DE1765625B2

DE1765625B2 - Kathodenzerstaeubungsvorrichtung zum aufbringen duenner schichten auf ein werkstueck

Info

Publication number: DE1765625B2
Application number: DE19681765625
Authority: DE
Inventors: Jean Jacques Rene Arpajon; Burlurut Jean Claude Andre Versailles; Bessot (Frankreich)
Original assignee: Alsacienne de Constructions Atomiques de Telecommunications et dElectronique ALCATEL
Current assignee: Alsacienne de Constructions Atomiques de Telecommunications et dElectronique ALCATEL
Priority date: 1967-06-22
Filing date: 1968-06-21
Publication date: 1976-01-29
Also published as: FR1534917A; US3616452A; CH473908A; GB1233404A; DE1765625A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Kathodenzerstäubungsvorrifhtung zum Aufbringen dünner Schichten auf ein Werkstück in einer unter Niederdruck stehenden und an eine Gasquelle anschließbaren Vakuumkammer, in der sich durch eine die Vakuumkammer umgebende Magnetspule ein magnetisches Feld erzeugen läßt, in der hinter einer Lochblende eine auf negativem Potential liegende Glühkathode mit einer in einem Rohr angeordneten Heizdrahtwicklung als Elektronenquelle angeordnet ist, in der vor der Lochblende ein dichtes Plasma in Form eines länglichen, längs der Symmetrieachse der Magnetspule gerichteten Bündels herstellbar ist, in der eine auf gegenüber der Glühkathode positives Potential gebrachte Anode vorgesehen i:t und in der das zu bestäubende Werkstück und eine das Zerstäubungsmaterial in festem Zustand enthaltende Auftreffplatte auf gegenüberliegenden Seiten des Plasmabündels einander zugewandt angeordnet sind.

Bei einer bekannten Kaihüdenzerstäubungsvoi iiditung dieser Art (US-PS 33 05 473) wird zwischen einer Glühkathode und einer Anode ein Elektronenstrom erzeuet, der in dem zwischen Kathode und Anode gebildeten Raum auf neutrale Gasatome trifft. Die bei der Ionisierung entstehenden positiven Ionen werden von einer an negativem Potential liegenden Auftreffplatte angezogen und bewirken die Herauslösung feiner Pulverteile aus der Auftreffplatte. Die Pulverteile lagern sich auf dem der Auftreffplatte gegenüberliegenden Werkstück ab. Die Auftreffplatte und das Werkstück sind von einer Magnetspule umgeben. Die Anode liegt der Kathodenöffnung direkt gegenüber, und die Auftreffplatte und das Werkstück sind zwischen Anode und Kathode angeordnet. Die Anode dient ausschließlich der Beschleunigung der aus der Kathode austretenden Elektronen und damit der I rzieiung einer hohen Energiedichte, trägt jedoch zur Bündelung des Elektronenstrahls nicht bei.

Bei einer anderen bekannten Kathodenzerstäubungsvorrichtung (US-PS 32 94 669) is. die Kathode im Innere:! eines Anodenrohres untergebracht. Das Werkstück befindet sich stirnseitig an einem offenen Ende des Anodenrohres.

Bekannt ist auch ein Duoplasmatron (FR-PS 14 22 539), bei dem der von einer Kathode ausgesandte Elektronenstrahl, nachdem er gebündelt worden ist, einen hydraulischen Widerstand durchläuft, der den Beschleunigungsbereich des Elektronenstrahls von dem Pulverisierungsbereich trennt.

Ferner ist eine Kathodenzerstäubungsvorrichtuna bekannt (DT-AS 11 22 801), bei der innerhalb eines Vakuumgefäßes eine rohrförmige Zerstäubungskathode vorgesehen ist, der eine stiftförmige Anode gegenüberliegt. Die stiftförmige Anode ist von einer Magnetspule umgeben. Zwischen dem Kathodenbercich und dem Anodenbereich weist das Vakuumgehäuse eine Einschnürung auf.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einer Kathodenzerstäubungsvorrichtung der eingangs genannten Art die Bündelung des von der Elektronenquelle ausgehenden Plasmastrahles zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Bereich zwischen der Lochblende und den ab- bzw. aufzustäubenden Teilen ein als Anode geschaltetes Metallrohr unmittelbar vor der Lochblende angeordnet ist und daß die Magnetspule das anodische Metallrohr koaxial umfaßt.

Dadurch wird in vorteilhafter Weise bei der beschriebenen Kathodcnzerstäubungsvorrichtung unter der Einwirkung des von der Magnetspule erzeugten magnetischen Feldes in dem anodischen Metallrohr ein axiales Magnetfeld erzeugt, das einem im wesentlichen radialen elektrostatischen Feld, das sich zwischen der Kathode und dem anodischen Metallrohr ausbildet, überlagert wird. Durch die Überlagerung dieser beiden Felder beschreiben die Elektronen lange spiralförmige Bahnen um die Zylinderachse herum. Man erhält daher eine ortliche Ionisierung in dem Zylindervolumcn im Bereich nahe der Achse. Das auf diese Weise entlang der Zylinderachse gebildete Plasma wird in Form einer konzentrierten axialen Säule nach oben gestoßen. Durch das vorteilhafte Zusammenwirken eines im wesentlichen radialen elektrischen Feldes mit einem axialen Magnetfeld erreicht nii.n eine starke Bündelung des

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Plasn.astrahles mit einer Vorrichtung, deren Bauform relativ kurz gehalten werden kann. Weu.cn der konzentrierten Plasmabildung in der Achsenmitte reicht zur Erzeugung und Bündelung aes Plasmastrahljs eine relativ geringe Energie aus.

Zweckmäßigerweise weisen die Heizdrahlwicklung. die Lochblende, das Metallrohr sowie die Spule eine gemeinsame Symmetrieachse auf.

Vorteile ergeben sich auch dadurch, daß die Vakuumkammer aus zwei über ein Verbindungsstück mit relativ geringem Querschnitt miteinander korrespondierenden Teilkammern besteht, daß sich in der ersten Teilkammer die zur Elektronenquelle gehörende Vorrichtung, das Gaszuführungsteil sowie das anodische Metallrohr befinden, daß in der zweiten Teilkammer die ab- bzw. aufzustäubenden Teile sowie die Gasausströmöffnung angeordnet sind, und daß sich mit Hilfe des Verbindungsstücks in der zweiten Teilkammer ein geringerer Druck als in der ersten Teilkammer herstellen läßt. Dadurch können in den beiden Teilkammern unterschiedliche Unterdrücke aufrechterhalten werden, wobei diejenige Teilkammer, in der das neutrale Plasma gebildet wird, noch stärker evakuiert wird als die Teilkammer, in der sich die Auftreffplatte und das Werkstück befinden. Die Öffnung, die die beiden Teilkammern voneinander trennt, muß zwar ausreichend groß sein, um das Plasmabündel frei hindurchtreten zu lassen, ist im übrigen aber so eng wie möglich.

Mit der beschriebenen Vorrichtung kann man Schichten mit einer Dicke von einigen 10 μ pro Stunde aufbringen. Als Pulverisiermaterial eignen sich Silber. Nickel, Titan, Tantal oder andere Substanzen, die dünne Schichten bilden können. Die zu überziehenden Werkstücke können beispielsweise aus Isoliermaterial bestehen, um elektrische Schaltungen mit dünnen Schichten herzustellen. Das zur Bildung des Plasmas verwendete Inertgas ist vorzugsweise Argon.

Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispielc der Erfindung an Hand der Figuren näher erläutert.

F i g. 1 zeigt eine erste Vorrichtung und

1^: i g. 2 eine zweite Vorrichtung, welcher in der Praxis die größere Bedeutung zukommt.

In Fig.] ist mit 1 ein abgeschlossener evakuiertcr Raum bezeichnet; der Heizdraht 2 wird durch Stromwärmc durch die Leitungen 2 a, 2 b bis auf eine Temperatur von 2000 bis 3000° C erhitzt. Der Heizdraht 2 ist in dem gekrümmten Rohr 3 angebracht, das durch ein Umlaufsystem 4 mit Wasser gekühlt wird. An seiner Oberseite befindet sich ein Lochschirm mit dem Loch 5 in der Mitte. Die bei 6 α gespeiste Anode 6 besteht aus einem an den beiden Stirnseiten offenen Kupferrohr und hat in dem gewählten Ausführungsbeispiel einen Durchmesser von 40 mm und eine Höhe von 150 mm. Die Spule 7, die koaxial zum Anodenrohr 6 verläuft, erzeugt in diesem Rohr ein magnetisches Feld von 200 bis 500 Gauß. Die Prallschcibc 8 besteht aus dem zu pulverisierenden Material und ist an einer Vorrichtung 8 η oberhalb des Anodenrohrcs 6 parallel zur Achse des Anodenrohres in der Nähe dieser Achse aufgehängt. Die Prallscheibc wird durch den Ölkreis-Iauf9 rückgekühlt, wenn das Material, aus dem sie besteht, die auftretenden Temperaturen nicht aushält. Ö5 Die zu überziehende Platte 10 ist auf einer Halterung 11 aus nichtrostendem Stahl angebracht, die ihrerseits elektrisch an Masse 11« liegt. Ein Einlaßschieber 12 sorgt für die Einführung inerten Gases, wie z.B. Argon, das durch die Leitung 12a in den Rauml eindringt. Eine nicht gezeichnete Ansaugpumpe ist über Rohr 13 mit dem zu evakuierenden Raum verbunden.

Bei dieser Vorrichtung werden die Elektronen vom Heizdraht 2 ausgesandt. Dieser weist eine Temperatur von 2500° C auf. Durch das Rohr 3 werden die Elektronen zur Anode 6 geleitet, welche auf einem positiven Potential zwischen 50 und 100 Volt liegt. Das magnetische Feld der Spule 7 hat eine Stärke zwischen 100 und 500 Gauß und verläuft parallel zur Achse der Anode 6. Es dient dazu, die Elektronen zur Anodenachse zurückzuführen, indem es eine Drehung um diese Achse verursacht. Durch das Ventil 12 tritt Argon unter einem Druck von etwa 10~³ bis 10~⁴ Torr ein. Es findet einen in das Anodenrohr 6 eingebohrten Durchgang und wird von den vom Rohr 3 kommenden Elektronen ionisiert. Wegen der Nähe der Elektronen zur Anode wächst das Verhältnis von ionisierten Argonmolekülen pro Volumeneinheit beträchtlich an. Man erreicht einen lonisationsgraü von 25 °/o.

Die Höhe des Anodenstromes liegt in der Größenordnung von 9 A. Es fließt ein lonenstrom von etwa 300 bis 500 mA auf die Prallscheibe von 25 cm-; das entspricht einer Stromdichte von 12 bis 20 mA cm-. Der lonenstrom wird von der Prallscheibe, die auf einem negativen Potential von 800 Volt liegt, angezogen. Wenn das zu pulverisierende Material isolierluhig ist, verwendet man an der Prallscheibe eine alternierend positive und negative Spannung mit einer Frequenz von 13 bis 20 MHz, um die Prallscheibe, welche durch die Bombardierung mit Ionen pulverisiert wird, durch das Auftreffen von Elektronen zu neutralisieren.

Der lonenfluß ist in der Nähe der Achse des Anodenrohres konzentriert, und die Prallscheibc ist nahe bei der Achse, parallel zu dieser, angebracht, um eine möglichst hohe Ionenstromdichte zu erzielen. Normalerweise ist das zu überziehende Objekt in einer Entfernung von höchstens 5 cm von der Prallschcibe angebracht, derart, daß die freie mittlere Weglänge der Gasmoleküle größer ist als diese Entfernung und daß die pulverisierten Teilchen nicht aus dem Raum zwischen der Prallscheibc und dem zu überziehenden Objekt nach außen zurückgeworfen werden.

Mit einem solchen Aufbau erhält nrin eine Ablagerungsgeschwindigkeit, die fünf- bis zehnmal so groß ist, wie diejenige, die man mit den älteren Vorrichtungen erzielen konnte.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der beschriebenen Vorrichtung, die eine Reihe von Abwandlungsmoglichkeiten zuläßt.

Der Vakuumraum wird von zwei Kammern 14 und 15 gebildet, die durch ein Verbindungselement 16 miteinander in Verbindung stehen. Die Kammer 14 wird ,.lurch ein Umlaufsystcm 17 gekühlt und enthält den über die Leitungen 18«, 18 6 gespeisten Heizdraht 18 und eine die Anode 19 bildende röhrenförmige Elektrode, die bei 19 α gespeist wird. Vor dem Heizdraht 18 ist die mit einer axialen Öffnung 22« versehene Lochblende 22 angeordnet. Eine Magnetspule 20 oder ein Ringmagnet liegt koaxial zum Anodenrohr 19. Das Ventil 21 dient dazu, ein inertes Gas oder ein beliebiges anderes Gas durch das Rohr 21 α einzuführen. Die Kammer 15 ist an ihrer Oberseite mit einer abnehmbaren Abdeckung 15 a ver-

schlossen. Die Kammer 15 enthält eine bei 23 a angeschlossene Prallscheibe 23, die durch ein mit öl oder Luft gespeistes; Umlaufsystem 24 gekühlt wird, und eine Halterung 25 für das zu überziehende Objekt 26. An das Rohr 27 der Kammer 25 ist eine nicht gezeichnete Ansaugpumpe angeschlossen.

Die Werte der verschiedenen Parameter, wie Heizfadentemperatur, Anodenspannung, Anodenstrom, lonenstromdichte, Prallscheibenspannung und magnetisches Feld liegen in der gleichen Größenordnung wie bei der Vorrichtung nach Fig. 1.

Diese Parameter können sich bei den beiden aufgeführten Ausführungsbeispielen etwa in den folgenden Grenzen bewegen:

Heizfadentemperatur 2000 bis 2800° C

Anodenspannung 50 bis 200 Volt

Anodenstrom 1 bis 10 Ampere

lonenstromdichte bis 20 mA Vm-

Prallscheibenspannung 600 bis 1500 Volt

Magnetisches Feld bis 500 Gauß

Die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung erlaubt es, die Strecke, die das das Anodenrohr verlassende neutrale Plasma durchfließt, zu vergrößern und Objekte von einer bestimmten Größe ;αι beschichten. Zu diesem Zweck sind die Kammern 14, 15 einzeln aufgebaut, um die Konstruktion zu vereinfachen. Die Kammer 14 hat eine Länge, die im wesentlichen gleich der Weglänge des Plasmastromes ist. Das Volumen der Kammer 15 ist so bemessen, daß auf der Halterung 25

ίο Objekte mit einer relativ großen Oberfläche angeordnet werden können.

Die beschriebene Vorrichtung bietet die folgenden Vorteile: Einerseits kann die das in Längsrichtung weisende Feld erzeugende Spule nahe an der Achse des Elektrodenrohres angeordnet werden, andererseits kann in der der Pulverisierung dienenden Kammer ein höheres Vakuum aufgebaut werden als in dem Bereich, in dem sich das Plasma bildet. Auf diese Weise erhält man optimale Bedingungen für die Pulverisierung und gleichzeitig in der röhrenförmigen Elektrode die günstigsten Bedingungen für die Bildung eines Plasmas von hoher Dichte.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

<f Patentansprüche:

1. Kathodenzerstäubungsvorrichtung zum Aufbringen dünner Schichten auf ein Werkstück in einer unter Niederdruck stehenden und an eine Gasquelle anschließbaren Vakuumkammer, in der sich durch eine die Vakuumkammer umgebende Magnetspule ein magnetisches Feld erzeugen läßt,

in der hinter einer Lochblende eine auf negativem Potential liegende Glühkathode mit einer in einem Rohr angeordneten Heizdrahtwicklung als Elektronenquelle angeordnet ist, in der vor der Lochblende ein dichtes Plasma in Form eines länglichen, längs der Symmetrieachse der Magnetspule gerichteten Bündels herstellbar ist, in der eine auf gegenüber der Glühkathode positives Potential gebrachte Anode vorgesehen ist und in der das zu bestäubende Werkstück und eine das Zerstäubungsmaterial in festem Zustand enthaltende Auftreffplatte auf gegenüberliegenden Seiten des Plasmabündels einander zugewandt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich zwischen der Lochblende (5; 22 α) und den ab- bzw. aufzustäubenden Teilen (8, 10; 23, 26) ein als Anode geschaltetes Metallrohr (6; 19) unmittelbar vor der Lochblende (5; 22«) angeordnet ist und daß die Magnetspule (7; 17) das anodische Metallrohr (6; 19) koaxial umfaßt.

2. Kathodenzerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizdrahtwicklung (2), die Lochblende (5), das Metallrohr (6) sowie die Spule (7) eine gemeinsame Symmetrieachse aufweisen.

3. Kathodenzerstäubungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumkammer (1) aus zwei über ein Verbindungsstück (16) mit relativ geringem Querschnitt miteinander korrespondierenden Teilkammern (14, 15) besteht, daß sich in der ersten Teilkammer (14) die zur Elektronenquelle gehörende Vorrichtung (18, 22, 22 a), das Gaszuführungsteil (21 a) sowie das anodische Metallrohr (19) befinden, daß in der zweiten Teilkammer (15) die ab- bzw. aufzustäubenden Teile (23, 26) sowie die Gasauströmöffnung (27) angeordnet sind und daß sich mit Hilfe des Verbindungs-Stücks (16) in der zweiten Teilkammer (15) ein geringerer Druck als in der ersten Teilkammer (14) herstellen läßt.