CH618289A5

CH618289A5 - Cathode arrangement for an atomising device

Info

Publication number: CH618289A5
Application number: CH820677A
Authority: CH
Inventors: Jan Visser; Cornelis Willem Berghout
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1976-07-07
Filing date: 1977-07-04
Publication date: 1980-07-15
Also published as: NL7607473A; FR2358020A1; AT352493B; IT1076083B; ES460405A1; CA1081656A; ATA482777A; JPS6028689Y2; DE2729286C2; JPS5947654U; ZA773538B; DE2729286A1; BR7704375A; FR2358020B1; GB1587566A; SE7707729L; AU506847B2; JPS536282A; AU2668877A

Description

Die Erfindung betrifft eine Kathodenanordnung für eine Zerstäubungsvorrichtung, mit einer Kathode, die an ihrer Oberfläche das zu zerstäubende Material enthält, und mit einer Magnetvorrichtung zur Erzeugung eines oder mehrerer Magnetfelder, durch welche mindestens eine Elektronenfalle für die Oberfläche der Kathode bestimmt wird.

Eine Elektronenfalle wird durch sich von der Kathodenoberfläche her erstreckende magnetische Feldlinien gebildet, die über dieser Oberfläche einen Bogen beschreiben und wieder zu dieser Oberfläche zurückkehren. Diese Feldlinien bilden so einen magnetischen Spiegel für die von der Kathodenoberfläche herrührenden Elektronen. Auf diese Weise werden die Elektronen in der Nähe der Kathode festgehalten.

Eine derartige Anordnung ist aus der niederländischen Offenlegungsschrift 7 211911 bekannt. Sie wird zum Aufbringen dünner Filme auf ebene und gekrümmte Substrate, zum Aufbringen von Schichten für die Herstellung integrierter Schaltungen, von Schichten mit magnetischen Eigenschaften, von optischen Schichten, zum Aufbringen von Überzügen auf der Innenseite von Hohlräumen bei der Herstellung von Widerständen und bei allen Zerstäubungsvorgängen verwendet, bei denen eine niedrige Substrattemperatur verlangt wird.

Es ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 2417 288 bekannt, dass mittels einer Magnetvorrichtung eine Elektronenfalle gebildet werden kann, die die von der Kathode herrührenden Elektronen solange festhält, bis sie ihre Energie in ionisierenden Zusammenstössen verbraucht haben, wodurch zusätzliches Plasma gebildet wird. Dies hat eine höhere Zerstäubungsgeschwindigkeit zur Folge. Es ist aber auch aus «Phy-sical Vapour Déposition», S. 114 und 115, Airco Inc., USA 1976 bekannt dass diese Zerstäubung sehr ungleichmässig stattfindet und eine rinnenförmige Aushöhlung der Kathode herbeiführt. Dies hat eine Anzahl von Nachteilen. Die Kathode muss schon nach Zerstäubung nur eines kleinen Teiles der Kathode ersetzt werden. Ausserdem übt die rinnenförmige Aushöhlung der Kathode einen ungünstigen Einfluss auf die Richtung, in der sich die Materialteilchen von der Kathode weg bewegen, und auf die Reproduzierbarkeit des Zerstäubungsvorgangs aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kathodenanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die diese Nachteile nicht aufweist und bei deren Verwendung in einer Zerstäubungsvorrichtung ein sehr gleichmässiger und wirksamer Verbrauch des Kathodenmaterials stattfinden kann.

Weiter hat die Erfindung die Aufgabe, eine solche Kathodenanordnung anzugeben, mit der auf einfache Weise verschiedene Materialarten zerstäubt werden können.

Nach der Erfindung ist die Kathodenanordnung der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronenfalle längs der Oberfläche der Kathode verschiebbar ist. Dadurch wird es möglich, periodisch oder kontinuierlich stets einen anderen Oberflächenteil der Kathode der Entladung auszusetzen, wodurch eine sehr gleichmässige Zerstäubung erzielbar ist.

Die Kathode einer derartigen Anordnung kann eben ausgeführt sein, wobei die Magnetvorrichtung nahezu parallel zur Kathodenoberfläche und vorzugsweise in einer einzigen Richtung verschoben werden kann. Vorzugsweise ist die Kathode aber rohrförmig gestaltet, und es sind in oder um diese rohrförmige Kathode in axialer Richtung eine Anzahl in einiger Entfernung voneinander liegender Magnete, deren Nord- oder Südpole einander zugewandt sind und die die Magnetvorrichtung bilden, axial bewegbar angebracht Eine derartige rohrförmige Kathode kann einen quadratischen oder runden Querschnitt aufweisen oder eine andere beliebige Form haben, durch die die Richtung, in der sich die zerstäubten Teilchen bewegen, beeinflusst werden kann. Selbstverständlich ist es auch möglich, die rohrförmige Umhüllung in bezug auf die Magnetvorrichtung zu bewegen.

Dadurch, dass die Kathode an der Oberfläche aus einer Anzahl verschiedener zu zerstäubender Materialien hergestellt wird, kann durch die Verschiebung der Elektronenfalle bzw. -fallen auf einfache Weise jede gewünschte Zusammensetzung von Materialien erhalten werden.

Die Kathodenanordnung ist für Hochfrequenz- und Gleichstromanwendungen geeignet. Eine Kathodenanordnung mit einer Kathode aus Titan kann auch in Titansublimationspumpen verwendet werden.

Eine Zerstäubungsvorrichtung, bei der in einer rohrförmi-gen Kathode in axialer Richtung eine Anzahl in einiger Entfernung voneinander liegender Magnete, deren Nord- oder Südpole einander zugewandt sind und die die Magnetvorrichtung bilden, axial bewegbar angebracht sind, ist besonders gut zum Aufbringen eines sehr gleichmässigen Überzugs in einem Hohlraum, z. B. eines Metallspiegels in einer Lampe oder Röhre, geeignet

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Kathodenanordnung mit einer ebenen Kathode und mit einer verschiebbaren Elektronenfalle, Fig. 2 und 3 im Schnitt Teile rohrförmiger Kathoden mit mehreren bewegbaren Elektronenfallen,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine rohrförmige Kathode, Fig. 5 und 6 Schnitte in Querrichtüng durch zwei Ausführungsformen solcher Kathoden,

Fig. 7 schematisch eine Zerstäubungsvorrichtung mit einer Kathodenanordnung nach der Erfindung, und

Fig. 8 noch einen Schnitt durch eine Zerstäubungsvorrich-tung mit einer eine rohrförmige Kathode aufweisenden Kathodenanordnung.

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Fig. 1 zeigt schematisch eine ebene Kathode 1 für eine Zer- Die Fig. 5 und 6 zeigen mögliche Schnitte durch eine der-stäubungsvorrichtung. Die Richtung der von der Magnetvor- artige Kathodenanordnung. Zwischen einem Magneten 14 und richtung erzeugten Feldlinien 2 ist angegeben. Diese Feldlinien der Innenwand des Rohres 13 liegt der Raum 16 zum Durchlasbilden eine Elektronenfalle, weil ein magnetischer Spiegel für sen des Kühlwassers. Die Magnete 14 sind rings um das Kühl-die Kathodenoberfläche 3 erzeugt wird. In dem ellipsenförmi- s wasserzufuhrrohr 15 angeordnet. Die von der Elektronenfalle gen Gebiet 4 unter den Feldlinien wird durch das Zerstäuben eingefangenen Elektronen werden eine zykloidale Bahn 32 des Kathodenmaterials eine rinnenförmige Aushöhlung gebil- zurücklegen, wie in Fig. 6 dargestellt ist.

det werden. Durch Verschiebung der Elektronenfalle Vorzugs- Es ist auch möglich, das Rohr 13 doppelwandig auszufüh-

weise in Richtung des Pfeiles 33 kann diese Erosion über die ren, so dass das Innenrohr kontinuierlich als Halter für die ganze Oberfläche 3 verteilt werden. Wenn die Kathodenober- "> Magnetvorrichtung dient und das Aussenrohr gegebenenfalls fläche aus verschiedenen Materialarten zusammengesetzt ist, um das Innenrohr bewegbar ist und als leicht ersetzbare Katho-kann durch die Verschiebung der Elektronenfalle jede denoberfläche wirkt.

gewünschte Zusammensetzung von Materialien erzielt werden. In Fig. 7 ist eine Zerstäubungsvorrichtung schematisch dar-Die Kathode 1 weist während der Zerstäubung ein negatives gestellt. In einem Gehäuse 23 ist mit Hilfe einer Glasplatte 22 Potential in bezug auf die Anode 5 von etwa 800 V auf. In der 15 die Kathodenanordnung 24 befestigt, die mit einer Hochfre-Praxis werden Spannungen von einigen 100 V bis zu einigen kV quenz- oder Gleichstromquelle 25 zum Anlegen des gewünschangewendet. Im Zerstäubungsraum herrscht meistens ein ten Potentials zwischen der Kathode der Kathodenanordnung Druck von IQ"3 bis 10~2 Torr vor. Als Zerstäubungsgas können 24 und der hier ringförmigen Anode 26 verbunden ist. Nach-z. B. Argon, Neon oder reaktive Gase, wie O2, N2 oder Gemi- dem das Gehäuse 23 über die Gasausströmungsöffnung 27 leer-sche derselben verwendet werden. 20 gepumpt worden ist, wird das Gehäuse 23 bis zu einem Druck

In Fig. 2 ist ein Teil einer Kathodenanordnung mit einer von 10"3 Torr mit Argon über die Gaseinlassöffnung 28 gefüllt, rohrförmigen Kathode 6 für eine Zerstäubungsvorrichtung Die Kathode wird über die Anschlüsse 29 und 30 durch Kühldargestellt. In dieser rohrförmigen Kathode befinden sich eine wasser gekühlt, wie beschrieben ist. Das von der Kathode zerAnzahl von Magneten 7, die in einiger Entfernung voneinander stäubte Material wird auf dem Substrat 31 als Schicht oder dün-liegen und deren entsprechende Pole einander zugewandt sind. 25 ner Film niedergeschlagen. Die Magnetvorrichtung wird mit Diese Magnete 7 sind in diesem Falle Dauermagnete. Sie kön- Hilfe einer Antriebsvorrichtung 34 kontinuierlich oder perio-nen aber auch Elektromagnete sein. Zwischen den Magneten disch hin und her bewegt. Die Zerstäubungsgeschwindigkeit ist sind in diesem Falle Weicheisenzwischenscheiben 8 angeord- für eine Vorrichtung nach der Erfindung, wie sich erwarten net, die die Richtung des Ein- und Austretens der Feldlinien liess, nahezu gleich gross wie für die bekannten Vorrichtungen, beeinflussen. Diese Zwischenscheiben können aber auch fehlen 30 So wurde für Kupfer eine Zerstäubungsgeschwindigkeit von 1 oder aus einem von Weicheisen verschiedenèn Material herge- |im/min bei einer Gleichstromentladung mit einer zugeführten stellt sein. Durch das Vorhandensein der Magnete werden rings Leistung von 2 kW und bei einem Abstand zwischen der um die Kathode liegende Elektronenfallen 9 gebildet. Die Kathode und dem Substrat von 5 cm gemessen.

Magnete sind in bezug auf die Kathodenoberfläche verschieb- Bei einer Hochfrequenzentladung war die Zerstäubungsge-

bar angeordnet, so dass die Bildung rinnenförmiger Nuten 35 schwindigkeit etwa 0,5 um/min bei derselben Leistung und der-rings um die Kathode durch periodische oder kontinuierliche selben Elektroden-Substratanordnung. Die Kathode konnte Verschiebung der Magnetvorrichtung in Richtung: des Pfeiles aber, wie gefunden wurde, drei- bis viermal länger gebraucht 33 vermieden werden kann. Selbstverständlich ist ès auch mög- werden, als wenn die Magnetvorrichtung nicht bewegt wurde, lieh, die Kathodenoberfläche in bezug auf die Magnetvorrich- Dies bedeutet also, dass mit der erfindungsgemässen Katho-tung zu verschieben. Die Anode 10 weist die Form eines Ringes 40 denanordnung der Zerstäubungsvorgang weniger häufig unter-auf. brachen zu werden braucht und das zu zerstäubende Katho-

In Fig. 3 ist ebenfalls eine Kathodenanordnung mit rohrför- denmaterial besser ausgenutzt wird.

miger Kathode 6 dargestellt. Dabei bestehen die Magnete aus In Fig. 8 ist ein Schnitt durch eine Kathodenanordnung mit dauermagnetischen Ringen 11 und es befinden sich die Elektro- rohrförmiger Kathode dargestellt, wobei die Kathodenober-nenfallen 9 auf der Innenseite der rohrförmigen Kathode. Die 45 fläche aus zwei Teilen 35 und 36 besteht, die in diesem Fall aus Anode 12 weist in diesem Falle die Form eines Stabes auf. Chrom und Kupfer bestehen. Durch die Verschiebung der

In Fig. 4 ist ein Längsschnitt durch eine Kathodenanord- Magnetvorrichtung 20 kann so aus Chrom und Kupfer oder nung 24 mit rohrförmiger Kathode für eine Zerstäubungsvor- einem Gemisch derselben gewählt werden. In der dargestellten richtung gezeigt. Die Kathodenoberfläche wird durch ein auf Lage der Magnetvorrichtung wird aus dem Teil 36 Kupfer zer-einer Seite verschlossenes Rohr 13 mit einem Innendurchmes- 50 stäubt, das sich auf der Innenseite des Glasrohrs 37 nieder-ser von 28 mm und einem Aussendurchmesser von 32 mm schlägt und einen dünnen Überzug bildet.

bestimmt. In diesem 300 mm langen Rohr 13 befinden sich eine Selbstverständlich ist es auch möglich, die Magnetvorrich-Anzahl 6 mm dicker ringförmiger Magnete 14, die um ein Was- tung nicht aus einer einzigen Gruppe von Magneten, wie in serzufuhrrohr 15 für Kühlwasser liegen. Das Kühlwasser fliesst Fig. 8 dargestellt, sondern aus mehreren Gruppen zusammen-entlang der Wand des Rohres 13 über die Räume 16 zu dem 55 zustellen. Auch ist es möglich, die Kathodenoberfläche aus Wasserauslass 17. Das Wasser wird über eine Einströmungsöff- mehr als zwei verschiedenen Materialien zusammenzusetzen, nung 18 eingelassen. Mit Hilfe einer durch einen 0-Ring gebildeten Dichtung 19 ist die Magnetvorrichtung 20 bewegbar in dem Kathodenanordnungen dieser Art eignen sich besonders Halter 21 angeordnet. Dieser Halter 21 ist mit Hilfe einer Glas- gut dazu, die Innenseite von Rohren aus Metall oder Glas oder platte 22 gegen das Gehäuse 23 der Vorrichtung isoliert 60 Umhüllungen von z. B. Lampen zu überziehen. Die ganze angeordnet. Bei Anwendung einer Vielzahl von Magneten wird Kathodenanordnung kann mit der zugehörigen, hier ringförmi-eine Vielzahl von Elektronenfallen erhalten. In den bekannten gen Anode 38 während der Zerstäubung durch ein Rohr zylindrischen Zerstäubungssystemen sind sehr starke und geschoben werden, wodurch dieses Rohr auf der Innenseite grosse Magnete erforderlich, weil das Magnetfeld über die überzogen wird. Mit einer Kathodenanordnung nach Fig. 3 ganze Länge der zylindrischen Kathode konstant und parallel 65 können Stäbe oder Rohre auf der Aussenseite überzogen wer-zu der Oberfläche der Kathode sein muss. den.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

618289 PATENTANSPRÜCHE

1. Kathodenanordnung für eine Zerstäubungsvorrichtung, mit einer Kathode, die an ihrer Oberfläche das zu zerstäubende Material enthält, und mit einer Magnetvorrichtung zur Erzeugung eines oder mehrerer Magnetfelder, durch welche mindestens eine Elektronenfalle für die Oberfläche der Kathode bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronenfalle längs der Oberfläche der Kathode verschiebbar ist

2. Kathodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode mindestens angenähert eben ist, und dass die Magnetvorrichtung mindestens angenähert zur Oberfläche der Kathode verschiebbar ist.

3. Kathodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode rohrförmig ist, und dass in der rohr-förmigen Kathode oder um die rohrförmige Kathode in axialer Richtung und in gegenseitigem Abstand mehrere die Magnetvorrichtung bildende Magnete angeordnet sind, deren Nordoder Südpole einander zugewandt sind, wobei die Magnete in axialer Richtung verschiebbar sind.

4. Kathodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Kathode mehrere zu zerstäubende Materialien enthält.

5. Verwendung der Kathodenanordnung nach Anspruch 1 in einer Zerstäubungsvorrichtung, welche eine Anode und eine die Anode und die Kathodenanordnung umgebende Umhüllung aufweist, deren Innenseite die zu bestäubende Fläche bildet oder enthält.

6. Verwendung der Kathodenanordnung nach Anspruch 1 in einer Zerstäubungsvorrichtung, bei welcher die Kathodenanordnung einen eine Anode enthaltenden Innenraum aufweist, zum Bestäuben der Aussenseite eines Stabes oder Rohres.