DE1515299A1

DE1515299A1 - Verfahren zur Herstellung hochwertiger duenner Schichten durch Kathodenzerstaeubung und Vorrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens

Info

Publication number: DE1515299A1
Application number: DE19641515299
Authority: DE
Inventors: Eric Kay
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1963-06-26
Filing date: 1964-06-26
Publication date: 1969-07-31
Also published as: US3278407A

Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. H. E. BÖHMER

703 BDBLINGKN · 81 NDB LPI NGE R STRASS* 49 FCRNSPRECHKR (0 70 31) 66 17 50

Arimelderinj

Amtliches Aktenzeichens Aktenz. der Anmelderin:

International Business Machines Corporation New York

Neuanmeldung Docket 8162

Bö Düngen, 25. Juni 1964 si-fr

Verfahren zur Herstellung hochwertiger dünner Schichten durch Kathodenzerstäubung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Verfahren und auf eine Apparatur zum Niederschlagen dünner Schichten, wobei die niedergeschlagenen Partikel durch Stoßvorgänge von der Kathode hinwegerodiert werden, genauer gesagt, auf die Herstellung dünner Schichten in einer Apparatur zur Kathodenzerstäubung, bei welcher die Geometrie der Gasentladung sowie die Lokalisierung und die Aufladung der Kontrollelemente derart vorgeschrieben ist, daß Form und Qualität der erzeugten dünnen Schichten weitgehend kontrollierbar werden.

Das Interesse an Studien über dünne Schichten nahm in den vergangenen zehn Jahren stark zu. Dieses ist weitgehend darauf zurückzuführen, daß zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten für Vorrichtungen mit dünnen Schichten in den Blickbereich gelangten. Beträchtliche Anstrengungen wurden unternommen auf dem Gebiet der magnetischen und supraleitenden dünnen Schichten, weil hier besondere Möglichkeiten für die Realisierung von Speichervorrichtungen und Schaltelementen innerhalb von digitalen Rechengeräten vorliegen, bei denen bekanntlich hohe Arbeitsgeschwindigkeiten, große Speicherkapazitäten sowie ökonomische Herstellungs-

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möglichkeiten von hervorragender Bedeutung sind. Von -nicht weniger Bedeutung sind auch grundlegende Forschungsarbeiten über das Gebiet der dünnen Schichten, wobei infolge der speziellen Geometrie dieser Schichten eine bessere Einsicht in eine Reihe von Festkörperphänomenen ermöglicht wird.

Gleichzeitig mit all diesen Bemühungen um die Technik dünner Schichten erfolgte eine mächtige Entwicklung der Verfahrensweisen zur Herstellung dünner Schichten. Einige der zahlreichen Herstellungsmöglichkeiten seien im folgenden genannt: Aufdampfen im Hochvakuum ist eine weithin bekannte Methode zur Herstellung solcher Schichten, obwohl diese Aufdampftechnik an sich ernsthaften Beschränkungen unterworten ist; weiterhin Niederschlag solcher Schichten durch Elektrolyse; chemisch arbeitende Aufdampfverfahren; elektrolytische gesteuerte Niierschläge und nicht elektrophoretische Niederschlagsbildung; stromlose Plattierungsverfahren und schließlich Verdampfung durch Stoßprozesse.

Das Interesse an der genannten Verdampfung aufgrund von Stoßprozessen (das ist im wesentlichen Zerstäubung in einer Glimmentladung) wurde bei den Fachleuten wach infolge der Tatsache, daß die erreichbare Kristallstruktur, chemische Reinheit, die Partikelgröße und die Oberflächen-Struktur bei diesem Prozeß in leichter Weise gesteuert we. sn können. Dies trifft besonders zu für die Herstellung, aünner magnetischer Schichten. Bei derartigen Schichten hat die Aufstäubungsmethode auch weiterhin den Vorteil einer einzigartig präzisen Steuermöglichkeit für die magnetischen Eigenschaften der erzeugten Schicht. Solche magnetische Eigenschaften können in Glimmer.tladungsvorrichtungen durch geeignete Wahl der Entladungsparameter bzw. durch geeignete Anordnung des zu bedampfenden Substrates innerhalb der Glimmentladung reproduzierbar erhalten werden. '

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Aufdampfung dünner Schichten unter Ausnutzung von Stoßvorgängen in Glimmentladungsstrecken anzugeben, die

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große Homogenität aufweisen und insbesondere auch bei magnetischen Dünnschichten hohen Qualitätsansprüchen genügen. Es ist ein weiteres Anliegen der Erfindung das Verfahren der Zerstäubungsaufdampf ung zu verbessern durch Abflachung des Erosionsprofils der Kathode und auf diese Weise die für den Aufdampfungsvorgang nutzbare Fläche der Kathode für die Dünnschichtherstellung zu vergrößern.

Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben dadurch gelöst, daß das auf der Anode befestigte zu bedampfende Substrat jenseits des Crookes¹ sehen Dunkelraumes im feld&'eien Gebiet des negativen Glimmlichtes, sonst jedoch möglichst nahe der Kathode, angebracht wird, daß die Kathode allseitig von einem metallischen zylindrischen, mit seiner Achse in Entladungsrichtung weisenden Abschirmung versehen ist, daß der Abstand dieser Abschirmung von der Kathode an keiner Stelle die Ausdehnung des Crookes¹ sehen Dunkelraumes bei dem jeweils benutzten Druck übersteigt, daß die Ränder der Abschirmung in einer Ebene liegen die zur Kathodenebene parallel verläuft, jedoch etwas in Richtung auf die Anodenebene zu verschoben ist, daß die Abschirmung an ein Potential in der Größenordnung des Kathodenpotentials und die metallischen oder metallisierten Wände des Entladungsgefäßes an ein Potential angeschlossen ist, das 1 - 10 V oberhalb des Anodenpotentials liegte und daß der eigentliche AufstäubungsVorgang nach gründlicher Ausheizung der Gesamtapparatur mittels einer Hilfsglimmentladung unter einer kontinuierlichen DuEhspülung des Entladungsgefäßes mit einem inerten vorgereiriigten Gas durchgeführt wird.

Die genannten und andere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus aer folgenden mehr ins einzelne gehende Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie aus den Figuren hervor. In den Figuren bedeuten:

1 ■ . . . ein. schematlscher Seitenriß einer typi-

"...."..- sehen, Ka thcdfcn^erstauu

■entsprechend aer xCrfinaun^;;

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Flg. 2 eine schematische Darstellung der

Kathode, der Abschirmung und des Substrates;

Flg. 5. verschiedene charakteristische Erosions

profile entsprechend dem Stande der Technik und ihre entsprechend dem Lehren der Erfindung angebrachten Modifikationen;

Fig. 4 ' eine idealisierte Seitenansicht der

Kathode mit ihrer Abschirmung mit eingezeichneten Äquipotentiallinien;

Fig. 5 entspricht den in Fig. 4 gezeigten

Elementen, wobei besonders die durch den ' Erfindungsgedanken modifizierten

Änderungen durch die auf einem geeigneten Potential gehaltene Abschirmung dargestellt ist;

Fig. 6 ein Seitenriß einer erfindungsgemäßen

Vorrichtung zur Aufdampfung durch Kathodenzerstäubung, bei der durch eine spezielle Dimensionierung die Wandeffekte auf ein Minimum heruntergedrückt sind;

Fig. 7 . die Änderung der Entladungsparameter und

die örtliche Anordnung der Glimmentladungszonen entlang der Entl adungs strecke einer typischen für Zwecke der Kathodenzerstäubung benutzbaren Glimmentladung;

Fig. 8 eine schematische Darstellung .des Gas

spül- und Pumpsystems einer Vorrichtung, die geeignet ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In Fig. 1 1st die GesamtanOrdnung der Glimmentladungsvorrichtung dargestellt. Diese Vorrichtung ist in einem Gefäß 9 eingeschlossen, das druckresistent ist und die Evakuierung bis zu

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Drücken im Bereich von 10 bis 10 ' Torr aushält. Das Gefäß 9 .

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kann aus gegebenenfalls metallisierter Keramik oder auch aus einem Metall bestehen.

Das Gefäß 9 umfasst einen Glaskolben mit dem in Pig. 1 gezeigten bevorzugten Querschnitt, wobei die Wände mindestens einen Abstand von .etwa 5 cm von den Anodenrändern besitzen. Beim Aufsprühen dünner magnetischer Schichten wurde der kleinste diese Bedingung erfüllende Kolbendurchmesser verwendet, da ein homogenes magnetisches Feld in der Ebene der zu erzeugenden dünnen Schicht, durch sehr grosse (ca. 70 cm Innendurchmesser) Helmholtze Spulen 91V 91' ausserhalb des Kolbens erzeugt werden mußte. Diese Spulen waren so angeordnet, daß sie ein innerhalb von 0,1 % einheitliches Feld innerhalb eines kugelförmigen Gehletes von 15 cm Durchmesser erzeugten. Es könnten auch ein glockenförmiger Behälter verwendet werden, aber das ist deshalb nicht so zweckr.iässig, weil mehrere bewegliche Teile, wie z. B. die Abschirmung 92, während des Aufstäuburigsprozesses schnell möglichst, weit aus dem Entladungsweg herausgenommen werden müssen. Bei der in Fig, 1 verwendeten.kreuzförmigen Anordnung können zusammenlegbare Abschirmungen 92 und die Heizvorrichtung 93 leicht in die Seitenarme des Kreuzes eingefahren, werden, wobei es trotzdem möglich ist, die Helmholtz-Spulen nahe an die Elektrodeneinheit heranzubringen. Dies ist unbedingt, nötig, da das magnetische Feld mit der Entfernung vom Entladungsbereich stark abfällt.

Die Kathode 7 dieser Glimmentladungsvorrichtung mit zwei Elektroden ist planar und besteht aus dem zu transportierenden Material, d. h. dem Beschichtungsmaterlal. Sie kann aber wahlweise einfach mit einer Folie aus dem Beschichtungsmaterlal überzogen werden, wobei die Kathode eine gebräuchliche Grundform besitzen kann. Eine solche Folie 70 ist in Fig. 6 gezeigt. B_ei der Arbeit mit dünnen magnetischen Schichten muß diese Folie möglichst dünn sein, damit das magnetische Feld nicht unnötig verzerrt wird. Gewöhnlich werden magnetische Folien von 2,5 5,0 10"*² cm Stärke verwendet. Das Substrat 90 ist auf der Vorderseite der Anode 10 befestigt. Die Anode 10 ist natürlich in der Axialrichtung von Kathode und Anode verstellbar, damit eine

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-Verlagerung des darauf befestigten Substrats möglich ist. Die einzige an die Verbindung des Substrats 90 mit der Anode 10 zu stellende Bedingung ist die, daß sie eine gute Wärmeleitfähigkeit hat. Die Anode 10 kann aus einem beliebigen leitenden, hitzebeständigen Metall, z. H. Aluminium, bestehen. Zur Aufbringung magnetischer Schichten durch Zerstäubung muß die Anode 10 unmagnetisch sein. Sowohl die Kathode als auch die Anode sind wassergekühlt, damit ihre Temperaturen genügend niedrig gehalten werden können. Kühlaggregate sind in Hülsenform innerhalb des Sockels 6 der Kathode 7 sowie innerhalb der Anode vorgesehen. Ein beliebiges Kühlmittel, z. B.· Wasser, kann an der Kathodeneintrittsöffnung 4 eingepumpt werden; es tritt an der Ausflußöffnung 5 wieder aus, um nach Wärmeaustausch erneut in Umlauf gesetzt zu werden. Ebenso tritt das Kühlmittel für die Anode 10 durch die Eintrittsöffnung 11 und die Abflußöffnung 12. Der. Spannungsabfall zwischen Kathode und Anode läßt sich zwischen 0 und 5000 V durch die Verwendung einer gesiebten niederohmigen Gleichstromversorgung von 5 KV - 500 MA wählen. Die benötigten Glimmentladungseffekte treten gewöhnlich im

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Druckbereich von 10 bis 10 Torr auf. Um aber eine Glimmentladung in den unteren Druckbereichen aufrechtzuerhalten, in denen die mittlere freie Weglänge von Elektronen groß ist, muß die Ionisierungsleistung auf verschiedene Weise erhöht werden. Eine Möglichkeit besteht darin, der Entladung ein externes magnetisches Quadrupolfeld aufzuprägen und damit die effektive Weglänge der kollidierenden Elektronen und infolgedessen auch die Wahrscheinlichkeit für die Erzeugung weiterer stoßender Teilchen zu vergrößern.

Mittels der Diffusionspumpe 8i" (Pit.· 8) wird auf Glimmentladungsdruck evakuiert und danach ein konstanter Druck aufrechterhalten, während gereinigtes Gas an der öffnung 15 eingeblasen wird. Die Ionenstromdiehte ist aber sehr empfindlich gegenüber kleinen Druckschwankungen. Daher muß die Strömungsrate inerten Gases durch das System dadurch genau reguliert werden, daß die Gaseingabe aus dem Vorratsbehälter 65" durch die öffnung 15 mit dem Gasaustritt durch die Abflußöffnung 14 zur Pumpe 81"

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ausgeglichen wird. Das geschieht, indem die Gaseingabe durch eine--veränderliche' Ableitung, z. B. durch das Doppelnadelventil 87" in Fig. 8 in bezug auf die Pumpgeschwindigkeit der mit der Abflußöffnung 14 verbundenen Diffusionspumpe ausgeglichen wird. Dies ist besser, als einfach die Sauggeschwindigkeit der Diffusionspumpe zu drosseln, wie es weitgehend üblich ist. Die Öl-Diffusionspumpe besitzt eine Saugleistung von ca. 700 l/miri und ist imstande, einen Mindestdruck von ca. 2 χ 10"' mm/Hg im Glimmentladungsgefäß von Fig. 1 zu erreichen. In der Saugleitung der Pumpe wird eine Kühlfalle für flüssigen Stickstoff verwendet.

Die Glimmentladungszonen sind erfindungsgemäß dadurch eingegrenzt, daß sowohl ein externes Magnetfeld (nicht gezeigt) als auch eine entsprechend aufgeladene und geformte statische Abschirmeinrichtung verwendet werden. Eine solche Abschirmvorrichtung B¹ ist etwa becherförmig, wie es Fig. 2 zeigt. Wenn sie um dieplanare Kathode 7' herum angeordnet wird, verhindert die Abschirmung 8* die Entladung an allen Stellen mit Ausnahme der normalen Entlädungyon der Kathodenfläche 7^! zur Anode 35 hin. Die Abschirmung muß innerhalb des Crookes*sehen Dunkelraumabstandes (CDS) von der Kathodeneinheit 6'i 7' angeordnet sein, um eine. Entladung zwischen der Kathode und der Abschirmung zu verhindern Die Anode 10^f, deren Form nicht kritisch ist, kann in verschiedenen Abständen von der Kathode angeordnet werden, z. B. innerhalb des Bereichs von 2,5 - 10 cm. Zur Erzielung einer guten Leistung sollt jedoch jenseits der "Schattenzone¹¹ der Abstand möglichst klein sein. Der Querschnitt der Kathode muß mindestens so groß wie das Substrat sein, um die MaxJralleistung sicherzustellen. Bestimmte Elektrodenflächen sind unten in Relation zur Zerstäubungsieiäung angegeben. Die gemeinsamen Glimmentladungsparameter (z. B. Strom, Druck, Spannung und geometrische Form) gehorchen den bekannten Ähnlichkeitsgesetzen.

Fig. 7 stellt die Änderung der Glimmentladungscharakteristik entlang der Verbindungslinie der Kathode-Anode für eine typische Glimmentladung dar. Diese Darstellung und die nachstehende Er-

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läuterung sollen einige hier verwendete Ausdrücke erklären. Eine Glimmentladung in diesen Formen findet nur in einem Druckbereich zwischen 1 bis 200 10"·^ Torr statt. Niedrigere Drücke sind in Gegenwart magnetischer Felder möglich. Die Glimmentladungjwird aufrechterhalten durch Elektronen, die an der Kathode infolge von Stoßvorgängen positiver Ionen erzeugt werden und die ihrerseits zur Anode hin geschleudert werden und wiederum durch Stoßprozesse mehr positive Ionen erzeugen, die die Kathode bombardieren und aus ihr Teilchen herauslösen, die dann zum Substrat hin diffundieren und sich auf ihm niederschlagen. Im Astonschen Dunkelraum befindet sich eine Anhäufung dieser Elektronen. Die Energieaufnahme der Elektronen erfolgt im wesentlichen im Crookes¹ sehen Dunkelraum, der auch Kathodenfallraum oder Kathodendunkelraum genannt wird. Durch Abgabe der Anregungsenergie der positiven Ionen bei Neutralisierung entsteht das Kathodenglimmlicht. Die Elektronen, die den Crookes¹ sehen Dunkelraum durchquert haben, treten in einen Gleichfeldraum ein, manche davon mit ziemlich hohen Geschwindigkeiten. Dieser Raum ist der negative Glimmbereich. Hier verlieren sie ihre Energie durch weitere unelastische Stöße, bei denen einige von ihnen eine Ionisierung bewirken und Atome anregen, was zu dem negativen Glimmlicht führt. Das Ende des negativen Glimmlichts entspricht der Reichweite von Elektronen mit ausreichender Anregungsenergie. Darüber hinaus, im Faradayschen Dunkelraum, nimmt die Energie der Elektronen wieder zu. Die positive Lichtsäule ist der ionisierte Bereich, der sich vom Faradayschen Dunkelraum fast bis zur Anode erstreckt.

Bei einer Drucksenkung erweitert sich der Kathodendunkelraum auf Kosten der positiven Lichtsäule, weil die Elektronen nun eine größere Strecke zurücklegen müssen (die mittlere freie Weglänge ist grosser), um eine wirksame Ionisierung zu erzeugen. Dieses Phänomen zeigt, daß die Ionisierungsprozesse im Kathodendunkelraum unbedingt nötig sind für die Aufrechterhai tung der Entladung. Die positive Lichtsäule erfüllt lediglich die Funktion eines leitenden Pfades zwischen der Anode -und dem negativen Glimmlichtbereich. Damit die Entladung aufrechter-

halten wird, muß ein Elektron bei seiner Wanderung durch das Gas diejenige Zahl positiver Ionen erzeugen, die beim Auftreffen auf die Kathode ein neues Elektron freimacht.. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt wird/ erweitert sich der; Kathodendunkel-' raum, bis er die positive Elektrode berührt, und die Entladung verlöscht.

Wie man aus dem Vorstehenden ersieht, bedient sich die vorliegende Erfindung lediglich einer anomalen, eingeschränkten Glimmentladung. Eine solche Entladung^ird eingeschränkt genannt, weil die positive Lichtsäule und der Faradaysche Dunkelraum von Pig. 7 nicht ausgebildet sind und alle zur Aufrechterhaltung der Entladung dienenden Vorgänge im negativen Glimmlichtbereich und im Crookes'sehen Dunkelraum stattfinden. Sie wird "anomal^ genannt, weil"die Entladung auf den spannungsabhängigen Hochstrombereich der Ionenstrom-Spannungs-Charakteristik beschränkt ist.

Es wurden die mit der Vorrichtung von Fig. 1 durch Kathodenzerstäubung aufgebrachten dünnen Schichten geprüft, und zwar wurden normale Reflexionselektronenmikroskopie und Btechungsmessungen zur Untersuchung der Kristallstruktur, Spektrophotometrie bei vorbewerteten dünnen Schichten mit einem Ultramikroabglelch für Zwecke der chemischen Analyse, Interferometrie zur Messung der Schichtdicke, einKerrsches magnetoop/tasches System zur Messung'der magnetischen Eigenschaften sowie massenspektrometrische Methoden zur Bestimmung des Gasgehaltes herangezogen. Diese Prüfungen ergaben eine zufriedenstellende Kathodenzerstäubung des Systems und trugen dazu bei, die Steuerverfahren zu überwachen, die gemäß der Erfindung eingeführt wurden.

Bevor nun diese Kathodenzerstäubungs-Steuerverfahren im einzelnen beschrieben werden, ist es zweckmäßig, die Parameter zu betrachten, durch die ihre Wirksamkeit gemessen wird. Ein solcher Parameter, der ein wichtiges Maß für den Serstäubungserfolg ist,

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ist das Schichtstärkenprofil. Der umfassende Charakter dieser Eigenschaft als analytisches Werkzeug zur Darstellung der Einheitlichkeit mehrerer Suhichtwachstumsparameter macht sie zu einem der nützlichsten Kriterien zur Pestsetzung von Grenzen für die Einhaltung dieser Parameter. Auf einer homogenen Substratoberfläche ohne Temperaturgradienten weisen Bereiche einheitlicher Schichtstärke qualitativ auf eine einheitliche Ankunf tsrate auf treffender Teilchen hin, was 2ju einer einheitlichen Verteilung von Teilchengrößen und -formen In der so entstehenden Schicht sowie zu kristallographischer Einheitlichkeit führt. Die Überwachung dieser Parameter 1st besonders wichtig beim Studium magnetischer Eigenschaften sowie zur Erzeugung von dünnen Schichten.

Bei der gewöhnlich verwendeten Glimmentladung mit zueinander parallelen, ebenen Elektroden nach Fig. 1 hängt das Stärkenprofil des auf ein Substrat aufgestäubten Materials von einer Steuerung des Transportmechanismus der Materialteilchen ab, . die von der Quelle durch Kathodenzerstäubung auf das Substrat gelangen.

Die experimentell messbaren Werte, von denen das Schichtstärkenprofil abhängt, sind:

1. Ionenenergie, Stromdichte, Richtung der auftreffenden Ionen und resultierendes Erosionsprofil an der Kathodenoberfläche,

2. Ort des Substrats,

3. Größe des Kathodenfallpotentials,

4. Druck und dadurch bedingte mittlere freie Weglänge zerstäubter Teilchen und .-....-

5· Entfernung zwischen Gefäßwänden und Substrat. Die vorgenannten Parameter stehen alle in Beziehung zueinander, und jede Änderung einer dieser Größen beeinflußt das Stärkehprofil am Substrat.

Das Schichtprofil steht in direkter Beziehung zum Kathodenerosionsprofil (vergl. A, B und C von Fig. 3), das die aufgebrachten Teilchen auslöst. Weiter hängt die Form des Erosionsprofils ab vom Ionenstromdichteprofil. Das Ergebnis eines

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radial uneinheitlichen Ionenstromdichteprofils an der Kathode ist ein radial uneinheitliches Kathodenerpsionsprof11. Das Ionenstromdichteprofil an der Kathode hängt ab von der Form des elektrischen Feldes nahe der Kathode. Diese steht in Beziehung zu 1. der geometrischen Auslegung der Kathode und deren Lage in bezug auf den Mantel der Vorrichtung, 2. dem Abstand der aus Substrat und Anode bestehenden Einheit von der Kathode. Die Erfindung spezifiziert diese Parameter optimal in der nachstehenden Beschreibung von Fig. 2. Die nachstehende Tabelle I spezifiert die auf Fig. 3 zutreffenden Bedingungen, und zwar stehen diese Parameter in Beziehung zur Zerstäubungsleistung.

Tabelle I

Profilkurve (Fig. 3)	Nicht	abgeschirmt	% der nutzbaren Ober fläche
A	Nicht	abgeschirmt	einige %
A«		einige %

Becherförmige Abschirmung vorgesehen V_K:-2000, V_s:V_A+5

etwa 95

Becherförmige Ab- etwa 95

schirraung vorgesehen

"Kathodenschatteneffekt"

einige

"Kathodenschatteneffekt"

Null

Bei der Arbeit auf diesem Gebiet wurde festgestellt, daß stets an der Kathode ein zentraler Bereich einheitlicher Stromdichte besteht und daß dieser Bereich mit steigendem Kathodenfall-

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potential und Ionenstrom abnimmt. Einige Fachleute kennzeichnen eine "tote Zone" um den Umfang der Kathode, in der gar keine Zerstäubung stattfindet. Die Fläche dieser toten Zone wächst mit abnehmendem Druck. Lange Zeit wurde angenommen, daß dies bei einer wirksamen Kathodenkühlanordnung unvermeidlich ist, und daß dieae tote Zone größer als der eigentliche Zerstäubungsbereich werden kann, wenn der Druck in den interessierenden Bereich absinkt. Die vorliegende Erfindung zeigt jedoch, daß diese unerwünschten Effekte durch Verzerrungen des elektrischen Feldes in der Nähe der Kathode zu erklären sind. Verschiedene Möglichkeiten zur Formgebung des elektrischen Feldes sind unten in Fig. 4 und 5 durch Aufladen der Abschirmung von Fig. 2 angedeutet.

In Fig. 2 ist die Kathodenabschirmung in Verbindung mit der bevorzugten Position des Substrats gemäß der Erfindung im einzelnen dargestellt. Wie in Fig. 1 umgibt die becherförmige Abschirmung 8' die Kathode 7^f » die ihrerseits auf einen geeigneten Fuß 6* gesetzt ist."Wie zuvor kann die Kathodenoberfläche entweder ganz aus dem Beschichtungsmaterial bestehen oder mit einer abnehmbaren Stirnplatte versehen sein, an der das Kathodenmaterial angebracht ist.

Das Kathodenbeschichtungsmaterial muß frei von Verunreinigungen sein, die Reaktionen mit dem Gefäßmaterial oder dem Gas bewirken könnten. Das Ausmaß unerwünschter chemischer Reaktionen hängt teilweise von der Reinheit und der Temperatur des zerstäubten Materials, dem Reinheitsgrad der von den beschleunigten Partikeln getroffenen Oberflächen und demjenigen der bafcardierenden Gassorte sowie von der Ent1adungsdauer und der durch die das Ionenbombardements erzeugten Verdampfungsrate ab.

Die relativen Abmessungen der Kathode 7* und der Abschirmung sind von größter Wichtigkeit. Die kritischen Dimensionen werden durch die Dimension S und die Dimension d in Fig. 2 angedeutet. Die Dimension S muß kleiner sein als die Ausdehnung des Crookes'-schen Dunkelraums bzw. des Kathodendunkelraums, und ebenfalls

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kleiner als der Abstand von der eigentlichen Anode. Als ein praktisch verwendbarer Abstand S wird etwa 1,5 nun vorgeschlagen. Es ist unbedingt erforderlich, daß diese Mindestabmessung einheitlich an der gesamten Peripherie der becherförmigen »Abschirmung der Kathode eingehalten wird, damit keine Entladung zur Anode oder deren Halterung möglich ist. Ebenso ist es wichtig, einen zweiten kritischen Abstand d einzuhalten, nämlich den Abstand zwischen der Kathodenoberfläche und der Kante des Abschirmbechers 38.Dieser Abstand sollte zwischen 3 und 9 mmbetragen. Wie kritisch diese Abmessung ist, geht aus ihrer Wirkung auf das Erosionsprofil und die- dünne Schicht hervor. Theoretisch ist der Grund dafür eine Herabsetzung "Erodierbarkeit" der auf die Kante auftreffenden Ionen infolge ihrer höheren Energie und ihres sehräsfgen Auftreffwinkels, wodurch die erodierten Teilchen einenzusätzlichen Impuls erhalten. Dieser Kanteneffekt ist graphisch in Fig. 4 und.5 dargestellt.

Die gegenseitige Abstimmung dieser kritischen Dimensionen S und d für die becherförmige Abschirmung führt zur Erzeugung eines in wünschenswerter Weise abgeflachten Kathodenerosionsprofils und damit eines abgeflachten Beschichtungsprofils. In Pig. > '■ sind einige Profilbeispiele dargestellt, die entsprechend den Lehren der Erfindung erreicht werden können. Zu Vergleichssweken ist ein dem Stand der Technik entsprechendes "Steuer"-Zerstäbungssystem dargestellt mit einem Kathodenerosionsprofil A und einem dazugehörigen Beschichtungsprofil A'. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene becherförmige Abschirmungsvorrichtung 8¹ mit den kritischen Dimensionen S und d werden beide Profile abgeflacht, wie es in den Kurven B und B¹ angedeutet ist. Abgesehen von den geänderten Absohrimyer- " hältnissen, wurden sonst keine Veränderungen vorgenommen. Wie aus der vorstehenden Tabelle I hervorgeht, wird eine Kathodenspannung von ca, -2000 Volt bentzt.

Durch die Geometrie der Kathodenabschirmung von Fig. 2 wurden die "toten" Zonen, die den Umfang der Kathode umgeben, beseitigt. Es wurde so ein einheitliches (auf ί 1,5 %)

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Stromdichteprofil über 90# des gesamten Kathodenber-eichs unter Verwendung einer Kathode von 11 era Durchmesser aufrechterhalten. Dieser Prozentsatz erhöht sich noch bei Verwendung größerer Kathoden, da die Uneinheitlichice it nahe dem Kathodenumfang ein von der Kathodenfläche unabhängiger Kanteneffekt ist. Das entsprechende Kathodenerosionsprofil kann über 95 # des Bereichs einheitlicher Stromdichte konstant gehalten werden.

Bei Verwendung einer Kathode und einer Anode von 17 cm Durchmesser läßt sich nach den Lehren der vorliegenden Erfindung ein einheitliches Städenprofil (t 1,5 #) über einen Bereich von 144 cm^ aufrechterhalten; das liegt weit über den bisher mit Kathodenzerstäbungsapparaturen erreichbaren Werten und stellt 75 % des Bereichs einheitlicher Kathodenerosion oder 65 % des gesamten Kathodenbereichs dar. Es kann daraus geschlossen werden, daß in diesem Falle der Wandeffekt stark reduziert wird. Weiter hat man erkannt, daß die Breite des ringförmigen Gebietes uneinheitlicher Stärke für beide Konfigurationen etwa gMch ist und etwa ;5,1 cm beträgt. Ein solch breites Band unverwendbaren Substratbereichs stellt natürlich einen viel größeren Anteil am gesamten Elektrodenbereich aar, im Falle des kleineren Durchmessers. Dies geht auch aus dem oben angegebenen Prozentsatz der nutzbaren Fläche in beiden Fällen hervor. Hieraus kann man schliessen, daß zur Verwendung einer der Fig. 1 ent "rechenden Kathodengeometrie in

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dem Druckbereich von 10 - 10 Torr der Durchmesser der Kathode mindestens Y,6 cm grosser sein muß als die erwartete Fläche einheitlicher Schichteigenschaften auf dem Substrat. Die damit verbundenen Einsparungen an Gefäßmaterialien und insbesondere an Pumpkapazität und Evakuierungszeiten sind beträchtlich.

co Die erwähnte Abflachung des Beschichtungsprofils durch die Ver-

J₀ Wendung einer becherförmigen Abschirmung ist sehr erwünscht,

weil dadurch eine größere nützliche Anodenoberfläche einhelt-

-» licher Schichtstärke entsteht. Gleichzeitig mit dieser Ver-

_». größerung des Anteils einheitlicher Schichtfläche ergibt sich

^ eine sehr starke Erhöhung der Schichterzeugungsleistung der

** Anordnung. Ein weiterer Vorteil der Verwendung einer becherförmigen Abschirmung besteht darin, daß der Abstand zwischen

Kathode und Gefäß kleiner sein kann und daß daher ein kleineres Gefäß verwendet werden kann. Während nach dem Stand der Technik einenMindestabstand A von ca, 25 cm zwischen Gefäßwand und Kathode üblich war, wird dieser durch die erfindungsgemäße becherförmige Abschirmung auf ca. 1 mm reduziert, wodurch der erforderliehe Gefäßdurchmesser von ca. 60 cm auf 30 cm reduziert und die Anforderungen an Volumen und Pumpleistung entsprechend herabgesetzt werden.

Ausser den vorgeschriebenen Dimensionen d und S der becherförmigen Abschirmung 8¹ besteht ein weite iss Mittel zum Abflachen des Erosionsprofils und damit des Beschichtungsprofils des Systems darin, die "Kanteneffekte" auf jeder Seite der Kathode herabzusetzen. Bei der in Fig. 2 gezeigten Geometrie erzeugten diese Kanteneffekte eine scharfe Steigerung der Erosionsrate am Rand der Kathode (siehe Teile e in Kurve B). Erhöhte Erosionsspitzen (e) beeinträchtigen die Einheitlichkeit dadurch, daß sie Beschichtungsspitzen (e¹) bewirken. Im Gegensatz zu den in der Literatur zu findenden Erkenntnissen ist jetzt der Abstand des die Anordnung umschiiesenden Kolbens in der Gegend der Kathode nicht mehr kritisch in bezug auf das Erosionsprofil unabhängig davon, ob das Gefäß geerdet mit einer definierten. Vorspannung versehen ist oder von außen her auf keinem definierten Potential gehalten wird. Dies steht in scharfem Gegensatz zu den gegenwärtigen Erfahrungen auf diesem Gebiet.

Da eine homogene Schichtstärke über eine möglichst große Fläche erwünscht ist, reduzieren diese Spitzen (e¹) im Beschichtungsprof il die wirksame Verwendung der Zerstäbüngsbereiche. Durch die ErfIndun^wlrd diese Schwierigkeit stark verringert und dazu beigetragen, die Erosions- und Beschichtungsprofile durch Aufladen der becherförmigen Abschirmung abzuflachen. Für die Abschirmungsspannun^iird ein Wert nahe der Anodenspannung gewählt. Durch Experimente wurde festgestellt, daß sie vorzugsweise etwa 5 Volt unter^der ,Änödenspannung liegt. Das Ergebnis einer solchen adschirßnääg&spannung besteht in einer günstigen Form der Iq-.iipotentiallinien V., V~ und V-, nahe den Kathoden-

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rändern. Wie Fig. 5 zeigt, erscheinen diese Linien in dem -Bereich zwischen der Kathode und der Abschirmung abgeflacht, wodurch die Neigung des Peldgradienten in der Gegend der Kanten und damit die Schrägheit des Ionenaufschlags reduziert werden. Kantenteilchen erodieren daher mit weniger zusätzlichem Impuls.

Wie es Fig. 4 schematisch darstellt, beruhen diese Kanteneffekte auch auf der erhöhten Geschwindigkeit der am Rand der Kathode ankommenden Teilchen, die durch den steileren Spannungsgradienten, den sie passiert haben, bedingt ist. Dieser Unterschied im Spannungsgradienten an den Kathodenrändern ist in dem Vergleich der Bahnen zweier beschleunigter Teilchen in Fig. 4 dargestellt. Es handelt sich dabei um das~ Teilchen P , das senkrecht auf die Mitte der Kathodenfläche 7 auftrifft, und das Kantenteilchen P , das am Rand auftrifft und den steileren Spannungsgradienten durchquert, wie es seine gestrichelt gezeichnete Bahn erkennen läßt. Ein steilerer Gradient bedeutet eine Beschleunigung innerhalb einer kürzeren Strecke und damit eine geringere Wahrscheinlichkeit von Kollisionen und eine höhere Teilchenenergie. Aus den Äquipotentiallinien V₁, Vp und V, ist ersichtlich, daß P einen schrägeren Spannungsgradienten durchquert und daher schräger zur Kathodenfläche 7¹ beschleunigt wird als P . Daher erreicht P die Kathode 7 mit einer höheren "Erodierbarkeit" als das normal auftreffende Teilchen P auf der Kathodenmitte, da eine höhere Energie und schräg auftreffende Teilchen dazu neigen, mehr Kathodenmaterial zu erodieren und damit die im Kathodenerosionsprofil B von Fig. 3 zu sehenden Kantenspitzen e zu erzeugen. Hierdurch können wiederum Beschichtungsspitzen e' wie im Profil B¹ entstehen.

Es gibt einen dritten kritischen Abstand, der die Lage des Substrats betrifft. Die viel geäußerte Meinung, daß bestimmte Substratabstände stets optimal sind, trifft nicht zu, wie die vorliegende Erfindung lehrt. Diese Lage laßt sich nicht durch eine Konstante definieren, obwohl sie innerhalb einer bestimmten Glimmentladungsanordnung in Beziehung zu der Stelle der Fläche

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zwischen dem Crook.es¹sehen Dunkelraum und dem negativen Glimmlicht stehen kann. Diese Bereiche verschieben sich jedoch gemäß einer großen Zahl von Parametern, z. B. entsprechend der Geometrie des Gefäßes oder der Elektroden, entsprechend der Spannung, dem Strom und dem Druck.

Es ist bekannt, daß bei einem konstanten Druck (5 x 10 Torr) die Beschichtungsrate eines Substrats steil abfällt, wenn das Substrat weiter von der Kathode entfernt wird. Da in diesem Druckbereich die Beschichtungsrate niedrig ist und da weniger als die Hälfte des durch Kathodenzerstäubung freiwerdenden , Materials die Anode erreicht, neigten bisher die Fachleute dazu, die Substrate näher an die Kathode heranzubringen. Fig. 3 zeigt jedoch, daß ein Mindestabstand vorhanden ist, unterhalb dessen die aufgebrachte Schicht uneinheitlich oder "schattiert" ist. Der Ort dieses Minimums steht letzten Endes in Beziehung zu dem Abstand von der Kathode, dem Ort, zu welchen die Elektronenbewegung mit statistischer Richtungsverteilung ihren Ursprung besitzt. Die oben genannte Schattierung entspricht der Zone, in der die von der Kathode abgegebenen Sekundärelektronen den größten Teil ihrer Energie durch Stöße verausgabt haben und richtungsmäßig dem Zufall unterworfen sind. Dadurch, daß man die Substrate jenseits dieses Abstandes hält, verhindert man Schatteneffekte oder tote Zonen auf der Kathode. Die mittlere freie Weglänge der Elektronen, die druckabhängig ist, und ihre maximale Energie, die durch das Kathodenfallpotential bestimmt wird, bestimmen gemeinsam den Ort, an welchem diese Abhängigkeit der Bewegungsrichtung vom Zufall beginnt. Das Profil C¹ in Fig.3 zeigt die Wirkung auf das Stärkenprofil für Substrate, die zu nahe an der Kathode liegen. In dieser Weise ist z. B. das Substrat 37 von Fig. 2 eingestellt, das an die Fläche 30 zwischen Crookes*schem Dunkelraum und negativem Glimmlicht grenzt. Durch eine solche Einstellung wird das Feld nahe der M^xtt.e der Kathode 7 so verzerrt, daß die emittierten Elektronen niemals über den Crookes*sehen Dunkelraura hinausgelangen und daher dort keine erodierenden Teilchen ionisieren können. Hierdurch entsteht eine Ionenstromdichte, die prsk tisch gleich null ist/

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und danach eine Erosionsrate in der Mitte der Kathode -mit einer allmählichen Steigung zum Kathodenumfang hin. Ein Eeispiel dafür ist die Kurve C. Mit dieser uneinheitlichen Erosion ist das resultierende Besehichtungsprofil C* -verbunden, das den ■Mittelschatten des eindringenden Substrats aufweist. Offensichtlich kollidieren viele der aus der Mitte der Kathode austretenden Sekundärelektronen auch mit dem Substrat, bevor sie durch Gaskollisionen soviel Energie abgegeben haben, daß sie sie in einem für die Ionisierung optimalen Erie r_o le be reich befinden. Dies kann wiederum dazu führen, daß weniger Ionen vor diesem Mittelbereich der Kathode entstehen, was die geringere Kathodenzerstäubung und die nachfolgende ö^er*in^ere Beschichtung des Substrats in diesem Bereich erklärt.

Eine Reihe von Kleinoefügebildern, die von Schichten an den experimentellen Stellen auf dem Profil C* entsprechenden Stellen gemacht wurden, zeigt größere Teilchen nähe der Mitte der Anode. Gewöhnlich sind große Kristallite mit höheren Substrattemperaturen verbunden. Diese Abstufung in der Teilchengröße spiegelt in größerem Maße einen steilen Temperaturgradien^en als den offensichtlich bestehenden Stärkengradienten wieder. Der Absatz L auf der Spannungskurve V in Fig. 7 läßt vermuten, daß der feldfreie Bereich etwas innerhalb des negativen Glimmbereichs beginnt, so daß das Potential dort tatsächlich eine Konstante ist. Wenn das Substrat etwas jenseits dieses FP-Bereichs angeordnet wird, hat das die Wirkung, daß die meisten der Elektronen, die in nahezu'normaler Richtung aus der Kathodenflache austreten, diese Richtung verlieren und infolge der auf ihrem Wege auftretenden Stöße Geschwindigkeiten In allen Richtungen aufweisen. Infolge dieser allseitigen Bewegungsrichtung können einige Elektronen durch Stoß erzeugte Ionen (z. .3. Argon) zurück zur Kathodenoberfläche treiben, wo^aurcL eine Erosion des Beschichtungsmaterials stattfindet.

Erfindungsgemäß kann man daher die optimale Stelle für aas Substrat genau als die Zone definieren, in der die Richtung der bewegten Elektronen dem Zufall unterworfen ist. Diese Anschauung

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wird auch bestätigt durch Elektronentemperaturmessuncen unter Anwendung; bekannter Sondenverfahren. Die Zone FP beginnt kurz hinter der Trennfläche zwischen Crookes'schem Dunkelraum und negativem Glimmlicht. Diese Zone wird deshalb bevorzugt, weil infolge des Fehlens jeglichen Beschleunigungsfeldes die Elektronen in diesem allgemeinen Bereich ihre feldabhängige Vorsu₀srichtung bei Stoßen verlieren und keine neue Beschleunigung in dieser Richtung erfahren. Da diese Stöße innerhalb weniger Millimeter zu erwarten sind, kann man eine wesentliche Zufallsgebundenheit etwa 1 cm hinter der genannten Trennfläche - 5 mm erwarten.

Diese Leite über eine optimale Lokalisierung des Substrates ist heu in der Technik. Bisher wurde das Substrat fast wahllos angebracht, während einige Fachleute einen bevorzugten Ort in der Gegend des Überganges zwischen Crookes'schem Dunkelraum und negativem Glimmlicht vorschrieben, also nicht an einem Bereich mit konstantem Feld und dem Zufall unterworfener Beschleunigung. Die nachteilige Wirkung, ein Substrat an dieser Zwischenfläche oder näher an der Kathode anzuordnen, wurde oben veranschaulicht. Dort wurde auch darauf hingewiesen, daß die Homogenität der Schicht leidet, wenn das Substrat entgegen den Lehren der vorliegenden Erfindung näher an der Kathode angeordnet wird.

Es ist natürlich erwünscht, das Substrat so nahe wie möglich an der Kathode anzubringen, wobei eine gute Schichtaufbringung vorausgesetzt wird, um Gefäßgröße, Spannung, Pumpkapazität, den Verlust an Beschichtungsleistung usw. möglichst klein halten zu können. Man ordnet daher das Substrat im feld exen Bereich an, aber innerhalb dieses Bereichs möglichst nahe an der Kathode. In der nachstehenden Tabelle II sind als Beispiele Mindestabstände von der Kathode für die Lokalisierung des Substrats bei einer Glimmentladungsvorrichtung wie nach Fig. 1 gezei_otee, angegeben.

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Tabelle II

Abstand von der Kathode für:

Crookes'scher Dunkelraum (mrn)

Substrat Kathodenimm) spannung V, (Volt) ^k

Druck

28 23 47 42

22	2400
18	1700
38	2500
33	700
57	2700
52	1100

Wie aus Tabelle II hervorgeht, verändert sich die Ausdehnung des Crookes'sehen Dunkelraums etwa umgekehrt proportional mit dem Druck. Außerdem verändert sie sich diJdct mit der Kathodenspannung. Weiter ist der Druck der dominante Steuerparameter. Es wird also deutlich, daß der Mindestabstand des Substrats von der Kathode, wenn es ein beträchtliches Stück innerhalb des negativen Glimmbereichs angeordnet wird, sich in starkem Maße mit dem Druck und in geringerem Maße mit der Kathodenspannung verändert. Als Faustregel wird vorgeschlagen, daß innerhalb von normalerweise zur Erzeugung dünnerjSchichten anwendbaren Druck- und Spannungsbereichen (d. h. 20 - 100 /U und 1000 - 3500 V) ein sicherer Substratabstand für einheitliche Schichten etwa 45 mm (- 5 mm) betragen würde. Unter "Einheitlichkeit" wird eine Stärkenabweichung von - 1,5 % bei nützlichen Substratdurchmessern im Bereich von 10 - 20 cm verstanden. Häufiger verwendete Werte liegen zwischen 30 und 200 /U und von 1000 - 5000 Volt, bei welchen der Abstand mit durchweg guter Einheitlichkeit (- 1 % Stärke) für das Substrat etwa 30 mm - 5 .mm beträgt. Dies würde die Drücke für sehr dünne Schichten unter 30/U ausnehmen. Diese Drücke sind als absolute ' Drücke zu versehen, die von der chemischen Beschaffenheit der

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Gefäßatmosphäre unabhängig sind, da die Druckmesser alle sorgfältig für die verwendete Atmosphäre (z. B. Argon) geeicht wurden.

In Fig. 6 ist schematiseh eine Glimmentladungsvorrichtung dargestellt, die der in FIg. 1 gezeigten mit der Ausnahme gleicht, daß die Wände 9* des Gefäßes elektrostatisch aufgeladen sind und einen Mindestabstand X vom Substrat (der Anode) 10' haben. Diese Trennung dient teilweise zum Abkühlen der AnodeMO¹, wie es unten noch erläutert wird. Die Kühlung Ist wichtig,"weil es sich gezeigt hat, daß die Beschichtungsleistungen von der Temperatur der Anode abhängig sind. Eine sehr heisse Anode zerstreut wegen des erhöhten Dampfdruckes das aufgebrachte Material; sie wirkt also dem Bescnichtungsprozeß entgegen. Eine örtlich begrenzte Erhitzung der Anode kann örtlich begrenzte Schwankungen in der Beschichtung bewirken, was einen nichteinheitlichen Überzug mit Schwankungen sowohl in der Stärke als auch in den kristallinen Eigenschaften zum Ergebnis hat. Es ist also wichtig, die Anode 10 zu kühlen.

In dem Falle, daß das Substrat nicht (wie in Fig. 6) ein integrierender Bestandteil der Anode, sondern auf diesen befestigt ist (z. B. in Fig. 1), wird angenommen, daß durch das Kühlen der Anode auch das Substrat gekühlt wird. Z. B. ist in Fig. 1 das Substrat 90 fest an der Anode 10 angebracht, ohne diese zu beanspruchen und ohne hervorzustehen. Druckbeanspruchung kann die magnetischen Eigenschaften beeinflußen, und Vorsprünge erzeugen "Schattenbereiche", z. B. unbeschichtete Stellen. Da ein großer Teil dieser Erwärmung, insbesondere die örtlich begrenzte Erwärmung, durch auftreffende Elektronen bewirkt wird, können viele dieser Elektronen erfindungsgemäß dadurch ausgeschaltet werden, daß die leitenden Gefäßwände 9 des Glimmentiadungsbehälters etwas positiver als die Anode aufgeladen werden und gleichzeitig ein vorgeschriebener Abstand zwischen Wand und Anode eingehalten wird. Die Wand kann somit die Mehrheit dieser die Anode beaufschlagenden Elektronen aufnehmen, ohne den Kathodenzerstäubungsprozeß in stärkerem Maße zu be-

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einflußen. Dies wird schematisch dadurch verdeutlicht, aaß eine Spannungsquelle V. _ direkt an die Gefäßwand y angeschlossen und diese ihrerseits leitend gemacht wird. Diese Spannung ist einige Volt (+C) positiver als aie Anodenspannung (^vn)· Ein geeigndsr Wert dürfte +20 Volt sein.

In Verbindung mit der Aufladung der Wand 9 ist es wichtig, die Wand von dem Substrat 10" durch einen Mindestabstana X von der aus Substrat und Anode bestehenden Einheit zu trennen» Der Grund hierfür ist ein zweifacher: Einmal wird durch die genannte Maßnahme eine Verunreinigung des Substrats verhindert und sowohl die ütsehiehtungsleistung als auch die Schichteinheitlichkeit «*r erhöht. Die Wandnähe reduziert jedoch diese Eigenschaften dadurch, daß bestimmte der zerstäubten Teilchen eingefangen werden, wie es unten erläutert wird.

In dem hier verwendeten Energiebereich (2000 - 3500 eV) und bei einem angenommenen Auftreffwinkel von 90 für die Ionen auf dem größten Teil der'Kathodenoberfläche läßt sich eine Kosinusverteilung des von der Kathode hinausgeschleuderten Materials von jeder punktförmigen Quelle auf der Kathode aus annehmen, wenn es sich um eine polykristalline Kathodenoberflache handelt. Daraus folgt, daß die radiale Eichte der zerstäubten Teilchen in jeder parallel zur Kathode liegenden projizierten Ebene einheitlich sein muß. Man muß sich jedoch unbedingt vor Augen halten, daß zu dem Zeitpunkt, in welchem diese Teilchen die Nähe des Substrats im negativen Glimmbereich erreichen, ihre Bewegung in dem hier interessierenden Druckbereich im wesentlichen diffusionsgesteuert ist. Durch diesen Diffusionstransport wird dasJÄuftreffen von Teilchen für eine einheitliche Schicht dem Zufall unterworfen.

Es besteht jeöoch die Gefahr, daß ein bestimmtes durch Stoß erodiertes Teilchen P-, das in zufälliger Weise mit einem Teilchen auf der Wandebene 9" kollidiert und eine neue Auftreff-

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P annimmt, auch durch die Wand eingefangen wird, wenn sie sich an dieser Stelle befindet. Dies hat zur Folge, daß jeöer Gegenstand nahe dem Substrat als unverrückbare Anlagerungsflache für das kondensierbare zerstäubte Material dienen kann. Wäre also das Teilchen P₁ in der Ebene 9" nahe der Anode 10¹ auf die Gefäßwand getroffen, würde es daran haften und für Besehichtungszwecke verlorengehen. Dies würde wiederum zu einem dein Prof il D¹ folgenden Wandeffekt führen. Ebenso wird durch eine Abschirmungs- oder Abdeckanordnung, wie z. B. 92 oder 93 in Fig. 1, die keinen ausreichenden Abstand von der Anodeneinheit hat, das Stärkenprofil deutlich verändert. Aus diesem Grunde ist daher erfindungsgemäß ein Wandabstand X um das Substrat herum vorgeschrieben. Durch weiter entfernte Gefäßwände wird auch die Verunreinigungvedusiert. Die Oberfläche der Wand 9¹ enthält unvermeidlich unerwünschte mikroskopische Unreinheiten. Diese Ablagerungen bleiben relaftv harmlos, solange sie auf die Wand beschränkt sindj aDer der Aufsehlag verstäubter Teilehen (P₁) kann sie freimachen und zum Substrat hin beschleunigen, wo sie den Charakter der durch Kathodenzerstäubung aufgebrachten Schicht radikal beeinträchtigen können. Solche mikroskopischen Verunreinigungen können S- B. viele supraleitfähi&e Schichten unbrauchbar machen. Es ist jedoch festgestellt worden, daß der Mindestwandabstand X, der erforderlich ist, um den oben erwähnten Wandeffekt D^s im wesaitlichen auszuschalten, außerdem ausreichend ist; jede größere von der Wand bewirkte Verunreinigung zu verhindern.

Erf induiitsgemäß liegt ein praktischer Bereich für den Mindestwandabstand X bei etwa 5 - 10 cm von allen Teilen der Substrat-Anode 10*. Der bevorzugte Abstand beträgt mindestens 5 cm, womit sich ein su 70$ verwendbarer Subsfcratbereich ergibt. Bei einer Verkürzung dieses Abstandes auf etwa 2 cm, wird die brauchbare Substratfläche auf ca. 50 # verkleinert. Der Abstand Substrat - Wand beeinflußt also einschneidend sowohl die Beschichtungsleistung als auch die Einheitlichkeit der aufgebrachten Schicht, wobei die Leistung in größerem Maße für

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kleinere Beschichtungsflachen beeinträchtigt wird.

Bei den erfindungsgemäßen verschiedenen Ausführungen eines Kathodenzerstäubungssystems, wie sie oben beschrieben sind, wurden mehrere wichtige neue Steuerverfahren entdeckt, die eine Überwachung der Teilchengröße und der Schichtstruktur hinsichtlich der chemischen und kristallographlschen Eigenschaften gestatten, was bisher nicht möglich war. Diese Überwachung ist nicht nur neu, sondern auch ausserordentlich präzise und wurde bei der Erzeugung z. B. von magnetischen Schichten aus Eisen, Nickel, Kobalt und Nickeleisen durchgeführt. Für dünne magnetische Nickeleisenschichten hat das erfindungsgemäße System z. B. die Erzeugung von Schichten mit einwandfrei reproduzierbaren Eigenschaften ermöglicht; diese Eigenschaften sind z. B. die Koerzitivkraft, die Anisotropieenergie, die Dispersion der Vorzugsrichtung der Magrietisieruno und der Schieflauf (über Bereich von 100 cm ). In der Praxis wurde das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung sehr dünner Schichten verwendet, und diese Schichten wiesen reproduzierbare physikalische und kristallographische Eigenschaften auf, wie z. B. der Teilchengröße, der Beschichtungsrate und der Morphologie. Z. B. wurden Eisenschichten, die polykristallin sind und kein Anzeichen für eine bevorzugte Kristallorientierung aufweisen, selbst bei Verwendung von Einkristallsubstraten, die auf 450 C gehalten wurden, hergestellt. Dies steht in scharfem Gegensatz zu den im Hochvakuum aufgedampften Eisenschichten, bei denen ein epitaxiales Aufwachsen bei diesen Substrattemperaturen durchaus bekannt ist. Stark orientierte Eisenschichten entstehen durch Aufdampfen auf amorphe Substrate, die in einer ähnlichen Umgebung höheren Drucks gehalten werden. Im Gegensatz dazu können durch Kathodenzerstäubung bei ähnlichen Drücken aufgebrachte Schichten, gänzlich unorientiert sein. Andererseits können einkristalline Schichten auch äu¥>eh- epitaktisch in einer Glimmentladung erzeugt werden, was die vielseitige Verwendbarkeit der Zerstäubungsmethode im Gegensatz zur Aufdampfung zeigt.

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Das Aufbringen einer größeren Anzahl verschiedener Teilchengroßen wird durch das erfindungsgemäße Verfahren erleichtert, da sie den Bereich der Beschichtungsrate erweitert und Wandverunreinigungen stark reduziert. Eine spektrophotometrische Analyse zusammen mit Mikrowägungen von Ni-Fe-Filmen, die mit der vorliegenden Vorrichtung erzeugt wurden, hat Schichten von einer 100-prozentigen Reinheit gezeigt. Eine solche Reinheit ist für jedes Kathodenzerstäubungssystem unerwartet hoch.

Was die magnetischen Eigenschaften betrifft, wurden sowohl die Reproduzierbarkeit als auch das Fehlen einer unerwünschten magnetischen Orientierung erreicht. In einer bei höheren Drücken arbeitenden Glimmentladung wurde die durch schräges Auftreffen der Materialpartikel bewirkte Anisotropie beseitigt. Dies erfolgte dadurch, daß die auftreffenden Teilchen veranlaßt wurden, am Subsirat aus allen Richtungen einzutreffen, so daß eine Zusammenballung von Krlstalliten zu Ketten weder zu^eüJärten noch nachzuweisen war, d. h., es wurden keine durch schräges Auftreffen bewirkten Anisotropieeffekte beobachtet. Die Werte der Koerzitivkraft, der remanenten Magnetisierung und des Verhä^niSBes von remanenter Sättigungs-Magnetisierung sind beträchtlich größer als die für polykristalline, im Hochvakuum aufgedampfte Schichten ähnlicher Stärke, Teilchengröße und Form, die bei ähnlichen Temperaturen auf ein Substrat des gleichen Typs aufgebracht wurden.

Die vorstehenden, mit dem Kathodenzerstäubungssystem nach der Erfindung erreichten Ergebnisse lassen sich weiter verbessern durch Verwendung der unten beschriebenen Hilfsvorrichtung zum Handhaben der Entladungsatmosphäre. Man kann sehen, daß für eine örtlich begrenzte Glimmentladung durch einen maximalen Durchgang von vorgeid-nigtem Gas, der sich mit den Druckbedingungen verträgt, die Verunreinigung der Schicht durch fremde reaktive Gass^orten, die ihren Ursprung in den Wänden der Anordnung haben, •während der Beschichtung stark reduziert wird. Die gesamte An-"ordnung läßt sich vor Beginn der Beschichtung wirksam reinigen mittels einer Ausheizung mittels Ionenbombardements relativ

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niedriger Energie durch eine örtlich nicht begrenzte-Glimmentladung. Durch Einführen einer Mischung von Gas, wie s.B. Argon, Sauerstoff und Atmosphäre, kann ein Teilduck des reaktiven Gases aufrechterhalten werden, und magnetische Schichten aus Metallen und mit verschiedenen Oxydationszuständen einer bestimmten all ο tropischen Form (:-;.ß. Gamma-Ee pO-, anstatt des riichtferromagnetischen Alpha-Fe 0_v) können wahlweise erzeugt werden.

Ein solches Strömungssystem ist in Fig. ο geneigt. Dieses präzise Pumpsystem kann ein vorher geiRLrii^tes Gas währe na der Glimmentladung durch das System drücken. Das Gas wird durch die Ventile 15", 15"* eingelassen und kann durch das Austrittsventil 14" hinausgepumpt werden. Das Doppelnadelventil 87" wird als Peinsteuerung für die Menge des eingeblasenen Gases benutze. Die ZerstäuDungskammer 9" wird lter die Vorpumpöffnung 84" mit der Vorvakuumpumpe Ö2" mit einer Geschwindigkeit von ca. jp75 l/min evakuiert. Das Ventil 8^ ist offen und das Ventil 14" geschlossen, bis ein Druck vor: etwa 0,015 Torr erreicht ist, und dann wird die öffnun_o d4" geschlossen und das Ventil .14™ in das System eingeschaltet. Die Diffusionspumpe 81" ist eine Silikon-Ölpumpe mit niedrigem Dampfdruck, die mit einer Sauggeschwindigkeit von 7OO i/sec arbeitet und imstande ist, das System auf ca. 1 χ 10 mm/Hg zu evakuieren. Danach wird in dem Gefäß eine sehr gründlicne Folge von Vorreinigungsschritten durchgeführt. Nun wird die Gasdurchspülung eingeleitet, und dann beginnt die Beschichtung. Durch öffnen des Kippventils 8o wird der endgültige Zerstäubungsdruck eingestellt. Die ungedrosselte Diffusionspumpe 81" (mit der maximalen Pumpgeschwindigkeit für diesen Druck) dient also in Verbindung mit der Ablassöffnung 87" dazu, die Gefäßatmosphäre etwa einmal in der SekuKife durch vorgereinigtes, unter niedrigem Druck stehendes, intertes Gas aus dem Vorratsbehälter 65" zu ersetzen. Ein dafür geeigentes Gas wäre vorgereinigtes Argon mit einem Druck von ca. 5x10 Torr. Mittels des Molekularsiebes 69¹¹ wird das inerte Gas getrocknet. Frisch hergestellte Kupferfeilspäne sind mit einer

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Temperatur von 50O⁰C im Filter 91" vorgesehen, um allen Sauerstoff ;^u beseitigen. Der wassergekühlte Wärmeaustauscher 920" kühlt das Gas. Mittels des Hygrometers 92" w±ä die HpO-Menge in dem Gasstrom gesteuert.

Ein Vakuummeter, wie z. B. das Messgerät 3'in Fig. 1,'ist ::ur Steuerung aes VaIv uumdruck es innerhalb der Kammer verwendbar, aDer es ist beobachtet worden, daß eine weit empfindlichere Sceuerungsmöglichkeit durch die Ionenstrommessuiig in der Entladungskammer gegeben ist. Kalibrierte Thermoelement-Vakuum-■ meter■2 sowie Ionisationsvakuumeter wurden zum Prüfen des Drucks des Gefäßes verwendet. Außerdem sind Durchführungen 1 für Thermoelementüuleitungen vorgesehen. Die abnehmbare Abschirmung 92, die über den Griff 920 ein- und ausfahrbar ist, wurde vorgesehen, um das Substrat 90 gegen unerwünschte Entladungen^abzudecken. Diese Instrumente sind in Fig» 1 dargestellt.

K z.II. während des AushelEungsschrittes Der empfohlene Reinigungs-Zerstäubungs-Prozeß lauft wie folgt ab: Das System wird auf 6 χ 10"" Torr ausgepumpt. Argon wird mit bis -iAx 5 χ 10 Torr eingeblasen, und alle Gefäßteile werden einer öi-tlich begrenzten Glimmentladung ausgesetzt. Für diese Entladung wird die Abschirmung 92 über das Substrat 90 ausgestreckt und an eine Spannungsquelle angeschlossen, so daß diese während der Reinigung durch Ausheisunt, als Anode

—Ύ dient. Dann wird das Gefäß 9 auf 2 χ 10.. Torr ausgepumpt, und alle Teile werden wieder mit Argon bei einem Druck von 3 χ 1,0""^ Torr gereinigt. Dann wird die Abschirmung von dem Substrat entfernt, und das Substrat wird einem Ionenbombardement niedriger Energie durch Umkehrung der Elektroden-' Polarität ausgesetzt. Danach wird, nachdem die Abschirmung 90 ..wieder ai: Ort und Stelle gebracht wurde, die Kathode einige Zeit lang unter den endgültigen Zerstäubungsbedingungen betrieben. Danach wii-d die Abschirmung beseitigt. Jetzt ist das System gereinigt und bereit für den eigentlichen Zerstäubungsvorgang.

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Die Techniken des oben beschriebenen Kathodenzerstäubungsverfahrens eigenen sich zur Anwendung in verschiedenen anderen für durch stoßende Partikel bewirkte Aufdämpfung geeigneten Gebieten. Dem Fachmann dürfte es daher klar sein, daß diese Beispiele nur zur Veranschaulichung einiger Anwendungsmöglichkeiten der Lehren der Erfindung dienen und daß zahlreiche andere Anwendungen möglich sind. So versteht sich auch, daß die Anwendung der vorstehenden Lehren auf alle analogen für Aufdampfung durch Zerstäubung geeigneten Gebiete im Rahmen der Erfindung liegt. Zu diesen Gebieten gehören: Beschichtungssysteme zum Studium der physikalischen und chemischen Eigenschaften von Legierungen und Verbindungen zum Studium von Elektronenvorgangen in Gasen und Anwendung auf Ionisationsmanometer, Ionenvakuumpumpen usw., oder für Studien über

Zerstaubungssysteme

Kristallisationsphänomene/sowie als Vakuummeter, als Vakuumpumpe oder zum Raffinieren von Materialien auf größere Reinheit.

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Claims

Docket 8162 25. Juni 1964 si-bre P at e η t a η s ρ r ü c h e

1. Verfahren zur Herstellung hochwertiger dünner, insbesondere magnetischer Schichten durch Kathodenzerstäubung innerhalb einer anomalen Glimmentladungsstrecke mit plenaren Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß das zu bedampfende Substrat auf der Anode befestigt, und die Anode mit Substrat jenseits des Crookes¹sehen Dunkelraumes im feldfreien Gebiet des negativen Glimmlichtes angebracht wird und daß der eigentliche AufstäubungsVorgang unter Benutzung einer abgeschirmten Kathode nach gründlicher Ausheizung der Gesamtapparatur mittels einer HiIfsglimmentladung unter einer kontinuierlichen Durchspülung des Entladungsgefäßes mit einem inerten vorgereinigten Gas unter Aufrechterhaltung des für die Entladung charakteristischen Druckes durchgeführt wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode mit Substrat möglichst nahe an der Kathode, jedoch noch im feldfreien Gebiet jenseits des Crookes'sehen Dunkelraumes im Gebiet des negativen Glimmlichtes angebracht ist.

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3· Verrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenabschirmung aus einem die Kathode allseitig umschließenden Metallzylinder besteht _} dessen Achse in Richtung der Verbindungslinie Kathode - Anode verläuft, daß die Ränder des Abschirmzylinders in einer Ebene liegen, die zur Kathodenebene parallel verläuft, jedoch etwas in Richtung auf die Anodenebene zu verschoben ist, und daß der Abstand zwischen Abschirmung und Kathode an keiner Stelle die Längsabmessung des Crookes^chen Dunkelraumes bei dem jeweils benutzten Druck übersteigt.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3 » dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des über die Kathodenfläche in Richtung der Anode hinausragenden Randes des Abschirrazylinders 3 bis 9 mm beträgt.

5· Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschirmzylinder an einem Hilfspotential liegt, welches bis auf 5 V mit dem Kathodenpotential übereinstimmt.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 5j dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsgefäß entweder aus Metall oder einem metallisiertem nichtleitendem Material besteht und zum Zwecke der Abschirmung an einem Hilfspotential anliegt, das 1 bis 10 V positiver als das Anodenpotential ist.

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