DE1515301A1

DE1515301A1 - Verfahren zur Aufbringung hochwertiger duenner Schichten mittels Kathodenzerstaeubung und Vorrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens

Info

Publication number: DE1515301A1
Application number: DE19641515301
Authority: DE
Inventors: Eric Kay
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1963-09-16
Filing date: 1964-09-12
Publication date: 1969-06-19
Also published as: GB1054660A; US3354074A; US3341442A

Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. H. E. BÖHMER

703 BDBLINGEN · SINDiLFINGER STBA88E 49

JOVO FKRNSPRECHKR (0 70 31) 66 W-M

Dr. Expl.

Böblingen, den 9. September 1964 si-bn

Anmelder:

Amtliches Aktenzeichen:
Aktenz. der Anmelderin!

International Business Machines Corporation, Armonk, N.Y. 10 504

Neuanmeldung Docket 8168

Verfahren zur Aufbringung hochwertiger dünner Schichten mittels Kathodenzerstäubung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

In der letzten Zeit wurden Verfahren zur Aufbringung dünner Schichten von immer größerer Bedeutung. Einer der Gründe hierfür liegt z.B. darin, daß gewisse in der Pestkörperphysik wichtige Eigenschaften übersichtlicher werden, falls sie an Materialien in Form dünner Schichten studiert werden. Derartige Phänomene finden eine wachsende Anwendung in magnetischen und elektronischen Vorrichtungen. Dieses wachsende Interesse an der Erzeugung dünner Schichten führten dazu, daß in der letzten Zeit auf dem Gebiete der Dünnschichterzeugung große Fortschritte gemacht wurden, insbesondere gelang es bei der Aufbringung dünner Schichten in zunehmendem Maße feinere Steuermöglichkeiten für wichtige Schichteigenschaften wie beispielsweise Reinheit der Substanz und der kristallinen Struktur zu realisieren. Aus verschiedenen Gründen erwartet man von der Aufbringungsmethode

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dünner Schichten mittels Stoßverdampfung bzw. Kathodenzerstäubung besondere Resultate bezüglich der genannten Kontrollmöglichkeiten. Zur Zeit weist aber gerade diese Aufbringungsmethode einige Probleme auf in bezug auf den zu erreichenden Wirkungsgrad und hinsichtlich ihrer praktischen DurchfUhrungsmöglichkeit. So ist beispielsweise die Schichtausbeute dieser Methode bisher bei Drücken zwischen etwa 10"-⁷ bis 10" Torr gering, obwohl es aus verschiedenen Gründen besonders wünschenswert wäre, gerade innerhalb dieser Druckbereiche dünne Schichten durch Aufstäubung zu erzeugen. Die vorliegende Erfindung macht sich daher zur Aufgabe, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung anzugeben, die es gestattet, mit ausreichendem Wirkungsgrad, d.h. mit ausreichender BeSchichtungsrate, dünne Schichten bei genügend niedrigen Drücken durch Kathodenzerstäubung zu erzeugen, insbesondere bei Drucken in der Größenordnung von 10 Torr oder darunter. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe unter einer Steigerung des Wirkungsgrades um mehrere Größenordnungen dadurch erreicht, daß der Sntladungsstrecke in an sich bekannter Weise ein transversales magnetisches Feld überlagert und die Geometrie der Elektroden so gewählt wird, daß die zur Zerstäubungsentladung in einem Gebiete mindestens zweier gegenläufiger, einander überlappender negativer Glimmbereiche stattfindet.

Zusammenfassend gibt die Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung für das Aufbringen von dünnen Schichten durch Kathodenzerstäubung an. Die Erfindung lehrt, wie viele verschiedene Beschichtungsmaterialien mit größerer Homogenität in bezug sowohl auf Stärke als auch auf Zusammensetzung niedergeschlagen werden können. Sie lehrt, wie Gegenstände durch Kathodenzerstäubung trotz einer unregelmäßigen Oberflächenanpassung einheitlich beschichtet werden können. Weiter werden mittels des Verfahrens und der Anordnung stark verbesserte Kathodenzerstäubungsraten erreicht, so daß eine Kathodenzerstäubung bei viel niedrigeren Drücken möglich ist. Die Erfindung nutzt das Quellenmaterial der Kathode so gut aus, daß es billiger wird, kostspielige Materialien aufzustäuben. Außerdem machen die erhöhte Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit der Erfindung die Anpassung der Kathodenzerstäubung für kontinuierliche Massenproduktionsverfahren jetzt einfacher.

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Weitere Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung sowie aus den Figuren hervor.

Fig. 1 zeigt den Querschnitt einer typischen, dem Stand der Technik entsprechenden Vorrichtungen für Kathodenzerstäubungszwecke mit planaren festen Elektroden;

Fig. 2 zeigt schematiach eine Darstellung der bei einer Glimmentladung auftretenden verschiedenen Zonen bei Benutzung von planaren Elektroden;

Fig. 3 zeigt eine schematische halbperspektivische Darstellung einer Zerstäubungsapparatur entsprechend der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 entspricht einem Seitenriß der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung;

Fig. 5 zeigt eine Querschnittdarstellung der Fig. 4, wobei auch die Einwirkungen innerhalb der Vorrichtung nach der Erfindung auf die Entladungszonen und die Wege der ionisierenden Elektronen unter der Bedingung höheren Druckes dargestellt sind;

Fig. 6 zeigt eine Schnittdarstellung ähnlich wie Fig. 3 mit einer anderen Feldanordnung (Quadrupolfeider);

Fig. 7 ist eine schematische Darstellung ähnlich derjenigen von Fig. 5, wobei die Entladungszonen entsprechend den Bedingungen einer Hohlkathodenlampe dargestellt sind;

Fig. 8 stellt die Entladungszonen ähnlich wie Fig. ¹J für die zylindrische Kathodenzerstäubungsanordnung entsprechend der Erfindung unter den Bedingungen niedrigen Druckes dar.

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In einer dem Stand der Technik entsprechenden Vorrichtung nach Fig.1. ist die Glimmentladungsvorrichtung in einem Gefäß 9 eingeschlossen, das druckresistent ist und daher eine Evakuierung auf niedrige Drücke aushält. Das Gefäß 9 kann aus Keramik oder auch für Abschirmzwecke besonders günstig, aus Metall bestehen. Dieses Gefäß 9 ist z.B. auch ein Glaskolben, bei dem die Wände mindestens 5 cm von der Anodenperipherie entfernt sind. Beim Aufstäuben dünner magnetischer Schichten mittels Kathodenzerstäubung empfiehlt es sich, einen Kolben mit dem kleinstmöglichen Durchmesser zu verwenden, falls ein homogenes magnetisches Feld in der Ebene der dünnen Schicht durch außerhalb des Kolbens angeordnete sehr große Helmholtz-Spulen 91 * 91^f (z.B. 75 cm Innendurchmesser) erzeugt werden soll. Diese Spulen müssen unbedingt nahe am Kolben liegen, da das Feld stark mit der Entfernung vom Entladungsbereich abnimmt. Diese Spulen sind so angeordnet, daß das von ihnen erzeugte Feld auf 0,1 % über eine Kugel auf einem Durchmesser von etwa 20 cm homogen ist.

Die Kathode 7 dieser zwei Elektroden verwendenden Glimmentladungsanordnung ist eben und besteht aus dem zu transportierenden Material, d.h. dem aufzustäubenden Beschichtungsmaterial. Sie kann jedoch wahlweise auch einfach mit einer Schicht des Beschichtungsmaterials versehen sein, wobei die Kathode die normale Grundform hat. Das flache, ebene Substrat 90 ist auf der Vorderseite der ebenen Anode 10 angebracht. Die Anode 10 ist natürlich in Richtung der Verbindungslinie zwischen Kathode und Anode verstellbar, damit die Lage des darauf befestigten Substrats verändert werden kann. Die einzige Einschränkung für die Befestigung des Substrats 90 auf der Anode 10 besteht darin, daß eine gute Wärmeleitung gegeben sein muß. Die Anode 10 kann aus einem beliebigen leitenden, hitzebeständigen Metall, z.B. aus Aluminium, bestehen. Für die Aufbringung dünner magnetischer Schichten durch Kathodenzerstäubung muß die Anode 10 nichtmagnetisch sein. Sowohl die Kathode als auch die Anode sind wassergekühlt, damit ihre Temperatur nach Wunsch auch auf Zimmertemperatur gehalten werden kann. Kühlvorrichtungen sind in Mantelform innerhalb der Basis 6 der Kathode J sowie innerhalb der Anode 10

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vorgesehen. Ein beliebiges geeignetes Kühlmittel, z.B. Wasser, kann'an der Kathodeneinlaßöffnung 4 eingepumpt werden. Es tritt an der Auslaßöffnung 5 wieder aus, um nach Wärmeaustausch wieder in Umlauf gesetzt zu werden. Ebenso tritt das Kühlmittel für die Anode 10 durch die Einlaßöffnung 11 und die Auslaßöffnung 12. Der Spannungsabfall zwischen Kathode und Anode kann unter Verwendung eines Gleichstromversorgungsgerätes niedriger Impedanz mit Siebteil und mit einer Leistung von 5 kV . 500 mA zwischen 0 und 50OeV variiert werden. Erwünschte Glimmentladungseffekte treten bekannterweise

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im Druckbereich zwischen 10 und 10 ^ mm Hg auf. Um aber eine Glimmentladung in den niedrigeren Druckbereichen aufrechtzuerhalten, in denen die mittlere freie Weglänge der Elektronen groß ist, muß die Ionisationsrate auf irgend eine Weise erhöht werden, z.B. dadurch, daß der Entladung ein geeignetes Feld überlagert und dadurch die effektive Weglänge der kollidierenden Elektronen vergrößert und die Stoßwahrscheinlichkeit entsprechend erhöht wird. Die Erfindung gibt ein für solche Zwecke geeignetes neuartiges Feld für zylindrische

—ft Elektroden an, welches eine Kathodenzerstäubung bis zu 10~ Torr hinab ermöglicht.

Mittels einer nicht gezeigten Diffusionspumpe wird auf Glimmentladungsdrücke evakuiert und dann ein konstanter Druck aufrechterhalten, während ein reines inertes Gas in die Öffnung 15 hineingepumpt wird. Die Ionenstromdichte ist sehr empfindlich gegenüber kleinen Druckschwankungen, und daher muß die Strömungsrate des Durchspülgases durch das System genau überwacht bzw. gesteuert werden.

Die Glimmentladungszonen können in einer solchen Anordnung (Fig. 1) durch die Verwendung sowohl eines externen, longitudinalen magnetischen Feldes (nicht gezeigt) als auch einer entsprechend aufgeladenen und geformten Abschirmung räumlich abgegrenzt werden. Eine •solche Abschirmung 8 ist in Fig. 1 gezeigt; sie umgibt dort die Kathode ¹J. Wird sie um die ebene Kathode 7 gelegt, erleichtert die Abschirmung 8 die Entladung in axialer Richtung von der Kathodenvorderseite zur Anode 10 hin. Die Anode 10, deren Form nicht kritisch ist, kann innerhalb des Bereichs von z.B. 4-14 cm, aber

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jenseits der für die Entladung unzugängliche "Schattenzone," in verschiedenen Abständen von der Kathode angeordnet werden. Um einwandfreies Arbeiten zu gewährleisten, muß sie so nahe wie möglich an der Kathode 7 liegen. Der Kathodenquerschnittsbereich muß jedoch zur Sicherstellung einer maximalen Leistung mindestens so groß wie das Substrat sein. Bestimmte Elektrodenbereiche werden nachstehend hinsichtlich ihrer Zerstäubungsleistung aufgeführt. Die gemeinsamen Entladungsparameter (z.B. Strom, Druck, Spannung und geometrische Abmessung) stehen nach festgelegten Ähnlichkeitsgesetzen in Wechselbeziehung zueinander. Die verschiedenen Zonen und die betreffenden Parameter sind in Pig. 2 schematisch veranschaulicht.

Zur Charakterisierung der Glimmentladungsmerkmale seien nun die typischen Glimmzonen und die Teilchenwechselwirkung für ebene Elektrodenanordnung und für die Hohlkathodenentladungsstrecke nach dem Stand der Technik und für die Zerstäubung mit zylindrischer Kathode nach der Erfindung beschrieben. Dieses Vorgehen soll die Terminologie und die für den S'^and der Technik charakteristischen Merkmale leichter verständlich machen und gleichfalls die Vorteile der Erfindung besser herausstellen.

Die bekannte Kathodenzerstäubung mittels ebener Elektroden,(z.B. die Vorrichtung von Pig.1) bildet einen Ausgangspunkt für das Verständnis der allgemeinen Glimmentladungs- oder Kathodenzerstäubungsphänomene .

Fig. 2 zeigt schematisch die Änderung der Entladungsphänomene entlang der Entladungsstrecke für eine typische ebene Entladungsanordnung nach Fig. 1. Mit Hilfe dieses Diagramms und der nachstehenden Beschreibung lassen sich einige der in der vorliegenden Beschreibung verwendeten Begriffe verdeutlichen. Eine derartige Glimmentladung findet nur in einem Druckbereich zwischen 1 und 2-10 Torr äfcatt, obwohl in Gegenwart magnetischer Felder auch niedrigere Drücke möglich sind. Die Aufrechterhaltung der Glimmentladung erfolgt im wesentlichen durch Elektronen, die an der Kathode als Ergebnis einer ■ Ionenbombardierung erzeugt werden und die ihrerseits zur Anode

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befördert werden. Hierbei werden weitere positive Ionen erzeugt, die durch Stoßvorgänge Teilchen aus der Kathode herauserodieren. Diese Teilchen diffundieren dann zum Substrat hin und schlagen sich darauf nieder. Im Astonschen Dunkelraum befindet sich eine Anhäufung dieser Elektronen, die Energie durch den Crookesschen bzw. den Hittorffschen Dunkelraum hindurch gewinnen, der auch als Kathodenfall oder KathodendunkeIraum bezeichnet wird. Die Abgabe der Anregungsenergie der positiven Ionen bei der Rekombination ist die Ursache für das Kathodenglimmen. Die Elektronen, die durch den Crookesschen Dunkelraum gelangt sind, treten in einen Bereich mit konstantem Feld ein, manche von ihnen mit ziemlich hohen Geschwindigkeiten. Dies 1st der negative Glimmbereich. Hier verlieren sie ihre Energie durch weitere unelastische Stöße, bei denen manche von ihnen eine Ionisierung bewirken, wobei die angeregten Atome das negative Glimmlicht hervorrufen. Das Ende des negativen Glimmbereichs entspricht der Reichweite von Elektronen mit für eine Anregung ausreichender Energie. Jenseits dieses Bereichs, im Paradayschen Dunkelraum, nehmen die Elektronen wieder an Energie zu. Die positive Lichtsäule ist der ionisierte Bereich, der sich aus dem Paradayschen Dunkelraum fast bis zur Anode erstreckt.

Bei Druckverringerung erweitert sich der KathodendunkeIraum auf Kosten der positiven Lichtsäule, weil die Elektronen jetzt eine größere Strecke zurücklegen müssen (die mittlere freie Weglänge ist größer), um eine Ionisierung bewirken zu können. Dieses Phänomen zeigt, daß die Ionisierungsvorgänge im Kathodendunkelraum für die Aufrechterhaltung der Entladung unbedingt notwendig sind. Die positive Lichtsäule erfüllt lediglich die Funktion eines leitenden Pfades zwischen der Anode und dem negativen Glimmbereich. Zur Aufrechterhaltung der Glimmentladung muß ein Elektron bei seinem Durchgang durch das Gas diejenige Zahl positiver Ionen erzeugen, die beim Aufschlag auf die Kathode ein neues Elektron freimacht. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, erweitert sich der Kathodendunkelraum, bis er die Anodenelektrode erreicht,und an diesem Punkt verlöscht die Entladung.

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Wie man sieht wird bei dieser ebenen Konfiguration nur eine anomale; eingeschränkte Art der Glimmentladung verwendet. Eine solche Entladung wird "eingeschränkt" genannt, weil die positive Lichtsäule und der Faradaysche Dunkelraum von Fig. 7 entfallen und alle zur Aufrechterhaltung der Entladung nötigen Vorgänge im negativen Glimmbereich und im Crookesschen Dunkelraum stattfinden. Sie wird anomal genannt, weil die Entladung auf den spannungsabhängigen Bereich hohen Stroms auf der Spannung-Ionenstrom-Kurve beschränkt ist.

Bevor nun die erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung der Kathodenzerstäubung im einzelnen beschrieben werden, seien die Parameter näher betrachtet, an Hand deren die Aufstäubungswirkung gemessen wird. Ein solcher Parameter und ein wichtiges Maß für die Zerstäubungsausbeute ist das Schichtstärkenprofil. Wegen seiner umfassenden Eigenschaft ' als analytisches Werkzeug zum Prüfen der Gleichförmigkeit mehrerer Schichtwachstumsparameter ist er eines der nützlichsten Kriterien zur Beurteilung des Schichtwachstums. Auf einer homogenen Substratoberfläche ohne Temperaturgradienten deuten Bereiche einheitlicher Schichtstärke qualitativ auf eine einheitliche Ankunftsrate auftreffender Teilchen hin, die zu einer einheitlichen Verteilung der Teilchengröße- und Teilchengestalt in der so aufgestäubten Schicht sowie zu einer kristallographischen Homogenität führt. Eine Steuerung dieser Parameter ist besonders wichtig beim Studium magnetischer Eigenschaften sowie allgemein bei der Erzeugung dünner Schichten.

In nahezu jeder allgemein verwendeten Glimmentladungsvorrichtung ist das Stärkenprofil auf einem Substrat von einer Steuerung des Transportmechanismus von zerstäubten Teilchen von der Quelle (Kathode) aus zum Substrat abhängig.

Die experimentall meßbaren Größen, von denen das Schichtstärkenprofil abhängig ist, sind:

1. Die Ionenenergie, die Stromdichte, die Auftreffrichtung der Ionen und das resultierende Erosionsprofil an der Kathodenoberfläche;

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2. die räumliche Lage des Substrats;

3. die Größe der Kathoden -fallspannung;

4. der Druck und die dadurch bedingte mittlere freie Weglänge der zerstäubten Teilchen sowie

5. die Entfernung der Wände des Entladungsgefäßes vom Substrat.

Alle diese Parameter stehen in Beziehung zueinander, und jede Änderung einer Größe spiegelt sich im Stärkenprofil am Substrat wieder.

Um die Erfindung leichter verständlich zu machen, sei sie nun mit der zum Stand der Technik gehörenden, etwas ähnlichen Hohlkathodenentladungslampe (HCD) verglichen. In der HCD-Vorrichtung wird eine Glimmentladung dahingehend abgewandelt, daß eine negative Glimmbeleuchtung auftritt und die Anordnung als Lampe wirkt. Eine negative Glimmbeleuchtung entsteht, wenn mehrere einander entgegengerichtete Glimmentladungskathoden veranlaßt werden, Entladungszonen mit sich überschneidenden negativen Glimmbereichen zu bilden. Die Beleuchtung beruht auf der Erzeugung von Photonen in diesem Uberschneidungsbereich. Ein solches Phänomen tritt auf als Ergebnis der Teilchenanregung (z.B. Argonteilchen) auf Energieniveaus, die ausreichen, um spektrale Strahlung von Lichtquanten ht freizumachen. Dies unterscheidet sich grundsätzlich von der Wirkungsweise der Elektronen, wie sie für Zwecke der Zerstäubung gefordert werden. Hier erfolgt die Anregung der Elektronen dazu, Teilchen zu ionisieren, die ihrerseits eine Kathodenoberfläche erodieren sollen. Dieser Zerstäubungsmechanismus wäre in der Lampenvorrichtung äußerst schädlich und wurde daher bis jetzt sorgfältig vermieden. Eine solche HCD-Lampe ist in Fig. 7 gezeigt. Wie man dort sieht, weist die Kathode 101 einander gegenüberliegende Kathodenflächen auf, und zwar hier infolge ihrer durchgehenden zylindrischen Form. Wenn hier HCD-Bedingungen zwischen der Kathode und der Anode 103 herbeigeführt werden, erscheinen einander entgegengerichtete HCD-Bereiche und erzeugen den erforderlichen überlappenden negativen Glimmbereich, der schematisch bei 105 dargestellt ist.

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Man könnte natürlich den Aufbau und die Arbeitsbedingungen der Lampe 100 so verändern, daß die Glimmentladung vom Hohlkathodentyp in eine Zerstäubungsentladung umgewandelt wird, obwohl bisher niemand ein praktisches Mittel dafür vorgeschlagen zu haben scheint. Dies zu tun, würde eine Umkehrung der bisherigen Konzeption der HCD bedingen, zu der es notwendigerweise gehört, Maßnahmen zu treffen, um die Zerstäubung zu vermeiden, da dadurch die Kathode erodiert wird, Röhrenoberflächen beschichtet werden und so die Lebensdauer der Lampe verkürzt wird. Außerdem müßten radikale Änderungen hinsichtlich der Beträge der angelegten Spannung durchgeführt werden (Erhöhung von unter 100 V auf einige 1 000 V), in den Betriebsdrücken (zur brauchbaren Schichterzeugung Senkung von etwa 1 Torr auf unter 10""-³ Torr) und in der Größe (für praktische Schichtabmessungen Stei-

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gerung von ca. 1 cm auf ca. 100 cm ). Würden solche typischen Zerstäubungsbedingungen auf die Lampe 100 angewendet, so würde dadurch charakteristischerweise eine positive "Raumladungs"-Wolke 107 an der Kathode 101 entstehen. Diese Wolke von Teilchen erscheint in allen üblichen Zerstäubungsentladungen und entsteht durch den Unterschied in der Beweglichkeit der schnellen Elektronen und der langsameren Ionen, da die Elektronen die Entladungszone zwischen Anode und Kathode viel schneller durchqueren als die Ionen.

Eine solche Glimmlampenbedingung kann jedoch, wie jetzt herausgefunden wurde, dahingehend abgeändert werden, daß ein neuer, vorteilhafter Zerstäubungsmechanismus entsteht. Durch die Wahl geeigneter Werte für Druck, Betriebsspannung und Abmessungen der Hohlkathodenvorrichtung kann, solange eine Überschneidung der negativen Glimmzonen aufrechterhalten wird, die Kathodenzerstäubung besser über einen ausgedehnten Druckbereich ausgeführt werden. Dabei handelt es sich zusätzlich zu der üblichen durch mit Ionenbombardierung erzeugte Sekundärelektronen bewirkten Kathodenzerstäubung um eine von durch lichtelektrische Emission erzeugten Sekundärelektronen bewirkte Kathodenzerstäubung. Wie bereits erwähnt, erzeugt dabei die

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Überlappung der negativen Glimmbereiche Photonen, und diese wiederum bewirken die sekundäre lichtelektrische Emission von Elektronen in großer Zahl von der Kathodenoberfläche aus. Diese durch lichtelektrische Emission erzeugten Elektronen erhöhen daher stark die Zahl der Elektronen, die für die Ionisierung von Teilchen zur Verfügung stehen. Dadurch wiederum wird die Rate der Kathodenzerstäubung und damit die Beschichtungsrate erhöht. Die Erfindung lehrt also eine neue Art der Kathodenzerstäubung in einer zylindrischen Kathode bei höheren Drücken (10 Torr und darüber) durch die Herbeiführung einer Zerstäubungsentladung mit überlappenden negativen Glimmbereichen.

Nach dieser Beschreibung einer "Kathodenzerstaubungslampe" 100 können wir uns dem Ausführungsbeispiel 200 mit zusätzlichem Magnetfeld in Fig. 8 zuwenden und dessen Eigenschaften und Vorteile erläutern, insbesondere bei niedrigeren Drücken, bei welchen der Lampenmechanismus verschwindet (10 Torr oder darunter). Wie schon bezüglich Fig. 7 gesagt, werden in bekannter Weise Glimmentladungsbedingungen (niedriger Druck, hohe Spannungen usw.) zwischen der Anode 205 und der Kathode 201 herbeigeführt. Außerdem ist erfindungsgemäß jedoch ein magnetisches Querfeld, z.B. durch die Spule 208 erzeugbar, vorgesehen, um die Entladungsbedingungen durch Überlagern eines transversal zur Entladungsstrecke verlaufenden, homogenen Mcignetfeldes zu verändern. Dies bewirkt u.a. einen Verlauf der ionisierenden Elektronen in Form einer Doppelspirale, wodurch deren wirksamer Weg zwischen Kathoden und Anode stark verlängert (Fig. 5) und damit ihre effektive Beweglichkeit verringert wird. Unter den genannten Bedingungen ist die Durchgangszeit für Elektronen länger als für Ionen. Das Ergebnis dieser verringerten Elektronenbeweglichkeit ist eine Umkehrung der Raumladung von einer positiven Ladung an der Kathode wie in Fig. 7 (Zone 107) in eine negative Raumladung an der Anode

-4 (Zone 207). Diese Umkehrung tritt bei einem Druck unter 10 Torr bei dem erfindungsgemäßen Magnetfeld auf. Der Fachmann kann sich gut vorstellen, welche radikalen Veränderungen dadurch im Aufbau

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der Zerstäubungsentladung bewirkt werden, da diese Elektronenwolke 207 eine virtuelle Kathode bildet und die Kathode 201 (effektiv) in den Bereich 207 verschiebt. Diese Veränderungen werden noch nicht vollständig verstanden, man nimmt aber an, daß das Magnetfeld einige Entladungsbereiche dämpft und außerdem bei niedrigeren Drücken die negative Raumladung an der· Anode erzeugt, wodurch ein steilerer Feldgradient entsteht und Ionen mit höherer Energie erzeugt¹ werden, woraus die beobachteten wesentlichen Erhöhungen der Zerstäubungserosionsleistung resultieren.

Außerdem werden Erhöhungen der Ionisierungsieistung erreicht, die auf einer Konservierung von Elektronenenergie beruhen. Dies ergibt sich aus der durch das Feld bewirkten spiralförmigen wiederholten Inumlaufsetzung von Elektronen (209) durch die Ionisierungsbereiche (vergl. Fig. 5), die wahrscheinlich zu vielfachen ionisierenden Stößen führt. Die Erosionserhöhungen folgen auch aus der verringerten Wahrscheinlichkeit wiederholter unelastischer Stöße der Ionen (211) mit anderen Teilchen der Raumladung und der Tatsache, daß sie nicht mehr daran gehindert werden, die Kathode zu erodieren, da die positive Raumladungswolke nicht mehr im Wege steht.

Natürlich muß die Stärke des Magnetfeldes so groß gehalten werden, daß sich die doppelt spiralförmige Bewegung des Elektrons (209) auf, der angedeuteten Strecke in Fig. 8 ausbilden kann. Wie man sieht, verläuft diese Bahn spiralförmig sowohl um die Anode 205 ^als auch um sich selbst herum. In der Praxis hat sich dafür ein Feld von ca. 700 Gauss als zufriedenstellend erwiesen. Die spiralförmige Einwärtsbewegung zur Anode 203 hin beruht größtenteils auf dem durch Stöße (als X angedeutet) bewirkten Verlust kinetischer Energie.

Eine zweite Bedingung für die Magnetfeldstärke besteht darin, daß sie bei dem Betriebsdruck groß genug sein muß, um die Entladungsbereiche genügend komprimiert zu halten, damit sie bei der Erweiterung mit nachlassendem Druck die Entladung nicht löschen. Diese Expansion verläuft indirekt proportional mit dem Betriebsdruck, je niedriger

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der Druck ist, desto größer muß daher die Feldstärke sein. Bei

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einem Druck von 10 ^ - 10 Torr hat sich z.B. der Wert von etwa 700 Gauss bei Verwendung von Vorrichtungen entsprechend der von Pig. 4 als geeignet erwiesen.

Die eJrfindungsgemäße Überlagerung einer Zerstäubungsentladung in einer zylindrischen Kathode mit einem Magnetfeld verlängert also die Elektronenbahnen und dämpft die Entladungsζonen.

Angesichts der vorstehenden Erläuterungen der Eigenschaften und der Wirkungsweise des Glimmentladungsmechanismus sowohl entsprechend dem bekannten Stand der Technik als auch gemäß der Erfindung kann man die bedeutsamen Änderungen, die der erfindungsgemäßen zylindrischen Kathodenentladungsanordnung zu eigen sind, und die Vorteile, die durch die dargelegten experimentellen Maßnahmen erreicht werden, in den folgenden Ausführungsbeispielen leichter verstehen.

Ein für die praktische Ausübung der Erfindung geeignetes Ausführungsbeispiel ist die in Pig. 4 gezeigte Kathodenzerstäubungsvorrichtung. Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, daß erfindungsgemäß die Gefäßkammer die Form der zylindrischen Kathode 40 selbst annimmt. Dies ist eine einschneidende Verbesserung gegenüber allen.Formen bisher bekanfcer Zerstäubunssvorrichtungen, da dadurch der Aufbau vereinfacht, Teile und Platz eingespart und eine einfache Kühlung der Kathode durch externe Einrichtungen, z.B. durch die Kühlschlange 50, ein Wärmeaustausch mit der Kathode 40 ermöglicht werden. Die genannte Wärmeaustauschvorrichtung 50 wird mit einem geeigneten herkömmlichen Kühlmittel, z.B. Wasser oder flüssigem Stickstoff, betrieben. Es kann jedoch auch jede andere Kühlvorrichtung verwendet werden. Wichtip; ist, daß ohne Rücksicht auf die verwendete Einrichtung eine solche kombinierte "Kathoden-Behälterwand"-Anordnung das Kühlproblem "erheblich vereinfacht. Die Zweckdienlichkeit wird besonders dadurch "erhöht, daß die Kathode nicht mehr wie bei den bekannten Vorrichtungen in einem evakuierten Kolben untergebracht ist, was das Einführen der Kühlvorrichtung in einen evakuierten Behälter und eine

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Vergrößerung des Behältervolumens bedingen würde und so z.B. auch • vakuumtechnische Probleme mit sich brächte. Außerdem wird es, was noch bedeutsamer ist, durch diese Anordnung möglich, die Feldspulen (z.B. die Spulen 80) viel näher an den Elektroden und der Entladungsstrecke selbst anzuordnen und so eine bessere Ökonomie in der Felderzeugung zu erreichen.

Das Substrat 47, das dem zu beschichtenden Gegenstand entspricht, wird in die durch die zylindrische Kathode 40 gebildete Kammer eingebracht, und nun unter den oben genannten Bedingungen wird es durch Zerstäubung mit dem von der Kathodenhülse 41 innerhalb der Kathode 40 erodierten Material beschichtet. Dabei wird natürlich das Substrat galvanisch mit der positiven Anode 42 verbunden. Statt dessen kann auch die Oberfläche der Kathode 40 direkt erodiert werden, indem die Hülse 41 entfernt wird. Wie in jedem Kathodenzerstäubungsvorgang füllt das erodierte Material die Entladungskammer mit einem Gas, das dieselbe Zusammensetzung wie die Hülse 41 aufweist. Dieses Gas strömt sich ausbreitend zu der Oberfläche des Substrats 47 und schlägt sich darauf gleichförmig nieder in gleichförmiger sorgfältig überwachter Weise. Es ist ein besonderer Vorteil dieser neuartigen Kathodenzerstäubungsanordnung, daß es bei einer solchen zylindrischen Kathodenform möglich ist, das Beschichtungsmaterial homogener und besser zum Niederschlagen auf der Oberfläche jeder beliebigen Substratform zu veranlassen. Das liegt daran, daß die zylindrische Kathode nach der Erfindung im Gegensatz z.B. zu einer ebenen Beschichtungsvorrichtung eine Beschichtung aus allen Richtungen bewirkt. Z.B. kann anstelle des Substrats 47 und der Anode 42 ein Prisma in den Zylinder eingebracht und einheitlich durch Kathodenzerstäubung beschichtet werden ohne eine bedeutsame Abhängigkeit von seiner Form oder Lage. Wenn es außerdem noch gedreht wird, erhält man eine optimale Schichthomogenität. Dies ist ein einschneidender, bedeutender Unterschied gegenüber den bisher bekannten Glimmaufstäubungsvorrichtungen, bei welchen die Güte der erzeugten Schicht äußerst lageabhängig ist und die Substrate in bezug auf

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Lage und Form notwendigerweise ziemlich festliegen. Wenn innerhalb der Kathode genügend Platz vorhanden ist (die Anordnung nach der . Erfindung ermöglicht es, größere und längere Kathodenanordnungen zu verwenden), lassen sich ferner mehr als ein solcher Gegenstand verschiedener Form und Lage gleichzeitig axial innerhalb der einzigen zylindrischen Kathode anordnen, wobei die einzige Einschränkung darin besteht, daß zwischen einem solchen Gegenstand und der Erosionsfläche der Quellenhülse 41 keine sperrende Fläche vorhanden sein darf. Dem Fachmann ist es selbstverständlich klar, daß die Hülse aus Beschichtungsmaterial aus jedem für die Beschichtung des Substrats 47 geeigneten Material bestehen kann, solange dieses mit der Kathode 40 galvanisch und thermisch verbunden ist. Dies gestattet eine einfache Änderung des Beschichtungsquellmaterials. Das Quellenmaterial könnte natürlich auch den Kathodenzylinder selbst bilden, obwohl es vorzuziehen ist, diesen nicht zu erodieren, sondern ihn unerodiert als Behälterwand zu benutzen. Ebenso könnte das Substrat

47 auch die Anode 42 selbst bilden, die koaxial zur Kathodenwand

in die Kammer 70 eingeführt werden kann. Es ist aber selbstverständlich zweckdienlicher, möglichst die Anodenfläche als Halterung für das einzuführende zu bestäubende Objekt sowie als Kühlungsmedium zu benutzen. Die Anode 42 könnte auch einen Objektträger von beliebiger geeigneter Form bilden, z.B. ein Prisma. Ein solches Prisma könnte mit Einsätzen versehen werden, die die Objekte in der Entladungskammer erfassen. Die Abkühlung erfolgt zweckmäßigerweise innerhalb der Anode 42, indem z.B. ein Kühlmittel durch die Leitung 46 eingepumpt wird und nach Wärmeaustausch durch die äußere Leitung

48 wieder hinausfließt. Statt dessen kann aber jedes dem Fachmann bekannte Kühlsystem verwendet werden. Wie man sieht, bildet die Hilfskammer 70 in Verbindung mit ihrem abnehmbaren Deckel 71 eine Eintrittsöffnung, durch welche die verschiedenen Anodensubstrate axial eingeführt werden können, so daß z.B. das Substrat 47 schnell und leicht in die Kammer einführbar und wieder herausnehmbar ist. Eine zweite und gänzlich überraschende Funktion der Kammer 70 dient

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der Reinigung. Eine solche Vorreinigungsanordnung wird auch durch die neuartigen Armaturen unterstützt, nämlich durch den drehbaren Verschluß 53, das Gitter 72 und die axial herausnehmbare Hilfsanode 44.

Unter Benutzung dieser Armaturen ergibt sich folgendes neuartiges Vorreinigungsverfahren:

Wenn sich die Substrate in der Hilfskammer 70 befinden und der Verschluß 53 so eingestellt ist, daß diese Kammer gegenüber dem Hauptsystem abgeschbssen ist, wird die Hilfsanode 44 in die Hauptentladungskammer eingeführt und auf Zerstäubungsspannung aufgeladen, um so Ausheizung zu Säuberungszwecken an den inneren Gefäßwänden der Kammer einzuleiten. Das hierbei anfallende, zu beseitigende Material kann entweder dadurch eingefangen werden, daß es auf der Hilfsanode 44 niedergeschlagen wird oder daß es während der Zerstäubung nach unten durch die Öffnung 52 gepumpt wird. Eine solche Vorreinigung bzw. Ausheizung durch Ionenstoß eignet sich besonders für die hier beschriebene erfindungsgemäße Anordnung. Die Bereit- ; 'Tlun ■ der Hilfsanode 44 macht es unnötig, das Substrat während der Reinigungsentladungszeit herauszunehmen oder abzudecken.

Während die SubstratObjekte sich in der Hilfskammer 70 befinden, können auch diese einer Vorreinigung unterzogen werden. Zu diesem Zweck ist das gelochte Gitter 72 vorgesehen. Es wird während des Reinigungsvorganges so vorgespannt, daß die Substrate mit Ionen geringer Energie (etwa j500 eV), die durch die Elektrodenöffnungen hindurchgehen, beaufschlagt werden. (Hierbei handelt es sich somit um Stoßvorgänge innerhalb eines Kanalstrahles). In dieser Anordnung werden Elektronen durch das gelochte Gitter 72 abgewiesen, wodurch die Substrate von dem Plasma hoher Elektronendichte ferngehalten werden, um eine durch Elektronen verursachte Verunreinigung, z.B. eine Polymerisation von öldämpfen, zu vermeiden. Nach der Vorreinigung durch Ionenstöße können die Substrate dann zur Beschichtung in die Zerstäubungskammer eingebracht werden.

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In Verbindung mit der Hilfskammer 70 sei darauf hingewiesen, daß sie abdichtbar, aber isoliert, z.B. durch Teflon-Isolierung 56, mit den Stirnplatten 58, 58' der Hauptkammer verbunden ist.

Die Stirnplatten 58, 58' dienen als axiale Abschlüsse des durch die zylindrische Kathode 40 gebildeten Behälters. Diese Endplatten bestehen aus einem metallischen Material, vorzugsweise demselben Material wie die Kathode 40, um so die effektive Kathodenfläche zu vergrößern und dadurch unerwünscht scharfe Feldgradienten an den Zylinderrändern zu vermeiden. Schichten 60, 60' aus dielektrischem Material liegen über den Außenflächen der Endplatten 58, 58' mit Ausnahme von Lücken 95 (wenige mm groß) an der Hülse 41. Hierdurch wird die Entladung an den Stirnplatten und deren Erosion verhindert und trotzdem eine vakuumdichte Verbindung zwischen Metall und Dielektrikum durch die Verwendung von Metallwänden 58, 58' vermieden.

In den Eintrittsöffnungen 54 und 55 sind Ventile 57, 57^f vorgesehen, die die zur Zerstäubungskammer zugelassene Menge inerten Gases- dosieren. Solche Ventile werden vorzugsweise mit Steuerungen versehen, die es ihnen ermöglichen, als Gaseinlaß mit veränderlicher Durchlaßrate zu wirken, so daß Eingangsgas ständig in winzigen Mengen in den Entladungsraum eingelassen werden kann, was auch eine gewisse Kühlung des Substrats 47 während des Kathodenzerstäubungsvorganges bewirkt. Wenn nötig, kann eine solche Hilfskühleinrichtung die gleichen Vorteile wie die Anodenkühleinrichtung 45 usw. bieten. Die Steuerung der Substrattemperatur ist natürlich wichtig, weil sie sowohl die physikalischen Eigenschaften als auch die chemische Zusammensetzung der darauf aufgestäubten Schicht beeinflußt. Diese Temperatur wird besonders kritisch, wenn oxydierbare Materialien zerstäubt werden oder wenn die aufgestäubte Schicht während der Aufbringung magnetisch orientiert werden soll. Ohne Steuerung der Substrattemperatur ist eine Aufbringung von Schichten mit gleichförmigen physikalischen und chemischen Eigenschaften durch Kathodenzerstäubung praktisch unmöglich. Auch eine thermische Verdampfung von Kathodenmaterial muß verhindert werden, damit z.B. ein Legierungsbestandteil nur der Zerstäubung, nicht aber einer Verdampfung ausgesetzt ist. Dies sind wichtige Gründe für eine sorgfältige Kühlung' der Kathode.

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Die Erfindung gibt also eine neuartige Elektrodenkonfiguration an, die zu bisher unbekannten Entladungsmerkmalen führt. Sie besteht aus einer zylindrischen Kathodenfläche, abtrennbaren Elektroden, einer Hilfsentladungskammer und nicht zerstäubenden Stirnplatten, die ebenfalls Kathodenpotential aufweisen.

Die Erfindung lehrt weiterhin auch eine neuartige Feldanordnung. Wie man in Pig. 4 sieht, umgibt eine ein Magnetfeld erzeugende Spule 80 die Zerstäubungskammer. Die Spule 80 kann auch durch jede gleichwertige Vorrichtung ersetzt werden, die ein Magnetfeld zu erzeugen gestattet, welches axial zu der von der Kathode 40 gebildeten zylindrischen Kammer verläuft und radiale Symmetrie aufweist. Diese neuartige Peldanordnung wirkt zusammen mit der zylindrischen Elektrodenanordnung nach der Erfindung und stellt eine neue und überraschende Verbesserung gegenüber bekannten Kathodenzerstäubungsvorrichtungen dar, indem sie die Zerstäubungsleistung größenordnungsmäßig je nach den Zerstäubungsbedingungen um das Zehn- bis Hundertfache erhöht. Solche Leistungserhöhungen sind in der Technik außerordentlich wichtig, denn sie machen die Beschichtungsraten der Kathodenzerstäubung konkurrenzfähiger mit denen anderer Verfahren und erlauben eine Kathodenaufstäubung bei niedrigeren Drücken. Das erfindungsgemäß überlagerte Magnetfeld erhöht die Ionisierung und steigert so die Kathodenerosionsrate und damit die Beschichtungsrate. Ein sehr wichtiger Grund dafür ist aus Fig. 5 ersichtlich, die allgemein einen Querschnitt durch die in Fig. 4 dargestellte Kathodenzerstäubungsvorrichtung zeigt und die Anordnung der Kathode 40, der Kombination 47' aus Anode und Substrat, dem Crookesschen Dunkelraum (CDS) und einer typischen Elektronenbahn EP von der Kathode zur Anode veranschaulicht. Dies zeigt schematisch, wie die Weglänge der Elektronen vergrößert wird durch die Aufprägung des Magnetfeldes (Linien X), das in axialer Richtung zur Kathode 40 (in das Papier hinein) verläuft. Die doppelt spiralförmige Bahn EP wird erzeugt durch die gemeinsame Wirkung des durch die Spule 80 erzeugten Magnetfelds und des elektrischen Feldes E zwischen den Elektroden (auf die beschleunigten Ladungsträger). Das Feld E erstreckt sich radial zwischen der Kathode 40 und der Kombination 47' aus Anode und Substrat.

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Die Überlagerung des Magnetfeldes auf die Vorrichtung hat mindestens zwei zusammenwirkende Konsequenzen. Die eine besteht darin, daß die Länge der Glimmentladungszonen (z.B..des Crookesschen Dunkelraums) verkürzt und dadurch eine Verkleinerung des Elektrodenabstandes ermöglicht wird. Daher kann das Volumen der Zerstäubungsvorrichtung verringert sowie die Dichte des ionisierbaren Materials durch Einschränkung der ionisierbaren Zone erhöht werden. Wie Fig. 5 schematischdarstellt, besteht die andere Wirkung darin, daß die Elektronenbewegung auf der doppelt spiralförmigen Bahn EP zur Anode hin verläuft. Diese Spiralbahn tritt sowohl um die Anode selbst als auch um die Longitudinalbahn des. Elektrons herum auf. Das Ergebnis besteht natürlich darin, daß die effektive Weglänge des Elektrons stark vert, 'fißert und damit die Wahrscheinlichkeit ionisierender Stöße erhöht wird. Hierdurch wiederum wird die Ionisationsleistung des Systems gesteigert, so daß die Stoß- bzw. Erosionsrate für die Kathode erhöht wird, was wiederum eine gesteigerte Beschichtungsrate zur Folge hat. Eine verbesserte Leistung folgt auch daraus, daß infolge der zylindrischen Kathodenanordnung die von der Kathode aus zerstäubten Teilchen fast hundertprozentig ausgenutzt werden und wenig Kathodenmaterial verloren geht. Infolge der Geometrie der Entladungsanordnung muß das erodierte Material entweder auf das Substrat auftreffen oder seine Wanderung fortsetzen bis es wieder auf die Kathodenfläche auftrifft, von der es erneut erodiert werden kann. Das führt offensichtlich zu einer großen Ersparnis an wertvollem Beschichtungsmaterial sowie zu einer großen Vereinfachung der Reinigung bzw. Ausheizung des Gefäßes. Man erkennt die Ersparnis beim Vergleich mit ebenen Elektrodenvorrichtungen (z.B. Fig. 1), in denen viel Material leicht seitlich der Entladungsrichtung auf den Rohrwänden eingefangen werden kann.

Durch die Verwendung eines solchen radialsymmetrischen zur Entladungsstrecke transversalen Magnetfeldes in der zylindrischen Kathodenentladungsvorrichtung gemäß der Erfindung, wird es dem Fachmann ermöglicht, bei niedrigeren Drücken, als es bisher möglich

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war, eine Kathodenzerstäubung durchzuführen. Z.BKurde eine Kathoden-

—ft
zerstäubung bis hinunter zu 10~ Torr erreicht e, während eine solche mit bisher bekannten Anordnungen unterhalb von 10 Torr un-, durchführbar war.

Für spezielle Zwecke sind natürlich auch andere Feldanordnungen anwendbar .

Für den Fall, dass "Randeffekte" wesentlich sind, wird gemäß der Erfindung eine andere Magnetfeldkonfiguration angegeben, nämlich ein magnetisches Quadrupolfeld wie das in Fig. 6 gezeigte. Dort gleicht die Entladungsanordnung mit zylindrischer Kathode im wesentlichen der in Fig. 4 und 5 gezeigten; die Entladung erfolgt zwischen der zylindrischen Kathode 93 und der zentral gelegenen Kombination 97 aus Substrat und Anode, die z.B. auf einer Spannung von etwa +3500 Volt in bezug auf die Kathode 93 gehalten wird. Wie bei den früheren Substratformen kann die Anode 97 jede beliebige Form besitzen, solange sie einigermaßen parallel zur Kathode 93 liegt und in den Entladungsbereich hineinpaßt. Die "Kathode 93 hat wiederum etwa Erdpotential. Die Änderung besteht hier in den vier Magnetfelder erzeugenden Spulen 92, 92', 94 und 94', die, wie die positiven und negativen Vorzeichen und die Feldlinien andeuten, mit einander abwechselnder Polarität oder in Feldopposition angeordnet· sind. Eine solche Anordnung erzeugt magnetische Quadrupolfeider, die, wie es die Flußlinien schematisch andeuten, transversal und radialsymmetrisch wie im Falle des einseitig gerichteten, durch eine Spule erzeugten Feldes verlaufen, aber abweichend davon auch zweiseitig gerichtet und axialsymmetrisch sind und so entgegengesetzte Magnetfelder erzeugen. Wie schon angedeutet, besteht die Wirkung eines solchen magnetischen Quadrupolfeldes darin, die Randeffekte zu beseitigen. Diese Randeffekte bestehen in einer Änderung der Beschlchtungsstärke an den Rändern der Substratanordnung. In diesen Randbereichen tritt eine verstärkte Beschichtung auf, und daher resultieren die Randeffekte aus der erhöhten Erosionsrate, 'die gewöhnlich an den Rändern der Kathode wegen der größeren Erosionsfähigkeit von schräg auftreffenden Ionen und der dort bestehenden steileren Feldgradienten anzutreffen ist. Die oben

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beschriebenen Endplatten 58, 58' mildern natürlich den Feldgradienten. Ein Zweiseitig gerichtetes, ausgeglichenes Feld hilft dem ab, indem es die Elektronen einheitlich axial dispergiert. Die in Fig. 6 gezeigten vier Spulen reduzieren dieses asymmetrische Erosionsprofil an den Substraträndern, das die Einheitlichkeit der Schichtstärke beeinträchtigt. Diese Spulen erzeugen eine magnetische Hauptkomponente nahe den Enden der zylindrischen Kathode, die parallel zu dem elektrischen Feld liegt, wie es die schematisch gezeigten Feldlinien andeuten. Eine solche Feldberichtigung wird erreicht, indem der Stromfluß in den Spulen entsprechend verändert wird, um ein Feld ähnlich dem schematisch dargestellten zu erreichen. Das Ziel ist es natürlich, den Ionisierungsgrad ausgleichend an diesen Rändern auf einen Wert zu reduzieren, der proportional der dort vorhandenen höheren Zerstäubungsrate ist.

Es wurde gezeigt, daß durch Verwendung des erfindungsgemäßen radialsymmetrischen, transversalen Magnetfeldes der Fachmann die Ionisationsleistungen stark erhöhen kann und damit auch den Wirkungsgrad der Erosion und der Beschichtung, indem er die zylindrische Kathodenvorrichtung nach der Erfindung benutzt. Weitere Vorteile ergeben sich aus dem axialen Ausgleich des Feldes, wodurch Randinhomogenitäten beseitigt werden. Wegen dieser Vorteile können solche Kathodenzerstäubungsvorrichtungen gut bei niedrigeren Drücken (z.B.

Q h

ca. 10 Torr gegenüber ca. 10 Torr) verwendet werden. Dadurch wird ein großer Nachteil der bekannten Kathodenzerstäubungsanordnungen überwunden, insbesondere z.B. bei der Herstellung von supraleitfähigen oder magnetischen dünnen.Schichten, bei denen die Reinheit wesentlich ist. Eine solche Dünnschichterzeugung sei nun beschrieben.

Es hat sich gezeigt, daß die Kathodenzerstäubungsanordnung nach der •Erfindung in vorteilhafter Weise für das Aufbringen dünner, hochwertiger Magnetschichten verwendbar ist. Solche dünne Schichten können mit einer zylindrischen Kathodenentladungsvorrichtung nach der Erfindung hergestellt werden, indem deren Fähigkeit, sehr reine Schichten in einem sehr hohen Vakuum aufzuwachsen, ausgenutzt wird.

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Wenn sehr hohe Beschichtungsraten nötig sind, läßt sich das durch die Verwendung des transversalen Magnetfeldes bei höheren Drücken erreichen. Es kann jedoch der Wunsch bestehen, bei niedrigen DrUkken zu arbeiten, um Stoßprozesse in dem Plasma zu vermeiden. Solche Stöße können unerwünschte, unkontrollierbare Reaktionen bewirken, deren Ergebnis unbrauchbare Schichten sind. Es können jetzt starke Orientierungsfelder benutzt werden, ohne daß eine Entladungsverzerrung eintritt. Zur weiteren Verbesserung kann eine Komponente des magnetischen Quadrupolfeldes entlang der Entladung benutzt werden. Es muß sorgfältig darauf geachtet werden, daß die Kathode nicht Über den Weg des magnetischen Flußes hinausragt (der größte Teil des Flusses muß sich über sie hinaus erstrecken), damit die Kathode das Magnetfeld nicht kurzschließt und das homogene Feld in der Ebene der dünnen Schicht stört. Der Verlust dieses Transversalfeldes im Bereich der Glimmentladung verhindert auch die Steigerung der Ionisations- und Kathodenzerstäubungsraten.

Die Erfindung kann vorteilhafterweise auch zum Aufbringen von supraleitenden Schichten verwendet werden, z.B. der "harten" Supraleiter NbZr, Nb,Sn, V^Ga usw. in der Literatur wurde bereits erwähnt, daß es sehr zweckmäßig wäre, diese "harten" Supraleiter in Form dünner Schichten herzustellen, weil u.a. ihre Fähigkeit zur Stromführung in Gegenwart des unvermeidlichen Magnetfeldes in dieser Form größer ist als im normalen Zustand. Es besteht auch die Ansicht, daß die Dünnschichtform dieser Materialien eine wesentliche Vorbedingung für ihre Fähigkeit ist, supraleitend entlang "fadenartigen Gebilden" in ihrer Struktur zu werden. Diese dünnen Schichten führen natürlich zu der Erzeugung von Materialien, die eine hohe Dichte von strukturellen Fehlstellen (Inhomogenitäten) aufweisen. Der Fachmann wird solche dünnen Supraleiterschichten lieber durch Kathodenzerstäubung erzeugen, und zwar aus den folgenden Gründen:

1. Diese Materialien sind schwer schmelzbar und können daher von der Quelle zum Substrat gut durch einen impulstransportgesteuer-

ten Prozeß (d.h. Kathodenzerstäubung) transportiert werden, aber nicht durch Verdampfungsverfahren.

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2. Diese Legierungen enthalten Bestandteile von stark schwankenden Dampfdrücken! und daher ist ihre Aufbringung durch thermisches Aufdampfen sehr unzweckmäßig, während die Kathodenzerstäubung durchführbar ist.

Außerdem muß sich die erfindungsgemäße zylindrische Kathodenvorrichtung besonders gut für diese dünnen Schichten eignen, weil sie folgende Eigenschaften hat:

a) Die wahlweise Aufbringung entweder bei hohem Druck (z.B. 10™ Torr) oder bei ,niedrigem Druck (z.B. 10~ Torr) je nachdem, ob die Bildung von strukturellen Defekten oder die* Reduzierung von Stellen mit chemischer Verunreinigung gewünscht wird. Im Gegensatz dazu ist die zum Stand der Technik gehörende ebene Glimmentladung viel weniger wirkungsvoll und bei Drücken von 10""^ Torr oder darunter nicht mehr betriebsfähig.

b) Die Herstellung dieser harten Supraleiter in einer der am meisten angestrebten geometrischen Formen, nämlich in Form eines Drahtes oder.Bandes, damit sie zu Magnetspulen aufgewickelt werden können, um hohe Magnetfelder zu erzeugen (z.B. 1Cr Gauss). Für eine solche zylindrische Aufbringung ist offensichtlich eine zylindrische Kathodenzerstäubungsvorrichtung besonders geeignet. Gegenwärtig sind solche Drähte außerordentlich teuer, weil sie so schwierig herzustellen sind. Außerdem sind einige dieser Materialien äußerst bröckelig, insbesondere Nb^Sn und VaGa, so daß

sie durch Vieiterbehandlun.;;, z.B. durch Biegen, zerstört werden. Außerdem werden durch Hantieren häufig der Typ und die Dichte der Störstellen zerstört, welche die Supraleitfähigkeit bedingen.

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AIs speziellere Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung lassen sich Supraleiter durch Kathodenzerstäubung auf Drähte aufbringen. Unter Verwendung einer HCD-Anordnung nach der Erfindung könnte man einen biegsamen Draht beschichten, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient nahe dem des gewünschten supraleitfähigen Materials liegt, und zwar als Basis für die Magnetspulenleiter, indem man solche Drähte als Zentralanode der Kathodenzerstäubungsvorrichtung benutzt. Die Beschichtung wäre dann wunschgemäß vollkommen symmetrisch. Natürlich kann die Temperaturüberwachung solcher Drähte trotzdem noch Schwierigkeiten bereiten.

Das gewählte Substrat darf selbst nicht supraleitend werden, sondern muß bei niedrigen Temperaturen als normaler Leiter wirken. Wenn man supraleitende Drähte nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Hilfe einer zylindrischen Kathodenanordnung beschichtet, kann man sie leicht manipulieren (z.B. wickeln), ohne durch die Brüchigkeit der dünnen Schicht behindert zu sein. Dies gilt natürlich für alle nach der Erfindung beschichteten fadenartigen Gebilde.

Es dürfte jedem Fachmann klar sein, daß die mit der Erfindung erreichten Vorteile eine kontinuierliche Beschichtung von Kathodenzerstäubungssubstraten leichter durchführbar machen, was bisher in der Technik unmöglich, wenn auch sehr erstrebenswert war. Die mit der erfindungsgemäßen Kathoden-Wand erreichte Einfachheit, Leichtigkeit der Beschichtung und Miniaturisierung der Vorrichtung sowie die Erhöhung der Zerstäubungsleistung, die Verringerung der Abstände zwischen den Elektroden und die Verbesserung in der Schichteinheitlichkeit, die durch das erfindungsgemäße Magnetfeld erreicht wird, tragen dazu bei. Wie der Fachmann weiß, muß für eine solche kon tinuierliche Operation eine Vorrichtung vorhanden sein, die schnell und gleichmäßig beschichtet werden kann, sich leicht evakuieren läßt und relativ einfach ist.

Es gibt mindestens zwei durchführbare Verfahren zum Transportieren einer Reihe von zu beschichtenden Gegenständen in die Kathodenkammer hinein und zur Wiederentnahme nach der Beschichtung. Die Gegenstände

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können fortlaufend von außen mittels einer Vorrichtung, die jedes Eindringen von Luft in die Kammer verhindert in die Vakuumkammer hineinbewegt werden. In der gleichen Weise kann die Entfernung _; aus der Kammer z.B. durch einen stufenweisen Druckabfall erfolgen. Es kann auch eine periodisch arbeitende Spendervorrichtung geschaffen werden, die den Gegenstand einführt, die Kathodenzerstäubung einleitet und dann den Gegenstand wieder herausnimmt, wobei alle Vorgänge automatisch abgewickelt werden.

Die Kathodenzerstäubung eignet sich für die Herstellung vieler verschiedener durch Beschichtung hergestellter Gegenstände. Zu den Materialarten, bei denen die neuartige Kathodenzerstäubungsmethode und -anordnung anderen Beschichtungsverfahren überlegen ist, gehören Legierungen, Metalle mit niedrigen Dampfdrücken und wertvolle Materialien. Der Transport von Legierungen ist mit Vakuumaufdampfungsverfahren unmöglich, es sei denn,, die Dampfdrücke der legierten Materialien liegen zufällig sehr nahe beieinander, während die Kathodenzerstäubung unabhängig von diesen Drücken arbeitet. Metalle, die schwer schmelzbar oder schwer verdampfbar sind, wie z.B. Platin, Iridium, Tantal, Wolfram, Zirkon und Molybdän, sind bei der Aufdampfung im Vakuum schwer zu behandeln, stellen aber für die Beschichtung durch Kathodenzerstäubung kein Problem dar. Teure Substanzen, wie Gold oder Palladium, können jetzt mittels der Erfindung ohne die für die Vakuumbeschichtung typische kostspielige Materialvergeudung niedergeschlagen werden.

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Claims

Docket 8168

9. September 1964

si-bn

Patentansprüche

1. Verfahren zur Aufbringung hochwertiger dünner Schichten mittels Kathodenzerstäubung, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladungsstrecke in an sich bekannter Weise ein transversales magnetisches Feld überlagert und die Geometrie der Elektroden so gewählt wird, daß die Zerstäubungsentladung in einem Gebiete mindestens zweier gegenläufiger, einander überlappender negativer Glimmbereiche stattfindet.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungsstrecke mit gegenläufigen einander überlappenden Bereichen negativen Glimmlicht zwischen zwei zylindrischen, konzentrisch angeordneten Elektroden verläuft, von denen die äußere als Hohlkathode (4O,41) ausgebildet ist.

j5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkathode gleichzeitig als Vakuumbehälter (40) wirksam ist, daß das durch Kathodenzerstäubung zu transportierende Material als Wandbekleidung oder als einzupassende Hülse (41) mit den metallischen Wänden der Hohlkathode in Berührung steht und daß die abschließendenStirnflächen (58, 58') mit isolierendem Material (6O, 6O¹) abgedeckt und daher nicht als aktive Kathodenfläche wirksam sind.

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4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und J>, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke .der separaten Ausheizung der Hauptanode eine zentral am Hauptentladungsgefäß angeordnete, durch den Verschluß (53) abtrennbare Nebenkammer mit Gitterelektrode (72) sowie zur Ausheizung der Kathodenfläche der Hauptkammer eine in axialer Richtung ausfahrbare Hilfsanode (4Ψ) vorgesehen ist.

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