DE2412928A1

DE2412928A1 - Vorrichtung zur herstellung von duennen mineralstoffschichten

Info

Publication number: DE2412928A1
Application number: DE2412928A
Authority: DE
Inventors: Jean Van Prof Cakenberghe
Original assignee: Alcatel CIT SA
Current assignee: Alcatel CIT SA
Priority date: 1973-03-27
Filing date: 1974-03-18
Publication date: 1974-10-03
Also published as: GB1356769A; GB1419239A; JPS5026778A; IT1007402B; NL178700C; US3922214A; NL7404173A; NL178700B; CH581198A5

Description

C 3525

gk/f/c

IB. MRZ. 1974

COMPAGNIE INDUSTRIELIiE DES TEIiECOMMUNICATIONS CIT-AICATEL 12, rue de la Baume, 75008 PARIS (Prankreich)

VORBICHTUNG ZUR HERSTELLUNG VON DÜNNEN MINERALSTOi¹U¹SCHICHTEN

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, mit der dünne Mineralstoffschichten auf ein im Vakuum befindliches Substrat aufgetragen werden kö*nnen.

Es ist eine Vorrichtung bekannt, die vor allem aus einem unter Vakuum gehaltenen Gehäuse besteht, in das ein Hohl-' körper mit einer öffnung eingesetzt wird. Das Substrat wird in demselben Gehäuse gegenüber der öffnung des Hohlkörpers angeordnet. Der Hohlkörper wird mit einem auf einen vorbestimmten Druck gebrachten Gas gespeist. Die Hohlkörperwandungen sind vollständig mit dem aufzutragenden Stoff überzogen. Mit Hilfe einer

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Hochfrequenzerregungsvorrichtung wird im Innern des Hohlkörpers ein elektromagnetisches Feld erzeugt.

In einer solchen Vorrichtung spielen die Innenwandungen des Hohlkörpers eine mehrfache Rolle: einerseits "begrenzen sie den Raum, in dem sich ein Plasma bildet, andererseits bilden sie einen Wärmeschirm, mit dem der zwischen dem Plasma und der Hohlraumwandung stattfindende Energieaustausch verbessert werden kann, schliesslich können diese Innenwandungen auch die auf das Substrat aufzutragende Substanz liefern. Es ist besonders vorteilhaft, die Innenfläche des Hohlraumes mit der aufzutragenden Substanz zu beschichten. Hierdurch verfügt man nicht nur über eine leicht herzustellende Beschichtungssubstanzquelle, sondern man erreicht gleichzeitig den idealen Schutz dieser Substanz vor jeglicher Verschmutzung.

Die so geschaffene Vorrichtung kann vorteilhaft für das Aufbringen von dünnen Schichten von piezo-elektrischen Stoffen, von Halbleitern, von Stoffen mit grosser dielektrischer Konstante und von hitzebeständigen Stoffen mit sehr hohem Schmelzpunkt verwendet werden. Die Vorrichtung ermöglicht die Herstellung von Schichten sehr guter Qualität mit einer Aufbringungsgeschwindigkeit, die mit bisher bekannten Mitteln nicht möglich war.

Die Erfindung betrifft eine vorteilhafte Ausführung der oben beschriebenen Vorrichtung, mit der auf sehr günstige Weise Schichten, insbesondere Metallschichten oder Schichten

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ORiGiNAL INSPECTED

aus leitenden Stoffen, hergestellt werden können.

Gegenstand der Erfindung ist also eine Vorrichtung, mit der in einem Gehäuse unter Vakuum dünne Schichten auf die Oberfläche mindestens eines Substrats, das gegenüber einer in einen Hohlkörper im Gehäuse eingearbeiteten öffnung angeordnet ist, aufgebracht wird, wobei in den Hohlkörper, in dem durch ein elektromagnetisches Erregungsmittel ein Plasma erzeugt wird, unter einem vorbestimmten Druck ein Gas eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper unter einem ausreichend hohen Druck gehalten wird, damit ein Lichtbogen entsteht und aufrechterhalten wird, und dass das Gehäuse mit dem Substrat unter einem ausreichend niedrigen Druck gehalten wird, damit hier kein Lichtbogen entsteht.

Ein. für die Entstehung eines Lichtbogens ausreichend hoher Druck im Hohlkörper ist in allen Fällen vorteilhaft, unabhängig von dem zu zerstäubenden Stoff. Der Lichtbogen ist jedoch besonders leicht herzustellen, wenn die auf das Substrat aufzubringenden Schichten aus Metallen oder, allgemeiner ausgedrückt, aus leitenden Stoffen bestehen. In diesem Fall kann nämlich ohne Nachteil in den Hohlkörper eine Elektrode eingeführt werden, die mindestens an ihrer Oberfläche das aufzubringende Material aufweist.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das als Schicht aufzubringende Material in den Hohlkörper mindestens auf der Oberfläche einer

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ORIGINAL INSPECTED

Elektrode eingebracht wird, die auf ein in "bezug auf die Innenwandung des Hohlkörpers negatives Potential gebracht werden kann.

Fur den Pail, dass der Hohlkörper nur eine einzige Öffnung aufweist, ist es vorteilhaft, dem Hohlkörper eine achsensymmetrische Form zu verleihen, eine kreisrunde öffnung im Bereich der Symmetrieachse im Hohlkörper vorzusehen und die Emitterelektrode für das Beschichtungsmaterial gegenüber der öffnung in der Symmetrieachse des Hohlkörpers anzuordnen.

Vorteilhafterweise ist die innere Seitenwandung des Hohlkörpers mit dem Beschichtungsmaterial überzogen. Um die Bildung von Induktionsströmen zu vermeiden, wird die Seitenwandung des Hohlkörpers entlang einer parallel zur Symmetrieachse verlaufenden Mantellinie geschnitten und unterbrochen. Je nach Leitfähigkeit des aufzutragenden Materials, mit dem die Innenwandung des Hohlkörpers überzogen ist, sollte die Seitenwandung des Hohlkörpers entlang einer einzigen oder mehreren Mantellinien geschnitten werden.

An Hand der beiliegenden einzigen Figur wird die Erfindung näher beschrieben. Die Figur stellt einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.

Im Innern des Vakuumgehäuses, das aus einem Rohr 1 aus Isoliermaterial, beispielsweise Siliziumoxyd oder Keramikmaterial besteht, wird ein zylindrischer Hohlkörper 2 angeordnet, der mit einem unter Vakuum gehaltenen Raum 4 über eine in eine

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seiner Stirnseiten eingearbeitete öffnung 3 in Verbindung steht. Die seitliche Innenwand 12 des Hohlkörpers 2 ist mit dem positiven Pol 13 einer Gleichspannungsquelle verbunden, die zwischen einigen zehn und einigen hundert Volt veränderlich ist und in der Zeichnung nicht dargestellt wird. In der Symmetrieachse des zylindrischen Hohlkörpers ist eine längliche Elektrode 14 in Höhe der Achse der Öffnung 3 angeordnet. Diese Elektrode ist mit dem negativen Pol 15 der Spannungsquelle verbunden. Sie besteht aus dem auf das Substrat 5 aufzubringenden Metall oder leitenden Material. Das Substrat 5 wird gegenüber der Öffnung 3 mit Hilfe eines geeigneten Substratträgers 6 angebracht. Um Verunreinigungen zu vermeiden, ist es in bestimmten Fällen vorteilhaft, die Wand des Hohlkörpers aus demselben Stoff herzustellen, wie die Elektrode 14· Evtl, sind hier nicht dargestellte Mittel zum Vorschub in axialer Richtung der Elektrode 14 entsprechend ihrem Verbrauch vorzusehen.

In Höhe des Hohlkörpers 2 ist aussen eine Induktionsspule 7 angeordnet, die mit einer Hochfrequenzspannungsquelle 8 in Verbindung steht, deren Prequnez beispielsweise 6 MHz betragen kann.

Über eine leitung 9 wird ein Gas in das Gehäuse eingeführt, das durch Düsen 11 in den Hohlkörper 2 einströmt und dort einen vorbestimmten Druck erzeugt, der beispielsweise 5 χ 10 bis 1 Torr betragen kann. Bei diesem Gas kann es sich um ein Edelgas handeln, beispielsweise Argon, oder um ein Reaktionsgas, wenn man wünscht, dass das hitzebeständige Material eine

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chemische Verbindung eingeht, beispielsweise ein Karbid oder Nitrid bilden soll. Der Durchfluss dieses Gases wird durch ein an sich bekanntes Mittel 16 geregelt. Ein verhältnismäßig geringer Druck, im allgemeinen unter 10 Torr, wird in dem Uhteraruckgehäuse mit Hilfe von Pumpen hoher Leistung (hier nicht dargestellt) erreicht und aufrechterhalten. Die Düsen 11 und das unterteil 17 des zylindrischen Hohlkörpers 2 werden von einem Ständer 18 gehalten, der auf der Grundplatte 20 des rohrförmigen Gehäuses 1 ruht. Wenn das Beschichtungsmaterial leitend ist, ist es vorteilhaft, den zylindrischen Mantel, der die Seitenwand 12 des Hohlkörpers 2 bildet, durch einen unterbrochenen Ring zu ersetzen. Diese Wandung wird auch unterteilt, wenn es sich bei dem Beschichtungsmaterial um ein hochleitfähiges Material handelt. In bestimmten Fällen, insbesondere bei sehr hohen Plasmatemperaturen, ist es vorteilhaft, den Hohlkörper 2 mit einem Wärmeschutzschild 21 zu umgeben, der auf das unterteil 17 des Hohlkörpers 2 gestellt wird. Es ist ebenfalls vorteilhaft, zur Begrenzung der Temperatur den Wärmeschutzschild 21 mit einem Kühlmantel (hier nicht dargestellt) zu versehen. Bei Verwendung eines Wärmeschutzschildes 21 ist es vorteilhaft, die Öffnung dieses Schildes durch einen aus dem Beschichtungsmaterial gebildeten Ring 22 zu schützen, um jegliche Verunreinigung des Schichtmaterials zu vermeiden, zu der es durch ein Beschädigen der Öffnung 23 des Wärmeschutzschildes durch das Plasma kommen könnte. Wird die Induktionsspule 7 von einem Hochfrequenz strom durchflossen, so erzeugt das durch sie im Innern des Hohlkörpers

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induzierte elektromagnetische Feld ein Plasma in Form eines Lichtbogens· Dieses Plasma weist eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit auf, damit eine Spannung von einigen zehn Volt zwischen den Elektroden 12 und 14 einen starken Strom von einigen Ampere bis sogar einigen zehn Ampere hervorrufen kann.

Unter diesen Bedingungen wirkt auf die negative Elektrode ein sehr starker Ionenbeschuss ein, der zu ihrer Erosion und Verdampfung im Hohlkörper fuhrt. Daraus ergeben sich beträchtlich hohe Beschichtungsgesehwindigkeiten,

Der verdampfte Stoff wird durch die öffnung 3 und 23 herausgeschleudert und schlägt sich auf dem Substrat 5 nieder· In dem unter Vakuum stehenden Gehäuse 4 herrscht ein Druck von etwa 10 bis 10~ Torr»

Wenn die Seitenwandung des Hohlkörpers vollständig aus dem Beschichtungsmaterial besteht, kann es vorteilhaft sein, diese Wandung mit einer zweiten und sogar dritten Wandung, deren Durchmesser jeweils etwas grosser ist, zu umgeben, damit die Vorrichtung länger arbeiten kann. Die ineinandergesteckten Seitenwandungen sind insgesamt von einem Wärmeschutzschild umgeben. Die verschiedenen in die aufeinanderfolgenden weiteren Wandungen eingearbeiteten Öffnungen sind im allgemeinen versetzt angeordnet, so dass von der zentral gelegenen Elektrode der Wärmeschutzschild nicht zu sehen ist, ?/enn es sich bei dem Beschichtungsmaterial um einen sehr guten elektrischen Leiter handelt, ist die Anzahl der Unterteilungen der Seitenwände so gross, dass es

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schwierig wird, eine solche versetzte Anordnung zu erreichen.

In Anlagen, in denen die erfindungsgemässe Vorrichtung während sehr langer Zeit unterbrechungslos arbeitet, oder zur Anwendung des Verfahrens auf nicht hitzebest'ändige Stoffe werden die zentral gelegene Elektrode und das Wärmeschutzschild durch ein zirkulierendes Medium gekühlt.

Eine Verbesserung der Schichtqualität wird auch dann festgestellt, wenn die an die beiden Elektroden gelegte Spannung von einer Wechselspannung überlagert wird oder wenn diese Elektroden direkt an Wechselspannung gelegt werden, so dass abwechselnd die zentral gelegene Elektrode und die Innenwandung des Hohlkörpers zerstäubt werden.

-Patentansprüche-

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Claims

PATENTAtfSPBÜCHE

Vorrichtung, mit der in einem Gehäuse unter Vakuum dünne Schichten auf die Oberfläche mindestens eines Substrats, das gegenüber einer in einen Hohlkörper im Gehäuse eingearbeiteten öffnung angeordnet ist, aufgebracht wird©¹¹ wobei in den Hohlkörper, in dem durch ein elektromagnetisches Erregungsmittel ein Plasma erzeugt wird, unter einem vorbestimmten Druck ein Gas eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (2) unter einem ausreichend hohen Druck gehalten wird, damit ein Lichtbogen entsteht und aufrechterhalten wird, und dass das Gehäuse (4) mit dem Substrat (5) unter einem ausreichend niedrigen Druck gehalten wird, damit hier kein Lichtbogen entsteht.
2. Vorrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das als Schicht aufzubringende Material in den Hohlkörper mindestens auf der Oberfläche einer Elektrode (14) eingebracht wird, die auf ein in bezug auf die Innenwandung (12) des Hohlkörpers (2) negatives Potential gebracht werden kann.
3· Vorrichtung gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (2), in dem sich das Plasma bildet, achsensymmetrisch ist und dass in Höhe der Symmetrieachse eine kreisförmige Öffnung (3) in den Hohl-

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ORIGiMAL INSPECTED

körper eingearbeitet ist und dass die Emitterelektrode (14) für das Beschichtungsmaterial ebenfalls in der Symmetrieachse liegt.
4. Vorrichtung gemäss den Ansprüchen 1 bis 3r

dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (2) im Innern mindestens in seinem seitlichen Bereich mit demselben Stoff Überzogen ist wie die Oberfläche der zentralgelegenen Elektrode (14)·
5. Vorrichtung gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwandung (12) des Hohlkörpers (2) mindestens entlang einer parallel zur Achse der zentral gelegenen Elektrode (14) verlaufenden Geraden geschnitten und unterbrochen ist.
6. Vorrichtung gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zentral gelegene Elektrode (14) vollständig aus dem Beschichtungsmaterial besteht.
7. Vorrichtung gemäss Anspruch 4_f dadurch gekennze ichne t, dass die Seitenwandung des Hohlkörpers (2) vollständig aus dem Beschichtungsmaterial besteht.
8. Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 7> dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Beschichtungsmaterial um ein Metall handelt.
9. Vorrichtung gemäss Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Beschichtungsmaterial um eine hitzebeständige Metallverbindung handelt.

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10· Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwandung des Hohlkörpers (2) von einer weiteren Wandung (21) umgeben ist.
11. Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das unter einem vorbestimmten Druck eingeleitete Gas ein neutrales Gas ist.
12, Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem unter einem vorbestimmten Druck eingeleiteten Gas um ein Eeaktionsgas handelt.
13· Vorrichtung gemäss Anspruch 7, dadurch gekenn ze ichnet, dass die Seitenwandung des Hohlkörpers (2) mindestens von einer zweiten Wandung aus demselben Material wie die erste umgeben wird.
14· Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 13/ dadurch gekennzeichnet, dass an die zentral gelegene Elektrode und die Innenwandung des Hohlkörpers eine Wechselspannung angelegt wird,
15. Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zentral gelegene Elektrode und die Seitenwandungen gekühlt werden, um das Aufbringen von nicht hitzebeständigen Stoffen zu ermöglichen.

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