DE1142262B - Vorrichtung zur Erzeugung von duennen Metallschichten durch Ionenneutralisation - Google Patents

Description

• Vorrichtung zur Erzeugung von dünnen Metallschichten durch lonenneutralisation Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung von dünnen Metallschichten durch lonenneutralisation.
• Dünne Metallschichten, die auf verschiedenen technischen Gebieten Verwendung finden, werden z. B. durch Kondensation neutraler Partikeln auf dem zu metallisierenden Körper oder Bestandteil erzeugt. Dabei werden zu diesem Zwecke zwei Verfahren angewendet. Gemäß dem einen Verfahren werden die Schichten im Vakuum bei einem Druck von 10-4 mm Hg aufgedampft. Gemäß dem zweiten Verfahren bilden sich die Schichten durch Kondensation von aus einer Kathode zerstäubten Partikeln in einer Niederdruckentladung infolge Ionenbombardierung. Beide Verfahren verursachen jedoch in den sich bildenden Schichten Störungen und Höhlungen. Die Dichte dieser Schichten ist daher niedriger als die Dichte des aufgetragenen Metalls. Die Störungen in den Schichten werden dadurch verursacht, daß die kondensierenden Partikeln nicht ganz dicht nebeneinander liegen, ehestens wohl infolge Gasabsorption im Grundstoff. Es ist dabei von Interesse, daß die Güte der durch Kathodenzerstäubung aufgetragene Schicht mit der Güte einer im Vakuum aufgedampften Schicht vergleichbar ist, obwohl im ersteren Fall der Prozeß bei einem Druck von 10-2 stattfindet. d. h. bei einem Druck, der um zwei Größenanordnungen höher ist als der beim Aufdampfungsprozeß notwendige Druck. Diese Erscheinung wird dadurch erklärt, daß sich an der Oberfläche der in Plasma getauchten aufgetragenen Schicht Ionen und Elektronen wieder vereinigen, wobei lonisationsenergie freigegeben wird. Diese Energie verursacht dann örtliche Erwärmung der Schichtoberfläche, wobei Desorption der Gaspartikeln und Atomverschiebung an der Oberfläche erfolgt, und die Atome nehmen eine gegenseitig engere Lage ein.
• Es ist deshalb ersichtlich, daß die Schicht um so dichter ist, je besser ihre Oberfläche während der Auftragung der Partikeln entgast wird und je enger die aufgetragenen Partikeln in der Schicht nebeneinander zu liegen kommen.
• Diese Bedingungen werden durch die Erfindung erfüllt. Ihr Wesen besteht in einer Vorrichtung; sie ist dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkathode an dem von der Anode abgewendeten Ende mit einer Auslaßöffnung für das Plasma versehen ist, wobei der zu metallisierende Körper an der von der Anode abgewendeten Seite der Kathode angebracht und zwischen diesem Körper und der Kathode ein Gitter angeordnet ist. In dieser Vorrichtung wird die aufgetragene Schicht durch Neutralisation von Metallionen gebildet, die auf die Oberfläche der sich bildenden Schicht mit einer vorbestimmten Energie aufprallen. Diese Energie wird durch ein elektrisches Feld gesteuert. Die beim Aufprallen der Ionen freigegebene Gesamtenergie E, gleicht der Summe der kinetischen Energie EI, und der Ionisationsenergie E" minus die Austrittsenergie (Austrittsarbeit) E" E-z = Ek -i- EI - E, Die Gesamtenergie muß jedoch kleiner als die Schwellenenergie der Zerstäubung sein, d. h., sie muß kleiner sein als die Minimalenergie der aufprallenden Ionen, um aus der Oberfläche des Metalls oder eines anderen Stoffes ein neutrales Atom auszustoßen. Für die praktische Ausnutzung der Ionenneutralisation für die* Bildung von dünnen Schichten ist dann eine intensive Quelle von Ionen der Schicht des betreffenden Materials notwendig.
• Die Erfindung soll nun mit Hilfe der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt ist, näher erklärt werden.
• In der Röhre 1 besteht zwischen der Anode 2 und der zylindrischen Hohlkathode 4 eine elektrische Niederdruckentladung im Druckbereich von 10-22min Hg. Bei diesem Druck wird die Kathodenoberfläche durch aufprallende Ionen intensiv zerstäubt. Die freigegebenen Partikeln dringen dann in das Plasma innerhalb des Kathodenhohlraumes ein, wo sie ionisiert werden. Die entstandenen Ionen können dann durch ein elektrisches Feld in den Raum, in dem sich der zu metallisierende Körper 7 befindet, eingeführt werden. Sie können aber auch auf die innere Kathodenoberfläche aufprallen, wo sie dann entweder neutralisiert werden und sich im Kristallgitter des Kathodenmaterials festsetzen, oder sie stoßen aus dem Kathodenmaterial ein weiteres Atom heraus, falls ihre kinetische Energie genügend groß ist. Die Grundatmosphäre kann aus Wasserstoff bestehen oder eine inerte sein. Da das lonisationspotential der Metalle wesentlich niedriger als das lonisierungspotential des Grundgases und die Konzentration der Metallpartikeln im Kathodenhohlraum genügend hoch ist, verläuft hier die elektrische Entladung praktisch im Metalldampf der Kathode. Durch die Auslaßöffnung5 an dem von der Anode 2 abgewendeten Kathodenende fließt das Plasma aus dem Kathodenhohlraum in den Raum hinein, in dem sich der zu metalhsierende Körper 7 befindet. Zwischen der Kathode 4 und dem Körper 7 ist ein Gitter 6 angeordnet, dessen Potential durch das Potentiometer P, derart eingestellt ist, daß es mitBezug auf das Potential des Plasmas an dieser Stelle in der Größenordnung von Volt negativ ist. Das Gitter wirkt als Sonde. Die Beschleunigungsspannung zwischen dem Gitter 6 und dem zu metallisierenden Körper 7 kann durch das Potentiometer 3 eingestellt werden. Das elektrische Feld zwischen dem Gitter und dem zu metallisierenden Körper liefert dann den aufprallenden Ionen die notwendige Energie. Um überflüssige Zusammenstöße zwischen Ionen und neutralen Partikeln im Raum zwischen dem Gitter und dem zu metallisierenden Körper zu verhindern, muß deren gegenseitige Entfernung kleiner sein als die mittlere freie Bahn der Partikeln beim gegebenen Druck, oder sie muß damit vergleichbar sein. Bei einem Druck von 10-2 mm Hg liegt diese Entfernung in der Größenordnung von Millimetern. Dies ist eine Möglichkeit der Schaltung des zu metallisierenden Körpers 7 in den elektrischen Kreis der Entladung. Metallisierung durch lonenneutralisation erfolgt aber auch ohne Anwendung emies Gitters, falls der zu metallisierende Bestandteil unmittelbar als Sonde in den elektrischen Kreis der Entladung geschaltet wird. Dann entspricht die Beschleunigungsspannung der aufprallenden Ionen der Potentialdifferenz zwischen dem zu metallisierenden Körper 7 (der Sonde) und dem Plasma an der Stelle, an der sich der Körper befindet. Die Oberfläche des zu metallisierenden Körpers 7 wird an den Stellen, die nicht metallisiert werden sollen, gemeinsam mit dem Halter des Körpers, der ebenfalls nicht metallisiert werden soll, durch einen Schirm 8 geschützt. Der Zweck dieses Schirins besteht darin, insbesondere bei einem höheren negativen Potential des Körpers 7 mit Bezug auf das Plasma zu verhindern, daß das Plasma über die Gesamtoberfläche vordringt. Um zu verhindern, daß die elektrische Entladung auch an der äußeren Oberfläche der Hohlkathode brennt, wird die Kathode an der der Anode 2 zugewendeten Seite durch einen Schirm 3 und an der dem Körper 7 zugewendete Seite durch ein Gehäuse 9 geschützt. Im Gehäuse 9 befindet sich eine öffnung 10 an der dem Körper 7 zugewendeten Seite. Diese öffnung ist ebenso groß wie die Auslaßöffnung 5 in der Hohlkathode. Dies verhindert die Fortpflanzung der Entladung auf die äußere Seite der Kathode im Raum des Körpers 7 und dadurch auch Verluste von Metallionen.
• Für eine stabile Entladung ist es vorteilhaft, die Länge L der Hohlkathode größer zu machen als ihren Durchmesser D. Während der Bildung der Schicht fließt Gas durch das Rohr 12 in die Vorrichtung hinein, und es fließt durch das Ausflußrohr 11 aus der Vorrichtung heraus. Die elektrische Energie für die Hauptentladung wird den Klemmen S, zugeführt. Die Entladung wird durch den Widerstand R, stabilisiert. Die Stromquelle des Gitters ist an die Klemmen S, angeschlossen. Die Stromquelle des zu metallisierenden Körpers ist an die Klemmen S" angeschlossen.

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Vorrichtung zur Erzeugung von dünnen Metallschichten durch Ionenneutralisation unter Verwendung einer Hohlkathode, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkathode (4) an dem von der Anode (2) abgewendeten Ende mit einer Auslaßöffnung (5) für das Plasma versehen ist, wobei der zu metallisierende Körper (7) an der von der Anode (2) abgewendeten Seite der Kathode (4) angebracht und zwischen diesem Körper (7) und dar Kathode (4) ein Gitter (5) angeordnet ist.
2. 2. Vorrichtung zur Erzeugung von dünnen Metallschichten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Kathoden-Schutzgehäuse (9) eine öffnung (10) angeordnet ist, die sich an die Kathodenöffnung (5) anschließt und ebenso groß wie diese ist.