DE2208032A1

DE2208032A1 - Zerstäubungsvorrichtung

Info

Publication number: DE2208032A1
Application number: DE19722208032
Authority: DE
Inventors: der Anmelder P ist
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-02-18
Filing date: 1972-02-17
Publication date: 1972-08-24
Also published as: GB1371462A; US3711398A; JPS5129514B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Zerstäubungsvorrichtung, insbesondere zur Kathodenzerstäubung von Metallen unter der Einwirkung elektrischer und magnetischer Felder geeigneter Amplituden.

Dabei handelt es sich um eine Verbesserung der Zerstäubungsvorrichtung nach der US-PS (USA-Patentanmeldung Aktenzeichen 774 126 vom 7.11.68), die eine frei endende Kathode und eine teilweise ein Ende derselben umgebende Anodenhülse sowie eine die Anodenhülse umgebende, ein Magnetfeld erzeugende Einrichtung umfaßt. Während die Zerstäubungsvorrichtung nach der genannten Druckschrift einen dünnen Film oder Überzug von ausgezeichneter Gleichmäßigkeit und Haftung erzeugt, ist die damit überziehbare Werkstückfläche etwas begrenzt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Zerstäubungsvorrichtung vorzusehen, die den zu zerstäubenden Werkstoff wirkungsvoller ausnutzt, eine verbesserte Abkühlbarkeit aufweist und einen dünnen Film oder Auftrag

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auf einem Werkstück mit einer stark vergrößerten Auftragfläche ohne Einbuße an der bisher erreichbar gewesenen, ausgezeichneten Gleichmäßigkeit, Dichte und hochwertigen Bindung der Schicht an die Werkstückoberfläche zu erzeugen vermag.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst und werden weitere Ziele dadurch erreicht, daß eine frei endende Kathoden-Hülse, die das Zerstäubungsmaterial trägt, vorgesehen wird, eine sie umgebende Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes innerhalb der Hülse, das einen im wesentlichen geradlinigen Mittelteil und nicht-geradlinige Endteile aufweist, sowie eine in der Kathodenhülse angeordnete Anode. Die das freie Ende der Kathode begrenzende Wand ist mit einer Schicht des zu zerstäubenden Werkstoffs versehen und gegenüber der Einrichtung zur Erzeugung des Magnetfeldes so angeordnet, daß sie mindestens einen Teil der nicht-geradlinigen Teile des Magnetfeldes aufnimmt. Ein hohes negatives Potential gegenüber dem Anodenpotential wird an die Kathodenhülse so angelegt, daß es ein elektrisches Feld für die Zerstäubung des Werkstoffs zur Bildung eines dünnen Films auf einem Werkstück erzeugt.

Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, daß eine Anoden-Elektrode in der Kathodenhülse vorgesehen wird.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß eine Anode vorgesehen wird, die als eine verhältnismäßig flache, quer zu dem geradlinigen Teil des Magnetfelds angeordnete Elektrode ausgebildet ist.

Die vorerwähnten Gegenstände und Merkmale der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit einem bevorzugten, in der Zeichnung veranschaulichten Aus-

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führungsbeispiel näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt einer Ausführungsform der Zerstäubungsvorrichtung nach der Erfindung, die eine Glimmentladungsvorrichtung umfaßt; und

Fig. 2 einen vergrößerten Querschnitt der in Fig. 1 veranschaulichten Glimmentladungsvorrichtung.

Gemäß Fig. 1 umfaßt die Zerstäubungsvorrichtung nach der Erfindung eine Grundplatte 10, die in im wesentlichen horizontaler Lage angeordnet ist und eine Abdeckhaube 11 aufweist, die, durch geeignete Dichtungsmittel 12 abgedichtet, an der Oberseite der Platte 10 abnehmbar angebracht ist. Die allgemein mit 13 bezeichnete Zerstäubungsvorrichtung ist, wie noch zu beschreiben sein wird, abdichtend an der Grundplatte 10 durch geeignete Mittel befestigt und öffnet sich in das Innere der Abdeckhaube 11. Eine kreisförmige Werkstück-Tragplatte 14 ist innerhalb der Abdeckhaube angeordnet und bei 15 drehbar an der Oberseite der Platte 10 angebracht. Die Platte 14 kann durch geeignete Mittel, z.B. einen Motor 16, der ein Antriebsrad 17 aus elastischem Werkstoff trägt, welches den Umfang der Platte 14 berührt, gedreht werden.

Eine Leitung 21 erstreckt sich durch die Grundplatte und ist an ihrem äußeren Ende mit einem Zweiwegeventil 22 verbunden. Eine zweite Leitung 23 verbindet das Ventil mit einer Vakuumquelle zwecks Evakuierens des Raums unter der Abdeckhaube 11 einschließlich der Zerstäubungsvorrichtung 13. Eine dritte Leitung 24 ist mit einem Ende mit dem Ventil und mit ihrem anderen Ende mit einer Zufuhrquelle für inertes Gas, z.B. Argon o. dgl«, verbunden, so daß der Gasdruck auf eine gewünschte Größe eingestellt werden kann. Reaktives Gas, wie z.B. Sauerstoff und Stickstoff, können auch gebraucht

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werden, wenn Metall- und dielektrische Filme _f wie z.B. aus Tantalnitrid oder Aluminiumoxid, gebildet werden sollen. Damit die Abdeckhaube 11 entfernt werden kann, wenn der Zerstäubungsvorgarig beendet ist, kann Luft dadurch zugelassen werden, daß die Vakuumquelle abgeschaltet und die Leitung zur Verbindung mit der Atmosphäre geöffnet wird.

Die kreisförmige Platte 14 enthält eine Mehrzahl von Öffnungen 25, die gleich weit von der Mitte der Platte entfernt sind, und die Werkstücke 26 oder die Träger, auf denen dünne Filme niederzuschlagen sind, überdecken diese öffnungen. Während des Betriebs wird eines der Werkstücke 26 mit der Zerstäubungsvorrichtung 13 zum Fluchten gebracht und in dieser Stellung gehalten, bis die gewünschte Filmdicke auf seiner Unterseite niedergeschlagen ist. Die Platte 14 wird dann ohne Unterbrechung des Betriebs der Zerstäubungsvorrichtung so gedreht, daß das nächstfolgende Werkstück in Ausrichtung mit der Zerstäubungsvorrichtung gebracht wird, und es verbleibt in dieser Stellung, bis der gewünschte Film darauf niedergeschlagen ist. Der Betrieb wird dann in dieser Weise fortgeführt, bis alle Werkstücke überzogen sind. Gewünschtenfalls kann die Platte 14 fortlaufend gedreht werden, so daß jedes Werkstück oder jeder Träger etwas zerstäubtes Material während jeder Umdrehung empfängt. Der Betrieb der Zerstäubungsvorrichtung 13 wird dann beendet und durch das Ventil 22 Luft in die Abdeckhaube 11 gelassen, was das Abheben der letzteren für das Entfernen der überzogenen Werkstücke 26 und das Instellungbringen des nächsten Satzes zu überziehender Werkstücke gestattet. Die Glimmentladung für den Betrieb der Zerstäubungsvorrichtung 13 wird durch Anlegen von im wesentlichen einer O-Spannung an die Anode 33 durch eine Leitung 34 und einer hohen, negativen Spannung an die Kathodenhülse 27 durch eine leitung 29 sowie an die Grundplatte 10, wie noch zu beschreiben sein wird, erhalten. Eine vierte Leitung kann an

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die Werkstück-Tragplatte 14 angeschlossen sein, um eine zusätzliche Vorspannung an die Platte zu legen und somit an die Werkstücke, wenn die letzteren aus einem leitfähigen Werkstoff bestehen.

Die Zerstäubungsvorrichtung 13 ist in Fig. 2 im einzelnen gezeigt, und entsprechende Teile von Fig. 1 und 2 sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

In Übereinstimmung mit der Erfindung besteht die Katode 27 aus einer einzigen, ein offenes Ende aufweisenden, zylindrischen Hülse mit einem nach außen vorstehenden Flansch 28 an ihrem offenen Ende. Die Katodenhülse 27 kann an der Unterseite der Grundplatte 10 angeschraubt oder in anderer Weise befestigt sein und wird vorzugsweise hermetisch abgedichtet. Während bei der vorliegend beschriebenen Ausführungsform der Flansch 28 an der Unterseite der Grundplatte 10 befestigt dargestellt ist, können offensichtlich auch andere Befestigungsmethoden verwendet werden.

Da die Katode 27 in Berührung mit der Grundplatte steht, kann eine hohe negative Spannung an sie direkt oder durch die Grundplatte 10 mittels des Leiters 29, wie ersichtlich, angelegt werden. Die die öffnung in dem offenen Ende der Katode begrenzende Wand kann mit einem Ring 30 aus dem Werkstoff versehen sein, der zerstäubt werden soll. Naturgemäß kann die Katode selbst aus dem unzerstäubten Werkstoff für das Überziehen des Werkstücks 26 gemacht werden, wodurch der Bedarf an besonderen Ringen aus Zerstäubungsmaterial entfällt.

Ein ringförmiger Magnet 31, vorzugsweise aus permanent magnetisiertem Werkstoff, umgibt die Katodenhülse 27. Der Magnet ist gegenüber der Katodenhülse so angeordnet, daß das obere Ende der Katodenhülse 27, an dem der Ring 30 des Zerstäubungs-

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werkstoffs angebracht ist, mindestens einen gewissen Teil des nicht-geradlinigen Magnetfeldes aufnimmt.

Die Anode 33 ist in Form einer flachen Platte ausgebildet und innerhalb der Katodenhülse 27 angebracht. Sie ist so ausgerichtet, daß ihre größte Fläche quer zu dem geradlinigen Teil A des magnetischen Feldes und der Achse der Katodenhiilse verläuft. Die Anodenoberfläche ist nahe dem offenen Ende der Katodenhülse angeordnet, um das zwischen der Anode und der Katodenhülse erzeugte elektrische Feld zu optimisieren und die Zerstäubungswirkung zu unterstützen. Die Anode 33 hat einen leitfähigen Halter 34 geeigneter Gestalt, der die Anode trägt und sie mit einem Masse- oder Erd-Potential durch den Boden der Katode hindurch verbindet. Der leitfähige Halter 34 kann einen Flansch 35 aufweisen, der so angeordnet ist, daß er auf dem Boden der Katode aufruht, um so eine bessere Abstützung der Anode vorzusehen. Der Halter 34 ist auch durch geeignete Mittel 36 von der Katodenhülse 27 isoliert, so daß eine geeignete Potentialdifferenz dazwischen aufrechterhalten werden kann. Zusätzlich kann, sofern erforderlich, eine geeignete Abdichtung zwischen dem leitenden Halter 34 und der Katodenhülse 37 vorgesehen werden, um eine hermetische Abdichtung zu ermöglichen.

Es ist wünschenswert, die Form des Anodenrandes 41 mit der der Katode 27 übereinstimmen zu lassen und den Abstand zwischen dem Anodenrand 41 und der Katode so klein wie möglich zu machen, damit das Auftreten einer Glimmentladung dazwischen verhindert wird. Ferner kann die Katode 27, obwohl sie als von zylindrischer Form dargestellt ist, natürlich auch andere geeignete Formen aufweisen. Es ist jedoch wünschenswert, daß die Katode eine im wesentlichen gleichmäßige Querschnittsform in der Nähe ihres offenen Endes aufweist, an dem das Zerstäubungsmaterial angeordnet ist, um einen gleichmäßigen Film zu erzeugen, und diese Form kann je nach den besonderen Erforder-

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nissen des Films verändert werden. Bei der vorstehend beschriebenen Erfindung ist die Anode 23 mit Masse- oder im wesentlichen O-Potential durch die Leitung 43 verbunden, während eine negative Spannung in der Größenordnung von 1 000 V an die Katodenleitung 29 angelegt ist. Unter diesen Umständen kann die Glimmentladung bei einem Innendruck in der Größenordnung von 2 χ 10 ^J Torr erreicht werden. Der Magnet 31 erzeugt ein Magnetfeld in der Richtung des Pfeiles A an einer zentrisch zu dem Magnet liegenden Stelle. Unter diesen Bedingungen werden Atome eines oder mehrerer Werkstoffe, die von der Katode zerstäubt werden sollen, von der Katode befreit und bewegen sich aufwärts, indem sie die Unterseite des Werkstücks 26 treffen und darauf einen Film bilden. Bei der tatsächlichen Praxis hat sich herausgestellt, daß, wenn die Katode 27 etwa 7 cm Durchmesser aufweist, ein Abstand zwischen der Unterseite des Werkstücks 26 und dem Ring 30 aus Zerstäubungsmaterial von 5 cm vorzugsweise aufrechtzuerhalten ist. Wenn dieser Abstand überschritten wird, hat sich gezeigt, daß die Zerstäubungsgeschwindigkeit vermindert wird, obwohl ein gleichmäßiger Film niedergeschlagen wird.

Beim Betrieb der Vorrichtung nach der Erfindung erhält der Träger oder das Werkstück, gleichgültig ob es aus leitendem oder nicht-leitendem Werkstoff besteht, fast sofort eine negative Vorspannung von etwa 50 V, wenn es elektrisch freiliegt. Dieses Merkmal der Selbst-Vorspannung ist äußerst vorteilhaft, da die Werkstückoberfläche automatisch durch Ionen gereinigt wird, die von ihr angezogen werden, und dies erhöht die Haftung des Films an dem Werkstück. Die Ionen-Reinigung bewirkt das Entfernen auch der Verunreinigungen, wie z.B. Wasserdampfund Kohlenwasserstoff, die nicht nur die Haftung des Films stören, sondern auch diesen selbst ver-

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schmutzen. Bei früher bekannten Vorrichtungen werden Eigen-Vorspannungen in der Größenordnung von 6 bis 8 V im allgemeinen erreicht, aber diese Spannungen liegen unter der Schwelle für eine Ionen-Bombardierungs-Reinigung, haben also keine Wirkung. Ferner ist die Verwendung von Sonden für das Aufbringen einer Vorspannung nicht zweckmäßig, da ein leitender Unterlagenfilm von mindestens 50 & Dicke für die Befestigung der Sonde gebraucht wird, und es tritt keine Wirkung hinsichtlich des Unterlagenfilms oder seiner Haftung an dem Werkstück auf. Gewünschtenfalls kann die Vorspannung leitenden Werkstücken 26 mittels einer Leitung 45 zugeführt werden, die die Vorspannung natürlich auf jeden beliebigen Wert festlegen würde. Es ist ersichtlich, daß die Anode und die Katode der Zerstäubungsvorrichtung aus nichtmagnetischen Werkstoffen gebildet sind, so daß das gewünschte, von dem Magneten 31 in der Katodenhülse erzeugte Magnetfeld nicht gestört wird.

Die Ausführungsform der Erfindung, die im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben wurde, ist besonders brauchbar, wenn eine Gleichspannung zwischen der Anode und der Katode angelegt wird. Auf diesem Wege wird eine sehr intensive Glimmentladung mit einem hohen Stabilitätsgrad trotz des verhältnismäßig niedrigen Gasdrucks in der Vorrichtung erhalten. Es wird angenommen, daß die sehr intensive Glimmentladung darauf beruht, daß die besondere Beziehung des Magnetfeldes zu der Katode Elektronen von den Bahnen ablenkt, die sie normalerweise in Abwesenheit eines solchen Feldes beschreiben würden, mit dem Ergebnis, daß die Längen dieser Bahnen vergrößert werden. Diese Wirkung vermehrt die Anzahl der ionisierenden Zusammenstöße zwischen den Elektronen und den Gasmolekülen, solche Zusammenstöße sind notwendig, um eine hohe Niederschlagsge-

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schwindigkeit von Atomen aus der Zerstäubungsmaterialschicht 30 der Katode 27 auf das Werkstück 26 zu erhalten.

Man hat ferner festgestellt, daß durch Anordnung der Anode innerhalb der Katodenhülse in der gezeigten Weise die Atome des Zerstäubungsmaterials eine viel größere Fläche des Werkstücks bedecken und daß ein gleichmäßiger Film mit viel höherer Geschwindigkeit niedergeschlagen werden kann, als dies sonst möglich ist, wenn die gegenseitige Lage der Katode und der Anodenhülsen umgekehrt wird, d.h. wenn die Katodenhülse innerhalb der Anodenhülse angeordnet ist, wie das in der oben erwähnten Druckschrift gezeigt ist.

Mit der vorstehend beschriebenen Erfindung läßt sich ein Betrieb mit außerordentlich niedrigen Gasdrücken bis herunter zu 2 χ 10 Torr durchführen, was nicht nur zu reineren Filmen führt, sondern auch zu einer vermehrten Haftung des Films auf dem Träger oder Werkstück. Ferner ist die Zerstäubungsvorrichtung, da das Werkstück nicht an der Katode oder Anode befestigt zu werden braucht, besonders geeignet für die Verwendung in fortlaufenden Fertigungsverfahren, da es wohlbekannte Mittel für das Instellungbringen der Träger für den Auftrag und für das Entfernen der fertigen Werkstücke ohne Betriebsunterbrechung gibt.

Patentansprüche; - 10 -

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Claims

Patentansprüche :

Zerstäubungsvorrichtung für die Aufbringung eines Überzugs auf einem Werkstück, gekennzeichnet durch eine Katodenhülse (27) mit einem offenen Ende, eine die Katodenhülse (27) umgebende magnetische Einrichtung (31) zur Erzeugung eines Magnetfelds (A) in der Katodenhülse (27)» das einen im wesentlichen geradlinigen, mittleren Teil (A) und nicht-geradlinige Endabschnitte aufweist, eine das offene Ende der Katodenhülse begrenzende Wand, die den zu zerstäubenden, mindestens einen Teil des nicht-geradlinigen Magnetfeldes aufnehmenden Werkstoff (30) trägt, eine die KatodenhUlse einschließende Einrichtung für die Erzeugung eines elektrischen Feldes in der Katodenhülse zum Zerstäuben des Werkstoffs sowie eine das Werkstück tragende Einrichtung (14).
2. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des elektrischen Feldes eine Anoden-Elektrode (33) umfaßt, die innerhalb der Katodenhülse (27) angeordnet ist.
3. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden-Elektrode (33) flach ausgebildet ist und sich quer zu dem geradlinigen, mittleren Teil (A) des magnetischen Feldes, der der das offene Ende der Katodenhülse (27) begrenzenden Wand benachbart ist, erstreckt.

Wb/Pe - 22 903

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