DE2111732B2 - Vorrichtung zum Gravieren von Gegenständen durch Kathodenzerstäubung mit Ionenaufprall - Google Patents
Vorrichtung zum Gravieren von Gegenständen durch Kathodenzerstäubung mit IonenaufprallInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Gravieren von Gegenständen durch Kathodenzerstäubung
mit Ionenaufprall in einer zwischen einer Anode und einer kalten Kathode gezündeten Entladung, bei der
die zu gravierenden Gegenstände auf der Stirnfläche π der scheibenförmig ausgebildeten Kathode angeordnet
sind, bei der die Kathode von einem metallischen Schutzring umgeben ist und bei der in der Nähe der
Kathode eine mit einer Spannungsquelle verbundene Hilfselektrode angeordnet ist <
>"
Eine derartige Vorrichtung ist z. B. aus der US-PS
74 021 bekannt Sie dient zum Gravieren von Gegenständen durch Kathodenzerstäubung mit Ionenaufprall,
und zwar in einer Entladung mit offenbar kalter Kathode. Die bekannte Vorrichtung weist eine erste nr>
Elektrode zum Haltern der Gegenstände und eine zweite Elektrode auf. Die Kathodenelektrode ist seitlich
von einem Metallelement umgeben. Weiterhin ist in der Nähe dieser Kathode eine Elektrode angeordnet, die
mit einer Spannungs- oder Potentialquelle verbindbar ist Das Metallelement ist durch einen Metallkragen
gebildet der die Kathode seitlich in einem gleichen
Abstand von dieser umgibt und mechanisch sowie elektrisch mit einer Grundplatte des Zerstäubungsrau*
mes in Verbindung steht Weiterhin ist der Metallkragen mit einer Verlängerung aus Metall versehen, die sich
gegenüber der Rückseite der Kathode erstreckt Die zu gravierenden Gegenstände sind auch dort bereits auf
einer metallenen Stütze angeordnet
Aus der DE-AS14 40 666 ist es bereits ganz allgemein
im Zusammenhang mit Kathodenzerstäubungsanlagen bekannt, die Gleichmäßigkeit großflächiger Schichten
dadurch zu fördern und zu beeinflussen, daß in der Nähe
der Kathode eine Hilfselektrode angeordnet ist die elektrisch gegen die Gesamtheit der übrigen Vorrichtung
isoliert ist damit diese Elektrode auf zweckmäßige Spannungen gelegt werden kann.
Eine Gravur mit Hilfe lediglich eines Schutzringes um die Kathode herum ergibt im Endergebnis eine im
zentralen Bereich etwa gleichmäßig abgetragene Räche, während in den Randbereichen, also auf dem
äußeren Umfang, der meist eine Kreisfläche bildenden Kathoden, eine ringförmige Ausnehmung entsteht, die
eine erheblich größere Tiefe der Gravur zeigt Dieser Bereich ist sowohl nach außen als auch nach innen hin
nicht scharf begrenzt Deswegen muß später dieser Bereich abgetrennt werden und ist als Ausschuß zu
bezeichnen.
Eine wesentliche Verbesserung brachte bereits die Einführung oben genannter Hilfselektrode. Diese
vermeidet die Ausnehmungen am Rande der Kathode auf dem zu bearbeitenden Substrat Aber nun erfolgte
wieder ein allmählicher Übergang der abgetragenen Flächen zu völlig unberührten Flächen, so daß in diesen
Randbereichen geringere Tiefen abgetragen wurden, wobei die Randbereiche nicht scharf begrenzt waren
und ebenso wie oben genannte Ausnehmungen später bearbeiteten Stück abgetrennt und als Ausschuß
betrachtet wurden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Gravieren der eingangs genannten
Art so zu verbessern, daß die Gravur unter Vermeidung der Ausnehmungen über einen möglichst großen
Bereich auf der betreffenden Fläche des Substrates bzw. der Kathode ganz gleichmäßig wird. Diese Aufgabe
wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß der die Kathode umgebende Schutzring in seiner axialen
Richtung parallel zur Mantelfläche der Kathode verschiebbar angeordnet ist
Dadurch ist es vorteilhafterweise möglich, zwar die Randzone nicht zu vermeiden, aber einen sehr scharfen
bzw. steilen Übergang zwischen einer gravierten Fläche mit gleichmäßiger Tiefe und der nicht von der Gravur
erfaßten Fläche zu schaffen, so daß die Randzone, die bisher als Ausschuß betrachtet werden mußte, wesentlich
verkleinert wird und damit im Endeffekt eine wesentlich größere Fläche bei sonst gleichen Abmessungen
mit einer gleichmäßigen Gravur erhalten werden kann.
Vorteile ergeben sich auch, wenn der Schutzring aus einem die Kathode seitlich in gleichem Abstand
umgebenden Metallzylinder besteht der durch drei in der Höhe von außerhalb des Raumes einstellbaren
Haltestangen gehalten ist, oder wenn die in den übrigen Unteransprüchen beschriebenen Mittel vorgesehen
sind. Wenn z. B. der Schutzring gegen einen auf der
Grundplatte befestigten Führungszyiinder gleitend
anliegt, wird ein Verkippen des Schuteringes gegenüber
der Kathodenflicne bzw. der Kathode selbst verhindert
Ein Ausführungsbeispiel ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es
zeigt
F i g. 1 einen scbematiscben, senkrechten Schnitt
durch eine Vorrichtung zum Gravieren durch Ionenaufprall der beschriebenen Art,
_ Fig.5 den Einfluß des Schutzringes auf die Äquipotentialebenen,
Fig.6 das durch die Schutzring-Substratträger-Anordnung
nach F i g. 5 erhaltene Gravurprofil,
Fig.7, 9 und 11 Anordnungen ähnlich der nach F i g. 5, jedoch bei anderen gegenseitigen Lagen usw,
F i g. 8,10 und 12 die durch die Anordnungen nach den
Fi je. 7,9 und 11 erhaltenen Gravurprofile.
Die Vorrichtung zum Gravieren von Gegenständen mittels Kathodenzerstäubung durch Ionenaufprall nach
F i g. 1 ist in einem Raum 10 angeordnet, der durch eine zylindrische Glaswand 11 begrenzt wird, die auf einer
metallenen Grundplatte 12 ruht und auf der Oberseite mit einer Abdeckplatte 13 abgeschlossen ist Der Raum
10 ist mit einer Pumpanlage durch die Leitung 14, die durch die Grundplatte 12 hindurchragt, und mit einer
Glasquelle durch die Leitung 15, die durch die Abdeckplatte 13 verläuft, verbunden.
Im Raum 10 sind eine Kathode 16, ein Schutzring 17,
ein Führungszylinder 18 und eine Hilfselektrode 19 angeordnet
Die Kathode 16 besteht aus einer kreisförmigen und hohlen Platte der in der Kathodenzerstäubungstechnik
häufig benutzten Art Sie kann mit Wasser gekühlt werden. Dieses tritt durch die Leitung 20 ein, umströmt *
die kreisförmige Scheibe 21 im Innern der Kathode 16 und verläßt diese durch eine zur Leitung 20 konzentrisch
angeordnete ringförmige Leitung 22. Diese Leitungen 20 und 22 sind in der Grundplatte durch einen
Ring 23 gehalten.
Der Schutzring 17 besteht aus einem zylindrischen Metallkragen, der in vertikaler Richtung derart
verschiebbar ist, daß seine Höhe in axiater Richtung in
bezug auf die der Kathode 16 veränderbar ist Der Schutzring 17 ist hierzu auf z. B. drei Haltestangen 24
befestigt, die auf dem Umfang der Kathode um 120° versetzt angeordnet sind, die durch die Grundplatte 12
luftdicht geführt sind und am unteren Ende 25 ein Einstellgewinde aufweisen. Um eine axiale Ausrichtung
des Schutzringes 17 ohne ein Verkippen zu ermöglichen, >o liegt er innen gleitend gegen einen Führungszylinder aus
Metall an. Der Führungszylinder 18 ist auf der Grundplatte 12 befestigt Diese liegt ihrerseits innen
gegen ein metallenes Abschirmblech 27 an, das in einem bestimmten Abstand von einigen mm hinter der «
Kathode 16 angeordnet ist und das verhindert, daß die Entladung sich auf der Rückseite der Kathode 16
fortsetzt
Die metallene Hilfselektrode 19 ist ringförmig ausgebildet Der innere Durchmesser dieser entspricht t>o
nahezu dem des Schutzringes 17. Die Hilfselektrode 19 wird von einem Metallarm 28 getragen, der isoliert und
luftdicht durch die Grundplatte 12 bei 29 geführt ist
Auf der freien Stirnseite der Kathode 16, gegenüber der Hilfselektrode 19, ist der Substratträger mit den zu or.
gravierenden Gegenständen angeordnet Dieser ist wie folgt ausgebildet (siehe F i g. 2,3 und 4):
rostfreiem Stahl, werden Halter 31 (siehe Fig.2) der
gleichen Abmessungen wie die zu bearbeitenden Gegenstände angeordnet Eine Aluminiumoxydschicht
32 (siehe F ig. 3) mit einer Starke von 0,5 bis 1 mm wird
auf dh Halter 31 und auf der Oberfläche 30a der Platte
30 z. B. mittels einer Plasmaröhrc aufgebracht Danach
werden die Halter 31 durch die Gegenstände ersetzt Ein Gegenstand 33 ist in Fig.4 an der Stelle des
zentralen Halters 31 dargestellt
Die Aluminiumoxydschicht 32 schützt die Stützplatte 30 vor einer Zerstäubung und verhindert das Auftreten
des Malter-Effektes, der bei jedem mit einer sehr dünnen Oxydschicht überzogenen Metall auftreten
kann. Sie verhindern außerdem die Ablagerung einer Metallhaut auf der Glaswand 11, wodurch die optische
Kontrolle unmöglich gemacht würde.
Ein Hochfrequenz-Wechselspannungsgenerator 34 (siehe Fig. 1) ist mit seinem einen Ausgang 35 in
bekannter Weise über einen Kondensator 36 mit der Kathode 16 verbunden. Der andere Ausgang 37 liegt an
Masse, an der auch die Grundplatte 12, das Abschirmblech
27, der Führungszylinder 18, der Schutzring 17 und die Abdeckplatte 13 liegen.
Beim Gravieren leitfähiger Gegenstände kann 34 auch ein Gleichspannungsgenerator sein. Dann braucht
die Stützplatte 30 nicht mit Aluminiumoxyd bedeckt zu werden.
Die Hilfselektrode 19 ist über den Metallarm 28 mit einer Spannungsquelle 38, z. B. einer Gleichspannungsquelle, verbunden. Diese Spannung kann, wie in F i g. 1
gezeigt, einstellbar ausgebildet sein, und zwar mit einem
Potentiometer, von dessen Abgriff 39 über ein Amp-Meter 40 die Spannung auf den Metallarm 28
gelangt Ein Kondensator 41 sorgt dafür, daß hier keine Wechselspannungen auftreten können. Die in richtiger
Höhe angeordnete Hilfselektrode 19 ermöglicht einen Aufprall senkrecht zur Oberfläche des zu gravierenden
Gegenstandes.
In F i g. 5 stellt das horizontale, schraffierte Rechteck ein zu gravierendes Substrat 50 dar, das die Gesamtoberfläche
einer Kathode bedeckt, die von einem Schutzring 51 umgeben ist Die oberen Flächen des
Substrates 50 und des Schutzringes 51 liegen in der gleichen Ebene. Die Linie 52 gibt die Zwischenfläche
zwischen dem Entladungsplasma 53 und der dunklen Kathodenzone 54 an, die also eine Äquipotentialebene
entsprechend dem Potential des Plasmas darstellt während die Linie 55 eine 55 eine Äquipotentialebene
mit Nullpotential angibt Die Ionenbahnen werden durch die Pfeile Fangedeutet
Die meisten Pfeile F treffen das Substrat 30 in senkrechter Richtung, während am Umfang des
Subtrates 30 die Bahnen infolge der Krümmung der Äquipotentialebenen schräg verlaufen. Das Gravierprofil
bei einer solchen Verteilung ist in F i g. 6 dargestellt, die deutlich eine Fokussierung der Ionen in Richtung auf
den Rand des Substrates 30 zeigt, die sich in einer Ausnehmung 56 äußert
Der Zusatz einer Hilfselektrode 57 zu der Struktur nach F i g. 5 nahezu in Höhe der Trennfläche zwischen
dem Plasma und der dunklen Zone ermöglicht bei einem geeigneten Potential (siehe F i g. 7) die Äquipotentialebere
52 insbesondere am Umfang zu beeinflussen und diese Ebene abzuflachen. Dies ergibt ein besseres
Gleichgewicht der Ionendichte pro Oberflächeneinheit des Substrates 30 und eine Korrektur der Ionenbahnen
an den Teilen, wo die Bahnen schräg verliefen, wodurch in der Praxis ein gleichmäßigeres Gravierprofil (siehe
F i g. 8) ohne tiefe Ausnehmungen 56 erhalten wird. Am
Rand des Subtrates 30 Ober eine Breite von etwa 2 bis 5 mm ist die Graviertiefe geringer und am Rande selber
ist sogar keine Gravur mehr vorhanden.
F i g. 9 zeigt schematisch die Geometrie der Graviervorrichtung, in der der obere Rand des Schutzringes 51
höher ist als die zu gravierende Fläche des Substrates 50. Diese Anordnung ändert nicht wesentlich die Form
und den Abstand der Äquipotentialebenen 52 und 55 im Vergleich zu Fig.5. Der Pegel des Nullpotentials ist ι»
jedoch weiter entfernt von der Oberfläche des Substrates 50. Die Richtung der Ionen sind auch
senkrecht zum Substrat 30 im zentralen Gebiet und verlaufen schräg am Umfang des Substrates 30. Bei
Abwesenheit einer Hilfselektrode 57 ergibt sich dann beim Gravierprofil eine von der nach F ii g. 6 verschiedene
Konfiguration. Der Schutzring 51 erzeugt einen Schatten und isoliert von dem Aufprall einen Teil 58 mit
einer Breite von etwa 1 bis 5 mm am Rande des Substrates 30, während die zwar geschwächte Fokussierung
nun Ausnehmungen 59 mit geringerer Tiefe (siehe F i g. 10) hervorruft Die Gesamtbreite der gestörten
Zone, in der die Gravur im Vergleich zu der in der Mitte des Substrates 30 ungleichmäßig ist, ist etwa 10 mm, also
nahezu gleich der Breite der Zone im Profil nach F i g. 6.
Die Hilfselektrode 57, die auf ein geeignetes Potential gebracht und, wie gesagt, auf einer Höhe nahe der
Trennfläche zwischen dem Plasma und der dunklen Zone (siehe Fig. 11) angeordnet ist, ermöglicht, die
Ionenbahnen in der gewünschten Weise zu korrigieren, wodurch das Gravierprofil nach Fig. 12 erhalten wird.
Die Graviertiefe ist über eine sehr große Oberfläche des Substrates 50 gleichmäßig, aber nahezu Null in einem
Umfangsband 60 mit einer Breite von 1 bis 5 mm, wobei die Verbindung zwischen den zwei Gebieten steil
verläuft
Durch Änderung der Höhe des Schutzringes 57 und durch gleichzeitige Änderung des Wertes des der
Hilfselektrode 51 zugeführten Potentials kann in einfacher Weise und schnell, unabhängig von den
Entladungsverhältnissen, sichergestellt werden, daß die Qualität der Gravur nahezu über die ganze Oberfläche
der Kathode gleichmäßig ist
Beispielsweise bei einer Geometrie nach F i g. 11 mit
einer Kathode mit einem Durchmesser von 150 mm, wobei der obere Rand des Schutzringes 51 in einem
Abstand von 5 mm über der oberen Fläche des Substrates 30 liegt und der Schutzring 51 in einem
Abstand von 5 mm von dem Umfang der Kathode angeordnet ist während der Abstand zwischen der
Hilfselektrode 57 und dem Schutzring 15 35 mm beträgt, und das Gravieren durch Hochfrequenz-Wechselspannung
erfolgt (Leistungsdichte 1,2 W/cm2, Frquenz 14MHz) mit einem Argondruck von 2 · 10~2mm Hg,
muß der Hilfselektrode 57 ein Gleichspannungspotential von +40 V gegen Masse zugeführt werden, um ein
Gravierprofil nach F i g. 12 zu erhalten, wobei die Breite des nicht gravierten Umfangsbandes 5 mm beträgt
Claims (7)
1. Vorrichtung zum Gravieren von Gegenständen durch Kathodenzerstäubung mit Ionenaufprall in
einer zwischen einer Anode und einer kalten Kathode gezündeten Entladung, bei der die zu
gravierenden Gegenstände auf der Stirnfläche der scheibenförmig ausgebildeten Kathode angeordnet
sind, bei der die Kathode von einem metallischen Schutzring umgeben ist und bei der in der Nähe der ι ο
Kathode eine mit einer Spannungsquelle verbundene Hilfselektrode angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der die Kathode (16) umgebende Schutzring (17) in seiner axialen Richtung parallel zur Mantelfläche der Kathode
verschiebbar angeordnet ist
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzring (17) aus einem die
Kathode seitlich in gleichem Abstand umgebenden Metallzylinder besteht, der durch drei in der Höhe
von außerhalb des Raumes (10) einstellbaren Haltestangen (24) gehalten ist
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzring (17) gegen einen
auf der Grundplatte (12) befestigten Führungszylinder (18) gleitend anliegt
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungszylinder (18) innen gegen
ein auf der Rückseite der Kathode angeordnetes metallenes Abschirmblech (27) anliegt ;o
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf der Stirnfläche
der Kathode angeordnete und zur Aufnahme der zu gravierenden Gegenstände dienende metallene
Stützplatte (30) eine Aluminiumoxydschicht <5 aufweist
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützplatte (30) aus rostfreiem
Stahl besteht
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ίο dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode (19)
in Form eines Ringes gegenüber der wirksamen Fläche der Kathode (16) angeordnet ist und daß der
Innendurchmesser der Hilfselektrode (19) mindestens gleich dem äußeren Durchmesser der Kathode -i",
(16) ist
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