DE2263784A1 - Zerstaeubungsvorrichtung - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE DipUng. WERNER COHAUSZ · DipWng. WILHELM FLORACK. Dipl.-Ing. RUDOLF KNAUF

4 Düsseldorf, Sdiumannstraße 97 2 2 β 3 7 R A

Lucas Aerospace Limited Well Street GB-Birmginham 27. Dezember 1972 Zerstäubungsvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Zerstäubungsvorrichtung zur Ablagerung einer Materialschicht auf eineam Gegenstand, und ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zerstäubungsvorrichtung dieser Art in zweckmäßiger Form vorzusehen.

Erfindungsgekmäß ist eine Zerstäubungsvorrichtung gekennzeichnet durch eine Kammer zum Halten eines inerten Gases, auf einem niedrigen Druck, eine sich in die Kammer erstreckende Kathodenanordnung, eine Anode und eine sich in die Kammer erstreckende dritte Elektrode, an die im Betrieb eine solche Spannung angelegt ist, daß der Aufbau eines Plasmas innerhalb der Kammer eingeleitet wird.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen sinds

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung, bei der zur Vereinfachung der Darstellung Teile weggelassen sind,

Fig. 2 ein Schnitt an der Linie 2-2 der Fig. 1,

Fig. 3 *nd 4 in schematischer Darstellung im vergrößerten Haß st ab Teile aus Fig. 2 und

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Steuerschaltung für die Vorrichtung.

Gemäß Fig. 1 und 2 hat eine Kammer 10 Metallwaände 11. Die Kammer 10 weist eine in wesentlichen scheibenöfarige Partie 12 und eine periphere Partie 13 auf, die noch zu beschreiben sein wird. Von der oberen Wand der Partie 12 erstrecken sich zwei weitere Kammerpartien I4 und 13 und eine Luke 16, deren Lagen gestrichelt in Fig. 1 gezeigt

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sind. Die Partien 14 und 15 sind teilweise durch abgestufte zylindrische Bohrungen gebildet, die in die Kammerpartie 12 öffnen.

In der Kammerpartie 12 ist eine Transportanordnung 17 drehbar gelagert, die im einzelnen in Fig. 3 gezeigt ist. Die Anordnung 17 besteht aus einem Bad 18, das durch Standelemente 19 auf einer Armkreuzplatte 20 abgestützt ist. Das Rad 18 ist aus Metall, in das Heizelemente 21 und Kühlrohre 22 eingegossen sind. Die Armkreuzplatte 20 ist dichtend mit einem Planschrohr 23 verbunden, das dichtend durch die Wand 11 unten an der Kammerpartie 12 geht. Leitungen 24 stehen mit den Rohren 22 in Verbindung und gehen dichtend durch das Rohr 23, um eine Drehverbindung (nicht dargestellt) mit einer Kühlmittelquelle einzugehen. Die Verbindungen mit den Elementen 21 erfolgen über Schleifringe 25 am Rohr 2J. Die Transportanordnung 17 ist in sechs getrennte Positionen durch einen Malteserkreuzmechanismus 26 drehbar, der von einem Motor 27 angetrieben wird. Das Rad 16 weist an sechs im gleichen Abstand liegenden Stellen an seiner Oberseite Streifen auf, die TJ-förmige Ausnehmungen 28 bilden, welche zur Aufnahme und zum Orientieren von qmadratisehen Glassubstraten 29 eingerichtet sind, auf denen Seine Zerstübung vorgenommen werden soll. Dabei ist eine solche Anordnung vorgesehen, daß in irgendeiner der genannten sechs getrennten Positionen des Rads 18 drei der Ausnehmungen 28 mit den Bohrungen der Kammerpartien 14 und 15 bzw. der Luke 16 in einer Flucht liegen. Das Rad 18 ist elektrisch mit der Wand 11 der Kammer 10 verbunden.

Die Kammer 10 steht mit einer Pumpenanordnung in Verbindung, die allgemein bei 30 gezeigt ist und mittels der die Kammer 10 auf einen geringen Druck gebracht werden kann. Die Pumpeananordnung 30 weist eine Molekularsaugpumpe und eine Vorpumpe auf, wobei die Anordnung den Druck in der Kammer 10 auf einen Wert von 10 Torr senken kann.

Die Anordnung der Kammerpartie 15 ist im einzelnen in Fig. 4 gezeigt. Die Kammerpartie Η ist dabei im wesentlichen identisch dazu. Die Wand 11 der Kammer 10 weist eine Partie 31 auf, die eine abgestufte zylindrische Bohrung 32 hat, welche in die Kammpertie 12 öffnet.

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Die Partie 51 besteht aus Metall und ist an dem Rest der Wand 11 'befestigt, derart, daß sie in dichtendem Eingriff steht und einen guten elektrischen Kontakt herstellt.

Kathodeneinheiten 53» 34 sind so angeordnet, daß sie dichtend die Enden der Bohrungen 32 verschließen, die von der Kammerpartie 12 entfernt liegen und jeweils die Kammerpartien 14 und 15 bilden, fig. 4 zeigt zur Vereinfachung der Verständlichkeit eine etwas auseinandergezogene Sarstellung, wobei die Kathodeneinheit 34 aus dem dichtenden Angriff mit der Wandpartie 31 herausgenommen ist. Die Kathodeneinheit 34 weist ein mit einem Plansch versehenes zylinrisehes Element 35 auf, das einen ringförmigen Kanal 36 aufweist. Ein Deckel 37 greift dichtend am Element 35 an und ist mit einem Einlaß 37a und mit einem Auslaß 38 für Kühlmittel versehen. Ein Dichtring 39 aus Siliziumgummi dient zur Abdichtung der Kähodeneinheit 34 der Wandpartie 31 gegenüber und auch dazu sicherzustellen, daß die Partie 31 und die Kathodeneinheit gegeneinander elektrisch isoliert sind.

Sie Kathodeneinheit 34 weist eine runde Platte 40 auf, die die Zerstäubungsflangelektrode bildet und die aus dem Metall gebildet ist, das auf ein Werkstück aufgesprüht werden soll, welches in einer Ausnehmung 28 unter der Kathodeneinheit 34 am Had 18 sitzt. Sie Platte 40 ist am Best des Elements 35 angeüötet, das aus irgendeinem geeigneten Metall bestehen kann. Ein elektrischer Anschluß 41 ist am Element 35 befestigt.

Sie axialen Längen der Kathodeneinheit 34 und der abgestuften Partie 42 der Bohrung 32 sind derart, daß die Platte 40 nicht unter die abgestufte Partie 42 vorsteht. Ein radiales Spiel 43 ist zwischen der Kathodeneinheit 34 und der abgestuften Bohrungspartie 42 vorhanden.

Ein ringförmiger Gang 44 führt um die Bohrungspartie 42 in der Wand 31 herum und steht mit der Bohrung über radiale Löcher 45 in Verbindung. Ein Fließweg 46 verbindet den Gang 44 mit einer Inertgasquelle. Bei dem inerten Gas kanna es sich dabei um Argon handeln. Eine Sruck-

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sonde 47 steht mit der Kammerpartie 15 in Verbindung. Eine Zündkerze 48 für Kraftfahrzeuge mist durch Wegnahme der Maesenelektrode und durch Entfernung eines Teils des Gewindemantels an der Hochspannungeelektrode abgeändert. Sie Kerze 48 sitzt dichtend in der Wandpartie 31, derart, daß die Hochspannungselektrode der Kerze in Richtung auf die Kammerpartie 15 zeigt. Eine Lochplatte 49 erstreckt sich über das Ende der Bohrung 32, das von der Kathodeneinheit 54 entfernt liegt, und sie bildet ein Fenster, durch das Material auf das Werkstück aufgesprüht werden kann.

Im beschriebenen Ausführungsbeispiel besteht die Platte 40 aus Gold, und die entsprechende Platte in der Kathodeneinheit 33 besteht aus einer Nickelchromlegierung.

Die Kammerpartie 16 hat keine zugehörige Kathodeneinheit, stattdessen ist ein Zugmngsdeckel (nicht dargestellt) vorgesehen, der dichtend Xn einen Angriff mit der Wand der Partie 16 bringbar ist. Die Werkstücke können damit aus der Vorrichtung über die Kammperafetie 16 nach dem Besprühen entnommen werden.

Die Kammerpartie 13 (Fig. 1 und 2) weist ein Magazin 50 auf, in das fünf Glassubstrate eingelegt werden können. Eine Kathodeneinheit 51 ist vorgesehen, die im wesentlichen genauso wie die Kathodeneinheit 34 ausgebildet ist. Die Kathodeneinheit 51 ist jedoch ohne Platte vorgesehen, die der Platte 40 entspräche. Ferner ist die Einheit 51 in dem Bodenteil der Kammerpartie 13 so angeordnet, daß sie im wesentlichen in einer Flucht mit der Bodenwand derselben liegt.

Ein Zahnstangen-Transferarm 52 ist in Funktion setzbar, um die Substrate in einer Folge aus dem Magazin 50 in die Mitte der Kathodeneinheit 51 zu bewegen. Ein weiterer Zahnstangen-Transferarm 53 ist in Funktion setzbar, um die einzelnen Substrate von der Kathodeneinheit 51 in eine angreenzende Lage auf dem Rad 18 zu bewegen, und zwar über einen Durchgang 54» der die Kammerpartie 12 mit der Kammerpartie 13 verbindet.

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Die Wand 11 der Kammer und das Had 18 sind beide geerdet. Zwischen den Anschluß 41 und die Wand 11 ist über eine Steuer- und Schalteinheit 55 (Pig. 5) eine Weohselstromspannung angelegt. Die -"requenz dieser Spannung beträgt 13t5 Mhz, und die angelegte Spannung kann auf 2,5 KV gebracht werden. Die entsprechenden Anschlüsse an den Kathodeneinheiten 33, 51 sind entsprechend mit einer Wechselstromspannung verbunden.

Die Wand 11 der Kammer 10 zusammen mit dem Bad 18 bilden die Anode der Vorrichtung. Sie effektive Fläche der Anode ist dafemit sehr viel größer als die irgendeiner der Kathoden. Das Anlegen einer Hochfrequenz spannung an irgendeine der Kathoden führt zu einer Gleichstrom-Vorspannung der Erde gegenüber an der Kathode, nachdem einmal ein Plasma entstanden ist. Diese Vorspannung stellt sicher, daß Material nur von der Kathode abgesprüht wird. Die Vorspannung wird von einem Gleichstrommesser 56 (Fig. 5) erfaßt, und sie wird auch über eine Filterschaltung 57 an einen Eingang eines Differenzverstärkers 58 angelegt. Der andere Eingang des Verstärkers 58 wird mit einer Bezugsspannung von einer Quelle 59 versorgt.

Ein Ausgangssignal vom Verstärker 58 liefert ein Steuersignal für die Steuereinheit 55, die im Betrieb auf den Verstärker 58 anspricht, um das Hochfrequenzpotential zu ändern, damit die Gleichstromvorspannung im wesentlichen konstant gehalten wird. Ein Ausgangssignal vom Verstärker 58 zeigt außerdem das Vorhandensein eines Plasmas zwischen der Kathode und der Anode an und betätigt ein Heiais 6o. Das Heiais 60 seinerseits steuert einen Zeitgeber 61, mittels dessen die Länge einer Besprühungearbeit eingestellt werden kann. Am Ende einer bestimmten Zeitdauer bewirkt der Zeitgeber 51, daß die Steuereinheit 55 die Hochfrequenzzuleitung zur Kathode ausschaltet.

Eine Gleichförmigkeit in der Ablagerung und die Adhäsion einer abgesprühten Lage werden dadurch verbessert, daß der Drcuk in einer Besprühungskammer reduziert wird. Es ist jedooh nicht möglich, ein Plasmafeld bei den idealen Versprühungsdrücken mittels der Hochfrequenz-

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spannung allein aufzubauen. Es ist jedoch festgestellt worden, daß ein Plasma erzeugt werden kann, und zwar bei den niedrigsten Drücken, bei denen das Plasma aufrechterhalten werden kann, indem eine Zündkerze 48 verwendet wird, deren Hochspannungselektrode mit 20 ET von einem herkömmlichen Zündgenerator 62 über einen Schalter 63 versorgt wird. Der Schalter 63 selbst steht unter der Steuerung des Beiais 60, so daß die Zuleitung zur Kerze 48 ausgeschaltet wird, wenn das Plasma erzeugt worden ist.

Venn das Plasma unbeabsichtigterweise zusammenbricht, hält das Relais 60 den Zeitgeber 61 an und bewirkt ein Einschalten der Kerze 48, um das Plasma erneut entstehen zu lassen. Wenn das erfolgreich geschieht, beginnt das Zerstäuben von neuem und geht weiter bis zum Ablauf der Zeitdauer, die von dem Zeitgeber 61 eingestellt ist. Wenn das Plasma jedoch nicht wieder aufgebaut werden kann, betätigt ein integrierender Zeitgeber 64» der auf die Betriebsdauer der Kerze 48 anspricht, einen Alarm 65 und schaltet die Hochfrequenzzuleitung aus.

Bin weiterer Zeitgeber 66 spricht auf die Zeit an, während der das Plas ma bestehen bleibt, und bei Fehlen des Plasmas während einer bestimmten Zeit wird von ihm ebenfalls der Alarm 65 betätigt und die Hochfrequenz-Zuleitung ausgeschaltet.

Im Betrieb werden fünf Substrate in das Magazin 50 eingelegt, wobei drei Substrate zuvor gereinigt worden sind, um grobe Verunreinigungen zu entfernen. Die Substrate werden in einer Folge der Kathodeneinheit 51 zugeführt, wo sie einer Ä'tzbesprühung unterzogen werden, bei der alle Spuren von Verunreinigungen entfernt werden. Nach dem Atzen wird jedes Substrat vom Arm 53 auf das Ead 18 überführt, wobei fünf der sechs Stellen auf dem Rad 18 damit am Ende des Reinigungs- und überführungsvorgänge eingenommen sind.

Bas Rad wird schrittweise weiterbewegt, bis die leere Stelle in einer Flucht mit der Kathodeneinheit 33 liegt. Das Rad 18 und folglich die

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Substrate werden auf eine Temperatur von 500⁰C erhitzt. Die Hochfrequenz zuleitung wird an die Kathodeneinheit 33 angelegt, und das Plasma wird mittels der zugehörigen Zündkerze erzeugt. Dieser Vorgang dient zum Reinigen der Elektrodenfangfläche der Kathodeneinheit 33, und das ist der Grund, warum die leere Stelle am Had 18 vorgesehen ist. tfaohdem die Kathode gereinigt worden ißt, wird das Bad» erneut schrittweise weiterbewegt, um das erste Substrat in eine flucht mit der Kathode 33 zu bringen, und eine Nickelchromlegierung wird auf das Substrat aufgesprüht. Das Aufsprühen wird für die anderen vier Substrate wiederholt, und bis zu dieser Zeit befindet sich die leere Stelle in einer Flucht mit der Kathodeneinheit 34. Das Bad 18 und die Substrate werden auf eine Tempefaatur von 130°C bis 200°0 abgekühlt, und das Sprühreinigen wird an der Kathode 34 vorgenommen. Die Substrate werden dann in einer sukzessiven Folge mit Gold besprüht. Schließlich werden die Substrate auf Saumtemperatur abgekühlt und über die Luke 16 entnommen.

Sowohl während des Sprühätzens als auch während der Sprühablagerung wird ein Fluß an Argongas in die Kammer 10 durch den Gang eingeleitet, der dem Gang 44 entspricht, und zwar in der betreffenden Kathodeneinheit, mit der gearbeitet wird. Das führt zu einer gleichmäßigen Verteilung von Argon innerhalb der Kathodeneinheit, und es ist festgestellt worden, daß dadurch die Gleichförmigkeitin der Ablagerung ausgeprägt verbessert wird. Es ist ferner festgestellt worden, daß dadurch, daß sichergestellt wird, daß alles elektrisch geerdete Material in der Nähe der Kathode symmetrisch zur Kathode angeordnet ist, das Erreichen einer Gleichförmigkeit in der Ablagerung während des Aufspftrühens unterstützt wird.

Die radiale Abmessung des Spalts 43 vna. jede Kathodeneinheit herum ist kleeiner als die des Dunkelraums an der Kathode. Damit erfolgt keine Ionenbeschießung irgendeines l'eils der Kammerpartie· Die Wände der Kammer bilden damit eine "Dunkelraumⁿ-Abschirmung für die Kathode.

Die Verwendung einer "Dunkelraum¹¹-Abschirmung und der Steuerung der Ablagerung durch die Zeitbestimmung der Plasmadauer beseitigt die

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Notwendigkeit, bewegliche Schirme innerhalb der Kammer vorzusehen. Da in einem Arbeitsspiel, bei dem mit einer Charge von fünf Substraten gearbeitet wird, das Reinigen, Besprühen und Überführen insgesamt unter der Steuerung durch elektrische Signale erfolgt, lassen sich die Zeitbestimmung und die Folge dieser Vorgänge ohne weiteres durch eine Lochkarte oder einen Lochstreifen oder ein Magnetband steuern.

Pat entansprüche

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Claims (8)

1. Pat ent anspräche

   Halten eines inerten Gases auf einem niedrigen Druck, eine sich in die Kammer erstreckende Kathodenanordnung, eine Anode und eine sich in die Kammer erstreckende dritte Elektrode, an die im Betrieb eine solche Spannung angelegt ist, daß der Aufbau eines Plasmas innerhalb der Kammer eingeleitet wird.
2. 2. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode eine Wand der Kammer aufweist·
3. 3. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Mittel zum Anordnen eines zu besprühenden Gegenstands an der Kathodenanordnung, wobei die Mittel zum Anordnen einen Teil der Anode bilden.
4. 4· Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3» gekennzeichnet durch Mittel zur Anlegung einer Wechselstromspannung zwischen die Anode und die Kathodenanordnung.
5. 5. Zerstäubungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4» gekennzeichnet durch Mittel zum Anlegen einer Spannung an die dritte Elektrode.
6. 6. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Anlegen einer Sapannung an die dritte Elektrode einen Zündgenerator und einen auf das Vorhandensein eines Plasmas in der Kammer ansprechenden Schalter zuar Wegnahme der Spannung von der dritten Elektrode aufweisen.
7. 7. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen auf ein Signal von den Mitteln zum Anlegen einer Spannung an die dritte Elektrode ansprechenden Zeitgeber zur Erzeugung eines Anzeigesignals dann, wenn die Spannung an die dritte Elektrode über

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   einen bestimmten Zeitraum hinaus angelegt worden ist.
8. 8. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 7» gekennzeichnet durch eine Alarmvorrichtung, die auf das Anzeigesignal anspricht.

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