DD252205A1

DD252205A1 - Zerstaeubungseinrichtung

Info

Publication number: DD252205A1
Application number: DD29399386A
Authority: DD
Inventors: Volker Kirchhoff; Ekkehard Buedke; Siegfried Schiller; Guenter Beister; Jonathan Reschke; Siegfried Schneider; Wolfgang Nedon; Peter Vetters; Christian Melde; Wolfgang Erbkamm
Original assignee: Ardenne Forschungsinst
Priority date: 1986-09-01
Filing date: 1986-09-01
Publication date: 1987-12-09
Also published as: DD252205B5

Abstract

Die Zerstaeubungseinrichtung dient zur Herstellung duenner Schichten durch Vakuumbeschichtung. Besonders ist die Einrichtung zur Abscheidung dielektrischer Schichten durch reaktive Zerstaeubung geeignet. Die Einrichtung, bestehend aus Magnetsystem und darueber angeordneten Elektroden, ist erfindungsgemaess elektrisch so geschaltet, dass die Elektroden wechselweise Anode und Katode einer Gasentladung sind. Dadurch erfolgt der Materialabtrag von allen Elektroden. Zweckmaessig wird eine sinusfoermige Wechselspannung von 50 Hz angeschlossen.

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Zerstäuber elektrisch ieitfähiger Materialien. Sie findet Anwendung bei der Herstellung dünner Schichten in Vakuumbeschichtungsanlagen. Besonders vorteilhaft ist die Anwendung bei der Abscheidung dielektrischer Schichten durch reaktive Zerstäubung.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zerstäubungseinrichtungen fürdie Vakuumbeschichtung sind in vielfältiger Form bekannt. Das konventionelle Gleichspannungsdiodenzerstäuben und auch das Hochfrequenzdiodenzerstäuben werden seit langem angewendet. Bei beiden Einrichtungen besteht u.a. der entscheidende Nachteil in der geringen Zerstäubungsrate bzw. Leistung. Diese Zerstäubungsquellen werden deshalb nun für Sonderanwendungen eingesetzt. Dagegen haben sich seit einigen Jahren für technische Anwendungen die magnetfeldgestützten Hochratezerstäubungseinrichtungen, auch Plasmatron- oder Magnetronsputterquellen genannt, durchgesetzt. Diese bestehen im Prinzip aus dem Magnetsystem mit dem darüber angeordneten Target, aus dem zu zerstäubenden Material und der Anode. Über dem Target, welches die Katode bildet, befindet sich das zu beschichtende Substrat (DE-OS 2417-288; DE-OS 2431 832). Entsprechend der jeweiligen Beschichtungsaufgabe ist die Plasmatronquelle konstruktiv angepaßt und modifiziert in Anwendung.

Der Nachteil dieser Einrichtungen besteht darin, daß die benachbart zum Entladungsbereich angeordnete Anode durch die abgestäubten Targetteilchen bzw. durch deren Reaktionsprodukte belegt wird. Bei längeren Betriebszeiten und hohen Beschichtungsraten kann es zur Flitterbildung an der Anode kommen. Im Falle von Metallbeschichtung führt dies häufig zu elektrischen Kurzschlüssen zwischen Anode und dem als Katode gestalteten Target. Werden durch reaktive Zerstäubung elektrisch isolierende Schichten abgeschieden, so wird die Aufgabe infolge dieser Beschichtung in ihrer Funktion behindert. Es kommt zu elektrischen Aufladungen auf der Anode und damit zu Überschlägen. Ein stabiler Beschichtungsprozeß ist nicht gewährleistet.

Durch die in der PS-DD 222900 beschriebene Einrichtung wird dieser Mangel umgangen. Nachteilig ist hierbei jedoch, daß zunächst geschlossene und gegenüber elektrischen Durchschlägen feste Isolatorschichten auf der Reaktionskammerwand aufwachsen müssen, ehe eine symmetrische Potentialverteilung erreicht ist. Für die Großflächenbeschichtung bedeutet diese Einrichtung einen hohen Bauaufwand, um die enge Spalte bei den geforderten Toleranzen zu realisieren. Dies um so mehr, wenn unterschiedlich starke Substrate, z. B. Glasscheiben, beschichtet werden sollen. Ein weiterer Mangel der bekannten Plasmatron-Zerstäubungseinrichtungen besteht darin, daß aufwendige Gleichspannungstromversorgungen mit Einrichtungen zur Lichtbogenunterdrückung erforderlich sind. Ein Betreiben der bekannten Plasmatron-Zerstäubungseinrichtungen mit Wechselspannung ist zwar denkbar, doch würde dabei jeweils nur eine Halbwelle belastet.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist es, eine Einrichtung zum Zerstäuben elektrisch leitfähiger Materialien zu schaffen, die die Mangel der bekannten technischen Lösungen vermeidet.

Darlegung des Wesens der Erfindung ·

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zerstäubungseinrichtung für elektrisch leitfähige Materialien zu schaffen, die bei geringem technischem Aufwand universell einsetzbar ist, hohe Abstäubraten gestattet und auch bei langen Betriebszeiten störungsfrei arbeitet, insbesondere auch bei der Abscheidung elektrisch isolierender Schichten.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Magnetsystem und mindestens zwei darüber angeordneten Elektroden dadurch gelöst, daß die Elektroden aus dem zu zerstäubenden Material bestehen und elektrisch so geschaltet sind, daß sie wechselweise als Katode und Anode einer Gasentladung wirken, die einen Mäterialabtrag von sämtlichen Elektroden bewirkt. Bei dieser Einrichtung können die Begriffe „Katode" und „Anode" nicht bestimmten Elektroden zugeordnet werden, sie gelten wechselweise für jede Elektrode. In der Phase „Katode" wird die eine Elektrode abgestäubt und trägt zum Schichtaufbau bei, während die andere Elektrode in dieser Phase „Anode" ist und damit frei von Füttern bzw, isolierenden Schichten ist und den Elektronenstrom ungehindert ableitet. So wechselt ständig jede Elektrode ihre elektrische Funktion. Der Materialabtrag erfolgt somit von sämtlichen Elektroden. Dieser Wechsel kann durch schaltungstechnische Maßnahmen auf verschiedene Weise erfolgen; so z. B. durch eine umschaltbare Gleichstromquelle. Am zweckmäßigsten ist es jedoch, die Zerstäubungseinrichtung mit einer sinusförmgen Wechselspannung von vorzugsweise 50Hz zu speisen.

Das Magnetsystem für die Zerstäubungseinrichtung kann derart aufgebaut sein, daß jeder Elektrode ein unabhängiges System aus Nord- und Südpolen bestehend zugeordnet ist. Es ist aber auch möglich, die einzelnen Systeme so anzuordnen, daß sie ein , Gesamt-Magnetsystem bilden, so daß jeweils zwei benachbarte Magnetsysteme einen Magnetpol gemeinsam haben. Die Elektroden können in einer Ebene angeordnet sein, sich paarweise gegenüberstehen, aber auch im beliebigen Winkel zueinanderstehen, sofern sie nur hinreichend benachbart sind. Eine spezielle Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist eine Dreielektrodenanordnung, die dann mit Dreiphasenwechselspannung betrieben wird. Dabei sind drei runde, dreieckförmige oder kreissektorförmige Elektroden symmetrisch angeordnet.

Auf eine Lichtbogenunterdrückung kann im allgemeinen verzichtet werden, da die Zerstäubungsoberfiäche erfindungsgemäß periodisch wechselt. Zur Abscheidung von Legierungs-oder Mischschichten ist es möglich, Elektroden aus unterschiedlichen Materialien einzusetzen. Die Einhaltung einer bestimmten Schichtzusammensetzung ist mit der erfindungsgemäßen Einrichtung auf verschiedene, aber jeweils einfache Weise möglich:

— durch unterschiedlich große Potentialdifferenzmaxima zwischen den Elektroden in Abhängigkeit von der Richtung des elektrischen Feldes,

— durch unterschiedliche Zeiten, während die eine Elektrode als Anode bzw. als Katode wirkt,

— durch Betreiben der Elektroden mit unterschiedlichen elektrischen Leistungen,

— durch unterschiedliche Magnetfeldstärken auf den Zerstäubungsoberflächen.

Ausführungsbeispiel

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: einen Schnitt durch eine langgestreckte Zerstäubungseinrichtung,

Fig.2: einen Schnitt durch eine Zerstäubungseinrichtung mit gegenüberstehenden Elektroden.

Über dem Magnetsystem 1 befinden sich zwei Elektroden 2,3, wobei die innere Elektrode 2 von der äußeren Elektrode 3 umschlossen ist. Das Magnetsystem 1 besitzt drei in sich geschlossene Polschuhe, den Nordpol für die innere Elektrode 2, den Südpol für die innere Elektrode 2 zugleich als Südpol für die äußere Elektrode 3 und den Nordpol für die äußere Elektrode 3. Das Magnetsystem 1 besitzt das gleiche elektrische Potential wie die äußere Elektrode 3. Die innere Elektrode 2 ist gegenüber dem Magnetsystem 1 durch Isolationsmaterial 4 und gegen über der äußeren Elektrode 3 durch einen Spalt elektrisch isoliert. Die Elektroden 2; 3 bestehen aus dem zu zerstäubenden Material. Zur Vermeidung unerwünschter Plasmaentladungen ist eine Dunkelfeldabschirmung ö.angeordnet, die auf Massepotential gelegt ist. Der elektrische Anschluß d.erElektroden 2; 3 erfolgt über die Zuleitungen 6. Zur Abführung der Wärmeenergie sind unterhalb der Elektroden 2; 3 wasserdurchströmte Kühlkanäle 7 angeordnet.

Der Betrieb der Zerstäubungseinrichtung erfolgt mit sinusförmiger Wechselspannung von 50Hz. Das bedeutet, daß die Eigenschaft der Elektroden, Katode bzw. Anode zu sein, mit einer Frequenz von 100Hz wechselt. Der Effektivwert der Spannung hängt von Arbeitsdruck, Magnetisierung und Elektrodenmaterial ab und liegt zwischen 400 V und 900 V. In der Phase „Katode" ist die Elektrode Target. Sie wird von den Ionen der Plasmaentladung beschossen und dadurch zerstäubt. In der Phase „Anode" ist die Elektrode daher frei von störenden Schichten und kann den Elektronenstrom ungehindert ableiten.

Die Zerstäubungseinrichtung in Fig. 2 ist für die beidseitige Beschichtung aufgebaut. Sie besitzt zwei voneinander unabhängige Magnetsysteme 1 mit je einem inneren Polschuh und je einem äußeren Polschuh.

Die Elektroden 2; 2' bestehen aus dem zu zerstäubenden Material. Sie werden über die Zuleitungen 6 an sinusförmige Wechselspannung von 50Hz angeschlossen. Zur Vermeidung unerwünschter Plasmaentladungen sind Dunkelfeldabschirmungen 5 angeordnet. Die unterhalb der Elektroden 2; 2' befindlichen wasserdurchströmten Kühlkanäle 7 führen die Wärmeenergie ab. Die Wirkungsweise der in Fig. 2 skizzierten Zerstäubungseinrichtung entspricht der zuvor beschriebenen. Der wesentliche Unterschied zwischen beiden Einrichtungen besteht nur in der Elektrodenanordnung.

Claims

1. Zerstäubungseinrichtung, bestehend aus einem Magnetsystem und mindestens zwei darüber angeordneten Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (2; 3) aus dem zu zerstäubenden Material bestehen und daß diese Elektroden (2; 3) elektrisch so geschaltet sind, daß

' sie wechselweise Katode und Anode einer Gasentladung sind.

2. Zerstäubungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (2; 3) an eine sinusförmige Wechselspannung von vorzugsweise 50Hz angeschlossen sind.

3. Zerstäubungseinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Elektrode (2; 3) ein unabhängiges Magnetsystem (1) zugeordnet ist.

4. Zerstäubungseinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetsysteme (1) so angeordnet sind, daß ein Pol des einen Magnetsystems (1) zugleich ein Pol des benachbarten Magnetsystems (1) ist.

5. Zerstäubungseinrichtung nach Anspruch 1 bis4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (2; 3) in einer Ebene angeordnet sind.

6. Zerstäubungseinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich Elektroden (2; 3) paarweise gegenüberstehen,

7. Zerstäubungseinrichtung nach Anspruch 1 und 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß drei Elektroden (2; 3) symmetrisch angeordnet sind und diese an Dreiphasenwechselspannung angeschlossen sind.

8. Zerstäubungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (2; 3) rund, dreieckig oder kreissektorförmig sind.

9. Zerstäubungseinrichtung nach Anspruch 1 und 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Elektroden (2; 3) aus unterschiedlichen Materialien sind.