DE19801427C1

DE19801427C1 - Verfahren und Anordnung zur Erzeugung von Ionen

Info

Publication number: DE19801427C1
Application number: DE1998101427
Authority: DE
Inventors: Freimut Koch; Harald Bolt
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1998-01-16
Filing date: 1998-01-16
Publication date: 1999-10-07
Anticipated expiration: 2018-01-17

Abstract

Ionen können mittels einer Bogenentladung zwischen einer Kathode (8) und einem Materialvorrat (5) als Anode erzeugt werden, wobei ein wesentlicher Teil des Plasmas (7) der Bogenentladung für die Verdampfung des Materials verbraucht wird und somit für die Ionisation der verdampften Atome nicht mehr zur Verfügung steht. Mit Hilfe eines neuen Verfahrens bzw. einer neuen Anordnung soll die Ionisationsrate bei dem verdampften Material erhöht und gleichzeitig eine Separation der nichtionisierten Atome und der Ionen (6) erreicht werden. DOLLAR A Das Plasma (7) wird durch ein Magnetfeld auf ein zu beschichtendes Substrat (3) bzw. auf ein Ionenextraktionsgitter (13) gerichtet. Durch ein positives elektrisches Potential am im Plasma (7) befindlichen Materialvorrat (5) werden Plasmaelektroden auf den Materialvorrat (5) hin beschleunigt und bewirken somit die Verdampfung. Da nur maximal 5% der Plasmaelektronen hierfür benötigt werden, kann das Plasma (7) eine gegenüber dem Stand der Technik erhöhte Ionisationsrate beim verdampften Material bewirken. Durch das Magnetfeld wird gleichzeitig eine Separation von Ionen und nichtionisierten Atomen erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung von Ionen umfassend eine Plasmaquellen kathode umfassende Mittel zur Erzeugung eines Plasmas, Mittel zur Erzeugung eines Magnetfel des zur Bündelung des Plasmas, ein Zielelement, einen für die Aufnahme eines Materialvorrats geeigneten Vorratsbehälter und Mittel zur Erzeugung eines positiven elektrischen Potentials an einer freien Oberfläche des Materialvorrats.

Anordnungen der eingangs genannten Art finden Verwendung insbesondere bei der Beschichtung von Substraten, bei Ionenimplantationen und in Ionenstrahlquellen (siehe zur Beschichtung: De position of hard coatings by a hollow-cathode arc evaporation device; A. Lunk; Materials Science and Engineering, A140 (1991), S. 666 und Vacuum coating with a hollow cathode source; Duane G. Williams; J. Vac. Sci. Technol., Vol. 11, No. 1, 974, S. 374). Für die Be schichtung von Substraten ist die Verwendung von Ionen vorteilhaft, da hierbei die kontrollierte Einstellung von Beschichtungsstruktur und Beschichtungseigenschaft erleichtert ist. Bei bekann ten Anordnungen wird zur Erzeugung der Ionen in einer Vakuumkammer mittels einer Hohlka thode eine Bogenentladung bewirkt. Als Anode für den das Plasma enthaltenden Bogen dient un mittelbar der Materialvorrat, aus dem die Ionen erzeugt werden. Um das Plasma gezielt in den Materialvorrat einzuleiten, kann ein Magnetfeld eingesetzt werden (s. A. Lunk; a. a. O.). Somit werden sämtliche den Strom im Plasma führenden Elektronen mit hoher Energie in den Material vorrat geleitet, wo das Material verdampft und zum Teil durch das Plasma ionisiert wird. Die Io nen können dann zum Zielelement, d. h. im Falle einer Beschichtungsanlage zum Substratkörper, hin beschleunigt werden, indem am Zielelement ein negatives elektrisches Potential angelegt wird.

Da das Plasma direkt über den Materialvorrat in einen Verdampfungstiegel eingeleitet wird, wird ein großer Teil der Plasmaenergie für die Verdampfungswärme verbraucht und steht daher nicht mehr für eine Ionisation der verdampften Atome zur Verfügung. Hieraus folgt insbesondere als Nachteil, daß der Anteil der Ionen am verdampften Material relativ gering ist. Zudem findet auch keine wirkungsvolle Trennung von nichtionisierten verdampften Atomen und Ionen statt, so daß ein dementsprechend hoher Anteil an nichtionisierten Atomen das Zielelement erreichen kann. Aus der DE 41 02 554 A1 ist eine Schaltungsanordnung zum Zünden und Betreiben einer Hohl kathodenentladung bekannt. Diese Druckschrift offenbart ebenfalls eine Verdampfereinrichtung, bei der das Plasma der Bogenentladung zum Verdampfen eines zur Beschichtung eines Substrats dienenden Materials dient. Der Einsatz eines Magnetfeldes zur Bündelung des Plasmas wird hier nicht offenbart.

Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung der eingangs genannten Art be reitzustellen, bei der eine gegenüber dem Stand der Technik erhöhte Ionisationsrate sowie eine wirkungsvolle Trennung von Ionen und nichtionisierten Atomen erreicht wird.

Bei einer Anordnung der eingangs genannten Art wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Mittel zur Erzeugung des Plasmas, die Mittel zur Erzeugung des Magnetfeldes, das Zielelement und der Vorratsbehälter derart angeordnet sind, daß sich im Einsatz das Plasmabündel von der Plas maquellenkathode bis hin zum Zielelement erstreckt und die freie Oberfläche des Materialvorrats innerhalb des Plasmabündels zwischen Plasmaquellenkathode und Zielelement so gelegen ist, daß das Zielelement nicht in einer bevorzugten Bewegungsrichtung der verdampften, nichtionisierten Materialatome angeordnet ist.

Durch das das Plasma bündelnde Magnetfeld werden die aus dem verdampften Material erzeugten Ionen eingeschlossen und zum Zielelement geführt. Die nichtionisierten Atome des verdampften Materials werden durch das Magnetfeld nicht beeinflußt und verteilen sich in Abhängigkeit von der Verteilung der Bewegungsrichtungen beim Verdampfen statistisch in der Vakuumkammer. Hierdurch ist eine wirksame Trennung von Ionen und nichtionisierten Atomen gewährleistet. Ist das Plasma hinreichend dicht, kann zudem erreicht werden, daß nur ein geringer Anteil der Elek tronen des Plasmas zur Verdampfung des Materials eingesetzt wird. Damit steht ein dementspre chend großer Teil des Plasmas für die Ionisation der verdampften Atome zur Verfügung. Auf diese Weise wird eine gegenüber dem Stand der Technik erhöhte Ionisationsrate bewirkt.

Das in der Regel aus Argon oder Helium erzeugte Plasma weist typischerweise einen Entladungs strom zwischen 20 A und 100 A bei einer Plasmaspannung zwischen 40 V und 100 V auf und wird in einer Vakuumkammer bei einem Druck von etwa 0,1 Pa bis 1 Pa eingesetzt. Das positive elektrische Potential am Materialvorrat beträgt typischerweise +10 V bis +100 V gegenüber bei spielsweise dem Gehäuse der Vakuumkammer. Die Stärke des Magnetfelds beträgt typischer weise 5 mT bis 15 mT.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann auch so ausgebildet sein, daß im Falle der Verwendung der Ionen für Beschichtungen und Ionenimplantationen das Zielelement ein Substratkörper ist.

Weiterhin kann die erfindungsgemäße Anordnung so ausgebildet sein, daß am Substratkörper ein negatives elektrisches Potential angelegt ist. Dieses Potential beträgt typischerweise bis zu -100 V gegenüber beispielsweise dem Gehäuse der Vakuumkammer.

Schließlich kann die erfindungsgemäße Anordnung vorteilhaft so ausgebildet sein, daß im Falle der Verwendung der Ionen für gerichtete Ionenstrahlen das Zielelement ein Ionenextraktionsgitter ist. Das Ionenextraktionsgitter weist typischerweise ein negatives elektrisches Potential von -500 V bis -10 kV gegenüber beispielsweise dem Gehäuse der Vakuumkammer auf.

Vorteilhafte Ausbildungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung werden im folgenden anhand von Figuren dargestellt.

Es zeigt schematisch

Fig. 1: den Aufbau einer Beschichtungsanlage und

Fig. 2: den Aufbau einer Ionenquelle für einen gerichteten Ionenstrahl.

Fig. 1 zeigt eine Vakuumkammer 1, die über eine Pumpenanschlußöffnung 2 an eine hier nicht dargestellte Vakuumpumpe angeschlossen ist. Innerhalb der Vakuumkammer 1 befindet sich ein Substrat 3 für die Beschichtung mit einem Metall, beispielsweise Aluminium. In einem Tiegel 4 befindet sich ein Metallvorrat 5 als Quelle für das Beschichtungsmaterial. Die Beschichtung soll im wesentlichen mit Metallionen 6 (symbolisiert durch das Zeichen "i⁺") erfolgen. Zur Erzeugung der Metallionen 6 wird das Metall im Materialvorrat 5 mit Hilfe beschleunigter Elektronen eines Plasmas 7 verdampft. Das Plasma 7 wird durch eine nur symbolisch angedeutete Hochstromplasmaquelle 8, beispielsweise eine Hohlkathode, erzeugt. Zur Beschleunigung der Plasmaelektronen auf den Materialvorrat 5 hin ist am Materialvorrat 5 ein elektrisch positives Potential über eine Spannungsquelle 9 angelegt.

Das Plasma 7 wird durch das Magnetfeld einer Spulenanordnung 10 gebündelt. Der Verlauf des auf das Substrat hin gerichteten Bündels ist durch die gestrichelten Linien 11 angedeutet. Das Plasma 7 ist im Bündel mit etwa 10¹² Ionen pro cm³ hochdicht. Für die Verdampfung des Materialvorrats 5 werden etwa nur 1% bis 5% der Plasmaelektronen benötigt, so daß der Abzug der für die Verdampfung notwendigen Plasmaelektronen den Bestand des Plasmas 7 nur unwesentlich beeinflußt. In dem hochdichten Plasma 7 werden die aus dem Materialvorrat 5 verdampften Metallatome zu etwa 90% ionisiert. Die Metallionen 6 sind dann Teil des durch das angelegte Magnetfeld gebündelten Plasmas 7, so daß sie dieses nicht durch ein seitliches Ausweichen verlassen können. Der nichtionisierte Anteil der verdampften Metallatome hingegen wird durch das Magnetfeld rächt beeinflußt, so daß sie sich unmittelbar nach dem Verdampfen in der Vakuumkammer 1 verteilen. Auf diese Weise wird durch das angelegte Magnetfeld neben der Bündelung des Plasmas 7 gleichzeitig eine wirksame Separation von Metallionen 6 und nichtionisierten verdampften Metallatomen erreicht. Die Wirkung dieser Separation wird für die Beschichtung des Substrats 3 noch dadurch erhöht, daß das Substrat 3 nicht in einer der bevorzugten Bewegungsrichtungen der verdampften, nichtionisierten Metallatome, die durch die Linien 12 angedeutet sind, angeordnet ist.

Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau einer Ionenquelle für einen hier nicht dargestellten gerichteten Ionenstrahl. Die Komponenten der Fig. 2, die in Fig. 1 mit gleicher Funktion ebenfalls enthalten sind, sind mit den entsprechenden Bezugszeichen versehen. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird diesbezüglich auf die Beschreibung zur Fig. 1 verwiesen. Anstelle des Substrats 3 in Fig. 1 ist in Fig. 2 ein Ionenextraktionsgitter 13 angeordnet. Dieses Ionenextraktionsgitter 13 wird allein von den positiv geladenen Metallionen 6 passiert, die über eine hier nicht dargestellte Strahlführungsoptik zu einem gerichteten Ionenstrahl formiert werden können.

Bezugszeichenliste

1

Vakuumkammer

2

Pumpenanschlußöffnung

3

Substrat

4

Tiegel

5

Metallvorrat

6

Metallion

7

Plasma

8

Hochstromplasmaquelle

9

Spannungsquelle

10

Spulenanordnung

11

Bündelgrenze

12

Linien

13

Ionenextraktionsgitter

Claims

1. Anordnung zur Erzeugung von Ionen, umfassend

a) eine Plasmaquellenkathode (8) umfassend Mittel zur Erzeugung eines Plasmas (7),
b) Mittel (10) zur Erzeugung eines Magnetfeldes zur Bündelung des Plasmas (7),
c) ein Zielelement (3, 13),
d) einen für die Aufnahme eines Materialvorrats (5) geeigneten Vorratsbehälter (4) und
e) Mittel (9) zur Erzeugung eines positiven elektrischen Potentials an einer freien Oberfläche des Materialvorrats (5),

dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Mittel zur Erzeugung des Plasmas, die Mittel (10) zur Erzeugung des Magnetfeldes, das Zielelement (3, 13) und der Vorratsbehälter (4) derart angeordnet sind, daß
- 1. sich im Einsatz das Plasmabündel von der Plasmaquellenkathode (8) bis hin zum Zielelement (3, 13) erstreckt und
- 2. die freie Oberfläche des Materialvorrats (5) innerhalb des Plasmabündels zwischen Plasmaquellenkathode (8) und Zielelement (3, 13) so gelegen ist, daß das Zielelement (3, 13) nicht in einer bevorzugten Bewegungsrichtung der verdampften, nichtionisierten Materialatome angeordnet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle der Verwendung der Ionen für Beschichtungen und Ionenimplantationen das Zielelement (3, 13) ein Substratkörper ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Substratkörper ein negatives elektrisches Potential angelegt ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle der Verwendung der Ionen für gerichtete Ionenstrahlen das Zielelement (3, 13) ein Ionenextraktionsgitter ist.