DE2058921C3 - Kathodenzerstäubungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kathodenzerstäubungsvorrichtung zum Aufbringen von Schichten auf Trägerelemente innerhalb eines vorzugsweise mit ίο Edelgas gefüllten Zerstäubungsgefäßes, in dessen einem Teil mittels eines hochfrequenten elektromagnetischen Feldes ein Ringentladungsplasma erzeugbar ist, dessen Ionen zum Abstäuben von schichtbildendem Material einer Kathodenanordnung dienen, und bei der die Trägerelemente in einem an den Plasmaerzeugungsraum angrenzenden Aufstäubraum des Zerstäubungsgefäßes mit ihren zu bestäubenden Oberflächen der zum Aufstäubraum hin geöffneten Kathodenanordnung flach zugewandt angeordnet sind.

Eine solche Kathodenzerstäubungsvorrichtung ist bereits bekannt (DT-AS 11 22 801). wobei dort durch die induktive Einkopplung einer Hochfrequenz und die dadurch erzeugte Ringentladung im Plasmaraum eine hohe Ionisierung erreicht wird. Dabei ist dort die

Plasmaerzeugung getrennt von der Abstäubspannung, welche als Gleichspannung an der Kathode anliegt. Die Kathodenspannung kann also unabhängig von der Plasmaerzeugung variiert werden. Da die Ringentladung eine effektivere Ionisierung bringt, kann dort ein

wesentlich niedrigerer Gasdruck gegenüber anderen Verfahren gewählt werden; damit sind dort auch weniger Schadgase vorhanden, so daß reinere Schichten entstehen. Nachteilig bei dieser bekannten Anordnung ist allerdings noch, daß immer noch ein relativ geringer

Anteil der erzeugten Ionen tatsächlich zur Kathode gelangt, und daß auch von den abgestäubten Kathodenatomen ein Teil an den Wänden des Zerstäubungsgefäßes verloren geht.
Ditser Nachteil wird auch bei einer Anordnung nicht behoben, die in der DT-OS 18 07 097 beschrieben ist. Abgesehen davon, daß dort die Plasmaerzeugung kapazitiv durch Anlegen einer Hochfrequenzspannung an zwei einander gegenüberliegenden Elektrodenplatten erfolgt und damit weniger effektiv ist als bei der

vorstehend beschriebenen Anordnung, ist auch hierbei keine optimale Ausnutzung der erzeugten Ionen und der abgestäubten Atome möglich. Dies ist auch nicht beabsichtigt, da es bei dieser Vorrichtung im wesentlichen darum geht, einen sehr dünnen, sehr feinen Überzug auf die geschärften Metalloberflächen von Rasiermessern aufzubringen. Zwar sind bei dieser Zerstäubungseinnchtung zwei flache Elektrodenplatten derart zueinander angeordnet, daß sie an einem Ende eine Spitze und gegenüber der Spitze eine öffnung bilden, doch können seitlich von diesen beiden flachen Platten Ionen und abgestäubte Atome entweichen. In der von den beiden Elektrodenplatten gebildeten öffnung sind die Rasiermesser mit ihren Kanten angeordnet, welche nur einen geringen Teil der abgestäubten Atome auffangen können, während der größere Teil an ihnen vorbei verlorengeht.

Auch die in der DT-OS 19 60 641 beschriebene Hochfrequenz-Zerstäubungseinrichtung verwendet eine kiipazitive Einkopplung der Hochfrequenz über die abzustäubenden Elektrodenplatten.

Auch dort ist also keine von der Plasmaerzeugung unabhängige Regelung der Abstäubspannung möglich. Im übrigen ist die geometrische Anordnung der zwei

,ohjna Target-Elektroden nicht geeignet, sehr große Schichten auf ein Werkstück in entsprechend kurzer Zeit aufzustäuben.

Auch die Legierungsbildung durch Verwendung mehrerer unterschiedlicher Kathoden ist bereits belannt (DT-PS 5 42404); doch ist bei der dortigen ringförmigen Kathodenanordnung jeweils eine Abschirmung zwischen den Kathoden erforderlich, um eine gegenseitige Bestäubung der Platten zu verhindern. Somit geht auch dort ein erheblicher Antei" des abgestäubten Materials verloren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Kathodenzerstäubungsvorrichtung der eingangs genannten Art höhere Aufstäubraten konstant über. größere Flächen zu erhalten. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kathodenanordnung den Plasmaerzeugungsraum umschließt und etwa trichterförmig ausgebildet ist

Dadurch ergibt sich vorteihafterweise eine gute Ausnutzung des abgestäubten Materiis und die Kathode bifdet aufgrund ihrer Form und Anordnung eine verhältnismäßig große Fläche, so daß auch entsprechend viel Material abgestäubt werden kann. Ein anderer Vorteil besteht darin, daß sich die Anode relativ klein ausführen und in der engen Trichteröffnung der Kathode anordnen läßt, ohne daß zwischen beiden ein freier Raum verbleibt, durch den abgestäubtes Material verlorengeht. Der Anode gegenüber sind vorteilhafterweise Trägerelemente großer Fläche oder in größerer Anzahl zur Bestäubung angeordnet; da sich ihnen gegenüber die Kathode weit öffnet, haben die Ionen jeweils nur kurze Wege zur Kathodenoberfläche und die abgestäubten Kathodenatome fliegen direkt auf die Trägerelemente, ohne daß sie zwischendurch an irgendwelchen Wänden des Zerstäubungsgefäßes verlorengehen könnten.

Zweckmäßigerweise besitzt die Kathode eine symmetrische Form und entspricht der Mantelfläche eines Kegel- oder Pyramidenstumpfes. In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Kathodenanordnung mehrere Abschnitte unterschiedlicher Materialzusammensetzung auf: denn dadurch können legierte Schichten aufgestäubt werden. In Verbindung mit der Trichterform der Kathodenanordnung besteht hier vorteilhafterweise sehr viel weniger die Gefahr eines gegenseitigen Bestäubens der Kathodenabschnitte und aufgrund der Kathodenneigung wird der jeweils größte Teil des abgestäubten Materials direkt auf die Trägerelemente gelenkt.

Vorteile ergeben sich auch, wenn die Abschnitte der Kathodenanordnung voneinander isoliert sind; denn (Jurch Anlegen unterschiedlicher Spannunger zwischen der Anode und den einzelnen Kathodenabschnitten läßt lieh eine Variierung des Legierungsverhältnisses erreichen und dadurch, daß die Spannung für jeden einzelnen der genannten Kathodenabschnitte kontinuierlich verändert wird, ist vorteilhafterweise mit wachsender Schichtdicke jeweils ein nahtloser Übergang in immer neue Schichtzusammensetzungen möglich.

Zweckmäßig ist es auch, wenn das Edelgas mit einem chemisch aktiven Gas vermischt ist, und zwar in solchen Fällen, in denen die Bildung von Oxydschichten auf den Trägerelementen oder der Einbau von Molekülen des Füllgases in die aufgestäubten Schichten zur Erhöhung der Härte von Metallschichten erwünscht ist. Dieser Effekt, der zunächst als unerwünschte Nebenerscheinung mit jedem Füllgas auftritt, kann vorteilhafterweise durch Anlegen einer negativen Spannung an die Trägerelemente gesteigert und auch gesteuert werden.

Weitere Vorteile etgeben sieh auch dadurch, daß die Temperatur der Trägerelemente durch spezielle Heiz- und Kühlvorrichtungen einstellbar ist, sowie dadurch, daß im Aufstäubraum eine zur Kathode koaxiale und vorzugsweise gegen diese verdrehbare Aufhängerplatte angeordnet ist. Eine vorteilhafte Weiterbildung der beschriebenen Vorrichtung besteht darin, daß das Zerstäubungsgefäß mehrere Plasmaräume mit jeweils unterschiedlichen Kathodenmaterialien aufweist, und daß die Trägerelemente im Aufstäubraum gleichzeitig oder nacheinander mit unterschiedlichen Schichten bestäubbar sind.

Eine Steigerung der Ionisierung im Plasmaraum läßt sich vorteilhafterweise durch ein statisches Magnetfeld erzielen, dessen Achse senkrecht zum Hochfrequenzfeld steht und das durch eine seitlich angeordnete Spule erzeugt wird.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der F i g. 1 bis 3 näher erläutert Es zeigen

F i g. 1 eine perspektivische Darstellung der beschriebenen Kathodenzerstäubungsvorrichtung im Schnitt,

F i g. 2 eine Kathodenzerstäubungsvorrichtung der beschriebenen Art mit zwei parallelgeschalteten Kathoden,

Fig.3 eine Kathodenzerstäubungsvorrichtung mit zwei in Serie geschalteten Kathoden.

Das Kathodenzerstäuben zur Herstellung von Schichten, beispielsweise für elektrische Schaltkontakte, ist seit langem bekannt. Dieses Verfahren beruht auf dem Impulsaustausch zwischen beschleunigten Ionen eines Füllgasplasmas in einem Vakuumrezipienten und den Atomen des Kathodenmaterials. Gegenübci dem üblichen Aufdampfen von Metallschichten besitzt es den Vorteil, daß die abgestäubten Atome mit einer sehr hohen Energie auf das Trägerelement auftreffen und deshalb wesentlich besser haften. Außerdem können mit dieser Methode auch sehr hoch schmelzende Metalle aufgebracht werden. Demgegenüber steht als Nachteil eine gewisse Verunreinigung der aufgestäubten Schichten durch Einlagerung von Füllgasatomen. Eine wirtschaftliche Anwendung des Verfahrens für die Herstellung von dickeren Schichten (>10μΐη) scheiterte bis jetzt aber vor allem an den geringen Aufstäubraten, die man pro Zeiteinheit erreichen konnte. Man war deshalb schon immer bestrebt, das Füllgas — im allgemeinen Argon — bei möglichst geringem Druck möglichst hoch zu ionisieren.

Es ist zwar auch möglich, durch Vergrößern der Gleichspannung zwischen Anode und Kathode die Energie der Gasionen zu erhöhen und damit die Zahl der abgestäubten Kathodenatome zu vergrößern, die damit erzielte Verbesserung rechtfertigt aber nicht die großen technischen Schwierigkeiten, die durch Verwendung hoher Gleichspannungen bedingt werden.

Ein wesentlicher Grund für die geringen erzielbaren Schichtdicken bei bekannten Zerstäubungsanlagen liegt darin, daß ein Großteil des abgestäubten Kathodenmaterials an der Anode bzw. an den Wänden des Zerstäubungsgefäßes verlorengeht. Darüber hinaus hat es sich gezeigt, daß die Flächen von Anode und Kathode auf den aus dem Plasma zu ziehenden Strom und auf die Ionisierung einen starken Einfluß ausüben. Um eine möglichst große Ladungsträgerdichte in HF-Plasr.;en zu erreichen, ist es zweckmäßig, eine möglichst große Kathodenfläche einer möglichst kleinen \nodenfläche gegenüberzustellen.

In der F i g. 1 ist der grundsätzliche Aufbau der

beschriebenen Vorrichtung dargestellt. Das Zerstäubungsgefäß 1, das funktionsmäßig in einen Plasmaraum la und einen Aufstäubraum \b unterteilt ist, wird durch die öffnung 2 evakuiert und mit einem Füllgas versorgt, dessen Arbeitsdruck konstant gehalten wird. Dieses Füllgas — normalerweise Argon — wird im Plasmaraum la durch die Hochfrequenzspule 3 ionisiert, die außen um die Glaswand 4 des Plasmaraums 1 a gelegt ist. Verstärkt wird die Ionisierung noch durch eine zusätzliche Spule 5, die seitlich vom Plasmaraum angeordnet ist und ein statisches Magnetfeld senkrecht zum Hochfrequenzfeld erzeugt. Innerhalb des Zerstäubungsgefäßes ist der Plasmaraum von der Kathode 6 umgeben, die etwa die Form eines Kegelmantels mit abgeschnittener Spitze besitzt. Die Mantelfläche ist außerdem durch Schlitze 7 unterbrochen, damit das Hochfrequenzfeld der Spule 3 in den Plasmaraum innerhalb der Kathode eindringen kann. An der Spitze des etwa kegelförmigen Plasmaraums ist eine scheibenförmige Anode 8 angeordnet, die flächenmäßig wesentlich kleiner als die Kathode 6 ist und damit eine hohe lonendichte im Plasma ermöglicht. Kathode 6 und Anode 8 sind gemeinsam über einen Isolierkörper 9 am Deckel 10 befestigt, der das Zerstäubungsgefäß nach oben abschließt. ²S

Durch die Trennung von Plasmaraum und Aufstäubraum wird eine Störung der Ionenerzeugung durch die zu bestäubenden Trägerelemente verhindert. Gleichzeitig gewinnt man im Aufstäubraum Platz für die Anordnung von Drehmechanismen, Rotationstrommeln zur Bestäubung von Kleinteile u. dgl. Es ist dabei vorteilhaft, die Trägerelemente möglichst nahe an die Kathode heranzubringen, um die Verluste an abgestäubtem Kathodenmaterial möglichst klein zu halten.

Durch eine zwischen Anode 8 und Kathode 6 anliegende Gleichspannung werden die Ionen des Füllgasplasmas auf die Kathode zu beschleunigt und stäuben das Kathodenmaterial ab. Dieses Abstäuben beruht darauf, daß die Ionen durch den Stoß mit der Kathode ihre Energie an Atome des Kathodenmaterials übertragen; als Folge eines vielfältigen Impulsaustausches werden dabei einzelne Atome aus dem Gitterverband des Kathodenmaterials herausgeschossen. Die abgestäubten Atome fliegen dann durch den Gasraum, wobei ihre Vorzugsrichtung durch die Neigung der Kathode bestimmt wird. Der größte Teil der abgestäubten Atome gelangt aus dem Plasmaraum in den Aufstäubraum und schlägt sich dort auf einer Auffängerplatte 11 bzw. am daraufliegenden Trägerelement 12 nieder. -^s°

Zur Herstellung von Legierungen können die einzelnen durch Schlitze getrennten Kathodenabschnitte 6 aus verschiedenen Materialien bestehen bzw. mit verschiedenen Materialien beschichtet sein. Durch Anlegen verschiedener Spannungen an die einzelnen Kathodenabschnitte 6 gegenüber der Anode 8 kann das Legierungsverhältnis in einem solchen Fall noch verändert werden, allerdings nur in einem engen Bereich. Da sich die einzelnen Kathodenteile auch gegenseitig zustäuben, kann nämlich mit diesem Legierungsverfahren nur bei nahezu gleichen Zusammensetzungsverhältnissen gearbeitet werden. Für die Homogenität der Legierungen ist es weiterhin von Vorteil, wenn die Auffängerplatte 11 gegenüber der Kathode 6 verdrehbar ist.

Eine Kathodenzerstäubungsvorrichtung, die speziell zur Herstellung der verschiedensten Legierungsverhältnisse geeignet ist, wird in Fig. 2 dargestellt. Das Zerstäubungsgefäß 21 enthält wiederum einen Aufstäubraum 22, aber zwei getrennte Plasmaräume 23 und 24. Jeder dieser Plasmaräume besitzt eine Kathode 25. eine Anode 26 und zur Ionenerzeugung eine eigne Hochfrequenzspule 27. Die Kathoden 25 der beiden Plasmaräume bestehen aus verschiedenen Materialien, die beim Betrieb der Anlage gleichzeitig in den gemeinsamen Aufstaubraum 22 abgestäubt werden und auf den Trägerelementen 28 Legierungsschichten erzeugen. Diese Trägerelemente liegen auf einer Auffängerplatte 29, die zweckmäßigerweise eine rotierende Bewegung ausführt Mit dieser Anordnung können Legierungen in beliebigem Verhältnis, natürlich auch mit mehr als zwei verschiedenen Materialien, hergestellt werden, da sich die einzelnen Kathoden nicht gegenseitig zustäuben können.

In der Fig. 3 ist eine weitere Anwendungsmöglichkeit dargestellt, durch die die Bildung von Mehrfachschichten ermöglicht wird. Das Zerstäubungsgefäß 31 weist wiederum einen gemeinsamen Aufstäubraum 32 und zwei verschiedene Plasmaräume 33 und 34 auf. Die Plasmaräume besitzen wieder jeweils Kathoden 35 aus verschiedenen Materialien, Anoden 36 und Hochfrequenzspulen 37. In diesem Fall sind aber die beiden Plasmaräume in Reihe geschaltet Das bedeutet, daß das Trägerelement 38 zunächst vom Plasmaraum 33 mit dem entsprechenden Kathodenmaterial bestäubt wird und dann durch eine geeignete Transportvorrichtung 39 unter den Plasmaraum 34 verbracht wird, wo dann eine zweite Schicht mit einem anderen Kathodenmaterial aufgestäubt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Kathodenzerstäubungsvorrichtung zum Aufbringen von Schichten auf Trägerelemente innerhalb eines vorzugsweise mit Edelgas gefüllten Zerstäubungsgefäßes, in dessen einem Teil mittels eines hochfrequenten elektromagnetischen Feldes ein Ringentladungsplasma erzeugbar ist, dessen Ionen zum Abstauben von schichtbildendem Material einer Kathodenanordnung dienen, und bei der die Trägerelemente in einem an den Plasmaerzeugungsraum angrenzenden Aufstäubraum des Zerstäubungsgefäßes mit ihren zu bestäubenden Oberflächen der zum Aufstäubraum hin geöffneten Kathodenanordnung flach zugewandt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenanordnung (6) den Plasmaetzeugungsiaum (la) umschließt und etwa trichterförmig ausgebildet ist

2. Kathodenzerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Kathodenanordnung (6) der Mantelfläche eines Kegel- oder Pyramidenstumpfes entspricht.

3. Kathodenzerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenanordnung (6) mehrere Abschnitte (25,35) unterschiedlicher Materialzusammensetzung aufweist.

4. Kathodenzerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte (25, 35) der Kathodenanordnung (6) elektrisch voneinander isoliert sind, und die jeweils an ihnen anliegenden Spannungen gegenüber der Anode (8, 26,36) unabhängig voneinander veränderbar sind.

5. Kathodenzerstäubungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Edelgas mit einem chemisch aktiven Gas vermischt ist.

6. Kathodenzerstäubungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den Träge relementen (12, 28, 38) eine negative Spannung anliegt.

7. Kathodenzerstäubungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Trägerelemente (12, 28, 38) durch Heiz- bzw. Kühleinrichtungen einstellbar ist.

8. Kathodenzerstäubungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Aufstäubraum (Ib) eine zur Kathodenanordnung (6) koaxiale und vorzugsweise gegen diese verdrehbare Auffängerplatte (11,29) angeordnet ist.

9. Kathodenzerstäubungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnei, daß das Zerstäubungsgefäß (21, 31) mehrere Plasnaerzeugungsräume (23, 24, 33, 34) mit jeweils unterschiedlichen Kpthodenmaterialien aufweist.

10. Kathodenzerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß dr Tragerelemente (28) im Aufstäubraum (22) gleichzeitig bestäubbar sind, oder daß die mittels einer Transporteinrichtung (39) im Aufstäubraum bewegbaren Trägerelemente (38) nacheinander mit unterschiedlichen Schichten bestäubbar sind.

11. Kathodenzerstäubungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß seitlich vom Plasmaerzeugungsraum (la) eine Magnetspule (5) angeordnet ist, deren Achse auf der Achse der Hochfrequenzspule (3) senkrecht steht