DE4113704A1 - Schaltungsanordnung zur vermeidung der einfluesse von bogenentladungen bei reaktiven dc-hochratezerstaeuben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Vermeidung der Einflüsse von Bogenentladungen beim reaktiven dc-Hochratezerstäuben gemäß der Gattung der Patentansprüche. Eine derartige Schaltungsanordnung kann beispielsweise zur Aufbringung von Oxidschichten mit Hilfe des Gleichstrom-Hochratezerstäubens verwendet werden, die bei der Herstellung von Schreib- Lese-Köpfen in Dünnschichttechnik von erheblicher Bedeutung sind.

Die niedrigen erreichbaren Zerstäubungsraten beim HF-Zerstäuben von Oxidtargets bzw. beim reaktiven dc-Zerstäuben von Metalltargets können durch geeignete Wahl der Beschichtungsparameter beim reaktiven dc-Hochratezerstäuben vermieden werden. Hierzu wird das Target im Zerstäubungsvorgang weitgehend oxidfrei gehalten, so daß die möglichen hohen Raten der Metallzerstäubung genutzt werden können. Als nachteilig stellen sich dabei die insbesondere in den Randgebieten der Erosionszone entstehenden Oxidschichten heraus, die Anlaß zu Bogenentladungen zwischen Katode und Plasma sein können. Diese Bogenentladungen führen zu lokalen Aufschmelzungen des Targets und zu Verspritzungen des Schmelzpunktes. Die dabei entstehenden Spritzer können auch das Substrat erreichen, wo sie sich als Metallkügelchen niederschlagen und zu einer erheblichen Störung der Schicht führen.

Gemäß der DD-PS 2 29 160 wird dieser Mangel dadurch behoben, daß zwischen dem vorhandenen Gleichstromgenerator und dem Plasmatron eine Induktivität eingeschaltet wird, die größer als 5 H (Henry) ist. Induktivitäten dieser Größe können nur als Netzdrosseln mit lamelliertem Eisenkern realisiert werden.

Abgesehen von den Nachteilen derartiger Induktivitäten bezüglich Gewicht, Materialaufwand und Wicklungskapazität besteht ihr Mangel darin, daß sie bei Frequenzen oberhalb von 1 kHz nicht wirksam sind. Das heißt, sie haben auf Vorgänge, die in kürzeren Zeiten als etwa 1 ms ablaufen, praktisch keinen Einfluß. Außerdem können Bogenentladungen, die sich in einem Plasma in extrem kurzen Zeiten (<1 µs) ausbilden, nicht durch äußere elektrisch-elektronische Mittel verhindert werden.

Es ist daher das Ziel der Erfindung, die aufgezeigten Mängel des Standes der Technik zu vermeiden. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung anzugeben, die zwar die Bogenentladungen nicht verhindert, jedoch ihre Einflüsse auf das reaktive Gleichstrom-Hochratezerstäuben im wesentlichen ausschaltet.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche gelöst. Es werden also die im µs-Bereich entstehenden Bogenentladungen, bevor sie sich ausgebildet haben, in diesem Bereich wieder gelöscht; damit wird ihr Energieeintrag so gering gehalten, daß lokale Aufschmelzungen des Targets als Voraussetzungen für Verspritzungen des Schmelzgutes unterbleiben. Vorteilhaft ist die Hochfrequenzinduktivität als Drosselspule mit einem Ferritkern ausgbildet, die zwischen die Stromversorgung und das Plasmatron eingebracht ist und die in der Lage ist, einerseits den Entladungsstrom des Plasmatrons zu tragen, ohne dabei bereits in den Zustand magnetischer Sättigung zu gelangen, und andererseits den sehr schnellen Stromanstieg beim Entstehen einer Bogenentladung durch eine für derartige schnelle Vorgänge geeignete Induktivität mit geringstmöglicher Eigenkapazität soweit zu dämpfen, daß es zu keiner Bogenentladung im eigentlichen Sinne kommt. Als Kernmaterial für eine solche Induktivität wird ein Ferritmaterial (Manifer) verwendet, dessen Permeabilität erst bei einer Frequenz von 1 MHz und höher merklich abfällt. Der gewählte Kerntyp (Schalen-, Ring-, E- Kern usw.) ist unwesentlich. Der Kernquerschnitt muß ausreichend groß sein, und in den Magnetkreis ist ein Luftspalt einzufügen, um die magnetische Sättigung des Ferrits bei den maximal geforderten Betriebsströmen der Zerstäubungseinrichtung eindeutig zu unterschreiten. Der Luftspalt bewirkt weiterhin, daß zwar die Permeabilität effektiv reduziert wird, daß sie aber erst bei höheren Frequenzen abfällt. Für die Unterdrückung des Einflusses der sich sehr schnell herausbildenden Bogenentladungen ist eine Induktivität von einigen mH ausreichend. Zur Vermeidung langsamerer Vorgänge kann diese HF-Induktivität durch eine NF-Drossel im herkömmlichen Sinne, die üblicherweise zur Stromglättung verwendet wird, ergänzt werden. Dabei ist die NF-Drossel der HF-Drossel mit dem weichmagnetischen Kern im Schaltkreis vorgeordnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der schematischen Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Zwischen einer Stromversorgungseinrichtung 1 und einem Plasmatron 2 mit einem Target 3 befinden sich in einer elektrischen Verbindung 4 eine NF-Drossel 5 und eine HF-Induktivität 6 nacheinander angeordnet. Dabei kann die HF-Induktivität 6 aus einer Reihenschaltung von mehreren auf Schalenkerne gewickelten Spulen bestehen. Das Material der Schalenkerne ist für hohe Frequenzen ausgelegt; die Windungszahl der Spulen ist so bemessen, daß durch den Entladungsstrom des Plasmatrons die Sättigungsfeldstärke des Materials der HF-Induktivität deutlich unterschritten wird. Durch die Reihenschaltung der auf Schalenkerne gewickelten Spulen (HF-Drosseln) wird die Gesamtinduktivität der Schaltungsanordnung erhöht und gleichzeitig die wirksame Eigenkapazität der Spulen verringert. Die Schalenkerne mit Luftspalt bestehen aus dem handelsüblichen Ferrittyp Manifer 143, dessen Permeabilität erst bei Frequenzen oberhalb von 5 MHz merklich abfällt. Wegen der Kleinheit der verwendeten Schalenkerne, ihre Abmessungen betragen 26 mm ×16 mm, werden zehn Spulen in Reihe geschaltet. Mit dieser Reihenschaltung wird eine Gesamtinduktivität von 2 mH bei einem Sättigungsstrom von 4 A erreicht. Die Eigenresonanz der so getroffenen Anordnung liegt bei 3,7 MHz, woraus eine extrem kleine Wicklungskapazität von etwa 1 pF folgt. Dieser Wert kann in der Praxis vernachlässigt werden.

Die NF-Drossel 5 hat gegenüber der HF-Induktivität 6 einen deutlich höheren Induktivitätswert und ist zur Dämpfung von langsameren Prozessen mit der HF-Induktivität in Reihe geschaltet, sie ist der HF-Induktivität vorzugsweise vorgeordnet.

Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung lassen sich Spritzer in der Folge von Bogenentladungen, z. B. bei der Herstellung von Al₂O₃-Schichten, vollständig vermeiden.

Claims (3)

1. Schaltungsanordnung zur Vermeidung der Einflüsse von Bogenentladungen beim reaktiven dc-Hochratezerstäuben, die zwischen einer Stromversorgungseinrichtung und einem Plasmatron angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung als Hochfrequenzinduktivität ausgebildet ist.

2. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzinduktivität aus mindestens einer Spule mit einem weichmagnetischen Ferritkern besteht.

3. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequezinduktivität eine Niederfrequenzinduktivität zugeordnet ist.