rückgestreute Elektronen ein Plasma erzeugt, und eine separate Plasmaquelle ist oftmals nicht erforderlich.
Für das Abscheiden besonders hochwertiger Schichten bzw. für die Realisierung besonders hoher Beschichtungsraten werden jedoch höhere Plasmadichten benötigt. In diesem Falle ist es zweckmäßig, die erforderlichen hohen Plasmadichten durch Niedervolt-Bogenent- ladungen, insbesondere durch Hohlkatoden-Bogenentladungen, zu erzeugen. Kommt es dagegen besonders auf eine hohe Homogenität der Beschichtung über große Beschichtungsbreiten an, dann ist es vorteilhaft, das Plasma durch eine an sich bekannte Magnetronent¬ ladung zwischen zwei mit zeitlich wechselnder Polarität gegenein¬ ander brennenden Puls-Magnetrons zu erzeugen. Eine besonders vorteilhafte Lösung ergibt sich dann, wenn die Beschichtung allein oder zusätzlich zum Bedampfen durch eine oder mehrere Zerstäubungsquellen erfolgt. In diesem Falle ist keine separate Plasmaquelle erforderlich, und durch die Kombination der Beschichtung durch Zerstäuben mit dem erfindungsgemäßen alternie¬ renden Mittelfrequenz-Impuls-Bias erhält man besonders hochwer¬ tige Schichten. Als Zerstäubungsquellen kommen reaktiv betriebene Gleichspannungs-Magnetrons oder Hochfrequenz-Magnetrons in Betracht. Besonders fehlstellenarme Schichten erhält man bei Verwendung der bereits genannten Puls-Magnetrons als Beschich¬ tungsquelle.
Die zweckmäßigste Einrichtung zur Durchführung des erfindungs¬ gemäßen Verfahrens ist eine an sich bekannte Vakuumbeschichtungs- anlage, die mit einer Beschichtungsquelle, einer Substrathalte- rung bzw. -führungseinrichtung und mit Mitteln zur Erzeugung eines Plasmas ausgerüstet ist. Zusätzlich ist eine Spannungs¬ quelle zur Erzeugung von Spannungsimpulsen wechselnder Polarität mit Impulshöhen zwischen + 20 V und ± 2000 V und Impulsdauern zwischen 1 μs und 1000 μs erforderlich. Ein Pol dieser Spannungs¬ quelle wird mit einer annähernd auf Plasmapotential befindlichen Elektrode und der andere Pol wird im Fall leitfähiger Substrate mit dem gegen das Plasma isolierten Substrat und im Fall isolie¬ render Substrate mit einer unmittelbar hinter dem Substrat angeordneten und sich über die gesamte Beschichtungsfläche erstreckenden Elektrode verbunden.
Bei der Beschichtung dünner isolierender Kunststoffolien kann die üblicherweise zur Führung und Kühlung der Kunststoffolie in der Beschichtungszone vorgesehene Kühlwalze als unmittelbar hinter dem Substrat angeordnete Elektrode verwendet werden. Allerdings ist dann diese Kühlwalze im Gegensatz zu üblichen Folienbeschich- tungsanlagen gegen Massepotential zu isolieren und ggf. mit Abschirmungen gegen das Zünden parasitärer Glimmentladungen zu versehen.
Bei Einrichtungen mit Elektronenstrahlverdampfern als Beschich¬ tungsquelle ist es zweckmäßig, zwischen Verdampfungsgut und Substrat eine an sich bekannte Magnetfalle anzuordnen. Dadurch werden die am Verdampfungsgut rückgestreuten Elektronen auf Kreisbahnen gezwungen, so daß sich ihr Weg und damit ihre Ioni¬ sierungswahrscheinlichkeit in Dampf und Restgas erhöht und auch ohne zusätzliche Plasmaquelle eine für das erfindungsgemäße Verfahren ausreichende Plasmadichte erreicht wird.
Für das Erzeugen besonders hoher Ionenεtromdichten am Substrat ist es zweckmäßig, Niedervolt-Bogenquellen als zusätzliche Plasmaquellen zwischen Beschichtungsquelle und Substrat anzuord¬ nen. Besonders eignen sich Hohlkatoden-Bogenquellen. Bei Verwen¬ dung wechselstrombeheizter Verdampferschiffchen als Beschich¬ tungsquelle in Verbindung mit Hohlkatoden-Bogenquellen ergibt sich als besonderer Vorteil eine seitliche Wechselablenkung der Hohlkatodenbögen durch die magnetischen Streufelder der Wechsel- strombeheizten Verdampferschiffchen. Das gilt insbesondere bei Verwendung eines an sich bekannten magnetischen Führungsfeldes parallel zu den Hohlkatodenbögen. Dadurch wird eine höhere Gleichmäßigkeit des Plasmas quer zu den Hohlkatodenbögen erreicht.
Eine weitere Erhöhung der Gleichmäßigkeit, insbesondere bei Verwendung von nur einer Hohlkatoden-Bogenquelle für mehrere Schiffchenverdampfer, wird durch Anordnung an sich bekannter magnetischer Ablenksysteme an den Hohlkatoden-Bogenquellen erreicht, die eine zusätzliche horizontale Wechselablenkung der Hohlkatodenbögen bewirken.
Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung ergibt sich bei Verwendung von zwei Puls-Magnetrons mit zeitlich wechselnder Polarität als Plasmaquellen. In diesem Falle kann die Puls-Spannungsquelle für die beiden Puls-Magnetrons gleichzeitig als Spannungsquelle für das erfindungsgemäße Puls-Bias verwendet werden. Die einfachste Lösung besteht darin, eine elektrische Verbindung zwischen einem der beiden Puls-Magnetrons und dem Substrat bzw. der unmittelbar hinter dem Substrat angeordneten Elektrode herzustellen. Da sich das Plasmapotential entsprechend der angelegten Puls-Spannung periodisch relativ zu jedem der beiden Puls-Magnetrons ändert, erhält man die gleiche periodische Pulsspannung auch zwischen dem Plasma und dem Substrat. Erhält das mit dem Substrat verbundene Magnetron einen positiven Impuls, dann werden Elektronen aus dem Plasma zum Substrat beschleunigt. Erhält es einen negativen Impuls, dann werden Ionen zum Substrat beschleunigt.
Eine andere Variante besteht darin, daß die Puls-Spannungsquelle aus zwei in Reihe geschalteten, synchron und gleichsinnig arbei¬ tenden Spannungsquellen besteht und daß zwischen diesen beiden Pulsgeneratoren ein Spannungsabgriff vorhanden ist, der mit dem Substrat bzw. mit der unmittelbar hinter dem Substrat angeordne¬ ten Elektrode verbunden ist. In diesem Falle erhält man im Vergleich zur erstgenannten Variante bei gleicher Magnetron-Puls- spannung nur die halbe Pulsspannung zwischen Plasma und Substrat. Dafür verdoppelt sich die Pulsfrequenz am Substrat. Immer wenn an einem der beiden Magnetrons das Maximum der positiven Pulsspan- nung erreicht ist, werden Ionen vom Plasma zum Substrat beschleu¬ nigt. Während des Umpolens der beiden Magnetrons verschiebt sich das Plasmapotential kurzzeitig in negative Richtung, so daß kurzzeitig ein Elektronenstrom auf das Substrat fließt. Eine ähnliche Variante ergibt sich, wenn nur eine Puls-Spannungsquelle für die beiden Puls-Magnetrons vorgesehen ist und die beiden Ausgänge der Puls-Spannungsquelle über gleichgroße elektrische Widerstände mit dem Substrat bzw. der unmittelbar hinter dem Substrat angeordneten Elektrode verbunden sind. In diesem Falle erhält man die gleichen Potentialverhältnisse wie im vorgenannten Fall, benötigt aber insgesamt nur eine Puls-Spannungsquelle.
Eine ähnliche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung ergibt sich bei Verwendung von Zerstäubungsquellen als alleinige Beschichtungsquelle oder zusätzlich zu beliebig beheizten Ver¬ dampferquellen. In diesem Falle dienen die Zerstäubungsquellen gleichzeitig als Beschichtungsquelle und als Plasmaquelle. Bei Verwendung von Gleichspannungs- oder Hochfrequenz-Magnetrons als Zerstäubungsquellen werden separate Spannungsquellen für den Betrieb der Magnetrons und die Erzeugung der Spannungsimpulse zwischen Plasma und Substrat verwendet. Als annähernd auf Plasma¬ potential befindliche Elektroden dienen dabei die elektrisch miteinander verbundenen Targets der Magnetrons. Bei Verwendung von Puls-Magnetrons als Zerstäubungsquellen kann die Puls-Span- nungsquelle für die Puls-Magnetrons gleichzeitig als Puls-Span¬ nungsquelle zur Erzeugung der Spannungsimpulse zwischen Plasma und Substrat benutzt werden. Dabei lassen sich die gleichen Varianten nutzen, die bei Verwendung von Puls-Magnetrons als Plasmaquelle beschrieben wurden.
Anhand einiger Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens als
Prinzipdarstellung,
Fig. 2 einen zeitlichen Verlauf der Potentiale und Ströme bei der Durchführung des Verfahrens,
Fig. 3 eine Einrichtung zur Beschichtung von Kunststoffolien mit einem Elektronenεtrahlverdampfer als Beschichtungsquelle und einer Hohlkatoden-Bogenquelle als Plasmaquelle,
Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Einrichtung zur Beschichtung von
Kunststoffolien mit Schiffchenverdampfern als Beschichtungsquelle und Hohlkatoden-Bogenquellen als Plasmaquellen,
Fig. 5 eine Einrichtung zur Beschichtung von Kunststoffolien mit
Schiffchenverdampfern als Beschichtungsquelle und Pulsmagnetrons als Plasmaquelle,
Fig. 5a eine Ausführung der Einrichtung nach Fig. 5 mit zwei
Spannungsquellen,
Fig. 5b eine Ausführung der Einrichtung nach Fig. 5 mit einem
Spannungsteiler,
Fig. 6 eine Einrichtung zur Beschichtung von Kunststoffolien mit zwei Pulsmagnetrons als Beschichtungsquelle und Plasmaquelle.
Fig. 1 zeigt eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens mit einer Beschichtungsquelle 1, einer Plasmaquelle 2, dem erzeugten Plasma 3, einer isolierenden Schicht 4 und einem leitfähigen Substrat 5. Über die isolierende Schicht 4 als Dielektrikum bildet sich ein Kondensator aus. Die obere Seite der isolierenden Schicht 4 lädt sich über das leitfähige Substrat 5 auf das Potential Us und die untere Seite der isolierenden Schicht 4 lädt sich über das Plasma 3 auf das Potential UB auf. Dabei fließt aus dem Plasma 3 der Strom I auf die untere Seite der isolierenden Schicht 4. Wegen des direkten Kontaktes zwischen dem leitfähigen Substrat 5 und der isolierenden Schicht 4 stimmt Us mit dem Potential des leitfähigen Substrates 5 überein, während sich das Potential UB vom Potential UP des Plasmas an der Unterseite der isolierenden Schicht 4 unterscheidet.
In Fig. 2 ist der prinzipielle zeitliche Verlauf der Potentiale Us und UB relativ zum Plasmapotential UP sowie der Verlauf des Stromes I, wenn an das leitfähige Substrat 5 abwechselnd während der Zeit t+ eine positive und während der Zeit t. eine negative Spannung gelegt wird, dargestellt. Das Potential Us folgt unmit¬ telbar der an das leitfähige Substrat 5 angelegten Spannung. Dagegen folgt das Potential UB infolge der Kondensatorwirkung der isolierenden Schicht 4 zwar den schnellen SpannungsSprüngen, fällt dann aber infolge des Ladungsträgerstroms IB aus dem Plasma
3 sehr schnell bis annähernd auf das Plasmapotential UP ab. Dieser Abfall des Potentials UB erfolgt umso schneller, je höher der Strom I aus dem Plasma is . Nach negativen SpannungsSprüngen wird ein Strom I positiver Ionen und nach positiven Spannungs- Sprüngen ein Strom Ie negativer Elektronen aus dem Plasma 3 auf die Oberfläche der isolierenden Schicht 4 gezogen. Wegen der höheren Beweglichkeit der Elektronen ist der negative Elektro¬ nenstrom Ie deutlich höher als der positive Ionenstrom Ii. Entsprechend ist die Zeit te zum Aufladen des Kondensators durch den Elektronenstrom Ie kleiner als die Zeit tA zum Aufladen durch den Ionenstrom Ii. Da im zeitlichen Mittel keine Ladung von der isolierenden Oberfläche abfließen kann, gilt
-J-i ' ti = le ■ te .
Um für eine effektive ionengestützte Beschichtung möglichst viele Ionen auf die Oberfläche der isolierenden Schicht 4 zu schießen, ist es zweckmäßig, die Zeitdauer t_ und t+ der Spannungsimpulse an die Aufladezeiten ti und te des durch die isolierende Schicht
4 gebildeten Kondensators anzupassen:
t. L._ } t+ e Darüber hinaus ist es zweckmäßig (in Fig. 2 als unterbrochene Linie gezeichnet) , daß die negativen Spannungsänderungen von Us wesentlich schneller erfolgen als die Aufladezeit t der isolie¬ renden Schicht 4 durch positive Ionen und daß die positiven Spannungsänderungen von Us höchstens genauso schnell oder langsa¬ mer erfolgen als die Aufladezeit te der isolierenden Schicht 4 durch Elektronen. Dadurch wird erreicht, daß die Höhe der negati¬ ven Spannungsimpulse UB an der Unterseite der isolierenden Schicht 4, die als Bias-Spannung für die aus dem Plasma 3 extra¬ hierten Ionen dient, nur unwesentlich verringert wird. Dagegen führt der relativ langsame Anstieg der positiven Impulse dazu, daß der Spannungsabfall durch die angesaugten Elektronen genauso schnell oder schneller erfolgt als der vom leitfähigen Substrat 5 influenzierte Spannungsanstieg. Das Ergebnis ist, daß sich das positive Potential UB an der Unterseite der isolierenden Schicht 4 nicht nennenswert über das Plasmapotential UP erhöht, so daß die aus dem Plasma 3 abgesaugten Elektronen keine unzulässig hohe Energie auf die Schicht 4 und das Substrat 5 übertragen. Das ist besonders wichtig bei der Beschichtung temperaturempfindlicher Substrate 5 wie z. B. Kunststoffolien.
Fig. 3 zeigt eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens für die Beschichtung von Kunststoffolien durch ionengestütztes Elektronenstrahlverdampfen von uininiumoxid. Eine 10 μm dicke elektrisch isolierende Kunststoffolie 6 (Polyesterfolie) wird mit einer 0,05 μ dicken elektrisch isolierenden Oxidschicht 7 bedampft, während sie in bekannter Weise im Vakuum über eine auf etwa -20 °C gekühlte Kühlwalze 8 geführt wird. Das Aluminiumoxid 9 wird aus einem wassergekühlten Tiegel 10 durch einen in einer Elektronenkanone 11 erzeugten Elektronenstrahl 12 verdampft. Die am Aluminiumoxid 9 rückgestreuten Elektronen werden durch ein in einer Magnetfalle 13 erzeugtes Magnetfeld 14 umgelenkt und damit am Auftreffen und am Aufheizen von Oxidschicht 7 und Kunststoff¬ folie 6 gehindert. Durch die ionisierende Wirkung dieser rückgestreuten Elektronen entsteht ein Plasma 15 geringerer Dichte zwischen dem Tiegel 10 und der zu bedampfenden Kunststoff- folie 6. Für das Erzeugen höherer Plasmadichten ist oberhalb der Magnetfalle 13 eine Katode 16 einer Hohlkatoden-Bogenquelle angeordnet. Der dadurch erzeugte Niedervolt-Elektronenstrahl 17 wird durch die Randfeldlinien des Magnetfeldes 14 zur Anode 18 der Hohlkatoden-Bogenquelle geführt. Durch den Niedervolt-Elek¬ tronenstrahl 17 wird der Dampfstrom 19 des verdampften Aluminium¬ oxids und der über ein Gaseinlaßsystem 20 eingelassene Sauerstoff angeregt, ionisiert und dissoziiert, so daß unterhalb der zu bedampfenden Kunststoffolie 6 ein hochdichtes Plasma 21 entsteht. Zwischen der annähernd auf Plasmapotential befindlichen Anode 18 und der gegen Massepotential isolierten Kühlwalze 8, als eine unmittelbar hinter der isolierenden Kunststoffolie 6 wirkende Elektrode, ist eine Spannungsquelle 22 zur Erzeugung rechteckför- miger Spannungsimpulse wechselnder Polarität angeordnet. Während der negativen Impulse von ca. 200 V Höhe und ca 20 μs Dauer werden Ionen aus dem hochdichten Plasma 21 zusätzlich zu den im Plasma teilweise ionisierten und angeregten Dampf- und Sauer¬ stoffatomen auf die Kunststoffolie 6 bzw. die aufwachsende Oxidschicht 7 beschleunigt. Während der unmittelbar anschließen¬ den positiven Impulse von ebenfalls ca. 200 V Höhe, aber nur ca. 5 μs Dauer, werden Elektronen aus dem hochdichten Plasma 21 auf die Kunststoffolie 6 bzw. die Oxidschicht 7 beschleunigt. Die auf diese Weise abgeschiedene Aluminiumoxidschicht weist eine hohe optische Transparenz und eine hohe Packungsdichte auf und eignet sich besonders als Barriereschicht für hochwertige Verpackungsfo¬ lien.
Fig. 4 zeigt als Draufsicht den Ausschnitt einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens für die ionengestützte Beschichtung von Kunststoffolien mit u iniumoxid durch reaktives Verdampfen von Aluminium. Als Beschichtungsquelle dient eine Reihe von nebeneinander angeordneten wechselstrombeheizten Schiffchenver- dampfern 23, die in Transportrichtung der Kunst- Stoffolie 6 ausgerichtet sind. (Zur Beschichtung 1,50 m breiter Folien sind ca. 15 Schiffchenverdampfer nebeneinander angeordnet.) Für die Erzeugung eines hochdichten Plasmas 21 zwischen den Schiffchen¬ verdampfern 23 und der Kunststoffolie 6 sind wiederum Hohlkato¬ den-Bogenquellen, bestehend aus Hohlkatoden 16 und einer gemein¬ samen Anode 18, angeordnet. Die an den Hohlkatoden 16 erzeugten Niedervolt-Elektronenstrahlen 17 werden durch ein in Transpor¬ trichtung der Kunststoffolie 6 verlaufendes Magnetfeld 24 geführt und durch das Ablenksystem 25 in der Nähe der Hohlkatoden 16 quer zur Transportrichtung der Kunststoffolie 6 abgelenkt, um eine gleichmäßige Verteilung des Plasmas über die gesamte Breite der Kunststoffolie 6 zu erzielen. Zusätzlich erzeugen die Wechsel¬ ströme zur Beheizung der Schiffchenverdampfer 23 ringförmig um die Schiffchenverdampfer 23 laufende magnetische Wechselfelder
26, die sich der Feldstärke des Magnetfeldes 24 überlagern und resultierend zu einer zusätzlichen seitlichen Ablenkung der Niedervolt-Elektronenstrahlen 17 und somit zu einer weiteren Homogenisierung des Plasmas 21 führen. Zwischen der etwa auf Plasmapotential befindlichen Anode 18 und der nicht dargestell¬ ten, aber analog zu Fig. 3 zur Führung der Kunststoffolie 6 oberhalb der Beschichtungsquelle angeordneten Kühlwalze 8 werden, ebenfalls analog zu Fig 3, Spannungsimpulse wechselnder Polarität angelegt, um abwechselnd Ionen und Elektronen aus dem Plasma auf die aufwachsende Schicht 7 zu schießen.
Fig. 5 zeigt eine weitere Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, ebenfalls mit Schiffchenverdampfern 23 als Beschich¬ tungsquelle, aber mit zwei impulsförmig betriebenen Magnetrons
27, 28 zur Erzeugung des Plasmas 21 für die ionengestützte Beschichtung. Durch die Spannungsquelle 22 wird mit zeitlich abwechselnder Polarität jeweils ein Magnetron 27 auf negatives Potential (Katode) und ein Magnetron 28 auf positives Potential (Anode) gelegt. Eines der beiden Magnetrons 27; 28, beispiels¬ weise das Magnetron 28, wird mit der hinter der Kunststoffolie 6 angeordneten, gegen Massepotential isolierten Kühlwalze 8 verbun¬ den. Dadurch werden zeitlich abwechselnd bei negativem Potential des Magnetrons 28 gegenüber dem Magnetron 27 Ionen und bei positivem Potential des Magnetrons 28 gegenüber dem Magnetron 27 Elektronen aus dem Plasma 21 auf die auf der Kunststoffolie 6 aufwachsende Schicht 7 beschleunigt. Auf diese Weise wird beim Betrieb der beiden Magnetrons 27, 28 in Edelgas ohne Reaktivgas¬ anteil eine reine Metallschicht mit hoher Packungsdichte und geringem elektrischen Widerstand abgeschieden. Mit Hilfe der Drahtzuführeinrichtung 29 und bei Verwendung entsprechend geeig¬ neter Schiffchenverdampfer 23 können nahezu alle in Drahtform verfügbaren Metalle einschließlich Metallegierungen aufgedampft werden. Bei zusätzlichem Einlaß eines Reaktivgases, z. B. Sauer- stoff, über das Gaseinlaßsystem 20 können auch die entsprechenden Metallverbindungen, z. B. Metalloxide, abgeschieden werden. Infolge der Aktivierung- von Dampfström 19 und eingelassenem Reaktivgas beim Hindurchtreten durch das Plasma 21 werden auch bei hohen Beschichtungsraten stöchiometrische Schichten abge¬ schieden. Weiterhin wird durch das impulsförmige Ionenbombarde¬ ment eine besonders dichte und fehlstellenarme Schicht erzielt, die als Barriereschicht für Verpackungsfolien oder als Korro- sions- bzw. Abriebschutzschicht für das Substrat oder für eine bereits vorher auf das Substrat aufgebrachte Schicht geeignet ist. Darüber hinaus kann durch die hohe Gleichmäßigkeit des durch die Magnetrons 27, 28 erzeugten Plasmas 21 und der nahezu belie¬ bigen Länge der Magnetrons 27, 28 eine hohe Konstanz der Schich- teigenschaften auch über Beschichtungssbreiten von mehreren Metern erzielt werden.
In Fig. 5a ist eine Variante der in Fig. 5 gezeigten Einrichtung dargestellt, bei der für die Erregung der beiden Magnetrons 27, 28 zwei in Reihe geschaltete, synchron und gleichsinnig arbei¬ tende Spannungsquellen 22a und 22b verwendet sind. In diesem Fall erfolgt der Spannungsabgriff für das elektrisch leitfähige Substrat bzw. die gemäß Fig. 5 verwendete, gegen Massepotential isolierte Kühlwalze 8 an der Verbindungsstelle zwischen den beiden Spannungsquellen 22a und 22b. Der Vorteil gegenüber der Einrichtung gemäß Fig. 5 besteht darin, daß während jeder Entla¬ dungsrichtung der beiden Magnetrons 27, 28 einmal Ionen und einmal Elektronen aus dem Plasma auf die Kunststoffolie 6 beschleunigt werden, während bei der Einrichtung gemäß Fig. 5 in einer Entladungsrichtung nur Ionen und in der anderen Entladungs¬ richtung nur Elektronen abgesaugt werden. Allerdings steht bei gleicher Puls-Spannung zwischen den Magnetrons 27, 28 nur die halbe Puls-Spannung zwischen der Kunststoffolie 6 und dem Plasma zur Verfügung.
Mit der Variante gemäß Fig. 5b werden die gleichen Eigenschaften wie mit der Variante nach Fig. 5a erreicht. Durch einen Span¬ nungsteiler aus zwei gleichgroßen elektrischen Widerständen 30a und 30b über der Spannungsquelle 22, dessen Mittelabgriff mit dem Substrat bzw. mit der gemäß Fig. 5 verwendeten Kühlwalze 8 verbunden ist, wird im Vergleich zur Variante nach 5a nur eine Spannungsquelle 22 benötigt. Allerdings wird je nach erforderli¬ chem Puls-Bias-Strom für den Spannungsteiler aus den Widerständen 30a und 30b ein zusätzlicher Strom benötigt, so daß im Vergleich zu den Varianten nach Fig. 5 und Fig. 5a eine Spannungsquelle 22 mit höherer Stromergiebigkeit erforderlich ist.
Fig. 6 zeigt eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens bei Verwendung von Sputterquellen als Beschichtungsquelle. Von der Vielzahl der möglichen Varianten bezüglich der Art und der Anzahl der Sputterquellen wird das Beschichten mittels zweier Magnetron- Zerstäubungsquellen 31; 32 dargestellt. Es ist bekannt, daß insbesondere zum Abscheiden hochisolierender, fehlstellenarmer Schichten das Puls-Sputtern dem reaktiven Gleichspannungs- oder dem Hochfrequenz-Sputtern überlegen ist. Eine weitere Verbesse¬ rung der Schichteigenschaften, insbesondere der Packungsdichte der Schichten, ist durch zusätzliche Anwendung des erfindungs¬ gemäßen Verfahrens möglich. Das ist besonders vorteilhaft, denn es kann sowohl die Spannungsquelle 22a; 22b der Magnetron-Zer¬ stäubungsquellen 31; 32 als auch das beim Sputtern ohnehin erzeugte Plasma zur Durchführung des Verfahrens genutzt werden. Die Ankopplung des Substrates bzw. der für die Beschichtung von Kunststoffolien 6 verwendeten Kühlwalze 8 an die Spannungsquelle 22 a; 22 b entspricht der Ankopplung, wie sie in Fig. 5a für die Nutzung von Magnetrons als Plasmaquelle dargestellt wurde. Die in Fig. 5b dargestellte Variante wäre ebenfalls nutzbar, während die in Fig. 5 gezeigte Variante wegen der Unsymmetrie der beiden Magnetrons weniger gut geeignet ist.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren für die ionengestützte Vakuuiribeschichtung, vorzugs¬ weise für die Hochratebeschichtung großflächiger elektrisch leitfähiger oder elektrisch isolierender Substrate mit elektrisch isolierenden Schichten und elektrisch isolierender Substrate mit elektrisch leitenden Schichten, indem zwischen einer Beschich¬ tungsquelle und dem Substrat ein Plasma erzeugt wird, aus welchem Ionen in Richtung auf das Substrat beschleunigt werden, dadurch gekennzeicdinet, daß an das elektrisch leitfähige Substrat oder an eine unmittelbar hinter dem elektrisch isolierenden Substrat angeordnete, sich über die gesamte Beschichtungsfläche erstrec¬ kende Elektrode abwechselnd negative und positive Spannungsim¬ pulse relativ zum Plasma angelegt werden, daß die Dauer der negativen Impulse der Aufladezeit des sich über die isolierende Schicht und/oder das isolierende Substrat ausbildenden Kondensa¬ tors angepaßt wird, daß die Dauer der positiven Impulse höchstens gleich, vorzugsweise 2- bis lOmal kleiner als die Dauer der negativen Impulse gewählt wird, daß die positiven und negativen Impulse unmittelbar aneinander anschließen und annähernd auf die gleiche Höhe relativ zum Plasmapotential eingestellt werden und daß die Höhe der Impulse relativ zum Plasmapotential ± 20 bis
± 2000 V, vorzugsweise ± 50 bis +, 500 V eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der negativen Impulse bei isolierenden Schicht- und/oder Substratdicken von 1 μm bis 100 μm auf etwa 1 ms bis 10 μs ein¬ gestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichne , daß an das leitfähige Substrat oder die Elektrode rechteckförmige Spannungsimpulse angelegt werden, daß die Anstiegszeit der positiven und die Abfallzeit der negativen Impulse so groß gewählt wird, daß das Oberflächenpotential der abgeschiedenen Schicht zu keinem Zeitpunkt mehr als 20 V positiv gegenüber dem Plasmapotential angehoben wird, während die Anstiegszeit der negativen und die Abfallzeit der positiven Impulse so gering gewählt wird, daß das Oberflächenpotential der abgeschiedenen Schicht kurzzeitig auf einen negativen Wert von mindestens 50 Prozent der doppelten Impulshöhe gegenüber dem Plasmapotential angehoben wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß an das leitfähige Substrat oder die Elektrode sinusförmige Spannungsimpulse angelegt werden und die Dauer der positiven und negativen Impulse gleich lang eingestellt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Elektronenstrahlverdampfers als Beschich- tungssquelle das Plasma durch Ionisierung von Dampf und Restgas mit Hilfe des Elektronenstrahls und der am Verdampfungsgut rückgestreuten Elektronen erzeugt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von beliebig beheizten Verdampfern als Beschich¬ tungsquelle das Plasma durch zusätzliche Niedervolt-Bogenentla- dungen im Bereich zwischen Verdampfer und Substrat erzeugt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von widerstandsbeheizten Schiffchenverdampfern als Beschichtungsquelle das Plasma durch Hohlkatoden-Bogenentladungen im Bereich zwischen den Verdampfern und dem Substrat erzeugt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung beliebig beheizter Verdampfer als Beschichtungs¬ quelle das Plasma durch eine Magnetronentladung, vorzugsweise zwischen zwei mit zeitlich wechselnder Polarität gegeneinander brennenden Magnetrons, erzeugt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer oder mehrerer Zerstäubungsquellen als alleinige oder als zusätzliche Beschichtungsquelle diese Zerstäu- bungsquellen gleichzeitig zur Erzeugung des Plasmas verwendet werden.
10. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus mindestens einer Beschichtungsquelle, einer Vor- richtung zur Substrathalterung bzw. -führung, Mitteln zur Erzeu¬ gung eines Plasmas und einer Spannungsquelle zur Erzeugung von Spannungsiitpulsen, dadurch gekennzeichnet, daß an das elektrisch leitfähige Substrat oder an eine unmittelbar hinter dem elek¬ trisch isolierenden Substrat angeordnete Elektrode ein Pol der Spannungsimpulse wechselnder Polarität erzeugenden Spannungs- quelle (22) angeschlossen ist, und daß der andere Pol an eine annähernd auf Plasmapotential befindliche Elektrode angeschlossen ist.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Beschichtung bandförmiger, elektrisch isolierender Substrate die Elektrode eine Kühlwalze (8) ist, die gegen Masse¬ potential isoliert ist.
12. Einrichtung nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Elektronenstrahlverdampfers als Beschichtungsquelle zwischen dem Verdampfungsgut und dem Substrat eine an sich bekannte Magnetfalle (13) zum Umlenken der rückgestreuten Elektronen vorgesehen ist und daß die Polschuhe der Magnetfalle (13) die annähernd auf Plasmapotential befindli¬ che Elektrode sind.
13. Einrichtung nach Anspruch 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Beschichtungsquelle und dem Substrat Niedervolt- Bogenquellen, vorzugsweise Hohlkatoden-Bogenquellen, angeordnet sind und daß die Anoden dieser Bogenquellen die annähernd auf Plasmapotential befindlichen Elektroden sind.
14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß für die Beschichtung bewegter Substrate als Beschichtungsquelle mehrere wechselstrombeheizte Schiffchenverdampfer (23) , deren Längsrichtung mit der Transportrichtung des Substrates überein¬ stimmt, nebeneinander angeordnet sind, und daß oberhalb eines jeden Schiffchenverdampfers (23) oder oberhalb einer Gruppe von mehreren Schiffchenverdampfern (23) jeweils eine Hohlkatoden- Bogenquelle, deren Hohlkatodenbögen im wesentlichen in Schiff- chenlängsrichtung verläuft, angeordnet sind.
15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß an jeder Hohlkatoden-Bogenquelle ein an sich bekanntes magnetisches Ablenksystem für die horizontale Wechselablenkung der Hohlkato¬ denbögen angeordnet ist.
16. Einrichtung nach Anspruch 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines Plasmas zwei gegen Massepotential iso¬ lierte und mit zeitlich wechselnder Polarität gegeneinander brennende Magnetrons (27; 28) zwischen der Beschichtungsquelle und dem Substrat angeordnet sind und daß die Spannungsquelle (22) für die beiden Magnetrons (27; 28) gleichzeitig Spannungsquelle für die Erzeugung der Spamungsimpulse am Substrat ist.
17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß eines der beiden Magnetrons (27; 28) mit dem elektrisch leitfähi¬ gen Substrat oder mit der unmittelbar hinter dem elektrisch isolierenden Substrat befindlichen Elektrode verbunden ist.
18. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle (22) für die beiden Magnetrons (27; 28) aus zwei in Reihe geschalteten, synchron und gleichsinnig arbeitenden Spannungsquellen (22a; 22b) besteht und zwischen beiden ein Spannungsabgriff vorhanden ist, der mit dem elektrisch leitfähi¬ gen Substrat oder mit der unmittelbar hinter dem elektrisch isolierenden Substrat befindlichen Elektrode verbunden ist.
19. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ausgänge der Spannungsquelle (22) für die Magnetrons (27; 28) über gleichgroße elektrische Widerstände (30a; 30b) mit dem elektrisch leitfähigen Substrat oder mit der -unmittelbar hinter dem elektrisch isolierenden Substrat angeordneten Elek¬ trode verbunden sind.
20. Einrichtung nach Anspruch 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß als alleinige oder zusätzliche Beschichtungsquelle sowie zur gleichzeitigen Erzeugung eines Plasmas eine oder mehrere Magne¬ tron-Zerstäubungsquellen (31; 32) angeordnet sind.
21. Einrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetron-Zerstäubungsquellen (31; 32) reaktiv betriebene Gleichstrom-Magnetrons oder Hochfrequenz-Magnetrons sind.
22. Einrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetron-Zerstäubungsquellen (31; 32) zwei mit wechselnder Polarität gegeneinander brennende Magnetrons sind und daß die Spannungsquelle (22) für die Magnetron-Zerstäubungsquellen (31; 32) gleichzeitig die Spannungsquelle zur Erzeugung der Span- nungsimpulse am Substrat ist.
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