DE2729286A1

DE2729286A1 - Zerstaeubungsvorrichtung und verfahren zum zerstaeuben mit hilfe einer derartigen vorrichtung

Info

Publication number: DE2729286A1
Application number: DE19772729286
Authority: DE
Inventors: Cornelis Willem Berghout; Jan Visser
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1976-07-07
Filing date: 1977-06-29
Publication date: 1978-01-12
Also published as: BR7704375A; IT1076083B; NL7607473A; AU2668877A; CA1081656A; ATA482777A; AU506847B2; GB1587566A; ES460405A1; FR2358020A1; DE2729286C2; ZA773538B; CH618289A5; JPS6028689Y2; SE7707729L; JPS5947654U; AT352493B; FR2358020B1; JPS536282A

Description

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Philips¹ Gloeilompenfabrfakti 2729286

"Zerstäubungsvorrichtung und Verfahren zum Zerstäuben mit Hilfe einer derartigen Vorrichtung."

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zerstäubungsvorrichtung mit einer Kathode, die an der Oberfläche das zu zerstäubende Material enthält in einer Umhüllung, einer Magnetvorrichtung zum Erzeugen eines oder mehrerer Magnetfelder, durch die mindestens eine Elektronenfalle für die Oberfläche bestimmt wird, und einer Anode.

Die Erfindung besieht sich weiterhin auf ein Verfahren zum Zerstäuben von Material mit Hilf· einer derartigen Vorrichtung.

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PHN 8Ui 17.6.77

Eine Elektronenfalle wird durch sich von der Kathodenoberfläche her erstreckende magnetische Felflinien gebildet, die über dieser Oberfläche einen Bogen beschreiben und wieder zu dieser Oberfläche zurückkehren. Diese Feldlinien bilden so einen magnetischen Spiegel für die von der Kathodenoberfläche herrührenden Elektronen. Auf diese Weise werden die Elektronen in der Nähe der Kathode festgehalten.

Eine derartige Vorrichtung und ein derartiges Verfahren sind aus der offengelegten niederländischen ,Patentanmeldung 7»211_f911 bekannt. Eine derartige Vorrichtung wird beim Anbringen dünner Filme auf flachen und gekrümmten Substraten, beim Anbringen von Schichten für die Herstellung integrierter Schaltungen, von Schichten mit magnetischen Eigenschaften, von optischen Schichten, beim Anbringen von Überzügen auf der Innenseite von Hohlräumen bei der Herstellung von Widerständen und bei allen Zerstäubungsvorgänge verwende^, bei denen eine niedrige Substrattemperatur verlangt wird.

Ee ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 2.Ί17.288 bekannt, dass mittels einer Magnetvorrichtung eine Elektronenfalle gebildet werden kann, die die von der Kathode herrührenden

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Elektronen solange festhält, bis sie ihre Energie in ionisierenden Zusammenstössen verbraucht haben, wodurch zusätzliches Plasma gebildet wird. Dies hat eine höhere Zerstäubungsgeschwindigkeit zur Folge. Es ist aber auch aus "Physical Vapour Deposition", S. 1 1 ^* und 115, Airco Inc., USA 1976 bekannt, dass diese Zerstäubung sehr ungleichmassig stattfindet und eine rinnenförmige Aushöhlung der Kathode herbeiführt. Dies hat eine Anzahl von Nachteilen. Die Kathode muss schon nach Zerstäubung nur eines kleinen Teiles der Kathode ersetzt werden. Ausserdem übt die rinnenförmige Aushöhlung der Kathode einen ungünstigen Einfluss auf die Richtung, in der sich die Materialteilchen von der Kathode weg bewegen, und auf die Reproduzierbarkeit des Zerstäubungsvorgangs aus.

Der Erfindung liest die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, die diese Nachteile nicht aufweisen und bei deren Anwendung ein sehr gleichmässiger und effektiver Verbrauch, des Kathodenmaterials stattfinden kann.

Weiter hat die Erfindung die Aufgabe, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit denen auf einfache Weise verschiedene Materialarten zerstäubt werden können.

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^b · I7.6.77

Nach der Erfindung ist eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronenfalle entlang der Oberfläche verschiebbar ist. Dadurch ist es möglich, periodisch oder kontinuierlich stets einen anderen Oberflächenteil der Kathode der Entladung auszusetzen, wodurch eine sehr gleichmässige Zerstäubung erzielbar ist.

Eine derartige Kathode kann flach ausgeführt sein,· wobei die Magnetvorrichtung nahezu pa-

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rallel zu der Kathodenoberfläche und vorzugsweise in einer einzigen Richtung verschoben werden kann. Vorzugsweise ist die Kathode aber rohrförmig gestaltet und es sind in oder um diese rohrförmige Kathode in axialer Richtung eine Anzahl in einiger Entfernung voneinander liegender Magnete, deren Nordoder Südpole einander zugewandt sind und die die Magnetvorrichtung bilden, axial bewegbar angebracht. Eine derartige rohrförmige Kathode kann einen quadratischen oder runden Querschnitt aufweisen oder eine andere beliebige Form haben, durch die die Richtung, in der sich die zerstäubten Teilchen bewegen, beeinflusst werden kann. Selbstverständlich ist es auch möglich, die rohrförmige Umhüllung in bezug auf die Magnetvorrichtung zu bewegen.

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Dadurch, dass die Kathode an der Oberfläche aus einer Anzahl verschiedener zu zerstäubender Materialien hergestellt wird, kann durch die-Verschiebung der Elektronenfalle(n) auf einfache Weise jede gewünschte Zusammensetzung von Materialien erhalten werden.

Die Vorrichtung ist für Hochfrequenz- und Gleichstromanwendungen geeignet. Eine solche Kathode aus Titan wird auch in Titansublimationspumpen verwendet.

Die Zerstäubungsvorrichtung, bei der in einer rohrförmigen Kathode in axialer Richtung eine Anzahl in einiger Entfernung voneinander liegender Magnete, deren Nord- oder Südpole einander zugewandt sind und die die Magnetvorrichtung bilden, axial bewegbar angebracht sind, ist besonders gut zum Anbringen eines sehr gleichmassigen Überzugs in einem Hohlraum, z.B. eines Metallspiegels in einer Lampe oder Röhre, geeignet.

Die Erfindung wlxd nunmehr beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigent

Fig. 1 schematisch eine flache Kathode für eine Vorrichtung nach der Erfindung mit einer verschiebbaren Elektronenfalle,

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Figuren 2 und 3 im Schnitt Teile rohförmiger Kathoden mit mehreren bewegbaren Elektronenrallen,

Fig. h einen Schnitt durch eine rohrförmige Kathode für eine Vorrichtung nach der Erfindung,

Figuren 5 und 6 mögliche Schnitte durch eine derartige Kathode,

Fig. 7 schematisch eine Vorrichtung nach der Erfindung, und

Fig. 8 noch einen Schnitt durch eine rohrförmige Kathode für eine Vorrichtung nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt schematisch eine flache Kathode 1 für eine Vorrichtung nach der Erfindung. Die Richtung der von der Magnetvorrichtung erzeugten Feldlinien 2 ist angegeben. Diese Feldlinien bilden eine Elektronenfalle, weil ein magnetischer Spiegel für die Kathodenoberfläche 3 erzeugt wird. In dem ellipsenförmigen Gebiet 4 unter den Feldlinien wird durch das Zerstäuben des Kathodenmaterials eine rinnenförmige Aushöhlung gebildet werden. Durch Verschiebung der Elektronenfalle vorzugsweise in Richtung des Pfeiles 33 kann diese Erosion über die ganze Oberfläche 3 verteilt werden. Wenn din Kathodenoberfläche aus verschiedenen Materialarten zu-

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sammeiigesetzt ist, kann durch die Verschiebung der Elektronenfalle jede gewünschte Zusammensetzung von Materialien erzielt werden. Die Kathode 1 weist während der Zerstäubung ein negatives Potential in bezug auf die Anode 5 von etwa 8OO V auf. In der Praxis werden Spannungen von einigen 100V bis zu einigen kV angewendet. In dein Zerstäubungs-

-3 -2 raum herrscht meistens ein Druck von 10 bis 10 Torr vor. Als Zerstäubungsgas können z.B. Argon, Neon oder reaktive Gase, wie 0 , N₂ oder Gemische derselben verwendet werden.

In Fig. 2 ist ein Teil einer rohrförmigen Kathode 6 für eine Vorrichtung nach der Erfindung dargestellt. In dieser rohrförmigen Kathode befinden sich eine Anzahl von Magneten 7i die in einiger Entfernung voneinander liegen und deren entsprechende Pole einander zugewandt sind. Diese Magnete 7 sind in diesem Falle Dauermagnete. Sie können aber auch Elektromagnete sein. Zwischen den Magneten sind in diesem Falle Weicheisenzwischenscheiben 8 angeordnet, die die Richtung des Ein- und Austretens der Feldlinien beeinflussen. Diese Zwischenscheiben können aber auch fehlen oder aus einem von Weicheisen verschiedenen Material hergestellt sein. Durch das Vorhandensein der Magnete werden rings um die Kathode

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liegende Elektronenfallen 9 gebildet. Die Magnete sind in bezug auf die Kathodenoberfläche verschiebbar angeordnet, so dass die Bildung rinnenfönniger Nuten rings um die Kathode durch periodische oder kontinuierliche Verschiebung der Magnetvorrichtung in Richtung des Pfeiles 33 vermieden werden kann. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Kathodenoberfläche in bezug auf die Magne tvorrichtung zu verschieben. Die Anode 10 weist die Form eines Ringes auf.

In Fig. 3 ist ebenfalls eine rohrförmige Kathode 6 dargestellt. Dabei bestehen die Magnete aus dauermagnetischen Ringen 11 und es befinden sich die Elektronenfallen 9 auf der Innenseite der rohrförmigen Kathode. Die Anode 12 weist in diesem Falle die Form eines Stabes auf.

In Fig. 4 ist ein Schnitt durch eine rohrförmige Kathode für eine Vorrichtung nach der Erfindung gezeigt. Die Kathodenoberfläche wird durch ein auf einer Seite verschlossenes Rohr mit einem Innendurchmesser von 28 mm und einem Aussendurchmesser von 32 mm bestimmt. In diesem 300 mm langen Rohr 13 befinden sich eine Anzahl 6 mm dicker ringförmiger Magnete 14, die um ein Wasserzufuhrrohr 15 für Kühlwasser liegen. Das Kühlwasser fliesst entlang der Wand des Rohres

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13 über die Räume 16 zu dem Wasserauslass 17. Das Wasser wird über eine Einströmungsöffnung 18 eingelassen. Mit Hilfe einer durch einen O-Ring gebildeten Dichtung 19 ist die Magnetvorrichtung 20 bewegbar in dem Halter 21 angeordnet. Dieser Halter 21 ist mit Hilfe einer Glasplatte 22 gegen das Gehäuse 23 der Vorrichtung isoliert angeordnet. Bei Anwendung einer Vielzahl von Magneten wird eine Vielzahl von Elektronenfallen erhalten. In den bekannten zylindrischen Zerstäubungssystemen sind sehr starke und grosse Magnete erforderlich, weil das Magnetfeld über die ganze Länge der zylindrischen Kathode konstant und parallel zu der Oberfläche der Kathode sein muss.

Die Figuren 5 und 6 zeigen mögliche Schnitte durch eine derartige Kathode. Zwischen einem Magneten \k und der Innenwand des Rohres 13 liegt der Raum 16 zum Durchlassen des Kühlwassers. Die Magnete 14 sind rings um das Kühlwasserzufuhrrohr 15 angeordnet. Die von der Elektronenfalle eingefangenen Elektronen werden eine zykloidale Bahn 32 zurücklegen, wie in Fig. 6 dargestellt ist.

Es ist auch möglich, das Rohr 13 doppelwandig auszuführen, so dass das Innenrohr kontinuierlich als Halter für die Magnetvorrichtung

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dient und das Aussenrohr gegebenenfalls um das Innenrohr bewegbar ist und als leicht ersetzbare Kathodenoberfläche wirkt.

In Fig. 7 ist eine Vorrichtung nach der Erfindung schematisch dargestellt. In dem Gehäuse 23 ist mit Hilfe einer Glasplatte 22 die Kathode 2k befestigt, die mit einer Hochfrequenz- oder Gleichstromquelle 25 zum Anlegen des gewünschten Potentials zwischen der Kathode 2k und der hier ringförmigen Anode 26 verbunden ist. Nachdem das Gehäuse 23 über die Gasausströmungsöffnung 27 leergepumpt worden ist^. wird das Gehäuse 23 bis

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zu einem Druck von 10 ^J Torr mit Argon über die Gaseinlassöffnung 28 gefüllt. Die Kathode 2k wird über die Anschlüsse 29 und 30 durch Kühlwasser gekühlt, wie beschrieben ist. Das von der Kathode zerstäubte Material wird auf dem Substrat 31 als Schicht oder dünner Film niedergeschlagen. Die Magnetvorrichtung wird mit Hilfe einer Antriebsvorrichtung Jk kontinuierlich oder periodisch hin und her bewegt. Die Zerstäubungsgeschwindigkeit ist für eine Vorrichtung nach der Erfindung, wie. sich erwarten Hess, nahezu gleich gross wie für die bekannten Vorrichtungen, So wurde für Kupfer eine Zerstäubungsgeschwindigkeit von 1 /um/ min bei einer Gleichstromentladung mit einer zu-

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geführten Leistung von 2 kW und bei einem Abstand zwischen der Kathode und dem Substrat von 5 cm gemessen.

Bei einer Hochfrequenzentladung war die Zerstäubungsgeschwindigkeit etwa 0,5/um/min bei derselben Leistung und derselben Elektroden-Substratanordnung. Die Kathode nach der Erfindung konnte aber, wie gefunden wurde, drei- bis viermal länger gebraucht werden als wenn die Magnetvorrichtung nicht bewegt wurde. Die Anwendung der Erfindung bedeutet also, dass der Zerstäubungsvorgang weniger häufig unterbrochen zu werden braucht und das zu zerstäubende Kathodenmaterial effektiver benutzt wird.

In Fig. 8 ist ein Schnitt durch eine

rohrförmige Kathode nach der Erfindung dargestellt, wobei die Kathodenoberfläche aus zwei Teilen 35 und 36 besteht, die in diesem Fall aus Chrom und Kupfer bestehen. Durch die Verschiebung der Magnetvorrichtung 20 kann so aus Chrom und Kupfer oder einem Gemisch derselben gewählt werden. In der dargestellten Lage der Magnetvorrichtung wird aus dem Teil 36 Kupfer zerstäubt, dass sich auf der Innenseite des Glasrohrs 37 niederschlägt und einen dünüberzug bildet.

Selbstverständlich ist es auch möglich, die Magnetvorrichtung nicht aus einer einzigen Gruppe von

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Magneten, wie in Fig. 8 dargestellt, sondern aus mehreren Gruppen zusammenzustellen. Auch ist es möglich, die Kathodenoberfläche aus mehr als zwei verschiedenen Materialien zusammenzusetzen.

Kathoden dieser Art eignen sich besonders gut dazu, die Innenseite von Rohren aus Metall oder Glas oder Umhüllungen von z.B, Lampen zu überziehen. Die ganze Kathode kann mit der zugehörigen, hier ringförmigen Anode. 38 während der Zerstäubung durch ein Rohr geschoben werden, wodurch dieses Rohr auf der Innenseite überzogen wird. Mit einer Kathode nach Fig. 3 können Stäbe oder Rohre auf der Aussenseite überzogen werden.

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Leerseite

Claims

PHX 8'45 ö 17·6.77

Patentansprüche:

Zerstäubungsvorrichtung mit einer Kathode, an der Oberfläche das zu zerstäubende Material enthält in einer Umhüllung, einer Magnetvorrichtung zum Erzeugen eines oder mehrerer Magnetfelder, durch die mindestens eine Elektronenfalle für die Oberfläche bestimmt wird, und einer Anode, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronenfalle entlang der Oberfläche verschiebbar ist.

2. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode im wesentlichen flach ist und die Magnetvorrichtung nahezu parallel zu der Kathodenoberfläche verschoben werden kann.

3. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode rohrförmig gestaltet ist und in oder rings um diese rohrförmig'e Kathode in axialer Richtung eine Anzahl in einiger Entfernung voneinander liegender Magnete, deren Nord- oder Südpole einander zugewandt sind und die die Magnetvorrichtung bilden, axial bewegbar angeordnet sind.

k. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenoberfläche aus verschiedenen zu zerstäubenden Materialien zusammengesetzt ist.

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OWGINAL INSPECTED

a PHN 81*56

17.6.77

5. Verfahren zum Zerstäuben von Material mit Hilfe einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Verschiebung der Magnetvorrichtung parallel zu der Kathodenoberfläche eine Verschiebung der Elektronenfalle(n) und dadurch eine gleichmässige Zerstäubung von Material von der Kathode erhalten wird.

6. Verfahren zum Zerstäuben von Material mit Hilfe einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch Verschiebung der Magnetvorrichtung parallel zur Kathodenoberfläche eine Verschiebung einer oder mehrerer Elektronenfallen entlang der Kathodenoberfläche zu einem Oberflächenteil aus einer anderen Materialart stattfindet.

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