DE1901891A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Metallschichtwiderstaenden - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Metallschichtwiderständen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Schichtwiderstünden durch Kathodenzerstäubung sowie eine 'Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
• Es ist bekannt, Schichtwiderstände durch Kathodenzerstaubung herzustellen, indem man die Substratkörper auf einen als Anode geschalteten Substrathalter aufsteckt und sie unter dauerndem Rotieren an der Zerst'tubungsquelle vorbeiführt.
• ist auch bekannt, eine ganze Charge von Widerstandskörpern in einen als Anode geschalteten Drahtkäfig zu schütten, den Küfig zu verschließen und ihn ;ihrend der Beschichtungsdauer durch eine Getriebevorridtung so zu bewegen, daß die Substratkörper laufend umgelagert werden, so daß alle Bereiche der '.-iderstandskörper gleichmäßig beschichtet werden.
• Es i.3t auch bekannt, die Widerstandsträgerkörper über schrägstehende Walzen zu transportieren und den aus einem Verdampferschiffehen aufsteigenden Metalldampf auf den sich drehenden Substratkörpern kondensieren zu lassen.
• it aucJi bekannt, zur Erzeugung von Metallegierungen.
• mehrere, aus verschiedenen Metallen bestehende Einzelkatho den zu verwenden, das zu bestäubende Gut auf einen rotierenden Teller zu legen und es an den verschiedenen Kathoden vorbeizuführen.
• Es ist auch bekannt, zur Kathodenzerstäubung fremderregte Plasmen, z.B. HF Ringentladungsplasmen, zu benutzen.
• Es ist auch bekannt, die Elektronen und negativen Ionen, die'bei der normalen Kathodenzerstäubung infolge der hohen Zerstäubungsspannung mit großer Geschwindigkeit und Energie auf das zu beschichtende Substrat aufprallen, mit Hilfe eines z.B. von einem Hufeisenmagneten erzeugten, parallel zur Substratoberfläche gerichteten Magnetfeldes abzulenken und somit die Erwärmung des Substrates zu verringern. Auf ungeladene Metallteilchen bleibt das Magnetfeld ohne Einfluß.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen von Schichtwiderständen durch Kathodenzerstäubung von Metallen oder Metallverbindungen oder -legierungen anzugeben, das die Nachteile der bekannten Verfahren vermeidet, deren Vorteile aber in sich vereinigt und das zudem die rationelle Massenproduktion erlaubt.
• Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Trägerkörper aus einem Vorratsbehälter kontinuierlich in einen rotierenden, zylindrischen, vorne und hinten offenen. Metallisierungskäfig geschüttet werden, daß sie einen Metallisierungsabschnitt durchlaufen, wobei sie zur gleichmäßigen Beschichtung fortlaufend umgelagert werden, und daß sie nach dem Beschichtungsvorgang aus dem Metallisierungkäfig in einen zweiten Vorratsbehälter fallen.
• Damit werden die Vorteile erzielt, daP Widerstände e mit aufgestäubten Widerstandschichten in einem kontinuierlichen Durchlaufverfahren hergestellt werden können. Auch ist durch die Wahl eines Kiifigs mit geringer Oberfläche de Verlust an abgestiubtem Material gering, so da auch tcuje Metalle, wie z. B. Gold und Platin, rationell verarbeitet werden könnest. Das Aufdampfen solcher Metalle insbesondere als Legierung ist wegen der hohen Schmelzpunkte uitd der sehr unterschiedlichen Dampfdrücke mit einfachen Mitteln praktisch nicht möglich.
• Besonders vorteilhaft läßt man die zu bestäubenden Substrate vorher einen Entgasungs- und Aufheizabschnitt durchlaufen.
• Die Vorteile dieses zusatzlicllen Verfahrensschrittes sind an sich bekannt; hierdurch wird die Haftung der Schichten am Substrat sowie die'Güte und Konstanz der elektrischen Eigenschaften der Widerstandsschicht verbessert.
• Besonders giinstig ist das erfindungsgemäße Verfahren, wenn z.B. Gold oder Platin aufgestäubt werden sollen. Diese Metalle las3en sich relativ schlecht verdampfen, aber gut zersti-uben und bilden in geeigneter Zusammensetzung bekanntlich hervorragende Widerstandsschichten.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung zu entwickeln.
• kiese Vorrichtung ist gekennzeichnet durch die Kombination folgender Llerkmale: a) Die zylindrische Unterdruckkammer liegt waagrecht.
• t) Die zylinderförmige Kathode ist in mehrere, durch L Längsschlitze gegeneinander getrennte Abschnitte aufgeteilt.
• c) Konzentrisch zur Kathode rotiert ein an beiden Seiten offener, aus der Kathode herausragender, zylinderförmiger Drahtkäfig.
• d) Der Drahtkäfig ist als Anode geschaltet.
• c) Der Drahtkäfig besitzt an seiner Innenseite Leitschaufeln.
• f) IJm die Unterdruckkammer ist eine Hochfrequenzspule gelegt.
• g) Die Unterdruckkammer besteht aus einem elektrisch nichtleitenden Material.
• Damit ergeben sich die Vorteile, daj durch die Verwendung eines fremderregten Plasmas die zwischen Anode und Kathode angelegte Spannung nur einige hundert Volt betrugt gegenüber der bei normaler Kathodenzerstäubung angewendeten Span nung von einigen tausend Volt. Die Isolations- und Sicherheitsprcbleme sind leichter lösbar. Der Hauptvorteil des fremderregten Plasmas besteht aber darin, daß im Gegensatz zur "Klassischen Kathodenzerstäubung" der Edelgasdruck um rund 2 Größenordnungen kleiner sein kann, mithin die freie Weglänge der Gasatome die Gefäßdimensionen fast erreicht und somit die Rückfallrate von abgestäubten Metallatomen zur Kathode klein ist. Eine Verunreinigung der Kathode wird dadurch vermieden, so daß Mischkathoden damit erst sinnvoll erden. Die aufwachsenden Schichten werden sauberer, da die abstäubenden Metallatome mit ihrer vollen Energie von einigen eV ungestört von der Kathode zum Substrat gelangen können. Das zu bestäubende Gut wird kontinuierlich durch den Bestäubungsraum gefiihrt und dabei laufend umgelagert, so das statistisch gesehen alle Teile der Substratoberfläche gleichmäßig besdnichtet werden. Lose haftende Matallteilchen werden sofort wieder abgestreift. Der Vorschub und damit die Verweildauer der Substrate im Bestäubungsraum iit einmal durch die Zahl und Steigung der Leitschaufeln, zum andoren durch die Umdrehungsgeschwindigkeit des als Anode geschalteten Drahtkäfigs wählbar. Entgasungs- und Aufheizabschnitte können in einfacher Weise vorgeschaltet werden. Außer dem ylinderfärmigen Anodenkäfig werden fast keine anderen Apparateteile bestiubt; dadurch ist der Verlust an aufgestäubtem Material gering. Durch die Anordnung des Anodenkäfigs im Innern der zylindrischen Kathode ist die Kathodenfläche wesentlich größer als die Anoden bzw. die Substratoberfl'icije.
• Dadurch wird die Aufstäubrate bei konstanter Abstäubrate um ein Mehrfaches gegenüber dieser erhöht.
• Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäsen Vorrichtung sieht vor, die einzelnen Abschnitte der Kathode an unterschiedliche Spannungen zu legen, so daß das Verhältnis der abgestäubten Metallmengen zueinander beliebig eingestellt werden kann.
• vorzugsweise ist in der Bestiiubuni;svorrichtung wenigs-tens eine Vakuumschleusc vorgesehen, durch die die unbeschichtexten Substratkörper eingebracht und die beschichteten wieder herausgeholt werden können. Die unbeschichteten Körper werden durch diese Schleuse in einen in der Kammer befindlichen Vorratsbehälter geschüttet, durchlaufen die Bearbeitungszonen und werden in einem zweiten Vorratsbehälter gesammelt. Sobald dieser voll ist, wird er gegen einen leeren Behälter ausgetauscht. Man kann auf diese Art ohne Unterbrechung des Arbeitsablaufes praktisch beliebig viele Substrate beschichten. Erst wenn die Kathoden verbraucht sind oder die Alilage gewartet wird, muß die Vakuumkammer geöffnet werden.
• Die Kathoden sind vorzugsweise gekühlt, insbesondere durch geeignet angeordnete wasserdurchflossene Kühlschlangen. Die Kathode beteht z.B. aus einem Kupfer-Grundblech mit aufgelöteten Kupferrohren. Das Grundblech wii d dann mit den eigentlichen zu zerstäubenden Metallen belegt, z.B. durch Aufschrauben, Aufnieten usw. von geeigneten Blechen.
• Zur Aufstäuben von begierungen wird man die Kathode in eine geeignete Zahl von Einzelabschnitten auftrennen, die dann jeweils mit einem Metall der Legierungsbostandteile belegt wird. Die Zusammensetzung der Legierung wird dabei einmal durch das Verhältnis der Oberflächen und/oder auch durch das Verhältnis der angelegten Zerstäubungsspannungen bestimmt.
• Um das durch das Aufprallen von energiereichen Elektroden verursachte starke Erwärmen der Substrate und des Anodenkäfigs zu verringern und zu steuern, wird weiterhin vorgeschlagen, ein magnetisches Gleichfeld, dessen Kraftlinien parallel zur Rotationsachse des Anodenkefigs verlaufen, rings um die Außenfliche des Anodenkäfigs herum aufrechtzuerhalten.
• Dies viird vorteilhaft z.B. durch eine geeignete Anzahl von konzentrisch um den Anodenkifig verteilten, z.B. durch Dauermagnete magnetisierte Eisenrohre erreicht.
• Eine andere vorteilhafte Möglichkeit besteht in der Verwendung von kurzen Dauermagneten, z.B. Ferritringen, die mit gegenseitigem Abstand auf nichtferronlagnetischen, z.B. kupfernan Rohren montiert sind. Durch die Rohre wird wieder ein geeignetes Kühlmittel, z.B. Wasser, geleitet. Durch@das parallel zum Anodenkäfig gerichtete Magnetfeld werden die Elektronen und negativ geladenen Ionen auf eine wenigstens teilweise an der Anode vorbeiführende Bahn gezwungen.
• Anhand der Zeichnung soll die erfindungsgem'ifje Vorrichtung näher erläutert werden.
• Fig. 1 zeigt eine teilweise geschnittene Seitenansicht, Fig.
• 2 eine geschnittene Frontansicht in etwas vergrößerter Darstellung. Für die Erklärung der Erfindung nicht notwendige Vorrichtungsteile, wie Lager, Schleusen, Antrieb usw., sind dabei weggelassen.
• Um eine nichtmetallische, zylindrische Unterdruckkammer 1 ist zur Erzeugung des Plasmas eine Spu'le 2 gelegt, die mit einer Hochfrequenzenergie von z.B. 1 k'" bei 3,5 MH gespeist wird. Das hochfrequente Magnetfeld dringt durch die Ünterdruckkammer 1 und durch die geschlitzte Kathode 3 und. ionisiert das zur Zerstäubung dionende Gas. Zwischen Kathode 3 und dem gitterartig ausgebildeten, rotierenden Anodenkäfig 5, der auf seine Innenseite Leitschaufeln 6 zum Transport der Substratkörper besitzt, wird eine Zerstäubungsgleichspannung von z.B. 600 V gelegt. Eine Wasserkühlung 4 hält die Kathodenbleche auf Betriebstemperatur. Abschirmbeche 8 schirmen den Bestäubungsraum gegen die übrigen Anlagenteile ab. Die Substratkörper werden auf der in Fig. 1 rechten Seite z.B.
• über /eine Rutsche 7 zugeführt.
• In Fig. 2 erkennt man eine etwas andere Führung der Kühlschlangen 4 zur Kathodenkühlung. Auch sind hier die konzentrisch zur Rotationsachse des Anodenkäfigs 5 angeordneten, magnotisierten Lisenstäbe 9 gezeigt, die ein zur Oberfläche des Anodenkäfige 5 parallellaufendes Magnetfeld zur Ablenkung von Elektronen und Ionen erzeugen.
• Weitere Ausführungsformen sollen hier nicht gezeigt werden.
• Die jeweilige besondere Gestaltung der Bestäubungsvorrichtung ist weitgehend abhängig vom Anwendungsfall und es liegt durchaus im normalen Rahmen des fachmjnnischen Könnens, je nach Bedarf den erfindungsgemäßen Grundgedanken nach der einen oder anderen Seite hin geringfügig anzupassen.
• 15 Patent ansprüche 2 Figuren

Claims (15)

1. P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Verfahren zum Herstellen von Schichtwiderständen durch Kathodenzerstäubung von Metallen, Metallverbindungen oder -legierungen auf Trägerkörper in einem fremderregten Plasma, insbesondere in einem HF-Ringentladungsplasma, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Trägerkörper aus einem Vorratsbehälter kontinuierlich in einen rotierenden, zylindrischen, vornc und hinten offenen Metallisierungskäfig (5) geschüttelt werden, daß sie einen Metallisierungsabschnitt durchlaufen, wobei sie zur gleichmäßigen Beschichtung fortlaufend umgelagert werden, und daß sie nach dem Be schichtungsvorgang aus dem Metallisierungskäfig (5) in einen zweiten Vorratsbehälter fallen.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g zur e n n -z e i c h n e t , daß die zu beschichtenden Trägerlcörper zunächst einen Entgasungs- und Ausheizungsabschnitt durchlaufen
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Geld und/oder Platin aufgestäubt wird.
4. 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach anspruch 1 bis 3, g e k e n n z e i c h n e t durch die Kombination folgonder Merkmale: a) Die zylindrische Unterdruckkammer (1) liegt waagerecht.

   b) Die zylinderförmige Kathode (3) ist in mehrere, durch Längsschlitze gegeneinander getrennte Abschnitte aufgeteilt.

   c) Konzentrisch zur Kathode (3) rotiert ein an beiden Seiten offener, aus der Kathode (3) herausragender, zylinderförmiger Drahtkäfig (5).

   d) Der Drahtkäfig (5) ist als Anode geschaltet.

   e) Der Drahtkäfig (5) besitzt an seiner Innenseite Leitschaufeln (6).

   f) Um die Unterdruckkammer (1) ist eine Hochfrequenzspule (2) gelegt.

   g) Die Unterdruckkammer (i) besteht aus einem elektrisch nichtleitenden Material.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Kathode wassergekühlt ist.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kathode innen mit dem abzustäubenden Material belegt ist.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Kathode mit verschiedenen Materialien belegt ist.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß um den als Anode gc.chalteten, die zu beschichtenden Körper enthaltenden Drahtkäfig ein magnetisches Gleichfeld, dessen Kraftlinien parallel zu der Rotationsachse verlaufen, aufrechterhalten wird.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n c t; , daß das magnetische Gleichfeld mittels konzentrisch um den Drahtkäfig angeordneten, durch insbesondere Permanentmagnete magnetisierten Eisenrohren erzeugt wird.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das magnetisehe Gleichfeld mittels konzentrisch um den Drahtkäfig angeordneten, mit dauermagnetischen Ferritringen belegten, nicht magnetischen Rohren erzeugt wird.
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Rohre aus Kupfer bestehen.
12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 9 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Rohre wassergekühlt sind.
13. 13. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 4 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß wenigstens eine Vakuumschleuse in der Unterdruckkammer vorhanden ist.
14. 14. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 4 bis 1 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß jc ein vorratsbehälter für die unbeschichteten und für die beschichteten Substratkörper vorhanden ist.
15. 15. Vorrichtung nach wenigstens einen der Ansprüche 4 bis 14, (t a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die einzelnen, durch Längsschlitze gegeneinander aufgeteilten Kathodenabschnitte getrerlnt voneinander an die Zerstäubungsspannungsquelle gelegt werden können.