DE3012935C2

DE3012935C2 - Zerstäubungsvorrichtung mit magnetischer Verstärkung

Info

Publication number: DE3012935C2
Application number: DE19803012935
Authority: DE
Inventors: Charles F. Boulder Col. Morrison jun.
Original assignee: VAC-TEC SYSTEMS Inc 80301 BOULDER COL US; Vac Tec Systems Inc
Current assignee: VAC-TEC SYSTEMS Inc 80301 BOULDER COL US; Vac Tec Systems Inc
Priority date: 1979-04-09
Filing date: 1980-04-02
Publication date: 1983-04-14
Also published as: JPS593546B2; FR2454178A1; JPS55148770A; GB2051877A; FR2454178B1; CA1153733A; DE3012935A1; GB2051877B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zerstäubungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche Zerstäubungsvorrichtung ist bereits bekannt (DE-OS 25 56 607). Dort sind unterhalb der zu zerstäubenden Fläche Magnetvorrichtungen angebracht, die ein Magnetfeld erzeugen, dessen Kraftlinien aus der Zerstäubungsfläche an einer Stelle austreten und dann im Bogen über der Zerstäubungsfläche bis zu einer anderen Stelle dieser Fläche verlaufen, an der sie wieder in die Zerstäubungsfläche eintreten. Dieser Kraftlinienverlauf führt zu einer ungünstigen Erosion der Zerstäubungsfläche, da die wirksamste Zerstäubung nur dort auftritt, wo die Kraftlinien im wesentlichen parallel zur Zerstäubungsfläche verlaufen. Zur Verbesserung der Ausnutzung des zu zerstäubenden Materials wird in dieser bekannten Zerstäubungsvorrichtung mittels weiterer Magnet^orrichtungen ein zusätzliches Magnetfeld erzeugt, das dem bereits vorhandenen-Magnetfeld so überlagert wird, daß der Bereich, in dem die Kraftlinien parallel zur Zerstäubungsfläche verlaufen, verbreitert wird. Auf diese Weise läßt sich auch der in der Zerstäubungsfläche auftretende Erosionskrater verbreitern.

Bekannt ist auch bereits eine solche Zerstäubungsvorrichtung (DE-OS 27 29 286), bei der zur Plasmaerzeugung jeweils auf der von der Zerstäubungsfläche abgewandten Seite der Katode Magnetvorrichtungen angebracht sind, deren Kraftlinien aus der Zerstäubungsfläche austreten und an einer anderen Stelle wieder in diese Fläche eintreten. Zur besseren Ausnutzung des Zerstäubungsmaterials wird dort eine mechanische Verschiebung der Magnetvorrichtung parallel zur Zerstäubungsfläche angewendet, damit nacheinander mehrere Stellen dieser Fläche zerstäubt werden. Diese mechanische Bewegung erfordert einen eigenen, relativ aufwendigen Antrieb.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zerstäubungsvorrichtung der eingangs angegebenen Art so auszugestalten, daß mit einfachen Mitteln ein gleichmäßiges und vollständiges Zerstäuben der Zerstäubungsfläche erreicht wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Mittel gelöst.

Dadurch verläuft vorteilhafterweise ein Teil der Kraftlinien des erzeugten Magnetfeldes über die Zerstäubungsfläche zwischen beiden Magnetvorrichtungen, was bedeutet, daß diese Kraftlinien an keiner Stelle in die Zerstäubungsfläche eintreten. Sie verlaufen vielmehr genau in der Weise, die eine optimale Zerstäubung zur Folge hat, nämlich im wesentlichen parallel zur Zerstäubungsfläche.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt

Fig. IA eine Schnittansicht einer früher intern angewendeten Zerstäubungsvorrichtung zur Erzeugung eines gleichmäßigen, bezüglich einer Target-Oberfläche parallelen Magnetfeldes,

F i g. 1B eine perspektivische Ansicht der früher

angewendeten Zerstäubungsvorrichtung von Fig. IA, Fig.2 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der hier beschriebenen Vorrichtung, bei der zur Erzeugung eines gleichmäßigen Magnetfeldes parallel zu einer Targetfläche Magnetblöcke verwendet werden,

F i g. 3 eine Schnittansicht der Ausführungsform von Fig.2,

Fig.4A eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der beschriebenen Vorrichtung, bei der Magnetschleifen oder Magnetringe angewendet werden,

Fig.4B eine perspektivische Ansicht der Ausführungsform von F i g. 4A,

F i g. 5 eine weitere Ausführungsform der beschriebenen Vorrichtung zum Zerstäuben kleiner Targets,

Fig.6 und 6A weitere Ausführungsformen der beschriebenen Vorrichtung, bei denen die Orientierung des Flusses innerhalb der Felderzeugungsmagnete von der Orientierung in F i g. 3 verschieden ist,

F i g. 7 ein Diagramm zur Erläuterung der Schwierigkeit bei der Erzeugung entsprechender überkreuzter elektrischer und magnetischer Felder über einem magnetisch permeablen Target,

F i g. 8A eine weitere Ausführungsform der beschriebenen Vorrichtung zum Zerstäuben magnetisch perme-

■ abler Materialien,

F i g. 8B eine Darstellung einer elektrischen Analogschaltung ;sur Ausführungsform von F i g. 8A,

Fig.8C bis 8G Ausführungsbeispiele magnetischer Brücken für die Verwendung in der beschriebenen Zerstäubungsvorrichtung,

F i g. 9A eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der beschriebenen Vorrichtung, bei der die Magnetstruktur innerhalb der Katode liegt,

Fig.9B einen Schnitt der Ausführungsform von Fig.9A,

Fig. 10 einen Schnitt einer weiteren Ausführungsform der beschriebenen Vorrichtung, bei der über der Targetfläche ein nichtzerstäubender Plasmarücklaufweg vorgesehen ist,

Fig. 1IA eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der beschriebenen Vorrichtung, bei der in einer Ebene liegende Schleifen verwendet werden,

F i g. 11B einen Schnitt der Ausführungsform von Fig. HA,

Fig. 12 einen Schnitt einer weiteren Ausführungsform der beschriebenen Vorrichtung, bei der Hilfsmagnete zur Verstärkung des Feldes benutzt werden und

F i g. 13 eine weitere Ausführungsform der beschriebenen Vorrichtung.

In der in den F i g. 2 und 3 dargestellten Ausführungsform wird ein Magnetfeld mit Hilfe von Magnetblöcken 20 und 22 erzeugt, die jeweils aus mehreren sich überlappenden Streifen 24 bestehen; vorzugsweise besteht jeder Streifen aus orientierten, mit Ferrit imprägnierten Plastik- oder Kunststoffbändern. Zwischen den außenliegenden Enden 28 und 30 der Magnetblöcke ist vorzugsweise keine magnetische Verbindung vorgesehen. Das Feld zwischen den Flächen 34 und 36 ist stärker als dann, wenn die außenliegenden Enden mittels eines aus Stahl bestehenden (gestrichelt angegebenen) U-Bügels 32 verbunden wären. Das Feld ist insofern ein besonderes Feld, als es von der Mitte der Fläche 34 senkrecht durch den Raum zur Mitte der Fläche 36 nahezu vollständig konstant ist. In F i g. 3 ist zu erkennen, daß die die Flächen 34 und 36 verbindenden Kraftlinien stark angenähert parallel verlaufen und im wesentlichen vollständig zwischen Abschnitten des Feldes eingeschlossen sind, die zu den anderen Enden der jeweiligen Magnetblöcke zurückkehren. Aus diesem Grund liegt im wesentlichen eine feste Anzahl von Kraftlinien pro Flächeneinheit im gesamten Mittelraum vor. Das Ergebnis ist ein äußerst gleichmäßiges Feld in diesem Bereich. Sobald dieses Magnetflußband eingefangen ist, kann der Abstand zwischen den Magnetblöcken 20 und 22 ohne Änderung der Flußdichte (innerhalb Grenzen) vergrößert oder verkleinert werden. Die Magnete können sogar gekippt oder gebogen werden, so daß sich das in der Mitte verlaufende Kraftlinienmuster bogenförmig nach oben oder nach unten bewegt, ohne daß sich der Fluß merklich ändert. Die schützenden Flußrückkehrschleifen scheinen dieses Phänomen zu ermöglichen. Außerdem können Hüfsmagnete benutzt werden, wie im Zusammenhang mit F i g. 12 noch näher erläutert wird; diese Hüfsmagnete ermöglichen, daß ein größerer Anteil des in der Mitte verlaufenden Magnetflusses für das parallele Linienbündel verfügbar wird. Das eingefangene Band des Magnetflusses ermöglicht die Verwirklichung einer besonderen Verhaltensweise.

Ober der Oberfläche eines Targets 37 kann ein in einer Richtung verlaufender Plasmastrom erzeugt werden. Auf diese Weise wird der mittlere Targetbereich mit begrenzter Erosion eliminiert. Ferner können Ecken beseitigt werden, an denen keine Erosion auftritt, weil der gekrümmten Plasmastrom nicht in eine Ecke gelenkt werden kann. Es ergibt sich eine bis nahe 50% heranreichende Target-Ausnutzung, ohne daß das mit Hilfe der hier zu beschreibenden Vorrichtung erreichbare parallele gleichmäßige Feld angewendet wird. Mit dem parallelen gleichmäßigen Feld wird die Ausnutzung stark abhängig von der Befestigungsart des Targets; sie

ίο erreicht praktische Werte bis zu 90%. Das Target 37 kann in den Bereich des Bündels paralleler Linien eingeführt werden, und bis auf den festgeklemmten Teil wird das gesamte Target benutzt. Die Klemmvorrichtung kann eine Kühlung ergeben und dergleichen.

Anstelle der Magnetblöcke 20 und 22 können auch Schleifenmagnete 38 und 40 benutzt werden, wie in den Fig.4A und 4B dargestellt ist Dies ermöglicht es. die Schleifenmagnete 38,40 über ein gekühltes Target 42 zu schieben oder das Target durch die Magnete zu stecken.

Wenn das Target 42 bis zur Grenze erodiert ist, kann es relativ zum Magnet verschoben werden, damit frisches Target-Material zur Verfügung steht, wie in Fig.4A dargestellt ist Dies ermöglicht eine nahezu vollständige Ausnutzung des Targets, Außerdem kann am Boden der Kühlplatte 44 Target-Material angebracht werden. Die Schleifen 38 und 40 würden dann zur Erzeugung höherer Produktionsraten und eines höheren Wirkungsgrades eine Zerstäubung von oben und von unten ergeben. Der Energiewirkungsgrad wäre dann typi-

scherweise zwei- bis viermal größer als bei der herkömmlichen Magnetronkatode. In Ausführungsformen, in denen sowohl bei 42 als auch am Boden der Kühlplatte 44 Target-Material vorgesehen ist, kann die Kühlplatte für den Zweck der Anspruchsdefinitionen auch als Teil der Katode angesehen werden.

Wenn nur die obere Fläche zerstäubt wird, wie es in den F i g. 4A und 4B der Fall ist kann immer noch der herkömmliche Energiewirkungsgrad erhalten werden. Das Zerstäuben der Schleifenmagnete 38 und 40 wird mit Hilfe von Abschirmungen 48 verhindert, die auf Anodenpotential gehalten sind. Zum Einschließen der Elektronen im Plasma trägt eine auf Katodenpotential gehaltene Abschirmung 54 dort bei, wo die Orientierung der magnetischen Kraftlinien bezüglich der Oberfläche der Abschirmung 54 vorzugsweise 90° oder mehr beträgt Das Zerstäuben der oberen Innenflächen 56 und 58 der Magnete und der Abschirmung 54 wird im wesentlichen aufgrund des senkrechten Verlaufs der Kraftlinien bezüglich dieser Flächen verhindert Die

so Anode 60 erzeugt das erforderliche elektrische Feld in Rücklaufabschnitten der Plasmaschleife, während die (nicht dargestellte) Kammerwand oder eine andere Anodenvorrichtung über dem Target 42 dazu benutzt werden kann, das erforderliche elektrische Feld über dem Target 42 zu erzeugen, wobei die Anode 60 ein Stab sein kann, wie in F i g. 4A dargestellt ist.

Bei der obigen Schilderung ist allgemein von der Unterteilung des Katodenaufbaus in zerstäubende und nichtzerstäubende Abschnitte gesprochen worden. Bis zu einem brauchbaren Grad können die Fälle angegeben werden, in denen ein Zerstäuben auch bei Anwesenheit einer intensiven Plasmaentladung nicht in bedeutungsvollem Ausmaß auftritt Bei Fehlen von Drehmoment- und Zentrifugaleffekten reicht das Zerstäuben üblicherweise nicht über die Bereiche hinaus, in denen die Kraftlinien der Target-Oberfläche einen Winkel von etwa 90° oder mehr bilden.
Die räumliche Trennung zwischen dem Plasma und

der Target-Oberfläche kann ferner eine sehr feinfühlige Trennung zwischen zerstäubendem und nichtzerstäubendem Plasma ergeben. Wenn gemäß der hier zu beschreibenden Zerstäubungsvorrichtung ein parallel zur Target-Oberfläche verlaufendes Magnetfeld verwendet wird, so daß seine maximale Intensität in entsprechendem Abstand von der Target-Oberfläche liegt, ist eine Annäherung an nichtzerstäubende Bedingungen möglich. Das Plasma zeigt die Neigung, sich auf die Mitte der Zone des intensiven Feldes einzustellen. Wenn die mittlere freie Weglänge der Ionen aus dem Plasma, die gegen das Target beschleunigt werden, kurz im Vergleich zum Abstand vom Target ist, dann erreichen nur Ionen mit relativ niedriger Energie die Target-Oberfläche. Durch wiederholte Zusammenstöße haben die ionen den größten Teil ihrer von der Spannung hervorgerufenen Energie verloren. Wenn die Energie dieser Ionen unterhalb des Zerstäubungsschwellenwerts liegt, findet keine Zerstäubung statt. Zum Zerstäuben müssen einzelne aufprallende Ionen eine genügend große Energie besitzen, um einzelne Target-Atome aus der Target-Struktur herauszuschlagen. Wenn ihre Energie unter diesen Wert fällt, haben sie nur eine Heizwirkung und verursachen möglicherweise eine vergrößerte Elektronenemission. In einem Bereich, in dem beabsichtigterweise keine Zerstäubung stattfindet, sollte versucht werden

(a) alle auf Katodenpotential befindlichen Teile im Winkel von 90° oder mehr bezüglich der Kraftlinien zu halten, wie das an der Abschirmung 54 von F i g. 4A dargestellt ist, und

(b) einen großen Abstand bezüglich der mittleren freien Ionenweglänge der Teile vorzusehen, die nicht in diesen Winkel bezüglich der Kraftlinien verlaufen.

Das Vorsehen höherer Gasdrücke in diesen Bereichen bewirkt, daß diese Abstände weniger kritisch werden. In einem Tunnelsystem, wie es in Fi g. 4A dargestellt ist, bei dem das Plasma über die Oberseiten und Unterseiten des Targets verläuft, kann dies dadurch erzielt werden, daß das Zerstäubungsgas über den Tunnel gemäß Fig.4A eingeführt wird, wo an den Tunnel 63 über eine Leitung 65 eine Gasquelle 61 angeschlossen ist und das Gas von einer Pumpe 67 entfernt wird, die mit dem Raum über dem Target 42 verbunden ist Herkömmlicherweise sind die Gasquelle 61 und die Pumpe 67 außerhalb der den Aufbau von F i g. 4A enthaltenden Vakuumkammer angebracht. Das Einführen des Zerstäubungsgases in den Tunnel ergibt einen hohen Tunneldruck, während an den Zerstäu-

Drücke ermöglicht werden. Außerdem verhindert diese Maßnahme eine Verunreinigung des Plasmas mit targetfremden Ionen während des Durchlaufs durch den Tunnel, wenn es zur Targetoberfläche zurückkehrt

Außerdem ist es möglich, den Targetbereich wie in F i g. 5 einzuengen, so daß nur kleine Vorräte der teuren Target-Materialien bereitgehalten werden müssen. Wie in F i g. 5 dargestellt ist kann ein Target 62 mit kleinem Rauminhalt mittels eines Kühlglieds 64 zu seiner Zerstäubung festgehalten werden, wobei die magnetischen Kraftlinien im wesentlichen parallel zur gesamten Oberfläche des kleinen Targets verlaufen; zur Unterstützung der Einschließung des Plasmas sind auf Katodenpotential liegende Flächen 69 und 71 vorgesehen.

Angrenzend an das Target 70 kann der Magnetverlauf um 90° geändert werden, so daß das Feld von einem Ende des Magneten 66 ausgeht und dann über das Target zum Magneten 68 verläuft, wie F i g. 6 zeigt. Die 5 Orientierung der Magnete kann zu Winkeln verändert werden, die zwischen den in den F i g. 5 und 6 dargestellten Winkeln liegen. Sogar ein Auswärtskippen, bei dem der Abstand zwischen den oberen Teilen der Schleifenmagnete 66 und 68 kleiner als zwischen den unteren Abschnitten ist, kann eine wirksame Feldlenkung ergeben. Tatsächlich kann jedes der in den F i g. 2 bis 6 angewendeten Feldlenkungsverfahren benutzt werden. Durch Ändern der Richtung der Drehachse hat sich die Berücksichtigung dieser Probleme erübrigt. Es ist auch möglich, in einer Ebene zu verbleiben, wobei beabsichtigterweise ein leerer Mittelbereich auftritt.

Wie in Fig.6A zu erkennen ist, können die Schleifenmagnete 66 und 68 von F i g. 6 beispielsweise um 90° umgebogen werden, wie bei 71 und 73 dargestellt ist, wodurch das Target 70 unter der Steuerung durch eine Antriebsvorrichtung 75 durch das Zerstäubungsplasma 77 bewegt werden kann. Das Rücklaufplasma 79 ist von dem vom Target durchlaufenen Weg entfernt, so daß es kein Zerstäuben am Target hervorruft Dies steht im Gegensatz zur Ausführungsform von F i g. 6, wo sich das Target nicht bis unter die Schleifen 66 und 68 in das Rücklaufplasma erstrecken sollte, damit das Target nicht vom Zerstäubungsabschnitt des Plasmas über den Schleifen 66 und 68 und vom Rücklaufplasma zerstäubt wird.

Im Hinblick auf die magnetisch verstärkte Zerstäubung von magnetisch permeablen Materialien wird nun auf F i g. 7 Bezug genommen. Wenn ein permeables Target über den herkömmlichen Magnetstrukturen angebracht wird, verläuft der Fluß vorzugsweise durch das Target, und er erstreckt sich nicht durch über das Target zur Erzielung des erforderlichen Flußverlaufs über dem Target. Begrenzte Zerstäubungsraten konnten durch Verwendung eines sehr dünnen Target-Materials und/oder durch Anbringen dieses Target-Materials nur in der rennbahnartigen Fläche des Targets erzielt werden, was jedoch keine angemessene Lösung dieses Problems darstellt

Wenn angenommen wird, daß die in Fig.6 dargestellte Struktur mit einem permeablen Target 72 ausgestattet wird, ergibt sich das in F i g. 7 dargestellte Feldbild. Die hohe Permeabilität des Targets 72 bewirkt, daß der zuvor bogenförmig über dem Targetbereich verlaufende Fluß in das Target gezogen wird. Das parallele Feld in der kritischen Höhe von 0,3 bis 1,8 cm über der Targetoberfläche hat nahezu den Wert Null und nicht den typischerweise für die Aufrechterhaliung eines Plasmas notwendigen Wert von 80 bis 100 Gauss.

Die bisher beschriebenen Ausführungsbeispiele können nicht direkt dazu angewendet werden, eine mit hohen Energiewerten erfolgende Zerstäubung von Materialien mit hoher Permeabilität zu erzielen.

Die Permeabilität des Targets 72 kann als Leitfähigkeit für magnetische Kraftlinien angesehen werden. Der Magnetfluß verläuft nur dort wo er verlaufen will oder gezwungen ist zu verlaufen. Es erhebt sich somit die Frage, wie die Umgebung eines Targets 72 mit hoher Permeabilität so verändert werden kann, daß der Fluß oberhalb des Targets verlaufen muß und nicht in das Target eindringen kann. Die klassische Terminologie des Magnetismus ist weniger bekannt als die der Elektrizitätslehre. In Fig.8B ist eine elektrische

Schaltung dargestellt. Wenn ein elektrisches Feld vorhanden wäre, in das das Target 72 ohne wesentliche Störung des Feldes eingeschoben werden soll, müßte das Potential des Targets so eingestellt werden, daß es gleich dem Potential des Feldes an der Stelle ist, die das Target einnehmen soll. Es ist daher notwendig, das Target auf ein »magnetisches Potential« zu legen, das gleich dem magnetischen Potential in der Mitte zwischen dem Nordpol des Magneten 66 und dem Südpol des Magneten 68 liegt. Dies wird mit Hilfe von Magneten 74 und 76 erzielt, die den Fluß durch das »Meßgerät« (d. h. das Target 72) in der Brückenschaltung unterbricht, wo die Magnete vorzugsweise mit Hilfe von Polplatten 75 und 77 verbunden sind. Auf diese Weise wird über dem permeablen Target 72 ein Flußfeld erzeugt, das nahezu vollständig unempfindlich für die Anwesenheit des Targets ist, so wie die abgeglichene Brücke 78 von F i g. 8B unempfindlich für die Anwesenheit des Meßgeräts 80 ist

Dieses Verhalten kann auch so betrachtet werden, als würden die Flußwege vom Punkt A des Magneten 66 zum Punkt B des Magneten 74 und vom Punkt C des Magneten 68 zum Punkt D des Magneten 76 entfernt, ebenso wie gleiche elektrische Potentiale an den Punkten fund Fin der Brücke 80 das Fließen von Strom durch das Meßgerät 80 verhindern. Über die Breite des Targets 72 ist eine kleine Differenz des »magnetischen Potentials« vorhanden, so daß die Feldform über dem Target nicht ganz perfekt ist, doch ist die mittels der Magnetbrücke erzielte Verbesserung so deutlich, daß ein Zerstäuben von magnetisch permeablen Materialien möglich wird.

Für die Brücke von F i g. 8A sind viele Magnetanordnungen möglich. Dabei muß nur die Neigung des Flusses, durch das Target zu verlaufen, beträchtlich herabgesetzt werden. Es sei bemerkt, daß die unteren Magnete 74 und 76 den Rücklaufplasmaweg bilden können und nicht Teil der Rotations- und Erweiterungsfigur von Fig.8A sind. Anordnungen verschiedener bügeiartiger Kombinationen gemäß den F i g. 8C bis 8G können diese Doppelfunktion erfüllen oder wie in F i g. 8A erweitert und gedreht werden, oder Tunnelrücklaufwege umfassen oder dergleichen. Es sei bemerkt, daß das Polstück dieser Ausführungsformen, beispielsweise der von Fig.8C, weggelassen werden kann, wodurch die gegeneinandergerichteten Südpole der Magnete 66 und 74 dicht beieinander oder mit Berührung aneinandergehalten wurden. Außerdem sei bemerkt, daß sich der Rücklaufteil des Plasmas nicht vollständig um das Target zur Bildung eines Tunnelrücklaufs erstrecken muß. Er kann vielmehr so umgebogen sein, daß er zur Seite verläuft und wahlweise dicht bei der Zerstäubungsfläche zurückläuft, wobei das Umbiegen der Magnetiinien allgemein in bezug auf F i g. 6A angegeben wurde. Dies ermöglicht eine lange Gestalt der Targets und eine von den magnetischen Verhältnissen ziemlich unabhängige Targetbewegung.

Die Ausführungsformen mit dem Doppelfunktionsbügel scheinen zwar sehr einfach zu sein, jedoch ermöglichen sie das Zerstäuben von Materialien mit hoher Permeabilität Dabei sei bemerkt, daß das Target in den Ausführungsformen der Fig.8A bis 8G nicht permeabel sein muß.

Die obenerläuterten Grundsätze zur Erreichung einer magnetischen Bürckenschaltung, in der ein permeables Target angebracht ist, können auf die meisten, wenn nicht gar auf alle mit magnetischer Verstärkung arbeitende Zerstäubungsvorrichtungen angewendet werden, was unabhängig vom Ort der zur Erzeugung des Magnetfeldes im Zerstäubungsabschnitt des Plasmas verwendeten primären Magnetstruktur bezüglich der Target-Oberfläche gilt. Die zum Schließen der magnetischen Brückenschaltung hinter der Target-Oberfläche von der Hilfsmagnetstruktur erzeugten Kraftlinien können durch das permeable Target verlaufen, wie in F i g. 8A dargestellt ist.
In den Ausführungsformen der F i g. 2 bis 8 befindet

ίο sich das Target innerhalb des Magnetsystems. In de.n Ausführungsformen der Fig.9A und 9B liegen die Magnetschleifen 38 und 40 innerhalb eines endlosen, bandartigen Targets 82. Eine Anode 84 ist innerhalb der Magnetschleife angeordnet, damit die zur Erzielung der Plasmaeinschließung mittels gekreuzter Felder erforderlichen Spannungsbeziehungen erzeugt werden. Bei diesem System erfolgt das Zerstäuben nach innen. Auf Katodenpotential liegende (nicht dargestellte) Abschirmungen sollten an den Magnetinnenflächen angeordnet sein. Diese Abschirmungen zerstäuben wegen der senkrechten Kraftlinien nicht. Wenn das Target, nicht jedoch die Abschirmungen, entfernt wird, ist die verbleibende Struktur einem Magnetron-Vakuummeter sehr ähnlich. Diese Vorrichtung ist eine sehr wirksame Plasmafalle.

Es ist möglich, nur das untere Segment 86 des Targets zu benutzen. Daraus resultiert ein nach oben zerstäubendes System, bei dem das Plasma durch den offenen Raum über dem Target zurückkehrt, wie in Fig. 10 dargestellt ist Die Schleifen 38 und 40 können gekippt oder gebogen werden, damit sich an der Oberseite 88 eine größere öffnung ergibt so daß der Fluß des zerstäubten Materials nicht beeinträchtigt wird. Es ergibt sich eine Katode mit einem in einer Richtung erfolgenden Plasmafluß über das Target, jedoch ist kein Plasmatunnel unter dem Target erforderlich. Die Target-Halterung und die Katodenstruktur sind beträchtlich vereinfacht. In der Ausführungsform von Fig. 10 ist die Möglichkeit einer Plasmaverunreinigung stark herabgesetzt Der Rücklaufabschnitt 38, 40 kann unter dem Target 90 oder daran angrenzend gebogen sein, wobei das Umbiegen der Magnetlinien allgemein im Zusammenhang mit Fig.6A angegeben wurde. Außerdem können untere Hilfsmagnete 92 und 94 für die Verwendung bei Targets mit hoher Permeabilität verwendet werden. Die Anode 84 sollte an ihren Enden überkreuzt sein. Wahlweise können auch Polplatten 96 und 98 benutzt werden. Außerdem kann eine Kühlplatte 100 verwendet werden, die das Target 90 an Ürt und Stelle festhält

Die von der Magnetstruktur gebildeten Schleifen können auch so ausgestaltet sein, daß sie im wesentlichen in einer Ebene liegen, wie die Magnete 102 und 104 in den F i g. i i A und i i B zeigen. Das Targei 106 hat dabei die Form eines ebenen Rings, eines rechtwinkligen Rohrs, usw. Auch dieses System hat praktische Anwendungsmöglichkeiten. Das Target kann durch den Raum zwischen den Magnetringen 102 und 104 eingeführt werden.

Magnetkombinationen, wie sie in F i g 12 dargestellt sind, erscheinen dort wirksam, wo ein zusätzlicher Ringmagnet 108 unterhalb eines Spalts 110 bewirkt daß der Flußwert im Spalt höher als der bei den zwei Magnetschleifen 38 und 40 verfügbare Flußwert ist Wenn der Ringmagnet 108 nicht verwendet wird, können zusätzliche Innenringe 112 für magnetische Targets benutzt werden.

In Fig. 13 ist eine weitere Ausführungsform der

Zerstäubungsvorrichtung dargestellt, bei der Magnete 114 und 116 an beiden Seiten des Targets 120 wie in den anderen, oben erörterten Ausführungsformen angeordnet sind. Die von den Magneten 114 und 116 ausgehenden Kraftlinien verlaufen jedoch allgemein entgegengesetzt zueinander, und sie verlaufen durch das Target zu einem darunter angebrachten Magneten 118, wobei der Fluß im Magnet 118 allgemein senkrecht zur Target-Oberfläche verläuft. Bei der Ausführungsform von Fig. 13 wird die Parallelität des durch das Target verlaufenden Feldes von Magneten verstärkt, die an beiden Seiten des Targets angebracht sind.

Die erwünschte Gleichmäßigkeit der Magnetfeldstärke und die Parallelität des Magnetfeldes werden mit den Ferritmagneten erzielt, die oben beschrieben wurden, wobei Gummi- oder Kunststoffbänder, die mit orientierten Ferritteilchen imprägniert sind, besonders vorteilhaft sind. Die Anwesenheit dieser Teilchen, die in einem Bindematerial wie Gummi oder Kunststoff mit niedriger Permeabilität ein sehr starkes Magnetfeld erzeugen können, bewirkt offensichtlich die Erzeugung von Feldern mit den erforderlichen Eigenschaften. Außerdem ermöglichen mit orientierten Ferriten imprägnierte Kunststoffe mehrteilige Magnetsysteme, in denen es nicht notwendig ist, Verbindungen mit hoher Permeabilität vorzusehen. Tatsächlich führen Teile, wie Verbindungsplatten aus Stahl, häufig zu einer Beeinträchtigung der erzielten Flußwerte.

In vielen Ausführungsformen der beschriebenen Zerstäubungsvorrichtung können Ferritmagnete oder auch herkömmliche Magnete, beispielsweise ferromagnetische Alnico-Magnete ganz oder zum Teil verwendet werden, was jedoch selten mit der gleichen Zweckmäßigkeit und Ausführbarkeit wie bei den bevorzugten Materialien möglich ist. Auch Elektromagnete können benutzt werden, doch gelten für sie die gleichen Einwände. Auf jeden Fall werden die oben geschilderten Magnetvorrichtungen, z. B. Permanentmagnete oder Elektromagnete, vorzugsweise in den beschriebenen Ausführungsbeispielen verwendet, obgleich auch Magnetvorrichtungen wie Polplatten im Zusammenhang mit Magnetvorrichtungen verwendet werden können, wie sie anhand der F i g. 1A und 1B und weiteren Figuren der Zeichnung erläutert wurden.

Die in der beschriebenen Zerstäubungsvorrichtung verwendeten Magnetstrukturen können mit ebenen Katoden benutzt werden, die kreisförmig oder länglich sind. Längliche Katoden können rechtwinklig, elliptisch oder oval sein. Auch die ebene Katode kann ringförmig sein, wie Fig. 1IA zeigt. Die ebene Katode kann nicht geradlinige Abschnitte, beispielsweise konkave Abschnitte, aufweisen. Außer ebenen Katoden können auch zylindrische oder konische Katoden oder auch Katoden in Form eines endlosen Bandes benutzt werden. Beim Zerstäuben der Katode kann es vorkommen, daß eine ungleichmäßige Erosion eintritt. Trotzdem kann die Katode immer noch als ebene, zylindrische oder entsprechend ihrer ursprünglichen

ίο Form ausgebildete Katode betrachtet werden. Die Oberflächen der Katode können auch so profiliert werden, daß die Katode in den Bereichen der größten erwarteten Erosion dicker ist, wodurch das Target relativ gleichmäßig zerstäubt wird. Auch eine solche Katode ist als ebene, zylindrische, usw. Katode anzusehen, was von ihrer allgemeinen Gestalt vor ihrer Zerstäubung abhängt

Das zu zerstäubende Target-Material kann die Katode der Vorrichtung sein oder nicht Ist das

Target-Material nicht die Katode, dann kann es an der Katode mittels einer Klemme festgeklemmt werden, die den Klemmen gleicht, die fur die verschiedenen Ausführungsformen der Zerstäubungsvorrichtung dargestellt wurden, wobei die Klemme auch zum Festhalten der Katode innerhalb der Zerstäubungsvorrichtung benutzt werden kann.

Die obenerwähnte Anode wird üblicherweise als solche bezeichnet, da Zerstäubungssysteme typischerweise beim Anlegen eines Wechselstrompotentials

einen Gleichrichtereffekt zeigen. Obgleich der Ausdruck »Anode« benutzt wird, kann es sich dabei natürlich auch um eine andere äquivalente Elektrode im System handeln. Außerdem kann die Anode die Wand des Behälters der Zerstäubungsvorrichtung sein. Zwi-

sehen die Anode und die Katode können ein Gleichstrom, ein Niederfrequenz-Wechselstrom (60 Hz beispielsweise) oder ein industrieller HF-Strom mit beispielsweise 13,56MHz oder 27,12MHz angelegt werden. Zur HF-Isolierung ist die Anode fast stets die Behälterwand, wenn diese hohen Frequenzen benutzt werden, obgleich diese oft auch als Anode benutzt wird, wenn mit Gleichstrom gearbeitet wird.

Zu dem im System verwendeten Gas sei bemerkt, daß es sich dabei entweder um ein aktives oder ein inertes Gas handelt, was von der Art der gewünschten zerstäubten Schicht abhängt

Ferner sei bemerkt daß die Strukturprinzipien der hier beschriebenen Zerstäubungsvorrichtung auch auf das Zerstäubungsätzen angewendet werden können.

Hierzu S Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Zerstäubungsvorrichtung mit magnetischer Verstärkung, mit einer Katode, von der wenigstens ein Abschnitt mit einer Zerstäubungsfläche versehen ist, einer im Abstand von der Katode angebrachten Anode zur Erzeugung eines elektrischen Feldes zwischen der Katode und der Anode, und einer ersten und einer zweiten Magnetvorrichtung zur Erzeugung eines das elektrische Feld kreuzenden Magnetfeldes, das an wenigstens einem Teil der Zerstäubungsfläche ein Plasma erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der beiden Magnetvorrichtungen (20,22; 28,40; 66,68; 102,104) nur über oder seitlich der Zerstäubungsfläehe so angeordnet ist, daß bei annähernd gleichmäßiger Feldstärke auf einem beträchtlichen Teil der Strecke zwischen den beiden Magnetvorrichtungen wenigstens ein Teil der Kraftlinien des Magnetfeldes, ausgehend von der ersten Magnetvorrichtung (22, 40, 66,102), über die Zerstäubungsfläche durch die zweite Magnetvorrichtung (20, 38, 68, 104) verläuft

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der ersten Magnetvorrichtung (22, 40, 66, 102) angrenzend an eine Seite der Zerstäubungsfläche angeordnet ist und daß wenigstens ein Teil der zweiten Magnetvorrichtung (20, 38, 68,104) angrenzend an eine dieser Seite gegenüberliegenden Seite der Zerstäubungsfläche angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Magnetvorrichtungen Ferritmagnete sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ferritmagnete jeweils mehrere Schichten aus einem orientierten, mit Ferrit imprägnierten Band enthalten, von denen wenigstens eine eine der an sie angrenzenden Schichten zumindest teilweise überlappt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfluß in den beiden Magnetvorrichtungen (66, 68) im Winkel zu einer Ebene verläuft, die wenigstens einen Teil der Zerstäubungsfläche enthält, so daß die Kraftlinien im Bogen über die Zerstäubungsfläche verlaufen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfluß der beiden Magnetvorrichtungen im wesentlichen senkrecht zu der Ebene verläuft.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfluß der beiden Magnetvorrichtungen (20, 22; 38, 40; 66, 68; 102, 104) angenähert parallel zur Zerstäubungsfläche verläuft, so daß die Kraftlinien parallel zu der Zerstäubungsfläche gerichtet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Magnetvorrichtungen (38, 40; 66, 68) ringförmig sind und in verschiedenen Ebener angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der beiden ringförmigen Magnetvorrichtungen (66, 68) so gebogen ist, daß diese eine ringförmige Magnetvorrichtung wenigstens einen in einer Ebene liegenden Abschnitt und einen in einer anderen, bezüglich der einen Ebene geneigten Ebene liegenden zweiten Abschnitt aufweist.

10. Vorrichtung nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebenen im wesentlichen parallel zueinander verlaufen.

11. Vorrichtung nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäubungsfläche zwischen den beiden ringförmigen Magnetvorrichtungen (38, 40) angeordnet ist

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (75) zum relativen Bewegen der Zerstäubungsfläche zwischen den beiden Magnetvorrichtungen (38,40) in einer dritten Ebene, die zwischen den beiden ringförmigen Magnetvorrichtungen enthaltenden Ebenen angeordnet ist

13. Vorrichtung nach Ansprache, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäubungsfläche in den offenen Räumen der beiden ringförmigen Magnetvorrichtungen (66, 68) so angeordnet ist, daß ein erster Abschnitt der Plasmaschleife die Zerstäubungsfläche zersiäubt und ein Rücklauf abschnitt der Plasmaschleife unterhalb der Seite der Katode verläuft, die der Zerstäubungsfläche gegenüberliegt, damit das Plasma zum ersten Abschnitt zurückgeführt wird.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Rücklaufabschnitt der Plasmaschleife genügend weit von der Zerstäubungsfläche gegenüberliegenden Seite der Katode entfern* ist, damit diese Seite nicht zerstäubt wird.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (61) zum Einführen eines ionisierbaren Zerstäubungsgases in die Vorrichtung an der Stelle, wo der Rücklaufabschnitt der Plasmaschleife unterhalb der entgegengesetzten Seite der Katode verläuft.

16. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Seite der Katode, die der Zerstäubungsfläche gegenüberliegt, ebenfalls mit einer zweiten Zerstäubungsfläche über wenigstens einen Teil davon versehen ist, die vom Rücklaufabschnitt der geschlossenen Plasmaschleife zerstäubt wird.

17. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Kühleinrichtung (44) zum Kühlen und Halten der Katode.

18. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Hilfsmagnetvorrichtung auf der Seite der Katode, die der Zerstäubungsflächs gegenüberliegt, wobei die Hilfsmagnetvorrichtung das Magnetfeld zwischen den beiden Magnetvorrichtungen verstärkt.

19. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (75) zum relativen Bewegen der Zerstäubungsfläche bezüglich der offenen Räume.

20. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ringförmigen Magnetvorrichtungen (38, 40) so über der Zerstäubungsfläche angeordnet sind, daß ein erster Abschnitt der geschlossenen Plasmaschleife die Zerstäubungsfläche zerstäubt und ein Rücklaufabschnitt der Plasmaschleife ebenfalls über der Zerstäubungsfläche verläuft, wobei der Rücklaufabschnitt der Plasmaschleife das Plasma zu dem ersten Abschnitt zurückführt.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte (30, 41) der beiden Magnetvorrichtungen (38, 4Ci), die der

Zerstäubungsfläche am nächsten liegen, enger beieinander als ihre entgegengesetzten Abschnitte liegen, damit das Wegführen des zerstäubten Materials von der Zerstäubungsfläche erleichtert wird.

2Z Vorrichtung nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Katode (82) ringförmig ist, daß sich die Zerstäubungsfläche uir« wenigstens einen Abschnitt der Innenfläche der Katode erstreckt und daß die beiden Magnetvorrichtungen (38, 40) in der Nähe der gegenüberliegenden offenen Enden der ringförmigen Katode angeordnet sind, so daß die geschlossene Plasmaschleife zumindest teilweise um die Zerstäubungsfläche verläuft

23. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Magnetvorrichtungen (102, 104) ringförmig sind und konzentrisch in einer Ebene verlaufen.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Katode (106) ringförmig ist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (75) zum relativen Bewegen der ringförmigen Zerstäubungsfläche zwischen den beiden Magnetvorrichtungen.

26. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäubungsfläche aus magnetisch permeablem Material besteht und daß eine weitere Magnetvorrichtung (74,76) vorgesehen ist, die ein zweites Magnetfeld erzeugt, das bezüglich des ersten Magnetfeldes und der Zerstäubungsfläche so verläuft, daß die Neigung des ersten Magnetfeldes, die magnetisch permeable Zerstäubungiiläche zu durchdringen, wesentlich reduziert wird.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Magnetfelder an gegenüberliegenden Seiten der Zerstäubungsfläche angeordnet sind.

28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftlinien der beiden Magnetfelder im wesentlichen parallel zueinander verlaufen.

29. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäubungsfläche aus magnetisch permeablem Material besteht und daß wenigstens ein Teil der Kraftlinien des Magnetfeldes durch das magnetisch permeable Material verläuft.