DE1515300A1 - Vorrichtung zur Herstellung hochwertiger duenner Schichten durch Kathodenzerstaeubung - Google Patents

Description

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IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen Getelbchaft mbH

Böblingen, den 17. September 1968

si-ha

Anmelderin :

International Bueinee» Machines Corporation, Armonk, N. Y. 10 504

Amtliches Aktenzeichen :

Aktenzeichen d. Anmelderin:

Docket 8165

Vorrichtung zur Herstellung hochwertiger dünner Schicht^:; durch Kathodenzerstäubung -

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufdawpfuner dünner hochwertiger Schichten durch Kathodenzuerstäubunr, insbsondere solche Ent ladung a sys tome, die die Bildung hochwertig**' dünner Schichten bei überlagerung der zur Zerstäubung dienenden Gll&centl&dungsstrecke durch ein magnetisches Feld mit starken radialsy&Betrlschen Komponenten bewerkatelligen. Xn der Technologie dünner Schichten bietet sich den Fachleuten das Kathodenzerstäubun^sverfahren als eine besonders günstige Method· an» obwohl dieses selbst zienllch unübersichtlich und mit einigen Vrobleuen vcrioiüpft ist. ZLq Kristallnorpholoeie, ai e Glei thmäBigkalt der Dicke, die Ho^ogenitiLt und das isotropischr Wachstum k*nn für- bestic£;te -CiLzii^ Geaichtuatcriaiien innerhalb einer auBerordentiiehen Genauiekcit dadurch koiiu^lliert werden, daß »an sich' der KathodenzerstäubUK3 bzw. der Aufdampruii^ durch

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Neue Unterlcgan (Art.? si A'js.aur.

ta Anmldüngsuntsriagen

Gasent^ladungssystenien bedient. Dies gilt ganz £sor.dcr3 für n.agnetisohe Schichten, da hier eine besondere Qualität und Reinheit der erzeugten dünnen Schicht verlangt werden.

Das Hauptpatent betrifft ein Verfahren zur Herstellung hochwertiger dünner Schichten durch Kathodenzerstäubung und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Gemäß der Erfindung der Kauptanmeldung wird eine Verbesserung der Güte der aufgestäubten Schichten, eine Abflachung des Erosionsprofils der Kathode sowie eine Erhöhung der Erosions- und der Niederschlagsrate dadurch erreioht, daß das auf der Anode befestigte zu bedampfende Substrat jenseits des Crookes'sehen Dunkelraumee im feldfreien Gebiet des negativen Glimmlichtes, sonst Jedoch möglichst nahe der Kathode, angebracht wird, daß dl« Kathode allseitig von einem metallischen zylindrischen, mit seiner Achse in Entladungsrichtung weisenden Abschirmung versehen 1st, daß der Abstand dieser Abschirmung von der Kathode an keiner Stelle die Ausdehung des Crookes'sehen Dunkelrftume« bei dem Jeweils benutzten Druck übersteigt, daß die Ränder der Abschirmung in eher liegen, die zur Kathodenebene parallel verläuft. Jedoch etwas in Richtung auf die Anodenebone zu verschoben ist, daB die Abschirmung an ein Potential in der Größenordnung des Kathodenpotential': und die metallischen oder metallisierten Wand· des Entladungsgefäßes an ein Potential angeschlossen ist, daß 1 -10 V oberhalb d«s Anodenpotentials liegt, und daß der eigentliche AufetHubungsvorfeng nach gründlicher Aueheizung der Gesamtapparatur mittels ein·» Hilfe· glimmentladung unter einer kontinuierlichen Durchspülung tf·* Citt ladungs_Cefäßes mit einem inerten vorgereinigten Gas durchgefttkrt wird.

Es wurden bereite Kathodenzeratäubungsiyeteme bekannt, die mich eignet !scher Felder bedienen, um eine effektive Vergrößerung der «titrieren freien Weglänge der Elektronen zu bewirken. Bei Λί·*·η Apparaturen war es jedoch biöer erforderlich, die Fe ld-«·**» fender» Hilf«-

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mitt«! innerhalb des 'Entladungsgefäßes anzuordnen, wobei die daraus resultierende Vergrößerung des Gefäßes neue Schwierigkeiten, beispielsweise die der Vakuumerzeugung und -Aufrechterhaltung, aui'uraten. Entsprechend den erfindungsgemäßen Maßnahmen wird nicht nur die Anwendlang einer neuen magnetischen Feldkonfiguration vorgeschlagen, darUberhinaus besteht hierbei auch nicht mehr die Notwendigkeit, die felderzeugenden Hilfsmittel innerhalb des Entladungsgefäßes anzubringen, wodurch sich auch keinerlei zusätzliche das Vakuum oder Verunreinigung betreffende Probleme ergeben.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Zerstäubungs- und Niedersahfegerate weiter zu erhöhen und eine Optimierung der Entladungsanordnung, insbesondere unter der Bedingung eines geügendniedrigen Druckes, aufzuzeigen. Sine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Partikeldichte zu vergrößern, ohne die Homogenität der wachsenden dünnen Schicht zu beeinträchtigen, die wirksame mittlere freie Weglänge der Elektronen zu vergrößern und auf diese Welse mehr Stoßionen zur Zerstäubungsverdampfung bereitzustellen. Weiterhin macht die ER-findung sich zur Aufgabe, die Zerstäubungeraten durch überlagerung eines geeigneten magnetischen Feldes über die Entladungsstrecke zu vergrößern.

Diegemannten Aufgaben werden erfindngsgemäB dadurch gelöst, daß der Entladungeatreoke durch außerhalb des EntMungagefäßea angeordnete Mittel ein magnetisches Feld überlagert wird, daß dieses Feld starke radialsymmetrlsch« Komponenten an bevorzugten Stellen der Entladungsstreoke besitzt, derart, daß innerhalb der Entladungsstreoke eine zweite Stelle maximaler Ionisation auftritt und daß die feiderzeugenden Mittel so justiert sind, dall mindestens ehe Stelle maximaler Ionisation von einer maximalenI»ldkomppnente überdeckt ist. .

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Die genannten und andere Eigenschaften und Vorteile der Er· findung gehen aus der folgenden mehr Ins einzelnen gehende Beschreibung eines vorzugsweißen Ausfürhungebeispiele der 3 rindung wie aus den Figuren und den Ansprüchen hervor.

Zn deri Figuren bedeutenι

Fig. 1 die Gesamtansicht eines Kathodenzerstäubungsgeräte sj

Flg. 2 im Prinzip ein magnetisch·· Quadrupolfeld nebst den erzeugenden Spulen;

Fig. 3 eine graphieohe Darstellung der Abhängigkeit des Kathodenstromes von der Lage des transversalen magnetischen Quadrupolfeldes;

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit des Stromes zu den Wänden des Entladungegefäßes in Abhängigkeit von der Spannung für verschiedene Magnetfelder;

Fig. 5 die Meßschaltung, mit der die Kurven aufgenommen wurden;

Fig. 6 charakteristische Glimmentladungszonen und Entladungsparameter für verschiedene Gebiete der Entladungsstrecke;

Fig. 7 eine Darstellung des erfindungsgemäflön angewendeten magnetischen Quadrupolfeldee bei verschiedenen Kathodenpositionen;

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Heue Anme/dungsüRferiagen

Fig. 8, weitere modifizierte Feldanordnungen ahn-9 und 10 lieh derjenigen in Fig. 7i

Fig* 11 eine schematische Darstellung eines idealisierten magnetischen Quadrupolfeldes;

Fig« 12 eine sche-matische Darstellung eines idealisierten magnetischen Quadrupolfeldes;

Fig. 1£ eine schematische Darstellung eines Ideall» eierten homogenen Transversalfeldes und

Flg. 14 eine graphische Darstellung experimenteller Daten, welche die AbhKngikelt des einfallenden lonenatromee an der Kathode von der relativen Lage der zur Entladungastrecke transversalen magnetischen Feldkomponente darstellt.

Es ist klar, daß ein Weg zur Erhöhung der Niederschlagerate des losgestäubten Materialise darin besteht, die effektive Weglänge der Elektronen, welche die Ionen erzeugen, die ihrerseits wiederum die Kathode durch ihr Bombardement erodieren. Das trifft deswegen zu, weil entsprechend der Lehren der Statistik sich die Wahrscheinlichkeit der Ionenerzeugung durch Stoß dadurch vergrößert, daß die mitti/ere freie WeglKnge der stoßenden Elektronen vergrößert wird. Eine Lösung, die vorgeschlagen wurde, besteht darin, ein einfaches magnetischen Oleiohfeld in transver« sale? Richtung anzuordnen, derart· daß dl· Weg· der Elektronen zu Spiralen aufgewickelt werden und dahsw slob eine größere '. \> länge ergibt· Dies ist aber eine ziemlich unpraktische Lösung, weil sie mit dem Nachteil verknüpft ist, daß die Elektronen utl. damit auch die erodierenden Ionen, welche durch sie erzeugt werden, sich auf einer Slte der Kathode anhäufen, wodurch die Sy»-

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inetrie der niedergeschlagenen dünim Schicht verloren geht. Diese Symmetrie ist aber unbedingt notwendig, nämlich zur Erzeugung homogener magnetischer und auch anderer dünner Schichten. .

Eine zweite Methode zur Erhöhung der Niedersohlagsrate ist dadurch gegeben, daß man den Druck innerhalb des Entladungsgefäßes erniedrigt, wodurch sich die freie mittlere Wegifinge der durch Stoß befreiten auf den V/eg gesetzten Partikel erhöht, die dann ihrerseits auf das Substrat niedergeschlagen werden. Bei Eeschreitung dieses Lösungsweges ergibt sich jedoch die Schwierigkeit, daß der Crookes'sche Dunkelraum sich mit abnehmendem Druck erweitert und sich daher an einer gewissen Stelle ein sogenannter Maskferungaeffektoder auch Senatteneffekt einstellt, welcher die Gleichförmigkeit der niedergeschlagenen Schicht beeinträchtigt. Dies tritt deshalb ein, well eine homogene Ionisation effektiv an den Stellen verhindert wird, an denen das Substrat in die Ionisierungszone hineinragt» das Substrat das Feld verzerrt und daher in dlser fraglichen Gegend die Erosion rahr oder weniger verschwindet« Eine Abnahme der Erocionserscheinug erfolgt gewöhnlich in der Mitte der Kathode und führt zu einem Ausbleiben des niedergeschlagenen Filmmaterials an den Stdlen, an denen die oben genannte Feldverzerrung stattfindet. Dieses wird mit Masklerungs- oder Schatteneffekt bezeichnet. Zur Verhinderung dieser Erscheinung muß man notwendigerweise die Anode weiter von der Kathode entfernt anordnen, wodurch man wiederum dea Vorteil? der vergrößerten freien »ittieren Weglänge verluetlggeht. Die vorliegende Erfindung zeigt eine Möglichkeit auf, die Nledersohlagsrate zu vergrößern, ohne den Druck im EntladuxpgefSfi erniedrigen zu süssen und ohne die hierdurch gegebenen Konsequenz der Ausdehnung des Crooked sehen Dunkelraumes in Kauf neh/men zu müssen· Während bisher bei bekannten Vorrichtungen die Niedersohlagsrate in der Größenordnung von 1 Ä/seo lag, kann man mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 50 t/sec erreichen. Wegen der auf diese WEise er-

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reichten Symmetrie der Ionisationsbereiche kann nunmehr die ^r Entladung bei niederen Drücken durchgeführt werden als dieses

möglich wäre ohne die Anwesenheit des erfindungsgemäßen magnetischen Feldes. Beim- erfinäungsgemäßen Vorgehen 1st die Absenkung des Druckes im Entla dungsgefäß nunmehr verträglich mit den übrigen zur Erreichung einer symmetrischen dünnen Schiohtstärke zu stellenden Forderungen, ·

Die vorliesende Erfindung offenbart nicht nur neue magnetische Hilfsmittel für Kathodenzerstäubungsvorrichtungen· sondern sie zeigt auch« wie diese relativ zur Glimmentladung gelegen sein müssen, um eins weitere Optimierung der Nlederaoiiagshlldung der dünnen Schichten zu gewährMεtön. Die erflndungsgemäS angebrachten magnetischen Hilfsfelder besitzen gleichzeitig die Wir» kung, den Zerstäubungswirkungsgrad zu erhöhen. Ein weiterer neuer Effekt dieser UijSltsfelder besteht darin, daß eint zweite bisher unbekannte Iönisatlonazone erzeugt wird, welche einen zusätzlichen Steuerfaktor anbgibt betreffs der Zerstäubungsrate,

Neben der erhöhten Erosions- und Niedersohlagsrate ergibt sieh beim erfindungsgemäßen Vorgehen ein weiterer Vorteil der Kathodenzerstäubung bei niederlgerem Druck, daß auch die Verunreinigung der niederzuschlagenden dünnen Schicht auf ein Minimum götrieben werden kann. Dies 1st von außerordentlicher Wiohtigkeit/ x. B. bei der Herstellung von dünnen Schichten mit Supraleitfähigkeit, wo wenige verunreinigende Te Hohen auf eine Million normale TeHohen die dünne Sohioht bereit* unbrauchbar eaoben.

Noch ein anderer Vorta11, der sieh aufgrund der überlagerung der

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Entladungastrecke mit einem magnetischen Feld der erfindungs- -gemäß angegebenen Struktur ergibt» besteht darin, daß der Crookes'sche Dunkelraura verkürzt wird. Hierdurch entsteht die Mglichkeit, das Substrat näher an die Kathode heranzubringen, ohne damit Schatteneffekte und Sdi iahtInhomogenitäten zu verursachen*

Die Gesamtapparatur zur Aufdampfen dünner Schichten mittels Kathodenzerstäubung» innerhalb derer die Erfindung ausgeübt wird, geht mit Ausnahme der Pump« und magnetfelderzeugenden Einrichtungen aus Fig. 1 hervor· Die Glimmentladungsstrecke ist in einem Geffcäß 9 eingeschlossen, das druckreaisttnt 1st, so daß es

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eine Evakuierung bis zu Drücken im Bareich von 10 bis 10 ' Torr ausholt. Das Gefäß 9 kann aus Metall odtp «Inen metallisierten nitotleitenden Material bestehen.

Zm beschriebenen vorzugsweisen AusfUhrungsbeiepiBl besteht das O_efäß 9 aus einer großen Glasröhre der in Fig« 1 gezeigten Form, bei der die Wände zur Vermeidung schädlicher Wandeffekte mindestens 5 00 von der Anodenperipherie entfernt sind. Es könnte auch eine Glasglocke benutzt werden« diese 1st Jedoch nioht so gut geeignet, da in der Gefäßwand mehrere Durchlässe, möglichst weit von der Entladung entfernt verfügbar sein müssen {%» B. 98*90*)ι trotzdem sollen dl· Spulen 91,91' nah« an der Entledungsetreck· liegen.

Die Kathode 7 der Zwei-Elektroden-Olimaentladungseinrlohtung 1st planar und besteht aus dem zu transportierenden Kat«1*1, d. h. dem Boschiohtunesmaterialjbei unveränderter Grundform der Kathode kann sie Jeoch wahlweise auch mit einer Schicht aus dem Beschichtungsmaterlal überzogen sein* Auf der Oberseite der Anode 10 ist ein Substrat 90 befestigt. Die Anode 10 ist in der Axial» richtung zur Veränderung des Abstandes von Kathode uüJ Anode ver-. Bei der Beschichtung der Anode 10 mit dem Substrat 1st

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es wichtig, daß hierbei eine gute Wärmeleitung erzielt wird. Daher empfiehlt es. sich, die Anode 10 aus einem leitenden« hitzeresistenten Metall, z. B. aus Aluminium« herzustellen. Sowohl die Kathode als auch die Anode sind wassergekühlt, damit ihre Temperaturen konstant gehalten werden können, und zwar Im Extremfall bis auf Zimmertemperatur. Beide Elektroden ' besitzen einen Querschnitt von ca 12 cm. Innerhalb der Halterung 6 der Kathode 7 sowie innerhalb derjenigen der Anode 10 sind KUhI-aggregate in Mantelform vorgesehen« Eine beliebige geeignete Kühlflüssigkeit, z. B. Wasser» kann an der Kathodenehtrittaöffnung k eingepumpt werden und tritt dann an der Austritteöffnung 5 aus, um nach Wärmeaustausch erneut in Umlauf gesetzt zu werden. Ebenso tritt die Kühlflüssigkeit für die Anode 10 duroh die Eintritteöffnung 11 und die Austrittaöffnung 12 durch· Die Spannung zwischen Kathode und und Anode kann zwischen 0 und 5000 ev verändert werden durch die Verwendung eines niederohmigen Oleioaspannutsgsnetzgerätes mit Siebteil, welche« 5 XV bei 500 MA zu liefern vermag. Der gewünschte Qliiamentladungeef feiet tritt nur im Druckbereich von 10 bit 10 dd> Hg auf. Zur Aufrechterhaltung einer Glimmentladung in den unteren Druokbereichen mit großen mittleren freien WeglÄngen der Elektronen muß die lonißierungaleletung erhöht werden. Das kanririn verschiedener Weise geschehen. Z. B· kann ein transversalen externes Magnetfelddör Entladungsstrecke überlagert werden« wodurch die wirksame WeglKnge der stoßenden Elektronen verlängert und die Zahl der «o erzeugten Teilchen, die selbst wiederum StHSe aus-zuführen in der Lag· sind, erhöht wird. Das durch die Spulen C₁, C₂ erzeugte tranevereale Quadrupolfeld weist, wie unten nooh erläutert wird« diese Wirkung auf und verhindert außerdem eine asymmetrische Beschiohtu^. Sin solches Feld wird durch die Spulen D erzeugt, und seine Struktur läßt anhand der Figuren 2, 11, 12 und 15 eich besser überschauen. .■".". '

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Die durch die beiden getrennten, wassergekühlten Spulen ^C102 ^eraöu£^t6n longitudinalea magnetischen Quadrupolfeider sind koaxial mit der Entladungsstrecke und besitzen zu dieser radi&lsymmetriaohö Komponenten» wodurch sie diese beträchtlich beänflussen, wie es unten noch erläutert wird· Die Richtung der magnetischen Felder IUBt sich durch Stroraumkehr in den einzelnen Spulen verändern (Tabelle II). Werden die beiden Spulen zur Erzeugung des Quadropolfeldes mit entgegengesetzter Polarität betrieben, wie es In der bevorzugten Anordnung der Fall ist (Fig. 2, C₁₀₁, C₁₀₂),tritt ein Feldbereich mit starken Traneversalkomponenten auf, der durch die gestrijfche£te Linie X (Fig. 2) nachstehend gekennzeichnet lsi« An dieser Stolle heben die axialen Komponenten der entgegengesetzt gerichtetn Felder einander auf. Die Lage dieses Bereichs läßt sich durch Justierung der relativen Feldstärken (Spulenstrom) oder durch Verlagerung der Spulen ändern* Wie aus den Fig· 7-10 hervorgeht« beeinflußt die Lage dieses Bereichs die Beschiehtungseigenaohaften stark. Die Erfindung lehrt die Erzeugung und die richtige Einstellung eines solchen Traa sversaifeldes vom radiAleysusetriaohen Typ, wie es weiter unten noch näher beschrieben wird.

Die Entladungßstrecke der Kathodenzerstäuhungsvorrlchtung kann durch eine geänderte Spulenanordnung auch oit einem homogenen Tranevcrsalfeld beaufschlagt werden. Hierbei liegen die Spulen getrennt und Jeweils auf einer Seite der Vorrichtung derart« dad ihre Achse senkrecht zur £ntladungsstreoke liegt(Pig. 13).

Zur Herstellung eines für Kathcdenserstäubiangszweoke geeigneten Vakuums wird eine Diffusionspumpe verwendet» die das Entladungsgefäß durch den Saugstutzen 14 evakuiert und den erforderlichen Unterdruck aufrechterhält« während vorgereinlgtee Spülgas durch das Gefäß geführt wird. Da die Zonemstroodichte sehr empfindlich

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gegenüber kleinen Druckschwankungen ist, muß die Strömungerate des inerten SpUlcases durch das System genau geregelt werden« Dies geschult durch Ausgleich des Gaseintritts aus einem Vorratsbehälter (nicht gezeigt) durch die Öffnung 15 in bezug auf den Austritt durch del Öffnung 14 zur Pumpe hin.raittels eines Ventils mit veränderlichen Durchlaß, z. B. durch ein Doppelnadelventil. Dieser Ausgleich ist bezogen, auf die Pumpgeschwindigkeit der an den Saugstutzen 14 angeschlossenen Diffusionspumpe. Die Wirkung einer solchen Maßnahme istbesser als die Diffusionspumpe zu drosseln, was bisher meist der Fall war· Zur Vakuumerzeugung und -Aufrechterhaltung wird eine Oldiffusinspumpe mit Kühlfalle mit flüssigem Stickstoff als Kühlmittel benutzt· Sie besitzt eine Saugleistung von ca 700 1/sec und kann einen Mindestdruok von ca. 1 * 10"' Torr im Entladungsgefäß erzeugen. Der Druck wird ständig durch ein thermoelektrlBohes Manometer überwacht« das für Argon« gas mittels eines Mxleod-Manometer« kalibriert wurde.

Die Olimmentladungszonen werden erfindungsgemttä durch die Verwendung sowohl des magnetischen Quftdrupolfeldes als auch einem geeigneten Potential- und Formgebung der Abschlagvorrichtung örtlich begrenzt· Eine solche Abschirmvorriehtung 8 ist in Fig« 1 dargestellt und 1st von becherförmiger Gestalt· Diese umgibt allseitig die planare Kathode 7 und verhindert 4ede von der Hauptentladungsrlohtung Anode -Kathode abweichende Entladunagriohtung«, Di· Abschirmung sollte ,von der Kathodenanordnung 6 oder 7 einen Abstand besltzjfan, der kleiner als der Crookes'aohe Duakelraum ist« damit zwischen der Kathode und der Abschirmung ein entladungsfreler Bereloh sichergestellt wird. Die Anode 10, deren Form nicht kritisch ist, kann in verschieden großen Abständen von der Kathode, z. B. innerhalb eines Bezdcht von 6 mm bis 2,5 cm, angeordnet sein. Jenseits der Schattenzone sollte ihr Abstand von der Kathode möglichst klein sein, um den Wirkungsgrad der Zerstäubung nicht zu sehr zu beweinträchfeigen. Die verschiedenen aiiramentladunsparameter (*· B. Strom, Druck, Spannung und geometrische Abmessungen) stehen nach den bekannten Xhnlichkeltsgesetzen m Beziehung zueinander. Diese Zonen sowel einige Parameter sind in Pig, 6 sohematiaoh angemerkt und werden unten bo-

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Analytische Untersuchungen der aufgestäubten dünnen Schichten deuten auf eine bessere Wirkungswelse der erfindungsgemäßen Vorrichtung hin und liefern die Möglichkeit einer weitgehenden Steuerung der Güte und Eigenschaften der zu erzeugenden dünnen Schichten.

Bevor nun die Einzelheiten dieser Steuerungsmöglichkeiten beschrieben werden« dürfte es ratsam sein« die Größen zu nennen» die eine Charakterisierung der Schiohtgüte gestatten. Ein Parameter und ein wichtiges Maß für die Güte der aufgestäubten Schicht ist das Schichtstärkenprofil. Auf einer homogenem Substratoberfläche ohne Temperaturgradienten deuten Bereiche einheitlicher Schichtatärke' auf einheitliche Einfallsraten auftreffender Teilchen während der Schichtbildung. Ein einheitlicher Einfall führt zu einer einheitlichen Teilchengrößen- und formverteilung in der resultierenden Schicht, sowie zu kristallographischer Einheitlichkeit. Eine geeignete Beeinflussung dieser Parameter 1st besondere wiohtig beim Studium magnetischer Eigenschaften sowie überhaupt für die Erzeugung von dünnen Schichten.

Bei den gewöhnlich verwendeten Olimmentladungselektroden mit parallelen, planaren Elektrodenkonfiguration (Pig. I) hängt das Schichtstärkenprofil auf einem Substrat von einer genauen Steuerung des Transportmechanismus der zerstäubten Teilchen aus der Kathodenquelle zum Substrat ab.

Die experimentell messbaren Größen, von denen das Niederschlagsstärkenprofil abhängig ist, sind 1« die Ionenenergie, die Stromdichte, die Einfällsrichtung der transportierten Teilchen und das resultierende Erosionsprofil an der KathodencVerflache, 2. der Crt, an dem sich das anodensaitlge .Ende

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des Crookes¹sehen Dunkölraums befindet» >. die Größe des Kathodenabfalls, 4. der,Druck und hiermit die mittlere freie Weglänge der zerstäubten Teilchen und 5. der Abstand der Wände des Entladungsgefäßes vom Substrat. Alle vorgenannten Parameter stehen in gegenseitiger Beziehung* und jede einzelne dieser Größen beeinflußt das Stärkenprofil der auf das Substrat aufgestäubten dünnen Schicht.

In Beziehung zum Niederschlagsprofil steht das Profil der Kathodenerosion« welche ihrerseits die zur Bildung des Niederschlags erforderlichen Materialpartikel liefert. Weiter 1st die Form des Erosionsprofils vom Ionen»tromdichteprofil abhängig. Ein in radialer Richtung inhomogenes Ionenetromdiehteprofil an der Kathode zieht ein radial niohtelnheitliehes Kathodenerosions- und Niederschlagsprofil nach sich. Das lonenstromprofil an der Kathode 1st seinerseits von der Verteilung des elektrischen Feldes nahe an der Kathode abhängig. Diese Feldverteilung hängt ab 1. von der Geometrie der Kathodenanordnung und deren Lage bezüglich« des Entladungsgefäßes und 2. vom Abstand zwischen dem aus Substrat und Anode bestehenden Aggregat und der Kathode. Erfindungsgemäß werden für diese Parameter weiter unten Werte angegeben* die zusammen mit einer Quadrupolfeldüberlagerung der Entladungeatrecke zu optimalen Ergebnissen führen. -

Auch die Besohlchtungsrate ist ein wichtiger Param* t^er für die Herstellung dünner Schichten. Sie hängt ab von der Rate des Teilchenauestoßes aus der Kathodenquelle bei einem bestimmten Druck und einer bestimmten Energie der einfallenden Ionen. Die Ausstoß- oder Zerstäubungsrate aus der Quelle wiederum hängt vor allem ab von dem mit hoher Energie auftreffenden Ionenstrom» der die Zerstäubung auslöst. Die Größe dieses Ioncaetroms

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hängt ab vom Grad der Ionisation innerhalb des Plasmas. Dieser Xonisierungsprozess läßt sich in einer mit der Dünnschichttechnik vereinbarten Weise nur mit Hilfe der erfindungsgeraäßen Überlagerung der Entladungsstrecke mit einem symmetrischen Quadrupolfeldes wesentlich verstärken. Gemäß der Erfindung führt die Überlagerung der transversalen Komponente eines Quadrupolfeldes auf bestimmten schmalen Bereichen des Entladungsplasmas den Zonen optimaler Ionisation zu einer Vergrößerung der Zerstäubungsrate, und man erhält eine optimale Niedersctiags&usbeute. Es hat sich gezeigt« daß eine Überlagerung dieser Feldkonfiguration die bisher bekannte Zone optimaler Ionisierung verlagern und abschwächen kann. Sie erzeugt jedoch außerdem eine zweite» neue lonls&tionszone, während ohne Anwendung eines überlagerten magnetischen Feldes nur eine solche Zone erhalten werden kann· Die erste« der Kathode am nächsten gelegene schmale Ionisierungszone« verlagert sich bei Anwendung eines magnetischen Feldes des oben genannten Typs in beträchtlichem Maße sur Kathode hin. Da die wirksamen lonisafcionszonen eine Pieke von nur einigen Millimetern aufweisen« 1st natürlich die Lage der transversalen Komponente des magnetischen Feldes bezüglich dieser Zonen kritisch. Die genaue Lage der beiden kritischen loni-Bationszonen 1st eine Funktion vieler Parameter« wie z.B. der Spannung« des Drucks« der Größe des magnetischen Feldes im Plasmabereich usw. Diese Funktion 1st für ein beliebiges Plasma noch nicht genau bekannt« aber es steht außer Frage« daß es wichtig ist« die richtige Lage dieser Zonen bezüglich des magnetischen Quadrupolfeldes sicherzustellen·

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Fig· 2 Stellt eine ,charakteristische Konfiguration des verwendeten symmetrischen Quadrupolfeldes dar« wobei die absoluten Feldstärken entlang der dort eingezeichneten Linien gleicher Feldstärke in Richtung der horizontalen Symmetrieachse dargestellt sind. Diese Quadrupölfeldkonfiguratlon wurde durch einander entgegenwirkenden Feldspulen C-Q- und C-Qg erzeugt und wurde mit einer Hall-Sonde ausgemessen, wobei die Feldwerte im Gaufischen absoluten System angegeben sind. Wie man sieht, ist die transversale Hauptkorapononte des Feldes (Linie XX) entlang der Symmetrieachse am stärksten ausgeprägt, Wenn die Kathode 107 weiter von der Linie χχ verlagert wird, werden die gut abgegrenzten Plasmazonen einer vorgegebenen Entladung vor der Kathode, an der Linie XX vorbeiwandern, woraus eine Veränderung dee Mederschlagsmechaniemus resultiert· Wenn nun eine starke transversale Feldkomponente dem Bereich in der Gegend des Überganges zwischen dem Crookea 'sehen Dunkelraum und dem negativen Glimmbereich genähert wird (Fig· 6)» ist ein lonisationsmaximum zu erwarten» da sich nunmehr ein Bereich hoher Elektrononendlchte und ein zur Ionisation optimaler Energiebereich Überlappen· Die starke transversale Feldkomponente (Linie X) veranlaßt die Elektronen, ihr· mittleren freien Weglängen infolge spiralförmiger Ausbildung ihrer Bahnen zu vergrößern, womit die Zahl der loxiisieronden QtUQe und damit die Zerstäubungsrate vergrößert wird« Solche Erhöhungen sind in Fig. 3 an den Punkten "B" angedeutet, die lonenstrommaxima darstellen· Da die starken transversalen Komponenten erfindungagomäfl symmetrisch angeordnet aind,«rfolgt dl· Erhöhung der Zerstttubungsrate ohne schädliche Nebenelnflttene auf die Homogenität der «rzeugttn dünnen Schicht·

Jede der drei Kurven in Fig. 3 stellt die VerKndorungen d«e die Erosion der Kathode bewirkenden Ionenstroms als Funktion der Lage der Kathod· (D) in bezug auf die Lage der maximalen transversalen magnetischen Komponente (Linie XX in Fig· 2) dar· Alle anderen Olimmentladungebedingungen bleiben hierbei natürlich unverändert (z.B. die Geometrie, die Spannung, der Druck}· Diese optimalen Bedingungen werden erreicht

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entweder durch Justieren dee relativen Spulenstroms (FIc 7 - 10) oder der Spulenlage relativ zur Entladunjjsstrecke, wie zu erwarten ist, erhöht eich der lonenstrora beträchtlich mit zunehmenden magnetischem Feld (Kurven I, II und III)· Die Stärke des magnetlochen Quadrupolfeides definiert somit Grüße und Lage der optimalen Ionisationazono. Die Spulen können βο Angeordnet worden, daß dieser Zone die maximalen transversalen Feldkomponenten (Linie XX) überlagert werden, wodurch die Zerstäubungerate erhöht

Außerdom aeigen die Kurven X, Xl und III, daß außer der Manipulierung der konventionellen Zone optimaler Ionisation (Zonen der *Bⁿ~M&xima) das symmetrische erfindungsgemäß angewendete Quadrupolfeld die Existenz einer zweiten bisher unbekannten Zone optimaler Ionisation (Punkte A) nach sißh sieht· Diese zweite noue Zone war zunlinhst nicht zu erwarten und βoheint imstande zu cein, eine beträchtliche weitere Steigerung der Zeretäübungsrate herbeizuführen. Dies geht insbesondere aus der Kurve in Flg. 14 (Punkt A¹) hervor· Diese Kurve wurde bei 2000 Volt und einera Druck von 3,1 ~x 10 Torr unter Verwendung einer Aluminiumkathode gemessen· Natürlich war bei Einstollung der maximalen transversalen Feldkonponente auf diese zweite neuartige lonisationszons (Punkt A¹), dt« Intensität des einfallenden ionenstromea beträchtlich größer als an dor er3ton Zona bekannter Art (Punkt B^f). Nach Ausschalten des Quadrupolfeldes verbleibt ein viel niedrigerer, konstanter Ionenstrompegel (Punkt c¹)·

Aus Fig· 3 geht weiter hervor, daß diese zweite neue Zone eine scharf abgegrenzte lonisatlonszone (Zone A) 1st· Sie hüngt ab von Elektronenx> stoßvorgängen, die mehrere Millimeter Jenseits der ersten Zcne (Zone D), _o d.h. tiefer im negativen Olimrabereich auftreten. An dlecer Stolle künnon J- Elektronen geeigneter lonisationsenersie durch die überlagorune des ■J roasnetisohen Quadrupolfeldes «rtlich eingefangen werden. Mit cunehmendem magnetischem Feld wird diese Zono schmäler ( 5 can, Kurve III), Die -maximale transversale magnetische Feldkonponente kann entlang eier ^D Entladungsstrecke vorlagert werden nlttels einer etwas anderen Konfiguration eines Quadrupolfeldes, das in Gegensatz von dem in ^1^.2 gezeigten entlang der Entladun£3strecke asymmetrisch ist, trotzdem transversal zu dieser Achse elnö radiale Symmetrie aufiveist· Die Felder in Fig. 7-10 weisen derartig gestaltete Felder auf.

Neue Anmeldungsuntsrlogen

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Es ist wichtig* die Lage dieser nur wenige Millimeter breiten lonisationszonen vor Beginn dor eigentlichen Zerstäubung genau festzulegen, um so die erfindungsgomäße Feldanordnung darauf eln-Justieren zu können· Dies läßt sich natürlich erreichen durch eine vorläufige Entladung zum Aufnehmen des Zusammenhanges zwischen lonenstrom und Spulenlage bzw· -strom·

Die PunkteA auf den Kurven I, II und III von Fig· J lassen im besonderen erkennen, daß sich diese kritische Ionisationszone bei wachsendem magnetischem Feld näher an die Kathode verlagert· Dies ist mit der Beobachtung vereinbar, daß sich dor Crookea¹sehe Dunkelraum bei wachsender Feldstärke zusammenzieht» wie es oben bereits erwähnt wurde· Das Ergebnis dea verkürzten Crookes*schen Dunkelraums ist eine Verringerung der Ladungsübertragung, woraus eine höhere Energie der auf der Kathode auftreffenden Ionen resultiert* Daraus folgt welter eine erhöhte ZerstSubungsrato an der Kathode und in etwas geringerem Umfang eine gleichzeitige Vergrößerung der die Anode erreichenden Niederschlagsmenge· Aus d«r nachstehenden Tabelle I geht hervor« daß eich bei einer 19-fachen Verstärkung dea Elnf&Us-Ionenstroms Inf cig« der überlagerung des Quadrupolfeldes über definierte Tolle dey£ntladungentreck© die Kathodenerosionsr&te auf das ^4-Fach· erhöht und die Nledersohlagsrate fast ebenso stark ansteigt·

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Neue Anmeiaungsunteriflgen

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Tabelle I

Daten Über lintladungseigenschaften mit und ohne Überlagerung der £ntladun^83trecke mit einem magnetIschen Quadrupolfeld

	A	Mit Feld	Ohne Feld
Magnetisches quadrupoles Feld	V	O	20-20
Spannung	Torr	2000	2000
Druck	°c	3,2·10~2	3,2 · 10"2
Anodentemperatur	cm	18	18
Elektrodenabstand	BlA	6	6
Ionenstrom	ag/a	8	150
Erosionerate an der Kathode	mg/·	1,6	54
JNiederschlagsrate an der Anode	% Wt	0,56	17
Wirkungsgrad des Material* transportes	Atome/ Ion	35	32
Zerstäubungsratd	0,76	1,26

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Es 1st Interessant, festzustellen, daß das Zorstäubungsverhältnis, d.h. die Zahl der Teilchen, die für jedes einfallende Ion·: ausgestoßen werden, von 0,77 auf 1,26 steigt, wenn das Feld eingeschaltet wird (Pall B). Dies lot ein weiterer Beweis dafür, daß Ionen höherer Energie an der Kathode ankommen, wenn das magnetische Feld in erfindungsgomäßer Weise angelegt wird. Die Anodennieder3chlagsrato steht in direktem Verhältnis zu der Erosionsrate an der Kathode und wird durch die Anlegung eines symmetrischen magnetischen Quadrupolfeldes nicht beeinträchtigt, weil dieses Feld die Erosion symraetriech saacht. Die wenigen Teilchen, die aufgeladen werden, wurden sowieso durch das hler verwendete kleine magnetische Feld nicht beeinflußt werden.

Aus dem Gesagten geht hervor, daß durch die überlagerung transversal· Komponenten eines magnetischen Feldes Über die Entladungsstrete . einesKathodenzerstUubungssystems in der Weise, daß das Feld um die Achse der Entladung Symmetrie besitzt, eine neue Zone optimaler ■.Ionisation entsteht. Weiter wird dadurch, daß die im. wesentlichen transversale Komponente dee Feldes βο eingestellt wird, daß sie über einer der Zonen optimaler Ionisierung liegt, die Kathodenerosion ohne Verlet2uns^?erstarkt, wodurch eine schnellere und homogenere-Beschichtung erreicht wird, als es mit den bisher bekannten Zerstäubungsvorrichtungen möglich war· In dem hler gewühlten Ausführungsbeispiel wurde zwar das magnetische Quadrupolfcld beschrieben, dem Fachmann dürfte jedoch klar sein, daß jedes radialaymmetrische transversalo magnetische Feld, das erflndungsgemaa der Entladung Überlagert wird, zu weitgehend Ähnlichen Resultaten fuhren dürfte· Man könfce z.B. auch zur Si ehe rote llung der radialen Symmetrie mit hoher Frequenz ein homogenes transveroales Feld entweder mechanisch oder elektrisch um die Achse der Entladungsatrcoke drehen·

Dcis Justieren der transversalen Feldkomponenteiiinsichtlich boetiramter zu überlagernder lonisationszonen entlang der Entladungsstrecke kann, wie schon erwähnt, dadurch bewirkt werden, daß entweder die Feldspulen

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relativ zur Entladungsstrecke verlagert werden oder durch /inderung der relativen Feldstärke der Spulen durch Abgleichen der SpulenstrCr.e. Bezüglich dieses Abgleich Vorganges sei auf die nachstehende Tabelle II verwiesen, in der der lonenstrora in Beziehung zu der effektiven Kathodenlage gesetzt wird entsprechend den Peldplänen von Fig. 7 - 10. Diese Magnetfeldplöne zeigen zusammen mit den in Tabolle Il aufgeführten Werten, wie die transversale Kagnetfeldkonponente entlang der Entladungsachse auf- und abverschoben werden kann durch Erzeugung eines Quadrupolfelde3, das zwar entlang der Achse der Entladungsstrecke asymmetrisch ist, aber dennoch eine radiale Symmetrie entlang der horizontalen Achse besitzt· Die angegebenen Felder wurden experimentell gemessen und durch Linien gleicher Feldstärke in Fig. 7 - 10 dargestellt. Sin Vergleich der relativen Spulenstrlme mit der Spulensycime tr iefläohe für diese Pläne zeigt, wie die Linie xx auf diese Weise ohne Änderung der Spulenlage selbst lediglich durch Abgleichen der Spulenströtno verlagert werden kann.

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Tabelle II

	Abhängigkeit des Ionenstromes zur	Vergl« . Zeiohngn·	9	I Strom obere Spule	A untere Spule	Kathode vom magnetischen Feld	Ionenstrom zur Kathode in c ffiA
	Ein- etellg	7 a	10	10	15	Lage der D Kathode mm	60
	I;	b	Vergl. Fig· 2 ύ.δ bs% KurvejII	10	15	?2	45
		C	vergl. Piß. 11	10	15	19	26
		8 a»	... '."-..	15	10	6	25
	II	b1	15	10	?2	20
		o«	15	10 .	19	50
-ν	f *-,	20	10	6	17' vr"
	\ III	10 .,;	20		17
CO O	IV	1.7*5	15	32	160
'9 8 377 0	V	20.	20	19	20
, 8 0S	VI	0	0	longitudina- lea Feld	ORfQiNAL INSPECTED
	VII		...

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Außerdem deuten Flg. 7-10 das Vorhandensein der oben erwähnten Zonen optimaler Ionisation an und zeigen aufgrund einiger typischer Messergebnisse die überaus starke Abhängigkeit des Ionenstroras von der Lage dieser Zonen relativ zum transversalen Feldkomponenten (Linie XX).

Die Auswirkung des Quadrupolfeldes auf den lonenstrom läßt sich aufzeigen durch einen Vergleich des Ionenstroms bei Einstellung VII» nämlich bei Abwesenheit des magnetischen Feldes mit den Einstellungen I, II und III bei denen eine ) günstige Überlagerung von Quadrupolfeld und Entladungastrecke vorliegt. Die Fälle III und VI werden außer acht gelassen, da. hler weniger günstige EinstoäLlungen vorliegen. Dieser Vergleich zeigt nicht nur den Vorteil der Anwendung des Feldes an sich auf« sondern auch , wie Kritisch die richtige Einjustierung der Linie XX für den richtigen Betrieb dea erfindungsgemäßen Kathodenzerstäubungseystema ist.

Einstellung I (Fig. 7) zeigt, daß mit der Verlagerung der Kathode zur Linie XX hin der lonenstrora deutlich zunimmt. Einstellung II (Flg. 8) bestätigt dies, Ee sei darauf hingewiesen, daß hier .die Kathode effektiv durch Versetzen der Spulen In eine andere Lage gebracht wird (an den Stellen a, b, c, a¹, b¹, c'). Hierdurch

wird natürlich effektiv die Kathode in bezug auf das Feld verlagert und so der Abstand zwischen den lonisierungszonen und Linie XX verändert .

Die Einstellungen III und IV zeigen deutlich, wie wichtig ea ist, die Kathode in die richtige La^e relativ zur maximalen transversalen Feldkomponente einzuJustieren. In keinem dieser Fälle liegt diese Komponente so nahe an einet- der Hftuptlonielerungszonen, daü die erfindungsgemäß erzielbaren Verbesserungen erreicht werden.

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Infolgedessen ist nur eine sehr geringe Steigerung des Ionen-^ Stroms zu beobachten. Man kann daraus folgern, daß es wenig vorteilhaft ist, ein magnetisches Feld einer Zerstäubungsentladung zu überlagern, wenn es nieht nach den Lehren der Erfindung richtig einjustiert wird,

. Die in Tabelle II aufgeführten Kathoden-Ionenströme .-(.I)- deuten außerdem auf das Vorhandensein beiderIonisationszonen hin sowie auf deren Einfluß auf den Kathodenstrom, wenn das transversale Feld stark an diese Zonen angenähert wird. In Fig. 7 wird nur der der Kathode am nächsten gelegene Ionisationsbereich beeinflußt, da die Kathode selbst an der maximalen transversalen Feldkomponente vorbeibewegt wird. Wenn man die Feldanordnung I in. Fig 7 mit der Einstellung I vergleicht, erkennt man, daß bei D * 6mm (Linie c) keine der lonisationszonen die transversale Feldkomponente (Linie X) "sieht", so daß sich der Ionenstrom nicht zu sehr von der Einstellung ohne magnetisches Feld (Fall V) .unterscheidet.· Bei D « 32mm (Linie a) beginnt Jedoch die der Kathode am nächsten gelegene Ionisierungszone, das transversale Feld zu "sehen", wobei sich der lonenstrom mohr als verdoppelt. Wenn man die Bedingungen von Fig, 8 vergleicht, kann man beobachten, daß drei Kathodenstellungen (a¹, b', c¹) mit Fig. 7 identisch sind, Θ3 findet nun einer Verlagerung der Linie XX statt, wobei die Wirkungen auf den lonenstrom ähnlich sind. Mit Hilfe ähnlicher Überlegungen kann, man sehen, daß nur die zweite lonlsationszone die transversale Komponente "sieht", da, wenn diese Zone welter von der transversalen Komponente weggezogen wird, der Strom einheitlich absinkt ohne einen zweiten Spitzenwert zu zeigen.

Einstellung V zeigt Jedoch andererseits eine viel stärkere Zunahme des lonenstroms, wenn die bisher unbekannte zweite Ionisierungszone nahe an die Linie XX heranrückt. Für diese Feldbedingungen kann Fig. 2 zum Vergleich herangezogen werden, da sie den in Fig. 2 und 3 gezeigten gleichen {vgl. insbesondere Kurve II, Spitzenwert A). Diese starke Zunahme beweist dmVor-

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Heue Anrneidungsmiteriagen

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teil der Existenz dieser zweiten Zone und ihrer erfindungs- . gemäßen Anwendung.

Fig. 7-10 bestätigen somit in Verbindung mit Tabelle II die Lehre der Erfindung, daß ein radialsymmetrisches, transversales magnetisches Feld die. Zerstäubungsraten wirksam erhöht« wenn es nahe genug an eine der oben erwähnten lonisatlonszonen herangebracht wird. Weiter ist die Lage ziemlich kritisch, denn der Ionenstrom ist in gewissem Maße exponentiell abhängig vom Abstand von der Linie X. Drittens wird eine dieser Zonen, die bisher unbekannt war, durch das Feld selbst erzeugt und führt zu einer größeren Verbesserung der Zerstäubung, wenn es ar^di« Linie X heranbewegt wird.

Zusätzlich zur Anwendung von Magnetfeldern wird das Qefaß nach den Lehren der Erfindung auf ein~ vorgeschriebenes Wandpotential aufgeladen, damit der Netto-StrorafluS zu den Gefäßwänden auf Null reduziert werden kann. Das Verschwinden des Wandstromes führt ebenfalls zu höheren Ionisationsleistungen, da kein· geladenen Teilchen dort eingefangen und damit nutzlos werden. Außerdem führt diese Maßnahme zu einer starken Verringerung der sich

da-' durch Verunreinigung ergebenden Schwierigkelten, -"an die Wand stoßende.' Teilchen die an der Wand absorbierten Verunreinigungsteilchen freimachen könnten. DJa isttei bestimmten dünnen Schichten ziemlich kritisch«

Die Wichtigkeit des genannten Gesichtspunktes geht aus dem Folgenden hervor. Derartige Verunreinigungen können z.B. durch Bildung einer magnetischen Wand im Entladungsbereich verhindert werden. Fig. 4 zeigt die Bedeutung dieser magnetischen Wand für den zur Behälterwand fließenden Nettostrom. In diesem

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Ämnelduiigsunterlogen

Falle bestand die Gefäßwand aus einem Metalleinlegrohr von etwa 15 om Durchmesser und wurde nach Pig. 5 auf verschiedenen' Potentialen gehalten. Rein longitudinale Felder (Fig. 1.1.) von mehreren hundert Oersted können eine solche magnetische Wand bilden, die tatsächlich den zur Behälterwand fließenden Nettostrom selbst dann auf Null reduziert, wenn die Wand ein positives Potential von Mehreren Volt hat (Linie S, Fig. 4) Bei einer Analogen Anordnung ohne .magnetisches Feld würde fast der gesamte Strom zu den Wänden anstatt zur Anode fließen, wie es Fig. 4 zeigt (Linie R). Das beweist, daß das longitudinal magnetische Feld den Elektroden den Zutritt zur Wand verwehrt, obwohl das Wandpotential positiv ist, Weiterhin sieht man, daß die positive Ladung der Wand geradezu nötig 1st, um die positiven Teilchen abzuweisen, auf die das magnetische Feld wegen deren größeren Maße eine geringere Wirkung ausübt.

Bei erfindungsgemäßer Verwendung des Quadrupelfeldes (Kurven M, N, 0) ist. die Situation Jedoch etwas anders, da wieder geladene Teilchen zur Wand hin geleitet werden* Hier kann aber das longitudinal« magnetische Feld nicht zur Reduktion der Wandströme verwendet werden, da dieses Feld das Quadrupolfeld verzerren und unwirksam machen würde.. Daher muß das zweite Mittel zur Verhinderung von Wandstromeffekten gemäß der Erfindung zur Anwendung gebracht werden, nämlich die Aufladung der Gefäßwand. Ss wurde festgestellt^ daß die erforderliche OrUße des Wandpotentials eine Funktion der Stärke (vergl* Fig. 4, Kurven N und M) und der Lage (vergl. Kurve 0 mit Kurve M-verschiedene Kathodenanlagen, daher verschiedene Lagen der Entladungszone bei identischen Feldern) der maximalen transversalen Feldkomponente 1st. Ein Vergleich der Kurven M und N (Flg. 4) läßt erkennen, daß mit zunehmendem magnetischen Feld die Elektronen Immer wirksamer zur Wand hin streben, so daß zur Reduzierung der Wandströme ein höheres negatives Potential nötig ist. Ein Vergleich von 0 mit M zeigt, daß die Lage der-gut abgegrenzten Entladungazonen (verändert duroh Änderung der Kathodenlage H) in bezug auf die Feldform und -stärke

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Heue Anmeldimgsunterlogei

ebenfalls das Ausmaß bestimmt, in dem die Elektronen zur Wand streben.

Aus den in Fig. 4 gezeigten Meßwerten laut sich ableiten, dal; eine Zerstäubung des Metallniederschlags auf der Glaswand die in den meisten Versuchen verwendet wird sich durch ein leicht negatives Potential mit Ausnahme des Falles eines longitudinal en magnetischen Feldes, in dem die meisten Elektronen durch das Feld selbst von der Wand ferngehalten werden, verhindert werden kann*

) ErfindungsgewKii wird daher vorgeschrieben, zur Verbesserung der Zerstäubungsbedingungen nicht nur durch ein trare/ersales, radialsymmetrisches Feld der Entladungsstrecke zu überlagern, sondern auch die Gefäßwände so aufzuladen, daß die Wandströme verschwinden. Bei den erfindungsgemäi; angewendeten Quadrupolfoldern liegt dieses Potential bei einigen Volt negativer Spannung und verändert sich entsprechend der Feldstärke.

Während die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele sich auf die Herstellung dünner hochwertiger Schichten durch Kathodenzerstäubung unter Aufprägung eines Quadrupolfeldes auf die Entladungsstrecke erstreckte, dürfte es den auf diesem Gebiet tätigen Fachleuten klar sein, daß magnetische Felder des oben genannten Typs auch vorteilhaft in Verbindung mit Zerstäubungspumpen verwendet werden können, da die Erosions- und Niederschlagsraten stark erhöht werden, woduch die Leistungsfähigkeit sowohl im oberen ale auch am unteren Druckbereich verbessert wird.

Im breiten Sinne stellt die erfindungsgemiiße Kombination ^jein Mittel dar, das die lonislerungsleistung und damit auch die Zerstäubungsleistung verbessert, während die Homogenität der Erosion und. des Niederschlages aufrechterhalten wird. Dies geschieht im Wesentlichen duöxdle Verlängerung der effektiven Weglänge der die Zerstäubung einleitenden Elektronen ohne Verlängerung der Wege in axialer Richtung, und zwar in einer von zwei vorteilharten JShtladu&gasonan.

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Eine andere Anwendunssmb'slichkeit für die Erfindung besteht innerhalb der Plasmaforschung* denn dort macht das durch die Erfindung ermöglichte bessere Handhabung der Glimmentladungsmechanismen und deren genauere Steuerung die Entladun₍3sumgebung zu einem besseren diagnostischen Werkzeug für das Plaamastudium. Das Plasraastudium wird zur Zeit eifrig betrieben als Hilfsmittel zum Verstehen der Charakteristik geladener Teilchen z.B. bei Glimraentladungslampen, gasförmigen Lasern, der Hochenergiephysik usvi. Ein in , ?ngera Zusammenhang damit stehendes Forschungsgebiet ist die Erforschung des Mechanismus der Sekundtlrelektroneneraisaion und der lonenstoiivorgänge, da die lonenstöße eine Sekundäremission im üblichen Zer6tüubung3-mechonisrous bewirkt und da die Erfindung au deren Steuerung beiträgt- Eine Untersuchung einer zerstäubten Schicht 1st tatsächlich der einzige praktische Weg zur Unterscheidung des Zerstäubungs-Ionenstcoms von der zerstäubten Sekundäremission an der Kathode .

Außerdem gibt die Erfindunc o£ha neue Möglichkeit sur Bestimmung der Lage von Ionisa^ionezonen in einer Glimmentladung sowie ein Verfahren zur Bildung einer neuen ZerstUubungs-Ionisierungssone an.

Auch Über die BeschlchtungBtechnik hinaus ist die Erfindung brauchbar, und zwar ist sie auch für die Zerstäubungserosion zweckmäßig. Durch radikale Erhöhung der Erosionsrate läßt sie sich vorteilhaft zur Ionen-Ktzung verwenden (d.h. zur Erosion einer Oberfläche durch Ionenbombardierung mittels Zerstäubung). Die Ionenätzung let geeignet zur aehr fein gesteuerten Planierung oder Aufrauhuris (z.B. zur Verbesserung der Haftung) von Oberflächen entsprechend der Wahl der Energie und der Masse der einfallenden Ionen.

Für bestimmte Substanzen* wie z.3. feuerfeste Stoffe oder Legierungen mit mehreren Komponenten, die sich durch andere Verfahren sciwe- c der gar nioht niederschlagen lassen, ist die Zer-R*suijur-g 3a.ff :r.v<scc3ti.2iggt& ■ wenn nioht· -la», einzige Verfahren

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zur Schi eiserzeugung. Die Aufdampfung im Vakuum ist bei solchen Materialien nicht anwendbar. Daher bietet für diese Schichttypen die Erfindung einer radikal erhöhten Niederschlagsleietung und eine größere Vielseitigkeit der Aufbringungsverfahren.

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Claims (1)

1. Docket SI65

   PATE NT ANSPRUCHE

   · Vorrichtung zur Herstellung hochwertiger dünner Schichten durch Kathodenzerstäubung innerhalb einer anomalen Glimmentladungsstrecke mit planaren Elektroden nach Patent . . . (Patentanmeldung . . . (Docket 8162)), dadurch gekennzeichnet, daß der Entladungsstrecke durch auseerhalb des Entladungsgefässes angeordnete Mittel ein magnetisches Feld überlagert wird, das an bevorzugten Stellen der Entladungsstrecke starke radialsymmetri*che Komponenten aufweist, daß innerhalb der Entladung s β tr ecke eine zweite Stelle maximaler Ionisation auftritt und daß die felderzeugenden Mittel so justiert sind, daß mindestens eine Stelle maximaler Ionisation von einer maximalen radialen symmetrischen Feldkomponente überdeckt ist.

   2. Vorrichtung aaoh Anaprlioh 1* dadurch gekennzeichnet» daß das Feld mit atrken radlaleymmetrleohen Komponenten durch ein magnetisches Quadrupolfeld realleiert iat, dafi die« see Feld mittele zweier dioht beieinander liegender gekühier und vom Strom in entgegengesetzten Richtungen durchfloasener Spulen erzeugt wird« deren AchM Bit d#r Aohse der Entladungestreoke zueammenTällt·

   _v,

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   Wöfi Am

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   3· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Feld mit starken radialsymmetrischen·Komponenten durch ein zur iintladunssstreoke transversal verlaufendes, mit hoher Urndrehuncszahl um die Achse der Entladungsstrecke rotierendes homogenes Hagnetfeld realisiert let·

   4# Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dad die Justierung des magnetischen Feldes durch Verlagerung der beiden das Quadrupolfeld erzeugenden Spulen bewirkt wird.

   5» Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, da P die Justierung dea magnetischen Felde« duroh Dimenaioneren dar relativen Strum· in beiden da« Quadrupolfeld erzeugenden Spulen bewirkt wird.

   6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5# daduroh gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung unerwünschter Wandströme das aus Me tall oder einem metallisierten nichtleitenden Material bestehende Entladungsgefäß in an sich bekannter Weise mit einem Hilfepotential versehen 1st« daß dieses ■ Potential bei Verwendung einesshomogenen langitudinalon Feldes positive Werte, bei Benutzung von Quadrupolfeidern dagegen negative Werte besitzt und daß die absoluten Werte dieser Hilfepotentiale umso höher liegen, je kleiner die Jeweils benutzten Feldstärken sind·

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