DD252205A1

DD252205A1 - atomizing

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.The atomizing device serves to produce thin layers by vacuum coating. In particular, the device for depositing dielectric layers by reactive sputtering is suitable. The device, consisting of a magnet system and electrodes arranged above it, is electrically connected according to the invention such that the electrodes are alternately anode and cathode of a gas discharge. As a result, the material is removed from all electrodes. Conveniently, a sinusoidal AC voltage of 50 Hz is connected.

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

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.The invention relates to a device for atomizing electrically conductive materials. It finds application in the production of thin layers in vacuum coating systems. The application is particularly advantageous in the deposition of dielectric layers by reactive sputtering.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

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.Atomizing devices for vacuum coating are known in many forms. Conventional DC diode sputtering and also high frequency diode sputtering have long been used. In both facilities u.a. the decisive disadvantage in the low sputtering rate or performance. These sputtering sources are therefore now being used for special applications. In contrast, the magnetic field-based Hochratezerstäubungseinrichtungen, also called plasmatron or Magnetronsputterquellen enforced for some years for technical applications. These consist in principle of the magnet system with the target arranged above it, of the material to be sputtered and the anode. Above the target, which forms the cathode, is the substrate to be coated (DE-OS 2417-288, DE-OS 2431 832). According to the respective coating task, the Plasmatronquelle is structurally adapted and modified in use.

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.The disadvantage of these devices is that the anode arranged adjacent to the discharge region is occupied by the sputtered target particles or by their reaction products. With longer operating times and high coating rates, tinsel formation on the anode can occur. In the case of metal coating, this often leads to electrical short circuits between the anode and the target designed as a cathode. If electrically insulating layers are deposited by reactive sputtering, the function is hampered as a result of this coating. It comes to electrical charges on the anode and thus rollovers. A stable coating process is not guaranteed.

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.The device described in the PS-DD 222900 bypasses this deficiency. The disadvantage here, however, that initially closed and solid against electrical breakdown insulator layers must grow on the reaction chamber wall before a symmetrical potential distribution is reached. For the large area coating, this means a high construction cost to realize the narrow gaps at the required tolerances. This all the more if different strengths substrates, eg. As glass, to be coated. Another shortcoming of the known Plasmatron sputtering devices is that complex DC power supplies are required with means for arc suppression. Although it is conceivable to operate the known plasmatron sputtering devices with alternating voltage, in each case only one half-wave would be loaded.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Das Ziel der Erfindung ist es, eine Einrichtung zum Zerstäuben elektrisch leitfähiger Materialien zu schaffen, die die Mangel der bekannten technischen Lösungen vermeidet.The object of the invention is to provide a device for atomizing electrically conductive materials, which avoids the deficiency of the known technical solutions.

Darlegung des Wesens der Erfindung · Explanation of the essence of the invention

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.The invention has for its object to provide a sputtering device for electrically conductive materials, which is universally applicable with little technical effort, high Abstäubraten allowed and works well even with long periods of operation, especially in the deposition of electrically insulating layers.

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.According to the invention the object is achieved with a magnet system and at least two electrodes arranged above it, that the electrodes consist of the material to be sputtered and are electrically connected so that they act alternately as the cathode and anode of a gas discharge, which causes a Matterialabtrag of all electrodes. In this device, the terms "cathode" and "anode" can not be assigned to specific electrodes, they apply mutatis mutandis to each electrode. In the "cathode" phase, the one electrode is dusted off and contributes to the layer structure, while the other electrode is "anode" in this phase and thus free of feeds or insulating layers and conducts the electron flow unhindered. So every electrode constantly changes its electrical function. The removal of material thus takes place from all electrodes. This change can be done by circuit measures in various ways; so z. B. by a switchable DC power source. It is most convenient, however, to feed the atomizing device with a sinusoidal AC voltage of preferably 50 Hz.

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.The magnet system for the atomizing device may be constructed such that each electrode is associated with an independent system consisting of north and south poles. But it is also possible to arrange the individual systems so that they form a, total magnet system, so that in each case two adjacent magnet systems have a magnetic pole in common. The electrodes can be arranged in a plane, facing each other in pairs, but also at any angle to each other, if they are only sufficiently adjacent. A special embodiment of the solution according to the invention is a three-electrode arrangement, which is then operated with three-phase alternating voltage. In this case, three round, triangular or circular sector-shaped electrodes are arranged symmetrically.

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:On an arc suppression can be dispensed with in general, since the Zerstäubungsoberfiäche changes periodically according to the invention. For the deposition of alloy or mixed layers, it is possible to use electrodes made of different materials. Adherence to a specific layer composition is possible with the device according to the invention in various but always simple ways:

— durch unterschiedlich große Potentialdifferenzmaxima zwischen den Elektroden in Abhängigkeit von der Richtung des elektrischen Feldes,By different sized potential difference maxima between the electrodes as a function of the direction of the electric field,

— durch unterschiedliche Zeiten, während die eine Elektrode als Anode bzw. als Katode wirkt,By different times during which one electrode acts as an anode or as a cathode,

— durch Betreiben der Elektroden mit unterschiedlichen elektrischen Leistungen,By operating the electrodes with different electrical powers,

— durch unterschiedliche Magnetfeldstärken auf den Zerstäubungsoberflächen.- By different magnetic field strengths on the Zerstäubungsoberflächen.

embodiment

In den Zeichnungen zeigen:In the drawings show:

Fig. 1: einen Schnitt durch eine langgestreckte Zerstäubungseinrichtung,1 shows a section through an elongated atomizing device,

Fig.2: einen Schnitt durch eine Zerstäubungseinrichtung mit gegenüberstehenden Elektroden.2 shows a section through a sputtering device with opposing electrodes.

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.Above the magnet system 1 are two electrodes 2, 3, wherein the inner electrode 2 is enclosed by the outer electrode 3. The magnet system 1 has three self-contained pole pieces, the north pole for the inner electrode 2, the south pole for the inner electrode 2 at the same time as the south pole for the outer electrode 3 and the north pole for the outer electrode 3. The magnet system 1 has the same electrical potential like the outer electrode 3. The inner electrode 2 is electrically insulated from the magnet system 1 by insulating material 4 and from the outer electrode 3 by a gap. The electrodes 2; 3 consist of the material to be sputtered. To avoid unwanted plasma discharges, a dark field shield is arranged, which is grounded. The electrical connection of the electrodes 2; 3 via the supply lines 6. To dissipate the heat energy are below the electrodes 2; 3 water-flow cooling channels 7 arranged.

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.The atomizer is operated with a sinusoidal alternating voltage of 50Hz. This means that the property of the electrodes to be cathode or anode, with a frequency of 100Hz changes. The rms value of the voltage depends on working pressure, magnetization and electrode material and is between 400 V and 900 V. In the "cathode" phase, the electrode is the target and is bombarded and atomized by the ions of the plasma discharge. Therefore, the electrode is free of interfering layers and can dissipate the electron flow unhindered.

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.The sputtering device in FIG. 2 is designed for coating on both sides. It has two independent magnetic systems 1, each with an inner pole piece and one outer pole piece.

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.The electrodes 2; 2 'consist of the material to be sputtered. They are connected via the supply lines 6 to a sinusoidal alternating voltage of 50 Hz. To avoid unwanted plasma discharges dark field shields 5 are arranged. The below the electrodes 2; 2 'located water-flow cooling channels 7 carry the heat energy. The mode of operation of the atomizing device sketched in FIG. 2 corresponds to that described above. The essential difference between both devices is only in the electrode arrangement.

Claims

1. Sputtering device, consisting of a magnet system and at least two electrodes arranged above, characterized in that the electrodes (2, 3) consist of the material to be sputtered and that these electrodes (2, 3) are electrically connected so that

'They are alternately cathode and anode of a gas discharge.

2. Atomizing device according to claim 1, characterized in that the electrodes (2, 3) are connected to a sinusoidal alternating voltage of preferably 50 Hz.

3. Atomizing device according to claim 1 and 2, characterized in that each electrode (2, 3) is associated with an independent magnetic system (1).

4. Atomizing device according to claim 1 and 2, characterized in that the magnet systems (1) are arranged so that one pole of a magnet system (1) is also a pole of the adjacent magnet system (1).

5. Atomizing device according to claim 1 to 4, characterized in that the electrodes (2; 3) are arranged in a plane.

6. Atomizing device according to claim 1 to 4, characterized in that electrodes (2, 3) face each other in pairs,

7. Atomizing device according to claim 1 and 3 to 5, characterized in that three electrodes (2; 3) are arranged symmetrically and these are connected to three-phase AC voltage.

8. Atomizing device according to claim 7, characterized in that the electrodes (2, 3) are round, triangular or circular sector-shaped.

9. atomizing device according to claim 1 and 5 to 8, characterized in that the individual electrodes (2; 3) are made of different materials.