DE3136515A1 - "zerstaeubungsvorrichtung und zerstaeubungsverfahren" - Google Patents

Description

Patentanwälte j "*: * · »^l

Dipl.-lng. Dipl.-Chem. Dipl -Ing.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsberger strasse 19

8 München 60

.15. Setpebmer 1981 Vac-Tec Systems/ Inc.
2590 Central Avenue
Boulder, Colorado 80301 /V.St.A.

Unser Zeichen: V 756

Zerstäubungsvorrichtung und Zerstäubungsverfahren

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zerstäubungsvorrichtung, in der eine eigene Plasmaquelle oder dergleichen angewendet werden kann, sowie auf verschiedene Zerstäubungsverfahren, die mit Anwendung einer Plasmaquelle arbeiten.

In gewissen bekannten Zerstäubungssystemen werden getrennte Ionenquellen benutzt, die schwerwiegende Einschränkungen hinsichtlich der Stromdichte aufweisen und die in einem Bereich von Gasdrücken, der in den meisten gewünschten Ablauffolgen der Vakuumverarbeitung, bei Reinigungs- und Beschichtungsvorgängen angewendet wird, nicht mit bestem Wirkungsgrad eingesetzt werden können. Diese und weitere Probleme der bekannten Systeme werden bei Anwendung der Erfindung beseitigt.

Mit Hilfe der Erfindung sollen ein Zerstäubungsverfahren und eine Zerstäubungsvorrichtung geschaffen werden, bei denen eine verbesserte, von einem Magnetron gebildete Plasmaquelle verwende¹-

wird. Außerdem soll mit Hilfe der Erfindung eine verbesserte Magnetron-Plasmaquelle geschaffen werden. Bei dem mit Hilfe : der Erfindung zu schaffenden Verfahren kann die Magnetron-Plasmaquelle angewendet werden; dabei handelt es sich beispielsweise um das selektive Beschichten von Substraten unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit, das Reinigen von Substraten, die Wiedergewinnung teurer oder gefährlicher Beschichtungsmaterialien, das Heizen mit geringem Verlust in der Heizquelle, das Zerstäuben mit reaktionsfähigen Ionen, das Sensibilisieren oder Ladungsneutralisieren sowie das Pumpen von aktiven Gasen.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels einer Ionenquelle nach der Erfindung,

Fig. 2a bis 2c Querschnitte von Ausführungsbeispielen von Plasmaquellen nach der Erfindung,

Fig. 3a bis 3e und 4a bis 4c schematische Darstellungen von Plasmaquellen zur Erläuterung unterschiedlicher öffnungswinkel,

Fig. 5a bis 5w sowie 6a und 6b schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsbeispiele von Plasmaquellen zur Erzielung einer geschlossenen Plasmaschleife,

Fig. 7a bis 7d

schematische Darstellungen zur Erläuterung von Faktoren, die bei der Erhitzung der Generatoranode einer Plasmaquelle von Bedeutung sind,

Fig. 8 einen Schnitt einer Plasmaquelle nach der Erfindung,

Fig. 9 eine schematische Darstellung der Erzeugung unterschiedlich starker Magnetfelder in einer Plasmaquelle,

Fig. 10 .eine schematische Darstellung der Bildung unerwünschter geschlossener Magnetfeldschleifen in einer Plasmaquelle,

Fig. 11 eine schematische Darstellung einer Plasmaquelle, bei der das in Fig. 10 veranschaulichte Problem vermieden wird,

Fig. 12a bis 12d

Schnitte zur Erläuterung der Verwendung von Elektromagneten in der Plasmaquelle,

Fig. 13 bis 15

schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen, in denen eine Plasmaquelle zur Targetzerstäubung benutzt wird.,

Fig. -16 und 17

schematische Darstellungen zur Erläuterung von Ausführungsbeispielen, bei denen eine Plasmaquelle zur Substratreinigung benutzt wird,

Fig. 18 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels zur Zerstäubung eines elektrisch nicht leitenden Targets,

Fig. 19 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines ■ Ausführungsbeispiels zum Zerstäuben eines nicht leitenden Targets unter Verwendung einer einzigen Gleichstrom-Versorgungsquelle,

Fig. 20 einen Schnitt einer kombinierten Plasma- und Zerstäu-. bungsquelle,

Fig. 21 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels zur Reinigung und zur Beschichtung eines Substrats mittels einer einzigen Quelle,

Fig. 22 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels zum Pumpen aktiver Gase,

Fig. 23 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Heizquelle,

Fig. 24 einen Schnitt eines Ausführungsbeispiels für 360°-Beschichtungen,

Fig. 25a und 25b

perspektivische Darstellungen einer herkömmlichen Penning-Zelle bzw. einer invertierten Zelle nach der Erfindung.

.Es wird nun auf die Zeichnung Bezug genommen, in der gleiche Bezugszeichen für gleiche Teile verwendet sind.

In Fig.1 ist eine Zerstäubungsionenquelle 10 nach der Erfindung im Schnitt dargestellt, die positiv geladene Ionen 12 ausstößt. Die Schnittansicht dieses Ausführungsbeispiels kann wie auch bei anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung die Ansicht einer kreisförmigen, einer ovalen oder einer rechtwinkligen

Quelle sein. Die Ionen 12 können gegen ein Element 14 gerichtet sein, das aus einem oder mehreren zu reinigenden Substraten oder aus einem oder mehreren zu zerstäubenden oder zu ätzenden Target bestehen kann.

Diese oder weitere Anwendungsfälle werden unten noch genauer erläutert.

Die Ionenquelle 10 enthält eine Magnetron-Plasmaquelle 16, die ein bei 18 angegebenes Plasma erzeugt, das das Plasma eines inerten Gases wie Argon, eines aktiven Gases wie Sauerstoff oder Stickstoff oder einer Gasmischung sein kann;.der Druck ist dabei sehr niedrig, wie es für solche Anwendungsfälle typisch ist. In Magnetron-Vorrichtungen werden sich kreuzende elektrische und magnetische Felder erzeugt, die die Ionisierung eines einen niedrigen Druck aufweisenden Gases wie Argon verbessern, wie es im Zusammenhang mit Magnetron-Zerstäubungsvorrichtungen bekannt ist. Das elektrische Feld wird zwischen einer .Generatoranode 20 (die rohrförmig sein kann, damit ein .Kühlmittel hindurchgeleitet werden kann) und einer Generatorkatode aus zylindrischen Flächen 22 und 24 erzeugt. Das Magnetfeld wird durch innere Magnetringe 26 und durch äußere Magnetringe 28 erzeugt, die von Permanentmagneten oder von Elektromagneten gebildet sein können, wie später noch erläutert wird. Die Richtung der Flußlinien innerhalb der Magnete 26 und 28 kann so verlaufen, wie durch Pfeile angegeben ist; auch in den anderen Figuren der Zeichnung werden für diesen Zweck Pfeile verwendet.

Aufgrund der Anordnung der Anode 20 auf einer Seite des Plasmas wird das Plasma aus dem offenen Ende 50 der Quelle 16 ausgestoßen; Diese Struktur kann als .inverses Magnetron bezeichnet werden. Des herkömmliche Magnetron fängt Elektronen nahe bei der Katode durch

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Verwendung sich kreuzender magnetischer und elektrischer Felder ein. Im inversen Magnetron werden die Elektronen aufgrund des gleichen Mechanismus nahe der Anode eingefangen, in beiden Fällen erhalten die eingefangenen Elektronen größere Möglichkeiten, durch Kollision mit Gasmolekülen positive Ionen zu erzeugen. Im herkömmlichen Magnetron können die Ionen vom Potential abgezogen und durch den Spannungsgradienten in die Katodenfläche beschleunigt werden. Da die eingefangenen Elektronen bei ihren Ionisierungsstößen Energie verlieren,werden ■ sie vom gekreuzten Feld weniger stark festgehalten, und sie gehen schließlich in das Systemplasma und zur Anode verloren. Im inversen Magnetron können sich die Elektronen frei von der Katode wegbewegen, die in den meisten Fällen ihr Ursprungsort ist, jedoch werden sie.vom Kreuzfeld nahe bei der Anode eingefangen. Dadurch werden Ionen aufgrund von Zusammenstößen zwischen Elektronen und Gasmolekülen sehr nahe bei der Anode erzeugt und somit kräftig von der Anode abgestoßen. Die Austrittsstelle der Plasmaquelle liegt der Anode gegenüber, so daß diese Ionen entweichen können.

Am offenen Ende der Quelle kann eine Kollektorelektrode 30 angebracht werden, die positiv vorgespannt ist, damit Elektronen aus dem Plasma herausgezogen werden können, so daß ein mit positiven Ionen angereicherter Strom geladener Teilchen aus der Quelle 10 ausgestoßen wird. Eine negative Vorspannung der Kollek-•torelektrode 30 zieht dagegen positive Ionen aus dem ausgestoßenen Plasma, so daß die Quelle 10 in eine Elektronenquelle umgewandelt wird. Wird die Kollektorelektrode 30 nicht angeschlossen oder entfernt, bleibt das ausgestoßene Plasma unbeeinflußt. Eine elektrische Isolierung der Katoden 22 und 24 von der Kollektorelektrode 30 und anderen an eine Vorspannung gelegten Flächen wird durch Isolatoren 32 bis 38 bewirkt.

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Wenn eine Zerstäubung der Generatorkatodenflächen 22 und 24 überhaupt auftritt, bleibt sie sehr gering, da die magnetischen Kraftlinien im wesentlichen senkrecht zu diesen Flächen verlaufen. Allgemein gilt, daß wenigstens ein Hauptteil der Kraftlinien in einem Winkel von 45° oder mehr verlaufen soll, wenn eine Zerstäubung dieser Flächen nicht erwünscht ist. Die Zerstäubung kann auch dadurch herabgesetzt werden, daß Kohlenstoff oder ein Kohlenstoffverbindungsmaterial oder dergleichen verwendet wird. Zur Verbeserung der Elektronenemission aus den Katodenoberflächen können zur Verstärkung der Plasmabildung auch Oxidüberzüge verwendet werden.

In den in den Figuren 2a bis 2c dargestellten Ausführungsbeispielen enthält die Generatorkatode 23 Katodenflächen 22 und 24, die mittels einer Platte 40 verbunden sind. Die Generatoranode ist in der Mitte der Katode angeordnet, so daß sie im wesentlichen diejenigen Bereiche der Platte 40 abschirmt, in denen die magnetischen Kraftlinien nicht senkrecht verlaufen. Somit wird ein Zerstäuben der Platte 40 im wesentlichen vermieden. Das Plasma wird folglich wie in der Ausführungsform von Fig. 1 vom offenen Ende 50 der Katode ausgestoßen, da die Anode auf der einen Seite des Plasmas angeordnet ist. Eine (nicht dargestellte) Kollektorelektrode kann entweder Elektronen oder positive Ionen aus dem Plasma entnehmen, wie oben im Zusammenhang mit der Kollektorelektrode 30 erläutert wurde.

In der Ausführungsform von Fig. 2a wird ein Rahmen 42 aus magnetisch permeablem Material verwendet, der dazu beitragen kann, die Bildung geschlossener Magnetlinienschleifen über den Flächen 22 und 24 zu verhindern, die die Neigung zur Zerstäubung dieser Flächen ergeben würden. Wie aus Fig. 2b ersichtlich ist, wird der Rahmen 42 wahlweise verwendet. In Fig. 2c erzeugt ein einzelner Magnet 44 zusammen mit Rahmenpolstücken 46 und 48 aus magnetisch permeablem Material das

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erforderliche Feld, das im wesentlichen senkrecht zu den Katodenflächen 22 und 24 verläuft.

In den Ausführungsformen der Figuren 1 und 2 sind die Katodenflächen 22 und 24 gegeneinandergerichtet. Dies ist in Fig. 3a schematisch dargestellt. Insbesondere ist dabei der Winkel zwischen den Katodenflächen 22 und 24 mit 0° angegeben. Wie aus den Figuren 3a.bis 3e hervorgeht, kann sich der Winkel zwischen den Katodenflächen zwischen 0° und 360° ändern. Die Figuren 3b.bis 3e zeigen Winkel von 90°, 180°, 270° bzw. 360° zwischen den Katodenflächen, wobei natürlich auch jeder andere Winkel angewendet werden kann..In den Anordnungen von Fig. erweitert sich das offene Ende 50 der Plasmaquelle, so daß in den Ausführungsbeispielen der Figuren 3b bis 3e das Plasma unmittelbar über einen weiteren Winkelbereich ausgestoßen wird.

Wie in den Figuren 4a bis 4c dargestellt ist, kann sich der Winkel zwischen den Katodenflächen. 22 und 2.4 auch über negative Winkel von 0° bis -360? ändern, wobei in den Figuren 4b und 4c Anordnungen mit -90° bzw. -180° dargestellt" sind. Dabei ist auch die Generatoranode 52 zu beachten, die im Gegensatz zur rohrförmigen Generatoranode 20 der Ausführungsbeispiele nach Fig. 3 als Platte ausgebildet ist. In manchen Fällen ist die Generatoranode 52 wirksamer bei der Verhinderung der Zerstäubung der Platte 40, da sie die Oberfläche dieser Platte vollständiger abdeckt, wie Fig. 4a zeigt.

Bei der Beschreibung der Figuren 1, 2, 3 und 4 sind die Katodenflächen 22 und 24 als leitend und als elektrisch miteinander verbunden angenommen worden. Es ist jedoch auch möglich, eine Katodenfläche durch einen Isolator oder eine sowohl von der Anode als auch von der Katode isolierte leitende' Fläche zu ersetzen. Bei einer solchen Struktur tritt nach Beginn

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der Entladung die Sättigung bei einem etwas geringeren Energiewert als zuvor ein, jedoch bleibt die Anordnung im übrigen unbeeinflußt. Da sich Elektronen frei längs der Magnetfeldlinien bewegen können, strömen sie von der tatsächlichen Katodenfläche zu dieser isolierten "Pseudokatodenflache", bis diese eine genügend große negative Ladung angenommen hat, um den Zustrom weiterer Elektronen zurückzustoßen. Das Potential, bei dem dies eintritt, ist im wesentlichen gleich dem Potential der echten Katodenfläche." Diese automatisch aufgeladene "Pseudokatodenflache" ist nicht an das Energieversorgungssystem angeschlossen, und sie ist keine Katode im tatsächlichen Sinne, jedoch dient sie als eine negativ geladene Grenze für einen weiteren Elektronenfluß. Die Grundsätze der "Pseudokatode" können noch erweitert werden. Wenn eine andere Elektronenquelle j beispielsweise ein Heizdraht 23a oder eine Beta-Teilchenquelle, verwendet wird, könnte die Ionen- und Plasmaabgabe nur mit der Elektronenquelle als echter Generatorkatode aufrechterhalten werden, d.h. daß beide Katodenflächen 22 und 24 "Pseudokatodenflachen" wären. Solche Flächen können den elektrostatischen Anteil des gekreuzten Feldes erzeugen,' jedoch können sie nicht die Elektronenzufuhrfunktion der Katode ausüben.

In der Ausführungsform von Fig. 1 ist eine eine geschlossene Schleife bildende Plasmabahn angegeben, bei der das Plasma rund um die ringförmige (oder ovale) Plasmaquelle 16 in einer im wesentlichen"parallel zur Ebene der .Generatoranode 20 verlaufenden Ebene zirkuliert, wobei sich das Plasma links der durch die strichpunktierte Linie 51 angegebenen Symmetrieebene zwischen den Katodenflächen 22 und 24 in die (oder aus der) Zeichenebene bewegt, während sich das Plasma auf der anderen Seite der Schleife rechts der Symmetrieebene 51 zwischen den Katodenflächen 22 und 24 aus der (oder in die) Zeichenebene bewegt. In den Anordnungen der Figuren 2, 3 und

sind Querschnitte der Plasmaguelle dargestellt, die der- linken (oder rechten) Hälfte der Anordnung von Fig. 1 entsprechen können. Das bedeutet, daß Vorkehrungen getroffen werden können, die Plasmaschleifen in den Anordnungen der Figuren 2 bis 4 so zu vervollständigen, wie dies in Fig. 1 angegeben ist. Durch Vervollständigen des Plasmaschleifenverlaufs wird der Verlust an ionisierenden Elektronen, die von der Generatorkatode 23 erzeugt werden, auf ein Minimum herabgesetzt, so daß die Wirksamkeit der Quelle verbessert wird. In geeigneten Fällen kann jedoch auch eine Streifenquelle verwendet werden, deren Querschnitt beispielsweise anhand der Figuren 2 bis 4 veranschaulicht ist, bei der die Plasmaschleife nicht geschlossen ist.

In den Figuren 5a bis 5v sind verschiedene Anordnungen dargestellt, die zeigen, wie eine geschlossene Plasmaschleife bewirkt werden kann. In den Ausführungsbeispielen der Figuren 5a bis 5d verlaufen die Katodenflächen im Winkel von 0° zueinander; sie entsprechen somit der Ausführungsform von Fig. 3a. In Fig. 5a sind die gegenüberliegenden Zweige der Quelle voneinander weggerichtet, während sie in Fig. 5b nach oben gerichtet sind; in Fig. 5c sind sie aufeinander zu gerichtet, und in Fig. 5d sind sie gegeneinander geneigt.

Es sei bemerkt, daß in den Figuren 5c und 5d die kreisförmigen Enden ovaler Plasmaquellen entfernt werden können. D.h., daß zwei getrennte Streifenquellen benutzt werden. In Fig. 5c sind somit die Bauelemente einer der Streifenquellen 53 mit ungestrichenen Bezugszeichen gekennzeichnet, während die Bauelemente der anderen Streifenquelle 53' mit gestrichenem Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Es ist zu erkennen, daß das Plasma aus der Quelle 53 teilweise in die Quelle 53' eingespeist wird und umgekehrt. Diese kreuzweise Plasmazufuhr erscheint eine Plasmaschleife zu ergeben, die in der Zeichenebene entsteht.

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Die Wirksamkeit der Anordnung von Fig. 5c bleibt somit im wesentlichen gleich, ob die Enden der Streifenquellen 53 und 53' nun zur Bildung einer ovalen Quelle verbunden werden oder nicht. Allgemein gilt_r daß es nur notwendig ist, daß ein Teil des Plasmas aus einer Streifenquelle (oder einem Kanal) in die andere Streifenquelle (oder Kanal) fließt.

Bezüglich der Plasmaquelle 53 wirkt die Anode 20· der Quelle 53' als Elektronenkollektor, wie dies auch bezüglich der Anode für die Quelle 53' gilt. Das von den Quellen 53 und 53' ausgestoßene Plasma ist reich an positiven Ionen. Die obigen Bemerkungen gelten immer dann, wenn die Streifenquellen aufeinander zu gerichtet sind. Typische Anordnungen, in denen getrennte Streifenquellen gegeneinander gerichtet sind, sind auch in den übrigen Ausführungsbeispielen der Fig. 5 dargestellt, wobei ungestrichene Bezugszeichen für eine Seite der Quelle und gestrichene Bezugszeichen für die andere Seite der Quelle benutzt sind. Wenn getrennte Streifenquellen benutzt werden, fehlen die die gegenüberliegenden Seiten der Quelle verbindenden gestrichelten Linien, die in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen dargestellt sind.

In den Figuren 5e bis 5i sind verschiedene Plasmaquellen dargestellt, die erkennen lassen, wie die Plasmaschleife bei Verwendung der 90°-Quelle von Fig. 3b geschlossen werden kann. Fig. 5e. zeigt eine bevorzugte Ausführungsform zur Erzeugung eines Plasmas, das reich an positiven Ionen ist. Es sei bemerkt, daß beim Ausstoßen von Ionen aus der Quelle 55 von Fig. 5e einige dieser Ionen gegen die Katodenflächen 22' und 24' der Quelle 55'· gerichtet werden', so daß diese Flächen zerstäubt werden. Das Zerstäuben dieser Flächen kann in manchen Anwendungsfällen wünschenswert sein, wie noch beschrieben wird, Wenn das Zerstäuben jedoch vermieden werden soll, ist die in Fig. 5g dargestellte Anordnung vorzuziehen.

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Die in den Figuren 5j bis 5n dargestellten Ausführungsbeispiele zeigen, wie die Plasmaschleife bei einer Quelle nach Fig. 3c geschlossen werden kann; die Figuren 5o bis 5r zeigen, wie die Plasmaschleife bei einer Quelle nach Fig. 3e geschlossen werden kann; die Figuren 5s bis 5v zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele zum Schließen der Plasmaschleife bei einer Quelle nach Fig. 3d. Fig. 5w zeigt ein Ausführungbeispiel zum Schließen der Plasaschleife bei einer Plasmaquelle, deren Katodenflächen 22 und 24 im Winkel von 135° zueinander verlaufen.

Es sind auch Mischanordnungen möglich, wie in den Figuren 6a und 6b gezeigt ist. Fig. 6a zeigt eine Mischanordnung, bei der ein Schenkel der geschlossenen Schleife der Quelle von Fig. 3d entspricht, während der andere Schenkel der Quelle von Fig. 3b entspricht; in Fig. 6b entspricht" ein Schenkel der Quelle von Fig. 3a, und der andere Schenkel entspricht dem Schenkel einer Quelle, bei der die Katodenflächen 22 und 24 in einem Winkel von etwa 60° zueinander verlaufen.

Bei diesen Ausführungsbeispielen, bei denen, wenn überhaupt,-nur eine geringe Zerstäubung der Generatorkatode 23 erfolgt, tritt nur eine sehr geringe Erwärmung der Katode auf. Die Erwärmung der Generatoranode kann ebenfalls auf ein Minimum herabgesetzt werden. Die Erwärmung der Anode ergibt sich typischerweise dadurch, daß energiereiche Elektronen auf sie aufprallen. In einer mit gekreuztem Feld arbeitenden Vorrichtung bedeutet dies, daß das Magnetfeld die Elektronen nicht angemessen einfängt. Wenn das Magnetfeld genügend stark ist, kann das Problem gewöhnlich auf Kraftlinien zurückgeführt werden, die an der Katode beginnen und an der Anode enden, wie in Fig. 7a bei D dargestellt ist. Wo sich ein ausgestoßener Selektron frei längs einer Kraftlinie, nur durch elektrostatische Größen begrenzt, bewegen kann, wird es einfach von der Katode zur Anode

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beschleunigt. Diesernahezu unmittelbare Elektronenverlust hindert diese Elektronen daran, als wirksame Plasmageneratoren aufzutreten, und diese Elektronen geben ihre Energie an die Anode ab. Wie die Figuren 7b und 7c zeigen, wird dieses Problem dadurch vermindert, daß die Anode so geformt und/oder angeordnet wird, daß sie von der Katode ausgehende Kraftlinien mit Ausnahme sehr kurzer Strecken nicht schneidet. In diesen Figuren verlaufen die Kraftlinien, die auf die Anode auftreffen, vorzugsweise nicht mehr als 0,16 mm von der Katode und allgemein nicht mehr als 0,32 mm von der Katode. In Fig. 7d tritt ebenfalls eine Erwärmung auf, die von Elektronen verursacht wird, die sich längs des mit Pfeilen angegebenen Wegs entlang den Kraftlinien von der Katode zur Anode bewegen können. Es ist eine entsprechen den obigen Überlegungen konstruierte Quelle geprüft worden, und es ist gezeigt worden, daß eine vollkommen aus Edelstahl bestehende Vakuumkammer beträchtlich erwärmt werden konnte, ohne daß die Quelle. 16 heiß wurde. Der dabei angezeigte Energieüber-'tragungswirkungsgrad erschien ziemlich hoch zu sein. Wie bezüglich Fig. 23 unten noch genauer erläutert wird, können Gegenstände unter Verwendung der Plasmaquelle nach der Erfindung mit geringem Wärmeverlust in der Quelle erwärmt werden.

In Fig. 8 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das die Merkmale der Ausführungsformen der Figuren 7b und 7c enthält und das an die Ausführung von Fig. 5f angenähert ist. Ein ring- oder ovalförmiger Magnet 52 ist an seinem unteren Abschnitt durch ein T-förmiges Kopplungsstück aus magnetisch permeablem Material (beispielsweise aus Stahl} verbunden, dessen vertikaler Schenkel 57 zwischen die Katodenflächen 24 und 24a ragt. Die magnetischen Kraftlinien haben den angegebenen Verlauf. Fig. 8 zeigt, daß viele weitere Variationen der Ausführungsformen der Figuren 3 bis 5 möglich sind.

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Fig. 9 zeigt, wie die magnetischen Elemente abgewandelt werden können. Zusätzlich zu den Magneten 26 und 28 können auch Magnete 56 und 58 benutzt werden, wobei abhängig vom Anwendungsfall die von den Magneten 56 oder 58 erzeugte Feldstärke größer oder kleiner als die von den Magneten 26 oder 28 erzeugte Feldstärke sein kann. Unabhängig von der speziellen Ausgestaltung der magnetischen Elemente hält das gekreuzte Feld die Generatorelektronen davon ab, die Anode zu erreichen, bis sie praktisch ihre gesamte Energie infolge von Zusammenstößen mit Gasatomen verloren haben.'Je stärker das Magnetfeld ist, desto höher kann die Energie des Elektrons sein, das eingefangen werden kann, und desto niedriger ist die Energie, die das Elektron erreichen muß, damit es zur Anode entweichen kann. Die Feldstärke, die ein Einfangen des die volle Energie aufweisenden Elektrons (mit der maximal gewünschten Betriebsspannung) ermöglicht und die die Abgabe der Elektronen an die Anode nur dann zuläßt, wenn die Elektronen nicht mehr als besonders effektive Ionisatoren wirken, ist die höchste erwünschte Feldstärke. Ein stärkeres Feld kann nichts Zusätzliches einfangen, und es hält Elektronen zu weit jenseits ihres Auslösewerts, was nur zu einer Zunahme der Raumladung führt.

Wie oben im Zusammenhang mit Fig. 2a erläutert wurde, können die Magnete 26 und 28 von Fig. 10 und die Katodenflächen. 22 und 24 so miteinander in Beziehung stehen, daß geschlossene magnetische Feldlinienschleifen A entstehen, unter denen ein Zerstäuben der Katodenflächen 22 und 24 stattfinden kann. In der Ausführungsform von Fig. 2a wird dies ebenso wie in der Ausführungsform von Fig. 11 korrigiert, wo die äußeren Abschnitte der Magnete 26 und 28 so geformt sind, wie bei 60 bis 66 angegeben ist, damit die geschlossenen Feldlinienschleifen A von den .Katodenflächen 22 und 24 entfernt, über diesen Flächen erzeugt werden.

Wie oben angegeben wurde, kann das Magnetfeld in der Ionenquelle durch Permanentmagnete oder durch Elektromagnete erzeugt werden. In den Figuren 12a bis 12d sind verschiedene Anordnungen dargestellt, in denen Elektromagnete benutzt werden. In Fig. 12a, die allgemein Fig. 2c entspricht, sind die magnetisch permeablen Polplatten 46 und 48 an gegenüberliegenden Enden des Elektromagneten 68 angebracht, der auf einen magnetisch permeablen Kern 70 gewickelt ist.

Die Aus führungs formen der Figuren 12b und '12c entsprechen allgemein der Ausführungsform von Fig. 3b; in Fig. 12b stehen Elektromagnete 72 und 74 mit Polplatten 76 und 78 in Kontakt, damit das Magnetfeld der Ionenquelle erzeugt wird, und die Elektromagnete sind mittels magnetisch permeabler, L-förmiger Kopplungsplatten 80 miteinander gekoppelt. In Fig. 12c ist der Elektromagnet 82 mittels eines Schenkel 86 bis 90 aufweisenden, ü-förmigen .Polstücks 84 mit den Polplatten 76 und 78 gekoppelt. Typischerweise sind die einzelnen Seiten 92 bis 98 einer in Form eines Bilderrahmens ausgeführten Ionenquelle 100 getrennt gewickelt, wie Fig. 12d zeigt. Mit vielen weiteren Ausführungsformen, in denen Elektromagnete angewendet werden, kann ein Magnetfeld erzeugt werden, das schleifenförmig über die Generatoranode 20 verläuft und für jeden öffnungswinkel zwischen' den Katodenflächen senkrecht zu den Katodenflächen 22 und 24 eintritt und austritt.

Wie oben angegeben wurde, sind das Zerstäuben oder Reinigen des Elements 14 in Fig. 1 bestimmte Anwendungsfälle, für die die Ionenquelle 10 benutzt werden kann. Diese Anwendungsfälle werden nun zusammen mit anderen Anwendungsmöglichkeiten der oben beschriebenen Ionen-, Elektronen- und Plasmaquellen genauer erläutert.

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Das Element 14 kann aus einem oder aus mehreren zu. reinigenden Substraten oder aus einem oder mehreren zu zerstäubenden Targets bestehen. Es sei bemerkt, daß die Wirkung des Freisetzens positiver Ionen gegen ein Substrat gleich dem"Zerstäuben des Substrats ist, als wäre das Substrat ein Target. Die Entfernung einiger Monoschichten des Substrats ist daher ein wirksames Reinigungsverfahren. Die Ionenquelle muß natürlich nicht nur ein Reinigungswerkzeug sein. Wo das Reinigen ein Zerstäubungsvorgang ist, besteht also nur ein sehr kleiner Unterschied gegenüber der Verwendung der Quelle im Zusammenhang mit einem Zerstäubungstarget. Die Hauptunterschiede bestehen in der Orientierung und in den elektrischen Vorspannungen, wie in den Figuren 13 bis 18 angegeben ist. Wie diese Figuren zeigen, ist eine nichtzerstäubende, bilderrahmenförmige Ionenquelle vorgesehen, die entweder als Ionenquelle zum Reinigen von Substraten oder als Ionenquelle zur Zerstäubung eines"Targets angewendet werden kann. In Fig. 13a ist eine Vorrichtung zur Zerstäubung eines Targets 102 mittels einer der Ausführung von Fig. 5b entsprechenden Ionenquelle dargestellt, wobei das Target 102 und die Generatorkatode 23 von einer Gleichspannungsquelle 104 negativ bezüglich der Generatoranode 20 und der Elektronenkollektorelektrode 30 vorgespannt sind. Auf diese Weise prallen positive Ionen auf das Target auf, so daß dieses zerstäubt wird. Die Generatoranode kann an Massepotential liegen, wie bei 106 angegeben ist, doch liegt sie in vielen Anwendungsfällen vorzugsweise über dem Massepotential. Die negative Vorspannung an der Generatorkatode 23 kann mit Hilfe eines veränderlichen Widerstandes 108 eingestellt werden.

Die Figuren 14 und 15 gleichen Fig. 13a mit der Ausnahme, daß die Ionenquelle von Fig. 14 der Ausführungsform von Fig. 5c entspricht, während die Ionenquelle von Fig. 15 der Ausführungsform von Fig. 5a entspricht. Obgleich gewisse Unterschiede in der unmittelbaren Richtwirkung der verschiedenen Ionenquellen

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der Figuren 13 bis 15 bestehen, ergeben alle diese Quellen
im wesentlichen die gleiche konstante gleichmäßige Zerstäubung des Targets 102. Außerdem können diese Quellen das
Target auch dann zerstäuben, wenn es aus einem magnetisch
permeablen Material besteht, da keine magnetischen Feldlinien durch das Target verlaufen.

In den Figuren 16 und 17 sind Ausführungsbeispiele dargestellt, in denen die Ionenquelle zur Reinigung von Substraten 112 und 114 verwendet wird; der Unterschied besteht dabei in der Orientierung der Ionenquellen. Die Substrats sind typischerweise an einem Halter 110 befestigt, der die Substrate in Richtung des angegebenen Pfeils bewegt. Die Generatorkatode 23 und der Substrathalter 110 sind bezüglich der Generatoranode ·20 und der Elektronenkollektorelektrode .30 durch eine Gleichspannungsquelle 104 negativ vorgespannt, wobei
der Substrathalter 110 und die Substrate 114 leitend sind.. Wie unten noch genauer erläutert wird, können die in den
Figuren 16 und 17 dargestellten Auεführungsformen mit gewissen Modifikationen auch zum Reinigen nichtleitender Substrate angewendet werden. Die obigen Ausführungen gelten
auch für das Zerstäuben nichtleitender Targets mit den in
den Figuren 13 bis 15 dargestellten Ausführungsformen.

Eine Ausführungsform zum Zerstäuben eines elektrisch nichtleitenden Substrats ist in Fig. 18 dargestellt, wo eine
Hochfrequenzspannungsquelle 120 ein nichtleitendes Substrat 116 ansteuert, das auf einem leitenden Targethalter 118 angebracht ist. Die Gleichspannungsquelle 104 spannt die Generatorkatode 22, 24 bezüglich der an Masse liegenden Generatoranode 20 negativ vor. Das zerstäubte nichtleitende Material wird auf Substraten 112 und 114 abgelagert.

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Im allgemeinen ist die Verwendung einer Hochfrequenzspannungsquelle 120 nachteilig; sie kann vermieden werden/ wie unten noch erläutert wird. Zunächst sei jedoch allgemein daran erinnert/ daß die Quelle 16 grundsätzlich.eine Plasmaquelle ist. Sie ist in gleicher Weise wirksam bei. der Lieferung von Elektronen und von positiven Ionen. Durch Entfernen der Elektronen aus dem Plasma kann sie zu einer Ionenquelle gemacht werden. In gleicher Weise können durch Entfernen von Ionen Elektronen ausgestoßen werden. Dies ist in erster Linie eine Frage der Ansteuerung der zusätzlichen Kollektorelektrode 30 mit einer negativen anstelle einer positiven Gleichspannung. Dies führt dann zur Entnahme von Ionen aus dem austretenden Plasma, so daß sich ein reiner Elektronenstrom zum Target oder zum Substrat ergibt.

Wenn das Target oder das Substrat ein Nichtleiter ist, ist es nicht möglich, das Target oder Substrat nur mit positiven Ionen zu bombardieren, da es sich schnell auf eine ausreichende Spannung aufladen würde, die ein weiteres kräftiges Aufprallen von Ionen verhindern würde. Wenn die Ladungssättigung annähernd erreicht wird, wird die Polarität umgekehrt, und es werden Elektronen ausgestoßen, so daß die positive Ladung entladen und eine negative Ladung aufgebaut wird. Die Polarität kann dann erneut umgekehrt werden usw. Dies heißt mit anderen Worten, daß eine mittels der Wechselspannungsquelle 109 (Fig. 17) an die zusätzliche Kollektorelektrode30 anstelle der Gleichspannung aus der Gleichspannungsquelle 104 angelegte Wechselspannung einen effektiven Beschüß isolierender Substrate (oder Targets) ermöglicht. Die Gleichspannungsquelle 104 würde dabei immer noch zur Vorspannung der Generatoranode 20 benutzt. Diese Ausführungsform stellt eine beträchtliche Verbesserung gegenüber der Ausführungsform von Fig. 18 dar, da das Anlegen einer Wechselspannung oder Hochfrequenzspannung an ein sich bewegendes

Substrat schwierig ist. Die Wechselspannungs- oder Hochfrequenz spannungs-Ansteuerung einer ortsfesten Elektrode 30 ist wesentlich effektiver.

Allgemein gilt, daß eine Hochfrequenzspannung weniger wirksam und schwieriger als eine Gleichspannung anzulegen ist. Außerdem erfordert sie einen Argondruck, der sich genügend von dem Druck unterscheidet, der in anderen Teilen der meist f ^v mehrstufigen Vakuumbeschichtungsprozesse erwünscht ist, die hinter geschlossenen Schleusen durchgeführt werden müssen. Dies erhöht die Kompliziertheit und die Kosten des Systems beträchtlich. Die wirksamste Reinigung erfordert eine Verstärkung der Isolatorteile mit Hilfe von Metallelektroden, was es schwierig macht, komplizierte Formen zu reinigen. Wie unten noch erläutert wird, werden in der Ausführungsform von Fig. 19 die obigen Probleme vermieden, da diese Ausführungsform das Zerstäubungsreinigen und das Zerstäubungsbeschichten nichtleitender·Materialien unter ausschließlicher Verwendung von Gleichspannungsquellen ermöglicht.

Der Grund dafür, daß die Wechselspannungsquelle 109 von Fig. den Aufprall positiver Argonionen auf nichtleitende Substrate 112 und 114 ermöglicht, besteht darin, daß die negative Halbperiode die positive Ladung auf der nichtleitenden Fläche zerstört. In der Ausführungsform von Fig. 19 enthält die Verbundquelle 122 eine Elektronenquelle 121 und eine positive Argonionen abgebende Quelle 123, wodurch die Zerstörung der positiven Ladung gleichzeitig und nicht sequentiell wie in Fig. 17 erfolgt. Das bedeutet, daß die positiven Argonionen gleichzeitig mit Elektronen gegen die nichtleitende Fläche gerichtet werden, so daß diese Fläche keine positive Ladung annehmen und positive Argonionen zurückstoßen kann.

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In dem Ausmaß/ in dem sich die Strahlen aus positiven Argonionen und aus Elektronen auf der Fläche überlappen, wird eine Zerstäubung dieser Fläche bewirkt. Da die beiden Quellen 121 und 123 ebenso wie die Hilfselektroden mit einer Gleichspannung gespeist werden, wird das Reinigen und Zerstäuben der Fläche des nichtleitenden Substrats 112 erzielt, ohne daß auf die Anwendung einer Hochfrequenzspannung zurückgegriffen werden muß. Außerdem sind dem Substrat oder dem Target keine Magnetelemente zugeordnet; dies ist nur in der Verbundquelle 122 der Fall.

Unter der Annahme, daß das Target 102 der Ausführungsformen der Figuren 13 und 15 elektrisch nicht leitend ist und daß die Substrate 112 und 114 der Ausführungsform von Fig. 16 ebenfalls nichtleitend sind, können diese Targets oder Substrate gleichzeitig mit positiven Ionen und mit Elektronen bombardiert werden, indem die Kollektorelektrode 30 von der Gleichspannungsquelle abgetrennt wird. In diesen Ausführungsbeispielen entnimmt die Kollektorelektrode 30 Elektronen aus dem ausgestoßenen Plasma, da sie bezüglich der Generatorkatode 23 positiv vorgespannt ist. Durch Entfernen dieser positiven Vorspannung von der Kollektorelektrode 30 bleibt das ausgestoßene Plasma elektrisch neutral mit einem im wesentlichen gleichen Anteil an positiven Ionen und an Elektronen. Auf diese Weise kann die gleichzeitige Zerstörung einer sich auf dem nichtleitenden Target 102 oder den nichtleitenden Substraten 112 und 114 aufbauenden positiven Ladung aufgrund des gleichzeitigen Beschüsses, dieser Elemente mit den positiven Ionen und den Elektronen des ausgestoßenen Plasmas bewirkt werden. Der Ausstoß aus den Quellen der Ausführungsformen der Figuren 14 und 17 ist reich an positiven Ionen, auch wenn die Kollektorelektrode 30 von der Gleichspannungsquelle abgetrennt wird, da die Ionenquelle in diesen Ausführungsformen nach innen gerichtet ist. Insbesondere dann, wenn

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die Quellen 105 und 107 getrennte, streifenförmige Quellen sind, wie oben im Zusammenhang mit Fig. 5c erläutert wurde, ist der Ausstoß reich an positiven Ionen. Diese Ausführungsformen sind daher nicht so geeignet für das Ausstoßen eines neutralen Plasmas wie die Ausführungsformen der Figuren 13, und 16. Eine genügende negative Vorspannung an der Kollektorelektrode 30 kann jedoch ein neutrales oder negativ geladenes Ausgangsplasma hervorrufen.

Eine Anzahl möglicher Anwendungsfälle der beschriebenen Ionenquelle einschließlich der oben beschriebenen Anwendungsfälle werden nun zusammengestellt und erläutert.

1· Zerstäubungsreinigen

a) Beschüß mit positiven Ionen

Bei diesem Anwendungsfall kann eine externe Kollektorelektrode 30 wie in der Ausführungsform von Fig. 16 verwendet werden, damit Elektronen aus dem ausgestoßenen Plasma entfernt werden, so daß ausschließlich positive Ionen.geliefert werden. In der Ausführungsform von Fig. kann die Kollektorelektrode 30 von der Spannungsquelle abgetrennt werden, da die Ionenquellen gegeneinandergerichtet sind, was insbesondere bei zwei getrennten, streifenförmigen Quellen gilt, wobei dennoch ausschließlich positive Ionen geliefert werden. Da in den vorgenannten Ausführungsbeispielen ausschließlich positive Ionen geliefert werden, sollten die Substrate 112 und 114 von Fig. 17 leitend sein und an Masse oder eine negative Vorspannung gelegt sein, damit der Aufbau einer positiven Ladung verhindert wird.

b) Beschüß mit. Plasma

Wie oben erläutert wurde, ist für ein Arbeiten in dieser .Betriebsweise keine Kollektorelektrode 30 erforderlich

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Die Substrate 112 und 114 von Fig. 16 ziehen keinen Strom, so daß sie nicht mit irgendetwas elektrisch verbunden sein müssen. Diese Substrate 112 und 114 können daher elektrisch nichtleitend oder auch elektrisch leitend und elek- - trisch von der Spannungsquelle isoliert oder elektrisch leitend und mit der Spannungsquelle verbunden sein.

2. Zerstäubungsbeschichten

a) Beschüß mit positiven Ionen

Hier gelten bezüglich der Figuren 13 bis 15 die gleichen Überlegungen, die oben bezüglich des Zerstäubungsreinigens durch Beschüß mit positiven Ionen angestellt wurden. Allgemein sollte die Quelle gegen die Zerstäubungskatode 102 gerichtet sein. Dies muß jedoch nicht der Fall sein, da die meisten, wenn nicht gar alle, oben beschriebenen Quellen nach allen Richtungen wirksam sind, obgleich sie diese Richtwirkungsfreiheit an Punkten haben, die von der Quelle beträchtlich entfernt liegen. In den Ausführungsformen der Figuren 13 bis 15 wird die gleiche Spannungsquelle 104 zum Vorspannen der Generatorkatode 23 und des Targest 102 verwendet. Zur Ermöglichung einer unabhängigen.Targetvorspannung kann auch eine eigene Spannungsquelle 103 benutzt · werden. Auf diese Weise kann die Aufprallenergie der Ionen am Target unabhängig von dem von der Quelle ausgestoßenen Ionenstrom gesteuert werden. Gleiche Überlegungen gelten auch für die der Substratreinigung dienenden Ausführungsformen der Figuren 16 und 17, in denen ebenfalls eine getrennte Spannungsquelle für die Substrate 112 und 114 verwendet werden kann.

Bei der Zerstäubung magnetisch permeabler Targets können wegen des Fehlens eines Magnetfeldes am Target hohe Zerstäubungsraten erzielt werden, während gleichzeitig wegen

der gleichmäßigen Targetzerstäubung eine hohe Targetausnutzung erreicht wird.

In allen magnetisch verstärkten Katoden, beispielsweise in Planar-Magnetrons, gibt es strenge Einschränkungen bezüglich der Größe und der Form des Targets. In dem hier beschriebenen Ionen-Zerstäubungssystem sind die Kühlung des Targets und der Schutz der Kühlspulen die einzigen für die Größe zu beachtenden Gesichtspunkte. Eine sehr große Ionenquelle kann ohne weiteres ein kleines Target zerstäuben. Wenn das Target relativ zur Quelle groß ist, ist die Zerstäubungsrate niedrig, doch ist die gesamte Zerstäubungsmenge ebenso groß wie.bei einem kleineren Target. Da das Target nicht auf das Magnetfeld bezogen ist, sind nicht die gleichen Einschränkungen vorhanden, wie bei Planar-Magnetrons und dergleichen. Die Permeabilität des Targets ist ohne Bedeutung. Es ist möglich, die Ionenquelle in eine nahezu geschlossene Umhüllung des Targetmaterials zu richten und eine Ablagerung auf einem isolierten oder positiv vorgespannten Substrat von allen Richtungen gleichzeitig anzubringen.

b) Beschüß mit Plasma

Dieser Anwendungsfall, umfaßt auch Überlegungen, die jenen gleichen,' die bezüglich der Reinigung von Substraten angestellt wurden. Es kann also das Zerstäuben von Metallen oder von Nichtleitern bewirkt werden. Außerdem muß das Target nicht elektrisch vorgespannt sein, da kein tatsächlicher Stromfluß erfolgt. Eine an die Katode angelegte negative Spannung kann jedoch zur Ionenbeschleunigung im Falle leitender Targets hilfreich sein. Für nichtleitende Targets kann außerdem eine an das Target angelegte HF-Vorspannung hilfreich sein. Das Plasma bewirkt die Zerstäubung unabhängig von der magnetischen Permeabilität des Targets.

'3 Ί 3 b b "I b i<7 .1.:":' 5.

3. Zerstäubungsbeschichten durch Ionenaufprall

a) Beschüß mit Ionen

In Fig. 13a wird das Substrat 99 mit dem vom Target 102 ■zerstäubten Material beschichtet, wobei ein an positiven Ionen reiches Plasma für ein leitendes Target bevorzugt wird,■ während ein neutrales oder an Elektronen reiches Plasma für leitende oder nichtleitende Targets benutzt wird. Wenn ein leitendes Target wie Aluminium verwendet wird und wenn die positiven Ionen aus einem inaktiven Gas wie Argon erzeugt werden, können die positiven Argonionen auch das Substrat 99 bombardieren, wenn es entsprechend vorgespannt ist. Auf diese Weise prallt auf die Oberfläche des Substrats 99 eine Mischung aus zerstäubtem Aluminium und aus positiven Argonionen auf. Wenn angenommen wird, daß das Substrat 99 elektrisch leitend und entsprechend vorgespannt ist, und wenn außerdem angenommen wird, daß die" abgegebene Menge des zerstäubten Aluminiums genügend größer als die abgegebenen positiven Argonionen ist, die auf das Substrat auftreffen, wird das Substrat, beschichtet und mit Ionen bombardiert. Dies bedeutet, daß beim Überziehen des Substrats mit Aluminium die Argonionen das beschichtete Substrat bombardieren, was eine vergrößerte Reaktionsenergie ergibt, die eine Rückzerstäubung oder Abätzen von schlecht haftenden Aluminiumatomen der Beschichtung bewirkt. Die resultierende Verbindungsfestigkeit zwischen der Beschichtung und dem Substrat 19 ist besser als die mit einer herkömmlichen Zerstäubung oder ■ Aufdampfung erzielte Festigkeit.

Bei einer herkömmlichen Aufdampfungs-Ionen-Beschichtung wird ein Beschichtungsmaterial auf ein Substrat aufgedampft, und gleichzeitig wird Argon in die Nähe des Substrats gebracht. Das Substrat wird dann an ein negatives

Potential, gelegt, damit um das Substrat eine Entladung erzeugt wird. Die durch die Entladung erzeugten Argonionen prallen dann auf das Substrat auf, damit die gewünschte Rückζerstäubung mit der gewünschten Ionenbeschichtung hervorgerufen wird. Wie zu erkennen ist, erübrigt sich bei Anwendung der Erfindung die Verwendung einer eigenen Vorspannungsquelle, obwohl an das Substrat eine geeignete Vorspannung angelegt sein sollte. Diese Vorspannung liegt zwischen der Spannung der Anode und der Katode, so daß sie ohne weiteres aus der Spannungsquelle oder auch durch Einstellen der Plasmapolarität, wie unten noch erläutert wird, erhalten werden kann. Der Ionenbeschuß wird am Substrat angewendet, doch ist hier keine eigene Entladung erforderlich, wie es bei der herkömmlichen Ionenbeschichtung der Fall ist.

b) Beschüß mit Plasma

Der Aufprall von Zerstäubungsionen auf nichtleitenden Substraten oder auf elektrisch isolierten leitenden Substraten kann auch dadurch erzielt werden, daß das Substrat (und das Target) mit einem elektrisch neutralen oder mit Elektronen angereicherten Plasma beschossen wird. Das Ansammeln positiver Argonionen auf dem Substrat (und auf dem Target) wird durch die im Plasma enthaltenen Elektronen neutralisiert. Auf diese Weise kann der Aufprall von Zerstäubungsionen auf elektrisch nichtleitenden Substraten bewirkt werden.

Zur Erzielung des Zerstäubungsionenaufpralls mittels positiver Ionen oder durch Plasmabeschuß muß die Menge des abgegebenen zerstäubten Aluminiums größer als die Plasmaätzrate sein, die auf das Substrat 99 einwirkt. Ist dies nicht der Fall, ätzen die positiven Argonionen das Aluminium ebenso schnell ab, wie es auf dem Substrat

abgeschieden wird. Es kann ein beträchtliches Abätzen des Substrats während dieser Prozedur vorkommen. Dies wird unten noch genauer erläutert.

4. Selektives Zerstäubungsabscheiden und Zerstäubungsreinigen

Abhängig von der elektrischen Leitfähigkeit und dem elektrischen Potential der Substrate 112 und 114 von Fig. 13 bis 15 können die Substrate in ausgewählter Weise zerstäubt oder geätzt werden. Wenn beispielsweise die Generatorkatode 23 auf Massepotential liegt und der Ausstoß sowohl aus vom Target 102 zerstäubtem Aluminium als auch aus einem mit positiven Argonionen angereicherten Plasma aus der Ionenquelle besteht, und wenn das Substrat 99 leitend ist und an Masse liegt, erfolgt das Abätzen. Wenn das Substrat nichtleitend ist, wird es mit Aluminium beschichtet. Der Grund für dieses Verhalten ist darin zu sehen, daß in einem ionenreichen Ausstoß isolierende Flächen schnell auf eine positive Spannung aufgeladen werden, die gleich der Energie der positiven Ionen· im Ausstoß der Quelle am betrachteten Ort ist. Sobald dies eingetreten ist, verhindert das positive Potential das Auftreffen der postiven Ionen auf diese Flächen, so daß das Abätzen durch den Aufprall positiver Ionen aufhört. Da der Ausstoß' der Quelle jedoch neutrale, vom Target zerstäubte Aluminiumatome enthält, überzieht dieses Metall isolierende Flächen und typischerweise den gesamten Rest des Systeminnenraums. An den an Masse liegenden Metallflachen kann sich jedoch keine- positive Ladung ansammeln, und der Ionenbeschuß geht mit voller Kraft weiter, so daß das Zerstäuben (Abätzen) des Aluminiums ebenso schnell'erfolgt, wie es sich niederschlägt. Somit erfolgt keine Ansammlung von Aluminium auf diesen Flächen. Sie können sogar beträchtlich während der Reaktion abgeätzt werden. In einem Test, der in einer mit Kupfer überzogenen Kammer durchgeführt wurde, wurde Aluminium auf Kunststoffteilen, Fenstern und anderen dielektrischen Teilen abgeschieden, und

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gleichzeitig wurde das Kupfer von den Wänden'der Kammerbeschichtung abgelöst und auf die dielektrischen Elemente aufgebracht.

Wenn das Potential der Generatorkatode auf einen unter dem Massepotential liegenden Wert umgeschaltet wird und der Quellenausstoß mit Elektronen angereichert wird, dann laden sich. Kunststoffflächen negativ auf und ziehen in ausgewählter Weise die positiven Ionen an. Auf diese Weise können dielektrische Flächen in ausgewählter Weise abgeätzt und nicht beschichtet werden. Bei leitenden Substraten kann die Spannung so eingestellt werden, daß sie entweder eine Beschichtung oder ein Abätzen hervorruft. Wenn sie positiv gemacht werden, führt dies zur Beschichtung, während sie im negativen Zustand abgeätzt werden. Ob dielektrische Substrate oder .elektrisch isolierte Metallsubstrate beschichtet oder abgeätzt werden, hängt hauptsächlich vom Verhältnis positiver Ionen zu Elektronen im Ausstoß der Quelle ab, wobei ein an positiven Ionen reicher Ausstoß zur Beschichtung führt, während ein an Elektronen reicher oder neutraler Ausstoß zum Abätzen führt.

Bei Anwendung dieser Verfahren kann ein mit dielektrischen Elementen in Kontakt stehendes Metall selektiv beschichtet werden, wobei die dielektrischen Elemente sauber bleiben, unter der Annahme, daß das Substrat 99 von Fig. 13a aus Metall besteht und der Träger 97 ein Dielektrikum ist, kann die Quelle 16 als eine einen elektronenreichen Ausstoß aufweisende Quelle ausgebildet werden, und das Substrat .99 kann mit einer positiven Spannung betrieben werden. In der gegenteiligen Situation, nämlich bei der Beschichtung eines Dielektrikums und beim Abätzen des damit in Kontakt stehenden Metalls können sich Schwierigkeiten ergeben. Das Dielektrikum lädt sich schnell entgegengesetzt zur Polarität des Metalls auf, und zwischen diesen Teilen entsteht eine lichtbogenartige Entladung. Die auf dem Isolator angebrachte leitende Beschichtung führt dazu, den Spannungsgradienten an den Kanten des

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Leiters zu konzentrieren, was dort eine heftige Entladung hervorruft.

Wie oben angegeben wurde, ist das obige Verhalten vom Verhältnis zwischen der ausgestoßenen Menge des zerstäubten Metalls und dem Plasmaausstoß der Quelle abhängig. Wenn das System im Ätzbetrieb arbeitet, jedoch einen größeren Zerstäubungsausstoß als die Ätzfähigkeit hat, erfolgt ein Aufprall von Zerstäubungsionen auf dem Substrat.

Für gewisse Zwecke sind die Ausführungsformen der Figuren 13 bis 15 oben als kombinierte Zerstäubungsbeschichtungs/Zerstäubungsreinigungsquellen betrachtet worden. In diesen Ausführungsformen ist die Zerstäubungsbeschichtungsguelle (d.h. das Target 102) von der Plasmaquelle 116 getrennt. Diese Trennung der Quellen wird in der Ausführungsform von Fig. 20 vermieden. Die kombinierte Quelle 124 enthält eine Zerstäubungstargetkatode 126, die nicht durch eine Generatoranode 20 bedeckt ist und an der keine magnetischen Kraftlinien senkrecht eintreten oder austreten. Der Ausstoß der Quelle 124 ist daher ein kombinierter Ausstoß aus neutralen Atomen, die vom Target 126 zerstäubt sind, und aus einem Plasma, das in der gleichen Weise wie durch den Plasmagenerator 116 erzeugt wird. Zur selektiven Entnahme von Elektronen oder von positiven Ionen aus dem ausgestoßenen Plasma kann eine (nicht dargestellte) Kollektorelektrode benutzt werden. Die kombinierte Zerstäubungs/Ätz-Quelle von Fig. 20 kann ebenso wie die Quellen der Figuren 13 bis 15 zum selektiven Beschichten und Ätzen oder zur Erzielung eines Aufpralls von Zerstäubungsionen und dergleichen benutzt werden. . ·

5. Zerstäubungsbeschichten mit reaktionsfähigem Material

Bei Beschichtungsprozessen mit reaktionsfähigen Materialien kommen ein reaktionsfähiges Gas oder Ionen eines solchen Gases mit dem zerstäubten Material in Kontakt, wodurch eine

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Verbindung des zerstäubten Materials und des reaktionsfähigen Gases auf dem Substrat entsteht, wie es allgemein bekannt ist. Bezugnehmend auf Fig. 13a sei angenommen, daß das reaktionsfähige Gas zwischen dem-Substrat 99 und dem Target 102 vorhanden ist, so daß ein Beschüß des Targets mit positiven Ionen oder mit Plasma zu einer gleichmäßigen Target.erosion führt. Es gibt keine Bereiche, in denen das'behandelte Target ein vom Rest des Targets abweichendes Verhalten zeigt. Somit können eine hohe Targetausnutzung und hohe Zerstäubungsraten auch bei Anwendungsfällen mit reaktionsfähigen Materialien erzielt werden.

Unter der Annahme, daß das von der Quelle 16 erzeugte Plasma aus einem aktiven Gas stammt und daß aus dem Plasma Elektronen mittels der Kollektorelektrode 30 entfernt werden, erfolgt ein Beschüß der auf dem Substrat abgeschiedenen zerstäubten Schichten mit aktiven Ionen, wodurch dazu beigetragen wird, ■die Stöchiometrie der Reaktion zu garantieren. Bei diesem Prozeß erfolgt der Aufprall reaktionsfähiger Zerstäubungsionen; er entspricht also dem oben beschriebenen Prozeß mit Aufprall von Zerstäubungsionen, wobei der einzige Unterschied darin besteht, daß es sich um Ionen eines reaktionsfähigen Gases und nicht um solche eines inerten Gases handelt. Dieser Anwendungsfall ermöglicht Reaktionen, die eine beträchtliche Oberflächenenergie erfordern, beispielsweise die Bildung von CrN, MoN .sowie anderer Nitride.

Frühere Versuche zur Erzeugung solcher Verbindungen wie CrN und MoN durch Zerstäuben der Metalle in Anwesenheit eines Partialdrucks von N. waren bei Anwendung einer herkömmlichen Magnetronkatode nicht effektiv, da die zur Bildung dieser Nitride erforderliche Aktivierungsenergie höher als die durch die dynamischen Größen der vorhandenen Reaktion vorhandene Energie ist. Wenn der N_-Partialdruck ausreichend erhöht wird, um die Reaktion zu verursachen, sinkt die Zerstäubungsrats

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3C

bis schließlich im Grenzfall des KL-Partialdrucks von 100% die Zerstäubungsrate auf Null zurückgeht. Zur Hervorbringung von Reaktionen müssen daher hohe Substrattemperaturen aufrechterhalten werden. Im Gegensatz 'dazu kann bei Anwendung der als inverses Magnetron anzusehenden ionenquelle nach der Erfindung die Nitridbildung sehr einfach über einen großen Bereich .von No-Partialdrücken mit kalten Substraten erzielt werden. Tatsächlich kann ein wirksames Zerstäuben vieler Metalle erreicht werden, wobei nur Stickstoff verwendet wird/ was bedeutet, daß Argon nicht notwendig ist. Die eigentliche Ursache dieses Verhaltens ist darin zu sehen, daß das herkömmliche Magnetron nicht die volle angelegte Spannung an die das Target bombardierenden Ionen überträgt, während das hier beschriebene inverse Magnetron die für die Stickstoffzerstäubung und für die Bildung dieser Nitride erforderliche Energie liefert.

Wenn der Ausstoß der Quelle 16 sowohl auf das Substrat 99 als auch auf das.Target 102 aufprallt, können die beiden oben beschriebenen Vorteile erzielt werden, was bedeutet, daß gegen das Target gerichtete reaktionsfähige lohen eine gleichmäßige Zerstäubung und hohe Zerstäubungsraten des Targets ergeben, während die gegen das Substrat gerichteten reaktionsfähigen Ionen einen reaktionsfähigen Zerstäubungsionenaufprall ergeben. Eine neuartige Eigenschaft der hier beschriebenen Vorrichtung begründet sich in der Tatsache, daß zum Zerstäuben von Targets reaktionsfähige Ionen benutzt werden können und daß trotzdem hohe Zerstäubungsraten erzielt werden können.

Es ist außerdem möglich, eine Kombination aus. reaktionsfähigen und inerten. Ionen sowohl gegen das Target und/oder das Substrat zu richten. Eine solche Ionenkombination kann dadurch erzeugt werden, daß sowohl reaktionsfähige als auch inerte

Gase in die Plasmäquelle 16 eingeführt.werden, obgleich natürlich in allen Ausführungsformen der Erfindung das oder die zu ionisierenden Gase an irgendeiner Stelle in das System, beispielsweise angrenzend an das Target 102, eingeführt werden können, da das Gas für andere Zwecke benutzt werden kann. Wenn (reaktionsfähige und/oder inerte) Ionen sowohl gegen das Target als auch gegen das Substrat gerichtet werden, bestimmt das Verhältnis zwischen der Targetspannung und der Substratspannung die relativen Energiewerte.

6. Oberflächenreaktion ohne gleichzeitige Zerstäubungsbeschichtung

Die Ausführungsformen der Figuren 16 und 17 können dazu benutzt werden, an Substraten 112 und 114 eine Ob'erf lächenreaktion mit einem aktiven Gas zu erzeugen, das angrenzend an die Substrate eingeführt wird. Wenn in der Ausführungsform von'Fig. 16 die Kollektorelektrode 30 von der Spannungsquelle abgetrennt wird, damit ein neutraler Ausstoß erhalten wird, oder wenn sie zur Erzielung eines Beschüsses der Substrate mit negativem Plasma aus inertem Gas negativ vorgespannt wird, ergibt sich an den Substraten eine Oberflächenenergie _T damit chemische Reaktionen mit den reaktionsfähigen Gasen hervorgerufen werden. Es ist keine elektrische Anschlußverbindung zum Substrat erforderlich, das auch nicht leitend sein muß.

Wenn ein mit positiven Ärgonionen angereicherter Beschüß unter Anwendung der Ausführungsformen der Figuren 15 oder 16 hervorgerufen werden soll, tritt ebenfalls wieder eine Oberflächenenergie auf, die chemische Reaktionen hervorruft. Das Substre, ■. muß in diesem Fall jedoch elektrisch leitend sein, wenn es an eine Gleichspannung angelegt werden soll. Es können auch nichtleitende Substrate verwendet werden, wenn eine HF-Spannung angelegt wird.

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Wenn in der Plasmaquelle 16 ein reaktionsfähiges Gas vorhanden ist, entsteht die am Substrat erforderliche Oberflächenenergie durch Beschüß mit reaktionsfähigen Ionen, wodurch sich die Ionen chemisch mit dem Substratmaterial verbinden. Argon oder dergleichen muß in der Plasmaquelle nicht vorhanden sein, obgleich es auch vorhanden sein kann. Das Substrat muß nicht elektrisch angeschlossen sein; es muß auch nicht leitend sein.

Wenn das Substrat mit einem mit positiven Ionen des reaktionsfähigen Gases.angereicherten Plasma bombardiert wird, ergibt sich die gleiche Reaktion, die oben im Zusammenhang mit der . Bombardierung mit einem neutralen, einem elektronenreichen oder einem Plasma aus reaktionsfähigem Gas beschrieben worden ist.-In jedem Fall muß das Substrat elektrisch leitend s.ein; andernfalls muß eine HF-Spannung angewendet werden. Außerdem ist ein elektrischer Anschlußkontakt am Substrat erforderlich.

Sowohl beim Zerstäubungsbeschichten mit reaktionsfähigen Gasen als auch bei Oberflächenreaktionen ohne Zerstäubungsbeschichtung besteht die Möglichkeit, daß eine gewisse Zerstäubung der Generatorkatoden "auftritt. Es ist daher erwünscht, daß diese Generatorkatoden aus dem an der Oberflächenreaktion beteiligten Metall bestehen. Auf diese Weise führt ein zufälliges Zerstäuben dieser Flächen nicht zu einer Verunreinigung der Beschichtung .

Die Möglichkeit der Zerstäubung der Generatorkatoden 22 und 24 ist' oben im Zusammenhang mit den Figuren 5e und 6g erörtert worden. In der Ausführungsform von Fig. 5e kann ein Zerstäuben der Katodenflächen 22 und 22' auftreten. Diese Möglichkeit lag mindestens um eine Größenordnung unter der Möglichkeit bei einem herkömmlichen Magnetron, doch war es eine vorausgesagte Folge der Wechselwirkung der zwei Seiten. Zur Minimalisierung dieser Art von Wechselwirkung kann die in Fig. 5g dargestellte

Quelle verwendet werden. Dabei kann der gesamte Ausstoß
gegen die Substrate gerichtet werden. Diese Anordnung mit
einem Doppel-V-Querschnitt stößt ein sehr breites Streumuster aus. Eine richtige Abstandseinstellung der zwei
Seiten ermöglicht bei einem festen Abstand zwischen Quelle
und Substrat eine ziemlich gleichmäßige Plasmadichte.

In manchen Anwendungsfällen ist es erwünscht, eine geringfügige Zerstäubung der Generatorkatodenflächen zu erreichen, damit diese Flächen saubergehalten werden, wenn von den Substraten Material durch Zerstäuben abgetragen wird.

7. Kombinierte Reinigungs- und Beschichtungskatode

Die in Fig. 21 angegebene 180°-Beziehung von Katode zu Katode gleicht herkömmlichen Zerstäubungskatoden eines Planar-Magnetrons mit der Ausnahme, daß die Generatöranode 130 unterhalb der zerstäubungsaktiven Teile der Kraftlinienschleife liegt. Diese Anordnung ist auch in Fig. 5g dargestellt. Das Anbringen einer geeignet geformten Anode, beispielsweise der Generatoranode 130, dicht beim Target 131 der Zerstäubungskatode eines herkömmlichen Planar-Magnetrons, wandelt dieses in eine Plasmaquelle um. Es ist auch erwünscht, das Massebezugspotential der herkömmlichen Katode von der Anode zur Katode umzuschalten, damit die resultierenden positiven Argonionen eine hohe Energie bezüglich der an Masse liegenden Substrate aufweisen.

Es kann eine Antriebsvorrichtung 133 vorgesehen sein, damit die Anode 130 über das Target 131 und von diesem weg bewegt werden kann. Die Vorrichtung 128 kann entweder eine Plasmaquelle zum Reinigen von Substraten sein ^ wenn die Anode 130 vom Bereich über dem Target 131 wegbewegt wird, kann sie auc! eine herkömmliche Planar-Magnetron-Zerstäubungsquelle zum Beschichten eines Substrats sein, wobei in allen Fällen die

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gleiche Katodenstruktur vorliegt. Wenn die übliche Anodenstruktur 132 zum Zerstäuben richtig angeordnet ist und während eines Reinigungszyklus arbeitet, trennt sie Elektronen von der Plasmaentladung, damit ein Beschüß der Substrate mit positiven Argonionen erhalten wird.

Es sei bemerkt, daß eine Optimierung der Vorrichtung 128 für beide Funktionen eine Konfliktsituation schafft. Die Plasmaquelle benötigt große Katodenbereiche, die nicht zerstäuben, und das Umgekehrte gilt für eine Zerstäubungsquelle. Das Vorhandensein beider Funktionen für im wesentlichen den Kostenaufwand einer Funktion ist in manchen Anwendungsfällen erwünscht.

Die Nachteile des Versuchs, die Vorrichtung 128 zu optimieren, werden durch die in Fig. 13b dargestellte Anordnung beseitigt, in der am Ort des Targets 102 ein herkömmliches Magnetron in die Vorrichtung nach Fig. 13a einbezogen wird. Insbesondere Wird ein herkömmliches Magnetron mit einem Zerstäubungstarget 131'und mit Magneten 260, 280 innerhalb der Ionenquelle angebracht. Eine eigene Anode ist für das Magnetron nicht vorgesehen. Dafür wirkt die Anode 20 der Ionenquelle als Anode für das Magnetron.

Ein besonderer Vorteil dieser Struktur besteht darin, daß eine beträchtliche Zerstäubung der Magnetronkatode 131' auftritt, wenn die Ionenquelle arbeitet, auch wenn das Magnetron ■ an Masse liegt, wie in Fig. 13b dargestellt ist. Es tritt an ■ der Magnetronkatode 131' eine starke Zerstäubung auf, was jedo.ch am Rest der Kammer nicht der Fall ist, die" ebenfalls an Masse liegt. Die Kammerwände, die sich normalerweise aus der Ionenquelle stark erhitzen, bleiben nun kühl. Die Vorrichtung von Fig. 13b ermöglicht mehrere Anwendungsfälle, die bisher nicht ohne weiteres möglich waren. Beispielsweise

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können mehrere verschiedene Metalltargets auf einer an Masse liegenden,, beweglichen Fläche angebracht werden, so daß die verschiedenen Targets in ausgewählter Weise über die Magnetstruktur 260, 280 bewegt werden können. Auf diese Weise kann die Erzeugung von Legierungen mit beliebigem erwünschten Verhältnis ohne weiteres erreicht werden. Als Alternative kann die Magnetstruktur unter jedem Target bewegt werden; bei Verwendung von Elektromagneten können diese in ausgewählter Weise unter jedem Target eingeschaltet werden. In jedem Fall wird auf das Substrat 99 eine Legierung mit gewünschtem. Verhältnis durch Zerstäuben aufgebracht.

Das gleiche Prinzip kann für das Reinigen begrenzter Bereiche angewendet werden. Wenn es beispielsweise erwünscht ist, eine ausgewählte Fläche der Kammerwand zu reinigen, kann dies dadurch erzielt werden, daß an diesem Bereich ein entsprechendes Magnetfeld erzeugt wird. In diesem Fall würde die herkömmliche Magnetronstruktur in der Vorrichtung von Fig. 13b entfernt oder wenigstens magnetisch nicht eingeschaltet. Das gleiche Prinzip der magnetischen Lokalisierung ermöglicht auch ein örtlich begrenztes Reinigen des Substrats 99. Bei diesem Anwendungsfall wird der Substratträger mit dem Rest der Anordnung an Masse gelegt, und die gestrichelt angegebene Magnetstruktur 270 wird angrenzend an den Substratträger gegenüber der zu reinigenden Fläche des Substrats angebracht. In einem In-line-System, in dem der an Masse liegende Substratträger in die Kammer, und aus der Kammer bewegt wird, sollte die Magnetstruktur 270 beispeilsweise durch einen Isolator entsprechend isoliert sein. Wenn der an Masse liegende Substratträger 97 so bewegt wird, daß die Magnetstruktur den positiven Ionen aus der Ionenquelle ausgesetzt wird, lädt sich die Magnetstruktur schnell positiv auf, so daß jedes merkliche Zerstäuben der eigentlichen Magnetstruktur aufhört. Die Zweckmäßigkeit eines an Masse liegenden Targets ist sehr einleuchtend, weil dies ein einfaches Bewegen der

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Magnete und die Anwendung anderer Verfahren zur Erzielung einer hohen Targetausnutzung gestattet.

In der Ausführungsform von Fig. 13b wird die Ionenquelle 16 direkt als Anode für das Magnetron benutzt. Normalerweise wird die Anodenfunktion des Magnetrons in erster Linie so verstanden, als würde das elektrostatische Feld und das Sammeln von Elektronen zum Schließen des Stromflusses erzeugt. Wegen des unerwarteten Pseudokatodenverhaltens der Quellenkatoden ist es jedoch möglich, die Ionenquelle einfach als Anode zu schalten, was bedeutet, daß die Anode 20 lediglich mit der positiven Seite der Spannungsquelle 104 verbunden· wird, wobei trotzdem die zusammenwirkenden Funktionen erhalten werden. Zusätzlich zu den oben angegebenen Funktionen liefert die Ionenquelle Ionen, die höchst wirksam bei der Zerstäubung sind, da sie von jenseits des Dunkelraums kommen. Diese" Ionen durchlaufen im wesentlichen die gesamte angelegte Spannung, wenn sie auf die Katode aufprallen. Wegen dieser verbesserten Ionenenergie sind die "Zerstäubungsraten um ein Mehrfaches höher als die gewöhnlich bei einem Magnetron mit herkömmlichen Anoden erhaltenen Raten. In der Ausführungsform von Fig. 13b ist ein Hauptteil der Ionenerzeugungsfunktion aus der unmittelbaren Nähe der Magnetronkatode auf die Nähe der Anode übertragen worden. Als Folge davon hat sich auch die Funktion des Magnetronfeldes geändert. Das Feld bleibt eine Elektronenfalle, doch ist der zirkulierende Strom für die Erzeugung von Ionen weniger wichtig. Die eingefangenen Elektronen scheinen nun in erster Linie eine elektrostatische Rolle, und nicht eine Ionenerzeugungsrolle zu spielen.

Wie oben erwähnt wurde, kann die Ionenquelle mit Pseudokatoden betrieben werden? das bedeutet, daß dort, wo gewöhnlich Generatorkatoden benutzt werden, nur Isolatoren vorhanden

sind. Bei dieser Anordnung ist eine Schwingung zwischen dem normalen Magnetronbetrieb (elektronenreich) und dem normalen Ionenquellenbetrieb (ionenreich) festgestellt worden. Diese Betriebsartänderung scheint von den Pseudokatodenflachen verursacht zu werden, deren Spannung zu positiv wird. Diese Schwingungen zwischen den Betriebsarten können mit Hilfe einer Detektorelektrode festgestellt werden, die eine wechselnde Anzeige der Feststellung einer positiven Spannung (ionenreich) und der Feststellung einer negativen Spannung (elektronenreich) oder umgekehrt ergibt. Die Betriebsartänderung hat eine Zeitkonstante von etwa 1 Sekunde, was eine Umstrukturierung der Ladungsstruktur im gesamten System nahelegt. In einem Experiment wurde ein Magnet in die Nähe der Wand des Systems gebracht, was zum Ergebnis hatte, daß die Helligkeit der Entladung zunahm, die Leistung anstieg und dort fokussiert wurde, wo das Magnetfeld das Einfangen von Elektronen hervorrief. Das System stabilisierte sich dann mit der Zeitkonstanten von 1 Sekunde. Beim Entfernen des Magneten wurde das umgekehrte Verhalten beobachtet.

Aus den obigen Beobachtungen kann geschlossen werden, daß die Ionenquelle ein intensives Plasma erzeugt, das die Kammer ausfüllt. Obgleich die Kammer mit einem Hochenergieplasma gefüllt wird, wird die Ionenquelle nicht mit der Rücklauf-Stromverbindung kurzgeschlossen. Der Grund dafür kann mit Bezugnahme auf das äquivalente Elektrolyseproblem, nämlich der 'Polarisierung, erklärt werden. Eine Polarisierung ist einfach die örtliche Verarmung an Ladungsträgern, so daß ein Stromfluß nur so schnell auftreten kann, wie Ladungsträger aufgrund einer Diffusion oder eines anderen Transportmechanismus in den verarmten Bereich gebracht werden können. An der negativen Elektrodenfläche, sei es nun die Kammerwand oder ein kleinerer Oberflächenbereich, bringt das stark leitende Plasma die energiereichen Ionen ganz dicht

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an die Oberfläche; es sind jedoch immer noch genügend viele Elektronen im.Plasma vorhanden, so daß es nahezu neutral ist. Andrerseits liegt an der Katodenfläche ein sehr starker Spannungsgradient vor, und im Gradientbereich werden Elektronen von der Fläche zurückgestoßen, und positive Ionen werden gegen sie beschleunigt. Das Ergebnis ist ein schnell von Ladungsträgern gereinigter Bereich. Da das Plasma sehr gut leitet, kann sich der Gradient nicht tief in das Plasma hinein erstrecken. Wo kein Gradient vorhanden ist, kann kein großer Stromfluß stattfinden. In dem verarmten Bereich liegt zwar ein hoher Spannungsgradient vor, doch gibt es keine Ladungsträger. Beim Einbringen von Ladungsträgern in diesen , Stromsteuerbereich spielt der Diffusionsmechanismus eine Rolle. ·

Wie im Elektrolysefall kann der Strom durch jedes Mittel vergrößert werden, das die Dicke der'Polarisierungsschicht verkürzt. Das der Schleifenbildung dienende Magnetron-Magnetfeld fängt Elektronen in der Nähe der Katodenfläche des Magnetrons ein. Das Plasma erzeugt seinerseits positive Ionen, die die " Ladung der eingefangenen Elektronen neutralisieren, was zum Ergebnis hat, daß sich das intensive Plasma näher an die Magnetronkatode heranbewegt, die Polarisierungsschicht kurzschließt und das Fließen sehr hoher Ströme mit einem Aufprall

energiereicher Ionen auf dem Target ermöglicht.

Die Steuerung der Polarisierungsschicht wird dann der Mechanismus, mit dessen Hilfe das Reinigen, das Ätzen und das Zerstäuben· unter Verwendung eines Systems mit einer Anode zur Ionen/Plasma-Erzeugung gesteuert wird. Einige Verfahren, mit deren Hilfe die Polarisierungsschwelle durchbrochen werden kann, sind:

!.Kurzschließen des Spannungsgradienten, indem das Plasma bewegt wird durch

■ ·

a) eine ·Gasbewegung,

b) eine mit gekreuztem Feld arbeitende Plasmapumpe (mit Wechselstrom für nichtleitende Targets) und

c) ein begrenztes Generatorvolumen;

2. magnetisches Kurzschließen des Spannungsgradienten durch

a) ein Magnetronfeld zur Erzeugung einer Elektronenfalle,

b) ein modifiziertes Magnetronfeld und

c) eine Hilfselektronenquelle mit magnetischem Transport zum Target (für nichtleitende Targets); und

3. impulsförmige Ansteuerung zur Entladung des Spannungsgradienten.

Es sei bemerkt, daß die Systemreinigung durch die normale Leitung durch den Gradienten signifikant ist und gute Zerstäubungsraten für Leiter ergibt. Strommessungen zeigen, daß die Plasmaenergie sehr gleichmäßig über alle leitenden Bereiche der ebenen Kammerwände verteilt ist. Der Strom wird an Kanten und an kleinen Durchmessern vervielfacht. Die pro Flächeneinheit mögliche Verlustleistung hängt von der Plasmadichte und. vom Ausmaß der Polarisierung ab. Eine Vergrößerung der Energie der Ionenquelle erhöht die Energiedichte an 3er Magnetronkatode,, und eine unabhängige Vergrößerung der negativen Spannung an einen gegebenen Bereich kann eine geringfügige Vergrößerung des Stroms ergeben. Im normalen Zustand scheint eine ziemlich hohe Polarisierung vorzuliegen, so daß die zusätzliche Spannung nicht sehr wirksam ist.

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8. Beseitigen von Abfallmaterialien

In manchen Fällen kann es notwendig sein, eine große auf Anodenpotential liegende (oder nicht angeschlossene, wenn die Quelle mit positiven Ionen angereichert ist) Fläche 91 (Fig. 16) vorzusehen, um das Abfallmaterial zu sammeln, so daß es nicht erneut- zerstäubt werden kann. Eine solche Anordnung neigt dazu, daß der Beschüß in erster Linie mit positiven Ionen erfolgt. Dies stellt ein mögliches Problem bei nichtleitenden Substraten dar, doch ergibt sich ein einzigartiges Reinigungsverfahren für an Masse liegende leitende Substrate.

Dies ist in einem Test demonstriert worden, bei dem die mit niedrigem Wärmeanstieg arbeitende Vorrichtung von Fig. 23 verwendet wurde, die unten noch genauer erläutert wird. Die Kammer wurde stundenlang mit einem Beschichtungsvorgang unter Verwendung von Aluminium und Kupfer vor der eigentlichen Demonstration betrieben. Die Quelle wurde dann für die maximale Dauer von 20 Minuten mit etwa 1000 Watt betrieben. Es zeigte sich dann, daß die an Masse liegenden Wände der (nicht dargestellten) Vakuumkammer, die die Quelle von Fig. enthielt, nahezu vollständig in glänzend sauberen Edelstahl zurückverwandelt wurde. Ecken und Kanten"waren am reinsten. Die Reinigungswirkung übertraf zumindest im Vakuumbetrieb bei weitem die mit den meisten Verfahren erzielbare Qualität. Die Fenster, die Kunststoffteile und andere unbedeckte Isolatoren waren wegen des mit positiven Ionen angereicherten Ausstoßes der Quelle stark beschichtet. In der Ausführungsform von Fig. 16 wird die Fläche 91 (die bezüglich Masse potentialfrei sein kann, wenn angenommen wird, daß die Quelle positive Ionen abgibt) dazu verwendet, das von den Substraten durch Reinigen abgetragene Abfallmaterial zu sammeln'. Dies ist die gleiche Funktion, die von den isolierenden Sammelflächen der Ausführungsform von Fig. 23 erzielt

wird. Nach dem ReinigungsVorgang kann die Platte 91 entfernt und gereinigt, oder, falls notwendig, ersetzt werden.

Das Substratreinigungsverfahren unter Verwendung· der hier beschriebenen Quelle 10 ist ein wichtiger Anwendungsfall. Ein kommerzielles Beschichtungssystem kann nach einem 8 bis 22 Stunden dauernden Tagesbetrieb gereinigt werden, indem sie 1 bis 2 Stunden mit der Quelle 10 betrieben wird. Auf diese Weise erübrigen sich viele Tage/Jahr an Wartungszeit.

Die oben geschilderte Reinigung der Kammerwände war nicht erwartet worden, da bei der Bewegung von Ionen in einem Gasmedium über eine nennenswerte Strecke viele Zusammenstoße der Ionen mit Gasmolekülen auftreten, die die Ionenenergie herabsetzen. Der Aufprall der Ionen niedriger -Energie auf den Kammerwänden führt zu deren Aufheizung, die beobachtet wurde, jedoch sollte dabei eigentlich keine Zerstäubung der Kammerwände auftreten. Die Tatsache, daß eine sehr ausgeprägte Zerstäubung auftrat, führt zu dem Schluß, daß sehr energiereiche Ionen auf die Flächen aufprallten. Außerdem schien eine Zerstäubung an den Wänden aufzutreten, die in der Größenordnung über der Zerstäubung lag, die auf der Basis des direkten Ausgangsstroms der Ionenquelle berücksichtigt werden kann.

Eine hohe Energie an den Systemwänden läßt den Schluß auf ■ einen beträchtlichen Spannungsgradienten nahe dieser Fläche zu. Im Hinblick auf die riesigen Abmessungen dieser Fläche im Vergleich zu der sehr kleinen Anode in der Ionenquelle wurde dies nicht erwartet. Messungen der Energie der positiven Ionen zeigten, daß bei der von der Quelle weggerichteten Bewegung Energie verloren geht. Wenn jedes Ion auf neutrale Argonmoleküle trifft erzeugt es, wenn es noch genügend energiereich ist, ein zusätzliches neues positives Ion und setzt ein Elektron frei. Es besteht die Möglichkeit,

. ^ I JDO IO

-W-

daß jedes anfängliche Argonion bis zu etwa 10 Ionen und Elektronen erzeugt. Dies kann einen großen Strom positiver Ionen mit niedriger Energie erzeugen. Wenn diese Ionen dann den Spannungsgradienten durchlaufen, der das Zerstäuben an der Katodenfläche erzeugt, läßt sich abschätzen, was beobachtet wurde. Was mit den Elektronen aus dieser Sekundärerzeugung geschieht, ist nicht festgestellt worden. Es wird jedoch angenommen, daß sie ebenfalls auf irgendeine Weise zur Kammerwand gelangen, so daß dieser sekundäre Ionen- und Elektronenstrom nicht zu Meßgeräten gelangt, die in den Stornikreis mit den Wänden eingeschaltet sind. Die Tatsache, daß die Menge des bewegten Materials um ein Vielfaches über der herkömmlich' durch ein Magnetron zerstäubbaren Menge liegt, zwingt zu diesem Schluß.

Eine Einschränkung auf die oben geschilderte Betriebstheorie ist nicht beabsichtigt, doch kann die hier angegebene neuartige Technologie die Zerstäubungsraten um einen wesentlichen Faktor mit einem von den bisher angewendeten Grundsätzen stark abweichenden Prinzip erhöht werden. Die Zerstäubung mittels eines Magnetrons ergab eine Verzehnfachung der Wirksamkeit gegenüber der Zerstäubung mittels einer Diode. Das hier beschriebene System scheint eine ebensolche Vervielfachung gegenüber dem Magnetron zusätzlich zu einer verbesserten Targetausnutzung und dergleichen zu ergeben.

Die Kaskadenerzeugung ist möglicherweise eine Parallele zur Strahlungsphysik. Hierbei trifft eine energiereiche Strahlung auf Masse, und sie verbraucht ihre Energie, indem eine immer größere Anzahl von Teilchen mit immer niedrigerer Energie erzeugt werden. Die Erfindung scheint-sich dadurch zu unterscheiden, daß sie ermöglicht, diese größere Anzahl geladener Teilchen zur Durchführung der Zerstäubung wieder zu beschleunigen. Dieser Ionisierungsmultiplikationseffekt wird zu.einem

Hauptgesichtspunkt der Plasma/Ionen-Quelle. Damit wird es möglich, das Reinigen, Beschichten, Reaktionsbeschichten, Sensibilisieren. und dergleichen, was auch mit anderen Verfahren möglich ist, sehr oft durchzuführen.

9. Rückgewinnung hochwertiger oder, gefährlicher Targetmaterialen

Das Sammeln von Abfallmaterial, das oben beschrieben wurde, hat zwei sehr bemerkenswerte Anwendungsfälle. Mittels des beschriebenen Ionenreinigungsverfahrens kann die Rückgewinnung von Gold oder anderer teurer Targetmaterialien erzielt werden. Dabei werden die einzelnen Materialien nicht voneinander getrennt, sondern es wird eine Konzentration der zuvor zerstäubten Materialien auf eine kleine Rückgewinnungsfläche 91 ermöglicht. Die Rückgewinnung gefährlicher Materialien kann auf die gleiche Weise erreicht werden. Bei diesem Anwendungsfall ist die· Fläche 91 klein, so daß das Sammeln teurer oder gefährlicher Materialien nicht langer als das Sammeln von Abfallmaterial dauert, das oben beschrieben wurde. Es erfolgt jedoch konzentrierter. Dieses Verfahren der Systemreinigung ist in seiner Art der Selbstreinigung und Rückgewinnung des gesammelten Materials einzigartig. Dieser Aspekt bewegt das prozentuale Zusammenhalten kritischer Materialen in einem sehr guten Bereich. Da die Umweltverschmutzung insbesondere mit radioaktiven Materialien, giftigen Metallen und dergleichen große Beachtung findet, ist die Einführung eines schnelleren Beschichtungsverfahrens mit voll eingebauter Reinigung sehr vorteilhaft.

10. Erwärmung

a) Substraterwärmung

Das Erwärmen der Substrate 112 und 114 der Figuren 16 und 17 durch Plasmabeschuß ergibt gleichzeitig eine Reinigung und eine Erwärmung. Ein Elektronenbeschuß kann dadurch

-/ΤΑ

erzielt werden, daß an die Katode 23 und an die Kollektorelektrode 30- zur Entfernung von positiven Ionen eine hohe negative Spannung angelegt wird. Die Elektronenenergie kann eine nichtzerstäubende schnelle Wärmeübertragung auf leitende Substrate 112 und 114 ergeben. Wolfram-Heizdrähte können eine höhere Elektronenausbeute ergeben, jedoch mit einer daraus resultierenden Wolframverunreinigung'.

b) Allgemein

Wie oben unter Bezugnahme, auf die Figuren 7b und 7c erläutert wurde, kann die hier beschriebene Plasmaquelle eine Heizquelle bilden, in der wenig Wärme verloren geht. Die in Fig. 23 darstellte Struktur ergab einzigartige Eigenschaften eines sehr kühlen Betriebs sowohl an der Anode 20 als auch an der Katode 23. Ihr Ausgangsplasma und die von ihr abgegebenen positiven Ionen führten jedoch zu einer schnellen Erwärmung der aus Metall bestehenden (nicht dargestellten) Vakuumkammer, in der sie untergebracht war, und das Plasma und die Ionen reinigten die Kammerinnenflächen, wie oben erläutert wurde. Eine überschlagsmäßige Berechnung der in der Struktur zurückgehaltenen Energie ergab, daß ein Wirkungsgrad von über 80 % erzielt wurde. Ein kleiner (nicht dargestellter) Kollektor, der in einem Abstand von wenigen Zentimetern vor der Vorderseite der Quelle angebracht war, erzeugte eine Spannung von +100 V, und wenn er auf Massepotential gehalten wurde, ergab er einen Strom von 0,2 A, wenn der gesamte Strom der Quelle 2 A bei 500 V betrug. Somit lag ein reiner Strom positiver Ionen aus der Quelle auch ohne externe Anode vor, und der reine Strom positiver Ionen ergab sich wegen der Gegenüberlage der Generatorkatoden. Die Anwendung einer negativen Vorspannung an einer (nicht dargestellten) Kollektorelektrode erhöhte den Strom auf 1,5 A bei etwa 400 V. Ein . Magnet 26 stand mit einem L-förmigen Polstück 144- in

Kontakt, während die Magnete 26 und 28 mit einer Polplatte 146 gekoppelt waren. Um die Magnetstruktur war ein Isolator 148 angebracht.

11. Pumpen

In manchen Prozessen kann die Pumpe 134 von Fig. 22 zum selektiven Pumpen reaktionsfähiger Gase wie O₀, N₀, H₀O, CO₀ und dergleichen angewendet werden. Die Anwendung einer Zerstäubungskatode 142, die gegen eine mittels Röhren 138 gekühlte Abschirmung 136 gerichtet ist, ergibt ein sehr schnelles Pumpen dieser Materialien, wenn das Target beispielsweise aus .Titan besteht. In der Walzbeschichtungsindustrie ermöglicht die obige Anordnung eirie schmale, sehr lange Pumpe, die sich quer über eine Bahn erstreckt und die ausgasenden Produkte, die Prozeßgase, die nicht reagiert haben, und dergleichen abpumpt.

12. Sensibilisierung

In der Walzbeschichtungsindustrie ist es auch notwendig, die Materialien vor ihrer Beschichtung, mittels anderer verfügbarer Verfahren zu aktivieren oder zu sensibilisieren. Dieses Aktivieren oder Sensibilisieren kann auch mittels der in den Figuren 16 und 17 dargestellten Quellen erzielt werden, wobei diese die besondere Fähigkeit haben, über einen weiten Bereich auf die Abgabe von Elektronen über neutrales Plasma bis zu positiven Ionen einstellbar zu sein.

13·. Ladungsbeseitigung

Die in Fig. 16 und 17 dargestellte Quelle kann bei der WaIzbeschichtung auch zur Entladung von auf dem Film aufgebauten Ladungen benutzt werden. Typischerweise können sich diese Ladungen an den Kanten des Films zum Walzmechanismus entladen, so daß der Film an diesen Stellen zerstört wird. Da eine Zerstäubungskatode typischerweise Elektronen zum Substrat entlädt?

313bb 1 b

kann eine mit positiven Ionen angereicherte Quelle mit relativ niedriger Energie dazu benutzt werden, die Walze zu neutralisieren.

14. 360°-Beschichtung

Bei einem Anwendungsfall zur Beschichtung eines Drahts oder anderer Artikel mit einer Bedeckungsfläche von 360° besteht eine praktische Lösung darin, die Quelle von Fig. 2c zu verwenden und sie in sich geschlossen auszubilden, so daß die " aus Stahl bestehenden Wände 46 und 48 konzentrische Ringe werden, wie in Fig. 24 dargestellt ist. Das Target 150 ist ein Rohr, das dick genug ist, die Ionenquelle zu enthalten, so daß eine symmetrische, ringförmige Zerstäubungsquelle geschaffen wird, in der keine wesentliche, von einem sich längs der Mitte des Rohrs bewegenden Substrat 152 hervorgerufene Blockierung vorliegt. Außerdem ist es möglich, die Ionenquelle oder das rohrförmige Target zu bewegen, damit ein Längenabschnitt des Targets nach dem anderen höchst wirksam ausgenutzt wird.

Zur Alternative würde ein zweites ringförmiges Target, das in der Mitte anstelle des Substrats 152 angebracht ist, eine Vorrichtung erzeugen, mit deren Hilfe ein Ausstoßring aus zerstäubtem Material geschaffen werden könnte. Eine gespitzte Mittelstange aus Targetmaterial und eine einstellbare Position der Ionenquelle würde eine gewisse Fokussierung des Ausstoßes auf ein Substrat 159 ergeben. Eine solche Vorrichtung kann bei der Hartflächenbearbeitung von Abnutzungsringen angewendet werden, wobei beispielsweise ein Nitrid-, Oxid- oder Karbidmaterial insbesondere nach der mechanischen Fertigstellung zur Erzielung einer größeren Lebensdauer aufgebracht werden könnte. Am bedeutendsten ist dieser Anwendungsfall bei Ventildichtungen von Brennkraftmaschinen.

-ft -

S3

Bei der Beschreibung von Fig. 1 wurde die beschriebene Ionenquelle als "inverses Magnetron" bezeichnet. Die Eigenschaften

ί einer solchen Vorrichtung können folgendermaßen zusammengefaßt

"! werden:

1. Die Vorrichtung muß eine Elektronenquelle enthalten, da ; sie ohne Elektronen nicht arbeitet. Im allgemeinen wird

dies mit Hilfe der Katodenflächen 22, 24 erzielt, die beispielsweise in Fig. 1 dargestellt sind, jedoch können

j auch andere Elektronenquellen wie Heizdrähte, Betateilchen-

■ quellen, Hohlkatoden, eine UV-Bestrahlung von Katodenflächen

\ benutzt werden. Die Verwendung solcher Quellen ist unbedingt

\ notwendig, wenn beide Katodenflächen 22, 24 "Pseudokatoden-

! flächen" sind.

\ . 2. Die Vorrichtung muß auf Katodenpotential liegende Elemente

zur Formung eines elektrischen Feldes enthalten. Dies ist notwendig, um die vom gekreuzten Feld gebildete Elektronen-■ falle zu erzielen.

3. Die Vorrichtung muß eine Anode zur Erzeugung eines Anodenpotentials enthalten.

4. In der Vorrichtung müssen magnetische Kraftlinien gebildet werden, die allgemein senkrecht zu den Katodenflächen und allgemein parallel zur Anodenfläche verlaufen. Das Magnetfeld bildet zusammen mit dem elektrischen Feld die von dem gekreuzten Feld erzeugte Elektronenfalle. Wenn das Magnetfeld nicht senkrecht zu den Katodenflächen verläuft, tritt an den Katodenflächen eine Zerstäubung auf. Dies kann jedoch in manchen Fällen zulässig sein. Wenn das Magnetfeld nicht parallel zur Anode verläuft und/oder die gleichen Feldlinien an jedem Ende geschnitten werden, erreichen energiereiche Elektronen die Anode, so daß diese aufgeheizt und der Wirkungsgrad der Vorrichtung gesenkt wird. Es ist zwar nicht

erwünscht, doch kann in praktischen Aüsfuhrungsformen eine Absenkung des Wirkungsgrades 'der Vorrichtung hingenommen werden.

5. Die Vorrichtung ist gewöhnlich senkrecht zur freiliegenden Anode offen oder es liegen ungeschnittene Feldlinien über der Anode vor. Diese offene Ausführung der Vorrichtung erlaubt den Austritt von Elektronen, vom Plasma oder von Ionen. Die Öffnung muß der Anode gegenüberliegen, die Ionen abstößt, wenn keine Vorrichtungen zum Ablenken der Ionen vorhanden sind.

Die hier beschriebenen Ionenquellen können mit Penning-Elektronenfallen verglichen werden, die geöffnet, mit Abstand versehen, geneigt oder invertiert worden sind, so daß· die Anode in die Richtung blickt, in die die Ionen ausgestoßen werden. Dies läßt sich besser verstehen, wenn beachtet wird, daß die ersten vier oben angegebenen Merkmale grundlegende Eigenschaften einer Penning-Zelle sind. Dies läßt sich am besten durch Bezugnahme auf Fig. 25a erkennen, in der der Grundaufbau einer Penning-Zelle mit Katodenflächen 160, 162 und einer rohrförmigen Anode 164 dargestellt ist. Das fünfte Merkmal ist der kritische Unterschied, und er ergibt die in Fig. 25b dargestellte invertierte Zelle. In dieser Figur ist die rohrförmige Anode 164 durch eine Stabanode 166 ersetzt, und das Merkmal der Offenheit der Vorrichtung ist im Gegensatz zur herkömmlichen Penning-Zelle deutlich erkennbar.

Die invertierte Zelle von Fig. 25b veranschaulicht noch eine weitere praktische Konfiguration der hier beschriebenen Ionenquelle. Die meisten Ausführungsformen, insbesondere die in Fig. 5 dargestellten Ausführungsformen entstehen durch Drehen um eine Achse, die in einem Abstand von der Grundstruktur verläuft. Der Grund dafür ist darin zu sehen, daß in der Mitte ein Raum vorhanden sein muß,

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in dem ein Magnetfeld entwickelt werden kann. In der Ausführungsform von Fig. 8 kann die Grundstruktur jedoch um ihre Mittelachse gedreht werden.

Wie zuvor erwähnt wurde, ist es möglich und in einigen Fällen notwendig, andere Elektronenquellen als die Katodenflächen 22, 24 zu verwenden. Der Heizdraht ist eine der besten Möglichkeiten zur Verwirklichung einer solchen Quelle, da er sehr hohe Elektronenströme abgeben kann. Eine solche Quelle führt jedoch zu einer geringen Wolframverunreinigung, und sie hat eine ziemlich begrenzte Lebensdauer. Die Verwendung eines Heizdrahtes am richtigen Ende der Ionenquelle, die keine geschlossene Schleife bildet, ergibt trotzdem einen vollen Ausstoß nahezu ohne Regenerationslänge. Die Verwendung eines zusätzlichen Heizdrahtes kann in jenen Fällen erforderlich sein, wo die Emission aus den Katodenflächen 22, 24 zur Erfüllung der Stromanforderungen nicht ausreicht. Eine überschüssige Elektronenemission macht den Ausstoß der Quelle negativ, so daß sie in wirksamer Weise als ein alternativ anwendbarer Polaritätssteuermechanismus verwendet werden kann. Außerdem erlaubt die Anwendung eines Heizdrahtes einen Betrieb bei niedrigerem Druck.

In den obigen Ausführungsformen können Permanentmagnete, beispielsweise für die Verwendung als Magnete 26 und 28, Vorzugs-■ weise Stapel oder Spulen aus magnetischen Streifen bilden, die

; beispielsweise aus mit Ferrit.imprägnierten Kunststoff- oder

j Gummibändern bestehen, die von der Firma Minnesota Mining and

j Manufacturing Co. unter.der Bezeichnung PL-1.4 H vertrieben

werden. Solche Stapel oder Spulen sind beispielsweise in den USA-Patentschriften 4 162 954 und 4 180 450 beschrieben.

Die Erfindung ist hier im Zusammenhang mit verschiedenen Ausführungsbeispielen beschrieben worden, doch ist für den Fachmann offensichtlich, daß im Rahmen der Erfindung ohne weiteres weitere Abwandlungen und Änderungen möglich sind.

Claims (1)

1. * Dipl.-lng. . Dipi.-Chem. • E. Prinz Dr. G. Hauser *
   •
   f* * ·
   Dipl.-lng. Ernsbergerstrasse 19 G. Leiser 8 München 60

   15. September 1981 Vac-Tec Systems, Inc. ·
   2590 Central Avenue
   Boulder, Colorado 80301 /V.St.A.

   Unser Zeichen: V 756

   Patentansprüche

   Zerstäubungsvorrichtung mit wenigstens einem zu zerstäubenden Element, wenigstens einer Plasmaquelle zur Erzeugung » eines Plasmas aus wenigstens einem ionisierbaren Gas', wo- j bei wenigstens einige der geladenen Teilchen des Plasmas ■ » das Element zerstäuben, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmaquelle folgende Teile enthält: erste und zweite, auf etwa dem gleichen Potential liegende Flächen zur Bildung eines elektrostatischen Feldes, eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes mit Kraftlinien, die durch die beiden, das elektrostatische Feld bildenden Flächen verlaufen, eine .Generatoranode, die angrenzend an den zwischen den beiden, das elektrostatische Feld bildenden Flächen verlaufenden Abschnitt des Magnetfeldes angebracht.ist, und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes zwischen der Generatoranode und den beiden, das elektrostatische Feld bildenden Flächen an einem Ort, wo wenigstens Teile des elektrischen und des magnetischen Feldes im wesentlichen senkrecht zueinander verlaufen, wodurch das Plasma .<

   Schw/Gl

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   zwischen den beiden, das elektrostatische Feld bildenden Flächen entsteht und von der Generatoranode weggestoßen wird.

   2. Zerstäubungsvorrichtung nach "Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Zuführen von Elektronen in den Raum zwischen den beiden, das elektrostatische Feld bildenden Flächen. . ·

   3. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Zuführen von Elektronen die gleiche Längenausdehnung wie wenigstens eine der beiden, das elektrostatische Feld bildenden Flächen hat.

   4". Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch. 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der beiden, das elektrostatische Feld bildenden Flächen elektrisch vom Rest 'der Vor- ^?: richtung isoliert ist und während des Zerstäubungsvorgangs

   infolge von Elektronen, die sich in Anwesenheit des Magnetic

   feldes auf ihrer Oberfläche ansammeln, eine elektrische

   Ladung ansammelt.

   5. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 4", dadurch gekennzeichnet, daß die beiden, das elektrostatische Feld bildenden Flächen elektrisch vom Rest der Zerstäubungsvorrichtung isoliert sind.

   6. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Zuführen von Elektronen ein Heizdraht ist.

   7. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch

   gekennzeichnet, daß wenigstens eine der beiden, das elektro

   statische Feld bildenden Flächen ein Isolator ist.

   .. „„

   8. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der beiden, das elektrostatische Feld bildenden Flächen leitend ist.

   9. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element ein Target aus Beschichtungsmaterial ist und daß ein weiteres Element vorgesehen ist, das ein Substrat enthält, auf dem das Beschichtungsmaterial des Targets abgeschieden werden soll.

   10. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Target die Katode eines Planar-Magnetrons ist, das eine Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes enthält, dessen Kraftlinien durch das Target verlaufen.

   11. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Target in mehrere Bereiche mit jeweils einem anderen Beschichtungsmaterial unterteilt ist, daß das Plänar-Magnetron in selektiver Weise ein Magnetfeld erzeugt, dessen Kraftlinien gemäß einer vorbestimmten Folge durch jeden Bereich des Targets verlaufen, so daß entsprechend einem vorbestimmten Verhältnis die unterschiedlichen Beschichtungsmaterialxen auf dem Substrat abgeschieden werden.

   12. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn-• zeichnet, daß die beiden, das elektrostatische Feld bildenden Flächen konzentrische, zylindrische Flächen sind.

   13. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Target zylindrisch ausgebildet ist und die beiden, das elektrostatische Feld bildenden Flächen koaxial umgibt, und daß das Substrat länglich ausgebildet ist und eine mit dem Target gemeinsame Achse aufweist.

   313651b

   14. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Target und die Plasmaquelle längs der Achse des Substrats bewegt werden, damit eine gleichmäßige Beschichtung aus dem Targetmaterial auf der Oberfläche des Substrats erhalten wird.

   15. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat durch die Mitte der Kombination aus dem Target und der Plasmaquelle gezogen wird, damit eine gleichmäßige Beschichtung aus dem Targetmaterial auf der Oberfläche des Substrats erhalten wird.

   16. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Draht ist.

   ■17. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Target stabförmig ausgebildet ist und mit den beiden, das elektrostatische Feld bildenden Flächen eine gemeinsame Achse aufweist und daß das Substrat in einer senkrecht zu der gemeinsamen Achse liegenden Ebene angeordnet ist.

   18. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zweite Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes, dessen Kraftlinien durch das Element verlaufen, und zweite Einrichtungen zur Erzeugung eines elektrischen Feldes zwischen der Generatoranode und dem Element an einem Ort, wo wenigstens Bereiche des elektrischen und des magnetischen Feldes im wesentlichen senkrecht zueinander verlaufen.

   19. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Element ein zu reinigendes Substrat ist.

   20. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden, das elektrostatische Feld bildenden Flächen kreisförmig sind und in parallelen Ebenen liegen, wobei sich ihre Mitten auf einer gemeinsamen Achse befinden, die die parallelen Ebenen senkrecht schneidet,· und daß die Generatoranode stabförmig ausgebildet ist ux.d eine mit der gemeinsamen Achse deckungsgleiche Achse aufweist.

   21. Zerstäubungsverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein zu zerstäubendes Element vorgesehen wird, daß eine Plasmaquelle vorgesehen wird, die ein Plasma aus wenigstens einem ionisierbaren Gas erzeugt, wobei wenigstens einige der geladenen Teilchen des Plasmas das Element zerstäuben und wobei das Plasma dadurch erzeugt wird, daß erste und zweite, ein elektrostatisches Feld erzeugende · Flächen auf etwa das gleiche Potential gelegt werden, daß ein Magnetfeld erzeugt wird, dessen Kraftlinien .durch die beiden, das elektrostatische Feld bildenden Flächen verlaufen, daß eine Generatoranode vorgesehen wird, die angrenzend an den zwischen den beiden, das elektrostatische Feld bildenden Flächen liegenden Abschnitt des Magnetfeldes angeordnet ist, daß zwischen der Generatoranode und den beiden, das elektrostatische Feld bildenden Flächen ein elektrisches Feld an einem Ort erzeugt wird, an dem wenigstens Teile-der elektrischen und magnetischen Felder im wesentlichen senkrecht zueinander verlaufen, wodurch das Plasma zwischen den beiden, das elektrostatische Feld bildenden Flächen erzeugt und von der Generatoranode weggestoßen wird.

   22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet,, daß die an die Oberfläche des zu zerstäubenden Elements angrenzende Polarisierungsschicht so gesteuert wird, daß hochenergetische Ionen in dem Plasma auf das Element aufprallen können.

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   23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Steuerung der Polarisierungsschicht ein zweites Magnetfeld erzeugt wird, das durch das Element verlaufende Kraftlinien aufweist.

   24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Element ein Target aus Beschichtungsmaterial enthält und daß ein weiteres Element vorgesehen wird, das ein Substrat enthält, auf dem das Beschichtungsmaterial des Targets abgeschieden werden soll.

   25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Target in mehrere Bereiche mit jeweils einem anderen Beschichtungsmaterial unterteilt wird, daß das zweite Magnetfeld in selektiver Weise derart erzeugt wird, daß seine Kraftlinien entsprechend einer vorbestimmten Folge durch jeden Bereich des Targets verlaufen, wodurch unterschiedliche Beschichtungsmaterialien entsprechend einem vorbestimmten Verhältnis auf dem Substrat abgeschieden werden.