DE2111732A1

DE2111732A1 - Vorrichtung zum Gravieren mittels Kathodenzerstaeubung

Info

Publication number: DE2111732A1
Application number: DE19712111732
Authority: DE
Inventors: Paul Guiochon; Jean Pompei
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1970-03-18
Filing date: 1971-03-11
Publication date: 1971-10-07
Also published as: JPS5145435B1; DE2111732C3; GB1342513A; FR2082505A5; DE2111732B2; US3730873A

Description

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c^i -jo. März 1971

Vorrichtung zum Gravieren mittels Kathodenzerstäubung.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Gravieren von Gegenständen durch Ionenaufprall in einem Entladungsraum mit kalter Kathode, welche Vorrichtung mindestens eine erste Elektrode, eine sogenannte "Kathode", die den Gegenstand abstutzt, und eine zweite Elektrode, eine sogenannte "Anode" aufweist, wobei die Kathodenelektrode seitlich von einem Metallelement, einem sogenannten "Schutzring" umgeben wird.

Es ist bekannt, die Oberfläche eines Gegenstandes durch Kathodenzerstäubung zu ätzen oder zu gravieren, wobei über eine grössere oder geringere Dicke des behandelten Gegenstandes Material von der ganzen Oberfläche oder örtlich weggenomen wird. Das Gravierverfahren durch Ionenaufprall wird über die chemischen Verfahren bevorzugt bei der Herstellung von z.B. elektronischen Mikrostrukturen wie integrierten Schaltungen. Unter anderen Vorteilen hat das Gravieren durch Ionenaufprall den Vorteil, dass Unterätzung infolge des Antriffs der Seitenwände der Höhlungen

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während ihrer Ausbildung verringert wird, die spitzen Winkel an den behandelten Oberflächen geschwächt werden und eine höhere Präzision als bei chemischer Atzung, besonders beim Ausbilden sehr enger Spalten (einige Mikron) erzielt wird.

Es stellt sich jedoch nach wie vor die Aufgabe, eine tadellose Regelmässigkeit der Geometrie und der Tiefe der Gravur unabhängig von der Lage der Gegenstände auf der Kathodenunterlage zu erzielen, welche Regelmässigkeit eine genaue Reproduzierbarkeit gewährleisten soll. Zum Erzielen dieser Regelmässigkeit ist es bekannt, den (die) Gegenstand P (Gegenstände) im Mittenteil der Kathodenfläche anzubringen, wo die Mehrheit der Ionen die Oberfläche senkrecht treffen, und/oder die Verteilungsdiehte nahezu dieselbe ist. Am Umfang der Kathode findet man einen Oberflächenteil einer jeweils grb'sseren oder kleineren Breite, gewöhnlich von einigen Zentimetern, innerhalb dessen die Entladung praktisch unkontrollierbar ist, während die Ionendichte von einem Punkt zu einem benachbarten Punkt stark veränderlich ist und die Aufprallrichtung der Ionen im wesentlichen schräg verläuft und die Qualität der erzielten Gravur gering ist. (Unterätzung und ungleiche Tiefe),
fc Viele Vorrichtungen zur Kathodenzerstäubung mit kalter

Kathode haben im wesentlichen eine Kathode, welche die zu ätzenden Gegenstände isoliert in einem durch eine Glasglocke gebildeten Raum auf einer metallenen Grundplatte abstützt, welche Grundplatte als Anode wirksam ist. Damit mittels dieser Vorrichtungen einfacher Konstruktion gute Resultate erzielt werden, müssen die Gegenstände notwendigerweise im Mittenteil der Kathode angeordnet werden.

Es lassen sich bessere Resultate über einen grösseren Teil der Kathodenfläche mittels einer Vorrichtung nach den Zusatzpatentschrift Nr. 93.425 (Zusatz zum französischen Patent Nr. 1,508.463) erzielen, welche

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■Vorrichtung eine vorzugsweise in der unmittelbaren Nähe der zu ätsenden Segezastände angeordnete Anodenplatte und einen die Kathode seitlich umgebenden Metallschirm aufweist, wobei, die Anode und der Schirm auf ein Potential gleich dem der Grundplatte des Gebildes gebracht werden. Die Erfahrung zeigt jedoch, dass auch bei dieser Vorrichtung ein grosser Oberflächenstreifen längs des Kathodenumfangs unbenutzt gelassen werden muss, Bas Torhandensein einer Anodenplatte nähe der Kathode behindert ausserdem eine visuelle überwachung des Graviervorganges. Es ist ausserdem erwünscht, wenn nicht notwendig, die Platte abzukühlen.

Die Erfindung bezweckt, eine solche Vorrichtung zum Gravieren durch lonenaufprall zu schaffen, dass die Kathodenoberfläche praktisch vollständig benutzt und eine vollkommene Regelmässigkeit der Gravur in jedem Gegenstand erzielt werden kann, unabhängig von der Lage der Gegenstände auf der Kathode.

Der Erfindung unterliegt die Erkenntnis, dass da die Unregelmässigkeiten am Rande der Kathode im wesentlichen durch Streuung der Fokussierung der Ionen infolge des schrägen Verlaufs der Ionenbahnen in bezug auf die Kathodenfläche hervorgerufen werden, die Möglichkeit vor-

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liegt, die Ursache des Übels durch besondere Korrektur sowohl der Geometrie wie die Polarität des Zerstäubungssystems in der Nähe der Kathode zu beheben, welcher Zustand die Form der Aquipotentialebenen ändert.

'·' Nach der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Gravieren von Gegenständen durch lonenaufprall in einem Entladungsraum mit kalter Kathode, welche Vorrichtung mindestens eine erste Elektrode, clie sogenannte "Kathode" zum Abstützen dieser Gegenstände und eine zweite Elektrode, die sogenannte "Anode" aufweist, wobei die "Kathode" seitlich von einem Metallelement, dem sogenannten"Schutzring" umgeben wird, dadurch gekennzeichnet,

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dass nahe der Kathode eine Hilfselektrode angeordnet ist, die gegen das Gebilde dieser Vorrichtung elektrisch isoliert ist.

Vorteilhafterweise wird die Hilfselektrode gegenüber der Kathode angeordnet.

Ba die Kathode im allgemeinen durch eine Scheibe gebildet wird, weist die Hilfselektrode vorzugsweise die Form eines Ringes auf» dessen Innendurchmesser wenigstens gleich dem Durchmesser der Kathodenscheibe ist. Obgleich die so ausgebildete Hilfselektrode in dem wirksamen Gebiet des Entladungsraums angeordnet ist und infolgedessen die Entladung kontrollieren kann, bildet sie kein Hindernis für die visuelle Überwachung des Graviervorganges. Dies ist ein wesentlicher Vorteil im Vergleich zu den vorstehend geschilderten Vorrichtungen.

Ein zweiter, unmittelbar mit der Anwesenheit der Hilfselektrode irgendeiner angepassten Form verknüpfter Vorteil besteht darin, dass diese Elektrode auf ein anderes Potential gebracht werden kann als die Anode, die z.B. durch die Grundplatte des Zerstäubungsraums gebildet werden kann, und als der Schutzring, der mit dieser Grundplatte elektrisch verbunden ist. Es ist dadurch möglich, die Polarität des Systems zu ändern und somit auf die Trennfläche zwischen der dunklen Kathodenzone und dem Entladungsplasma und folglich auf die Form der Aquipotentialebenen und infolgedessen auf die Aufprallrichtung der Ionen auf die Kathode einzuwirken. Durch eine passende Wahl dieses Potentials, bei der der Wert der weiteren, die Entladungsverhältnisse steuernden Parameter berücksichtigt werden soll, kann erreicht werden, dass die genannte Aufprallrichtung über eine sehr grosse Oberfläche senkrecht zur Kathode verläuft. Die erzielte Gravur ist richtig, die Wände der Höhlungen sind genau gradlinig und die Graviertiefe ist überall dieselbe.

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Ee sei bemerkt, dass in Kathodenzerstäubungsvorrichtungen mit kalter Kathode Hilfselektroden insbesondere in Form von Gittern bereits verwendet worden sind, dass bisher die erwartete Wirkung der Anwesenheit dieser Elektroden jedoch lediglich auf die Trennung elektrisierter Teilchen beschränkt ist. Ein Beispiel dieser Abtrennung iat in der französischen Patentschrift Nr. 1.586.045 beschrieben, wo ein in der unmittelbaren Nähe der Anode angeordnetes, auf ein in bezug auf diese Anode negatives Potential von einigen Zehn Volt gebrachtes Gitter die negativ aufgeladenen Teilchen anhält oder wenigstens hemmt, die die Stütze des Substrats erreichen und diese beschädigen können.

Bei der-Vorrichtung nach der Erfindung, die besonders zum' Gravieren durch Ionenaufprall entworfen ist, handelt es sich offensichtlich, einerseits um die Kontrolle einer nicht an der Anode sondern in der Nähe der Kathode auftretenden Erscheinung, wobei die Aufgabe vorliegt, die Kathodenzerstäubung über die ganze Oberfläche der Auftreffplatte zu homogenisieren, und andererseits nicht um eine Abtrennung von Teilchen, sondern um die Korrektur von Ionenbahnen, während an dritter Stelle die Art der Auftreffplatte beliebig und nicht ausschliesslich metallisch sein kann wie in der vorerwähnten Patentschrift 1.586.045 und schliesslich die zur Zerstäubung benutzte Spannung eine Gleichspannung oder eine Hochfrequenz-Wechsel spannung und nicht lediglich eine Gleichspannung ist.

Gemäss einem zweiten Merkmal der Vorrichtung nach d.er Erfindung ist der die Kathode seitlich umgebende Schutzring in bezug auf den Pegel der Kathode in der Höhenrichtung bewegbar.

Die kombinierte Verwendung einer Hilfselektrode und eines Schutzringes veränderlicher Höhe hat den Vorteil, dass die Ionenfokussierungswirkung am Rande der Kathode behoben wird und trägt bei sum Erzielen

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eines gleichmässigen Gravierprofils bis in einen geringen Abstand von dem Rand der Kathode. Bern Fachmann ist diese Fokussierungswirkung vollkommen bekannt; sie äussert sich in einer Zunahme der Zerstäubungsintensität und somit in einer unvergleichbar tieferen Gravur über einen Streifen der Kathode einer Breite von einigen Millimetern, wobei die Wirkung von der Mitte der Elektrode abnehmend sich über eine Breite von mindestens 2 cm ausdehnt. Bei bestimmten Entladungsverhältnissen und bei Abwesenheit einer

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Spannung an der Hilfselektrode entwickelt sich das Übel je nach der Höhe des Schutzringes in bezug auf den Kathodenpegel und somit auf den der zu

w gravierenden Gegenstände. Die Auswirkung verringert sich im allgemeinen, wenn der Pegel des Schutzringes sich in bezug auf den Kathodenpegel erhöht. Es verbleibt jedoch ein sehr enger Streifen der Kathode unmittelbar unter dem Umfang der Elektrode, der gar nicht angegriffen wird, da keine Ionen auftreffen. Durch eine geeignete Kombination der Höhe des Schutzringes und der der Hilfselektrode zuzuführenden Spannung kann die Ionendichte in der Störzone geregelt werden, wodurch gesichert werden kann, dass die Tiefe der Gravur überall die gleiche ist.

Im Betrieb ist die Ionengraviervorrichtung nach der Erfindung

fc daher vorteilhaft, dass sie sich in weitem Sinne an verschiedene Entladungsverhältnisse und an verschiedene zu behandelnde Materialien anpassen lässt, während praktisch die ganze Kathode benutzt werden kann, so dass gleichzeitig mehrere Gegenstände oder grössere Gegenstände behandelt werden können, wobei ausserdem durch einfache Einstellung der der Hilfselektrode zugeführten Spannung die Entladung stabilisiert und korrigiert werden kann und infolge der verringerten Oberfläche dieser Elektrode.eine zu starke Erhitzung derselben bei der hohen ^ntladungsfrequenz vermieden wird, so dass auf Abkühlung verzichtet werden kann.

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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung kann die Kathode auf einem bestimmten Pegel in bezug auf den festen Schutzring angeordnet werden. Die Möglichkeit der

Änderung der Höhe der Kathode vergrössert somit noch die Einstellmb'glichkeiten der Vorrichtung nach der Erfindung. Der in dieser Vorrichtung bewegbare Schutzring hat die Form eines zylindrischen Kragens, der längs einer Führungswand verschiebbar ist, die auch zylinderförmig ist und zur inneren Seitenwand des Ringes tangentiell verläuft und auf der Grundplatte des Gebildes befestigt wird. Der Ring wird z.B. von drei über einen Winkelabstand von 120° voneinander entfernten Püssen gehalten, die durch die Grundplatte in geeigneten, luftdicht verschlossenen Durchgängen geführt sind und die mittels eines in einem feststehenden, ausserhalb des Raumes liegenden Gewindeteils untergebrachten Gewindeendes genau einstellbar sind, wodurch der Schutzring mit der gleichen Genauigkeit eingestellt werden kann.

Die zu gravierenden Gegenstande werden vorzugsweise auf einer Metallplatte angebracht, deren dem Entladungsraum gegenüberliegende Oberfläche mit einer Aluminiumoxydschicht versehen ist (mit Ausnahme der Lagerungsstellen dieser Gegenstände) und deren gegenüberliegende Oberfläche auf der Kathodenscheibe liegt.

Obgleich eine Aluminiumelektrode wegen ihrer geringen Zerstäubungsmöglichkeit interessant ist, bringt sie beim Gravieren durch Ionenaufprall einen Nachteil mit sich. Da der Sekundäremissionskoeffizient des Aluminiums durch den Malter-Effekt wegen der sehr dünnen, stets an der Elektrodenoberfläche vorhandenen Aluminiumoxydschicht erhöht wird, ist der Sekundarelektronenfluss, der durch den Ionenaufprall erzeugt wird, nicht mehr vernachlässigbar, wodurch der Ionenflues an der Oberfläche

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dieser Elektrode entsprechend verringert wird. Dies bringt einerseits eine Verringerung der Energie der aufprallenden Elektronen, die durch die Baumentladung infolge der Sekundäremission von Elektronen verlangsamt werden, und andererseits aus dem gleichen Grunde eine Zunahme des Abstandes der dunklen Zone mit sich, der grosser wird als die durchschnittliche freie Bahn der zerstäubten Aluminiumatome. Die Wahrscheinlichkeit einer Ionisierung dieser Atome ist sehr gross und die Rückkehr dieser Ionen auf die Kathode kann die gravierten Zonen verderben. Diese Erwägungen sind bei der in der Vorrichtung nach der Erfindung verwendeten Elektrode be-

^ rücksichtigt worden, die wie gesagt aus einer Metallplatte (z.B. aus rostfreiem Stahl) mit einer dicken Aluminiumoxydschicht (Dicke 0,5 bis 1 mm) besteht.

Bei dem im Vergleich zu den bekannten Vorrichtungen neuen Entwurf der Vorrichtung nach der Erfindung ist es möglich, die Gravierung entweder durch eine Hochfrequenz-Wechselspannung (mit einer wohl oder nicht mit Aluminiumoxyd bedeckten Kathode) oder durch eine Gleichspannung (mit einer ganz metallischen Kathode) durchzuführen. Die der Hilfselektrode zuführbaren Spannungen, bei denen die Ionenverteilung regelbar und die Ionenbahnen korrigierbar sind, liegen im Bereich der niedrigen Gleich-

" oder Wechselspannungen. In der Praxis sind gute Resultate mit Spannungen der Grössenordnung von 50 bis 100 V erzielt worden.

Es ist vorteilhaft, einen Spannungsregler in der Speiseleitung der Hilfselektrode unterzubringen. Mittels dieses Reglers ist es

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möglich, die Entladung wirkungsvoller zu überwachen und durch Änderung der Speisespannung der Elektrode in einem Sinne oder im anderen den Rythmus der Entladung zu stabilisieren, wahrend der dosierte Strom eine konstante Intensität beibehält.

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Die Erfindung wird nachstehend an Hand beiliegender Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen, senkrechten Schnitt durch eine Ausführungsform einer Vorrichtung zum Gravieren durch Ionenaufprall nach der Erfindung,

die Fig. 2, 3 und 4 einen zur Verwendung in der Vorrichtung nach der Erfindung gut geeigneten Substratträger, Fig. 5 den Einfluss des Schutzringes auf die Krümmung der

Aquipotentialebenen, wobei der obere Teil des Schutzringes in der gleichen Ebene wie die Oberfläche des Substratträgers liegt,

Fig. 6 das durch die Schutzring-Substratträger-Anordnung nach Fig, 5 erhaltene Gravurprofil,

die Fig. 71 9 und 11 die gleichen Ausbildungen wie Fig. 5 bei einem Pegel des Schutzringes höher als der Pegel des Substratträgers (Fig. 9) und bei gleichzeitiger Verwendung eines Schutzringes und einer Hilfselektrode (Fig. 7 und 1T),.

die Fig. 8, 10 und 12 die durch die Anordnungen nach den Fig. 7» 9 und 11 erhaltenen Gravurprofile.

Die Vorrichtung zum Gravieren durch Ionenaufprall nach

Fig. 1 ist im Innern eines Raums 10 untergebracht, der durch eine zylindrische Glaswand 11 begrenzt wird, die auf einem metallenen Grundstück ruht und an sich auf der Oberseite eine Platte 13 hält. Der Raum 10 kann einerseits mit einer Pumpanlage durch die Leitung 14 die in das Grundstück

12 ausmündet, und andererseits mit einer Gasquelle durch die an der Platte

13 befestigte Leitung 15 in Verbindung gebracht werden. Die Verbindungen zur luftdichten Durchführung und die Pumpanlage und Gasquelle, sind nicht in der Figur dargestellt.

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Im Innern des Baums 10 sind die Kathode 16, das Gebilde des Schutzringes 17-und dessen Führung 18, sowie eine Hilfselektrode 19 untergebracht.

Die Kathode 16 besteht hier aus einer kreisförmigen, hohlen Platte der in der Kathodenzerstäubungstechnik häufig benutzten Art. Ein Wasserfluss läuft im Körper der Kathode 16 herum; er tritt durch die Leitung 20, umströmt die kreisförmige Platte 21 im Innern der Kathode und verlässt den Körper quer durch den zur Leitung 20 konzentrischen Raum 22. Das vollständige Gebilde zum Haltern der Kathode ist nicht in der Zeichnung dargestellt und nur durch den Ring 23 dargestellt.

Der Schutzring 17 besteht aus einem zylindrischen Metall— kragen, der in vertikaler Richtung derart verschiebbar ist, dass sein Pegel in bezug auf den Pegel der Kathode veränderlich ist. Der Ring kann zu diesem Zweck z.B. auf Füssen angebracht werden, die im wesentlichen durch je eine Stange 24 gebildet werden, die durch das Grundstück 12 mittels eines luftdichten Durchgangs (nicht dargestellt) geführt und am unteren Ende 25 mit Gewinde versehen ist, um mit einer mit Gewinde versehenen Stütze 26 am Grundstück 12 zusammenzuwirken. Durch drei dieser in einem Winkelabstand von 120° angeordneten Stangen kann der Schutzring genau auf die richtige Höhe eingestellt werden. Um den Schutzring 1? konzentrisch zur Kathode 1-6 zu halten, ist ein Führungssttick 18 aus Metall vorgesehen, längs dessen der Ring verschiebbar ist. Das Führungsstück 18 ist auf dem Grundstück 12 befestigt. Es bildet einen Teil eines weiteren Teiles 27auch aus Metall, der in einem Abstand von einigen Millimetern gegenüber der Rückseite der Kathode 16 angebracht ist und verhütet, dass die Entladung sich auf der Rückseite der Kathode fortsetzt. " Die metallene Hilfselektrode 19 hat die Form eines Ringes.

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Der innere Durchmesser entspricht nahezu dem des Schutzringes 17· Die Elektrode wird von einem Metallarm 2Θ gehaltert, der durch das Grundstück 1.2 durch den luftdichten, isolierenden Durchgang 29 geführt ist.

Auf der Kathode 16, gegenüber der Hilfselektrode 191 ruht der Subεtratträger mit den zu gravierenden Gegenständen. Dieser Bauteil wird vorteilhafterweise wie folgt ausgebildet (siehe Fig. 2, 3 und 4)·

Auf einer Metallplatte 30 z.B. aus rostfreiem Stahl, werden Halter 31 der gleichen Abmessungen wie die zu bearbeitenden Gegenstände ^Fig. 2) angebracht. Eine Aluminiumoxydechicht 32 mit einer Dicke von 0,5 bis 1 mm wird auf den Haltern 31 angebracht und auf der Oberfläche 30a der .Platt© JO s.B. mittels einer Plasmaröhre (Fig. 3). Es genügt dann,' die Halter 31 durch die Gegenstände zu ersetzen. Ein solcher Gegenstand 33 ist in Fig. 4 an der Stelle des zentralen Halters angegeben.

Die Aluminiumoxydschicht 32 verhütet die Zerstäubung der Platte 30 und das Auftreten des Malter-Effektes, der bei jedem mit einer sehr dünnen Oxydschicht überzogenen Metall auftreten kann. Sie verhütet die Ablagerung einer Metallhaut auf der Wand des Raums 11, wodurch die optischen Kontrollmessungen unmöglich wären.

Ein Hochfrequenz-Wechselspannungsgenerator, der durch das Hechteck 54 (siehe Fig. 1) dargestellt wird, ist mit dem "heissen" Pol 35 in bekannter Weise über einen Kondensator 36 mit der Kathode 16 der Vorrichtung verbunden. Der zweite Pol 37 dieses Generators ist mit der Masse der Anlage verbunden, ähnlich wie das Grundstück 12 und somit der Teil 27, das Führungsstück 18 und der Schutzring 17. Aus Sicherheitsgründen wird vorzugsweise die Platte 13 mit der Masse verbunden, aber dies ist für die Wirkung nicht notwendig. Beim Gravieren leitfähiger Gegenstände kann ein Gleichspannungsgenerator 34 statt eines Hochfrequenz-Wechselspannungs-

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generators verwendet werden (dabei braucht die Platte nicht mit Aluminiumoxyd bedeckt zu werden und der Kondensator 36 erübrigt sich).

Die Hilfselektrode ^^ wird durch den Arm 28 mit einer Spannungsquelle J8 z.B. einer Gleichspannungsquelle verbunden. Diese Spannung ist vorzugsweise regelbar, wie dies in Fig. 1 veranschaulicht ist und zwar mittels eines Potentiometersystems, dessen Abgriff 39 mit dem Arm 28 über einem Amp-Meter 40 verbunden ist. Mittels eines Entkopplungskondensators 41 in Parallelschaltung mit der Quelle 3Θ und der Anlage 40 kann der Masse die Hochfrequenzkomponente des den Kreis durchlaufenden Stroms entnommen werden. Die Hilfselektrode, die auf diese Weise eine richtige Vorspannungselektrode bildet, die auf die Potentialstufen einwirkt, ermöglicht einerseits, einen Aufprall senkrecht zur Oberfläche des zu gravierenden Gegenstandes bei einem bestimmten Arbeitspunkt und andererseits während der Probezeit die Festigkeit des Arbeitspunktes zu kontrollieren.

Die Vorbereitungen der das Gravieren durchführenden Entladung sind ähnlich denen der bekannten Kathodenzerstäubung, kurz gesagt, wenn die Anlage an ihrer Stelle ist und der Raum 10 geschlossen ist, erfolgt zunächst eine sorgfältige Entlüftung des Raumes, worauf Argon eingeführt und dieses wieder sorgfältig abgeführt wird, worauf wieder Argon eingeführt wird, wobei der Druck durch eine von Hand oder automatisch betätigte Vorrichtung (nicht in Pig. 1 dargestellt) auf einem Wert von etwa 10 mm Hg gehalten wird. Die Entladung wird darauf angeregt und während einer veränderlichen Zeit entsprechend der Tiefe der zu erhaltenden Gravur aufrechterhalten. Die Qualität der Arbeit wird teilweise durch die Abwesenheit von Verunreinigungen im Entladungsgas bedingt. Die Anwesenheit eines Reduktionsmittels (H⁺) im Entladungsgas z.B. ist schädlich beim Gravieren binärer Verbindungen und die Anwesenheit eines Oxydations-

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mittels (θ ) ist wenig erwünscht bei Metallen oder Halbleitern; abgesehen von dem Widerstand der Masken. Andererseits ist die Anwesenheit von Stickstoff notwendig, wenn eine Nitrid-Verbindung graviert werden soll, die sich durch den Aufprall von Argonionen zersetzen kann.

In Fig. 5 stellt das horizontale, schraffierte Rechteck ein zu gravierendes Substrat 50 dar, das die Gesamtoberfläche einer Kathode bedeckt, die von einem Schutzring umgeben wird, der durch den Kragen angegeben ist. Die oberen Seiten des Substrats und des Ringes liegen in der gleichen Ebene. Die Linie 52 gibt die Zwischenfläche zwischen dem Entladungsplasma 53 und der dunklen Kathodenzone 54 an, die also eine Aquipotentialebene entsprechend dem Potential des Plasmas darstellt,

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während die Linie 55 eine Aquipotentialebene mit Nullpotential angibt. Die Ionenbahnen werden durch die Pfeile F angedeutet. Die meisten Pfeile F treffen das Substrat in lotrechter Richtung, während am Umfang des

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Systems die Bahnen schräg verlaufen infolge der Krümmung der Äquipotential· ebenen. Das Gravierprofil bei einer solchen Verteilung ist in Fig. 6 dargestellt die deutlich eine Fokussierung der Ionen in Richtung auf den Rand des Substrats zeigt, die sich durch eine Höhlung 56 äussert.

Der Zusatz einer Hilfselektrode 57 zu der Struktur nach

Fig. 5 nahezu in Höhe der Trennfläche zwischen dem Plasma und der dunklen Zone ermöglicht bei einem geeigneten Potential (siehe Fig. 7) die Aquipotentialebene 52 insbesondere am Umfang zu beeinflussen und diese Ebene abzuflachen. Dies ergibt ein besseres Gleichgewicht der Ionendichte pro Oberflächeneinheit des Substrats und eine Korrektur der Ionenbahnen an den Teilen, wo die Bahnen schräg verliefen, wodurch in der Praxis ein gleichmässigeres Gravierprofil (siehe Fig. θ) ohne tiefe Höhlungen erhalten wird. Längs des Randes dee Substrats über eine Breite von etwa

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2 bis 5 mm ist die Graviertiefe geringer und am Rande selber sogar ganz vernachlässigbar.

Fig. 9 zeigt schematisch die Geometrie der Graviervorrichtung, in der der obere Pegel des Schutzringes 51 höher ist als der Pegel des Substrats 50. Diese Anordnung ander nicht wesentlich die Form und den

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Abstand der Aquipotentialebenen 52 und 55 im Vergleich zu Fig. 5. Der Pegel des Nullpotentials ist jedoch weiter entfernt von der Oberfläche des Substrats 50· Die Richtung der Ionen sind auch lotrecht zum Substrat im zentralen Gebiet und verlaufen schräg am Umfang des Substrats. Bei Abwesenheit einer Hilfselektrode ergibt sich dann beim Gravierprofil eine von der nach Fig. 6 verschiedene Konfiguration. Der Schutzring erzeugt einen Schatten und isoliert von dem Aufprall einen Teil 58 mit einer Breite von etwa 1 bis 5 mm am Rande des Substrats, während die zwar geschwächte Fokussierung Höhlungen 59 mit geringerer Tiefe (siehe Fig. 10) hervorruft. Die Gesamtbreite der gestörten Zone, wo die Gravur im Vergleich zu der in der Mitte des Substrats ungleichmässig ist, ist etwa 10 mm, also nahezu gleich der Breite der Zone im Profil nach Fig. 6.

Die Hilfselektrode, die auf ein geeignetes Potential ge-

fc bracht und, wie gesagt, auf einem Pegel nahe der Trennfläche zwischen dem Plasma und der dunklen Zone (siehe Fig. It) angeordnet ist, ermöglicht, die Ionenbahnen in der erwünschten Weise zu korrigieren, wodurch das Gravierprofil nach Fig. 12 erhalten wird. Die Graviertiefe ist über eine sehr grosse Oberfläche des Substrats 50 gleichmässig, aber nahezu Null in einem Umfangsband 60 mit einer Breite von 1 bis 5 mm, wobei die Verbindung zwischen den zwei Gebieten nahezu schroff verläuft.

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Durch Änderung der Höhe des Schutzringes und durch gleichzeitige Änderung des Wertes des der Hilfselektrode zugeführten Potentials

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kann in einfacher Weise und schnell unabhängig von den Entladungsverhältnissen sichergestellt werden, dass die Qualität der Gravur nahezu über die ganze Oberfläche der Kathode gleichmäseig ist.

Beispielsweise bei einer Geometrie nach Fig. 11 mit einer Kathode eines Durchmessers von I50 mm, wobei der obere Pegel des Schutzringes in einem Abstand von 5nun über dem oberen Pegel des Substrats liegt und der Schutzring in einem Abstand von 5 m» von der Seitenfläche der Kathode angeordnet ist, während der Abstand zwischen der Hilfselektrode und dem Schutzring 35 mm beträgt, und das Gravieren durch Hochfrequenz-Wechselspannung erfolgt (Leistungsdichte 1,2 W/cm*, Frequenz I4 MHz) mit

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einem Argondruck von 2.10 mm Hg, muss der Hilfselektrode ein Gleichspannungspotential von +40 V in bezug auf die Masse zugeführt werden, um ein Gravierprofil nach Fig. 12 zu erhalten, wobei die Breite des nicht gravierten Umfangsbandes 5 mm beträgt.

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Claims

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TENTANSPRUC HE j

Vorrichtung zum Gravieren von Gegenständen mittels Ionenauf- ?Slls, in einer Entladung mit kalter Kathode, welche Vorrichtung mindestens eine erste Elektrode, "Kathode" genannt, zum Haltern der Gegenstände, und eine zweite Elektrode, "Anode" genannt aufweist, wobei die Kathodenelektrode seitlich von einem Metallelement, "Schutzring" genannt, umgeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nähe dieser Kathode eine Hilfselektrode angeordnet wird, die elektrisch gegen die Gesamtheit der Vorrichtung isoliert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfselektrode in Form eines Ringes gegenüber der wirksamen Fläche der Kathode angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfselektrode mit einer Spannungsquelle verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung eine Gleichspannung ist, deren Wert in progessiver Weise kontrolliert geändert werden kann.

5· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der die Kathode seitlich umgebende Schutzring in bezug auf den Kathodenpegel in der Höhenrichtung verschiebbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzring durch einen Metallkragen gebildet wird, der die Kathode seitlich in einem gleichen Abstand von dieser umgibt und auf mindestens drei Füssen gehalten wird, deren Höhe von der Aussenseite des Raums der Vorrichtung ab regelbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet,

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dass der erwähnte Kragen auf der Aussenseite eines Metallstücks liegt,
das mechanisch und elektrisch mit dem Grundstück des Raums in Verbindung steht, längs welches Stück der Kragen verschiebbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Metallstück mit einer Verlängerung auch aus Metall versehen ist, die sich gegenüber der Rückseite der Kathode erstreckt.

9» Vorrichtung nach einem der Ansprüche T bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die zu gravierenden Gegenstände auf einer metallenen Stütze angebracht sind, die mit einer Aluminiumoxydschicht überdeckt ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass der erwähnte metallene Halter aus rostfreiem Stahl besteht.

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