DE2417288C2 - Kathodenzerstäubungsvorrichtung - Google Patents

Description

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ebenen Zerstäubungsflächen magnetische Einrichtun- angeordnete Magnetspulen können bei der beschriebe-

gen so angeordnet sind, daß die magnetischen Feldlinien nen Kathodenzerstäubungsvorrichtung vermieden wer-

aus den Zerstäubungsflächen austreten und nach bo- den. Im Innern der Vakuumkammer unmittelbar hinter

genförmigem Verlauf in diese wieder eintreten. der Kathode angeordnete Spulen oder Permanentma-

Zweck dieser Maßnahme ist es, nahe der der Kathode 5 gnete sind nicht nur wesentlich platzsparender unterzu-

parallel gegenüberliegenden Anode annähernd zu de- bringen, sondern gewährleisten auch höhere Feldstär-

ren Oberfläche parallele Magnetfelder zu konzentrie- ken mit geringeren Strömen.

ren und durch Vermeidung von Magnetfeldern an Stel- Die Mittel des Anspruchs 2 gewährleisten eine beson-

Ien, wo sie nicht gebraucht werden, das Gewicht der ders gleichförmige Ablagerung des zerstäubten Materi-

Magnetfelderzeugungsvorrichtungen wesentlich herab- io als bei bewegten Substraten.

zusetzen. Die bekannte Magnetfeldkonfiguration ist al- Die Ausführungsform nach Anspruch 3 ist für die Beso durch das Vorhandensein und die Form einer gegen- schichtung relativ breiter, über die Kathode geführter über der Kathode angeordneten, mit dem zerstäubten Gegenstände bestimmt Mit der Ausführungsform nach Material zu beaufschlagenden Anode gleicher Größe Anspruch 4 wird eine besonders gleichmäßige Bebedingt 15 schichtung auch an den Rändern erzielt

Es sind auch bereits Kaihodenzerstäubungsvorrich- Mit der Ausführungsform nach Anspruch 5 erreicht

tungen bekannt (DE-OS 22 64 437), bei der an zwei ebe- man eine gleichmäßige Beschichtung des Substrats über

ne, nebeneinander angeordnete Zerstäubungselektro- seine gesamte Fläche.

den eine HF-Spannung angelegt wird, wobei magne- Das Ausführungsbeispiel nach F i g. 6 trägt zu einer tische Einrichtungen jeweils auf der Rückseite der Elek- 20 gleichmäßigen Beschichtung verbunden mit einer hohen troden so angebracht sind, daß die erzeugten magne- Ablagerungsrate über die gesamte K^ihodenfläche bei. tischen Feldlinien über den Zerstäubungsflächen einen Der wesentliche Vorteil der Ausrührmgsiorm nach bogenförmigen Verlauf aufweisen, und die Substrate Anspruch 7 besteht darin, daß, da die Wände einer auf einem ortsfesten oder beweglichen Träger angeord- Überzugskammer aus Sicherheitsgründen allgemein genet sind. Dort ist jedoch der magnetische Tunnel nicht 25 erdet sind, die relativ zur Kammer positive Anode besals geschlossene Schleife auf nur einer der Zerstäu- ser Elektronen anziehen kann, wodurch ein unerbungsflächen ausgebildet Des weiteren ist bekannt, wünschtes Elektronenbombardement des Substrates beim Beschichten von großflächigen Substraten diese vermieden wird; besonders günstige Spannungswerte parallel zu ebenen Zerstäubungsflächen zu bewegen sind durch Anspruch 8 definiert
(DE-OS 21 17 421). 30 Das Ausführungsbeispiel nach Anspruch 9 bringt den

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ka- Vorteil, daß ein Sprühen an den Seitenkanten des Tar-

thodenzerstäubungsvorrichtung der eingangs genann- gets vermieden wird.

ten Art bei hoher Ablagerungsrate baulich kompakt so Eine besonders intensive Kühlung der Kathode wird

auszubilden, daß sich auch plattenförmige Substrate am durch die Mittel des Anspruches 10 erzielt, und die des

laufenden Band kontinuierlich mit dem gewünschten 35 Anspruches 11 gewährleisten ein besonders konzen-

Material gleichmäßig überziehen lassen. Diese Aufgabe triertes tunnelartiges Magnetfeld an der Kathode,

wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil Im folgenden wird ein Ausführungsbeispie! der Erfin-

des Patentanspruchs 1 angegebenen Mitteln gelöst. dung anhand der Zeichnungen näher erläutert; es zeigt

Dadurch kann vorteilhafterweise das Beschichten F i g. 1 eine Draufsicht auf eine Kathodlen^rstäu-

von plattenförmigen Substraten sehr wirtschaftlich 40 bungsvorrichtung der beschriebenen Art und

durchgeführt werden, indem die Substrate sehr nahe an F i g. 2 einen Teilschnitt entlang der Linie 2-2 in

dem Entladungsbereich parallel zur Kathodenoberflä- Fig. 1.

ehe an der Kathodenoberfläche entlangbewegt werden. Die Kathodenz^rstäubungseinnchtung nach der Hierbei wird eine hohe Ablagerurigsrate pro Watt auch Zeichnung weist eine ebene Kathode 11 auf, die auf bei großflächigen Substraten erzielt Weil die Kathode 45 ihrer Kathodenoberfläche 12 das zu zerstäubende Maeben ausgebildet, die Anordnung der Anode verhältnis- terial aufweist Eine Einrichtung 13 erzeugt ein Magnetmäßig unkritisch und die das Magnetfeld erzeugende feld, dessen Feldlinien 14 von der Kathodenoberfläche Einrichtung auf der vom Substrat abgewandten Seite 12 entspringen, dann bogenförmig über einen Entlaangeordnet ist, kann dem Entladungsbereich eine belie- dungsbereich 15 verlaufen und schließlich zur Kathobige, entsprechend der Form des zu beschichtenden 50 denoberfläche 12 zurückkehren. Eine rund um die Ka-Substrats gewünschte Konfiguration gegeben werden. thode 11 mit Abstand herumgelegte Anode 16 erzeugt So können ohne weiteres lange, schmale Kathoden- zusammen mit der Kathode 11 ein elektrisches Beoberflächen mit entsprechend langen und schmalen Ent- schleunigungsfeld für elektrisch geladene Teilchen,
ladungsbereichen verwirklicht werden, um breite, sich N;.üb der Zeichnung ist die Kathodenzerstäubungssenkrecht zur Längserstreckung der Kathodenoberflä- 55 vorrichtung an einem Befestigungsflansch 21 angechen bewegende Substrate mit einem Minimum an bracht. Dieser weijt eine Dichtungsausnehnrjng 23 auf, Platzaufwand zu beschichten. Da die Entladungsver- die eine öffnung 25 im Befestigungsflansch umgibt. Der hältnisse weitgehend unabhängig von dem Ort auf der Flansch ist derart ausgebildet, daß er über einer geeig-Kathodenoberfläche sind, wo eine Entladung stattfindet, neten Öffnung Wi der Wand einer Zerstäubungskammer wird vorteilhafterweise trotz der großen Variations- 60 anbringbar ist, welche in der Zeichnung nicht dargestellt möglichkeiten bei der Gestaltung des Entladungsberei- ist. Eine Trägerhülse 27 erstreckt sich von dem Befestiches eine äußerst gleichmäßige Ablagerung erzielt gungsflansch 21 nach oben und endet in der einer Ka-

Die ebenen Kathoden bewirken aber nicht nur eine thodenhalteplatte 29. Eine Magnettiägerplatte 31 ist sehr wirtschaftliche Substratbeschichtung, sondern sind ebenfalls auf der Hülse 27 angebracht und erstreckt sich auch relativ einfach herzustellen, was besonders dann 65 von dieser aus nach außen, und zwar in einem Abstand wichtig ist, wenn spröde und schwer zu bearbeitende nach unten von der Kathodenträgerplatte 29. Eine IsoMaterialien für die Kathode verwendet werden. Außer- Herscheibe 22 ist an der Unterseite der Kathodenträgerhalb der Vakuumkammer und seitlich des Substrates platte 29 mittels Schrauben 33 befestigt.

Um die Kathode 11 kühlen zu können, ist eine Kühlplatte 35 auf der Kathodenträgerplatte 29 befestigt, welche gegenüber derselben durch einen Hochspannungsisoiator 37 isoliert ist. Die Kühlplatte 35 ist mit geeigneten Kühlkanälen 39 ausgestattet, durch welche über Kühlmittelrohre 41, die sich nach oben durch die Hüh>e 27 erstrecken, ein Kühlmittel hindurchgeleitet wird. Die Kühlmittelrohre 41 sind von Isoliermänteln 43 umgeben. Ringförmige Dichtungen 45 sind zwischen dem Hochspannungsisolator 37 und der Kühlplatte 35 sowie der Kathodenträgerplatte 29 angeordnet, um das Inneire der Hülse 27 abzudichten.

Eine becherförmige Kathoden-Dunkelraum-Abschirmung 47 ist an dem Isolator 37 mittels Schrauben 48 befestigt. Die Kathoden-Dunkelraum-Abschirmung 417 weist eine im allgemeinen rechteckige Form auf und ist mit einem Umfangsflansch 49 ausgestattet, der sich nach oben erstreckt und den Umfang der Kathode 11 umgibt. Die Abschirmung 47 ist auf Abstand von der Kathode angeordnet. Die Kathode 11 ist auf einer Befestigunjisplatte 50 angebracht, die ihrerseits an der Kühlplatte 35 befestigt ist. Die plattenförmige Kathode 11 ist an der Platte 50 mittels einer Vielzahl von Schrauben 51 befestigt. Die Schrauben sind durch Schraubenkappenabschirmungen 43 abgedeckt.

Die plattenförmige Kathode 11 weist eine im allgemeinen ebene Form auf und besteht aus dem jeweils zur Zerstäubung vorgesehenen Material. Die ebene Kathode ist parallel zu der Oberfläche oder den Oberflächen der Substrate ausgerichtet, auf welchen das zerstäubte Material abgelagert werden soll. Das zu beschichtende Substrat ist also in einem geringen Abstand von der Kathodenoberfläche entfernt angeordnet, um so die Atome aufzunehmen, welche von der plattenförmigen Kathode 11 zerstäubt werden.

Die das Magnetfeld erzeugende Einrichtung 13 ist auf der Magnethalteplatte 31 angebracht. Die Einrichtung 13 kann einen Permanentmagneten aufweisen, doch ist in der dargestellten Ausführungsform eine Spule 55 vorgesehen. Wenn durch die Spule ein Strom entgegen dem Uhrzeigersinn hindurchfließt, wie das in F i g. 1 angegeben ist, hat der innerste Teil des Magneten eine bestimmte Polarität (nach der Zeichnung einen Nordpol) und der äußere Umfang die entgegengesetzte Polarität (in der Zeichnung einen Südpol). Ein Polschuh 57 erstreckt sich um den äußeren Teil des Magneten 55, und ein weiterer Polschuh 59 erstreckt sich um den inneren Teil des Magneten 55 herum. Ein Kühlrohr 60 ist um die Außenfläche des Polschuhs 57 herum angeordnet Elin Boden-Nebenschluß 61 erstreckt sich zwischen den Polschuhen an der Sei*? des Magneten 55, welcher am weitesten von der Kathode 11 entfernt ist. Die oberen Teile der Polschuhe 57 und 59 sind nicht überbrückt und enden unmittelbar unter der Dunkelraum-Abschirmung 47 im Bereich der Unterseite der Kathode 11.

Wie aus Fig.2 ersichtlich ist, erstrecken sich die durch den Magneten 55 und seine zugehörigen Polschuhe 57 und 59 erzeugten Magnetfeldlinien in Form eines Bogens über einen Entladungsbereich 15, wobei sie von der Kathodenoberfläche 12 ausgehen und wieder zu ihr zurückkehren. Innerhalb dieses Bogens werden ionisierende Elektronen festgelegt und konzentriert, um einen hohen Pegel an Zerstäubungsaktivität im Bereich unter dem Bogen, d. h. im Entladungsbereich 15, zu erzeugen. Die Anode 16 ist im Vergleich zu der Kathodenoberfläche 12 verhältnismäßig klein und in reinem relativ kleinen Abstand von der Kathode 11 angeordnet Die Anode 16 erstreckt sich um die Kathode 11 herum und ist durch in der Zeichnung nicht dargestellte Träger gehalten. Die Anode 16 besteht aus einem stabförmigen Material mit verhältnismäßig geringem Querschnitt. Vorzugsweise sind sowohl die Anode als auch die Kathode auf einem erdfreien Potential gehalten, welches ausreicht, um die gewünschte Beschleunigung zu erreichen. Beispielsweise kann sich die Anode 16 auf diese Weise selbst auf ein Potential vorspannen, welches höher liegt als das Erdpotential, beispielsweise auf ein Potential von 50 V. Die Kathode 11 kann beispielsweise auf einem Potential gehalten werden, welches unterhalb des Erdpotentials liegt, z. B. bei etwa —900 V. Eine geeignete Zener-Diode oder ähnliche Einrichtung kann dazu verwendet werden, die Spannung zu begrenzen.

Nach Fig. I ist die das Magnetfeld erzeugende Einrichtung 13 derart ausgebildet und angeordnet, daß das Magnetfeld im Bereich unmittelbar oberhalb der Kathodenoberfläche 12 eine geschlossene Schleife bildet, die in F i g. 1 durch gestrichelte Linien 65 angedeutet ist.

:zo Auf diese Weise werden die Elektroden in einer endlosen magnetischen Flasche gehalten, wodurch die Zerstäubungsrate in dem Entladungsbereich 15 weiter gefördert wird. Zusätzlich zum Elektroneneinfang verschmälert die auf diese Weise gebildete magnetische

3.5 Flasche den Kathoden-Dunkelraum derart, daß der durch Raumladung begrenzte lonenstrom groß ist. Weil der Kathoden-Anoden-Kreis außer durch das ionisierte Gas gegrn Erde völlig isoliert ist, erfolgt nur eine geringe Ladungsübertragung auf das Substrat, auf dem das

:>o zerstäubte Material abgelagert wird, abgesehen von der geringen Menge, welche anfänglich benötigt wird, um die Kathode und die Anode auf ihr natürliches Potential einzustellen, und außer der geringer. Menge, welche von den Substrat-Berührungsbereichen des Plasmas auf

:i;5 leicht unterschiedlichen Potentialen herrührt.

Statt einer Gleichspannungs-Kathodenversorgung 67 ist es auch möglich, eine Wechselspannungsquelle zu verwenden, weil die beschriebene Kathodenzerstäubungsvorrichtung im wesentlichen selbst gleichrichtend

ψο wirkt was zumindest teilweise auf das Vorliegen des Magnetfelds zurückzuführen ist und vom Verhältnis der Flächen der Anode und der Kathode abhängt.

Als besonders günstig für das Erzielen einer hohen Ablagerungsrate erweist sich der Umstand, daß das

.15 Substrat sehr nahe an dem Entladungsbereich 15 angeordnet sein kann. Falls das zerstäubte Material sehr spröde ist, kann die Kathode 11 aus einer Vielzahl von einzelnen Teilen oder kleineren Segmenten zusammengesetzt sein, um die Gefahr des Zerbrechens beim Auf-

so heizen herabzusetzen. Die Kathodenzerstäubungseinrichtung kann mit geringerem Druck betrieben w iden, als dies bei herkömmlichen Kathodenzerstäubungsvorrichtungen zur Erzielung der gleichen Ablagerung möglich ist

S5 Die beschriebene Kathodenzerstäubungsvorrichtung bewirkt auch eine äußerst gleichförmige Ablagerung. Wegen der eben ausgebildeten Kathode 11 kann der Entladungsbereich 15 eine beliebige gewünschte Konfiguration aufweisen, was von der Form des zu beschichtenden Substrats abhängt

Das dargestellte Ausführungsbeispiel dient dazu, ein bewegtes streifenförmiges Substrat zu beschichten, das über die Kathode 11 in Richtung der Pfeile 69 in F i g. 1 hinweggeführt wird. Im Bereich zwischen den zwei parallelen Segmenten auf jeder Seite der Kathode 11 nach F i g. 1, d. h. im Bereich der parallelen Segmente auf den oberen und unteren Teilen der Platte nach F i g. 1 ist die Ablagerung außerordentlich gleichförmig. Somit wird

ein plattenförmiges Substrat, das eine Breite hat, welche geringer ist als die Länge der langen parallelen Segmente nach Fig. 1 und in Richtung der Pfeile 69 über die Kathode bewegt wird, mit einer außerordentlich gleichförmigen Beschichtung über die gesamte Breitenausdehnung versehen.

Die beschriebene Kathodenzerstäubungsvorrkhtung erreicht also nicht nur eine hohe Ablagerungs- oder Absclieidungsrate, sondern sie kann auch darüber hinaus bei einer Produktion im großen Maßstab verwendet werden, beispielsweise bei der Beschichtung von streifenförmigen Substraten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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30

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Claims (10)

1 2 Die Erfindung betrifft eine Kathodenzerstäubungs- Patentansprüche: vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

1. Kathodenzerstäubungsvorrichtung mit hoher Solche Kathodenzerstäubungsvorrichtungen sind be-Zerstäubungsrate mit einer Kathode, die auf einer 5 reits bekannt (Research/Development, Februar 1971, ihrer Oberflächen das zu zerstäubende und auf ei- Seiten 40 bis 44), dort sind ein Quardrupol-Magnetfeld nem Substrat abzulagernde Material aufweist, mit erzeugende Magnetspulen außerhalb der Vakuumkameiner derart angeordneten Magneteinrichtung, daß mer vorgesehen. Die halbkugelförmige Hohl-Kathode von der Zerstäubungsfläche ausgehende und zu ihr überspannt dort die eine Hälfte des Quadrupol-Magnetzurückkehrende Magnetfeldlinien einen Entladungs- io feldes, wobei die Krümmung der Halbkugel der Krümbereich bilden, der die Form einer in sich geschlosse- mung der Feldlinien des Quadrupol-Magnetfeldes entnen Schleife hat, und mit einer außerhalb der Bahnen gegengesetzt ist, derart, daß die gekrümmte Kathode des zerstäubten und sich von der Zerstäubungsflä- und die gekrümmten Feldlinien einen ringförmigen Entche zum Substrat bewegenden Materials angeord- Iadungsbereich begrenzen, der in der Mitte einen weneten Anode, dadurch gekennzeichnet, is sentlich größeren Abstand vom zu beschichtenden Subdaß die zu zerstäubende und dem zu besprühenden strat aufweist als am Umfang.

Substrat zugewandte Kathodenoberfläche (12) eben Diese bekannte Vorrichtung ist aufgrund der halbku-

ist, daß sich das Substrat nahe dem Entladungsbe- gelförmigen Ausbildung der Kathode sehr platzaufwen-

reich (15) parallel zu der ebenen Zerstäubungsfläche dig und schwer herstellbar, und zwar insbesondere

über diese hinwegbewegen läßt, und daß die das 20 dann, wenn spröde und schwer zu bearbeitende Materi-

Magnetfeü erzeugende Magneteinrichtung (13) auf alien hierfür verwendet werden. Die zwei außerhalb der

der der ebenen Zersiäubungsfiäehe abgewandten Vakuumkammer angeordneten Magnetspulen für die

Seite der Kathode (11) angeordnet ist Erzeugung des Quadrupol-Magnetfeldes erhöhen den

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Platzbedarf der vorbekannten Vorrichtung weiter. Der zeichnet, daß die in sich geschlossene Schleife (65) 25 Aufwand für die Erzeugung des Magnetfeldes ist erhebdes Entladungsbereichs (15) zwei parallele Ab- Hch, weil die untere, außerhalb der Hohl-Kathode beschnitte aufweist, senkrecht ?u denen das Substrat findliche Hälfte aller Feldlinien bei der Entladung nicht über die Zerstäubungsfläche hinwegbewegbar ist mitwirkt also ungeautzt bleibt Die Ablagerungsrate

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn- pro Watt ist unbefriedigend. Auch die Gleichmäßigkeit zeichnet daß die parallelen Abschnitte wesentlich 30 der mit der bekannten Verrichtung auf großflächige länger sind als die übrigen Abschnitte des Entla- Gegenstände aufgebrachten Beschichtungen läßt zu dungsbereiciies (15). wünschen übrig. Wegen des verwendeten Quadrupol-

4. Vorrichtung nach Ansprach 3, dadurch gekenn- Magnetfeldes ist praktisch nur eine zumindest kreisähnzeichnet, daß die in sich geschlossene Schleife (65) liehe Konfiguration des Ablagerungsbereiches realisierdes Entladungsbereichs (15J die Form eines Rechtek- 35 bar.

keshat Weiter ist bereits eine Kathodenzerstäubungsvor-

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn- richtung mit kreisförmigen Elektroden bekannt (japanizeichnet, daß das Substrat eine Breite hat, die gerin- sehe Patenveröffentlichung 46-34 605), bei der eins ebeger als die Länge der langen parallelen Abschnitte ne Kathode und eine ebene Anode einander gegenüber des Entladungsbereiches (15) ist 40 parallel zueinander angeordeet sind, wobei das Substrat

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, auf der Anode liegt Hinter der Anode und der Kathode dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (16) die Ka- sind Magnetspulen vorgesehen, die eine symmetrische thode (11) mit Abstand umgibt. Magnetfeldanordnung schaffen. Eine zentrale Stütze

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, hält die Kathode und die Anode auf Abstand. Die Madadurch gekennzeichnet, daß die Anode (16) und die 45 gnetspule hinter der Kathode kann auch allein vorgese-Kathode (11) vom Erdpotential isoliert sind. hen sein. Dort sollen im wesentlichen radial zu den Elek-

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn- troden verlaufende Magnetfeldlinien geschaffen werzeichnet, daß die Kathode (11) z. B. 900 V unterhalb den, die ein Driften der Elektronen in Umfangsrichtung und die Anode (16) z. B. 50 V oberhalb des Erdpoten- bewirken. Bei dieser Magnetfeldanordnung ist jedoch tials liegt 50 die Eingrenzung der Elektronen im Entladungsbereich

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, unbefriedigend; die Ablagerungsrate ist dementspredadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (11) von chend gering. Da die magnetischen Feldlinien sich zum einem Umfangsflansch (49) einer Kathoden-Dunkel- großen Teil außerhalb des Entladungsbereiches befinraum-Abschirmung (47) umgeben ist den, wird die Magnetfelderzeugungseinrichtung nur un-

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, 55 genügend genutzt und muß erheblich stärker dimensiodadurch gekennzeichnet, daß an der Kathode (11) niert sein, als es für die im Entladungsbereich vorhandeeine von Kühlkanälen (39) durchzogene Kühlplatte nen Feldlinien eigentlich erforderlich wäre. Aufgrund (35) angeordnet ist. der Anordnung des Substrates auf der der Kathode gell. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis genüberliegenden Anode und des Erfordernisses der

10, dadurch gekennzeichnet, daß die das Magnetfeld 60 Stütze zwischen den Elektroden ist die Handhabung des erzeugende Einrichtung (13) äußere und innere, sich Substrates relativ zur Kathode erschwert und eine jeweils entlang der geschlossenen Schleife erstrek- gleichmäßige Beschichtung großflächiger Substrate unkende magnetische Polschuhe (57 bzw. 59) aufweist, möglich. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß das zwischen denen sich die aus der Zerstäubungsfläche Substrat einem Elektronenbombardement ausgesetzt austretenden bzw. in sie eintretenden Magnetfeldli- 65 ist.

nien (14) erstrecken. Bekannt sind auch bereits Ionenpumpen zum Erzeugen eines Hochvakuums mittels abgestäubtem Gittermaterial (US-PS 32 16 652), wobei auf der Rückseite von