DE112005001599B4

DE112005001599B4 - Verfahren zum Umstellen der Magnetflussverteilung einer Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112005001599B4
Application number: DE112005001599.8T
Authority: DE
Inventors: Masayuki Kamei; Takamasa Ishigaki
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2004-07-09
Filing date: 2005-07-07
Publication date: 2019-03-28
Anticipated expiration: 2025-07-08
Also published as: WO2006006637A1; US20070209927A1; US20130186744A1; DE112005001599T5; US8900419B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umstellen der Magnetflussverteilung einer Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung.Beschrieben wird ferner eine Dualmodus-Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung, die die schnelle Bildung eines Films bei niedriger Temperatur ermöglicht, und ein Zerstäubungsverfahren, das die Bildung eines Films bei niedriger Temperatur unter Verwendung der vorstehend erwähnten Vorrichtung ermöglicht.Das Verfahren zeichnet sich aus durch Anordnen eines Magneten (6) auf einer Rückseite einer Trägerplatte (5) bezüglich einer entsprechenden Targethalteseite in einer Magnetron-Zerstäubungskathode, Platzieren eines Artikels (8), der Ferromagnetismus bei Raumtemperatur aufweist, auf der Targethalteseite der Trägerplatte (5), wobei die Magnetflussverteilung von einer ausgeglichenen in eine nicht-ausgeglichene Verteilung umgestellt wird, und Entfernen des Artikels (8), wobei die Magnetflussverteilung wieder zurück in eine ausgeglichene Verteilung umgestellt wird. Nach Entfernen des Artikels (8), der Ferromagnetismus bei Raumtemperatur aufweist, wird ein Artikel platziert, der keinen Ferromagnetismus bei Raumtemperatur aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umstellen der Magnetflussverteilung einer Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung.
Beschrieben wird ferner eine Dualmodus-Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung, die die schnelle Bildung eines Films bei niedriger Temperatur ermöglicht, und ein Zerstäubungsverfahren, das die Bildung eines Films bei niedriger Temperatur unter Verwendung der vorstehend erwähnten Vorrichtung ermöglicht.
Was eine auf Zerstäubung beruhende Filmbildungsvorrichtung mit einem Magnetron betrifft, so ist bekannt, daß die Konfiguration der Kathode eines Magnetrons, was die Verteilung der Magnetflüsse betrifft, in den ausgeglichenen und den nichtausgeglichenen Typ klassifiziert werden kann.
Bei der ausgeglichenen Magnetflussausführung wird ein Magnetfeld erzeugt, um Plasma streng örtlich begrenzt auf die Oberfläche eines Targets zu beschränken, das auf der Oberfläche einer Kathode platziert ist. Um diesen Magnetfeldeinstellungsmodus zu erreichen, weist ein Magnetron mehrere Permanentmagneten auf und reguliert die Intensitäten der einzelnen Magneten, so daß Magnetflüsse, die von N-Polen der Magneten durch einen Raum angrenzend an das Target verlaufen und nahezu ganz in S-Polen der Magneten konvergieren, d. h. ein geschlossener Magnetflusskreis entsteht im Raum. Bei diesem Betriebsmodus ist es möglich, das Plasma ganz eng auf die Oberfläche des Targets zu beschränken.
Im Gegensatz dazu weist bei der Magnetflussausführung vom nichtausgeglichenen Typ ein Magnetron mehrere Permanentmagneten auf und reguliert die Intensitäten einzelner Magneten, so daß ein Teil der Magnetflüsse einen geschlossenen Kreis bildet wie bei einem Magnetron, das entsprechend der Magnetflussausführung vom nichtausgeglichenen Typ aufgebaut ist, während der andere Teil in einen dreidimensionalen Raum abgestrahlt wird, um diffus verteilt zu werden (siehe URL:

http://www.kobelco.co.jp/p109/pvd/ubms.htm).

Diese beiden Magnetflussausführungstypen haben ihre eigenen Vor- und Nachteile in bezug auf die Filmbildung. Bei der ausgeglichenen Ausführung ist es möglich, das Plasma, das zur Filmbildung notwendig ist, ganz eng auf die Oberfläche der Kathode zu beschränken, was die schnelle Bildung eines Films zuläßt.
Dagegen ermöglicht die Kathode einer Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung, die dafür eingerichtet ist, ein Magnetfeld zu erzeugen, das eine nichtausgeglichene Verteilung von Magnetflüssen evoziert, daß Plasma nicht nur nahe an der Oberfläche der Kathode verteilt wird, sondern auch in Richtung der Oberfläche eines Substrats, das gegenüber der Kathode platziert ist und auf dem ein Film zu bilden ist, diffus dispergiert wird, was die heftigere Ausbreitung von Ionen und Radikalen oder reaktionsfähigen elementaren Partikeln im Plasma auf der Oberfläche des Substrats ermöglicht, als es mit einer entsprechenden Kathode möglich ist, die entsprechend der ausgeglichenen Ausführung angeordnet ist, wodurch die stärkere Auslösung von Reaktionen und Wachstum von Kristallen auf der Oberfläche des Substrats erreicht wird, obwohl die betreffende Kathode nicht zuläßt, daß die Bildung eines Films so schnell abläuft wie bei der vergleichbaren Kathode auf der Grundlage der ausgeglichenen Ausführung.
Dank der oben beschriebenen Vorteile kann, wie man seither glaubt, die Kathode einer Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung, die angeordnet ist, um ein nichtausgeglichenes Magnetfeld zu erzeugen, auf ein Substrat angewendet werden, das aus einem wärmeinstabilen Material besteht, das einen Filmbildungsprozeß zurückweist, der notwendigerweise von einer hohen Temperatur begleitet ist, und das ermöglicht, daß ein gut kristallisierter Film bei einer niedrigeren Temperatur gebildet wird, als es bei einer vergleichbaren Kathode möglich ist, die entsprechend der Magnetflussausführung vom ausgeglichenen Typ hergestellt ist.
Wenn ein Film auf einem Substrat zu bilden ist, muß der am besten geeignete Modus der Magnetflussanordnung entsprechend einem gegebenen Zweck der Filmbildung gewählt werden. Um eine solche Anforderung zu erfüllen, ist es ideal, zwei Vorrichtungen bereitzustellen, eine, die ausschließlich entsprechend der Magnetflussausführung vom ausgeglichenen Typ arbeitet, und die andere, die entsprechend der nichtausgeglichenen Ausführung arbeitet, und entsprechend einer gegebenen Anforderung der Filmbildung eine zu wählen. Die Zerstäubungsvorrichtung ist jedoch so teuer, daß das zu untersuchende Problem im allgemeinen dadurch gelöst wird, daß die Kathode einer einzigen bestehenden Vorrichtung entfernt wird und die Parameter der Kathode so verändert werden, daß sie die Erzeugung von Magnetflüssen zuläßt, deren Verteilung für einen gegebenen Zweck der Filmbildung am besten geeignet ist, d. h. die Magnetflussverteilung
wechselt von einem Modus zum anderen oder umgekehrt entsprechend einem gegebenen Zweck der Filmbildung.
Dieser Umstellvorgang wird nachstehend mit Bezug auf beigefügte Zeichnungen beschrieben, wobei als Beispiel ein Fall angenommen wird, wo die Kathode einer Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung, die auf den ausgeglichenen Modus eingestellt worden ist, geändert wird, um ein Magnetfeld zu ergeben, um eine nichtausgeglichene Verteilung von Magnetflüssen zu evozieren. Es versteht sich, daß der umgekehrte Fall ebenso häufig auftreten kann.
Mit Bezug auf 1 werden Magnetflüsse (nicht dargestellt) zur Beschränkung des Plasmas (nicht dargestellt) auf die Oberfläche eines Materialtargets (4) von einer Magnetanordnung (8) erzeugt, die mehrere Permanentmagneten (7) aufweist, die hinter einer Trägerplatte (5) platziert sind, die das Materialtarget (4) hält. Die Magnetflüsse verlaufen durch die Trägerplatte (5) und das Materialtarget (4), um ein Magnetfeld nahe an der Oberfläche des Materialtargets zu bilden. Die ausgeglichene Magnetfeldanordnung (1) kann dadurch erreicht werden, daß an der Vorrichtung eine Magnetanordnung angeordnet ist, bei der die Intensitäten der einzelnen Magneten eingestellt worden sind, um Magnetflüsse zu ermöglichen, die von N-Polen der Magneten ausgehen, um nahezu ganz in S-Polen der Magneten zu konvergieren, d. h. zu ermöglichen, daß ein geschlossener Magnetflusskreis zwischen den beiden Polen gebildet wird.
Wir wollen annehmen, daß die vorstehend beschriebene Vorrichtung geändert werden muß, um eine nichtausgeglichene Verteilung von Magnetflüssen bereitzustellen. Zuerst wird die Magnetanordnung (7) mit den Magneten (6), wie in 1 gezeigt, die eingestellt worden ist, um eine ausgeglichene Verteilung von Magnetflüssen zu erzeugen, entfernt, und wird gegen eine andere Magnetanordnung (11) ausgetauscht, wie in 2 gezeigt, wo die Intensitäten der einzelnen Magneten der Anordnung so eingestellt worden sind, daß bewirkt wird, daß ein Teil der Magnetflüsse, die von N-Polen der Magneten ausgehen, nicht zu S-Polen der Magneten zurückkehren, sondern in einem dreidimensionalen Raum diffus dispergiert werden (siehe URL: http://www.kobelco.co.jp/pl09/pvd/ubms.htm).
Als Alternative kann das Umstellen der Verteilung von Magnetflüssen vom ausgeglichenen Modus in den nichtausgeglichenen Modus folgendermaßen erfolgen. Eine Magnetanordnung, die eingestellt worden ist, um eine ausgeglichene Verteilung von Magnetflüssen zu ergeben, wird entfernt und demontiert. In die derartig demontierte Magnetanordnung kann ein magnetischer Modifikator (8), z. B. ein ferromagnetischer Körper, eingefügt werden, wie in 3 gezeigt, um den Konvergenzzustand der Magnetflüsse zu modifizieren, um dadurch den ausgeglichenen Modus der Magnetflussverteilung in den nichtausgeglichenen umzuwandeln.
Der eigentliche Prozeß, der zur Umwandlung notwendig ist, ist jedoch nicht so einfach. Wir wollen annehmen, daß eine Vorrichtung, die eingestellt ist, um eine ausgeglichene Verteilung von Magnetflüssen zu ergeben, wie in 1 gezeigt, geändert werden muß, um eine nichtausgeglichene Verteilung zu ergeben, wie in 2 und 3 gezeigt. Kühlwasser in Kontakt mit der Trägerplatte (5) wird abgelassen; Kühlwasserröhren (9) und ein Stromkabel (10) werden entfernt; eine Magnetanordnung vom ausgeglichenen Typ (7) (voluminös und schwer) wird entfernt, und eine Magnetanordnung vom nichtausgeglichenen Typ (11) wird statt dessen aufgebaut, oder die Anordnung vom ausgeglichenen Typ wird dadurch modifiziert, daß ihr ein Modifikator, z. B. ein ferromagnetischer Körper, hinzugefügt wird, um eine nichtausgeglichene Verteilung von Magnetflüssen zu erzeugen. Im letzteren Fall müssen während der Installation der modifizierten Magnetanordnung die Kühlwasserröhren (9) und die Stromkabel (10) wieder angeschlossen werden. Alle diese Vorgänge sind so kompliziert und erfordern einen sehr hohen Arbeitsaufwand, so daß die Ausführung mehrere Stunden dauert.
Vor allem erfordert die Einstellung der Magnetanordnung auf eine gewünschte Konfiguration des Magnetfeldes Erfahrung und Technik, die so reich bzw. hochentwickelt ist, daß sich selbst ein in dieser Arbeit versierter Techniker bei dieser Arbeit unbehaglich fühlt. Wenn die Modifikation einer Magnetanordnung daraus besteht, daß ein Modifikator, der aus einer ferromagnetischen Substanz besteht, in einen Spalt an einem Ende eines Magneten eingefügt wird, dann ist außerdem das Einfügen des Modifikators selbst häufig tatsächlich schwierig, da es nicht genügend Raum an den Enden eines Magneten gibt. Daher ist die Modifikation einer Magnetanordnung durch Einfügen eines Modifikators an einem Ende eines entsprechenden Magneten häufig undurchführbar.
Bei der Magnetron-Zerstäubung ist die Qualität eines durch diese gebildeten Films sehr wichtig, da sie alle nachfolgenden Prozesse, die zur Produktion eines Endprodukts führen, ernsthaft beeinflußt. In dieser Hinsicht sind die Wahl des Typs der Magnetfeldausführung und der Einrichtung einer Magnetanordnung entsprechend der Ausführung sehr wichtig. Es ist daher notwendig, zwei Arten von Kathoden, die in zwei verschiedenen Modi arbeiten, getrennt zu verwenden, eine, die ein Magnetfeld ergibt, das in der Lage ist, eine ausgeglichene Verteilung von Magnetflüssen zu evozieren, und die andere, die ein Magnetfeld ergibt, das in der Lage ist, eine nichtausgeglichene Verteilung von Magnetflüssen zu evozieren, je nach Material eines zu bildenden Films und Zweck des Produkts.
Wenn der Prozeß zur Filmbildung eine vergleichsweise hohe Temperatur tolerieren kann, aber mit einer hohen Geschwindigkeit ablaufen muß, muß insbesondere eine Kathode, die dafür konfiguriert ist, ein Magnetfeld mit ausgeglichenem Modus zu ergeben, verwendet werden. Wenn dagegen der Prozeß zur Filmbildung keine hohe Temperatur toleriert, muß eine Kathode, die dafür konfiguriert ist, ein Magnetfeld im nichtausgeglichen Modus zu ergeben, bei einer niedrigen Temperatur verwendet werden, obwohl die Geschwindigkeit, mit der ein Film gebildet wird, reduziert wird, da es dann möglich ist, einen Film zu erzeugen, der aus Kristallen hoher Qualität besteht.
Die Forderung zur Umstellung des Betriebs vom ausgeglichenen zum nichtausgeglichen Modus oder umgekehrt tritt mit einer beträchtlich hohen Häufigkeit in Forschungs- und Produktionsstandorten auf, und daher ist der Umstellvorgang, der mehrere Stunden erfordert, wie bereits erwähnt, bisher eine schwere Last für die an dem Vorgang Beteiligten gewesen.
Selbst wenn beispielsweise entschieden wird, eine Kathodenanordnung zu wählen, die ein nichtausgeglichenes Magnetfeld ergibt, ist es dennoch notwendig, die Abstrahlung von Magnetflüssen in einem dreidimensionalen Raum weiter zu regulieren (durch Änderung der Intensitäten einzelner Magneten, ihrer Verteilung, Größe und Form eines ferromagnetischen Körpers) je nach Material eines zu bildenden Films, um ein optimales Ergebnis für dieses bestimmte Material zu ergeben. Bei einer solchen Optimierungsarbeit ist es häufig notwendig, zwischen dem ausgeglichenen und dem nichtausgeglichenen Modusbetrieb wegen eines einzelnen Betriebsablaufs viele Male umzustellen, was ferner zur Verlängerung der Zeit beiträgt, die zur Umstellung nötig ist, und deshalb eine große Belastung ist.
Ferner erfordert die Einstellung der Abstrahlung von Magnetflüssen in einem dreidimensionalen Raum (durch Änderung der Intensitäten einzelner Magneten, ihrer Verteilung und der Größe und Form eines ferromagnetischen Körpers) hochentwickeltes technisches Wissen und Erfahrung und ist nicht leicht erreichbar.
Wenn es erforderlich ist, eine Konfiguration der Kathode vom ausgeglichenen in den nichtausgeglichenen Modus umzuwandeln und die Umwandlung dadurch erfolgt, daß ein ferromagnetischer Körper in einen Spalt zwischen einer Trägerplatte (5) und einem entsprechenden Magneten (6) eingefügt wird, tritt außerdem häufig ein Fall auf, wo nicht genügend Raum zwischen der Trägerplatte (5) und dem Magneten (6) vorhanden ist, da normalerweise die Kathode so konstruiert ist, daß Magnetflüsse effizient auf der Oberfläche eines Materialtargets konvergieren können. Auch wenn es erforderlich ist, die Konfiguration einer bestehenden Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung zu ändern, um ein Magnetfeld zu ergeben, das sich an die Eigenschaft eines gegebenen Materials anpaßt, ist aus dem oben genannten Grund die Regulierung der Strahlung von Magnetflüssen in einem dreidimensionalen Raum häufig auf einen bestimmten Bereich begrenzt. Es ist daher häufig unmöglich, die Konfiguration einer Kathode in einem solchen Grad zu modifizieren, daß ein Magnetfeld evoziert wird, das eine gewünschte nichtausgeglichene Verteilung von Magnetflüssen bereitstellt.
Insbesondere wenn es erforderlich ist, ein nichtausgeglichenes Magnetfeld zu erzeugen, um eine Zerstäubung bei niedriger Temperatur zu ermöglichen, kann die Anforderung in bestimmten Fällen nicht erfüllt werden. Es besteht also Bedarf an einem Hilfsmittel zur drastischen Lösung des Problems.
Es ist bekannt, daß es zur reibungslosen Erreichung einer Niedrigtemperaturzerstäubung vorteilhafter ist, eine sogenannte Dualmagnetron-Zerstäubungsvorrichtung zu verwenden, die zwei Magnetroneinheiten vereinigt und die die schnelle Bildung eines Films bei einer niedrigen Temperatur im Vergleich zu einer normalen Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung auf der Grundlage einer einzigen Magnetroneinheit zuläßt, die den vollen Betrieb innerhalb ihrer Kapazität erfordert, um den gleichen Zweck zu erreichen. In der Dualmagnetron-Zerstäubungsvorrichtung wird das gleiche Problem, wie oben in bezug auf eine normale Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung beschrieben, ebenso beobachtet: Die Wahl der Magnetflussausführung vom ausgeglichenen oder nichtausgeglichenen Typ muß entsprechend der Eigenschaft des Materials erfolgen, und die Umstellung von einem Typ zum anderen erfordert viel Mühe und Fertigkeit und erlegt den an dem Vorgang Beteiligten eine schwere Last auf. Dieses Problem muß auch noch gelöst werden.
In jüngster Zeit hat sich ein Bedarf an Filmbildungszerstäubung herausgebildet, die die Bildung eines aus einem anorganischen Material bestehenden Films mit einem hohen Schmelzpunkt auf einem Substrat ermöglicht, das aus einer organischen Polymerbahn mit einem niedrigen Schmelzpunkt besteht. Um diese Anforderung zu erfüllen, insbesondere um eine Zerstäubung zu ermöglichen, die die Bildung eines solchen Films bei einer niedrigen Temperatur erlaubt, ist es notwendig, eine Vorrichtung, die so konstruiert ist, daß sie eine nichtausgeglichene Verteilung von Magnetflüssen ergibt, sowie ein Filmbildungsverfahren, das die Bildung eines Films bei einer niedrigen Temperatur ermöglicht, bereitzustellen. Es ist häufig schwierig, diese Anforderung auch bei einer Dualmagnetron-Zerstäubungsvorrichtung zu erfüllen, die dafür konstruiert ist, eine nichtausgeglichene Verteilung von Magnetflüssen zu erzeugen. Es ist daher häufig selbst für eine Dualmagnetron-Zerstäubungsvorrichtung schwierig, alle Anforderungen zu erfüllen, die von den bisher entwickelten, stark unterschiedlichen Materialien und ihren Kombinationen gestellt werden. Lösungen zu diesen Problemen sind sehr gefragt.
Ferner wird eine herkömmliche Dualmagnetron-Zerstäubungsvorrichtung mit Bezug auf 9 beschrieben.
Mit Bezug auf 9 sind zwei von Magnetroneinheiten (13) gegenüber jeweiligen Materialtargets (14) platziert. Magnetflusslinien (15) sind nebeneinander kreuzweise angeordnet, um einen geschlossenen Kreis zu bilden, der von N-Polen ausgeht und in S-Polen endet, um einen ausgeglichenen Modus der Magnetflussverteilung anzunehmen. In der Vorrichtung sind zwei Targets (14), (14) der beiden Magnetroneinheiten so platziert, daß sie sich nebeneinander auf der gleichen Ebene befinden.
Eine elektrische Wechselstromleistung mit einer gewünschten Wellenform und Frequenz wird zwischen den beiden Magnetroneinheiten (13) angelegt, um eine Zerstäubung auszulösen. Dann wird das aus einem Material bestehende Target (14) in Materialdampf (18) umgewandelt, der in die Kammer der Vorrichtung freigegeben wird, um sich auf einem Substrat (17) abzulagern, um dort wie beabsichtigt mit einer höheren Geschwindigkeit einen Film zu bilden, als mit einer einzelnen Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung möglich ist.
Mit einer herkömmlichen Dualmagnetron-Vorrichtung ist es jedoch schwierig, einen Film mit gut orientierten Kristallen zu bilden, während das Target auf einer niedrigen Temperatur gehalten wird oder, was typischer ist, das Target in keiner Weise erwärmt wird, insbesondere wenn das Material aus einem anorganischen Material mit einem hohen Schmelzpunkt besteht. Auch wenn beispielsweise versucht wurde, einen Film aus Titanoxid herzustellen, der eine photokatalytische Aktivität auf dem unerwärmt gebliebenen Substrat hat, war der Versuch niemals erfolgreich.
Es ist daher bisher unmöglich gewesen, einen Film aus Titanoxid mit einer photokatalytischen Aktivität auf einem Substrat, das aus einem Material mit einem niedrigen Schmelzpunkt besteht, das durch Polyethylenterephthalat repräsentiert wird, das aufgrund Beschränkungen, die durch die physikalischen Eigenschaften des Materials bestimmt werden, eine Filmbildung ohne Erwärmung erfordert.
Der Vorteil der Dualmagnetron-Zerstäubung ist u. a. die schnelle Bildung eines Films. Wenn jedoch die Bildung eines Films aus Titandioxid, der normalerweise eine ausgezeichnete photokatalytische Aktivität hat, auf einem Glassubstrat mit Erwärmung bei einer Ablagerungsgeschwindigkeit von 20 nm oder mehr pro Minute erfolgt, weist der resultierende Titandioxidfilm eine ausgezeichnete photokatalytische Aktivitätscharakteristik mit Titandioxid auf.
Um ein Substrat herzustellen, das mit einem Titandioxidfilm beschichtet ist und das eine ausgezeichnete photokatalytische Aktivitätscharakteristik mit Titandioxid aufweist, ist es notwendig, nicht nur ein geeignetes Material für das Substrat zu wählen, sondern auch die Geschwindigkeit der Filmbildung zu reduzieren, die den der Dualmagnetron-Zerstäubung eigenen Vorteil beseitigt.
Die US 5 415 754 A beschreibt ein Verfahren zur Umstellung der Magnetflussverteilung, indem ein ferromagnetischer Artikel nahe der Zerstäubungskathode in eine Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung gebracht wird, um diese in einen nichtausgeglichenen Modus zu schalten.
US 5 736 019 A und WO 99/27758 A1 erläutern, dass ein schneller Wechsel zwischen ausgeglichenem und nichtausgeglichenem Modus eine optimierte Targetnutzung und Einwirkung auf das Substrat bewirken kann, wobei ein Magnet auf der Rückseite einer Trägerplatte bezüglich einer Targethalteseite in einer Magnetron-Zerstäubungskathode angebracht sein kann.
US 6 416 639 B1 beschreibt ein Magnetron-Sputterverfahren, bei dem ein Magnet auf der Rückseite einer Trägerplatte bezüglich einer Targethalteseite in einer Magnetron-Zerstäubungskathode angebracht wird und die Magnetflussverteilung durch Einsetzen eines ferromagnetischen Artikels von einem ausgeglichenen in einen unausgeglichenen Modus umgestellt wird.
Erfindungsgemäß zu lösende Probleme
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Umstellen der Magnetflussverteilung einer Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung bereitzustellen. Diese Aufgaben werden mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst.
Dadurch erhält man eine Konfiguration eines Magnetfeldes, das bisher viel Arbeitskraft und große Erfahrung erfordert hat. Ferner kann ein Filmbildungsverfahren bereitgestellt werden, das die Bildung eines mit einem anorganischen Film beschichteten Materials über einen großen Temperaturbereich unter Nutzung einer Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung ermöglicht, in der der ausgeglichene und der nichtausgeglichene Modus durch Umstellung frei gewählt werden kann.
Ferner wird ein Filmbildungsverfahren ermöglicht, das die schnelle Bildung eines mit anorganischem Film beschichteten Materials über einen großen Temperaturbereich unter Nutzung einer Dualmagnetron-Zerstäubungsvorrichtung ermöglicht.
Mittel zur Lösung des Problems
Um die oben beschriebenen Aufgaben zu lösen, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung angestrengt studiert und festgestellt, daß die Aufgabe in bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung ohne weiteres gelöst werden kann, wenn es beispielsweise erforderlich ist, den Betrieb einer Zerstäubungsvorrichtung vom ausgeglichenen zum nichtausgeglichenen Modus umzustellen, indem ein Magnetfeldregulierungsteil, z. B. ein ferromagnetischer Körper, nahe an einem Target platziert wird, das auf einer Trägerplatte (5) angeordnet ist.
Insbesondere haben die Erfinder festgestellt, daß es möglich ist, den Betriebsmodus einer Zerstäubungsvorrichtung ohne weiteres zu ändern. Der ausgeglichene Betriebsmodus wird als Standard angenommen. Dann kann die Änderung des Betriebs vom ausgeglichenen in den nichtausgeglichenen Modus ohne weiteres dadurch erreicht werden, daß ein ferromagnetischer Körper (8) nahe an einem Target (4) angebracht wird, wie in 4 gezeigt, und dieser eingestellt wird oder ein alter ferromagnetischer Körper durch einen neuen ersetzt wird. Gemäß diesem Verfahren zur Änderung des Betriebsmodus wird die Magnetfeldausführung wesentlich durch die vorhandene Magnetanordnung (7) bestimmt, in der Magneten (6) angeordnet sind, um eine ausgeglichene Verteilung von Magnetflüssen zu erzeugen. Auch wenn der Betrieb vom ausgeglichenen in den nichtausgeglichenen Modus (oder umgekehrt) wechselt, ist es nicht notwendig, eine Trägerplatte, Kühlwasserröhren und ein Stromkabel von der Magnetanordnung zu trennen, diese zu modifizieren, um sie an den nichtausgeglichenen Betriebsmodus anzupassen und sie erneut an die Vorrichtung anzuschließen wie bei einer herkömmlichen Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben eine weitere Feststellung gemacht. Gemäß dem Verfahren, das auf dieser Feststellung beruht, ist es nicht notwendig, einen speziellen Vorgang durchzuführen, der zum Einfügen eines ferromagnetischen Körpers (8) in einen Spalt zwischen den Magneten (6) und einer Trägerplatte (5), wie in 3 gezeigt. Die Vorrichtung kann nämlich ohne weiteres in den nichtausgeglichenen Betriebsmodus wechseln, während sie im wesentlichen die gleiche Konfiguration wie im ausgeglichenen Betriebsmodus beibehält.
Bei Verwendung einer Dualmagnetron-Zerstäubungsvorrichtung wird ein stark aktiver Plasmafokus (19) in einer vergleichsweise schmalen Zone nahezu an einem Mittelpunkt zwischen den beiden Magnetroneinheiten (13) lokalisiert (siehe 9).
Unter Berücksichtigung des Umstands, daß es durch absichtliche Erzeugung eines solchen stark aktiven Plasmafokus und durch die größtmögliche Ausnutzung desselben möglich wäre, eine Filmbildung unter einer stabilen Bedingung durchzuführen, auch wenn der Film schnell bei einer niedrigen Temperatur gebildet wird, haben die Erfinder die Forschung fortgesetzt.
Im Ergebnis dieser Forschungsbemühungen haben die Erfinder festgestellt, daß eine effektivere Aktivierung von Materialdampf im Plasma in einer Dualmagnetron-Zerstäubungsvorrichtung erreicht werden kann, wenn die Ebenen, die sich unter den beiden Magnetroneinheiten befinden, in bezug aufeinander gedreht werden, so daß die beiden Achsen senkrecht zu den Ebenen in einem bestimmten geeigneten Winkel einander schneiden und die Verwendung eines Mischgases mit zwei Edelgasen als Zerstäubungsgas zur Bildung eines aktiven Plasmafokus beiträgt, der die schnelle Bildung eines Films bei einer niedrigen Temperatur fördert ( 10 und 13).
Mit Sicherheit gibt es einige unter den herkömmlichen Dualmagnetron-Zerstäubungsvorrichtungen, die, durch bestimmte mechanische Einschränkungen oder andere gezwungen, dafür konfiguriert sind, zwei Magnetroneinheiten (13) zu haben, die gegeneinander geneigt angeordnet sind. Diese Konfiguration ist jedoch bisher im Ergebnis einer bestimmten Idee oder eines Konstruktionskonzepts, das aus der folgenden Erkenntnis abgeleitet ist, niemals verwendet worden: Es besteht ein sehr aktiver Plasmafokus in einer vergleichsweise schmalen Zone (die die gleiche Größe wie ein Würfel mit einer Seite von mehreren Zentimetern hat) an einem Mittelpunkt zwischen zwei Magnetroneinheiten (13); es ist notwendig, die Lage des Fokus (19) genau zu bestimmen; und es ist vorteilhaft, zwei Hauptströme (18) des Materialdampfes zu bewirken, die von den beiden Magnetroneinheiten mit einem bestimmten Winkel zwischen ihnen abgegeben werden, um durch den aktiven Plasmafokus (19) zu strömen. Daher können die herkömmlichen in Betracht kommenden Vorrichtungen niemals die schnelle Bildung eines Films bei einer niedrigen Temperatur erreichen, da sie niemals dafür konstruiert worden sind, eine optimale Bedingung oder Umgebung zu ergeben, um das hier in Betracht kommende Target zu erreichen.
Hierzu ist es nicht ausreichend, die beiden Magnetroneinheiten (13) lediglich gegeneinander zu neigen. So kann es notwendig sein, einen optimalen Neigungswinkel zu wählen, und zu diesem Zweck ist es notwendig, die Lage des aktiven Fokus genau zu bestimmen und die Konfiguration der beteiligten Elemente einzustellen, damit zwei Materialdampfströme durch den aktiven Fokus führen können, um auf einem Substrat aufzutreffen. Es sollte verständlich sein, daß sich das grundlegende Konstruktionskonzept dieser Vorrichtung vom Konstruktionskonzept der scheinbar ähnlichen herkömmlichen Vorrichtungen sehr unterscheidet, wie oben beschrieben.
Natürlich kann der optimale Neigungswinkel je nach den den betreffenden Parametern einer gegebenen Vorrichtung, einschließlich Größe und Form der Vorrichtung, Abstand zwischen einem Substrat (17) und einem Magnetron (13), Abstand zwischen zwei Magnetroneinheiten (13) usw., variieren. Es ist also schwierig, einen optimalen Neigungswinkel für eine gegebene Vorrichtung einzig in bezug beispielsweise auf einen bestimmten Entfernungsparameter innerhalb der Vorrichtung zu bestimmen. In der Praxis ist es notwendig, einen optimalen Neigungswinkel einzeln für jede Vorrichtung auf der Grundlage des oben genannten Konstruktionskonzepts zu bestimmen.
Bei den am meisten verbreiteten verfügbaren Dualmagnetron-Zerstäubungsvorrichtungen kann jedoch der optimale Neigungswinkel in einem Bereich von 90°±45° liegen. Bei spezifisch konfigurierten Dualmagnetron-Zerstäubungsvorrichtungen kann der betreffende Winkel in einem Bereich von 90°±70° liegen.
Im Rahmen der Erfindung ist ferner festgestellt worden, daß es möglich ist, den Bereich des aktiven Plasmafokus (19) auszudehnen und die Aktivität des Fokus durch Neigung der beiden Magnetroneinheiten gegeneinander zu erhöhen, so daß zwei Materialdampfströme (18), die von den Magnetrons (13) abgestrahlt werden, sich auf einem Substrat (17) miteinander vermischen können.
Der Winkel zwischen den beiden Magnetroneinheiten, der Abstand zwischen einem Substrat (17) und einem Magnetron (13) und der Abstand zwischen den beiden Magnetrons (13) können von einer Vorrichtung zur anderen variieren. Im allgemeinen sind bei einer eingesetzten Vorrichtung die betreffenden Elemente so angeordnet, wie in 12 dargestellt.
Mit Bezug auf 12 sind die betreffenden Elemente einer Dualmagnetron-Zerstäubungsvorrichtung so konfiguriert, daß ein Winkel, der zwischen zwei Linien entsteht, einer, die sich von der Oberfläche des Materialtargets (14) eines Magnetrons (13) erstreckt, und der anderen, der sich von der Oberfläche des gegenüberliegenden Targets (14) des anderen Magnetrons (13) erstreckt, in einem Bereich von 160 bis 20°, vorzugsweise von 160 bis 70° liegt und daß ein Überschneidungsbereich (23) ganz oder teilweise auf die Oberfläche (17) eines Substrats fallen kann, auf der ein Film zu bilden ist und dort die Bildung eines Films ermöglicht wird, wobei sich in dem Überschneidungsbereich (23) für ein Paar eng aneinander liegender Erosionszonen (21) eine Zylinderprojektion der Oberfläche der Erosionszone des einen Magnetrons, deren Umfang mit dem der Oberfläche korrespondiert und deren Richtung senkrecht zu der Oberfläche ist, mit dem Projektions-Gegenstück der Oberfläche der Erosionszone des anderen Magnetrons kreuzt.
Eine erfindungsgemäß einsetzbare Dualmagnetron-Zerstäubungsvorrichtung, die auf der Grundlage des Konstruktionskonzepts hergestellt ist, wie oben beschrieben, wo zwei Magnetrons so angeordnet sind, daß sie die oben genannten Anforderungen in bezug auf die Lage eines Targets erfüllen, ist nicht nur effektiv für die Bildung eines aus Kristallen hoher Qualität bestehenden Films bei einer niedrigen Temperatur, sondern ist auch mit einer kontinuierlichen Filmbildung durch Zerstäubung kompatibel, die für die Massenproduktion notwendig ist.
Insbesondere ist es mit Bezug auf 10 (oder 12) ohne weiteres möglich, Filme auf einem Substrat kontinuierlich zu bilden, wenn an einer Zerstäubungsvorrichtung ein Fördermechanismus zum horizontalen Transportieren eines Substrats (beispielsweise von links nach rechts in der Figur) angebracht ist.
Die erste Anforderung ist die Bestimmung eines optimalen Winkels zwischen den beiden Magnetroneinheiten, wie oben beschrieben. Die zweite Anforderung beruht auf der Feststellung, daß es möglich ist, die Begrenzung des Plasmas auf die Oberfläche eines Targets (14) für eines oder beide von beiden Magnetrons (13) effektiv zu moderieren, indem die Anordnung des Magnetrons geändert wird, so daß Magnetflüsse (20) mit einer nichtausgeglichenen Verteilung erzeugt werden können.
Wenn die Begrenzung eines Plasmas auf die Oberfläche eines Targets moderiert wird, verteilt sich das Plasma (nicht dargestellt) häufig in Richtung eines Substrats (17). Infolgedessen wird auch der aktive Fokus (19) des Plasmas ausgedehnt, was zur verbesserten Aktivierung von Materialdampf im Plasma führen kann. Dies ist wahrscheinlich der Grund, warum die schnelle Bildung eines Films bei einer niedrigen Temperatur unter dieser Bedingung möglich wird.
Es ist sorgfältig darauf zu achten, daß ein optimales Ergebnis mit einem bestimmten Grad an Unausgeglichenheit der Verteilung von Magnetflüssen (die Intensitäten von Magneten sollten so eingestellt werden, daß nicht alle Magnetflüsse, die von N-Polen ausgehen, zu S-Polen zurückkehren, sondern ein Teil der Flüsse diffus im dreidimensionalen Raum verteilt wird) erreicht wird. Auf jeden Fall reduziert der Aufbau eines nichtausgeglichenen Magnetfeldes die Dichte des Plasmas nahe der Oberfläche eines Materialtargets, was die Geschwindigkeit reduziert, mit der ein Film gebildet wird. Natürlich ist eine unangemessene Reduzierung der Geschwindigkeit der Filmbildung nachteilig. Somit liegt ein weiterer optimaler Punkt in bezug auf die Geschwindigkeit der Filmbildung für den Grad der Unausgeglichenheit des Magnetflusses.
Es ist auch zu berücksichtigen, daß die Änderung der Magnetflussverteilung die Ausdehnung des Plasmas stark erhöhen oder den Bereich des aktiven Plasmafokus reduzieren kann oder sogar den aktiven Fokus vernichtet. Der optimale Grad der Nichtausgeglichenheit der Magnetflussverteilung ist nicht auf einen bestimmten Bereich begrenzt, sondern sollte für jede Vorrichtung einzeln bestimmt werden. Um eine Vorrichtung herzustellen, die eine nichtausgeglichene Magnetflussverteilung ergibt, ist es besonders bevorzugt, die hierin in bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung offenbarten Abläufe zu nutzen.
Die dritte Anforderung ist die Verwendung eines Gasgemischs mit zwei oder mehr Edelgasen als Zerstäubungsgas. Die Zerstäubung besteht aus dem Auftreffen von Edelgaspartikeln auf ein Materialtarget, um im Ergebnis des Impulsaustauschs Materialdampf von diesem freizugeben. Zu diesem Zweck ist bisher Argongas in der überwältigenden Mehrheit der Fälle verwendet worden. Die Rolle des Zerstäubungsgases besteht darin, Materialdampf über den Impulsaustausch aus der Oberfläche eines Materialtargets effektiv auszutreiben, während der Einschluß durch einen sich bildenden Film vermieden wird und das Zerstäubungsplasma erhalten bleibt.
Um die Anforderung zu erfüllen, daß das Zerstäubungsgas den Einschluß durch einen sich bildenden Film vermeiden muß, sind Gase, die als Zerstäubungsgas geeignet sind, auf Edelgase beschränkt, z. B. Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon und Radon. Es ist keine Übertreibung zu sagen, daß Argon bisher fast ausschließlich als Zerstäubungsgas verwendet worden ist, da es billig ist, ein Atomgewicht vergleichbar mit anderen in diesem Zusammenhang verwendeten Elementen hat und durch den Impulsaustausch aus dem Materialdampf effektiv ausgetrieben werden kann (siehe „Glow Discharge Processes“, S. 203, Chapman, John Willey & Sons, 1980).
Solange das Zerstäubungsgas unter der Bedingung gewählt wird, daß es ein Targetmaterial effektiv verdampfen kann, um dadurch das Plasma zu erhalten, ist das Zerstäubungsgas, das lediglich Argon aufweist, für alle Zwecke geeignet. Von diesem Gesichtspunkt aus betrachtet ist bisher keine bemerkenswerte Studie über ein Zerstäubungsgas mit einem Gemisch aus Gasen, seinen Aufbau und das Zusammenwirken dieser Gase unternommen worden.
Im Gegensatz zu dieser Tendenz ist auch zu berücksichtigen, daß das Atom eines Edelgases, das als Zerstäubungsgas fungiert, eine einzigartige Erregungsniveaucharakteristik mit dem Gasatom hat (beispielsweise weist Argongas Argonatome mit dem gleichen Anregungsniveau auf, das nur dem Atom eigen ist, und tauscht Energien entsprechend diesem Energieniveau mit Elektronen und anderen Partikeln im Plasma aus). Die Gesamtaktivität eines Plasmas, einschließlich seines Fokus, wird durch die Anregungsniveaus von Partikeln bestimmt, die am Plasma beteiligt sind.
Wenn ein Plasma aus einem Zerstäubungsgas abgeleitet wird, das nur aus Argongas besteht, besteht im Plasma nur das Anregungsniveau des Argonatoms, und die Gesamtaktivität des Plasmas wird nur durch das oben erwähnte Anregungsniveau des Argonatoms bestimmt.
Nehmen wir einen anderen Fall an, wo ein Mischgas mit zwei oder mehr Gasen, die aus Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon und Radon gewählt sind, als Zerstäubungsgas verwendet wird. Dann werden in einem Plasma, das aus dem Zerstäubungsgas abgeleitet wird, gleichzeitig mehrere Anregungsniveaus erzeugt, z. B. von Neon, Argon usw. Diese Anregungsniveaus sind naturgemäß unterschiedlich, und das Gesamtverhalten des Plasmas, einschließlich seiner Aktivität, wird durch diese mehreren Anregungsniveaus bestimmt.
Die Verwendung eines Gasgemischs mit zwei oder mehr Edelgasen ist für die schnelle Bildung eines Films bei einer niedrigen Temperatur im Vergleich zur Filmbildung, die in einem Zerstäubungsgas mit einem einzelnen Edelgas durchgeführt wird, effektiver. Die Verwendung eines Edelgasgemischs kann auch für die Erhöhung der Plasmaaktivität effektiv sein, d. h. für die weitere Verbesserung der Aktivität des Plasmafokus (19), wie in 10 gezeigt.
Der oben beschriebene Mechanismus ist jedoch nicht ausreichend klar und deutlich im gegenwärtigen Kenntnisstand vorhanden und erfordert weitere Studien. Es wird jedoch angenommen, daß, wenn ein Edelgasgemisch als Zerstäubungsgas verwendet wird, mehrere Anregungsniveaus im Plasma erzeugt werden, das die Freiheit der Energie, mit der Plasmapartikel zusammenwirken, effektiver vergrößert und die Effizienz des Energieaustauschs zwischen den Partikeln verbessert und zu einer verbesserten Plasmaaktivität im Vergleich zu einem Fall führt, wo ein einzelnes Edelgas als Zerstäubungsgas verwendet wird.
Die Wirkung, die aus einem Zerstäubungsgas bezogen wird, das ein Gasgemisch aufweist, wird auffälliger, sowie die Anzahl von gemischten Edelgasen größer wird, da dann die Freiheit der Energie vergrößert wird. Die Mischungsverhältnisse von einzelnen Gasen sind nicht auf irgendeinen spezifischen Bereich begrenzt und kann stark variieren. Ein Gasgemisch mit Helium und Neon, d. h. mit Atomen mit einem vergleichsweise kleinen Atomgewicht, in dem Helium und Neon 80 Vol.-% oder mehr ausmachen, sollte jedoch mit Ausnahme einiger spezieller Anwendungen vermieden werden, da in einem solchen Zerstäubungsgas die Bildung eines Films unangemessen verzögert wird.
Wenn ein Gasgemisch mit beispielsweise zwei Edelgasen als Zerstäubungsgas verwendet wird und es notwendig ist, das optimale Verhältnis zwischen beiden Gasen zu bestimmen, ist das effizienteste Verfahren dafür, möglichst viele Edelgase herzustellen, um eine Kombination aus zwei beliebigen Gasen dieser Gase mit gleichem Volumen zu nehmen, die Wirkung des kombinierten Gases auf die Filmbildung anzuschauen und die Durchflußmenge des einen oder des anderen Gases in Abhängigkeit vom Ergebnis der Filmbildung zu erhöhen oder zu verringern, bis eine optimale Bedingung zur Filmbildung erreicht ist.
Die Verwendung eines Mischgases als Zerstäubungsgas verbessert auch die Aktivität eines aktiven Plasmafokus (7).
Von den drei oben erwähnten Anforderungen wird bei der Dualmagnetron-Zerstäubungsvorrichtung die Filmbildung lediglich dadurch verbessert, daß sie die erste Anforderung erfüllt. Es wird jedoch bevorzugt, daß die Vorrichtung eine Kombination aus beliebigen zwei der drei Anforderungen oder besser alle drei Anforderungen insgesamt erfüllt, statt nur eine einzige von den drei Anforderungen zu erfüllen, da die Vorrichtung dann ausgezeichnete Wirkungen ausüben kann, so daß ein hochfunktionsfähiger Film bei einer niedrigen Temperatur schnell erzeugt wird.
Die Erfindung ist auf einer Grundlage von sehr unterschiedlichen Ergebnissen gemacht worden, und ihre Merkmale sind grob in zwei Aspekte klassifiziert, von denen einer in den nachstehenden Absätzen (1) bis (8) und der andere in den Absätzen (9) bis (19) beschrieben ist, die jeweils das Verständnis der Erfindung erleichtern.

(1) eine Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung, in der eine Zerstäubungskathode dafür eingerichtet ist, eine ausgeglichene Verteilung von Magnetflüssen zu erzeugen, und in der durch Platzieren eines Artikels, der Ferromagnetismus bei Raumtemperatur aufweist, auf oder nahe der Oberfläche einer Zerstäubungskathode zum Halten eines Materialtargets der ausgeglichene Modus in einen nichtausgeglichenen Modus umgewandelt werden kann und der nichtausgeglichene Modus durch Entfernen des ferromagnetischen Artikels wieder zurück in den ausgeglichenen Modus umgewandelt werden kann.
(2) Die Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung, wie im Absatz (1) beschrieben, in der die Zerstäubungskathode dafür eingerichtet ist, eine ausgeglichene Verteilung von Magnetflüssen zu erzeugen, und ein Element auf die Oberfläche der Zerstäubungskathode zum Halten eines Materialtargets plaziert worden ist und in der die Magnetflussverteilung vom nichtausgeglichenen in den ausgeglichenen Modus und umgekehrt wechseln kann, indem das Element durch ein anderes Element aus einem Material, das Ferromagnetismus bei Raumtemperatur aufweist, ersetzt wird.
(3) Die Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung, wie in Absatz (2) beschrieben, in der das Element, das auf der Oberfläche der Zerstäubungskathode zum Halten eines Materialtargets platziert ist, irgendeines ist, das aus einem Mittelpol, einer Mittelpolabdeckung und einem Isolationskörper gewählt ist.
(4) Die Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung, wie im Absatz (3) beschrieben, in dem die Zerstäubungskathode, die dafür eingerichtet ist, eine ausgeglichene Verteilung von Magnetflüssen zu erzeugen, eine quadratische Zerstäubungskathode ist.
(5) Ein Filmbildungsverfahren zur Bildung eines gut kristallisierten Films aus einem anorganischen Filmbildungsmaterial unter Verwendung einer Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung, wobei das Verfahren aufweist: Wählen einer Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung vom nichtausgeglichenen Typ, wie in einem der Absätze (1) bis (4) beschrieben, wodurch ein Film über einen breiten Temperaturbereich auf einem Substrat gebildet werden kann, dessen Schmelzpunkt zwischen einer niedrigen und einer hohen Temperatur liegt.
(6) Das Filmbildungsverfahren, wie im Absatz (5) beschrieben, zur Bildung eines gut kristallisierten Films aus einem anorganischen Filmbildungsmaterial, wobei das Substrat eine organische Polymerbahn ist.
(7) Das Filmbildungsverfahren, wie im Absatz (5) oder (6) beschrieben, zur Bildung eines gut kristallisierten Films aus einem anorganischen Filmbildungsmaterial, wobei das anorganische Filmbildungsmaterial ein beliebiges Metall ist, das aus Titan, Aluminium, Zirkonium, Zink, Zinn, Indium, Silicium, Tantal, Bismut, Kupfer, Bor, Kohlenstoff, Vanadium, Mangan, Wolfram, Molybdän, Barium, Strontium, Yttrium und Niobium und deren Oxiden, Nitriden und Boriden gewählt ist.
(8) Das Filmbildungsverfahren, wie im Absatz (7) beschrieben, zur Bildung eines gut kristallisierten Films aus einem anorganischen Filmbildungsmaterial, wobei das Oxid Titandioxid mit einer hohen photokatalytischen Aktivität ist.
(9) eine Dualmagnetron-Zerstäubungsvorrichtung, in der zwei Magnetrons gegeneinander geneigt sind, so daß ein Winkel, der zwischen zwei Linien entsteht, einer, die sich vom Substrat eines Materialtargets eines Magnetrons erstreckt, und der anderen, die sich von der Fläche eines Materialtargets des anderen Magnetrons erstreckt, in einem Bereich von 160 bis 20°, vorzugsweise 160 bis 70° sind, so daß ein aktiver Plasmafokus auf der Oberfläche eines Substrats konvergieren kann, wodurch dort die schnelle Bildung eines Films bei einer niedrigen Temperatur möglich wird.
(10) Die Dualmagnetron-Zerstäubungsvorrichtung, wie im Absatz (9) beschrieben, wobei die beiden Magnetrons eingestellt sind, eine nichtausgeglichene Verteilung von Magnetflüssen zu erzeugen.
(11) Die Dualmagnetron-Zerstäubungsvorrichtung, wie im Absatz (9) oder (10) beschrieben, wobei Gas, das in die Dualmagnetron-Zerstäubungsvorrichtung einzuleiten ist, mindestens zwei Gase aufweist, die aus Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon und Radon gewählt sind.
(12) Ein Filmbildungsverfahren zur Bildung eines Films aus einem anorganischen Filmbildungsmaterial unter Verwendung einer Dualmagnetron-Zerstäubungsvorrichtung, wobei das Verfahren aufweist: Anordnen der beiden Magnetrons in bezug zueinander, so daß, wenn die Oberfläche eines Targets jedes Magnetrons als Referenz genommen wird, ein Winkel, der zwischen den beiden Referenzlinien entsteht, einer, die sich von der Oberfläche eines Targets eines Magnetrons erstreckt, und der anderen von der Oberfläche eines Targets des anderen Magnetrons, zwischen 160 und 20° liegt und so daß ein Überschneidungsbereich ganz oder teilweise auf die Oberfläche eines Substrats fällt, auf der ein Film zu bilden ist und dort die Bildung eines Films auf dem Substrat ermöglicht wird, wobei sich in dem Überschneidungsbereich für ein Paar eng aneinander liegender Erosionszonen von mehreren Erosionszonen, die sich auf den beiden Targets entwickeln, eine Zylinderprojektion der Oberfläche der Erosionszone des einen Magnetrons, deren Umfang mit dem der Oberfläche korrespondiert und deren Richtung senkrecht zu der Oberfläche ist, mit dem Projektions-Gegenstück der Oberfläche der Erosionszone des anderen Magnetrons kreuzt.
(13) Das Filmbildungsverfahren, wie im Absatz (12) beschrieben, zur Bildung eines Films aus einem anorganischen Filmbildungsmaterial unter Verwendung einer Dualmagnetron-Zerstäubungsvorrichtung, wobei die Dualmagnetron-Zerstäubungsvorrichtung eingestellt worden ist, eine nichtausgeglichene Verteilung von Magnetflüssen zu erzeugen.
(14) Das Filmbildungsverfahren, wie im Absatz (12) oder (13) beschrieben, zur Bildung eines Films aus einem anorganischen Filmbildungsmaterial, wobei Gas, das in die Dualmagnetron-Zerstäubungsvorrichtung einzuleiten ist, mindestens zwei Gase aufweist, die aus Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon und Radon gewählt sind.
(15) Das Filmbildungsverfahren, wie in einem der Absätze 12 bis 14 beschrieben, zur Bildung eines Films aus einem anorganischen Filmbildungsmaterial, wobei eine organische Polymerbahn als Substrat verwendet wird und die Filmbildung bei einer niedrigen Temperatur durchgeführt wird.
(16) Das Filmbildungsverfahren, wie im Absatz (15) beschrieben, zur Bildung eines Films aus einem anorganischen Filmbildungsmaterial, wobei die organische Polymerbahn eine Polyethylenterephthalat-Polymerbahn ist.
(17) Das Filmbildungsverfahren, wie in einem der Absätze (12) bis (14) beschrieben, zur Bildung eines Films aus einem anorganischen Filmbildungsmaterial, wobei Glas als Substrat verwendet wird und ein Film auf dem Glas gebildet wird.
(18) Das Filmbildungsverfahren, wie in einem der Absätze (12) bis (17) beschrieben, zur Bildung eines Films aus einem anorganischen Filmbildungsmaterial, wobei das anorganische Filmbildungsmaterial ein beliebiges anorganisches Material ist, das aus Kohlenstoff, Metallen, Oxiden, Nitriden, Carbiden und Boriden gewählt ist.
(19) Filmbildungsverfahren, wie im Absatz (18) beschrieben, zur Bildung eines Films aus einem anorganischen Filmbildungsmaterial, wobei das Oxid Titandioxid mit einer hohen photokatalytischen Aktivität ist.

Wirkung der Erfindung
Erfindungsgemäß ist es möglich, eine Magnetfeldanordnung vom ausgeglichenen Typ in eine vom nichtausgeglichenen Typ oder umgekehrt umzuwandeln, indem einfach ein oder zwei oder mehr leicht zugängliche Elemente auf der Trägerplatte oder auf einem Target, das auf der Trägerplatte angeordnet ist, platziert werden oder (ein) bestehende(s) Element(e) durch ein oder zwei oder mehr solche Elemente ersetzt werden. Es ist somit möglich, auf die Demontage und die erneute Montage von Röhren und einer Magnetanordnung zu verzichten, die immer dann für eine herkömmliche Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung erforderlich sind, wenn der Typ der Magnetfeldanordnung geändert werden muß, und die Zeit zu sehr reduzieren, die für die Umwandlung des Typs der Magnetfeldanordnung nötig ist. Daher ist es erfindungsgemäß möglich, die Zeit zur Umstellung zwischen dem ausgeglichenen und dem nichtausgeglichenen Typ der Magnetfeldanordnung auf immerhin wenige Minuten zu reduzieren, was die Effizienz stark verbessert, mit der die Forschung und Produktion Fortschritte macht.
Insbesondere um eine optimale Magnetfeldanordnung bereitzustellen, ist es nötig, einen Vorgang mit einer Serie von Abläufen zu wiederholen, z. B. Bestimmung/Einstellung der Intensitäten der einzelnen Magneten, Einstellung der Position und Größe eines ferromagnetischen Körpers und seine Befestigung. Es ist also keine reine Übertreibung zu sagen, daß es im wesentlichen unmöglich sei, eine optimale Magnetfeldanordnung innerhalb einer Zeitdauer bereitzustellen, die praktisch ohne die erfindungsgemäße Taktik akzeptabel ist. In dieser Hinsicht ist die Vereinfachung der Arbeit, die zur Bereitstellung einer optimalen Magnetfeldanordnung notwendig ist und die erfindungsgemäß ermöglicht wird, besonders deutlich.
Herkömmlicherweise wird die Umstellung von der Magnetfeldanordnung vom ausgeglichenen Typ zum nichtausgeglichenen Typ dadurch erreicht, daß ein ferromagnetischer Körper in einen Spalt zwischen einer Trägerplatte und einem Magneten eingefügt wird, aber der Spalt häufig zu schmal ist, um einen erforderlichen ferromagnetischen Körper aufzunehmen, was ein Problem darstellt. Dagegen kann erfindungsgemäß ein solcher ferromagnetischer Körper auf einem Target oder einer Trägerplatte in einer breiten Vakuumkammer aufgenommen werden anstatt in einem schmalen Raum zwischen der Trägerplatte und einem Magneten und ist somit frei von dem Problem, das bei einer herkömmlichen Vorrichtung auftritt.
Bei einer alternativen Dualmagnetron-Zerstäubungsvorrichtung sind zwei Magnetrons einfach in bezug zueinander so angeordnet, daß ein Winkel, der zwischen zwei Linien entsteht, einer, die sich von der Materialhaltefläche eines Magnetrons erstreckt, und der anderen von der Materialhaltefläche des anderen Magnetrons, in einem spezifischen Bereich liegt; die Atmosphäre weist ein Gasgemisch auf und die Kathoden sind dafür konstruiert, eine nichtausgeglichene Verteilung von Magnetflüssen herzustellen; dies ermöglicht es, daß ein gut kristallisierter Film schnell bei einer niedrigen Temperatur über einem Kunststoffsubstrat hergestellt wird, ohne daß Kristalle Schaden erleiden im Vergleich zu einer herkömmlichen Dualmagnetron-Zerstäubungsvorrichtung, wo zwei Materialhalteflächen von zwei Magnetrons auf der gleichen horizontalen Ebene nebeneinander angeordnet sind. Bei der alternativen Dualmagnetron-Zerstäubungsvorrichtung wird ein aktiver Plasmafokus ausgedehnt, und Materialdampf, der von den Materialtargets freigegeben wird, wird weitgehend aktiviert.
Das besonders Bemerkenswerte ist, daß es möglich ist, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren einen Film mit polykristallinem Titandioxid mit einer ausgezeichneten photokatalytischen Aktivität auf einem nichterwärmten Substrat zu bilden, eine Meisterleistung, die niemals durch eine bekannte Zerstäubung, einschließlich Dualmagnetron-Zerstäubung, erreicht worden ist.
Ein weiteres bemerkenswertes Merkmal ist die Geschwindigkeit der Filmbildung. Der Titandioxidfilm weist, obwohl er eine Dicke von 40 nm hat, was ausreichend dünn ist, um eine schnelle Bildung des Films zu ermöglichen, der für die Massenproduktion geeignet ist, dennoch eine effektive photokatalytische Aktivität auf. Die Kristallstruktur des dünnen Films ist vom Anatasetyp, von dem man glaubt, daß er die höchste photokatalytische Aktivität hat. In bezug auf die gleichförmig orientierten Kristalle ist die C-Achse des Kristallgitters senkrecht zur Fläche des Substrats angeordnet, was anzeigt, daß der Film eine ausgezeichnete photokatalytische Aktivität hat, obwohl er unter einer nichterwärmten Bedingung gebildet worden ist.
Darüber hinaus kann durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Technik eingesetzt werden, die zum ersten Mal die praktische Herstellung eines Verbunderzeugnisses ermöglicht, das durch Beschichtung der Oberfläche einer wärmeinstabilen Bahn erreicht wird, beispielsweise aus einem Kunststoff, z. B. Polyethylenterephthalat (PET) mit einem Film mit einer photokatalytischen Aktivität, wodurch die Bahn die Eigenschaften erhält, die bei einem Photokatalysatormaterial charakteristisch sind, z. B. Frostunempfindlichkeit, Erdbodenbeständigkeit, ultrahohe hydrophile Aktivität usw.
Die Effektivität dieser Technik ist bisher nur in einer kleinen Pilotvorrichtung erprobt worden. Da die Zerstäubung eine problemlose Aufwärtsskalierung als ihr bemerkenswertes charakteristisches Merkmal ermöglicht, ist es gar keine Übertreibung zu sagen, daß das erfindungsgemäße Verfahren auf dem Markt ein neues gigantisches Gebiet eröffnet, bei dem es sich um Baumaterialien, einschließlich „Kunststoffmaterialien mit photokatalytischer Aktivität“, handelt.
Wie oben ausgeführt, besteht das bemerkenswerteste Merkmal darin, die schnelle Bildung eines Films, der aus Titandioxid besteht, mit einer photokatalytischen Aktivität auf einem nichterwärmten Substrat zu ermöglichen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch effektiv für die Bildung eines Titandioxidfilms auf einem erwärmten Substrat angewendet werden. In diesem Fall wird also auch ein Film, der eine ausgezeichnete Kristallisierung sowie eine hohe photokatalytische Aktivität aufweist, erreicht.
Dieses Merkmal ist um so bemerkenswerter, als eine herkömmliche Dualmagnetron-Zerstäubungsvorrichtung die schnelle Bildung eines Films mit einer Dicke von 20 nm nur erlaubt, nachdem ein Substrat auf etwa 300°C erwärmt worden ist, und der resultierende Film, der kaum Kristalle hat, weist nur eine schwache photokatalytische Aktivität auf. Im Hinblick darauf ist es anstelle von gegenwärtig vermarkteten Gütern, die als photokatalytische Glasprodukte bezeichnet werden und die durch Erwärmung eines Substrats auf mehrere Hundert Grad Celsius hergestellt worden sind, unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der so eingesetzten Vorrichtung möglich, ähnliche photokatalytische Glasprodukte bereitzustellen, die jedoch eine sehr hervorragende Leistung aufweisen.
Es ist oben hervorgehoben worden und wird durch die nachstehenden Beispiele untermauert, daß das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere zur Bildung eines dünnen Films aus Titanoxid effektiv ist. Es erübrigt sich jedoch zu sagen, daß das erfindungsgemäße Verfahren für die Bildung nicht nur eines Films aus Titanoxid oder ähnlichen Verbindungen effektiv ist, sondern auch eines Films aus irgendwelchen Verbindungen, die sich stark unterscheiden, solange die Verbindung die Bildung eines Films durch Zerstäubung zuläßt, insbesondere wenn es erforderlich ist, einen Film bei einer niedrigen Temperatur zu bilden, der ein ausgezeichnetes Kristallisations- und Membranverhalten aufweist. Insbesondere ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Bildung eines Films aus Alpha-Aluminiumoxid oder einer anderen ähnlichen Verbindung mit hoher Geschwindigkeit und bei niedriger Temperatur, der normalerweise als wesentliche Bedingung eine Erwärmung auf immerhin 1000°C oder mehr für die Filmbildung erfordert.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung einer Kathode einer herkömmlichen Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung, die dafür eingerichtet worden ist, eine ausgeglichene Verteilung von Magnetflüssen zu erzeugen.
2 ist eine schematische Darstellung einer Kathode einer herkömmlichen Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung, bei der die Intensitäten und Positionen der einzelnen Magneten geändert werden, um eine nichtausgeglichene Verteilung von Magnetflüssen gemäß einem herkömmlichen Verfahren zu erzeugen.
3 ist eine schematische Darstellung einer Kathode einer herkömmlichen Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung, in der die Umwandlung einer ausgeglichenen in eine nichtausgeglichene Magnetfeldanordnung durch Einfügen eines ferromagnetischen Körpers in einen Spalt zwischen einem Magneten und einer Trägerplatte gemäß einem herkömmlichen Verfahren erreicht wird.
4 ist eine schematische Darstellung einer Kathode einer Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung, bei der die erfindungsgemäße Umwandlung einer ausgeglichenen in eine nichtausgeglichene Magnetfeldanordnung durch Platzieren eines ferromagnetischen Körpers auf einer Oberfläche einer Trägerplatte erreicht wird, auf der ein Materialtarget angebracht ist.
5 ist eine schematische Darstellung einer Kathode einer Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung, bei der eine Anordnung zur erfindungsgemäßen Erzeugung eines ausgeglichenen Magnetfelds durch Platzieren eines ferromagnetischen Körpers auf einer Oberfläche einer Trägerplatte erreicht wird, auf der ein Materialtarget angebracht ist, wie in der Zerstäubungsvorrichtung, die vom Fraunhofer Institut, Deutschland, hergestellt ist.
6 ist eine schematische Darstellung einer Kathode einer Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung, die in 5 gezeigt ist und bei der die erfindungsgemäße Umwandlung einer ausgeglichenen in eine nichtausgeglichene Magnetfeldanordnung lediglich durch Ersetzen einer Mittelpolabdeckung durch eine andere Mittelpolabdeckung aus Eisen (ferromagnetisch bei Raumtemperatur) erreicht wird.
7 zeigt ein Röntgenstrahlungsbeugungsmuster eines Titanoxidfilms, der mittels einer Zerstäubungskathode gebildet ist, die dafür eingerichtet ist, ein ausgeglichenes Magnetfeld zu erzeugen, wie in 5 gezeigt.
8 zeigt ein Röntgenstrahlungsbeugungsmuster eines Titanoxidfilms, der mittels einer Zerstäubungskathode gebildet ist, die dafür eingerichtet ist, ein nichtausgeglichenes Magnetfeld zu erzeugen, wie in 6 gezeigt.
9 ist eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Dualmagnetron-Zerstäubungsvorrichtung.
10 ist eine schematische Darstellung einer Dualmagnetron-Zerstäubungsvorrichtung, bei der zwei Magnetrons in bezug zueinander angeordnet sind.
11 ist eine Fotografie eines Logos, das auf einem Titandioxidfilm durch die photokatalytische Aktivität des Films, der auf einer unerwärmt gehaltenen Polyethylenterephthalatharzbahn gebildet worden ist, sichtbar gemacht ist.
12 ist eine Darstellung, die die Positionen von Zylinderprojektionen von Erosionszonen relativ zum Substrat in einer Dualmagnetron-Zerstäubungsvorrichtung zeigt.
13 zeigt ein Röntgenstrahlungsbeugungsmuster eines Titanoxidfilms, der auf einem nichterwärmten Substrat gebildet ist, das aus einer Polyethylenterephthalatharzbahn besteht.

Bezugszeichenliste

(1): Mittelpolabdeckung
(2): Mittelpol
(3): Isolationskörper
(4): Materialtarget
(5): Trägerplatte
(6): Magnet
(7): Magnetanordnung vom ausgeglichenen Typ
(8): ferromagnetischer Artikel
(9): Kühlwasserröhre
(10): Stromkabel
(11): Magnetanordnung vom nichtausgeglichenen Typ
(12): ferromagnetische Mittelpolabdeckung
(13): Dualmagnetrons
(14): Dualmaterialtargets
(15): ausgeglichene Verteilung von Magnetflüssen für Dualmagnetrons
(16): Abschirmung für Dualmagnetrons
(17): Substrat
(18): vorherrschender Materialdampfstrom
(19): hochaktiver Fokus
(20): nichtausgeglichene Verteilung von Magnetflüssen für Dualmagnetrons
(21): Erosionszone
(22): Zylinderprojektion aus einer Erosionszone in einer Richtung senkrecht zu letzterer
(23): Überschneidungsbereich, der zwischen einem Paar Zylinderprojektionen gebildet wird, die eng aneinander angeordnet sind.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Figuren näher erläutert:
Gemäß 4 besteht die Kathode aus einer Trägerplatte (5), Magneten (6) und einer Magnetanordnung (7), die so eingerichtet sind, wie bei einer herkömmlichen Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung, bei der die Kathode dafür eingerichtet ist, ein ausgeglichenes Magnetfeld zu erzeugen. Ein Element (8), das aus ferromagnetischem Material besteht, ist auf der Oberfläche einer Trägerplatte (5) neben einem Materialtarget angeordnet. In 4 ist das ferromagnetische Element auf der Trägerplatte (5) angeordnet. Das ferromagnetische Element kann jedoch auch auf dem Materialtarget selbst angeordnet sein.
Unter den herkömmlichen Magnetron-Zerstäubungsvorrichtungen gibt es einige, die in der Konstruktion ihrer Kathodenkonfiguration die gleiche Konstruktion aufweisen wie die, die in der Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung zu erkennen sind, die vom Fraunhofer Institut in Deutschland hergestellt ist (5). Die Kathode ist nämlich so konstruiert, daß sie zusätzliche Elemente, z. B. eine Mittelpolabdeckung (1), einen Mittelpol (2) und einen Isolationskörper (3) aufweist, der auf der Trägerplatte (5) neben einem Materialtarget angeordnet ist. Diese Magnetzerstäubungsvorrichtungen sind als leistungsstarke Maschinen auf dem Markt anerkannt. Diese zusätzlichen Elemente (1), (2) und (3) sind jedoch ursprünglich vorgesehen, um fehlerhafte Entladungen zu verhindern, die anderweitig während der Filmbildung auftreten würden, und sind gemäß der Erfindung, die der anfänglichen Konstruktion zugrundeliegt, niemals dafür vorgesehen gewesen, als Mittel zur Änderung der Konfiguration des Magnetfeldes benutzt zu werden.
Gemäß der anfänglichen Konstruktion bestehen nämlich die Mittelpolabdeckung (1), der Mittelpol (2) und der Isolationskörper (3) alle aus Materialien, die keinen Ferromagnetismus bei Raumtemperatur aufweisen. Erfindungsgemäß bestehen irgendeines oder zwei Elemente, die aus diesen drei Elementen gewählt sind, oder alle drei Elemente aus Materialien mit einem Ferromagnetismus bei Raumtemperatur, und ihre Dicke und Form können auch nach Bedarf modifiziert werden. Es ist auch möglich, einen ferromagnetischen Körper zusätzlich zu diesen Elementen zu platzieren, um dadurch die Konfiguration des Magnetfeldes zu ändern, um eine ausgeglichene Verteilung von Magnetflüssen in eine nichtausgeglichene umzuwandeln.
Wenn es erforderlich ist, den nichtausgeglichenen Typ der Magnetfeldanordnung, der nunmehr erreicht ist, wieder in den ausgeglichenen umzuwandeln, ist es lediglich notwendig, den ferromagnetischen Körper durch einen anderen Körper aus einem Material zu ersetzen, das keinen Ferromagnetismus bei Raumtemperatur aufweist.
Beispiel 1
Eine Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung gemäß diesem Beispiel, bei der die Kathode dafür eingerichtet ist, ein ausgeglichenes Magnetfeld zu erzeugen, verwendet als ihre Kathode eine Kathode vom Typ RMS-200, die vom Fraunhofer Institut, Deutschland, konstruiert/hergestellt ist.
Die Umrisse der Vorrichtung sind derartig, wie in 5 dargestellt. In der Kathode, die dafür eingerichtet ist, ein ausgeglichenes Magnetfeld zu erzeugen, sind die zusätzlichen Elemente eine Mittelpolabdeckung (1) und ein Mittelpol (2), die beide aus nichtrostendem Stahl bestehen, der keinen Ferromagnetismus bei Raumtemperatur aufweist, und ein ferromagnetischer Körper (3), der aus einer Glimmerplatte besteht. Um die Kathode zu modifizieren, um ein nichtausgeglichenes Magnetfeld (6) anstelle eines ausgeglichenen Magnetfeldes in dieser bestimmten Ausführungsform zu erzeugen, wurde die Mittelpolabdeckung (1) durch eine andere Mittelpolabdeckung aus einem Material ersetzt, das Ferromagnetismus bei Raumtemperatur aufweist, insbesondere eine aus Eisen bestehende Mittelpolabdeckung (12). Die Mittelpolabdeckung (1) und die ferromagnetische Mittelpolabdeckung (12) hatten die gleiche Größe (etwa 10 x 3 x 0,5 cm) und hatten die gleiche Form und Dicke.
Es ist jedoch auch möglich, die Intensität eines nichtausgeglichenen Magnetfeldes durch Änderung der Form und Dicke eines beliebigen zusätzlichen Elements zu ändern, wodurch die Eigenschaft eines resultierenden Films modifiziert wird.
In diesem bestimmten Beispiel wurden der Mittelpol (2) und der Isolationskörper (3), die in der Kathode verwendet werden, die dafür eingerichtet ist, ein ausgeglichenes Magnetfeld zu erzeugen, so verwendet, wie sie waren. Sie können jedoch bei Bedarf durch alternative Elemente aus ferromagnetischen Materialien ersetzt werden, und es ist dadurch möglich, den Bereich zu erweitern, innerhalb dessen die Eigenschaft eines Films geändert werden kann.
7 und 8 sind Röntgenstrahlenbeugungsmuster von Titanoxidfilmen, die mit Zerstäubungskathoden vom Typ RMS-200 gebildet sind, um ein ausgeglichenes bzw. ein nichtausgeglichenes Magnetfeld zu erzeugen.
Die beiden Zerstäubungskathoden waren identisch, außer daß die Kathode vom ausgeglichenen Typ eine Mittelpolabdeckung aus nichtrostendem Stahl aufwies, während die Kathode vom nichtausgeglichenen Typ eine Mittelpolabdeckung aus Eisen aufwies. Die Bedingung für die Filmbildung war folgende: Atmosphäre, 0,5 Pa Argon; Sauerstoffmenge 7 cm³/min; Antriebsleistung 3 kW, 50 kHz Rechteckimpulse; und Erwärmung des Substrats 300°C.
In einer Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung, in der die Kathode dafür eingerichtet ist, ein ausgeglichenes Magnetfeld zu erzeugen, hat die Beugungsspitze aufgrund des Titanoxids eine sehr schwache Intensität, obwohl sie erkennbar ist. Dagegen ist in einer Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung, wo die Kathode dafür eingerichtet ist, ein nichtausgeglichenes Magnetfeld zu erzeugen, die Beugungsspitze aufgrund des Titanoxids stark und deutlich, was das charakteristische Merkmal einer Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung vom nichtausgeglichenen Typ deutlich anzeigt, die die Bildung eines gut kristallisierten Films bei einer niedrigen Temperatur ermöglicht. Dies dient als erdrückender Beweis zur Demonstration der Effektivität der Erfindung und bestätigt die gut kontrollierte Umstellung der Magnetfeldanordnung vom ausgeglichenen zum nichtausgeglichenen Typ und umgekehrt in einer Magnetron-Vorrichtung, die erfindungsgemäß betrieben wird.
Die Umstellung einer Magnetfeldanordnung vom ausgeglichenen zum nichtausgeglichenen Typ und umgekehrt wird erfindungsgemäß erreicht durch Entfernen von mehreren leicht zugänglichen Schrauben (nicht dargestellt), die auf der Oberfläche einer Trägerplatte angebracht sind und durch anschließendes Ersetzen einer bestehenden Mittelabdeckung (1) durch eine andere geeignete Mittelabdeckung, und ist in wenigen Minuten beendet im Gegensatz zur herkömmlichen Vorrichtung, in der eine Änderung der Magnetfeldanordnung eine(n) Entfernung/Neuanschluß von Wasserröhren (9), Stromkabeln (10), Magneten (6) und einer Magnetanordnung (7) erfordert, was viel länger dauert.
Unter Verwendung einer Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung, in der die Kathode erfindungsgemäß eingerichtet ist, ist es möglich, einen gut kristallisierten Film nicht nur aus Titanoxid, sondern auch aus Metallen, wie nachstehend beschrieben, und deren Oxiden und Nitriden herzustellen. Die Metalle sind u. a. Titan, Aluminium, Zirkonium, Zink, Zinn, Indium, Silicium, Tantal, Bismut, Kupfer, Bor, Kohlenstoff, Vanadium, Mangan, Wolfram, Molybdän, Barium, Strontium, Yttrium und Niobium und deren Oxide und Nitride. Es hat sich bestätigt, daß die erfindungsgemäß betriebene Vorrichtung effektiv bei der befriedigenden Bildung eines Films aus irgendeinem Material ist, das aus der oben genannten Liste gewählt ist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch auch auf jedes beliebige andere Molekül als die oben zitierten angewendet werden, und eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf ein gegebenes Molekül kann aus keinem berechtigten Grund zurückgewiesen werden.
Als nächstes werden alternative Ausführungsformen mit Bezug auf beigefügte Zeichnungen und Beispiele beschrieben. Es versteht sich jedoch, daß diese Ausführungsformen nur zum besseren Verständnis der Erfindung dienen und daß der Schutzbereich der Erfindung in keiner Weise durch diese Beispiele eingeschränkt wird.
Beispiel 2
Die Dualmagnetron-Zerstäubungsvorrichtung, die in diesem Beispiel grundsätzlich verwendet wird, besteht aus einer Dualmagnetron-Zerstäubungsvorrichtung vom Typ MLC-200, die zwei Magnetroneinheiten vom Typ RMS-200 aufweist, die vom Fraunhofer Institut, Deutschland, konstruiert/hergestellt sind.
Wie in 10 gezeigt, sind die beiden Magnetroneinheiten (13) gegeneinander geneigt, so daß ein Winkel, der zwischen den beiden Linien entsteht, einer, die sich von der Oberfläche des Materialtargets eines Magnetrons erstreckt, und der anderen von der Oberfläche des anderen Magnetrons, 90° ist, was ermöglicht, daß sich zwei Hauptströme des Materials (18) von den jeweiligen Magnetrons (13) an einer Stelle an oder nahe der Oberfläche eines Substrats (17) vermischen können. Der Abstand zwischen der Mitte des Substrats und der Mitte jedes Materialtargets ist 20 cm.
Um bei den beiden Magnetroneinheiten (13) eine ausgeglichene Verteilung von Magnetflüssen in eine nichtausgeglichene (19) zu verwandeln, wurde bei jeder Magnetroneinheit eine nichtmagnetische Mittelpolabdeckung (nicht dargestellt), die dem Magnetron vom Typ RM-200 (13) eigen ist, durch eine aus Eisen bestehende Mittelpolabdeckung ersetzt, die Ferromagnetismus bei Raumtemperatur aufweist und die gleiche Größe hat wie die der echten Mittelpolabdeckung: Zwei ferromagnetische Mittelpolabdeckungen wurden an den Stellen, wo die beiden echten Mittelpolabdeckungen im Magnetron vom Typ RM-200 (13) angeordnet waren, anstelle des letzteren angeordnet.
Die Optimierung des Konvergenzgrades von Magnetflüssen (19) kann, wie dem Fachmann bekannt ist, ohne weiteres und genau erreicht werden durch Änderung der Größe und Form der Mittelpole oder anderer Elemente, die an sie angrenzen, oder der Materialien, die sie bilden, wie oben mit Bezug auf die Erfindung beschrieben worden ist.
Da die Einzelheiten der Abläufe, die zur Einstellung durchgeführt werden, oben in bezug auf die Erfindung beschrieben worden sind, kann hier darauf verzichtet werden.
Das Bemerkenswerte hierbei ist, daß das Zerstäubungsgas, das für die Dualmagnetron-Zerstäubungsvorrichtung verwendet wird, aus einem Gasgemisch besteht. Insbesondere wurde das Gasgemisch dadurch hergestellt, daß drei Gasströme vermischt wurden, die aus Argon, Krypton und Helium bestanden, um ein Gasgemisch zu ergeben, das die drei Gase in einem Mengenverhältnis 2:1:1 aufweist. Das Gasgemisch wurde in der Gesamtmenge mit 80 cm3/min in die Vorrichtung eingeleitet, um einen Druck von etwa 0,5 Pa in der Kammer der Vorrichtung zu ergeben.
In jedem der Magnetrons (13) war Titanmetall als Materialtarget (14) angeordnet. Eine Ausgangsimpulsleistung von 3 kW wurde mit 50 kHz an jede Magnetronelektrode (13) abgegeben, um ein Zerstäubungsplasma (nicht dargestellt) nahe dem Materialtarget, das aus Titanmetall bestand, zu evozieren, um Metallatome zu zerstäuben.
Die Einleitung des Gasgemischs wurde entsprechend eingestellt, um die Gesamtflußmenge von etwa 7 cm3/min nahe der Oberfläche des Materialtargets in jedem der Magnetrons (13) zu erzeugen. Das Substrat (17) besteht aus einer Bahn aus einem Polyethylenterephthalatharz mit einer Dicke von 188 µm. Die nichtbeschichtete Oberfläche der Bahn, die nur reines Polyethylenterephthalat aufweist, wurde als Beschichtungsoberfläche verwendet. Das Substrat blieb unerwärmt, und somit blieb ein Heizer (nicht dargestellt), der angeordnet war, um das Substrat zu erwärmen, außer Betrieb.
Unter der oben erwähnten Bedingung wurde die Filmbildung für 20 min durchgeführt. Dann wurde ein Titanoxidfilm mit einer Dicke von etwa 800 nm hergestellt. Die Filmbildungsgeschwindigkeit in diesem Fall betrug immerhin 40 nm/min.
Ein Röntgenstrahlungsbeugungsmuster, das aus dem Film gewonnen wurde, ist in 13 dargestellt. Das Muster zeigt eine starke Beugungskurve, was anzeigt, das Kristalle eine deutliche Ti0₂-Anatasestruktur haben. Außerdem hebt das Muster bestimmte Beugungskurven mit bestimmten Indizes hervor, was anzeigt, daß der TiO₂-Anatasefilm eine ausgezeichnete Kristallisation aufweist und die C-Achse des Kristallgitters senkrecht zur Oberfläche des Substrats angeordnet ist.
Es ist niemals möglich gewesen, einen Film, der eine solche deutliche Kristallisation wie diese aufweist, unter Verwendung einer Dualmagnetron-Zerstäubungsvorrichtung gemäß einem herkömmlichen Verfahren herzustellen, auch wenn der Film auf einem Glassubstrat gebildet wird, das auf 300°C erwärmt ist. Es ist auch niemals möglich gewesen, einen Titanoxidfilm mit einer nachweisbaren photokatalytischen Aktivität unter Verwendung einer Dualmagnetron-Zerstäubungsvorrichtung gemäß einem herkömmlichen Verfahren herzustellen, auch wenn der Film auf einem Glassubstrat gebildet wird, das auf 300°C erwärmt wird. Es ist möglich gewesen, einen Titanoxidfilm mit einer kaum nachweisbaren photokatalytischen Aktivität herzustellen, aber nur nachdem eine zusätzliche Erwärmungsbehandlung, die aus Erwärmung auf etwa 500°C bestand, eingeführt worden ist.
Dagegen weist ein auf einem Polyethylenterephthalatsubstrat unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gebildeter Film mit TiO₂-Kristallen mit einer Anataseorientierung eine starke photokatalytische Aktivität unmittelbar nach der Filmbildung ohne Erwärmung auf, und eine zusätzliche Wärmebehandlung ist nicht mehr erforderlich. 13 zeigt die Ergebnisse der photokatalytischen Aktivitätsmessung, die an einem auf einem Polyethylenterephthalatsubstrat unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gebildeten Film mit TiO₂-Kristallen mit einer Anataseorientierung erfolgt ist. Die Messung wurde unmittelbar nach der Filmbildung ohne Erwärmung und ohne jegliche Einschaltung einer zusätzlichen Erwärmungsbehandlung durchgeführt.
Eine Fotomaske mit einem Muster, das ein bestimmtes aufgedrucktes Logo (NIMS) darstellt, wurde auf die Oberfläche eines Films mit TiO₂-Kristallen mit einer Anataseorientierung aufgebracht, und die Anordnung wurde in eine wäßrige Silbernitratlösung von 0,1 mol/l eingetaucht und 5 min einem UVhaltigen Licht, das durch eine optische Faser geführt wurde, von einer Lichtquelle, die aus einer Xenonlampe von 200 W bestand, ausgesetzt.
Auf den dem UV-Licht ausgesetzten Bereichen waren schwärzliche silberfarbene Filme als Ergebnis der photokatalytischen Aktivität des Films entstanden, während die restlichen Bereiche, die gegen UV-Licht abgeschirmt waren, den intakten Film mit TiO₂-Kristallen mit einer Anataseorientierung aufwiesen, wodurch ein deutlich sichtbares Negativbild des Logos entstand.
Ein vergleichbarer Titanoxidfilm wurde unter Verwendung einer Dualmagnetron-Zerstäubungsvorrichtung gemäß einem herkömmlichen Verfahren hergestellt: Der Film wurde auf einem nichterwärmten Substrat (5) gebildet und erhielt keine zusätzliche Wärmebehandlung. Der Film wurde der gleichen Messung unterzogen, wie oben beschrieben, zeigte aber keine photokatalytische Aktivität.
Wie oben beschrieben, ist es bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, einen photokatalytischen Film mit TiO₂-Kristallen mit einer Anataseorientierung auf einem nichterwärmten Substrat zu bilden. Ein Film, der, wie oben beschrieben erfindungsgemäß hergestellt wird, weist eine höhere photokatalytische Aktivität auf als ein vergleichbarer Film, der nach einem herkömmlichen Verfahren mit Erwärmung auf 300°C hergestellt wird. Es ist nämlich erfindungsgemäß möglich, einen hochleistungsfähigen Film herzustellen, der eine höhere photokatalytische Aktivität aufweist als ein vergleichbarer Film, der nach einem herkömmlichen Verfahren hergestellt ist, obwohl die Filmbildung erfindungsgemäß bei einer niedrigen Temperatur (unter Nichterwärmungsbedingung) erfolgt, von der man glaubt, daß sie nachteilig für die Herstellung eines Films ist, der gut ausgebildete Kristallisation und hohe Leistungsfähigkeit aufweist.
Industrielle Anwendbarkeit
Es wird erwartet, daß die Filmbildungstechnik ihre Bedeutung als eine der Grundtechniken in der Zukunft erhöht.
Erfindungsgemäß ist es möglich, bei einer gegebenen Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung ohne weiteres die Magnetfeldanordnung vom ausgeglichenen zum nichtausgeglichenen Typ oder umgekehrt umzustellen, und der Umstellvorgang kann schnell und genau durchgeführt werden. Bei einer herkömmlichen Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung ist der Umstellvorgang so kompliziert, daß selbst derjenige, der tiefgreifende technische Kenntnisse und Fertigkeiten hat, eine beträchtliche Zeit und Mühe für diesen Vorgang aufwenden muß. Dagegen ist es erfindungsgemäß möglich, auch für eine Person mit normaler Fachkenntnis auf dem Gebiet, den Modus der Magnetfeldanordnung ohne weiteres in einem kurzen Zeitraum zu ändern. Die derartig verbesserte Bedienbarkeit einer erfindungsgemäß eingesetzten Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung, die zur Bildung eines Films beiträgt, ist angesichts der Erwartung wichtig, daß die Filmbildungstechnik in der Zukunft ihre Bedeutung erhöht und einen großen Beitrag zum industriellen Fortschritt leistet.
Die beschriebene Dualmagnetron-Zerstäubungsvorrichtung weist relevante Elemente auf, die ermöglichen, daß eine Filmbildung mit hoher Geschwindigkeit bei einer niedrigen Temperatur durchgeführt werden kann. Eine solche Dualmagnetron-Zerstäubungsvorrichtung wird wegen ihrer großen Vorteile in hohem Maße akzeptiert und trägt sehr zum industriellen Fortschritt bei.
Insbesondere ist es, wie oben in bezug auf die Beispiele ausgeführt, erfindungsgemäß möglich, einen Film mit Titandioxidpolykristallen, der eine ausgezeichnete Orientierung und hohe photokatalytische Aktivität aufweist, auf einem nichterwärmten Substrat zu bilden, ein Erfolg, der niemals bisher von herkömmlichen Verfahren erreicht worden ist. Die Technik selbst ist so wertvoll wie bemerkenswert und wird in der Zukunft rasante Anwendung finden.
Was noch bemerkenswerter ist, ist die Geschwindigkeit der Filmbildung. Erfindungsgemäß weist nämlich ein Titandioxidfilm, der mit einer Geschwindigkeit von 40 nm/min gebildet wird, was ausreichend hoch ist, um eine Massenproduktion zu ermöglichen, dennoch eine effektive photokatalytische Aktivität auf, die äußerst wichtig ist. Die Kristalle des unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gebildeten Titandioxidfilms haben eine Kristallstruktur vom Anatasetyp, die bekanntlich die höchste photokatalytische Aktivität aller Kristallstrukturen hat, die bei Titandioxidmaterialien möglich sind, und ferner sind die Kristalle gleichmäßig orientiert, um zu ermöglichen, daß die C-Achse des Kristallgitters senkrecht zur Oberfläche des Substrats angeordnet ist. Diese Beobachtung erklärt, warum der Film eine ausgezeichnete photokatalytische Aktivität aufweist, obwohl er unter Nichterwärmungsbedingungen gebildet ist.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, das die praktische Produktion eines Verbunderzeugnisses ermöglicht, das gewonnen wird, indem die Oberfläche einer wärmeinstabilen Bahn beispielsweise aus Kunststoff, z. B. Polyethylenterephthalat (PET), mit einem Film mit photokatalytischer Aktivität überzogen wird, wodurch dem Film die Eigenschaften verliehen werden, die bei einem photokatalytischen Material charakteristisch sind, z. B. Frostunempfindlichkeit, Erdbodenbeständigkeit, ultrahohe hydrophile Aktivität usw. Die Technik wird umfassend akzeptiert, und die Produkte, die auf der Grundlage der Technik hergestellt werden, werden einen großen Marktanteil haben.

Claims

Verfahren zum Umstellen der Magnetflussverteilung einer Magnetron-Zerstäubungsvorrichtung, wobei das Verfahren aufweist: Anordnen eines Magneten (6) auf einer Rückseite einer Trägerplatte (5) bezüglich einer entsprechenden Targethalteseite in einer Magnetron-Zerstäubungskathode, Platzieren eines Artikels (8), der Ferromagnetismus bei Raumtemperatur aufweist, auf der Targethalteseite der Trägerplatte (5), wobei die Magnetflussverteilung von einer ausgeglichenen in eine nicht-ausgeglichene Verteilung umgestellt wird, und Entfernen des Artikels (8), wobei die Magnetflussverteilung wieder zurück in eine ausgeglichene Verteilung umgestellt wird, wobei nach Entfernen des Artikels (8), der Ferromagnetismus bei Raumtemperatur aufweist, ein Artikel platziert wird, der keinen Ferromagnetismus bei Raumtemperatur aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der auf der Targethalteseite der Trägerplatte (5) der Magnetron-Zerstäubungskathode platzierte Artikel (8) aus einem Mittelpol (2) und/oder einer Mittelpolabdeckung (1; 12) und/oder einem Isolationskörper (3) besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Magnetron-Zerstäubungskathode eine quadratische Zerstäubungskathode ist.