DE2800852C2 - Einrichtung zum Ionenplasma-Beschichten - Google Patents

Description

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2. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (17) mit der Glühkathode (9) elektrisch verbunden ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine dritte, negative Spannungsquelle (18), die mit dem Reflektor (17) verbunden ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühkathode (9) mindestens in zwei Haltern (22) angebracht ist, die über die Länge der Glühkathode (9) gleichmäßig angeordnet und von der Entladungskammer (5) elektrisch isoliert sind, und _M daß die erste Spannungsquelle (26) über einen Vorwiderstand (25) an die freien Enden der Halter (22) der Glühkathode (9) angeschlossen ist.

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5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß in der Wand der Entladungskammer (5) gegenüber dem Schlitz (6) ein weiterer Spalt (6ejund diesem gegenüber ein weiterer Reflektor (YIa) vorgesehen sind,

daß zwischen dem weiteren Schlitz (6a) und dem weiteren Reflektor (17a,/ ein weiteres Target (ISa) vorgesehen ist, das aus einem Werkstoff gefertigt ist, der sich vom Werkstoff des Targets (19) unterscheidet, und

daß jedes Target (19, 19a^ elektrisch mit einer unabhängigen zweiten Spannungsquelle (29, 29a^ verbunden ist.

6. Einrichtung nacii Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß die Entiadungskammer (5), das Target (19) und der Reflektor (17) ringförmig sind, wobei die Entiadungskammer (5) das Target (19) und den Reflektor (17) umfaßt, und

daß das Magnetsystem (21) ein radial aufeinander zustrebendes Magnetfeld erzeugt-

7. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß der Reflektor (17) sowohl das Target (19) als auch die Entladungskammer (5) umfaßt, und daß das Magnetsystem (21) ein radial auseinanderstrebendes Magnetfeld erzeugt

8. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß das Target (19) zylinderförmig und koaxial zur Entladungskammer (5) ist,

daß der Reflektor (17) an der Stirnseite des Targets (19) gegenüber dem Schlitz (6) vorgesehen ist, und daß das Magnetsystem (21) ein ziim Target (19) koaxiales Magnetfeld erzeugt

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Ionenplasma-Beschichten nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Solche Einrichtungen sind bereits bekannt (DE-AS 17 65 625); sie dienen zum Aufbringen dünner Schichten auf ein Werkstück. Die Glühkathode und die Anode sind dort im wesentlichen parallel zueinander angeordnet Die Anode befindet sich außerhalb der Entladungskammer. Das von einer Spule erzeugte Magnetfeld verläuft parallel zum elektrischen Feld zwischen der Glühkathode und der Anode.

Auch andere Einrichtungen zum Ionenplasma-Beschichten sind bereits bekannt (DE-AS 15 15 295, DE-OS 21 10 668 und DE-OS 23 21 665), bei denen der Entladungsbereich vom Zerstäubungsbereich räumlich nicht getrennt ist

Die Wirkungsweise solcher Einrichtungen beruht bekanntlich auf der Entfernung von Atomen von der Oberfläche eines Zerstäubungsmaterials durch dessen Ionenbeschuß. Sie lassen sich nach konstruktiven Merkmalen in Dioden-(Zweielektroden-), Trioden-(Dreielektroden-) und Tetroden-(Vierelektroden-)Einrichtungen einteilen. Die zwei letzteren Bauarten werden gewöhnlich lonenplasma-Einrichtungen genannt

Die Zerstäubungseinrichtungen des Diodentyps enthalten z. B. eine Flächenkathode (Target) aus dem Zerstäubungsmaterial und eine Flächenanode, die gegenüber der Kathode parallel zu ihr angeordnet ist.

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Bei Anlegen eines negsnven Potentials an die Kathode und eines positiven Potentials an die Anode entsteht im Raum zwischen diesen eine selbständige Gasentladung. Die in der Entladung gebildeten positiven Ionen, z. B. von Argon, beschießen die Kathode und entfernen Atome des Kathodenmaterials, von denen sich ein Teil auf Substraten ablagert, die gegenüber der zu zerstäubenden Oberfläche der Kathode angebracht sind. Die Diodeneinrichtungea arbeiten bekanntlich bei einem Druck von 13,3—1,33Pa, einer Spannung m zwischen Kathode und Anode bis zu 3000 V und einer Stromdichte der Ionen, z. B. von Argon, von 0,5— l,0mA/cm². Die Geschwindigkeit des Auftragens von Dünnschichten beträgt dabei einige 10-²μπι/πιίη. Wesentliche Nachteile dieser Einrichtungen bestehen in is der geringen Leistung und niedrigen Qualität der Beschichtungen, die auf hohen Arbeitsdruck, ungesteuerte Erwärmung der Substrate, Weine Beschichtungs-Geschwindigkeit, hohe Entladespannung usw. zurückzuführen sind.

Diese Nachteile werden bei der Anwendung von Einrichtungen zum lonenplasma-BeschichtenJjehoben. Bei ihnen ist eine dritte Elektrode — das target — eingeführt, das aus einem zum Beschichten notwendigen Material hergestellt wird, und als Ionenquelle wird ^s Plasma einer unselbständigen Gasentladung mit Glühkathode 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 zum Ionenplasma-Beschichten arbeiten bekanntlich in einem Druckbereich von 0,133—0,08 Pa. Die Geschwindigkeit des Auftragens von Dünnschich- r> ten erreicht dabei einige 10~' μπι/ηιιη. Die Einrichtungen zum lonenpIasma-Beschichten weisen im Vergleich mit den Beschichtungseinrichtungen 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.

Eine der bekannten Einrichtungen zum Ionei.'plasma-Beschichten von der Trioden-Bauart enthält eine ■»"> Glühkathode und eine Plattenanode gegenüber der Glühkathode. Ein flaches Target aus Zerstäubungsmaterial ist zwischen der Glühkathode und der Anode parallel zu einer Ebene angeordnet, die durch die Kathode und Anode geht, wobei die zu zerstäubende '»> Oberfläche des Targets dieser Ebene zugekehrt ist. Das Substrat, auf dem die Dünnschicht aufgebracht werden muß, ist dort gegenüber dem Target seitlich der zu zerstäubenden Oberfläche an der anderen Seite der Ebene angebracht, die durch die Glühkathode und die " Anode geht Außerdem ist dort ein Magnetsystem vorgesehen, das ein magnetisches Feld in Richtung der Elektronenbewegung von der Kathode zur Anode entlang der Oberfläche des Targets erzeugt.

Die bekannte Einrichtung ist in einer Vakuumkammer &o untergebracht, die öffnungen zum Auspumpen der Restgase und zum Zuführen des Arbeitsgases aufweist, Es sind auch öffnungen für Anschlüsse vorhanden, mit deren Hilfe an Kathode, Anode und Target Spannung von Spannungsquellen angelegt wird. Durch diese <>' Anschlüsse werden die Anode und das Target mit Wasser gekühlt. Die 'Kathode und das Target sind von den Wänden der Vakuumkammer isoliert, während die Anode geerdet ist Die bekannte Einrichtung arbeitet bei einem Druck von 0,133—1,33 Pa, der durch Einlassen in die bis auf einen Druck von 1,33 . ίο-» Pa evakuierte Vakuumkammer eines Arbeitsgases, z, B, Argon, erzeugt wird. Durch die Glühkathode wird ein zu ihrer Erwärmung auf die Emissionstemperatur ausreichender Strom geschickt Wird zwischen Glühkathode und Anode eine Spannung in den Grenzen von 200—500 V angelegt, so entsteht eine Gasentladung. Im Raum zwischen der Glühkathode 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 ablagert

Mit Hilfe einer soichen Einrichtung läßt sich bekanntlich bei einer Dichte des Ionenstroms zum Target von 3—5 mA/cm², einer EntJ-,iiungsspannung von 200 V sowie einem Entiadungsstrom ;on 6—8 A eine Beschichtungsgeschwindigkeit für metallische Beschichtungen von bis zu 0,1 μΐη/min erzielen.

Da dort aber das Gebiet der Entladung (Gebiet zwischen Glühkathode und Anode) auch als Bereich dient wo die Zerstäubung des Materials und dessen Ablagerung auf der Oberfläche des Substrats vor sich gehen, könnte eine Senkung des Arbeitsdrucks, die zur Qualitätsverbesserung der Dünnschichten und Erhöhung der Auftragsgeschwindigkeit notwendig ist, zur Verminderung der Wahrscheinlichkeit der Ionisation und zum Aufhören des Brennens der Entladung führen.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Einrichtung ist die Verunreinigung der Dünnschicht durch Material der Glühkathode, das durch die Plasmaionen zerstäubt wird. Die offene heiße Glükathode gestattet auch keine reaktive Zerstäubung, wenn bei Bedarf in die Vakuumkammer zusätzlich zum Arbeitsgas ein Reaktions^as, z. B. Sauerstoff, einzuleiten ist. Die Betriebsdauer der Glühkathode fällt dann stark ab. Überdies hat die Überlagerung eines magnetischen Feldes entlang des elektrischen Felds zwischen Glühkathode und Anode hat eine ungleichmäßige Verteilung der Piasinadichte auf der Oberfläche des Targets und deshalb eine ungleichmäßige Zerstäubung des Targets zur Folge. Die Anordnung des Targets zwischen Kathode und Anode erhöht die Entladespannung, was die Betriebszeit der Glühkathode verringert und die Wahrscheinlichkeit der Verunreinigung der Dünnschicht vergrößert. Zur Steigerung der Leistungsfähigkeit einer derartigen Einrichtung muß der Arbeitsdruck erhöht werden, was zur Qualitätsminderung der Dünnschichten führt.

Eine z°<dere bekannte Einrichtung zum Ionenplasma-Beschichten enthält eine Glühkathode, ein flaches Target, ein Substrat und ein Magnetsystem. Das Target ist dort von einem U-förmigen Schirm umgeben. Der Schirm weist einen Schlitz seitlich der Glühkathode 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 Glühkathode herab. Die Ausbildung des Plasmas in Form eines Bandes führt zur gleichmäßigen Zerstäubung der Fläche des Targets. Die nur teilweise Trennung des Entladungsgebiets und des Bereichs des Auftragens der Dünnschichten beseitigt

jedoch nicht alle Nachteile der vorstehend geschilderten Hinrichtung.

In einer anderen Variante einer solchen Einrichtung ist die Glühkathode von einem Schirm in Form eines Rohres umgeben, in dessen eine Stirnseite die ·> Glühkathode 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 Glühkathode ist ein Target angeordnet. Das Magnctsy- m stern der Einrichtung erzeugt ein magnetisches Feld, das von der Glühkathode 7iir Anode durch den Schiit;? im Schirm entlang der Oberfläche des Targets gerichtet ist. Die Abschirmung der Glühkathode setzt die Wahrscheinlichkeit der Verunreinigung der Dünnschicht · durch Material der Glühkathode herab. Somit ist dort die Zone des Gasentladungsplasmas zugleich der Bereich, wo die Zerstäubung des Targets und die Niederschlagung der Dünnschicht auf dem Substrat

Argon, in diesem Bereich beträgt 0.133 Pa. Eine Drucksenkung führt zur Verminderung der Plasmadichte und zur Unterbrechung der Entladung. Folglich kann bei dieser Einrichtung die Qualität der Diinnschichten nicht erhöht werden. Ungünstig ist dort auch, daß bei r> Zufuhr von Reaktionsgasen, z. B. von Sauerstoff, in die Vakuumkammer der Sauerstoff mit der Glühkathode zusammenwirkt und dadurch deren Betriebsdauer verringert. Bei großem Abstand zwischen der Glühkathode und der Anode ist es dort schwierig, die Entladung zu zünden, wobei auch eine hohe Spannung zur Unterhaltung der Entladung angelegt werden muß. Deshalb ist bei einer anderen Variante in der Nähe der Glühkathode eine stiftförmige Elektrode angebracht, die mit der Anode elektrisch gekoppelt ist, was die Entladespannung etwas mindert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Einrichtung zum lonenplasma-Beschichten der eingangs genannten Art den Entladungs- und Zerstäubungsbereich voneinander räumlich zu trennen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Mittel gelöst. Dadurch ergeben sich die nachfolgend aufgeführten Vorteile. Die isolierte Entladungskammer nimmt während des Entstehens der Entladung ein geringeres negatives Potential auf Kosten einer höheren Beweglichkeit der Elektronen an. Dieses geringere Potential verhindert eine Elektronenabsaugung aus dem Entladungsplasma und begünstigt somit die Bildung eines Plasmas hoher Dichte. Die Unterbringung der Glühkathode und der Anode in einer geschlossenen Entladungskammer, dw einen Schlitz mit bestimmter Gasleitfähigkeit aufweist, ermöglicht optimale Druckverhältnisse sowohl für die Entladung als auch für das Auftragen von hochwertigen Dünnschichten.

In der Entladungskammer ist dadurch der Druck des Arbeitsgases höher als im Zerstäubungsbereich, was es gestattet, die Plasmadichte zu erhöhen und die Diffusion des Reaktionsgases bei der Herstellung von dielektrischen Dünnschichten nach der Methode der reaktiven μ 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 us Eine Senkung des Arbeitsdrucks beim Auftragen von Dünnschichten auf Substrate ist zur Verbesserung der Qualität der Dünnschichten und zur Erhöhung der Auftragsgeschwindigkeit notwendig. 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. Die Geschwindigkeit des Auftragens von Dünnschichten erhöht sich bei Drucksenkung dank der verminderten Anzahl von Zusammenstößen der zerstäubten Atome mit den Restgasmolekülen und der dabei zunehmenden Menge von Atomen, die die Oberfläche des Substrats erreichen. Die Trennung des Entladungsgebietes und des Zerstäubungsbereiches führt zur Erweiterung der technologischen Möglichkeiten der Einrichuil· und zur Erhöhung der Lebensdauer der Glühkathode bei der Einführung von Reaktionsgasen, beispielsweise von Sauerstoff /ίγ Herstellung von Oxidbeschichtungen. in die Vakuumkammer. Die Anordnung der Anode in der Nähe der Glühkathode iiei Mi i. daß das elektrische FeU /wischen ihnen zu dein durch das Magnetsystem erzeugten magnetischen Fekl

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Lichtbogenentladung in zueinander senkrechten elektrischem und magnetischem Feld zu verwenden. Diese Art der Entladung kennzeichnet sich durch geringen Potentialabfall und großen Entladungsstrom, wodurch es möglich wird, den zum Target gerichteten Ionenstrom zu vergrößern und folglich die Zerstäubungsgeschwindigkeit des Materials zu erhöhen. Hierbei erhöht sich die Betriebsdauer der Glühkathode durch Verminderung ier Energie von die Glühkathode beschießenden Ionen. Die Einrichtung mit dem Reflektor arbeitet im Entladebetrieb mit Oszillation von Elektronen. Bei diesem Betriebszustand wird dis Dichte des lonenstroms vergrößert und folglich die Leistungsfähigkeit der Einrichtung erhöht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Vorteile ergeben sich also auch, wenn der Reflektor mit der Glühkathode oder mit dem Minuspol einer Spannungsquelle elektrisch verbunden ist.

In Einrichtungen zum lonenplasma-Beschichten, die eine Lichtbogenentladung mit Glühkathode und Gleichstromquellen benutzen, hängt bekanntlich die Gleichförmigkeit der Plasmaströmung über den Querschnitt von der Verteilung des Entladungsstromes ab, der dem Kathodenstrom überlagert wird. Eine gleichmäßige Verteilung des Entladungsstromes über die Länge der Glühkathode ergibt eine gleichmäßige Verteilung der Plasmadichte längs der Kathode, was zur gleichmäßigen Zerstäubung des Targets führt und die Betriebsdauer der Glühkathode erhöht. Die gleichmäßige Verteilung des Entladungsstroms wird hier dadurch erzielt, daß die Glühkathode mindestens in zwei Haltern befestigt ist, die über Vorwiderstände mit der ersten Gleichspannungsquelle verbunden sind. Die Halter unterteilen die Glühkathode über die Länge in gleiche Abschnitte. Der Vorteil der Benutzung von Vorwiderständen in der Speiseschaltung für die Kathode und die Entladung liegt darin, daß bei Änderung des Entladungsstromes die Gleichmäßigkeit, der Verteilung des Gesamtstromes über die Glühkathode praktisch nicht gestört wird. Außerdem schützen die Vorwiderstände die Spannungsquelle vor Kurzschluß.

Bei der Zuführung eines negativen Potentials von einer oder mehreren Spannungsquellen an die aus verschiedenen Materialien bestehenden Targets kann man auf die Oberfläche des Substrats mehrschichtige Beschichtungen oder Verbindung mit einer vorgegebenen Verteilung der Targetmaterialien über die Dicke

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der Dünnschicht auftragen.

Durch die Ausgestaltung der Entladungskammer in Form eines das Target umfassenden Ringes mit in der Entladungskammer untergebrachter ringförmiger Glühkathode ergib; sich vorteilhafterweise eine ge- i schlossenc Elektroncnwanderung längs der Glühkathode und die Möglichkeit zur Vergrößerung der Fläche des Targets ohne Vergrößerung des Durchmessers der ringförnvjen Glühkathode.

Vorteilhaft ist auch die Erzeugung einer radial Ki konvergierenden Plasmaströmung. die sich über die Oberfläche des Targets bewegt. Durch die .'Schaffung der geschlossenen [ilektronenwanderung längs der ringförmigen Glühkathode werden die Wahrscheinlichkeit der Ionisation des Arbeitsgascs. die Plasmadichte '' und der /um I arget gerichtete lonenstrom erhöh".

Am wirksamsten kann die beschriebene Einrichtung zum Auftragen von Dünnschichten vun Metallen. Halbleitern und Dielektrika (reaktive Zerstäubung) auf Am Ohorftäfhp vprQrhipHprmpr ^iii.ttr^tp anopu/pnHpt 5n

werden. Sie kann aber auch zur Ätzung von metallischen Oberflächen durch Zerstäubung und Reinigung von Gegenständen durch Plasmaströmung verwendet werden

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung der Einrichtung zum lonenplasma-Beschichten,

Fig. 2 einen Schnitt H-Il in Fig. 1,

F i g. 3 eine Ausführungsvariante der Einrichtung zum lonenpl sma-Bcschichten,

Fig.4 eine Ausführungsvariante der Einrichtung mit ringförmiger Entladungskammer,

F i g. 5 eine Ausführungsvariante der Einrichtung mit ringförmiger Entladungskammer und zylindrischem Target und

Fig.6 eine Ausführungsvariante der Einrichtung mit ringförmiger Entladungskammer, die von einem ringförmigen Target umfaßt wird.

Die beschriebene Einrichtung (Fig. I, 2) enthält eine Vakuumkammer 1, die eine Evakuier-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 Vakuumkammer 1 mittels eines Isolators 8 isoliert. Innerhalb der Entladungskammer 5 ist längs des Schlitzes 6 eine stabförmige oder gewendelte Glühkathode 9 angeordnet, deren Enden aus der Entladungskammer 5 mit Hilfe von isolatoren 10, 11 und aus der Vakuumkammer 1 mit Hilfe von Isolatoren 12, 13 herausgeführt "^;nd. In der Entladungskammer 5 ist senkrecht zur Ebene durch die Glühkathode 9 und den Schlitz 6 eine von der Vakuumkammer 1 und der Entladungskammer 5 mit Hilfe eines Isolators 14 elektrisch isolierte Anode 15 angeordnet.

Gegenüber dem Schlitz 6 ist auf einem Isolator 16 ein Reflektor 17 angebracht, der an eine Quelle 18 negativen Potentials angeschlossen ist. Zwischen der Eniiaduiigskaminer 5 und lieni Reflektor 17 lsi ein flaches Target 19 aus einem Material zum Beschichten Hpj-Qrl anaporrlnpt Haß Ρΐη^ρ d'IT^h ^!^p O^'hlcathnHp Q und den Schlitz 6 gehende Ebene zu der zu zerstäubenden Oberfläche des Targets 19 parallel liegt. Auf der anderen Seite dieser Ebene ist gegenüber dem Target 19 ein Substrathalter 20 angeordnet. Ein Magnetsystem 21 ist in der Vakuumkammer 1 derart angeordnet, daß die Feldlinien des von ihm erzeugten magnetischen Feldes durch die Glühkathode 9 und den Schlitz 6 längs des Targets 19 verlaufen, wobei die Glühkathode 9 und der Schlitz 6 auf derselben Feldlinie des magnetischen Feldes liegen. Das magnetische Feld, das vom Magnetsystem 21 erzeugt wird, verläuft zum elektrischen Feld zwischen der Glühkathode 9 und der Anode 15 senkrecht. Die magnetische Feldstärke in der Mitte des Targets 19 beträgt 250-300Oe. Das Magnetsystem 21 kann auch außerhalb der Vakuumkammer 1 befindlich sein.

Die Glühkathode 9 ist in Haltern 22 (F i g. 2) befestigt, deren Enden von der Entladungskammer 5 und der Vakuumkammer 1 mit Hilfe von Isolatoren 23, 24 isoliert sind. Die Halter 22 sind über Vorwiderstände 25 mit dem negativen Pol einer Spannungsquelle 26 verbunden.

Die Größe Rk eines beliebigen Vorwiderstandes 25 wird gemäß der folgenden Formel errechnet,

_{R =}

2(n+!

U_kJ_kR₀ -2kU_k[2U„-U_k(n +

/_e[2(/i+I)t/_a-2Jt+l)i/d

worin bedeuten:

k = laufende Nummer des Vorwiderstandes 25,

also*= 1,2,3.., U. = Entladespannung zwischen der Anode 15 und

der Glühkathode 9 [VJ /, = Entladungsstrom [AJ R₀ = Widerstandswert der Glühkathode 9 [Ohm], Jt = Glühstrom der Glühkathode 9 [A], Uk = Giühspannung der Glühkathode 9 [V] und η — Zahl der Abschnitte der Glühkathode 9, die durch die Halter 22 unterteilt ist

Um das Kurzschließen der Abschnitte der Glühkathode 9 mit den Vorwiderständen 25 zu vermeiden, muß der Widerstandswert der Glühkathode 9 um zwei Größenordnungen höher sein als der Widerstandswert des Abschnittes der Glühkathode 9 zwischen den Haltern 22. Der Glühkathode 9 wird über Stromzuleitungen 27 Spannung von einer Quelle 28 zugeführt. Dem

Target 19 wird eine negative Vorspannung von einer

χ) Quelle 29 zugeführt. Das Target 19 ist von der Vakuumkammer 1 mit Hilfe eines Isolators 30 elektrisch isoliert

Da* Target 19, die Entladungskammer 5, der Reflektor 17, die Anode 15, die Stromzuleitungen 27 der Glühkathode 9 und die Enden der Halter 22 werden mit Wasser gekühlt (in F i g. 1 nicht gezeigt).

Vor Arbeitsbeginn wird gegenüber dem Target 19 in einem Abstand von 70— 100 mm ein Substrat in den Halter 20 eingesetzt Die Einrichtung wird über die öffnung 3 an ein (in den Figuren nicht dargestelltes) System für die Zuführung eines Arbeitsgases, z. B. Argon, angeschlossen. An die Einrichtung wird ein nicht dargestelltes System zur Wasserkühlung der Entladungskammer 5, des Targets 19, der Anode 15 und des

Reflektors 17 angeschlossen.

In der Vakuumkammer 1 wird mittels allgemein bekannter Pumpmittel, beispielsweise einer Diffusionsoder einer Turbomolekularpumpe, ein Druck von etwa

13 · ΙΟ-⁴ Pa erzeugt. Dann wird die z. B. aus Wolfram hergestellte Glühkathode 9, ζ. B. von 2 mm Durchmesser, mitteis eines Gleichstroms von etwa 150 A von der Quelle 28 auf die Emissionstemperatur erhitzt. Der Entladungskammer 5 wird über die Öffnung 7 Argon bis zur Erreichung eines Drucks in der Vakuumkammer 1 von 2,6—5,4 · 10~² Pa bei einer Auspumpgeschwindigkeit der Vakuumkammer 1 von etwa 1000 l/s zugeleitet. Hierbei stellt ^rich in der Entladungskammer 5 ein Druck von ungefähr 0,2 Pa ein. Danach wird die Speisequelle 26 eingeschaltet und eine Entladespannung zwischen der Glühkathode 9 und der Anode 15 innerhalb von 50—80 V angelegt.

Zwischen der Glühkathode 9 und der Anode 15 wird ein elektrisches Feld erzeugt, das die von der Glühkathode 9 ausgesandten Elektronen in Richtung der Anode 15 beschleunigt. Die Elektronen erlangen eine hinreichende Energie zur Ionisation von Argon. Bei Zusammenstößen der Elektronen mit den Argonmolekülen bildet sich ein Plasma. Die Entladespannung nimmt dabei spontan ab, und der Entladungsstrom setzt ein. 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 Glühkathode 9 verteilt, wodurch eine gleichmäßige Erwärmung der Glühkathode 9 hervorgerufen wird.

Dank des magnetischen und des elektrischen Feldes, die zueinander senkrecht sind, bewegen sich in der Entladungskammer 5 die Elektroden längs komplizierten Spiralbahnen, was die Wahrscheinlichkeit der Ionisation und die Plasmadichte vergrößert.

Das in der Entladungskammer 5 (Entladungsgebiet) gebildete Plasma diffundiert durch den Schlitz 6 längs der Feldlinien des vom Magnetsystem 2t erzeugten magnetischen Feldes in den Bereich, wo sich das Target 19 und der Substrat-Halter 20 befinden (Zerstäubungsbereich).

Der Schlitz 6 formt 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 Erreichen 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 Glühkathode 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 Elektronen) wird eine zusätzliche Ionisation im Zerstäubungsbereich herbeigeführt, was die gasbezogene Effektivität der Einrichtung erhöht. d. h. bei derselben Menge von Argon kann man einen größeren Entladungsstrom und folglich einen größeren lonenstrom zum Target 19 erzielen.

Die Einrichtung kann ggf. auch ohne den Reflektor 17 arbeiten. In diesem Fall wird das Plasma im Raum an den Wänden der Vakuumkammer 1 zerstreut.

Zum Beschichten eines am Halter 20 angebrachten Substrats wird dem Target 19 von der Quelle 29 ein negatives Potential in Grenzen zwischen 500 und 2000 V zugeführt

Hierbei werden positive Ionen aus der bandförmigen Plasmaströmung in Richtung des Targets 19 beschleunigt, so daß sie dessen Oberfläche beschießen und Atome des Materials des Targets 19 entfernen. Diese Atome verlassen das Target 19, und ein Tei! von ihnen lagert sich auf der Oberfläche des Subitrats ab, wodurch auf diesem eine Dünnschicht gebildet wird. Die Geschwindigkei' des Auftragens der Dünnschicht auf das Substrat hängt von der Dichte des lonenstroms

-, gegen das Target 19 und vom Arbeitsdruck ab. In der Einrichtung kann bei einer Dichte des zum Target 19 gerichteten Stroms von etwa 20 mA/cm² und einem Druck von 5.4 — 6,7 · I0-² Pa eine Auftraggeschwindigkeit z. B. von Kupfer von etwa 1 μπι/Γηίη erreicht

κ werden.

Der Druck im Zerstäubungsbereich wird durch die geometrischen Abmessungen des Schlitzes 6 und die Auspumpgeschwindigkeit der Vakuumkammer I bestimmt, wobei zur Senkung des Drucks in diesem

• Bereich bei einer konstanten Leitfähigkeit des Schlitzes 6 die Auspumpgeschwindigkeit erhöht werden muß. Bei Abniossungen des Schlitzes ö von: Breite 10 cm. Höhe 0,5 cm und Tiefe 1,0 cm und bei einer Auspumpgeschwindigkeit der Vakuumkammer 1 von 7000-

" 3000 l/sec stellt sich der Druck im Zerstäubungsgebiet im Bereich von 10-' Pa ein.

Somit besteht ein Vorteil der Einrichtung zum lonenplasma-Beschichten darin, daß dank der konstruktiven Trennung des Entladungsgebiets und des Zerstäu-

:■' bungsbereichs die Betriebscharakteristiken der Einrichtung — niedriger Arbeitsdruck im Zerstäubungsbereich und hohe lonendichte am Target 19 — die Herstellung von Dünnschichten hoher Qualität mit hoher Leistung sicherstellen. Außerdem gestattet es diese Trennung des Entladungsgebiets und des Zerstäubungsbereiches, die reaktive Zerstäubung unter Anwendung von chemisch aktiven Gasen ohne Verminderung der Betriebsdauer der Glühkathode 9 durchzuführen. Hierbei wird dem Zerstäubungsgebiet zusätzlich zum Argon ein Reaktionsgas, 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.

In F i g. 3 ist eine Ausführungsvariante der beschneid benen Hinrichtung dargestellt. Die Entladungskammer 5 besitzt in dieser Variante zwei Schlitze 6, 6a. die in den gegenüberliegenden Wänden der Entladungskammer 5 derart angebracht sind, daß sich die Schlitze 6, 6a und die Glühkathode 9 auf derselben Feldlinie des vom

:. Magnetsystem 21 erzeugten magnetischen Feldes befinden. Zwei oder mehr Targets 19, 19a s-nd beiderseits der Entladungskammer 5 angeordnet. Jedes Target 19, 19a kann an eine separate Speisequelle 29, 29a angeschlossen sein.

Bei der Arbeit dieser Ausführungsvariante der Einrichtung wird das in der elektrischen Entladung zwischen der Anode 15 und der Glühkathode 9 gebildete Plasma mittels der Schlitze 6, 6a zu einer bandförmigen Strömung geformt. Die Plasmaströmung

ü diffundiert von der Glühkathode 9 durch die Schlitze 6, 6a nach den entgegengesetzten Seiten längs der Feldlinien des magnetischen Feldes in Richtung der Targets 19,19a.

Die Zerstäubung der Targets 19,19a geschieht durch

to Zuführung eines negativen Potentials von den Speisequellen 29,29a.

Der Vorteil dieser Variante besteht in einer effektiveren Ausnutzung des Plasmas, in der Steigerung der Arbeitsleistung beim Beschichten sowie in der

c5 Möglichkeit, Beschichtungen komplizierter Zusammensetzung sowohl nach der Dicke, als auch nach dem Gehalt verschiedener Werkstoffe des Targets 19 zu erhalten.

In uen r i g. 4, 5, 6 sind weitere Ausführungsvarianten der Einrichtung dargestellt, bei denen die Entladungskammer 5 die Form eines Ringes hat. Im Querschnitt kann die Eniladungskammer 5 verschiedene Form ujfweisen. sie kann beispielsweise rechteckig sein. In der zum Target 19 gekehrten Wand der Entladungskammer 5 ist der Schlitz 6 vorhanden. Das Target 19 kann z. B. die Form eines Ringes (F i g. 4, 6) oder eines Zylinders (F i g. 5) haben.

Innerhalb der Entladungskammer 5 sind die ringförmige Glühkathode 9 und die 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.

Der Voritil dieser Ausführungsvarianten der Hinrichtung (F i g. 4. 5. 6) liegt darin, daß durch Erzeugung einer geschlossenen Elektronenwanderung längs der ringförmigen Glühkathode 9 die Wahrscheinlichkeit der

Ionisation des Arbeitsgases, die Plasmadichte und der zum Target 19 gerichtete lonenstrom zunehmen. Außerdem wird bei der Variante der Einrichtung mit dem zylindrischen Target '9 (F i g. 5) eine Leistungssteigerung d'.'n-'h Vergrößern der Länge des Targets 19 ohne Vergrößerung des Durchmessers der ringförmigen Glühkathode 9 erreicht.

Die Arbeitsweise der in Fig.4, 5, 6 dargestellten Ausführungsvarianten der Einrichtung ist der Arbeitsweise der in ^r;; ,<?. I dargestellten Einrichtung ähnlich und ist im; ν jr„tr!->enden beschrieben. Der Unterschied dieser Varianten besteht darin, daß bei der in Fig.4 gezeigten V in.'nte eine radial konvergierende Plasmaströmung erzeugt wird, bei der in F i g. 5 gezeigten Variante eine rohrförmigc Plasmaströmung um das Target 19 herum und der in Cig. 6 gezeigten Variante eine radial divergierende Plasmaströmung, dir über der Oberfläche des Targets 19 verläuft.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

28 OO Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Ionenplasma-Beschichten,

— bei der eine Plasmaströmung durch ein elektrisches Feld zwischen einer Anode und einer Glühkathode in einer Vakuumkammer erzeugt und durch ein Magnetfeld von einem Magnetsystem sowie einen Schirm mit öffnung in Plasmaströmungsrichtung geformt wird,

— mit einem Substrat-Halter,

— mit einem zu zerstäubenden Target an verschiedenen Seiten der erzeugten Plasmaströmung, und

— mit einer die Glühkathode enthaltenden Entladungskammer, die in der Vakuumkammer angeordnet ist und in mindestens einer ihrer als Schirm dienenden Wände die öffnung hat, bei der die Anode und die Glühkathode in einer solchen. Stellung zueinander untergebracht sind, daß sttffdie Glühkathode in einer Ebene mit der öffnung befindet,

— bei der das Magnetsystem das Magnetfeld Ober die Glühkathode und die öffnung zwischen der Anode und der Glühkathode gerichtet erzeugt,

— bei der der Substrat-Halter und das zu zerstäubende Target beiderseits der Plasmaströmung angeordnet sind,

— bei der eine erste Spannungsquelle zwischen der Glühkathode und der Anode eine Entladung bewirkt, und

— bei der eine zweite, negative Spannungsquelle mit dem Target vesbunderi ist,

dadurch gekennzeichnet,

— daß die Entladungskamr er (5) elektrisch isoliert von der Vakuumkammer (1) vorgesehen ist,

— daß die Öffnung in der als Schirm dienenden Wand ein Schlitz (6) ist,

— daß die Anode (15) und die Glühkathode (9) senkrecht zueinander beide in der Enltadungskammer (5) angeordnet sind,

— daß das Magnetfeld senkrecht zum elektrischen Feld verläuft,

— daß ein Reflektor (17) gegenüber dem Schlitz (6) vorgesehen ist, und

— daß der Substrat-Halter (20) und das zu zerstäubende Target (19) zwischen der Entladungskammer (5) und dem Reflektor (17) vorgesehen sind.

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