DE2214590B2

DE2214590B2 - Verfahren und vorrichtung zum vakuumverdampfen von metallen

Info

Publication number: DE2214590B2
Application number: DE19722214590
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Priority date: 1972-03-22
Filing date: 1972-03-24
Publication date: 1976-07-01
Also published as: US3783231A; GB1342560A; FR2182747B1; DE2214590A1; FR2182747A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Vakuum-Verdampfen von Metallen, z. B. zum Bedampfen von Substraten oder Verdampfen von Getterstoffen, unter Einwirkung eines Lichtbogens, bei dem als Kathode das zu verdampfende Metall dient und der Kathodenfleck des Lichtbogens auf der zu verdampfenden Fläche der Kal:hode mittels eines Magnetfeldes gehalten wird und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die eine Vakuumkammer enthält, in der eine aus einem zu verdampfenden Metall ausgeführte Kathode und eine Anode angeordnet sind, zwischen denen ein Lichtbogen erzeugt wird, wobei der Kathodenfleck des Lichtbogens auf der zu verdampfenden Fläche der Kathode mittels eines Elektromagneten gehalten wird, der ein magnetisches Feld erzeugt, dessen Kraftlinien unter einem spitzen Winkel zu der nicht zu verdampfenden Fläche der Kathode gerichtet sind.

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Um ein Verdampfen des Metalls von der vorgegebenen Kathodenfläche — im folgenden »die zu verdampfende Fläche der Kathode« genannt — zu sichern, wird der Kathodenneck auf dieser Räche mittels eines auf den Lichtbogen einwirkenden Magnetfeldes gehalten, dessen Kraftlinien senkrecht zu der zu verdampfenden Kathodenfläche und zu der Kathodenfläche, deren Verdampfung unerwünscht ist, unter einem spitzen Winkel gerichtet sind. Diese Kathodenfläche wird im folgenden »die nicht zu verdampfende« Kathodenfläche genannt.

Das Bestreben des Kathodenflecks, sich im Magnetfeld von einem stumpfen Winkel zu einem spitzen Winkel zwischen der Kathodenfläche und der Richtung der Magnetkraftlinien zu verschieben, wird zur Rückführung des Kathodenfleckes auf die zu verdampfende Kathodenfläche benutzt, wenn er sich spontan auf die nicht zu verdampfende Kathodenfläche verschiebt Bei den bekannten Vorrichtungen wird der Kathodenfleck durch Dauermagnete, die außerhalb der Vakuumkammer angeordnet sind und an der Kathodenfläche ein konstantes gleichförmiges Magnetfeld erzeugen, auf der zu verdampfenden Kathodenfläche gehalten. Der spitze Winkel zwischen den magnetischen Kraftlinien und der nicht zu verdampfenden Kathodenfläche wird durch die Kathodenform geschaffen. Ein wesentlicher Nachteil bei dieser Anordnung besteht darin, daß zum Verweilen des Kathodenflecks des Lichtbogens auf der zu verdampfenden Kathodenfläche ständig ein Magnetfeld vorhanden sein muß. Dabei werden an die Gleichförmigkeit des Magnetfeldes auf der zu verdampfenden Kathodenfläche sowie an den senkrechten Verlauf der magnetischen Kraftlinien in bezug auf diese Fläche hohe Anforderungen gestellt, da, wenn das Feld nicht gleichförmig ist, der Kathodenfleck sich in der Richtung der höheren Stärke des Magnetfeldes verschiebt und wenn die magnetischen Kraftlinien zum zu verdampfenden Kathodenbereich geneigt sind, bewegt er sich in Richtung vom stumpfen zum spitzen Winkel, was zu einer ungleichmäßigen Verdampfung der Kathode und zur Änderung ihrer Form führt, wodurch die Stabilität des Brennens des Lichtbogens beeinträchtigt und ein unvollständiger Verbrauch des Kathodenmaterials hervorgerufen wird. In den bekannten Vorrichtungen werden daher große Magnete um die Vakuumkammer herum benötigt, die die Erzeugung eines gleichförmigen Magnetfeldes gewährleisten, wobei bei Anlagen für höhere Leistung mit entsprechend großen Abmessungen es mit den üblichen Magnetwerkstoffen überhaupt nicht mehr möglich ist, ein gleichmäßiges und ausreichend starkes Magnetfeld in der Vakuumkammer zu gewährleisten.

Es ist daher Aufgabe der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung, den Einfluß der Ungleichförmigkeit des Magnetfeldes auf die Bewegung des Kathodenl'lecks über die gesamte zu verdampfende Kathodenfläche auszuschließen.

Die Erfindung gestattet es, die Abmessungen und die Energieintensität des den Lichtbogen hallenden Magneten bedeutend zu vermindern und die Konstruktion des Magneten dadurch zu vereinfachen, daß beim erfindungsgemäßen Verfahren keine Gleichförmigkeit des Magnetfeldes auf der zu verdampfenden Kathodenfläche erforderlich ist. Vielmehr wird die maximale Stärke des Magnetfeldes, welche für die Rückführung des Kathodenfleckes auf die zu verdampfende Fläche der Kathode ausreicht, nur dann erzeugt, wenn der Kathodenfleck auf die nicht zu verdampfende Kathodenfläche gelangt. Dadurch können Filektromagnete mit kleinen

Abmessungen verwendet werden, und der für die Erzeugung des Magnetfeldes erforderliche Elektronenenergieverbrauch sinkt erheblich.

Die Erfindung gestattet es, auch die Form der Kathode zu vereinfachen, denn es wirii möglich, bei ver- gleichbaren Abmessungen der Vorrichtung die Reserve an zu verdampfendem Kathodenmetall zu vergrößern und Kathoden mit einer größeren Verdampfungsfläche zu verwenden, und damit Aufdampfeinrichtungen mit praktisch beliebiger Leistung zu schaffen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Die Erfindung wird nun an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.

Es zeigt:

F i g. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Vakuumverdampfung von Metallen für das Sorptionsevakuieren von aktiven Gasen,

F i g- 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Vakuumverdampfung von Metallen für die Herstellung von dünnen Überzügen auf Metallen und elektrischen Erzeugnissen,

F i g. 3 eine erfindungsgemaße Vorrichtung zur Vakuumverdampfung von Metallen für die Herstellung von gleichmäßigen Metallüberzügen auf flachen Erzeugnissen,

F i p. 4 ein Oszillogramm des Stromes des Eiektromagneten, der in der in F i g. 2 dargestellten Vorrichtung ein veränderliches Magnetfeld erzeugt.

Die Vorrichtung zum Sorptionsevakuieren von aktiven Gasen, die in F i g. 1 dargestellt ist. hat folgenden Aufbau: Das Gehäuse 1 der Pumpe, das aus einem unmagnetischen Material ausgeführt ist, ist an einen Flansch des zu evakuierenden Raumes 2 mittels Bolzen 3 angeschlossen und durch eine Gummidichtung 4 abgedichtet. Innerhalb des Gehäuses 1 ist; auf einem Abkühlungsbett 5, welches von dem Gehäuse 1 durch den Isolator 6 isoliert ist, eine Kathode 7 aus dem zu verdampfenden Metall angeordnet. Mittels der Stifte 8 ist die Kathode 7 an das Abkühlungsbett 5 dicht angedrückt. Die Kathode 7 ist in Form einer Scheibe ausgebildet. Als Anode dient das Gehäuse 1. Die nicht zu verdampfende zylindrische Fläche 9 der Kathode 7 ist durch eine Elektrode 10 abgedeckt, die als Geber dient, welcher die Einwirkung des Lichtbogens beim Verweilen des Kathodenflecks auf der nicht zu verdampfenden Fläche 9 der Kathode 7 wahrnimmt und durch Isolatoren (nicht gezeigt) am Abkühlungsbett 5 befestigt ist. Die Elektrode 10 weist einen Ausschnitt 11 auf, durch den die bewegliche Elektrode 12 den Lichtbogen erregt. Die bewegliche Elektrode 12 ist durch einen Isolator 13 am Anker 14 befestigt, der innerhalb eines Rohres 15 aus unmagnetischem Material angeordnet ist.

Die Spule 16 des Elektromagneten bewirkt die Unterbrechung der Strecke »Kathode-bewegliche Elektrode«, indem sie die Feder 17 zusammendrückt. Außerhalb des Gehäuses 1 ist ein Elektromagnet 18 angeordnet, der das Magnetfeld erzeugt, dessen Kraftlinien unter einem spitzen Winkel zu der nicht zu verdampfenden Fläche 9 der Kathode 7 angeordnet sind. Zum Evakuieren des Vakuumraumes 2 und der Kammer der Pumpe 19, sowie auch zum Entfernen von inerten Gasen, welche durch den Getterstoff nicht sorbiert werden, dient ein Pumpensystem, das eine mechanische (»5 Pumpe und ein Hochvakuumpumpsystem umfaßt, welche eine (^diffusionspumpe (nicht dargestellt) enthält, die an den Flansch 20 angeschlossen wird. Die aus einem zu verdampfenden Gettermetall (Titan) ausgeführte Kathode 7 ist über ihrem Halter mittels einer Leitung 21 mit einem Ende des Elektromagneten 16 verbunden, während das andere Ende des Elektromagneten 16 mittels der Leitung 22 an den Minuspol einer Speisequeile 23 angeschlossen ist Der Pluspol der Speisequelle 23 ist mittels der Leitung 24 mit dem Gehäuse 1 der Pumpe verbunden. Die Elektrode 10 ist durch die Leitung 25, die durch einen vakuumdichten Isolator 6 geführt ist mittels des Widerstandes 26 mit dem Gehäuse 1 elektrisch verbunden. Die bewegliche Elektrode 12 ist mittels der Leitung 27 und der Leitung 28, welche durch einen vakuumdichten Isolator 29 geführt ist durch einen Widerstand 30 mit dem Gehäuse 1 der Pumpe verbunden. Der Elektromagnet 18 ist durch die Leitungen 31 und 32 mit dem Ausgang des Verstärkers 33 verbunden, dem Eingang dieses Verstärkers wird ein Signal zugeführt, das von dem Widerstand 26 mittels der Leitungen 34 und 35 abgenommen wird.

Die unter Anwendung eines Lichtbogens betriebene Hochvakuum-Sorptionspumpe, welche in F i g. 1 dargestellt ist, hat folgende Arbeitsweise:

Nach dem Evakuieren des Gases aus dem Vakuumraum 2 und der Kammer der Pumpe 19 mittels des Pumpsystems bis zu einem Druck von 10-' bis 5 · 10~² Torr wird durch die bewegliche Elektrode 12 auf der nicht zu verdampfenden Fläche 9 der Kathode 7 ein Kathodenfleck des Lichtbogens erzeugt. Der Lichtbogen brennt zwischen der Fläche 9 der Kathode 7 und der Elektrode 10, die durch den Widerstand 26 mit dem Gehäuse 1, welches als Anode dient, verbunden ist. Der am Widerstand 26 entstandene Spannungsabfall wird dem Eingang des Verstärkers 33 zugeführt, an dessen Ausgang der Elektromagnet 18 angeschlossen ist. Das führt dazu, daß durch die Wicklung des Elektromagneten 19 Strom fließt, der ein Magnetfeld erzeugt, welches den Kathodenfleck des Lichtbogens auf die zu verdampfende Fläche 36 der Kathode 7 verdrängt. Sobald der Kathodenfleck von der Fläche 9 auf die Fläche 36 übergeht, hört der Strom auf durch den Widerstand 26 zu fließen, und das durch den Elektromagnet 18 erzeugte Magnetfeld verschwindet. Indem sich der Kathodenfleck 37 fluktuierend über die zu verdampfende Fläche 36 der aus Titan ausgeführten Kathode 7 vorschiebt, verdampft er das Metall, welches sich an den Innenwänden des Gehäuses 1, das als Anode dient, absetzt, Das an den Wänden des Gehäuses 1 abgesetzte Titan bewirkt das Evakuieren von aktiven Gasen. Im Laufe der Metallverdampfung wird die Kathode 7 erwärmt. Die Abkühlung der Kathode 7 wird mittels einer Füssigkeit vorgenommen, die durch einen im Abkühlungsbett 5 ausgeführten Kanal 38 fließt. Nachdem in dem zu evakuierenden Raum ein Druck von 10*1 bis 10- Torr erreicht worden ist, werden die Vorpumpsysteme abgeschaltet und das Hochvakuumpumpsystem eingeschaltet, das die Reste vom inerten Gas (Argon) aus dem zu evakuierenden Raum 2 entfernt.

Indem sich der Kathodenfleck 37 fluktuierend über die zu verdampfende Fläche 36 der Kathode 7 verschiebt, gelangt er periodisch auf die nicht zu verdampfende Fläche 9 und schließt folgenden Stromkreis : Fläche 9 — Elektrode 10 — Leitung 25 — Widerstand 26 — Gehäuse 1, wodurch über den Verstärker 33 der Elektromagnet 18 eingeschaltet wird, der ein Magnetfeld erzeugt, welches den Kaihodenfleck auf die zu verdampfende Fläche 36 verdrängt. Auf diese Weise wird das Magnetfeld nur während eines Verweilens des Kathodenflecks auf der nicht zu verdampfenden Fläche 9

der Kathode 7 erzeugt.

F i g. 2 zeigt eine Vorrichtung zum Aufdampfen von dünnen Überzügen. Die aus dem zu verdampfenden Metall ausgeführte Kathode 7 weist die Form einer flachen Scheibe auf, und die zu bedampfenden Erzeugnisse 39 werden gegenüber der Kathode an der Oberfläche einer imaginären Kugel 40 angeordnet, die in bezug auf die zu verdampfende Fläche 36 der Kathode 7 diese berührend gelagert ist. Der Decke! 41 ist aus einem unmagnetischen Stoff ausgeführt, und der Elektromagnet 42, der das Magnetfeld erzeugt, ist am Deckel 41 angeordnet und durch eine Leitung 43 mit dem Deckel 41 und durch eine Leitung 44 mit dem Gehäuse 45 elektrisch verbunden, das als Anode dient. In dieser Vorrichtung dient der Deckel 41 als Geber, der die Einwirkung des Lichtbogens während eines Verweilens des Kathodenfleckes auf der nicht zu verdampfenden Fläche 9 der Kathode 7 wahrnimmt.

Die Kathode 7 wird mittels der Stifte 8 am Abkühlungsbett 46 befestigt. Das Abkühlungsbett weist einen Kanal 47 für den Durchgang der Abkühlungsflüssigkeit auf, deren Zu- und Abführung durch Rohrstutzen 48 und 49 vorgenommen wird.

Das Abkühlungsbett 46 ist vakuumdicht am Deckel 41 aus einem unmagnetischen Stoff mittels eines Isolators 50 befestigt. Der Deckel 41 ist am Gehäuse 45 mittels der Bolzen 51 und der Muttern 52 befestigt, und von diesem durch eine Isolierzwischenlage 53, Gummidichtungen 4, eine Isolationshülse 54 und Isolationsscheiben 55. die auf Bolzen 51 aufgesetzt sind, isoliert. Die bewegliche Elektrode 56 ist durch den Isolator 13 am Anker 14 befestigt.

Das Evakuieren von Gas aus der Vorrichtung wird mittels eines Systems von Vor- und Hochvakuumpumpen (in F i g. 2 nicht dargestellt) durch den Rohrstutzen 20 vorgenommen. Die Vorrichtung hat folgende Arbeitsweise. Nachdem im Raum des Gehäuses 45 ein Betriebsdruck von mindestens 10-' Torr, vorzugsweise 10-' bis 10-^! Torr erreicht worden ist, wird die Speisequelle 23 des Lichtbogens eingeschaltet. Im Stromkreis: Leitung 22 — Spule 16 des Elektromagneten — Leitung 21 — Abkühlungsbett 46 — Kathode 7 — bewegliche Elektrode 56 — Leitung 57 — Widerstand 58 — Leitung 59 — Gehäuse 45, das als Anode dient, — Leitung 24 entsteht elektrischer Strom, der ein Hineinziehen des Ankers 14 durch den in der Spule 16 des Elektromagneten entstandenen Strom hervorruft. Zwischen der zu verdampfenden Fläche 36 der Katnode 7 und der beweglichen Elektrode 56 wird ein Lichtbogen erzeugt

Sobald der Kathodenfleck 37 sich auf die nicht zi verdampfende Fläche 9 der Kathode 7 verschiebt, fang der Strom an, durch den Stromkreis: Kathode 7 Deckel 41 — Leitung 43 — Elektromagnet 42 — Lei tung 44 — Gehäuse 45 — Leitung 24 — Speisequelle 2; — Leitung 22 — Spule 16 des Elektromagneten — Lei tung 21 — Abkühlungsbett 46 — Kathode 7 zu fließer Das durch den Elektromagneten 42 erzeugte Magnet feld verdrängt den Kathodenfleck 37 auf die zu ver

ίο dampfende Fläche 36 der Kathode 7, und der Strom in Stromkreis des Elektromagneten vermindert sich be deutend. Ein Oszillogramm des Stromes, der durch der Elektromagneten fließt, ist in F i g. 4 dargestellt.

Das Oszillogramm des Stromes des Elektromagne ten 42 wurde unter Verwendung einer Kathode 7 au: Titan mit einem Durchmesser von 50 mm bei eine; mittleren Stromstärke des Lichtbogens von 55 Ampen aufgenommen.

Die in F : g. 3 gezeigte Modifikation der Vorrichtung zur Metallverdampfung dient zur Herstellung vor gleichmäßigen Überzügen auf zu bedampfende Erzeug nisse 60, die flach ausgebildet sind. Zu diesem Zweck is die Kathode 61 aus einem zu verdampfenden Metall ir Form eines flachen Ringes ausgebildet und an einerr Abkühlungsbett 62 befestigt. Die nicht zu verdampfen den Flächen 63 und 64 der Kathode 61 sind durch Elek tromagnete 65 und 66 abgedeckt.

Die Windungen 67 und 68 der Wicklungen der Elek tromagnete 65 und 66 sind in bezug auf die nicht zi verdampfenden Flächen 63 und 64 der Kathode 61 mil einem Spielraum angeordnet, und die Windungen 6S und 70 sind mittels Leitungen 71 und 72 mit dem Gehäuse 45 und dem Deckel 73 verbunden. Die gesamte Baueinheit der Kathode ist am Deckel 73 des Gehäuses 45 montiert. Im Laufe der Arbeit der Vorrichtung gelangt der Kathodenfleck, indem er sich fluktuierend über die zu verdampfende Fläche 74 der Kathode 61 verschiebt, periodisch in den Spielraum zwischen der nicht zu verdampfenden Fläche 63 oder 64 und den Windungen 67 oder 68. Der Strom des Lichtbogens fängt an, durch den Elektromagneten 65 oder 66 zu fließen, wobei er ein Magnetfeld erzeugt, dessen Kraftlinien unter einem spitzen Winkel zu der nicht zu verdampfenden Fläche 63 und 64 gerichtet sind, und der Kathodenfleck des Lichtbogens wird auf die zu verdampfende Fläche 74 der Kathode 61 zurückgeführt. Im übrigen hat die Vorrichtung die gleiche Arbeitsweise wie oben beschrieben, wobei die einander entsprechenden Teile die gleichen Bezugszeichen wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen besitzen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: 22

1. Verfahren zum Vakuumverdampfen von Metallen, z. B. zum Bedampfen von Substraten oder Verdampfen von Getteirstoffen, unter Einwirkung eines Lichtbogens, bei denn als Kathode das zu verdampfende Metall dient, und der Kathcdenfleck des Lichtbogens auf der zu verdampfenden Fläche der Kathode mittels; eines Magnetfeldes gehalten wird, ι ο dadurch gekennzeichnet, daß ein Magnetfeld erzeugt wird, das beim Auswandern des Kathodenflecks auf die nicht zu verdampfende Fläche der Kathode seinen Maximalwert erreicht

2 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Feld nur im Augenblick des Auswanderns des Kathodenflecks (3) auf die nicht zu verdampfende Fläche (9,63,64) der Kathode (7, 61) erzeugt und abgeschaltet wird, wenn der Kathodenfleck wieder auf die zu verdampfende Fläche abgedrängt ist.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, die eine Vakuumkammer enthält, in der eine aus einem zu verdampfenden Metall ausgeführte Kathode und eine Anode angeordnet sind, zwischen denen ein Lichtbogen erzeugt wird, wobei der Kathodenfleck des Lichtbogens auf der zu verdampfenden Fläche der Kathode mittels eines Elektromagneten gehalten wird, der ein magnetisches Feld erzeugt, dessen Kraftlinien unter einem spitzen Winkel zu der nicht zu verdampfenden Fläche der Kathode gerichtet sind, gekennzeichnet durch einen Geber (10; 41; 67; 68), der in bezug auf die Kathode (7; 61) derart angeordnet ist, daß er die Einwirkung des Lichtbogens während eines Verweilens des Kathodenflecks auf nicht zu verdampfenden Flächen (9; 63; 64) der Kathode feststellt und einen Elektromagneten steuert, der das Magnetfeld bei Einwirkung des Lichtbogens auf den Geber vergrößert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Geber in Form eines ringförmigen Schirms (10) ausgebildet ist, der mit der Anode elektrisch verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Schirm eine Windung (67, 68) des Elektromagneten dient.