DE3433166C2

DE3433166C2 -

Info

Publication number: DE3433166C2
Application number: DE3433166A
Authority: DE
Inventors: Charles F. Boulder Col. Us Morrison Jr.
Original assignee: VAC-TEC SYSTEMS Inc BOULDER COL US
Current assignee: HAUZER INDUSTRIES B.V., VENLO, NL
Priority date: 1983-09-12
Filing date: 1984-09-10
Publication date: 1990-10-25
Also published as: FR2557151A1; BE900558A; GB8422333D0; GB2148329B; CA1248493A; NL8402788A; JPS60138067A; GB2148329A; US4448659A; DE3433166A1; FR2557151B1

Description

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

Eine solche Vorrichtung ist aus der US-PS 37 93 179 bekannt. Eine Vorrichtung dieser Art zeichnet sich durch eine hohe Ab scheidungsrate des zu verdampfenden Materials aus. Wegen der Instabilität des auftretenden Lichtbogens können jedoch die Vorteile einer solchen Vorrichtung nicht in vollem Umfang zum Tragen kommen. Der Lichtbogen führt nämlich Ströme von etwa 60 A oder mehr, die auf einen Katodenfleck konzentriert sind, der so klein ist, daß die Stromdichte 1,55 × 10² bis 1,55 × 10⁵ A/cm² beträgt. Die Spannungen betragen dabei 15 bis 45 V. Die Energiedichte an dem kleinen Katodenfleck liegt daher in der Größenordnung von Megawatt/cm². Hierbei von heftigen ört lichen Erscheinungen zu sprechen ist noch stark untertrieben. Die Targetoberfläche unter dem Katodenfleck verdampft blitzar tig wegen der intensiven Hitze. Das verdampfte Targetmaterial schlägt sich als Beschichtung auf einem Substrat nieder. Der Katodenfleck wandert in einer zufälligen Zickzackbewegung über die Targetoberfläche, wobei von Geschwindigkeiten von mehreren Metern pro Sekunde berichtet worden ist. Wegen der Zufällig keit der Bewegung können Beschädigungen der Vorrichtung und eine Verunreinigung der Beschichtung vorkommen, wenn der Kato denfleck von der Targetoberfläche wegwandert.

Zur Überwindung des Problems der Lichtbogeninstabilität wird in der bekannten Vorrichtung eine Abschirmung nahe des Randes des Targets angebracht. Die Abschirmung wird dabei in einem Abstand vom Target angebracht, der weniger als eine mittlere freie Weglänge des vorhandenen Gases ist. In einer Lichtbogen entladung werden Gas und Plasma am Katodenfleck mit genügender Heftigkeit erzeugt, daß die örtlichen mittleren freien Weglän gen auf einige wenige tausendstel Zentimeter herabgesetzt wer den können. Wenn ein solcher Stoß örtlich hohen Drucks unter die Abschirmung geblasen wird, die im Abstand mehrerer Milli meter angeordnet ist, besteht die Möglichkeit, daß der Licht bogen unter die Abschirmung wandert. Wenn dies geschieht, er geben sich eine Beschädigung der Katode durch den Lichtbogen, eine Verunreinigung des Dampfs oder ein Erlöschen des Lichtbo gens.

Aus der US-PS 38 36 451 ist eine Vorrichtung bekannt, in der zur Stabilisierung des Lichtbogens ein Begrenzungsring verwen det wird, zu dessen Material jedoch in dieser Druckschrift nichts angegeben ist. Auch fehlen jegliche Hinweise über spe zielle Abmessungen des Begrenzungsrings.

Auch in der DE 33 45 493 A1 ist eine Vorrichtung zum Stabili sieren eines Verdampfungslichtbogens beschrieben, in der als Stabilisierungsmittel ein Begrenzungsring eingesetzt wird. Es ist dabei jedoch nichts über die geometrische Beziehung zwi schen dem Begrenzungsring und dem Target ausgesagt, insbeson dere fehlen Angaben über die Höhe des Begrenzungsrings in be zug auf die Targetfläche.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs angegebenen Art so auszugestalten, daß die vorteil haften Eigenschaften einer solchen Vorrichtung optimal zur An wendung gebracht werden können und insbesondere auch bei gro ßen Abscheidungsraten ein Abwandern des Lichtbogens von der Targetfläche vermieden wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Bei der erfin dungsgemäßen Ausgestaltung der Vorrichtung wird eine sehr gleichmäßige Erosion des Targetmaterials bei gleichzeitigem sicheren Verhindern des Abwanderns des Lichtbogens vom Target erreicht. Der Lichtbogen springt auch bei sehr hohen Strom dichten nicht auf die Befestigungsteile in der Beschichtungs apparatur über, so daß es nicht zu unerwünschten Verunreini gungen und Beschädigungen kommen kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Aus führungsbeispiels einer Lichtbogenstabilisie rungsvorrichtung,

Fig. 2a eine schematische Schnittansicht eines Erosions musters, das sich ergibt, wenn ein permeables Target durch einen N-Ring eingegrenzt ist,

Fig. 2b eine schematische Schnittansicht, die ein gleich mäßiges Erosionsmuster zeigt, das sich ergibt, wenn ein nicht permeables Target von einem N-Ring eingegrenzt ist,

Fig. 3a, 3b, 4a und 4b unter Verwendung von Eisenfeilspänen erzeugte Diagramme, die verschiedene Zustände permeabler und nicht permeabler Targets zeigen,

Fig. 5a, 5b, 6a und 6b unter Verwendung von Eisenfeilspänen erzeugte Diagramme, die verschiedene Zustände permeabler magnetischer Abschirmungen in Kombination mit permeablen und nicht permeablen Targets zeigen,

Fig. 7 eine schematische Schnittansicht, die die Ver wendung magnetischer Abschirmungen gemäß einem Merkmal der Erfindung zeigt,

Fig. 8a und 8b schematische Schnittansichten, die die Verwendung permeabler Einsätze in nicht permeablen Klemmen zur Erzielung des Lichtbogeneinschlusses zeigen,

Fig. 9a und 9b eine Stirnansicht bzw. eine Seitenansicht eines nicht ebenen Targets mit P-Ringbegrenzungen,

Fig. 10a und 10b eine Stirnansicht bzw. eine Seitenansicht eines weiteren nicht ebenen Targets mit P-Ringbegren zungen,

Fig. 11a und 11b eine Stirnansicht bzw. eine Seitenansicht eines weiteren nicht ebenen Targets mit P-Ringbegren zungen,

Fig. 12a und 12b Ansichten ausgedehnter ebener Formen der Ausfüh rungsbeispiele der Fig. 9 bzw. 10 und

Fig. 13a und 13b schematische Schnittansichten, die die Verwendung permeabler Eingrenzungen zur Erleichterung des am Anfang stattfindenden Lichtbogenreinigungsvorgangs eines Targets.

Bei der anschließend folgenden Beschreibung werden für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet.

Bevor ein Ausführungsbeispiel der Erfindung genauer be schrieben wird, sei zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen, in der bei der Erfindung angewendete Prinzipien veran schaulicht sind.

Fig. 1 zeigt ein nicht permeables Target 10, das mit Hilfe eines Lichtbogenbegrenzungsrings 14 an einem wassergekühl ten Katodenkörper 12 festgehalten ist. Der Ring besteht aus einem magnetisch permeablen Material, beispielsweise aus Weicheisen oder Permalloy. Tatsächlich kann jedes als permeabel betrachtetes Material benutzt werden, beispiels weise Eisen, Nickel, Kobalt, Legierungen dieser Materia lien mit kleinen Mengen von Zusätzen, Ferrite, Stahl usw. Wie anschließend noch genauer erläutert wird, ist es die permeable Eigenschaft des Rings, die den Lichtbogen auf dem nicht permeablen Target festhält, wodurch die ge wünschte Lichtbogenstabilisierung in einer robusten und doch kostengünstigen Art und Weise erzielt wird. Außerdem kann der Ring das Target am Katodenkörper festhalten, wie durch den Bolzen 16 angegeben ist. Der permeable Ring 14 wird anschließend als ein "P-Ring" bezeichnet.

In Fig. 1 sind auch die herkömmlichen Bauelemente, die bei der Verdampfungsbeschichtung unter Verwendung eines Lichtbogens eingesetzt werden, dargestellt; sie enthalten eine Anode 22, eine Energiequelle 24 und ein Substrat 26. Nicht dargestellte Mittel werden typischerweise dazu ver wendet, zwischen der Anode und dem typischerweise auf Katodenpotential liegenden Target einen Lichtbogen zu er zeugen. Der Lichtbogen ist durch die Anwesenheit geladener Teilchen und einen Katodenfleck gekennzeichnet, der in zu fälliger Weise über die Targetoberfläche wandert. Sobald der Lichtbogen hergestellt ist, verdampft das Targetma terial in besonderer Weise wegen der hohen Energie des Lichtbogens, wobei die mittleren Energiewerte der gela denen Teilchen im Lichtbogen zwischen 20 und 100 eV, typi scherweise zwischen 40 und 60 eV, liegen können. Das ver dampfte Material wird auf dem Substrat niedergeschlagen, wobei dieses Substrat in gewissen Fällen auch als Anode wirken kann. Das nicht permeable Target kann auch ein elektrisch leitendes Material, beispielsweise ein Metall, oder auch ein elektrisch isolierendes Material sein. Typi scherweise ist die Energiequelle 24 bei elektrisch leiten den Targets eine Gleichstromquelle und bei elektrisch iso lierendem Target eine Wechselstromquelle. Das Target und die Katode können auch in manchen Fällen das gleiche Teil sein.

Die Lichtbogenstabilisierung wird dadurch erzielt, daß das Target durch einen Begrenzungsring umgeben wird, der aus einem Material wie Bornitrid oder Titannitrid hergestellt ist. Diese Art von Ring wird anschließend als "N-Ring" bezeichnet.

Obwohl eine Einschränkung auf eine besondere Theorie der Wirkungsweise nicht beabsichtigt ist, sind die folgenden Überlegungen auf die Lichtbogenbegrenzungseigenschaft eines P-Rings offensichtlich anwendbar. Es wurde beobach tet, daß ein auf ein nicht permeables Target im Vakuum auftreffender Lichtbogen in zufälliger Weise herumwandert und häufig das Target verläßt, wobei er etwa im Zeitraum von einer Sekunde auf andere Bereiche der Katode wandert. Ein permeables Target verläßt der Lichtbogen in Richtung zu anderen Katodenbereichen im Zeitraum von Millisekunden. Zur Erzielung von nicht verunreinigten Beschichtungen muß der Lichtbogen jedoch ausschließlich auf dem Target ver bleiben.

Bezüglich des schnellen Abwanderns des Lichtbogens von ungeschützten permeablen Targets wurde versucht, ein kreis förmiges Target aus Permalloy unter Anwendung eines Licht bogens zu verdampfen, das von einem N-Ring umgeben ist. Dies führte zu einer Erosion nahe bei dem N-Ring, wie dies in Fig. 2a am besten zu erkennen ist, wo das Target 10, der N-Ring 18, der Katodenkörper 12 und das Erosionsmu ster 20 dargestellt sind. Fig. 2b zeigt ein normales Ero sionsmuster 20 für nicht permeable Targets, die mit einem N-Ring erhalten wurden. Eine Untersuchung des Targets von Fig. 2a ergibt, daß auf den Lichtbogen ein Einfluß ein wirkt, der ihn gegen den Rand des permeablen Targets be wegt, da kein Grund zu erkennen ist, der ihn sonst gegen den N-Ring bewegen würde. In der frühen Literatur über Magnetfelder, die im Vakuum auf einen Lichtbogen einwir ken, ist angegeben, daß sich der Lichtbogen schnell in Richtung der größten magnetischen Felddichte bewegt. Unter der Annahme, daß dies der Mechanismus ist, der den Licht bogen zum Rand des Targets gemäß Fig. 2a bewegt, scheint es so zu sein, daß sich der Lichtbogen von dem permeablen Material wegbewegt, das die Felddichte herabsetzt.

Ein weiterer Einblick in den Festhaltemechanismus ergibt sich aus der Arbeit von Naoe und Yamanaka ("Vacuum-Arc Evaporation of Ferrites and Composition of Their Deposits", Japanese Journal of Applied Physics, Band 10, Nr. 6, Juni 1971); diese Autoren verdampften Ferritzusammenset zungen mittels eines Lichtbogens aus einem schalenförmi gen Ferrit-Target. Sie erhielten einen geschmolzenen An teil des Targets, und die Oxidmaterialien verhielten sich sehr verschieden von den Metallen. Sie berichteten von einem sehr stabilen Lichtbogen, der sich in einer sehr langsamen Kreisbewegung etwa in der Mitte der Schale be wegte. Sie bezeichneten dies nicht als ein ungewöhnliches Verhalten, sondern gaben sehr genaue Details der visuell beobachteten Lichtbogenbewegung an. Folgerungen im Hin blick auf das Festhalten eines Lichtbogens im allgemeinen fehlten.

Um diese Erscheinung besser zu verstehen, wurde zur Erzeu gung eines zylindrischen Magnetfeldes der Art, wie es ein Lichtbogen in der Nähe des Targets zu erzeugen scheint, ein Gleichstrom durch einen Draht geschickt. Dieser Draht wurde in die Nähe verschiedener Geometrien permeabler Tar gets gebracht, und es wurden unter Zuhilfenahme von Eisen feilspänen Diagramme erzeugt, damit ein Einblick in den magnetischen Einfluß dieser permeablen Materialien auf das Magnetfeld erhalten wurde.

Es sei bemerkt, daß diese Vorgehensweise verschieden von der Anwendung eines Magnetfeldes zur Erzielung einer Wech selwirkung mit dem Lichtbogenfeld gemäß den oben erwähnten US-PSen 29 72 695 und 37 83 231 ist, da kein externes Feld angelegt wird. Wenn Strom durch den Draht fließt, wird rund um den Draht symmetrisch ein magnetischer Fluß er zeugt. Wenn zwei Drähte parallel in der gleichen Richtung von Strom durchflossen werden, werden die Drähte gegenein andergezogen. Das zwischen den Drähten erzeugte Feld hebt sich auf, da die Flußrichtung auf der rechten Seite des Drahtes unterschiedlich zu der auf der linken Seite des Drahtes ist. Wenn der stromführende Draht in die Nähe einer permeablen Fläche gebracht wird, wird er ohne Rück sicht auf die Stromrichtung gegen diese Fläche gestoßen.

Tatsächlich ist ein Lichtbogen eine besondere Erscheinung, und seine modellhafte Nachbildung als stromdurchflossener Draht ist kein echter Maßstab dafür, wie sich ein Licht bogen verhalten wird. Wenn genügend Strom in dem Licht bogen fließen kann, teilt er sich in zwei Lichtbogenflecke auf, die sich unabhängig voneinander auf der Katodenober fläche bewegen. Dies steht im Gegensatz zu den Drähten, die sich beim Fließen des Stroms aufeinander zu bewegen. Eine einfache Erklärung dieses Unterschieds zwischen dem Lichtbogen und dem Draht wird manchmal unter Hinweis dar auf versucht, daß sich die Elektronen im Lichtbogen in seitlicher Richtung frei im Raum bewegen können, während sie im Draht eingeschlossen sind. Sie versuchen, sich im Draht seitlich zu bewegen und erzeugen gleiche und ent gegengesetzte, auf die Drähte einwirkende Kräfte. Dadurch bewegt sich der Draht entgegengesetzt zur Richtung der Lichtbogenbewegung, die auftritt, wenn die den Lichtbogen gegen den Rand eines permeablen Targets bewegende Kraft be deutend gegenüber den Zufallsbewegungskräften ist, die den Lichtbogen über ein nicht permeables Target bewegen. Die Fähigkeit des N-Rings, den Lichtbogen festzuhalten, war ein echter Test des N-Rings. In engem Abstand angeordnete elektrostatische Abschirmungen, die auf nicht permeablen Targets ziemlich gut arbeiten, fallen bei permeablen Tar gets nahezu vollständig aus, da der Lichtbogen schnell in den Spalt bewegt wird, wo er erlischt.

In den Fig. 3a, 3b, 4a und 4b sind unter Verwendung von Eisenfeilspänen erzeugte Diagramme bei verschiedenen Be dingungen mit permeablen und nicht permeablen Targets dar gestellt. In Fig. 3a ist eine bei Annäherung an die Eisen platte 26 immer kleiner werdende Flußdichte 25 zu erkennen, da die Kraftlinien (von denen nur die Querschnitte zu er kennen sind) in das Eisen gezogen werden, weil sie sich in diesem leichter bewegen. Im Falle eines Targets 28 aus Aluminium bleibt der Fluß bei der Annäherung an die Platte sehr konstant, wie Fig. 3b zeigt. Bei Annäherung an die Kante des Targets gemäß Fig. 4b tritt im Falle des Targets aus Aluminium keine Änderung ein. Wie jedoch Fig. 4a zeigt, erzeugt die Verschiebung zum Rand des aus Eisen bestehen den Targets einen ziemlich starken Fluß außerhalb des Targets, während innerhalb nahezu kein Fluß auftritt. Mit der auf den Lichtbogen nach außen einwirkenden Kraft läßt sich gut verstehen, daß der Lichtbogen zum Außenrand wan dert. Wenn sich der Lichtbogen exakt in der Targetmitte befindet, treten keine Kräfte auf, jedoch wird er aufgrund der normalen Wanderungsbewegungen sehr schnell aus der Mitte gestoßen. Mit der Annäherung an einen Rand verviel facht sich die gegen den Rand gerichtete Kraft. Es ist daher ganz logisch, daß die in Fig. 2a dargestellte Ero sion auftritt, da der Lichtbogen zwischen der nach außen gerichteten induzierten elektromagnetischen Kraft und dem N-Ring festgehalten wird, der ihn an einer weiteren nach auswärts gerichteten Bewegung hindert. Lediglich in Rich tung in die Zeichenebene der Fig. 2a besteht eine relati ve Bewegungsfreiheit. Daher bewegt sich der Lichtbogen senkrecht zum Einfangbereich um das Target. Es soll hier nicht der Versuch gemacht werden, die Lichtbogenbewegung in vollem Umfang zu definieren, sondern es sollen nur ge wisse Aspekte aufgezeigt werden, die zum Zwecke der Steue rung durch die Verwendung permeabler Ablenkorgane getrennt vom Target merklich beeinflußt werden können.

Es ergibt sich, daß in der Ausführungsform von Fig. 1 mit der Annäherung an den permeablen Ring durch einen Lichtbogen eine geringere Flußdichte auftritt, da sich die Kraftli nien leichter in dem Ring bewegen. Das vom Strom des im Vakuum erzeugten Lichtbogens hervorgerufene Magnetfeld tritt insbesondere mit dem permeablen Begrenzungsring so in Wechselwirkung, daß der Lichtbogen vollständig auf dem Target festgehalten wird. Die auf den Lichtbogen einwir kende Kraft ist also vom Ring weg in das Gebiet größerer Flußdichte auf dem Target gerichtet.

Die häufig beobachtete und beschriebene Empfindlichkeit des Lichtbogens auf magnetische Wechselwirkungen läßt sich aufgrund des oben geschilderten Mechanismus besser ver stehen. Eine unebene Targeterosion wird beim Einfluß ent fernter Magnetfelder beobachtet, wie sie die Gleichstrom zuleitung zur Lichtbogenkatode mit sich bringt. Ein of fensichtliches Problem beim Beschichten permeabler Sub strate ist die Auswirkung von Restmagnetismus in den Sub straten. Dieses Problem kann jedoch gemäß einem Aspekt der Erfindung beseitigt werden, wonach permeable Ablenk organe zur Lichtbogensteuerung benutzt werden. Solche Ab lenkorgane können die Empfindlichkeit für diese äußeren magnetischen Einflüsse merklich reduzieren, da diese Ab lenkorgane als magnetische Abschirmungen wirken. In die sem Zusammenhang sei auf Fig. 7 verwiesen, in der die Ver wendung einer permeablen magnetischen Abschirmung 40 dar gestellt ist, die dazu dient, das nicht permeable Target 10 gegen die Einflüsse solcher entfernter Magnetfelder abzuschirmen. Ferner sei bemerkt, daß eine Platte 41 aus permeablem Material entweder zusätzlich zu der Abschirmung 40 oder an deren Stelle an der Unterseite des nicht per meablen Targets 10 angebracht werden kann, wobei die Platte 41 auch schwache magnetische Einflüsse von außen abschirmt.

In dem oben erwähnten Aufsatz von Naoe et al. wird die Lichtbogenbewegung in einem permeablen Schmelztiegel als eine extrem langsame und methodische Bewegung beschrieben.

Es gibt viele physikalische und chemische Unterschiede zwi schen der dort beschriebenen Arbeit und der vorliegenden Erfindung. Die visuelle Beobachtung des Lichtbogens nach der Erfindung ergibt eine relativ langsame, zufällige Zickzackbewegung auf der nicht permeablen Katodenober fläche. Ein frisch poliertes Target, auf das ein Lichtbo gen für die Dauer von etwa nur einer Sekunde eingewirkt hat, zeigt jedoch eine nahezu gleichmäßige merkliche Ero sion auf seiner gesamten Oberfläche. Die Geschwindigkeit, mit der der Lichtbogenfleck seine zufällige Bewegung aus geführt hat, ist offensichtlich sehr viel größer als das optisch beobachtete Phänomen. Es sind wahrscheinlich nur Linien der Lichtbogenbewegung zu erkennen, die fortlaufend und wiederholt auftreten, wobei eine wesentlich schnellere Bewegung vorhanden ist, die zu schnell und zu zufällig ist, als daß sie anders als eine allgemeine Helligkeit zwischen den Linien gesehen werden kann. Es gibt sogar zwei Arten (und Mechanismen) von Lichtbogenflecken, von denen berich tet wird (hier sei beispielsweise auf V. Rakhovskii, "Experimental Study of the Dynamics of Gathode Spots Developments", IEEE Transactions on Plasma Science, Band PS-4, Nr. 2, Juni 1976 verwiesen). Es ist somit nicht be kannt, wie die Beobachtungen von Naoe zu interpretieren sind. Bewegt sich ihr Lichtbogen sehr langsam, oder sehen sie nur die fortlaufenden und sich wiederholenden Erschei nungsformen? Sie erzeugen den Lichtbogen aus einem stark elektronenemittierenden Material und aus einem echten Schmelzzustand, und überdies tritt der Lichtbogen inner halb eines hochpermeablen Rohrs auf. Somit kann aus ihrer Arbeit der alleinige Einfluß des Rohrs aus permeablem Ma terial nicht klar abgeleitet werden. Die Anmelderin der vorliegenden Anmeldung hat daher eine besondere Reihe von Experimenten durchgeführt, um festzustellen, ob eine schnelle Bewegung in diesem relativ magnetfeldfreien Be reich nicht auftritt; diese Tests sind in den Fig. 5a, 5b, 6a und 6b dargestellt. Wenn eine schnelle Bewegung nicht auftritt, wäre dies eine zu beachtende Angelegenheit, da eine gleichmäßige Lichtbogenbewegung über die gesamte wirksame Targetfläche zur Optimierung der Targetausnutzung bevorzugt ist und ein zu großer Einfluß eines Ablenkorgans dies verhindern würde. Es scheint so, als seien Ferrit materialien der ungünstigste Fall, während weniger per meable Materialien, beispielsweise Flußstahl, leichter zu behandelnde Materialien für Ablenkorgane sind. Ferner hat es den Anschein, daß die Wirkung ungenügend sein kann, wenn sie übertrieben wird, liegt die richtige Antwort mit einem gewissen Grad an Einzigartigkeit dazwischen.

Fig. 5a zeigt eine Situation, die der von Naoe et al. am ähnlichsten ist, wobei ein stromführender Leiter 30 in der Mitte einer Eisenschale 32 mit einem Eisenrohr 34 (Durch messer 12,5 cm) und einer eisernen Bodenplatte 36 ange bracht ist. In dem Eisenrohr 34, das zum Prüfen der Eisen feilspäne benutzt wird, können die Ergebnisse nicht von denen von Fig. 3a unterschieden werden. Die absolute Feld stärke um den Draht wird bei dieser rudimentären Messung natürlich nicht festgelegt. Die magnetische Felstärke nimmt mit dem Durchmesser des Rings und mit seiner Permea bilität ab. Die Ringhöhe ist ein in der gleichen Richtung wirkender Faktor.

Fig. 5b zeigt ein stärkeres Feld auf der Innenseite des Drahts 30, nahezu entgegengesetzt zu dem Feld von Fig. 4a. Das innenliegende Feld würde einen Lichtbogen vom Ring wegziehen. In den Fig. 6a und 6b wird der Eisenring 34 mit einem nicht permeablen Target 38 (aus Aluminium) be nutzt. Die Ergebnisse zeigen kein reduziertes Feld nahe dem Target, wie dies in Fig. 5 der Fall ist.

Zusätzlich zur Eingrenzung des Lichtbogens auf die vorge sehene Targetfläche ist es erwünscht, daß der Eingren zungsmechanismus nicht die gleichmäßige Erosion des Tar gets zerstört. Mit Hilfe des N-Rings wird dies erreicht, da er keinen Einfluß ausübt, wenn der Lichtbogen nicht auf ihn übergreift. Der P-Ring hat jedoch gewisse Fernwirkun gen. Dies bedeutet, daß seine Konstruktion von Bedeutung ist. Ein zu großer und zu schwerer P-Ring hat zur Folge, daß der Lichtbogen zu gut in der Mitte verweilt, was zu einer flachen, schalenförmigen Erosion führt. Ein zu kur zer und zu leichter Ring macht es möglich, daß der Licht bogen den Ring angreift, wenn er auf Katodenpotential liegt. Ein Erniedrigen des Rings bis zur Erzielung eines richtigen Gleichgewichts ist daher wichtig. In manchen Fällen können die N- und P-Wirkungen kombiniert werden, indem ein permeabler Ring mit Nitrid beschichtet wird. Die oben beschriebenen Experimente haben somit die Theo rie bestätigt, wie sie von der Anmelderin verstanden wird.

Ein Lichtbogen läuft oft in wenigen Zehntel Sekunden von der Oberfläche eines ungeschützten nicht permeablen Tar gets weg. Wenn jedoch beispielsweise der Ring 14 von Fig. 1 aus einem einfachen Weicheisenring mit einer Dicke von 3,2 mm besteht; der dicht um den Rand des Targets 10 an geordnet ist, muß sich der Ring 14 nur um etwa 3,2 mm über die Targetoberfläche erstrecken, um eine gute Lichtbogen eingrenzung herbeizuführen. Dieser Eisenring wird schnell mit dem Targetmaterial überzogen, und in einer großen An zahl von Tests zeigte sich kein Fall, bei dem sich der Lichtbogen auf dem beschichteten Eisenring bewegte. Erst wenn der Ring so weit abgesenkt wird, daß er praktisch bündig mit dem Target abschließt, bewegt sich der Licht bogen erneut über die Kante hinweg. Eine vorzuziehende Obergrenze für die Höhe des Rings über dem Target liegt bei etwa 6,4 mm, damit der Lichtbogen nicht zu sehr auf den Mittelbereich des Targets begrenzt wird, obwohl na türlich in manchen Fällen diese obere Grenze beträchtlich überschritten werden kann.

Es sei bemerkt, daß das permeable Material des Begrenzungs rings eine höhere Lichtbogenspannung als das Targetmaterial hat. In der Literatur wird berichtet, daß ein Lichtbogen, der von einem Material mit höherer Lichtbogenspannung zu einem Material mit niedrigerer Lichtbogenspannung gewan dert ist, nicht mehr zurückkehrt. Dies wird lediglich bei läufig erwähnt. Es bietet sich jedoch eine zusätzliche Möglichkeit, eine Eingrenzung des Lichtbogens zu erzielen. Außerdem stellt sich die Frage, was geschieht, wenn eine ausreichende Schicht des Targetmaterials mit niedrigerer Lichtbogenspannung als Überzug über dem anderen Material angebracht ist. Auf jeden Fall wird Eisen als das Metall mit der höchsten Lichtbogenspannung angegeben, so daß die Lichtbogenbegrenzung nach der Erfindung unter beiden Ge sichtspunkten vorteilhaft ist, d.h. hinsichtlich der hohen Lichtbogenspannung und hinsichtlich der Permeablilität. Die Permeabilität ist jedoch der Hauptfaktor, da der Licht bogen die Neigung zeigt, fast zu weit vom Begrenzungsring entfernt zu verweilen, wobei sich eine Modifikation des Erosionsmusters ergibt. Dies ist von einem von einem N- Ring festgehaltenen Target ziemlich verschieden, das bis sehr nahe an den Ring heran sehr gleichmäßig erodiert. Jedoch ist auch der P-Ring nach der Erfindung wegen seiner robusten und doch kostengünstigen Konstruktion sehr vor teilhaft.

Ferner sei bemerkt, daß dann, wenn der Lichtbogenstrom so stark erhöht wird, daß zwei Katodenflecke auftreten, die Katodenflecke die meiste Zeit in größeren Abständen von der Targetmitte zu verbringen scheinen, als dann, wenn nur ein einzelner Katodenfleck aktiv ist. Dies ergibt sich aus dem obigen einfachen Modell, da sich das Magnetfeld zwi schen den Katodenflecken aufheben sollte, wodurch die Katodenflecke in Verfolgung des stärkeren Feldes ausein anderwandern. Die Katodenflecke erfahren somit eine Ab stoßung sowohl vom P-Ring als auch voneinander. Das Ergeb nis ist ein breiteres Erosionsmuster, als es mit einem einzigen Katodenfleck erzielt wird. Auf diese Weise ist es möglich, die Targeterosion durch Ändern des fließenden Stroms zu beeinflussen.

In den Fig. 8a und 8b ist zu erkennen, daß zum Festhal ten des Lichtbogens auf dem nicht permeablen Target ziem lich kleine Mengen an permeablem Material, beispielsweise die permeablen Einsätze 42 und 44, erforderlich sind. Nicht permeable Targetklemmen 46 müssen somit nur einen Einsatz 42 oder 44 aus Eisen oder einem anderen permeablen Material zur Erzielung der Eingrenzungsfunktion tragen, wie die Fig. 8a und 8b erkennen lassen.

In den Fig. 9 bis 12 ist die Ausdehnung des Konzepts der Verwendung eines P-Rings auf nicht ebene Targetformen dargestellt. Wie zu erkennen ist, kann die permeable Be grenzungsvorrichtung auf einen breiten Bereich von Ausge staltungen angepaßt werden, und sie repräsentiert ein grundlegendes Konzept; in jeder der Figuren ist dabei das nicht permeable Target mit dem Bezugszeichen 10 angegeben, und die permeable Begrenzungsvorrichtung trägt das Bezugs zeichen 14.

Die in den Fig. 9 und 10 dargestellten Ausführungsbei spiele arbeiten einwandfrei, so daß auch die in Fig. 11 dargestellte Kombination aus jeweils einer Hälfte der bei den erstgenannten Ausführungsformen einwandfrei arbeitet. Die Ausführungsformen der Fig. 9 bis 11 können auch auf rechtwinklige Targetformen ausgedehnt werden. Es sei be merkt, daß keine auf den Lichtbogen einwirkende Antriebs kraft beobachtet wird, die ihn veranlaßt, ein ausgedehntes Target gleichmäßig zu überdecken, so daß eine zu weite Ausdehnung der Abmessungen zu einer ungleichmäßigen Erosion führen kann. Die Fig. 12a und 12b zeigen die erweiterten ebenen Formen der Fig. 9 bzw. 10. Diese Ausführungen sind von besonderer Art, da die Ringe 14 in Richtung der Pfeile über ein größeres Target 10 bewegt werden können, damit nacheinander eine örtliche Benutzung erzielt wird, wie sie beispielsweise in Fig. 12b bei 20 a und 20 b darge stellt ist.

Wie bereits erwähnt wurde, wird in der Literatur wieder holt auf die Bedeutung von Ultrareinbedingungen für die Targetanordnung hingewiesen, jedoch findet sich kaum eine Beschreibung des Verhaltens eines mit Oxiden und dergleichen verunreinigten Targets. Es ist angegeben, daß Oxide an der Oberfläche verdampft oder durch Explosion beseitigt werden, ehe eine brauchbare Metallverdampfung beginnen kann. Der größte Teil des Entfernens dieser Ver unreinigungen geschieht in der anfänglichen Reinigungs phase des Targets, in der das Substrat in einigen Fällen aus dem System herausgenommen ist. Während dieser Zeit periode werden Katodenflecke des sogenannten Typs 1 er zeugt, die zu keiner wirksamen Verdampfung des Targets führen. Erst nach dem wirksamen Entfernen der Verunreini gungen werden die Katodenflecke durch Katodenflecke des sogenannten Typs 2 ersetzt, die eine Verdampfung des Tar gets bewirken. An diesem Zeitpunkt kann das Substrat in das System als Vorbereitung zu seiner Beschichtung einge führt werden, wenn es sich nicht bereits an Ort und Stelle befindet.

Der N-Ring scheint den Lichtbogen auf dem Target während der anfänglichen Reinigungsphase sogar dann festzuhalten, wenn das Target in einem verschmutzten Zustand zusammen gebaut wird. Der P-Ring ist nicht ein so absolutes Abstoß mittel, so daß der Lichtbogen während der ersten wenigen Anfangszündungen im Verlauf der einleitenden Reinigungs phase auf das Target und den Ring 16 laufen kann. Sobald das Target ausreichend sauber zum Verdampfen von Target material ist, wird der unmittelbar an das Target angren zende Abschnitt des Rings beschichtet, und die Steuerung des Lichtbogens wird ganz gut. Während der anfänglichen Reinigungsphase kann sich der Lichtbogen jedoch zur Rück seite und zu den Seiten des Katodenkörpers 12 bewegen, wo er den Aufbau zerstören oder verunreinigende Metalle in die Kammer verdampfen kann.

Es wird nun auf die Fig. 13a und 13b Bezug genommen; Fig. 13a ist etwa die linke Hälfte einer rotationssymme trischen Anordnung, und Fig. 13b ist die rechte Hälfte einer solchen Anordnung. Jede dieser Ausführungsformen hat die Wirkung, dem während der anfänglichen Reinigungs phase auf den P-Ring 14 gelangenden Lichtbogen daran zu hindern, sich auf den Katodenkörper zu bewegen. In Fig. 13a ist in geringem Abstand, d.h. weniger als 3,2 mm und vorzugsweise zwischen 0,8 mm und 1,6 mm, vom P-Ring 14 eine nicht permeable Elektrode 48 angebracht, die über oder um den Ring angeordnet sein kann. Vorzugsweise soll zumindest während der anfänglichen Reinigungsphase allen Teilen der Katode Anodenpotential gegenüberliegen. Dies bedeutet, daß die Elektrode 48 an diesem Zeitpunkt entweder an das Anodenpotential gelegt ist oder daß dieses Potential auf der Elektrode 48 induziert werden soll, wenn sie nicht an ein festes Potential gelegt ist. Die in Fig. 13a dargestellte Ausführungsform enthält auch einen Isolator 50 zum elektrischen Isolieren der Elektrode 48 gegenüber dem Katodenkörper 12, Kühlrohre 52, Bolzen 54 zum Befestigen der Elektrode 48 am Isolator 50 und Bolzen 56 zum Befestigen des Isolators am Katodenkörper 12.

Während der anfänglichen Reinigungsphase kann der Licht bogen im Betriebszustand auf den P-Ring 14 laufen, wie oben erwähnt wurde. Wenn er jedoch versucht, sich vom Ring wegzubewegen, erlischt er, da er sich in den Zwischen raum zwischen dem Ring und der Elektrode 48 bewegt. Der Lichtbogen wird somit daran gehindert, sich auf den Kato denkörper zu bewegen, wo er eine Zerstörung und/oder Verunreinigung hervorrufen kann.

Bisher sind in engem Abstand angeordnete Abschirmungen verwendet worden, um einen Lichtbogen daran zu hindern, sich von einem Target zur Katode oder dergleichen zu be wegen. Bisher wurde dabei jedoch angegeben, daß die Ab schirmung oder Anode dicht beim Target nicht nur während der anfänglichen Reinigungsphase, sondern auch während der Targetverdampfungsphase verbleiben muß, wenn das Targetma terial als Schicht auf dem Substrat niedergeschlagen wird. Nach der Erfindung wird die Elektrode 48 nicht nur zum Festhalten des Lichtbogens auf dem P-Ring 14 verwendet, sondern sie kann auch entfernt oder zu einem anderen Be reich der Kammer bewegt werden, nachdem die anfängliche Reinigungsphase beendet ist. Dies bedeutet, daß nach deren Beendigung das Target gemäß den obigen Ausführungen ver dampft werden kann, so daß der unmittelbar an das Target angrenzende Abschnitt des P-Rings 14 mit Targetmaterial beschichtet wird, worauf die Steuerung sehr gut wird und auch ein einzelner Katodenfleck über einen Zeitraum von vielen Stunden ohne Erlöschen oder Übergreifen im Betrieb bleiben kann. Die Elektrode 48 kann somit vom Ring ent fernt und für andere Zwecke benutzt werden, falls dies erwünscht ist. In Fig. 13b ist die Elektrode 48 aus per meablem Material hergestellt, so daß der P-Ring in die Elektrode 48 einbezogen ist. Außerdem kann das nicht per meable Target 10 mit dem Katodenkörper 12 verbunden werden. Im Betrieb arbeitet die Elektrode 48 von Fig. 13b ebenso wie die Elektrode 48 von Fig. 13a, indem sie während der anfänglichen Reinigungsphase eine Verunreinigung des Ka todenkörpers verhindert.

Es ist zu erkennen, daß die obige genaue Beschreibung ver schiedener Ausführungsformen der Erfindung nur der Erläu terung von Beispielen dient. Im Rahmen der Erfindung kön nen verschiedene Einzelheiten der Ausführung und der Kon struktion ohne weiteres abgeändert werden.

Claims

1. Vorrichtung zum Stabilisieren eines Verdampfungslichtbo gens, mit einem Target mit einer Fläche aus nicht permeablem, zu verdampfendem Material, Mittel zum Erzeugen eines Lichtbo gens auf der Targetfläche zum Verdampfen des Targetmaterials, wobei für den Lichtbogen die Anwesenheit geladener Teilchen und ein sich wahllos über die Targetfläche bewegender Katoden fleck charakteristisch sind, gekennzeichnet durch einen die Targetfläche umgebenden Begrenzungsring (14) aus einem magne tisch permeablen Material, der die Targetfläche berührt und sich bis in eine Höhe bis wenigstens etwa 3,2 mm über der Tar getfläche erstreckt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das permeable Material Eisen oder Permalloy ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Begrenzungsring (14) um nicht mehr als etwa 6,4 mm über die Targetfläche hinausragt.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das Target (10) eine zylindrische Form hat und daß der Begrenzungsring (14) erste und zweite Teile aufweist, die an den jeweiligen Enden des Targets (10) angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser der beiden Teile des Begrenzungsrings (14) größer als der des zylindrischen Targets (10) sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser der beiden Teile des Begrenzungsrings (14) kleiner als der des zylindrischen Targets (10) sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser des ersten und des zweiten Teils des Begren zungsrings (14) größer bzw. kleiner als der des zylindrischen Targets (10) sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das Target (10) eben ist, daß der Begrenzungsring (14) wenigstens einen Teil der Targetfläche umgibt und daß Mittel vorgesehen sind, mit denen das Target (10) in bezug auf den Begrenzungsring (14) so bewegt werden kann, daß der Begrenzungsring (14) einen weiteren Abschnitt der Targetfläche umgibt, so daß der Katodenfleck auf diesen weiteren Abschnitt der Targetfläche begrenzt wird.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das Target (10) in einer Relativbe wegung durch den Begrenzungsring (14) hindurch beweglich ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Begrenzungsring (14) in einer Relativbewegung parallel zur Ebene der Targetfläche beweglich ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Begrenzungsring (14) ein aus permeablem Material bestehendes Substrat und eine darauf ange brachte Beschichtung enthält, die aus Bornitrid, Titannitrid oder Mischungen dieser Materialien besteht.