DE2729286C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kathodenanordnung für eine Zerstäubungsvorrichtung, mit einer Kathode, die an ihrer Oberfläche das zu zerstäubende Material in Form eines Tar­ gets enthält, und mit einer Magnetvorrichtung zur Erzeugung eines oder mehrerer Magnetfelder, durch welche mindestens eine Elektronenfalle für die Oberfläche der Kathode bestimmt wird.

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

Eine derartige Vorrichtung und ein der­ artiges Verfahren sind aus der offengelegten nie­ derländischen Patentanmeldung 72 11 911 bekannt. Eine derartige Vorrichtung wird beim Anbringen dün­ ner Filme auf flachen und gekrümmten Substraten, beim Anbringen von Schichten für die Herstellung integrierter Schaltungen, von Schichten mit magne­ tischen Eigenschaften, von optischen Schichten, beim Anbringen von Überzügen auf der Innenseite von Hohlräumen bei der Herstellung von Widerstän­ den und bei allen Zerstäubungsvorgängen verwendet, bei denen eine niedrige Substrattemperatur ver­ langt wird.

Es ist aus der deutschen Offenlegungs­ schrift 24 17 288 bekannt, das mittels einer Ma­ gnetvorrichtung eine Elektronenfalle gebildet wer­ den kann, die die von der Kathode herrührenden Elektronen solange festhält, bis sie ihre Energie in ionisierenden Zusammenstößen verbraucht haben, wodurch zusätzliches Plasma ge­ bildet wird. Dies hat eine höhere Zerstäubungsgeschwindigkeit zur Folge. Es ist aber auch aus "Physical Vapour Deposition", S. 114 und 115, Airco Inc., USA 1976 bekannt, daß diese Zerstäubung sehr ungleichmäßig stattfindet und eine rinnenförmige Aushöhlung der Kathode herbeiführt. Dies hat eine Anzahl von Nachteilen. Die Ka­ thode 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 Re­ produzierbarkeit des Zerstäubungsvorgangs aus.

Aus DE-OS 25 56 607 war eine Kathodenzerstäubungsvorrichtung be­ kannt mit einer Magnetanordnung, die ein statisches Magnetfeld erzeugt und einer an Wechselspannung liegenden Spule, mit welcher in Abhängigkeit von der Wechselspannung ein wechselndes elektro­ magnetisches Feld erzeugt wird. Die Magnetfeld-erzeugenden Teile der Vorrichtung werden bei dieser bekannten Vorrichtung nicht be­ wegt, sondern das statische Magnetfeld wird durch variable Spulen- Hilfsmagnetfelder derart beeinflußt, daß den parallel verlaufenden Bereichen der Feldlinien des statischen Magnetfeldes Translations­ bewegungen erteilt werden mit einer Frequenz, die der Stromver­ sorgung der Spule entspricht, woraus sich ein besonderes Erosions­ muster ergibt. Mit dieser bekannten Vorrichtung ist eine gleich­ mäßige Abtragung einer gesamten Targetoberfläche nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kathodenanordnung anzugeben, bei deren An­ wendung ein sehr gleichmäßiger effektiver Verbrauch des Katho­ denmaterials stattfinden kann und mit der auf einfache Weise ver­ schiedene Materialarten zerstäubt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Elektronenfalle durch Verschieben der Magnetvorrichtung längs der Oberfläche der Kathode verschiebbar ist.

Eine derartige Kathode kann flach ausgeführt sein, wobei die Magnetvorrichtung nahezu parallel 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 Rich­ tung eine Anzahl in einiger Entfernung voneinander liegender Magnete, deren Nord- oder 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.

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

Die Zerstäubungsvorrichtung ist für Hochfrequenz- und Gleich­ stromanwendungen geeignet. Eine solche Kathode aus Titan wird auch in Titansublimationspumpen verwendet.

Dadurch, daß die Kathode rohrförmig ist, und daß in der rohr­ förmigen Kathode oder um die rohrförmige Kathode in axialer Richtung und in gegenseitigem Abstand mehrere die Magnetvorrich­ tung bildende Magnete angeordnet sind, deren Nord- oder Südpole einander zugewandt sind, wobei die Magnete in axialer Richtung verschiebbar sind, läßt sich ein sehr gleichmäßiger Überzug in einem Hohlraum, z. B. ein Metallspiegel in einer Lampe oder Röhre, besonders gut anbringen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine flache Kathode für eine Kathodenanordnung mit einer verschiebbaren Elektronenfalle,

Fig. 2 und 3 im Schnitt Teile rohrför­ miger Kathoden mit mehreren bewegbaren Elektronen­ fallen,

Fig. 4 einen Schnitt durch eine rohrförmi­ ge Kathode,

Fig. 5 und 6 mögliche Schnitte durch eine derartige Kathode,

Fig. 7 schematisch eine Zerstäubungsvor­ richtung mit einer Kathodenanordnung und

Fig. 8 noch einen Schnitt durch eine rohrförmige Kathode.

Fig. 1 zeigt schematisch eine flache Kathode 1 für eine Zerstäubungsvorrichtung.

Die Richtung der von der Magnetvorrichtung erzeugten Feldlinien 2 ist angegeben. Diese Feld­ linien bilden eine Elektronenfalle, weil ein ma­ gnetischer Spiegel für die Kathodenoberfläche 3 erzeugt wird. In dem ellipsenförmigen Gebiet 4 unter den Feldlinien wird durch das Zerstäuben des Kathodenmaterials eine rinnenförmige Aus­ höhlung gebildet werden. Durch Verschiebung der Elektronenfalle vorzugsweise in Richtung des Pfeiles 33 kann diese Erosion über die ganze Oberfläche 3 verteilt werden. Wenn die Kathoden­ oberfläche aus verschiedenen Materialarten zu­ sammengesetzt ist, kann durch die Verschiebung der Elektronenfalle jede gewünschte Zusammensetzung von Materialien erzielt werden. Die Kathode 1 weist während der Zerstäubung ein negatives Poten­ tial in bezug auf die Anode 5 von etwa 800 V auf. In der Praxis werden Spannungen von einigen 100 V bis zu einigen kV angewendet. In dem Zerstäubungs­ raum herrscht meistens ein Druck von 1,33 · 10^-3 bis 1,33 · 10^-2 mbar vor. Als Zerstäubungsgas können z. B. Argon, Neon oder reaktive Gase, wie O₂, N₂ oder Gemische derselben verwendet werden.

In Fig. 2 ist ein Teil einer rohrför­ migen Kathode 6 für eine Zerstäubungsvorrichtung dargestellt. In dieser rohrförmigen Kathode befinden sich eine Anzahl von Magneten 7, die in einiger Entfernung voneinander liegen und deren entsprechende Pole einander zugewandt sind. Die­ se Magnete 7 sind in diesem Falle Dauermagnete. Sie können aber auch Elektromagnete sein. Zwischen den Magneten sind in diesem Falle Weicheisen­ zwischenscheiben 8 angeordnet, die die Richtung des Ein- und Austretens der Feldlinien beein­ flussen. Diese Zwischenscheiben können aber auch fehlen oder aus einem von Weicheisen verschiede­ nen Material hergestellt sein. Durch das Vorhan­ densein der Magnete werden rings um die Kathode liegende Elektronenfallen 9 gebildet. Die Magnete sind in bezug auf die Kathodenoberfläche verschieb­ bar angeordnet, so daß die Bildung rinnenförmiger 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 Katho­ denoberfläche in bezug auf die Magnetvorrichtung 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 Zerstäubungsvorrichtung gezeigt. Die Kathodenoberfläche wird durch ein auf einer Seite verschlossenes Rohr 13 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 13 über die Räume 16 zu dem Wasserauslaß 17. Das Wasser wird über eine Einströmungsöffnung 18 ein­ gelassen. Mit Hilfe einer durch einen O-Ring ge­ bildeten Dichtung 19 ist die Magnetvorrichtung 20 bewegbar in dem Halter 21 angeordnet. Dieser Hal­ ter 21 ist mit Hilfe einer Glasplatte 22 gegen das Gehäuse 23 der Vorrichtung isoliert angeord­ net. Bei Anwendung einer Vielzahl von Magneten wird eine Vielzahl von Elektronenfallen erhalten. In den bekannten zylindrischen Zerstäubungssy­ stemen sind sehr starke und große Magnete erfor­ derlich, weil das Magnetfeld über die ganze Länge der zylindrischen Kathode konstant und parallel zu der Oberfläche der Kathode sein muß.

Die Fig. 5 und 6 zeigen mögliche Schnitte durch eine derartige Kathode. Zwischen einem Magneten 14 und der Innenwand des Rohres 13 liegt der Raum 16 zum Durchlassen des Kühl­ wassers. Die Magnete 14 sind rings um das Kühl­ wasserzufuhrrohr 15 angeordnet. Die von der Elektro­ nenfalle eingefahrenen Elektronen werden eine zykloidale Bahn 32 zurücklegen, wie in Fig. 6 dargestellt ist.

Es ist auch möglich, das Rohr 13 doppel­ wandig auszuführen, so daß das Innenrohr konti­ nuierlich als Halter für die Magnetvorrichtung dient und das Außenrohr gegebenenfalls um das Innen­ rohr bewegbar ist und als leicht ersetzbare Kathoden­ oberfläche wirkt.

In Fig. 7 ist eine Zerstäubungsvorrichtung mit einer Kathodenanordnung schematisch dargestellt. In dem Gehäuse 23 ist mit Hilfe einer Glasplatte 22 die Kathode 24 befestigt, die mit einer Hochfrequenz- oder Gleichstromquelle 25 zum Anlegen des gewünschten Potentials zwischen der Kathode 24 und der hier ringförmigen Anode 26 verbunden ist. Nachdem das Gehäuse 23 über die Gasausströmungsöffnung 27 leergepumpt worden ist wird das Gehäuse 23 bis zu einem Druck von 1,33 · 10^-3 mbar mit Argon über die Gaseinlaßöffnung 28 gefüllt. Die Kathode 24 wird über die Anschlüsse 29 und 30 durch Kühlwasser ge­ kühlt, 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 Antriebs­ vorrichtung 34 kontinuierlich oder periodisch hin und her bewegt. Die Zerstäubungsgeschwin­ digkeit ist für eine Zerstäubungsvorrichtung mit einer Katho­ denanordnung, wie sich erwarten ließ, nahezu gleich groß wie für die bekannten Vorrichtungen. So wurde für Kupfer eine Zerstäubungsgeschwindigkeit von 1 µm/ min bei einer Gleichstromentladung mit einer zu­ geführten Leistung von 2 kW und bei einem Abstand zwischen der Kathode und dem Substrat von 5 cm ge­ messen.

Bei einer Hochfrequenzentladung war die Zerstäubungsgeschwindigkeit etwa 0,5 µm/min bei derselben Leistung und derselben Elektroden-Sub­ stratanordnung. Die Kathodenanordnung nach der Erfindung konnte aber, wie gefunden wurde, drei- bis vier­ mal länger gebraucht werden als wenn die Magnet­ vorrichtung nicht bewegt wurde. Die Anwendung der Erfindung bedeutet also, daß der Zerstäubungs­ vorgang weniger häufig unterbrochen zu werden braucht und das zu zerstäubende Kathodenmaterial effektiver benutzt wird.

In Fig. 8 ist ein Schnitt durch eine rohrförmige Kathode dargestellt, wobei die Kathodenoberfläche aus zwei Teilen 35 und 36 besteht, die in diesem Fall aus Chrom und Kupfer bestehen. Durch die Verschiebung der Magnetvorrich­ tung 20 kann so aus Chrom und Kupfer oder einem Gemisch derselben gewählt werden. In der darge­ stellten Lage der Magnetvorrichtung wird aus dem Teil 36 Kupfer zerstäubt, das sich auf der Innen­ seite des Glasrohrs 37 niederschlägt und einen dünnen Überzug bildet. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Magnet­ vorrichtung nicht aus einer einzigen Gruppe von 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 zu­ gehörigen, hier ringförmigen Anode 38 während der Zerstäubung durch ein Rohr geschoben werden, wo­ durch dieses Rohr auf der Innenseite überzogen wird. Mit einer Kathode nach Fig. 3 können Stä­ be oder Rohre auf der Außenseite überzogen wer­ den.

Claims (5)

1. Kathodenanordnung für eine Zerstäubungsvorrichtung, mit einer Kathode, die an ihrer Oberfläche das zu zer­ stäubende Material in Form eines Targets enthält, und mit einer Magnetvorrichtung zur Erzeugung eines oder mehrerer Magnetfelder, durch welche mindestens eine Elektronenfalle für die Oberfläche der Kathode bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenfalle durch Verschieben der Magnet­ vorrichtung längs der Oberfläche der Kathode verschiebbar ist.

2. Kathodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode mindestens angenähert eben ist, und daß die Magnetvorrichtung mindestens angenähert zur Oberfläche der Kathode verschiebbar ist.

3. Kathodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode rohrförmig ist, und daß in der rohrförmigen Kathode oder um die rohrförmige Kathode in axialer Richtung und in gegenseitigem Abstand mehrere die Magnetvorrichtung bildende Magnete angeordnet sind, deren Nord- oder Südpole einander zugewandt sind, wobei die Magnete in axialer Rich­ tung verschiebbar sind.

4. Kathodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Kathode mehrere zu zerstäubende Ma­ terialien enthält.

5. Kathodenanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwischen den Magneten angeordnete Weicheisenscheiben.