DE2246983B2

DE2246983B2 - Triode arrangement for cathode sputtering of substances by means of an electrical low-voltage discharge

Info

Publication number: DE2246983B2
Application number: DE2246983A
Authority: DE
Inventors: Otto Dr. Balzers Sager (Liechtenstein)
Original assignee: Balzers Hochvakuum 6201 Nordenstadt GmbH
Current assignee: Balzers Hochvakuum 6201 Nordenstadt GmbH
Priority date: 1971-10-06
Filing date: 1972-09-25
Publication date: 1975-11-20
Also published as: CH551497A; NL7116297A; DE2246983A1; US3839182A; GB1405489A; FR2155589A5

Description

:>. lnoaenanoranung nacn einem uti <-i..o_K. ν —:>. lnoaenanoranung after a uti <-i..o _K. ν -

ehe 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die (p> 10"² Torr) ist die Trägerdbefore 1 to 3, characterized in that the (p> 10 " ² Torr) is the carrierd

Anode der Entladung als gesonderte Elektrode 40 Entladung gering (10¹⁰- 10"Anode of the discharge as a separate electrode 40 Discharge low (10 ¹⁰ - 10 "

auf gegenüber der Zerstäubungskammer (1) ne- Snannuneen zur Erreichung < gatives Potential geschaltet ist.on opposite the atomization chamber (1) ne- Snannuneen to achieve <negative potential is switched.

«.««.-.» 5"-* ν- _u - cm"³), so daß hohe Spannungen zur Erreichung der gewünschten Zerstäubungsraten notwendig sind. Nebst den damit verbundenen konstruktiven Problemen wird dadurch die Belastung der Substrate durch das Bombardement 45 von Sekundärelektronen groß. Außerdem ist die Produktionskapazität solcher Anlagen beschränkt, da die«.« «.-.» 5 "- * ν- _u - cm" ³ ), so that high voltages are necessary to achieve the desired atomization rates. In addition to the structural problems associated therewith, the load on the substrates due to the bombardment 45 of secondary electrons is great. In addition, the production capacity of such systems is limited because the

DieErfindungbetriffteineTriodenanordnungzur -^^^^^^^The invention relates to a triode arrangement for - ^^^^^^^

Kathodenzerstäubung von Stoffen mittels einer elek- eheist^mgege- Sputtering of materials by an elec- eheist ^ mgege - ^_{13 Teilchen/cm3} ^ _{13 particles / cm3}

trischen Niederspannungsentladung zwischen einer de völliger^ wertric low voltage discharge between one de utter ^ who

Anode in einer Zerstäubungskammer und einer in ei- 50 ™J?SS^^IateriaIien mit hohen Raten selbst im ner getrennten, mit der Zerstaubungskamme^ über p3~ zerstäuben. Die Substratbelastung durch Sekundärelektronen kann in diesem Falle durch Anlegen statischer Magnetfelder weitgehend 55 vermieden werden.Anode in a sputtering chamber and one in a- 50 ™ J? SS ^^ IateriaIien with high rates even im ner separate, atomize with the atomizing comb ^ over p3 ~. The substrate exposure through secondary electrons can in this case can be largely avoided by applying static magnetic fields.

Um der erwähnten Gefahr einer unerwünschten Zerstäubung von Einbauteilen und Kammerwänden zu begegnen, ist es aus der USA.-PatentschriftTo avoid the mentioned risk of undesired atomization of built-in parts and chamber walls to counter it is from the USA patent specification

3s£Ss=sSssS - 33SfSSSsS3s £ Ss = sSssS - 33SfSSSsS

Gesandt^vSgesehen sind Bei dieser bekannten oder sie an eine positive Spannung zu legen. Um dieSent ^ vSeen are known to this or to be connected to a positive voltage. To the

ner getrennten, mit der Zerstäubungskammer über eine öffnung in einer gemeinsamen Trennwand verbundenen Glühkathodenkammer befindlichen Glühkathode, wobei der zu zerstäubende Stoff anodenseitig in dtr Achse der Entladung angeordnet ist.ner separate hot cathode, connected to the sputtering chamber via an opening in a common partition, the substance to be sputtered being arranged on the anode side in the axis of the discharge.

Solche Triodenanordnungen sind bereits bekannt (deutsche Patentschrift 1515294), wobei unter Anwesenheit eines die Entladung bündelnden Magnetfeldes in der evakuierbaren Zerstäubungskammer ein Tä fü i Vt d u zerstäubenden StoffesSuch triode arrangements are already known (German patent specification 1515294), with a magnetic field concentrating the discharge occurring in the evacuable atomization chamber Tä fü i Vt d u atomizing substance

einem isolierenden keramischen Überzug versehen bzw. wurde die Glühkathode in einem innerhalb der Glühkathodenkammer befindlichen isolierenden Keramikrohr untergebracht, das ein Stück weit wie eine Düse aus der Kathodenkammer in die Zerstäubungskammer hineinragen konnte, um den austretenden Elektronenstrahl besser zu bündeln. Solche Maßnahmen zum Schutz von Einbauleilen und Innenwänden sind jedoch aufwendig, denn sie erfordern tür jeden zu schützenden Teil eine isolierte Aufstellung bzw. sogar einen besonderen Schirm und/oder eine eigene Spannungsquelle.provided with an insulating ceramic coating or the hot cathode was housed in an insulating ceramic tube located inside the hot cathode chamber, which could protrude a bit like a nozzle from the cathode chamber into the sputtering chamber in order to better focus the exiting electron beam. Such measures for the protection of built-in parts and inner walls are complex, however, because they require an isolated installation or even a special screen and / or a separate voltage source for each part to be protected.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Triodenanordnung der eingangs genannten Art die Einbauteile und Kammerwände gegen Zerstäubung durch relativ einfache Maßnahmen zu schützen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Trennwand gegenüber der Glühkathodenkammer und gegenüber der Zerstäubungskammer elektrisch isoliert ist, und daß die Anode auf ein Potential geschaltet ist, das nicht positiver ist als das der Wand der Zerstäubungskammer.The invention is based on the object of a triode arrangement of the type mentioned at the beginning to protect the built-in parts and chamber walls against atomization by relatively simple measures. This object is achieved according to the invention in that the partition wall opposite the hot cathode chamber and is electrically isolated from the sputtering chamber, and that the anode is at a potential is connected, which is not more positive than that of the wall of the atomization chamber.

Dadurch entfällt in vorteilhafter Weise die Notwendigkeit, die zu schützenden Einbauteile elektrisch isoliert aufzustellen bzw. sämtliche zu schützenden Wandteile durch zusätzliche Schirme abzudecken, und dadurch gelingt es, einen vollständigen Schutz gegen Zerstäubung für die Einbauteile und die Wand der beiden Kammern zu erzielen, wobei Einbauten und die Wand der Zerstäubungskammer auf Erdpotential gelegt werden können. Damit ist ein konstruktiv einfacher Aufbau gegeben.This advantageously eliminates the need to electrically connect the built-in parts to be protected set up in isolation or cover all parts of the wall to be protected with additional screens, and this makes it possible to achieve complete protection against atomization for the built-in parts and the wall of the to achieve both chambers, with internals and the wall of the atomization chamber at ground potential can be laid. This results in a structurally simple structure.

Wahrscheinlich beruht die Wirkung der beschriebenen Anordnung darauf, daß durch die zwei voneinander elektrisch isolierten Kammern das Plasma der Bogenentladung auf negatives Potential gegenüber den Wänden der Zerstäubungskammer gebracht wird. Dasselbe gilt für die auf gleichem Potential wie die Kammerwände befindlichen Einbauteile.Probably the effect of the arrangement described is based on the fact that by the two of each other electrically isolated chambers oppose the plasma of the arc discharge to negative potential is brought to the walls of the spray chamber. The same goes for those on the same potential as them Chamber walls located built-in parts.

Es ist zweckmäßig, wenn die Trennwand zwischen der Glühkathodenkammer und der Zerstäubungskammer wenigstens auf der der Zerstäubungskammer zugewandten Seite eine elektrisch isolierende Oberfläche aufweist. Wenn die Trennwand aus Metall besteht, muß tine entsprechende Isolierung gegenüber beiden Kammern vorgesehen werden.It is useful if the partition between the hot cathode chamber and the sputtering chamber is at least on top of that of the sputtering chamber facing side has an electrically insulating surface. If the partition is made of metal, adequate insulation must be provided for both chambers.

Die Anode der Entladung kann von einem Teil der Wand der Zerstäubungskammer gebildet sein und das gleiche Potential wie diese aufweisen. Sie kann aber auch als gesonderte Elektrode ausgebildet sein; in diesem Falle erteilt man ihr zweckmilßigerweise ein gegenüber der Zerstäubungskammer negatives Potential. The anode of the discharge can be formed by part of the wall of the sputtering chamber and that have the same potential as this. But it can also be designed as a separate electrode; in in this case it is expediently given a negative potential in relation to the atomization chamber.

Die beschriebene Anordnung kann in vorteilhafter Weise nicht nur zum Beschichten von Gegenständen verwendet werden, sondern auch dazu dienen, diese in an sich bekannter Weise einer anodischen Oxydation in einer Glimmentladung in Sauerstoff zu unterwerfen. Zu diesem Zweck wird über ein Ventil Sauerstoff in die Anlage eingeführt.The arrangement described can advantageously not only be used for coating objects are used, but also serve to anodic oxidation in a manner known per se subject to a glow discharge in oxygen. For this purpose, oxygen is supplied through a valve introduced into the plant.

ίο Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt schematisch die evakuierbare Zerstäubungskammer 1, in welcher auf Haltevorrichtungen 2 die mit dem zerstäubten Material zu beschich-ίο The following is an embodiment of the invention explained in more detail with reference to the drawing. The drawing shows schematically the evacuable atomization chamber 1, in which on holding devices 2 the to be coated with the atomized material

J-5 tenden Gegenstände 3 angeordnet sind. Durch einen Isolator 4 wird über die Zuleitung 5 die erforderliche Betriebsspannung an das zu zerstäubende Material 6 (Target) durch die Grundplatte 7 hindurch in die über dem Pumpstutzen 8 evakuierbare Zerstäubungskam-J-5 tend objects 3 are arranged. Through a The insulator 4 supplies the required operating voltage to the material 6 to be atomized via the supply line 5 (Target) through the base plate 7 into the atomization chamber which can be evacuated via the pump nozzle 8

ao mer eingeführt. Die Zerstäubungskammer 1 steht über eine öffnung in einer gemeinsamen Trennwand 9 mit der Glühkathodenkammer 11 in Verbindung. In dieser ist die Kathode 13 vorgesehen, welche über die durch die isolierende Flanschplatte 14 hin-ao mer introduced. The atomization chamber 1 stands over an opening in a common partition 9 with the hot cathode chamber 11 in connection. In this the cathode 13 is provided, which through the insulating flange plate 14

»5 durchgeführten Stromzuführungen mit Heizstrom versorgt wird. Gegenüber beiden genannten Kammern ist die als Blende ausgebildete metallische Trennwand 9 durch Isolatoren 10 elektrisch isoliert. Die Glühkathodenkammer wirkt als Ionisationskammer für das über ein Nadelventil 12 in dosierter Menge eingeführte zu ionisierende Gas.»5 power leads are supplied with heating current. Opposite both chambers mentioned the metallic partition 9 designed as a screen is electrically insulated by insulators 10. The hot cathode chamber acts as an ionization chamber for the dosed via a needle valve 12 Amount of introduced gas to be ionized.

Eine die Zerstäubungskammer 1 umgebende Spule 15 dient zur Erzeugung des die Entladung führenden Magnetfeldes. Beim Betrieb liegt Grundplatte 7 derA coil 15 surrounding the atomization chamber 1 serves to generate the discharge leading to the discharge Magnetic field. In operation, the base plate 7 is the

Zerstäubungskammer auf Erdpotential, wogegen die Glühkathode 13 in der Ionisationskammer mit dem negativen Pol eines auf seiner positiven Seite geerdeten Gerätes 16 zur Erzeugung hoher Gleichströme verbunden ist.Sputtering chamber on earth potential, whereas the hot cathode 13 in the ionization chamber with the negative pole of a device 16 grounded on its positive side for generating high direct currents connected is.

An das Target 6 wird, wenn Gleichspannungszerstäubung gewünscht wird, eine vom Gerat 17 gelieferte negative Gleichspannung von einigen 1000 Volt oder - wenn Wechselspannungszerstäubung gewünscht ist, die vom Gerät 18 gelieferte Wechselspannung (vorzugsweise Hochfrequenz) angelegt. Die Niederspannung brennt bei der beschriebenen Anordnung zwischen der Glühkathode 13 in der Kammer 11 und der Grundplatte 7 der Zerstäubungskammer 1. Dabei wird das anodenseitig in der Achse der Bogenentladung angeordnete Target mit hohem Wirkungsgrad zerstäubt.If DC voltage atomization is desired, one supplied by the device 17 is applied to the target 6 negative direct voltage of a few 1000 volts or - if alternating voltage atomization is desired is, the alternating voltage (preferably high frequency) supplied by the device 18 is applied. the In the arrangement described, low voltage burns between the hot cathode 13 in the chamber 11 and the base plate 7 of the atomization chamber 1. The anode side is in the axis of Arc discharge arranged target atomized with high efficiency.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

Patentansprüche:Patent claims:

schlagen zwischen der Anode und den Wänden der ZeTStaubungskammer sowie den in der ZerstaubungskSer anordneten Einbauten (z.B. Haltevorrichtungen) besteht. Auch d*m, wenn es zu keinen nachschlagen kommt, sind die Innenwände der Ze,--SuSänmer und die Oberflächen der Einbauteile wegen der Potentialdifferenz zwischen Plasma und Wand in gewissem Maße einer Zerstäubung durch aufprallende, von der Intladung herrührende Ionen fn Dies bringt nicht nur eine Beschädigungbeat between the anode and the walls of the dust chamber as well as the built-in components (e.g. holding devices) arranged in the dust chamber. Even d * m, if there is no look up comes, the inner walls of the Ze, - SuSänmer and the surfaces of the built-in parts because of the potential difference between plasma and wall to some degree of atomization by impinging ions from the charge fn This not only brings corruption

1. Triodenanordnung zur Kathodenzerstäubung von Stoffen mittels einer elektrischen Niederspannungsentladung zwischen einer Anode in einer Zerstäubungskammer und einer in einer getrennten, mit der Zerstäubungskammer über eine _luc .„., „1. Triode arrangement for cathode sputtering of substances by means of a low-voltage electrical discharge between an anode in a sputtering chamber and one in a separate one with the sputtering chamber via a _luc . ".,"

öffnung in einer gemeinsamen Trennwand ver- V _{orfe Dies bringt nic}ht nur eine Beschädigungopening in a common partition comparable V _{orfe This brings nic} ht only damage

bündenen Glühkathodenkammer befindlichen ^lo ™.^e^°" _unerwünschte Abnützung der genannten Glühkathode, wobei der zu jzerstaubende^ btpn pj_{ächen mit s}jch, sondern führt vor allem zu einerflushed hot cathode chamber located ^lo ™. ^e ^ ° " _undesired wear of the hot cathode mentioned, whereby the ^ btpn pj to be _{dusted off with s} jch, but leads above all to a

Verunreinigung der in einer solchen Anlage herge-Contamination of the produced in such a system

Verunreinigung der in einer so g rgePollution of the in such a large amount

stellten Schichten. Bei einer Betriebsweise der beh bi lcher zwecks Zerstäubuput layers. In one mode of operation of the container for the purpose of atomization

anodenseitiginder Achse der Entladung angeordnet ist, ^adurch^gekennzeichnet, daß^die _xmai^„. „w - -is arranged on the anode side in the axis of the discharge, ^ a characterized by ^ that ^ the _xmai ^ ". "W - -

Trennwand (9) gegenüber der Glühkathoden- . steinen^ _g bei welcher zwecks ZerstäubungPartition (9) opposite the hot cathode. stones ^ _g in which for the purpose of atomization

kammer (11) und gegenüber der Zerstäubung- 15 ^"^^ nichtleitenden Materialien (Isolatoren) (1) elektrisch isoliert ist, und daß^Jie ^""rager _m _{das zu} zerstäubende Material an einechamber (11) and against the atomization 15 ^ "^^ non-conductive materials (insulators) (1) is electrically isolated, and that ^ Jie ^""rager _m _the material to be atomized to a

Hochfrequenzspannung gelegt wurde, ergab sich eine starke Einkopplung des Hochfrequenzstromes in den so Gleichstromkreis der Niederspannungsentladung, wodurch die Gefahr einer Überlastung desselben gegeben war.High-frequency voltage was applied, there was a strong coupling of the high-frequency current into the so direct current circuit of the low voltage discharge, whereby the risk of overloading the same was given.

Bei bekannten Anordnungen zur Zerstäubung von Isolatoren mittels einer Niederspannungsentladung, »5 bei denen gleichzeitig an das Target eine hochfrequente Spannung angelegt wurde, sind zumeist alleIn known arrangements for sputtering insulators by means of a low-voltage discharge, »5 in which a high-frequency voltage was applied to the target at the same time are mostly all

3. Triodenanoranung nacn /\nspruwn ·«*""/·» pVL_ktroHen durch das zerstäubte Isoliermaterial bedadurch gekennzeichnet daß die zwischen der faieMjoa ^^ ^^ ^ ^ ^^3. Triode anoranation nacn / \ nspruwn · «*""/ ·» pVL _ktro Hen characterized by the atomized insulation material that the between the faieMjoa ^^ ^^ ^ ^ ^^

Glühkathodenkammer (11) und der Zerstau- ;~f V ^_{ηίοη1εη durc}h reaktives Zerstäuben hergebungskammer (1) angeordnete und gegenüber n» Weitere Probleme entstanden dadurch,Incandescent cathode chamber (11) and the _{atomization chamber (1) arranged through} reactive atomization and compared to n »Further problems arose as a result,

beiden Kammern (1, 11) elektrisch isolierte 3» steHt:mxden.^__{Spannungsabfä}„_{e bewirkte} both chambers (1, 11) electrically isolated 3 stands : mx the _{voltage drop} _caused

Trennwand (9) aus Metall besteht. Rückzerstäubungen der Substrate und der Wand derPartition wall (9) consists of metal. Back atomization of the substrates and the wall of the

4. Triodenanordnung nach einem der Anspru- 5 "S»n«kaSmer auftraten4. Triode arrangement according to one of the claims 5 "S» n «kaSmer occurred

ehe 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ²^SSoSL te?!S"bbher meist die beAnode (7) der Entladung von einem Teil der .^SSe Hochfrequenzentladung zur Erzeu-Wand der Zerstäubungskammer (1) gebildet ist 35 kannte^P^azi« _{schen S(}J_{ichten verwen} ⁶ _det. Jedoch und das gleiche Potential wie die Zerstaubungs- gang J^^Ste Dioden-HF-Entladung weist kammer aufweist Nachteile auf. Selbst bei relativ hohen DrückenBefore 1 to 3, characterized in that the ² ^ SSoSL te?! S "bbher mostly the anode (7) of the discharge is formed by a part of the. ^ SSe high-frequency discharge to the generating wall of the atomization chamber (1) ^Azi « _{s (} J _{ichten use} ⁶ _de t. However, and the same potential as the atomization process J ^^ Ste Diode HF discharge has disadvantages, even at relatively high pressures

5. Triodenanordnung nach einem der Anspru- £i™!| _{Toff) ist die Tr}ä_gerdichte in einer solchen5. Triode arrangement according to one of the claims _{Toff) is the Tr} ä _g erdichte in such a

kammerchamber

kammer (1) elektrisch isoliert ist, un , (chamber (1) is electrically isolated, un, (

Anode (7) auf ein Potential geschaltet ist, das nicht positiver ist als das der Wand der Zerstäubungskammer (1).Anode (7) is switched to a potential that is not is more positive than that of the wall of the atomization chamber (1).

2. Triodenanordnung nach Anspruch 1, aadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (9) zwischen der Glühkathodenkammer (11) und der Zerstäubungskammer (1) wenigstens auf der der Zerstäubungskammer (1) zugewandten Seite eine elektrisch isolierende Oberfläche aufweist.2. Triode arrangement according to claim 1, characterized in that the partition (9) between the hot cathode chamber (11) and the sputtering chamber (1) at least on the Has an electrically insulating surface facing the atomization chamber (1).

3. Triodenanordnung nach Anspruch 1 oder 2,3. triode arrangement according to claim 1 or 2,

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