DE3912572A1

DE3912572A1 - Zerstaeube-vorrichtung

Info

Publication number: DE3912572A1
Application number: DE3912572A
Authority: DE
Inventors: Junji Nakada; Hideaki Takeuchi
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 1988-04-20
Filing date: 1989-04-17
Publication date: 1989-11-02
Also published as: JPH01268869A; US4956070A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Her stellen eines dünnen Filmes durch Aufstäuben und insbesondere eine Zer stäube-Vorrichtung nach Art eines Magnetrons, von der die Geschwindigkeit re gelbar ist, mit derein dünner Film niedergebracht wird.

Stand der Technik

Bei einer bekannten Zerstäube-Vorrichtung wird eine Glimmentla dung in einer Niederdruck-Argonatmosphäre oder dgl. hervorgerufen, und Plasmaionen läßt man mit einer Antikathode kollidieren, um aus dieser Atome loszureißen, die dann auf einer der Antikathode gegenüberstehenden Grund platte niedergebracht werden. Bei einer Zerstäube-Vorrichtung nach Art eines Magnetrons wird insbesondere ein Magnetfeld erzeugt, das zur Antikathode im wesentlichen parallel verläuft und das elektrische Feld senkrecht schnei det. In solch einer Vorrichtung ist die Geschwindigkeit hoch, bei der der dünne Film niedergebracht wird, und Gefahren für die Grundplatte und ein Anstieg der Plattentemperatur werden verhindert. Wegen dieser Vorteile wer den Zerstäube-Vorrichtungen nach Art eines Magnetrons in weitem Umfange angewendet.

Eine bekannte Zerstäube-Vorrichtung nach Art eines Magnetrons enthält einen Magnetfeld-Generator mit einem Permanentmagneten oder einen Elektromagneten, der nahe bei der Rückseite der Antikathode angeordnet ist.

Neuerdings wurde eine Zerstäube-Vorrichtung mit mehreren Katho thoden beschrieben, mit der ein dünner Mischfilm hergestellt werden kann, während die Zusammensetzung des Filmes beeinflußt wird. In der Fig. 4 ist eine schematische Ansicht eines größeren Abschnittes einer Vorrichtung wiedergegeben, bei der zwei Antielektroden 41 A und 41 B jeweils aus unter schiedlichem Material vorgesehen sind. Der Gestalt der Antielektroden 41 A und 41 B angepaßte Permanentmagnete 42 A und 42 B sind an deren Rückseite angeordnet, während an der Vorderseite der Antielektroden durch den Nord pol und Südpol der Magnete tunnelförmig geschlossene Magnetfelder Xa erzeugt werden. Zu der Zeit einer zerstäubenden Entladung werden von den tunnel förmig geschlossenen Magnetfeldern Plasmaelektronen eingefangen, und in dem Plasma wird eine Ionisation gefördert, um die Geschwindigkeit des Zerstäu bens zu erhöhen. Unterlagen 6, auf denen die Filme niedergebracht werden, sind an einem Halter 7 angeordnet.

Bei einem Verfahren zur Aufbringung dünner Mischfilme, die je aus gegenseitig unterschiedlichen, geschichteten Atomlagen zusammengesetzt sind, werden vor den Antikathoden 41 A und 41 B angeordnete Blenden 45 A und 45 B wahlweise geöffnet und geschlossen, und der Halter wird zur Aufbringung der dünnen Mischfilme gedreht. Von Stromquellen 44 A und 44 B werden Spannun gen von gewünschter Höhe an den Antikathoden 41 A und 41 B aufrechterhalten. Da die Tiefe jeder gebildeten Schicht des dünnen Mischfilmes mechanisch durch die Öffnungs- und Schließgeschwindigkeit der Blenden 45 A und 45 B begrenzt wird, ist es unmöglich, einen dünnen Mischfilm mit periodischer Schichtenfolge (Schichtentiefe) von ungefähr 10 Å in mehreren Linien von 10 Å niederzubringen. Mit anderen Worten gesagt, ist es unmöglich, unter An wendung eines solchen Verfahrens die Dicke jeder Schicht eines solchen Filmes kleiner zu machen.

Bei einem anderen Verfahren zum Niederbringen dünner Mischfilme sind für die Antikathoden 41 A und 41 B unabhängige Stromquellen 44 A und 44 B vorhanden, und die Zeitspannen, in denen von den Stromquellen aus die Span nung an die Antikathoden angelegt wird, werden unabhängig voneinander eingestellt, um wahlweise die Zeitdauer der Entladung an den Antikathoden zu verändern. Beim letzteren Verfahren können die dünnen Mischfilme in der gewünschten Form und Dicke dadurch niedergebracht werden, daß die Zeitdauer zur Anlegung der Spannungen an den Antikathoden 41 A und 41 B abgeändert wird. Änderungen bezüglich der Zeitdauer zur Anlegung der Spannung können jedoch zu einer Schädigung der Stromquellen 44 A und 44 B führen, wie unten ausführ licher beschrieben wird.

Wenn die Spannungen an die Antikathoden 41 A und 41 B angelegt werden, ist vor der Erzeugung des Plasmas die Änderung der Impedanz so groß, daß ein beträchtlicher Anlaßstrom fließt. Wenn daher die Periode einer Anlegung und Wegnahme der Spannung kurz ist, führt nicht nur eine uner wünschte Störung der zerstäubenden Entladung, die durch den vorübergehenden Anlaßstrom verursacht wird, sondern auch die Neigung verschiedener Kompo nenten der Stromquellen 44 A und 44 B zur Überhitzung zu Schäden. Aus jenem Grund ist die Periode einer Anlegung und Wegnahme der Spannungen an bzw. von den Antikathoden 41 A und 41 B durch den Betrieb der Stromquellen 44 A und 44 B beschränkt, wodurch wieder die Niederbringung eines dünnen Mischfilmes mit einer periodischen Folge von so kleinen Schichten wie 10 Å auf mehreren Linien von 10 Å verhindert wird.

Übersicht über die Erfindung

Demgemäß ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Zer stäube-Vorrichtung nach Art eines Magnetrons anzugeben, bei der die An- und Abschaltperiode einer der Zerstäubung dienenden Entladung, nämlich die Geschwindigkeit einer Niederbringung eines dünnen Filmes, der aus sich voneinander unterscheidenden Materialschichten zusammengesetzt ist, ohne eine übermäßige elektrische Belastung der Stromquelle der Vorrichtung beein flußt werden, wodurch die periodische Schichtenfolge so gering wie 10 Å auf mehreren Linien von 10 Å oder weniger hergestellt werden kann.

Bei der vorgesehenen Zerstäube-Vorrichtung gemäß der vorliegen den Erfindung sind kathodenseitig zwei unterschiedliche Arten von Gegen elektroden, anodenseitig eine Unterlage, auf der die Aufstäubung erfolgt, und ein Magnetfeld-Generator vorgesehen, von dem nahe an den Vorderseiten der Gegenelektroden Magnetfelder erzeugt werden, die zwischen der Unterlage und den Gegenelektroden erzeugte elektrische Felder im wesentlichen senkrecht schneiden. Die Zerstäube-Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeld-Generator zur Erzeugung der Magnetfelder Hauptmagnete und zu sätzliche, nahe an den Hauptmagneten vorgesehene oder mit diesen kombinier te Elektromagnete enthält und elektrische Ströme zur Erregung der zusätzli chen Elektromagnete derart beeinflußt werden, daß zur Regulierung der der Zerstäubung dienenden Entladung sich die Stärke der Magnetfelder verändert.

Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines größeren Teiles einer Zerstäube-Vorrichtung, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform konstruiert ist,

Fig. 2 veranschaulicht einen Verlauf des elektrischen Stromes zur Erregung der beiden Elektromagnete bei der Vorrichtung der Fig. 1,

Fig. 3 gibt die Phasendifferenz zwischen den elektrischen Strömen zur Erregung der Elektromagnete der Vorrichtung wieder, und

Fig. 4 ist eine schematische Ansicht eines größeren Teiles einer bekannten Zerstäube-Vorrichtung.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Anschließend ist eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegen den Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines größeren Teiles einer Zerstäube-Vorrichtung, die gemäß der Erfindung aufgebaut ist. Diese enthält ein Vakuumgefäß 10, das von einer Vakuumpumpe oder dgl. (nicht gezeigt) über einen Gasauslaß 11 bis zu einem erwünschten Druck von Gas entleert werden kann. Ein geeignetes Gas kann durch eine Gaseinlaßöffnung 12 in das Vakuumgefäß 10 eingebracht werden.

In dem Vakuumgefäß 10 sind kathodenseitig zwei Gegenelektroden 1 A und 1 B vorgesehen. Anodenseitig ist im Vakuumgefäß 10 ein Halter 7 vor gesehen, an dem eine Unterlage 6, den Gegenelektroden 1 A und 1 B gegenüber liegend, abnehmbar befestigt ist. Mit der Gegenelektrode 1 A ist eine Strom quelle 8 A verbunden.

Ein Magnetfeld-Generator mit einem als Hauptmagnet dienenden Permanentmagnet 3 A und mit einem als Hilfsmagnet dienenden Elektromagnet 5 A sind, entgegengesetzt zur Anodenseite, hinter der Gegenelektrode 1 A ange ordnet. Nahe an der Vorderseite (in der Fig. 1 der an der oberen Seite) erzeugt der Permanentmagnet 3 A ein geschlossenes Magnetfeld Xa. Dieses geschlossene Magnetfeld Xa schneidet das zwischen der Anode und Kathode der Zerstäube-Vorrichtung erzeugte elektrische Feld im wesentlichen senkrecht. Die Stärke des Magnetfeldes Xa kann durch eine Regulierung des den Elektro magnet 5 A antreibenden Stromes verändert werden. Der Permanentmagnet 3 A weist einen peripheren, sich längs dem im wesentlichen ganzen Rand der Gegenelektrode 1 A erstreckenden Magnetpol und einen zentralen, im wesentli chen in der Magnetmitte gelegenen Magnetpol auf, damit zwischen den Magnet polen das geschlossene Magnetfeld Xa erzeugt wird. Der periphere Magnetpol und der zentrale Magnetpol sind magnetisch durch ein Joch 4 A miteinander gekoppelt, das aus einem weichmagnetischen Material hergestellt ist. Eine Spule des Elektromagneten 5 A umgibt einen Teil des Joches 4 A, der heraus ragt und den zentralen Magnetpol des Permanentmagneten 3 A haltert. Um die Stärke des Magnetfeldes Xa abzuändern, kann eine Stromquelle 9 des Elektro magneten 5 A eingestellt werden.

Hinter der anderen Gegenelektrode 1 B ist ein Magnetfeld-Genera tor derselben Konstruktion und Arbeitsweise wie der oben beschriebene Magnetfeld-Generator angeordnet. Auch er enthält einen als Hauptmagnet dienenden Permanentmagnet 3 B und einen als Hilfsmagnet dienenden Elektro magneten 5 B, sowie ein Joch 4 B.

Die Gegenelektroden sind aus gegenseitig unterschiedlichen Metallen, nämlich aus einem Übergangselement und einer Seltenen Erde herge stellt. Beispielsweise kann die Gegenelektrode 1 A aus einer Eisen-Kobalt- Legierung und die andere Gegenelektrode 1 B aus einer Neodym-Dysprosium- Legierung bestehen. Jede Gegenelektrode 1 A bzw. 1 B kann als Scheibe gestal tet sein, obgleich hier die Gestalt nicht auf sie beschränkt ist.

Der Randabschnitt der beiden Permanentmagnete 3 A und 3 B braucht sich monolitisch (= als ein Stück) nicht längs der Peripherie der entspre chenden Gegenelektrode zu erstrecken und kann aus mehreren säulen- oder prismenartigen Magneten hergestellt sein, die längs der Peripherie neben einander angeordnet sind.

Da infolge der der Zerstäubung dienenden Entladung die Tempera tur der Gegenelektroden 1 A und 1 B ansteigt, wodurch die Wirksamkeit der Zerstäubung geringer wird, ist zur Reduzierung der Temperatur eine bekann te Kühlanordnung vorgesehen, deren Kühlwasser unterhalb der Gegenelektroden strömt.

Auch an der Rückseite der Unterlage 6, auf der ein dünner Film durch Zerstäuben niedergebracht wird, kann eine bekannte Kühlanordnung mit Wasserdurchlauf oder eine bekannte Heizvorrichtung angeordnet sein, um die Unterlage je nach den Eigenschaften des dünnen Filmes zu kühlen oder zu erwärmen.

Die Stärke der von den Permanentmagneten 3 A und 3 B erzeugten Magnetfelder ist zur magnetischen Sättigung der Gegenelektroden 1 A und 1 B ausreichend groß, ohne daß ein elektrischer Strom durch die Elektromagnete 5 A und 5 B fließt. Für die Einstellung der der Zerstäubung dienenden Entla dung (Magnetron-Entladung) ist es wichtig, daß die Dichte des Magnetflusses in einer horizontalen Ebene in einem Abstand von 1 mm von der Vorderseite (der oberen Seite in der Fig. 1) der jeweiligen Gegenelektrode in einem Bereich von 80 bis 800 Gauß liegt. Falls die Dichte des Magnetflusses in der horizontalen Ebene kleiner als 80 Gauß ist, wird die der Zerstäubung dienende Entladung nicht bei einem Druck von 20 mTorr oder weniger aufrecht erhalten. Wenn die Dichte des Magnetflusses in der horizontalen Ebene 800 Gauß übersteigt, ist der Radius der vom Magnetfeld verursachten Rollbewegung der Elektronen zu gering, um die Ionisation wirkungsvoll zur Beibehaltung einer erwünschten Zerstäubungsgeschwindigkeit fördern zu können. Obwohl der obenerwähnte Dichtebereich des Magnetflusses in der horizontalen Ebene sich je nach gewissen Bedingungen, z. B. dem Druck oder der Art der Gasatmosphäre ändert, ist der Betrag der Änderung unter den normalen Bedingungen gering. Wenn die Dichte des Magnetflusses in der horizontalen Ebene also 80 bis 800 Gauß beträgt, kann eine Zerstäubung in richtiger Weise durchgeführt werden. Vorzugsweise soll die Magnetflußdichte in der Ebene 100 bis 600 Gauß sein.

Die Richtung des durch den jeweiligen Elektromagneten 5 A bzw. 5 B fließenden Stromes wird so eingestellt, daß die Stärke des Magnetfeldes ver ringert wird, das von dem entsprechenden Permanentmagnet 3 A oder 3 B erzeugt wird. Die kleinstmögliche Stärke des Magnetfeldes, die sowohl vom Permanent magnet als auch vom Elektromagnet bestimmt wird, wird so festgesetzt, daß bei magnetischer Sättigung der Gegenelektrode dasVerlustmagnetfeld Xb ent steht, dessen Flußdichtein der horizontalen Ebene 50 bis 100 Gauß beträgt. Falls die Stärke des Gesamtmagnetfeldes in der horizontalen Ebene 50 bis 100 Gauß ist, kann die der Zerstäubung dienende Entladung nicht beibehalten werden, wenn sich der Gasdruck im Vakuumgefäß 10 auf 20 mTorr oder weniger beläuft. Diese Entladung kann jedoch leicht dadurch aufrechterhalten werden, daß die Stärke des Gesamtmagnetfeldes von 50 bis 100 Gauß um weitere 50 bis 100 Gauß vergrößert wird, wie in der Fig. 1 durch das Magnetfeld Xa ange deutet ist.

Es ist wichtig, daß der Verlauf des durch den jeweiligen Elek tromagnet 5 A bzw. 5 B fließenden Stromes sinusförmig ist und um einen Wert I ₀ schwingt, wie in der Fig. 2 dargestellt ist. Falls dieser Stromverlauf rechteckig ist, wäre die in der Spule des Elektromagneten erzeugte elektro motorische Gegenkraft so enorm, daß wahrscheinlich die Bestandteile der Stromquelle 9 des Elektromagneten infolge des sich ergebenden Übergangs stromes beschädigt würden. In einem Abschnitt A (Fig. 2) des sinusförmigen Stromverlaufes durch den Elektromagneten ist die sich ergebende elektro motorische Kraft so niedrig, daß die der Zerstäubung dienende Entladung abgeschaltet wird. In einem anderen Abschnitt B der Periode nimmt die sich ergebende elektromotorische Kraft so weit zu, daß die der Zerstäubung dienende Entladung angeschaltet wird. Daher kann die Ein- und Abschaltung der der Zerstäubung dienenden Entladung in der Weise beeinflußt werden, daß je nach Wunsch die Periode der Sinuskurve eingestellt wird. Da die der Auf stäubung zu unterwerfende Gegenelektrode bereits magnetisch gesättigt ist, ist, selbst wenn die der Zerstäubung dienende Entladung im Abschnitt B abgeschaltet bleibt, der elektrische Strom für den Elektromagneten noch klein, bis diese Entladung eingeschaltet wird, und deshalb wird die Bela stung der Stromquelle für den Elektromagneten niedrig gemacht. Aus demselben Grund kann die der Zerstäubung dienende Entladung sehr leicht zwischen dem An- und Abschaltzustand geschaltet werden, sogar wenn die An- und Abschalt periode kurz ist.

Die durch die Elektromagnete 5 A und 5 B fließenden, elektrischen Ströme werden durch die Stromquelle 9 beeinflußt. Der Verlauf der Ströme wird derart festgelegt, daß ein Strom I _B zu einem passenden Zeitpunkt durch den Elektromagneten 5 B hindurchgeht, also unmittelbar vor dem Ende der der Zerstäubung dienenden Entladung, die von einem Strom I _A für den Elektroma gneten 5 A bestimmt ist, wie die Fig. 3 zeigt. Infolgedessen wird die Ein schaltung der der Zerstäubung dienenden Entladung ständig mit einer sehr kurzen Periode wiederholt und stabilisiert. Die Entladung erfolgt oberhalb einer Grenzlinie, die als strichdoppelpunktierte Linie in den Fig. 2 und 3 wiedergegeben ist. Aus diesen Gründen kann ein aus Schichten aufgebauter Film aus Gadolinium, Dysprosium, Eisen und Kobalt, bei dem die Dicke jeder Schicht 10 Å in Streifen von 10 Å beträgt und einer sehr kurzen Periode der der Zerstäubung dienenden Entladung entspricht, von der Zerstäube Vorrichtung gemäß der Erfindung auf der Unterlage 6 aufgebracht werden, obgleich nach dem bekannten Stand der Technik die Auftragung eines solchen dünnen Filmes sehr schwierig ist.

Obgleich bei der oben beschriebenen Ausführungsform Permanent magnete als Hauptmagnete des Magnetfeld-Generators benutzt werden, ist die vorliegende Erfindung hierauf nicht beschränkt und kann auch in anderer Weise derart ausgeführt werden, daß die Hauptmagnete von Elektromagneten gebildet sind. Darüberhinaus sind die Positionen der Elektromagnete, die die Hilfsmagnete des Magnetfeld-Generators darstellen, nicht auf jene der oben beschriebenen Ausführungsform beschränkt, sondern können in angemesse ner Weise abgeändert werden.

Bei der Zerstäube-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sind Permanent- und Elektromagnete miteinander als Haupt- und Hilfsmagnete kombiniert, und die elektrischen Ströme zur Erregung der Elektromagnete werden derart beeinflußt, daß die Magnetfelder , die die der Zerstäubung dienende Entladung bewirken, und andere Magnetfelder, die dies nicht tun, in einer kurzen Periode stabil bleiben. Infolgedessen kann ein dünner Film, der aus mehreren Schichten sich unterscheidender Materialien aufgebaut ist, und die eine geringere Dicke als der dünnste Film aufweisen, der von einer bekannten Zerstäube-Vorrichtung niedergebracht werden kann, stabil nieder geschlagen werden, ohne daß im Vergleich zu den bekannten Zerstäube-Vorrich tungen einer Stromquelle eine unzulässige Belastung auferlegt wird.

Claims

1. Zerstäube-Vorrichtung mit mindestens zwei unterschiedlichen Arten von kathodenseitig vorgesehenen Gegenelektroden, mit einer anodensei tig vorgesehenen Unterlage, auf der eine Aufstäubung ausgeführt wird, und mit einem Magnetfeld-Generator zur Erzeugung von Magnetfeldern, die nahe an den Vorderseiten der Gegenelektroden zwischen der Anode und den Gegenelek troden erzeugte elektrische Felder im wesentlichen senkrecht schneiden, enthaltend:

a) zusätzlich zu den die Magnetfelder erzeugenden Hauptmagneten in deren Nähe vorgesehene oder mit ihnen kombinierte Hilfs magnete und
b) elektrische Ströme liefernde Hilfsmittel, von denen die Elektro magnete erregbar sind, und die derart steuerbar sind, daß sich zur Regulierung der der Zerstäubung dienenden Entladung die Stärke der Magnetfelder ändert.

2. Zerstäube-Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Magnetfluß dichte in einer horizontalen Ebene, die sich in einem Abstand von 1 mm von der Vorderseite jeder der Gegenelektroden erstreckt, in einem Bereich von 80 bis 800 Gauß liegt.

3. Zerstäube-Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Magnetfluß dichte in einer horizontalen Ebene, die sich in einem Abstand von 1 mm von der Vorderseite jeder der Gegenelektroden erstreckt, in einem Bereich von 100 bis 600 Gauß liegt.

4. Zerstäube-Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die elektrischen Ströme in einer Richtung für eine Erzeugung eines Magnetfeldes angelegt werden, von dem ein von der Kombination der Elektromagnete und Hauptmagnete erzeugtes Gesamtmagnetfeld vermindert werden.

5. Zerstäube-Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der eine minimale Stärke eines von jedem Hauptmagnet und seinem entsprechenden Elektromagnet erzeugten Feldes zur magnetischen Sättigung der entsprechenden Gegenelek trode und zur Erzeugung eines Verlustmagnetfeldes bestimmt wird, dessen Flußdichte in einer horizontalen Ebene in einem Bereich von 50 bis 100 Gauß liegt.

6. Zerstäube-Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die elektrischen Ströme einen sinusförmigen Verlauf haben und durch einen Gleichstrom ver setzt sind.