DE4242490C1 - Verfahren zur reaktiven Vakuumbehandlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur reaktiven Vakuumbehand­ lung, d. h. zur reaktiven plasmagestützten Vakuumbeschichtung oder zur plasmagestützten Oberflächenbehandlung, z. B. zum reaktiven Zerstäubungsätzen. Die Erfindung bezieht sich auf solche zu behandelnden Substrate, die ausgasungsfähig, d. h. gashaltig sind. Es kann sich sowohl um einzelne als auch bandför­ mige Substrate handeln, die in Chargen- oder Durchlaufanlagen zur Erzielung einer partiellen oder vollständigen Reaktion im Ober­ flächenbereich einem Reaktivgasstrom ausgesetzt werden. Die Substrate bestehen vorzugsweise aus Kunststoff oder Glas.

Es ist bekannt, daß beispielsweise bei der partiell oder voll­ ständig reaktiven Beschichtung auf beliebigen Substraten entspre­ chend der zu lösenden Beschichtungsaufgabe ein Reaktivgas zuge­ führt wird. Mit den dazu bekannten Einrichtungen und Verfahren erfolgen Zufuhr und örtliche Verteilung des Reaktivgases entweder in den Beschichtungsbereich oder direkt in den Kondensationsbe­ reich in Substratnähe oder auch außerhalb des Beschichtungsberei­ ches. Zur Erzielung bestimmter komplexer Schichteigenschaftskom­ binationen erfolgt die Zuführung des Reaktivgases auch teilweise innerhalb und teilweise außerhalb des Beschichtungsbereiches (DD 88 234; DD 1 28 714; DD 2 28 421). Diese Einrichtungen und die mit ihnen ausgeübten Verfahren haben den Nachteil, daß der apparative Aufwand für die Reaktivgasregelung und Reaktivgasverteilungsein­ richtungen relativ hoch ist. Insbesondere gelingt es nicht, bei diesen Methoden der Reaktivgaszufuhr die erforderliche Gleichmä­ ßigkeit zu erreichen. Dadurch entstehen mehr oder weniger große örtliche Schwankungen der Schicht- oder Oberflächeneigenschaften. Wird als Reaktivgas Wasserdampf verwendet, ist die Zuverlässig­ keit infolge des Vereisens der Dosiereinrichtung stark begrenzt. Dadurch wird die Schichtqualität negativ beeinflußt.

Es wurde von der Fachwelt auch versucht, das Wasseradsorbat auf den Substraten sowie den Wänden der Vakuumkammer und den Einbau­ ten in der Vakuumkammer durch Desorption als Reaktivgas zu nutzen. Dieser Vorschlag hat aber den Nachteil, daß ein relativ hoher Arbeitsgasdruck (im Pa-Bereich) erforderlich ist, welcher die allgemeine Verwendung dieses Verfahrens wesentlich ein­ schränkt.

Schließlich ist es auch bekannt und am meisten praktiziert, daß dem Beschichtungsprozeß ein Vorbehandlungsprozeß zur Entfernung von Adsorbaten auf den Substraten durch Strahlungsheizung, Gasentladung, Ladungsträger- oder Neutralteilchenbeschuß vorgela­ gert ist, wobei das desorbierte Gas mit möglichst hoher Sauglei­ stung abgepumpt wird. Dieses allgemein übliche Verfahren hat aber den Nachteil des hohen Aufwandes an Pumpleistung und ungenutzter Vorbehandlungszeit, um den geforderten Druck in der Vakuumkammer zu erreichen.

Weiterhin ist es bekannt, auf Substraten Schichten aus organi­ schen Oxiden aufzubringen, indem der Aufdampfungsprozeß in einer Atmosphäre erfolgt, die Wasserdampf oder Sauerstoff enthält. Dieses Reaktivgas in Form von Wasserdampf ist im Substrat enthal­ ten und wird bei der Entgasung frei und damit dem Prozeß zugeführt (DE-PS 8 95 687). Dieses Verfahren hat aber den Nach­ teil, daß die freiwerdende Menge des Reaktivgases nicht bestimm­ bar ist und damit keine gezielte Prozeßsteuerung möglich ist.

Es ist auch bekannt, die Parameter für die Evakuierung und den Druck so einzustellen, daß eine begrenzte Vorentgasung der Substrate erfolgt, wobei stets ein kleiner Prozentsatz an Gas auf dem Substrat verbleibt, der nicht genutzt wird (IP 03-183 757 A). Das abgesaugte Gas geht nutzlos in die Atmosphäre und das Restgas im Substrat ist undefiniert und daher im Bedampfungsprozeß nicht gezielt verwendbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, welches das im Substrat enthaltene Gas als Reaktivgas für die partielle oder vollständige reaktive Beschichtung oder Behandlung im Plasma nutzt. Dabei soll der technische Aufwand gering gehalten werden. Es soll weiterhin eine hohe Qualität der aufgebrachten Schichten bzw. behandelten Oberflächen erreicht werden. Besonderer Wert wird dabei auf die Homogenität der Schicht- bzw. Oberflächeneigenschaften gelegt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach den Merkmalen des Patentan­ spruches 1 gelöst. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist im Unteranspruch beschrieben.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl bei einzelnen Substra­ ten als auch bandförmigen Substraten angewendet werden. Es muß jedoch ein gashaltiges Substrat mit ausreichender Gasergiebigkeit und Gasabgabefähigkeit sein, damit nach Möglichkeit kein zusätz­ liches Reaktivgas zugeführt werden muß. Das ist besonders bei Kunststoff und Mineralien der Fall, ebenso bei Keramik und Glas. Für den Fall, daß das im Substrat enthaltene Gas zur Erzielung der gewünschten Reaktion nicht ausreicht oder komplexe Reaktionen angestrebt sind, können ein oder mehrere zusätzliche Gase in den Prozeßbereich eingelassen werden.

Die Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht darauf, daß sich im Substrat je nach Materialart z. B. 0,2 bis 3 Gewichtspro­ zent Wasser befinden können. Beim Ausheizen des Substrats im Ausgasungsbereich diffundiert dieses Gas durch das Material an die Oberfläche und wird dort desorbiert und als Wasserdampf freigesetzt, wobei der Teil, der in den Beschichtungs- bzw. Behandlungsbereich gelangt, als Reaktivgas bei der Schichtab­ scheidung bzw. Oberflächenbehandlung zur Wirkung kommt. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt und steuert bewußt diesen Vorgang.

Geschieht der Ausgasungsprozeß eines Substrats in einem Plasma­ prozeß, erfolgt eine weitgehende Aufspaltung des ausgasenden Wassers in Wasserstoff und Sauerstoff während dieses Prozesses. Der nachgeordnete Behandlungsprozeß kann ein reaktiver Beschich­ tungsprozeß sowohl durch Aufdampfen als auch durch Aufstäuben (Sputtern) sein oder auch ein reaktiver Behandlungsprozeß im Plasma, z. B. das reaktive Zerstäubungsätzen. Durch eine geeig­ nete Gestaltung und Abordnung der Prozeßbereiche und Vakuumerzeu­ ger wird der bei der Ausgasung freigesetzte Gasstrom als Reaktiv­ gas im Beschichtungs- bzw. Behandlungsraum wirksam. Die Einstel­ lung eines ausreichend hohen Ausgasungsstromes kann durch Ein­ stellung der Leistungsdichte im Ausgasungsprozeß vorgenommen werden. Dabei kann sowohl die gesamte im Prozeßraum befindliche Substratfläche als auch nur ein angemessener Anteil dieser Fläche mit der Leistungsdichte beaufschlagt werden.

Die Aufteilung des Ausgasungsstromes in den Teil, der als Reak­ tivgas im Beschichtungs- bzw. Behandlungsbereich wirksam wird, und in den Teil, der aus dem Ausgasungsbereich mittels Vakuumpum­ pen abgepumpt wird, erfolgt mit an sich bekannten Maßnahmen zur Saugleistungsbeeinflussung der Vakuumerzeuger und/oder der entsprechend gestalteten Vakuumverbindung zwischen den Prozeßbe­ reichen bzw. -kammern. Mittels Sensoren kann diese Aufteilung erfaßt und ggf. gestellt und/oder geregelt werden.

Zur Erzielung bestimmter Schichteigenschaften, die nicht nur von dem Verhältnis von Beschichtungsteilchenstrom bzw. Behandlungspa­ rametern zu Reaktionsgasstrom, sondern auch noch zusätzlich von deren absoluten Werten abhängen, können mittels einer geeigneten Sensorik eine oder mehrere Schicht- bzw. Oberflächeneigenschaften erfaßt werden und zur Konstanthaltung dieser Eigenschaften der Ausgasungsstrom und/oder die Beschichtungsrate bzw. die Behand­ lungsparameter gestellt und/oder geregelt werden.

Anhand eines Ausführungsbeispieles mit der zugehörigen Zeichnung wird die Erfindung erläutert.

Die Zeichnung zeigt eine Mehrkammer-Beschichtungsanlage im Durchlaufprinzip für ebene Substrate.

Die Anlage besteht aus einer Vakuum-Schleusenkammer 1 zum Ein­ schleusen der zu beschichten Substrate 2 aus Polyamid, einer Kammer 3 für den Ausgasungsprozeß, einer Kammer 4 für den Beschichtungsprozeß und einer Vakuum-Schleusenkammer 5 zum Ausschleusen der beschichteten Substrate 2. Zwischen den Kammern 3 und 4 befindet sich eine Blende 6 mit einstellbarem Quer­ schnitt. Über Trenn- bzw. Absperrventile 7 sind die Kammern 1 und 3 sowie 4 und 5 miteinander verbunden und ein- bzw. ausgangssei­ tig die Kammern 1 und 5 verschlossen. Durch die gesamte Anlage führt ein Transportsystem (nicht gezeichnet) für die Substrate 2. Die Kammer 3 für den Ausgasungsprozeß der Substrate 2 ist mit einer Heizeinrichtung 9, die aus mehreren Heizern besteht, deren Heizleistung einzeln stell- und regelbar ist, sowie einer Blende 10 mit stell- und regelbarem Leitwert zum Vakuumerzeuger (nicht gezeichnet) ausgerüstet. Die Kammer 4 für den Beschichtungsprozeß der Substrate 2 ist mit einer Magnetronzerstäubungsquelle 11 mit einem Target 12 aus Widerstandsmaterial (NiCr) ausgerüstet. An der Kammer 4 ist ein Gaseinlaßsystem 13 zum regelbaren Einlaß des Arbeitsgases, z. B. Argon, angeordnet und ein Vakuumerzeuger mit einer stell- und regelbaren Blende 10 angeschlossen.

Die evakuierbare Schleusenkammer 5 enthält einen Sensor 14, der Schichteigenschaften, z. B. den Flächenwiderstand, mißt. Der Durchlauf der Substrate 2 durch die Mehrkammer-Beschichtungs­ anlage vollzieht sich in folgender Weise:

Eine Folge von Substraten 2 wird in festem zeitlichen Takt durch die Anlage transportiert. Jedes Substrat 2 wird in die Schleusen­ kammer 1 eingebracht, und diese wird evakuiert. Die Substrate 2 enthalten Gas und sind außerdem mit einer dünnen Sorptionsschicht 15, die im wesentlichen aus Wasser besteht, bedeckt. Beim Errei­ chen eines zum Einschleusen in die Kammer 3 ausreichend niedrigen Druckes werden die Substrate 2 in die Kammer 3 transportiert, in welcher der Ausgasungsprozeß durchgeführt wird. Dazu werden die Substrate 2 über die Heizeinrichtung 9 bewegt. Der Heizer wirkt einseitig auf die Substrate 2 und erzeugt auf der gesamten Substratoberfläche eine Leistungsdichte von 4 Wcm^-2. Während dieses Durchlaufes diffundiert das Gas aus den Substraten 2 an die Oberfläche und desorbiert (Sorptionsschicht 15), wobei der Ausgasungsstrom von der Ausgasungsergiebigkeit der Substrate 2 und der Energiedichte und -verteilung der Heizeinrichtung 9 abhängig ist. Nach dem Durchlauf der Substrate 2 durch den Ausgasungsbereich ist das Substrat 2 im wesentlichen gasfrei (Chemisorption und Wiederbedeckung verhindern eine restlose Beseitigung des Adsorbates.).

Der entstehende Ausgasungsstrom verteilt sich entsprechend der Dimensionierung der Nennsaugleistung der Vakuumerzeuger, der Einstellung der Blenden 10, der Einstellung des Leitwertes der Blende 6 zwischen den Kammern 3 und 4 und der Getterwirkung der in der Kammer 4 deponierten Schicht des vorangehenden Substrates 2. Wird dieses vorangehende Substrate 2 während der Ausgasung des nachfolgenden Substrates 2 durch den Beschichtungsbereich bei eingeschalteter Magnetronzerstäubungsquelle 11 bewegt, zerstäubt das NiCr-Target 12, und der Beschichtungsteilchenstrom reagiert, im wesentlichen auf der Substratoberfläche, mit dem in diesen Bereich durch obige Maßnahmen gelangenden Ausgasungsstrom, wobei sich eine partiell oxidierte NiCr-Widerstandsschicht 16 abschei­ det.

Nach erfolgter Beschichtung werden die Substrate 2 in die Schleu­ senkammer 5 transportiert. Die abgeschiedene Widerstandsschicht 16 wird mit der Meßeinrichtung 14 geprüft, und es kann gegebenen­ falls die Leistungsdichte im Ausgasungsprozeß für nachfolgende Substrate 2 korrigiert werden.

Die beschriebene Ausgestaltung des Verfahrens ermöglicht die Abscheidung hochstabiler Widerstandsschichten mit großer örtli­ cher Homogenität auf der gesamten Substratfläche und hoher Reproduzierbarkeit auf jedem Substrat 2.

Claims (2)

1. Verfahren zur reaktiven Vakuumbehandlung, vorzugsweise zur reaktiven plasmagestützten Vakuumbeschichtung von ausgasungsfähi­ gen Substraten, die zeitlich nacheinander in Vakuumfolge einem Ausgasungsprozeß und einem Vakuumbehandlungsprozeß unterworfen werden, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Ausgasungsprozeß durch Einstellung der Leistungsdichte auf den Substraten und/oder des Anteils der abgasenden Substratfläche an der insgesamt im Prozeß­ bereich befindlichen Substratfläche ein Ausgasungsstrom aus den Substraten derart eingestellt wird, daß dieser Ausgasungsstrom durch Einstellung des Saugvermögens der Vakuumpumpen partiell nur soweit abgepumpt wird und daß der verbleibende Teil des Aus­ gasungsstromes zur Erzielung der angestrebten reaktiven Vakuum­ behandlung im Vakuumbehandlungsprozeß verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu dem durch den Ausgasungsprozeß freigesetzten Gasstrom ein oder mehrere weitere Gase in den Behandlungsbereich eingelassen werden.