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1. Georgy Alexandrovich Kovalsky, Moskau, UdSSR
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2. Jury Petrovich Maishev, Moskau, UdSSR 5. Boris Alexeevöich Egorov,
Moskau, UdSSR 4. Jury Akimovich Dmitriev, Moskau, UdSSR Einrichtung zum Ionenplasma-Beschichten
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Auftragen von Dünnschichten im Vakuum,
insbesondere eine Einrichtung zum Ionenplasma-Beschichten, die Plasma als Quelle
von Ionen zum Beschuß eines Zerstäubungsmaterials verwendet.
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Am wirksamsten kann die Erfindung zum Auftragen von Dünnschichten
von Metallen, Halbleitern und Dielektrika (reaktive Zerstäubung) auf die Oberfläche
verschiedenster Substrate angewendet werden.
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Die Erfindung kann aber auch zur Ätzung von metallischen Oberflächen
durch Zerstäubung und Reinigung von Gegenständen durch Plasmaströmung angewendet
werden.
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Es gibt mehrere Bauarten von Einrichtungen zur Ionenplasma-Zerstäubung.
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Das Wirkungsprinzip dieser Einrichtungen beruht auf der Entfernung
von Atomen von der Oberfläche des Zerstäubungsmaterials durch dessen Ionenbeschuß.
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Die Einrichtungen zur Zerstäubung lassen sich nach konstruktiven
Merkmalen in Dioden-(Zweielektroden-), Trioden- (Dreielektroden) und Tetroden- (Vierelektroden-)
einrichtungen einteilen. Die zwei letzteren Bauarten werden gewöhnlich Ionenplasma-Einrichtungen
genannt.
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Die Zerstäubungseinrichtungen des Diodentyps enthalten z. B. eine
Flächenkatode (Target) aus dem Zerstäubungsmaterial und eine Flächenanode, die gegenüber
>der Katode parallel zu ihr angeordnet ist.
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Bei Anlegen negativen Potentials an die Katode und positiven Potentials
an die Anode entsteht im Raum zwischen ihnen eine selbständige Gasentladung. Die
in der Entladung gebildeten positiven Ionen, z. B. von Argon, beschießen die Katode
und entfernen die Atome des Katodenmaterials, von denen sich ein Teil auf Substraten
ablagert, die gegenüber der zu zerstäubenden Oberfläche der Katode angebracht sind.
Die Diodeneinrichtungen arbeiten bei einem Druck von 13,3 - 1,33 Pa, einer Spannung
zwischen Katode und Anode bis zu 3000 V und einer Stromdichte der Ionen, z. B. von
Argon, von 0,5 - 1,0 mA/cm2.
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Die Geschwindigkeit des Auftragens von Dünnschichten beträgt dabei
einige 10 2 /um/min.
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Wesentliche Nachteile dieser Einrichtungen bestehen in der geringen
Leistung und niedrigen Qualität der Beschichtungen, die auf hohen Arbeitsdruck,
ungesteuerte Erwärmung der Substrate, kleine Beschichtungs-Geschwindigkeit, hohe
Entladespannung usw. zurückzuführen sind.
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Diese Nachteile werden bei der Anwendung von Einrichtungen zur Ionenplasma-Zerstäubung
behoben. In den Einrichtungen dieser Bauart ist eine dritte Elektrode -das Target
- eingeführt, das aus einem zum Beschichten notwendigen Material hergestellt wird,
und als Ionenquelle wird Plasma einer unselbständigen Gasentladung mit Glühkatode
benutzt. Zur Erhöhung der Plasmadichte und der Wahrscheinlichkeit der Ionisation
des Arbeitsgases wird ein magnetisches Feld verwendet. Durch Anlegen eines negativen
Potentials am Target werden eine Beschleunigung der Ionen aus dem Plasma und eine
Zerstäubung des Materials herbeigeführt. Die Einrichtungen zur Ionenplasma-Zerstäubung
arbeiten in einem Druckbereich von 0,133 -0,08 Pa. Die Geschwindigkeit des Auftragens
von Dünnschichten erreicht dabei einige 10 /um/min. Die Einrichtungen zur Ionenplasma-Zerstäubung
weisen im Vergleich mit den Zerstäubungseinrichtungen der Dioden-Bauart folgende
Vorteile auf: höherer Reinheitsgrad der Dünnschichten, der durch den niedrigen Arbeitsdruck
bedingt ist, hohe Geschwindigkeit des Auftragens von Dünnschichten, hohe Reproduzierbarkeit
und Einfachheit der Steuerung des Auftragsprozesses.
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Eine bestehende Einrichtung zur Ionenplasma-ZerstSubung von der Trioden-Bauart
enthält eine Glühkatode und eine Plattenanode gegenüber der Katode. Ein flaches
Target aus Zerstäubungsmaterial ist zwischen der Glühkatode und der Anode parallel
zu einer Ebene angeordnet, die durch die Katode und Anode geht, wobei die zu zerstäubende
Oberfläche des Targets dieser Ebene zugekehrt ist.
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Das Substrat, auf dem die Dünnschicht aufgebracht werden muß, ist
gegenüber dem Target seitlich der zu zerstäubenden
Oberfläche an
der anderen Seite der Ebene angebracht, die durch die Glühkatode und die Anode geht.
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Die Einrichtung enthält ein Magnetsystem, das ein magnetisches Ferd
in Richtung der Elektronenbewegung von der Katode zur Anode entlang der Oberfläche
des Targets erzeugt.
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Die Einrichtung ist in einer Vakuumkammer untergebracht, die öffnungen
zum Auspumpen der Restgase und zum Zuführen des Arbeitsgases aufweist. Es sind auch
öffnungen für Anschlüsse vorhanden, mit deren Hilfe an Katode, Anode und Target
Spannung von Speisequellen angelegt wird. Durch diese Anschlüsse werden die Anode
und das Target mit Wasser gekühlt. Die Katode und das Target sind von den Wänden
der Vakuumkammer isoliert, während die Anode geerdet ist.
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Diese Einrichtung arbeitet bei einem Druck von 0,133 -1,33 Pa, der
durch Einlassen in die bis auf einen Druck von 1,33 10 Pa evakuierte Vakuumkammer
eines Arbeitsgases, z. B. Argon, erzeugt wird. Durch die Glühkatode wird ein zu
ihrer Erwärmung auf die Emissionstemperatur ausreichender Strom geschickt. Wird
zwischen Glühkatode und Anode eine Spannung in den Grenzen von 200 - 500 V angelegt,
so entsteht eine Gasentladung. Im Raum zwischen der Glühkatode und der Anode, dem
Target und dem Substrat bildet sich ein Plasma, das mittels des magnetischen Feldes
zu einer Strömung geformt wird, die über die Oberfläche des Targets verläuft. Am
Target wird eine negative Vorspannung von einer Hochspannungsquelle angelegt. Die
positiven Ionen von Argon werden zur Seite des Targets hin beschleunigt, beschießen
dieses und entfernen Atome des Targetmaterials, von denen ein Teil sich auf den
Substraten.
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ablagert.
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Mit Hilfe dieser Einrichtung läßt sich bei einer Dichte des Ionenstroms
zum Target von 3-5 mA/cm², einer Entladungsspannung von 200 V sowie einem Entladungsstrom
von 6-8 A eine Beschichtungsgeschwindigkeit für metallische Beschichtungen von bis
zu 0,1 /um/min erzielen.
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Ein wesentlicher Nachteil dieser Einrichtung ist, daß das Gebiet
der Entladung (Gebiet zwischen Glühkatode und Anode) auch als Bereich dient, wo
die Zerstäubung des Materials und dessen Ablagerung auf der Oberfläche des Substrats
vor sich gehen. Eine Senkung des Arbeitsdrucks, die zur Qualitätsverbesserung der
Dünnschichten und Erhöhung der Auftragsgeschwindigkeit notwendig ist, kann in dieser
Einrichtung nicht durchgeführt werden. Eine Drucksenkung in der Vakuumkammer führt
nämlich zur Verminderung der Wahrscheinlichkeit der Ionisation und zum Aufhören
des Brennens der Entladung.
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Ein weiterer Nachteil dieser Einrichtung ist die Verunreinigung der
Dünnschicht durch Material der Glühkatode, das durch die Plasmaionen zerstäubt wird.
Die offene heiße Katode gestattet auch keine reaktive Zerstäubung, wenn bei Bedarf
in die Vakuumkammer zusätzlich zum Arbeitsgas ein Reaktionsgas, z. B. Sauerstoff,
einzuleiten ist. Die Betriebsdauer der Glühkatode fällt dann stark ab.
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Die Überlagerung eines magnetischen Feldes entlang des elektrischen
Felds zwischen Glühkatode und Anode hat eine ungleichmäßige Verteilung der Plasmadichte
auf der Oberfläche des Targets und folglich eine ungleichmäßige Zerstäubung des
Targets zur Folge. Die Anordnung des Targets zwischen Katode und Anode erhöht die
Entladespannung, was die Betriebszeit der Gldhkatode verringert und die Wahrscheinlichkeit
der Verunreinigung der Dünnschicht vergrößert.
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Zur Steigerung der Leistungsfähigkeit einer derartigen Einrichtung
muß der Arbeitsdruck erhöht werden, was zur Qualitätsminderung der Dünnschichten
führt.
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Es gibt auch eine Einrichtung zur Ionenplasma-Zerstäubung, die eine
Glühkatode, ein flaches Target, ein Substrat und ein Magnetsystem enthält. Das Target
ist von einem U-förmigen Schirm umgeben. Der Schirm weist einen Schlitz seitlich
der Glühkatode auf, der die Plasmaströmung zu einem Band formt, das zur Oberfläche
des Targets parallel ist. Der Schirm dient auch als Anode der Entladung. Die Verwendung
des Schirms setzt die Verunreinigung der Dünnschicht durch das Material der Glühkatode
herab. Die Ausbildung des Plasmas in Form eines Bandes führt zur gleichmäßigen Zerstäubung
der Fläche des Targets.
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Die teilweise Trennung des Entladungsgebiets und des Bereichs des
Auftragens der Dünnschichten beseitigt jedoch nicht alle Nachteile der vorstehend
geschilderten Einrichtung.
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In einer anderen Variante dieser Einrichtung ist die Glühkatode von
einem Schirm in Form eines Rohres umgeben, in dessen eine Stirnseite die Glühkatode
eingesetzt ist, während in der entgegengesetzten Stirn eine öffnung in Form eines
Schlitzes vorhanden ist. Gegenüber der öffnung ist die Plattenanode angebracht.
Zwischen der Anode und der Glühkatode ist ein Target angeordnet.
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Das Magnet system der Einrichtung erzeugt ein magnetisches Feld,
das von der Katode zur Anode durch den Schlitz im Schirm entlang der Oberfläche
des Targets gerichtet ist.
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Die Abschirmung der Glühkatode setzt die Wahrscheinlichkeit
der
Verunreinigung der Dünnschicht durch Material der Glühkatode herab.
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Die Nachteile dieser Einrichtung sind durch die konstruktive Anordnung
des Targets und des ihr gegenüberliegenden Substrats zwischen der Glühkatode und
der Anode bestimmt. Somit ist die Zone des Gasentladungsplasmas zugleich der Bereich,
wo die Zerstäubung des Targets und die Niederschlagung der Dünnschicht auf dem Substrat
stattfinden. Der Druck des Arbeitsgases, z. B. von Argon, in diesem Bereich beträgt
0,133 Pa. Eine Drucksenkung führt zur Verminderung der Plasmadichte und zur Untersbrechung
der Entladung. Folglich kann bei dieser Einrichtung die Qualität der Dünnschichten
nicht erhöht werden.
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Ein weiterer Nachteil der Einrichtung ist, daß bei Zufuhr von Reaktionsgasen,
z. B. von Sauerstoff, in die Vakuumkammer der Sauerstoff mit der Glühkatode zusammenwirkt
und dadurch deren Betriebsdauer verringert.
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Bei großem Abstand zwischen der Glühkatode und der Anode ist es bei
dieser Einrichtung schwierig, die Entladung zu zünden, wobei auch eine hohe Spannung
zur Unterhaltung der Entladung angelegt werden muß.
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Zur Beseitigung dieses Nachteils ist bei einer anderen Variante in
der Nähe der Glühkatode eine stiftförmige Elektrode angebracht, die mit der Anode
elektrisch gekoppelt ist, was die Entladespannung etwas mindert. Die übrigen Nachteile
der geschilderten Einrichtungen bleiben erhalten.
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Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur Ionenplasma-Zerstäubung
zu schaffen, bei der
Entladungs- und Zerstäubungsbereich voneinander
räumlich getrennt sind.
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Die Lösung dieser Aufgabe bei einer Einrichtung nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 erfolgt erfindungsgemäß durch die Lehre nach dem Kennzeichen
des Patentanspruchs 1.
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Die Unterbringung der Glühkatode und der Anode in einer geschlossenen
Entladungskammer, die einen Schlitz mit bestimmter Gasleitfähigkeit aufweist, ermöglicht,
den Entladungs- vom Zerstäubungsbereich zu trennen. Dadurch werden optimale Druckverhältnisse
sowohl für die Entladung als auch für das Auftragen von hochwertigen Dünnschichten
geschaffen.
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In der Entladungskammer ist dadurch der Druck des Arbeitsgases höher
als im Zerstäubungsbereich, was es gestattet, die P.lasmadichte zu erhöhen und die
Diffusion des Reaktionsgases bei der Herstellung von dielektrischen Dünnschichten
nach der Methode der reaktiven Zerstäubung zu vermindern. Im Zerstäubungsbereich
kann man mit Hilfe eines hochleistungsfähigen Evakuierungssystems einen sehr niedrigen
Druck erzeugen, da die Leitfähigkeit des Schlitzes der Entladungskammer von den
geometrischen Schlitzabmessungen abhängt. Eine Senkung des Arbeitsdrucks beim Auftragen
von Dünnschichten auf Substrate ist zur Verbesserung der Qualität der Dünnschichten
und zur Erhöhung der Auftragsgeschwindigkeit notwendig.
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Die Qualität der Dünnschichten, ihre Reinheit und Adhäsion steigen
bei niedrigen Arbeitsdrücken dank der Verringerung von Gaseinschlüssen und der Erhaltung
der Energie von zerstäubten Atomen.
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Die Geschwindigkeit des Auf tragens von Dünnschichten erhöht sich
bei der Drucksenkung dank der verminderten Anzahl von ZusammenstöBen der zerstäubten
Atome mit den Restgasmolekülen und der dabei zunehmenden Menge von Atomen, die die
Oberfläche des Erzeugnisses erreicht haben.
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Die Trennung des Entladungsgebietes und des Zerstäubungsbereiches
führt zur Erweiterung der technologischen Möglichkeiten der Einrichtung und/zur
Erhöhung der Lebensdauer der Glühkatode bei der Einführung in die Vakuumkammer von
Reaktionsgasen, beispielsweise von Sauerstoff zur Herstellunf von Oxidbeschichtungen.
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Die Anordnung der Anode in der Nähe der Glühkatode derart, daß das
elektrische Fels zwischen ihnen zu dem durch dac Magnetsystem erzeugten magnetischen
Feld senkrecht ist, mach t es möglich, zur Plasmlbildung eine Lichtbogenentladung
in zueinander senkrechten elektrischem und magnetischem Feld zu verwenden. Diese
art der entladung kennzeichnet sich durch geringen Potetitialabfall und großen Entladungsstrom,
wodurch es möglich wird, den zum Target gerichtet ten Ionenstrom zu vergrößern und
folglich die Zerstäubungsge.
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schwindigkeit des Materials zu erhöhen. Hierbei erhöht sich die Betriebsdauer
der Glühkatode durch verminderung der Ender gie von die Glühkatode beschießenden
Ionen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist durch die Lehre
nach dem Patentanspruch 2 eben.
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Die Einrichtung mit dem Reflektor arbeitet im Entladebetrieb mit
Oszillation voa Elektronen. Bei diesem Betriebszustand wird die Dichte des Ionenstroms
vergrößert und folglich die Leistungsfhigkeit der Einrichtung erhöht.
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Der deflektor kann mit der Glühkatode oder mit dem Minuspol einer
Spannungsquelle elektrisch verbunden sein.
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In den Einrichtungen der Ionenplasma-Zerstäubung, die eine Lichtbogenentladung
mit Glühkatode und Gleichstromquellen benutzen, hängt die Gleichförmigkeit der Plasmaströmung
über den querschnitt von der Verteilung des Entladungsstromes ab, der dem Katodenstrom
überlagert wird.
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Eine gleichmäßige Verteilung des Entladungsstromes über die Länge
der Glühkatode ergibt eine gleichmäßige Verteilung der Plasmadichte längs der Katode,
was zur gleichmäßigen Zerstäubung des Targets führt und die Betriebsdauer der Glühkatode
erhöht, Vorzugsweise wird die gleichmäßige erteilung des Entladungsstroms dadurch
erzielt, daß die Glühkatode mindestens in zwei Haltern befestigt ist, die über Vorwiderstände
mit einer Gleichspannungsquelle verbunden sind. Die Halter unterteilen die Glühkatode
über die Länge in gleiche Abschnitte.
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Der Vorteil der Benutzung von Vorwiderständen in der Speiseschaltung
der Katode und Entladung liegi darin, daß bei Änderung des Entladungsstromes die
Gleich mäßigkeit der erteilung des Gesamtstromes über die Glühkatode praktisch nicht
gestört wird. Außerdem schützen die Vorwiderstände die Speisequelle der Sntladung
vor Kurzschluß.
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Eine andere Ausgestaltung der Erfindung wird durch den Patentanspruch
5 angegeben.
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Ein derartiger Aufbau der Entladungskammer er-und höht die Wirtschaftlichkeit
der Einrichtung/ erweitert ihre technologischen Möglichkeiten. Bei der Zuführung
eines negaeinen Potentials von einer oder mehreren Speisequellen an die aus verschiedenen
Materialien bestehenden Targets kann man auf die Oberfläche des Substrats mehrschichtige
Beschichtungen oder Verbindungen mit einer vorgegebenen Verteilung der Targetmaterialien
über die Dicke der Dünnschicht auftragen.
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t3esonders zweckmäßig ist auch die Lehre nach dem Patentanspruch
7.
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Die Ausgestaltung der Entladungskammer in Form eines das Target umfassenden
Ringes mit in der Kammer untergebrachter ringförmiger Glühkatode erhöht die Effektivität
und die Leistungsfähigkeit der Einrichtung dank einer geschlossenen Elektronenwanderung
längs der Katode und der Möglichkeit zur Vergrößerung der Fläche des Targets ohne
Vergrößerung des Durchmessers der ringförmigen Glühkatode.
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Eine andere Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 8 beschrieben.
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Beim Betrieb einer derartigen Einrichtung wird eine radial konvergierende
Plasmaströmung erzeugt, die sich über die Oberfläche des Targets bewegt. Durch die
Schaffung der geschlossenen Elektronenwanderung längs der ringförmigen Glühkatode
werden die Wahrscheinlichkeit der Ionisation des Arbeitsgases, die Plasmadichte
und der zum Target gerichtete Ionenstrom erhöht.
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Anhand der Zeichnung wird beispielsweise die Erfindung näher beschrieben.
Es zeigen:
eine Fig.1 /schematische Darstellung der Einrichtung
zur Ionen-Plasma-Zerstäubung; Fig. 2 einen Schnitt II-II in Fig. 1; Fig. 3 eine
Ausführungsvariante der Einrichtung zur Ionenplasma-Zerstäubung; Fig. 4 eine Ausführungsvariante
der Einrichtung mit ringförmiger Entladungskammer; Fig. 5 eine Ausführungsvariante
der Einrichtung mit ringförmiger Entladungskammer und zylindrischem Target Fig.
6 eine Ausführungsvariante der Sinrichtung mit ringförmiger Entladungskammer, die
von einem ringförmigen Target umfaßt wird.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung (Fig. 1, 2) enthält eine Fvki Vakuumkammer
1, die eine Öffnung 2 und Öffnungen 3, 4 zur Zufuhr von Arbeitsgasen aufweist. In
der Vakuumkammer 1 ist eine elektrisch von ihr isolierte geschlossene Entladungskammer
5 mit einem Schlitz 6 und einer Öffnung 7 zur Zufuhr von Arbeitsgas untergebracht.
Die Entladungskammer 5 ist von der akuumkammer 1 mittels eines Isolators 8 isoliert.
Innerhalb der Entladungskammer 5 ist längs eines Schlitzes 6 eine stabförmige oder
gewendelte Glühkatode 9 angeordnet, deren Enden aus der Entladungskammer 5 mit Hilfe
von Isolatoren 1O, 11 und aus der Vakuumkam mer 1 mit Hilfe von Isolatoren 12, 13
herausgeführt sind.
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In der Entladungskammer 5 ist senkrecht zur Ebene durch die Glühkatode
9 und den Schlitz 6 eine von der Vakuumkammer 1 und der Entladungskammer 5 mit Hilfe
eines Isolators 14 elektrisch isolierte Anode 15 angeordnet.
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Gegenüber dem Schlitz 6 ist auf einem Isolator 16 ein Reflektor 17
angebracht, der an eine Quelle 18 negativen Potentials angeschlossen ist. Zwischen
der Entladungskammer 5 und dem Reflektor 17 ist ein flaches Target 19 aus einem
Material zum Beschichten derart angeordnet, daß eine durch die Glühkatode 9 und
den Schlitz 6 gehende Ebene zu der zu zerstäubenden Oberfläche des Targets 19 parallel
liegt. Auf d r anderen Seite die ser ebene ist gegenüber dem Target 19 ein Substrathalter
20 angeordnet. Ein Magnetsystem 21 ist in der Vakuumkammer 1 derart angeordnet,
daß die Kraftlinien des von ihm erzeugten magnetischen Feldes durch die Glühkatode
9 und den Schlitz 6 längs des Targets 19 verlaufen, wobei die Glühkatode 9 und der
Schlitz 6 auf derselben Kraftlinie des magnetischen Feldes liegen. Das magnetische
Feld, das vom verläuft Magnetsystem 21 erzeugt wird, 1 zum elektrischen Feld zwischen
der Glühkatode 9 und der Anode 15 senkrecht. Die magnetische Feldstärke in der Mitte
des Targets 19 beträgt 250-)00 Oe. Das Magnetsystem 21 kann auch außerhalb der Vakuumkammer
1 befindlich sein.
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Die Glühkatode 9 ist in Haltern 22 (Fig. 2) befestigt, deren Enden
von der Entladungskammer 5 und der Vakuumkammer
1 mit Hilfe von
Isolatoren 25, 24 isoliert sind. Die Halter 22 sind über Vorwiderstände 25 mit dem
negativen Pol einer Spannungsquelle 26 verbunden.
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Die Größe Rk eines beliebigen Vorwiderstandes wird gemäß der Formel
errechnet:
worin bedeuten: k = laufende Summer des Vorwiderstandes 25 k = 1, 2, 3 U Entladespannung
zwischen der Anode 19 und der Glühkatode 9 [V] Ja= Entladungsstrom [A] Ro= Widerstand
der Glühkatode 9 [Ohm] Jk= Glühstrom der Glühkatode 9 [A] Uk= Glühspannung der Glühkatode
9 [V] n - Zahl der Abschnitte der Glühkatode 9, die durch diese Halter 22 unterteilt
ist.
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Um das Kurzschließen der Abschnitte der Glühkatode 9 mit Vorwiderständen
25 zu vermeiden, muß der swert widerstand der Glühkatode 9 um zwei Größenornungen
höher swert sein als der Widerstand des Abschnittes der Glühkatode 9 zwischen den
Haltern 22. Der Glühkatode 9 wird über Stromzuleitungen 27 Spannung von einer Quelle
25: zugefüher. Dem eine Target 19 wird/negative Vorspannung von einer Quelle
29
zugeführt. Das Target 19 ist von der Vakuumkammer 1 mit Hilfe eines Isolators 30
elektrisch isoliert.
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Das Target 19, die Entladungskammer 5, der lieflektor 17, die Anode
15, die Stromzuleitungen 27 der Glühkatode 9 / die Enden der Halter 22 werden mit
Wasser gekühlt (in Fig. 1 nicht gezeigt).
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Vor Arbeitsbeginn wird gegenüber des Target 19 in einem Abstand von
70-100 mm ein Substrat in den Halter 20 eingesetzt. i)ie Einrichtung wird über die
Offnung 3 an ein (in Fig. nicht dargestelltes) System fiir die Zuführung eines Arbeitsgases,
z. B. Argon, angeschlossen. An die binrichtung wird ein nicht dargestelltes System
der Wasserkühlung der Entladunskammer 5, des Targets 19, der Anode 15 und des Reflektors
17 angeschlossen.
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In der Vakuumkammer 1 wird mittels allgemein bekannter Pumpmittel,
beispielsweise einer Diffusions-oder einer Turbomolekularpumpe, ein Druck von etwa
1,3.10-4 Pa erzeugt. Dann wird die z. B. Wolram hergestellte z. B. von Glühkatode
9. / 2 mm Durchmesser, mittels eines Gleichstroms von etwa 150 A von der quelle
28 auf di Emissionstemperatur erhitzt. I)er Entladungskammer 5 wird über die Öffnung
7 Argon bis zur Erreichung eines Drucks in der Vakuumkammer von 2,6-5,4.10 2 Pa
bei einer Auspumpgeschwindigkeit der Vakuumkammer 1 von etwa 100)l/s zugel eiljet.
Hierbei stellt sich in der Entladungskammer 5 ein Druck von ungefähr 0,2 Pa ein
Danach
wird die Speisequelle 26 eingeschaltet und eine bntladespannung zwischen der Glühkatode
9 und der Anode 15 innerhalb von 50-80 zur angelegt.
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Zwischen der Glühkatode 9 und der Anode 15 wird ein elektrisches
Feld erzeugt, das die von der Glühkatode 9 ausgesandten elektronen in Richtung der
Anode 15 beschleunigt.
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Die Elektronen erlangen eine hinreichende Energie zur Ionisation von
Argon. Bei Zusammenstößen der Elektronen mit den Argonmolektilen bildet sich ein
Plasma. Die Entladespannung nimmt dabei spontan ab, und der Entladungsstrom setzt
ein.
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Dies zeigt, daß in der Entladungskammer 5 eine Lichtbogenentladung
entstanden ist. Der Entladungsstrom wird über die Vorwiderstände 25 und die Halter
22 über die Abschnitte der Glühkatode 9 verteilt, wodurch eine gleichmäßige Erwärmung
der Glühkatode 9 hervorgerufen Wird.
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Dank dem magnetischen und d<m elektrischen Feld, die zu.
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einander senkrecht sind, bewegen sich in der i!intladungskam mer 5
die elektroden längs komplizierten Spiralbahnen, was die Wahrscheinlichkeit der
Ionisation und die Plasmadichte vergrößert.
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Das in der Entladungskammer 5 (intladungsgebiet) gebildete Plasma
diffundiert durch den Schlitz 6 längs der Kraftlinien des vom Magnetsystem 21 erzeugten
magnetischen Fel-Substratdes in den Bereich, wo sich das Target 19 und der kalter
20 befinden (Zerstäubungsbereich).
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D*r Schlitz 6 form.t das Plasma zu einer bandförmigen Strömung, die
parallel zu der zu zerstäubenden Oberfläche des Targets 19 in einem Abstand von
10-15 mm davon verläuft. Nach Erreichung des Reflektors 17, der ein geringes negatives
Potential besitzt, werden die Elektronen von diesem reflektiert und laufen längs
den Kraftlinien des magnetischen Feldes in der umgekehrten Richtung. Auf diese Weise
oszillieren die Elektronen des Plasmas zwischen der Glühkatode 9 und dem Reflektor
17 so lange, bis sie auf die Anode 15 oder auf die Wand der Vakuumkammer 1 gelangen.
Bei diesem arbeitsablauf (Betriebszustand mit Oszillation der blektronen) wird eine
zusätzliche Ionisation im Zerstäubungsgasbezogene bereich herbeigeführt, was die,t"ffektivität
der Einrichtung erhöht, d.h. bei derselben Menge von Argon kann man einen gröBeren
Entladungsstrom und folglich einen größeren Ionenstrom zum Target 19 erzielen.
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Die Einrichtung kann auch ohne den Reflektor 17 arbeiten.
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In diesem Fall wird das Plasma im Raum an den Wänden der Vakuumkammer
1 zerstreut.
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Zum Beschichten eines am Halt;er 20 angebrachten Substrats wird dem
Target 19 von der quelle 29 ein negatives Potential in Grenzen zwischen 500 und
2000 V zugeführt.
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Hierbei werden positive Ionen aus der bandförmigen Plasmaströmung
in Richtung des Targets 19 beschleunigt,
so daß sie dessen Oberfläche
beschießen und Atome des entfernen Materials des Targets 19 / . Diese Atome verlassen
das Target 19, und ein Teil von ihnen lagert sich auf der Oberfläche des Substrats
ab, wodurch auf diesem eine Dünnschicht gebildet wird, Die Geschwindigkeit des Auftragens
der Dünnschicht auf das Substrat hängt von der Dichte des Ionenstroms gegen das
Target 19 und vom Arbeitsdruck ab.
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In der erfindungsgemäßen Einrichtung kann bei einer Dichte des zum
Target 19 gerichteten Stroms von etwa 20 mA/cm2 und einem Druck von 5,4-6,7.10-²
Pa eine Auftragsgeschwindigkeit z. B. von Kupfer von etwa 1 µ/min erreicht werden.
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i)er Druck im Zerstäubungsbereich wird durch die geometrischen Abmessungen
des.Schli;tzes 6 und die Auspumpgeschwindigkeit der Vakuumkammer 1 bestimmt, wobei
zur Senkung des Drucks in diesem Bereich bei einer konstanten Leitfähigkeit des
Schlitzes 6 die Auspumpgeschwindigkeit erhöht werden von muß. Bei Abmessungen des
Schlitzes 6O. Breite 10 cm, Höhe 0,5 cm und Tiefe 1,0 cm und bei einer huspumpgeschwindigkeit
der Vakuumkammer 1 von 20u0-3000 1/sec stellt sich der Druck im Zerstäubungsgebiet
im Bereich von/10-³ Pa ein.
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Somit besteht ein Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Ionenplasma-Zerstäubung
darin, daß dank der konstruktiven ltennung des Entladungsgebiets und des Zerstäubungsbereichs
die
Betriebscharakteristiken der Einrichtung -niedriger Arbeitsdruck im Zerstäubungsbereich
und hohe Ionen dichte am Target 19 - die Herstellungen von Diinnschichten hoher
Qualität mit hoher Leistung sicherstellen.
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Außerdem gestattet diese Trennung des EntladuR sgebiets und des Zerstäubungsbereiches
die reaktive Zerstäubung unter Anwendung von chemisch aktiven Gasen ohne {erminderung
der Betriebsdauer der Glühkatode 9 durchzuführen. Hierbei wird dem Zerstäubungsgebiet
zusätzlich zum Argonein Heaktionsgas, beispielsweise Sauerstoff, durch die Öffnung
4 zugeführt. Auf der Oberfläche des Substrats bildet sich in diesem Fall eine Dünnschicht,
die aus dem Oxid des Materials des Targets 19 besteht.
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In Fig. 3 ist eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Einrichtung
dargestellt. Die Entladungskammer 5 besitzt in dieser Variante zwei Schlitze 6,
die in den gegenüberliegenden Wänden der Entladungskammer 5 derart angel bracht
sind, daß sich die Schlitze 6 und die Gliihkatode 9 auf derselben Kraftlinie des
vom Magnetsystem 21 erzeugten magnetischen Feldes befinden. Zwei oder mehr Targets
19 sind beiderseits der Entladungskammer 5 angeordnet.
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JedeS Target 19 kann an eine separate speisequelle 29 angeschlossen
sein.
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Bei der Arbeit dieser Ausführungsvariante der Sirwich tung wird das
in der elektrischen Entladung zwischen der
Anode 15 und der Glühkatode
9 gebildete Plasma mittels der Schlitze 6 zu einer bandförmigen Strömung geformt
. Die Plasmaströmung diffundiert von der Glühkatode 9 durch die Schlitze 6 nach
den entgegengesetzten Seiten längs der Kraft linien des magnetischen Feldes in Richtung
der 11a1gets 19.
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Die Zerstäubung der Targets 19 geschieht durch Zuführung eines negativen
Potentials von den Speisequellen 29.
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Der Vorteil dieser Variante besteht in einer effektiveren Ausnutzung
des Plasmas, in der Steigerung der Arbeitsiei stung beim Beschichten sowie in der
Möglich-Beschichtunzen keit, / komplizierter Zusammensetzung sowohl nach den Dicke,
als auch nach dem Gehalt verschiedener {Werkstoffe dez Targets 19 zu erhalten.
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In den Fig. 4, 5, 6 sind weitere Ausführungsvarianten der Einrichtung
dargestellt, bei denen die Entladungskammer 5 die Form eines Ringes hat. Im Querschnitt
kann die Entladungskammer 5 verschiedene Form aufweisen, beispielsweise rechteckig
sein. In der zum Target 19 gekehrten Wand der rJritladungskammer 5 ist ein Schlitz
6 vorhanden. Das Target 19 kann z. B. die Form eines Ringes (Fig. 4, 6) oder eines
Zylinders (Fig. 5) haben.
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Innerhalb der Entladungskammer 5 sind eine ringförmige Glühkatode
9 und. eine ringförmige Anode 15 derart untergebracht,
daß das
elektrische Feld zwischen ihnen das bei der Spannungszufuhr von der quelle 25 erzeugt
wird, senkrecht zum magnetischen Feld ist, das vom Magnetsystem 21 erzeugt wird.
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Der Vorteil dieser Ausführungsvarianten der Einrichtung (Fig. 4,
5, 6) ist, daß durch Erzeugung einer geschlossenen Elektronenwanderung längs der
ringförmigen Glühkatode 9 die Wahrscheinlichkeit der Ionisation des Arbeitsgases,
die Plasmadichte und der zum Target 19 gerichtete Ionenstrom zunehmen. Außerdem
wird bei der {Variante der Einrichtung mit dem zylindrischen Target 19 (kig. 5)
die Leistungssteigerung durch Vergrößern der Länge des TargetS19 ohne Vergrößerung
dds Durchmessers der ringförmigen Glühkatode 9 erreicht.
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Die Arbeit der in Fig. 4, 5, 6 dargestellten Ausführungsvarianten
der Einrichtung ist der Arbeit der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung ähnlich und
ist im vorstehenden beschrieben. Der Unterschied dieser Varianten besteht darin,
daß bei der in Fig. 4 gezeigten Variante eine radial konvergierende Plasmaströmung
erzeugt wird, bei der in Fig. 5 gezeigten Variante eine rohrförmige Plasmaströmung
um das Target 19 herum und bei der in Fig. 6 gezeigten Variante eine radial divergierende
Plasmaströmungw die über der Oberfläche des Targets 19 verläuft.