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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Oberflächenbehandlung
von Substraten durch Plasmaeinwirkung, insbesondere zum Beheizen, Ätzen und
zum chemischen Umwandeln der Substratoberflächen, mit einer Katode als
Elektronenquelle und einer in Richtung auf das Plasma konkaven Anode
aus amagnetischem Werkstoff, hinter deren dem Plasma abgekehrten
Rückseite
Magnetsysteme unterschiedlicher Pollage derart angeordnet sind,
daß die
von den Polen (N, S) ausgehenden Magnetfeldlinien (F) auf mindestens
einem Teil ihrer Länge
durch den von der Anode umschlossenen Hohlraum verlaufen, und mit
einer Substratführungseinrichtung,
mittels welcher die Substrate auf einem gegenüber der Anode negativen Potential
haltbar sind.
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Um Substrate der Einwirkung eines
Plasmas auszusetzen, ist es erforderlich, mit einer Vakuumkammer
in der Umgebung der Substrate einen bestimmten Unterdruck zu erzeugen
und eine Gasatmosphäre
aufrechtzuerhalten sowie dem Plasma ständig elektrische Leistung zuzuführen. Die
Leistungszufuhr geschieht bevorzugt durch in der Vakuumkammer angeordnete
Elektroden, von denen die eine als Katode, die andere als Anode
geschaltet ist, um den Stromkreis über das Plasma zu schließen. Die
Erfindung befaßt
sich mit der Ausbildung der Anode.
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Durch die
DE-PS 22 41 229 ist es zum
Zwecke des Ätzens
von Substraten bekannt, über
einer plattenförmige
Elektrode eine topfförmige
Elektrode anzuordnen. Durch den Anschluß beider Elektroden an einen Hochfrequenzgenerator
erhält
die plattenförmige
Elektrode und damit das auf ihr liegende Substrat die Funktion einer
Katode, während
die topfförmige
Elektrode eine sogenannte Hohlanode bildet. Dies ist im Zusammenhang
mit Hochfrequenz auf einen sogenannten Gleichrichtereffekt zurückzuführen, durch
den stets die Elektrode mit der relativ kleinsten wirksamen Fläche Katodenpotential
annimmt. Dabei spielt der enge Spalt zwischen dem Rand der Topfanode
und der plattenförmigen
Katode eine ausschlaggebende Rolle, da er das Flächenverhältnis definiert. Wird der Spalt
nennenswert vergrößert, so
schlagen die Potentiale um, und die topfförmige Elektrode nimmt gegenüber der
Summe der Flächen
der plattenförmigen
Elektrode und der leitfähigen
Teile der Vakuumkammer die kleinere Fläche ein, mithin also Katodenpotential.
an. Die bekannte Vorrichtung besitzt im übrigen keinerlei Magnetfeld
zur Unterstützung
der Ionisationswirkung gegenüber
dem Plasma. Die
DE-OS 36 06 959 ,
DE-OS 40 39 930 und die
DE-PS 41 09 691 offenbaren Weiterentwicklungen dieses
Prinzips mit Mitteln zur Vergrößerung der
Anodenflächen,
jedoch ohne Verwendung von Magnetsystemen.
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Durch die
DE-PS 40 38 497 ist es bekannt,
beiderseits eines Plasmaschlauches plattenförmige Elektroden anzuordnen,
hinter denen sich Magnetsysteme befinden, so daß auf der dem Plasma zugekehrten
Seite dieser Elektroden Magnetfelder mit tunnelförmig verlaufenden Feldlinien
gebildet werden. Die Elektroden haben aufgrund ihrer Polarität relativ
zum Plasma Anodenfunktion, jedoch ist die ionisierende Wirkung der
Magnetfelder auf das Plasma wegen des geringen Plasmaeinschlusses
relativ gering. (Die ionisierende Wirkung des Magnetfeldes beruht
darauf, daß die
Elektronen im Plasma sich auf schraubenlinienförmigen Bahnen um die einzelnen
Magnetfeldlinien bewegen, wodurch die Ionisationswahrscheinlichkeit
erhöht
wird).
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Durch die
DE-OS 40 09 151 ist es weiterhin
bekannt, gegenüber
einer Zerstäubungskatode,
die zum Beschichten von Substraten dient, eine teilzylindriscH gebogene
Anode anzuordnen, hinter der sich gleichfalls Magnetsysteme in einer
solchen Anordnung befinden, daß die
erzeugten Feldlinien auf einem Teil ihrer Länge auf der dem Plasma zugekehrten
Seite der Anode verlaufen. Auch in diesem Falle ist der ionisierende
Einfluß der
Anode auf das Plasma relativ gering, was sich unter anderem an einem
relativ geringen Anodenstrom ablesen läßt.
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Die
DE-OS
37 06 698 beschreibt eine Vorrichtung zum Zerstäuben eines
Materials mittels Hochfrequenzentladung. Ausgehend vom bekannten
Problem, dass beim Hochfrequenzzerstäuben das Geometrieverhältnis der
Elektroden eine Rolle spielt wird durch geeignete Wahl eines Magnetsystems
eine Lösung
vorgeschlagen, die bei HF-Entladungen das Problem löst.
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Die Druckschrift von Kinoshita und
Matsumoto, „A
new supermagnetron plasma etcher remarkybly suited for high performance
etching" (J. Vac.
Sci. Tech. B, 9(2), Mar. Apr. 1991, p. 325–333) offenbart eine RF-Doppelelektrode,
die aussen von einer Anode umgeben ist. Über der Ätzelektrode liegt ein Magnetfeld
vor, das auch (mechanisch) rotiert werden kann und. dessen Feldlinien
quer zum zur Anode verlaufen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben,
mit der die Erzeugung eines sehr viel intensiveren Plasmas möglich ist.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe
erfolgt bei der eingangs angegebenen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch,
daß die
Anode einen Anodenboden und eine Zarge auf weist, wobei die Mantellinien
der Zarge im wesentlichen senkrecht zum Anodenboden verlaufen und
deren Rand einen rechteckigen Verlauf hat, derart, daß die Anode
fünf Seiten
eines quaderförmigen
Hohlraums umschließt,
dessen sechste, offene Seite der Substratführungseinrichtung zugekehrt
ist, und daß außerhalb
der gegenüberliegenden
Langseiten der Zarge auf der einen Seite ein erstes Magnetsystem
mit Polflächen
einer ersten Polarität
(N) und auf der anderen, gegenüberliegenden
Seite ein zweites Magnetsystem mit Polflächen einer zweiten Polarität (S) angeordnet
sind, derart, daß der
Hohlraum von Magnetfeldlinien durchsetzt ist, die von einer Seite
der Zarge durch den Hohlraum zur gegenüberliegenden Seite der Zarge
durchlaufend sind.
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Es handelt sich im Ergebnis um eine
Plasmaquelle, die mittels Magnetfeldunterstützung durch einen invertierten
Magnetsatz und mit einer Hohlanode arbeitet. Mit dieser Quelle wird
erreicht, daß für die Elektronen
ein sehr guter Einschluß in
der Hohlanode realisiert wird. Die in dieser Anordnung erzeugbaren
Plasmen sind sehr intensiv, da die Plasmaerzeugung sowohl durch
die Magnetfeldunterstützung
als auch durch den Hohlanodeneffekt unterstützt wird. Eine wesentliche
Folge ist, daß Niederdruckplasmen
mit Trägerkonzentrationen
bis zu 1011/cm3 geliefert
werden können
und daraus resultierende Stromdichtewerte von einigen mA/cm2 vor der Quelle meßbar sind.
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Diese Lokalisierung des Plasmas im
Anodenbereich macht die Quelle besonders für Anwendungen beim Ätzen von
großen
Substraten einsetzbar. Die Problematik beim Ätzen, z.B. von Stahlblechen,
ist dadurch gegeben, daß ein
auf Hochspannung befindliches Stahlblech bei nicht lokalisiertem
Plasma grundsätzlich
einer großen Überschlagsgefahr
an den Blechkanten ausgesetzt ist bzw. daß ein zu großflächig ausgedehnter Plasmabereich
die gewünschte
Plasmaintensität
und damit eine ausreichende Ätzwirkung
nicht mehr garantieren kann. Im Gegensatz zu den bekannten und vorstehend
beschriebenen Anordnungen für
das Ätzen
von unmagnetischen Materialien oder schwach magnetischen Materialien
mit einem hinter dem Anodenblech angeordneten Magnetsatz, weist
die neue Plasmaquelle den Vorteil auf, daß der magnetische Plasmaeinschluß schon
in der Quelle geschieht. Hierdurch ist es möglich, magnetisches Material
wie z.B. Stahlblech, aber auch Werkzeugstähle und andere magnetische
Stähle
vor der Plasmaquelle zu positionieren und zu ätzen. Der Vorgang der Ätzung wird
so ausgelöst,
daß das
Substrat selber auf ein hohes negatives Potential von einigen 100 V
gelegt wird, während
die Quelle selber auf Anodenpotential befindlich ist.
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Die Katode kann dabei ausschließlich durch
die Substratführungseinrichtung
mit den Substraten, durch einen Elektronen-Emitter und/oder durch
eine Zerstäubungskatode
gebildet werden, mit der zusätzlich eine
Beschichtung der Substrate möglich
ist.
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Grundsätzlich sind zwei Betriebsarten
für das Ätzen möglich: Die
erste Betriebsart arbeitet mit zwei Spannungsquellen und einem Dreielektrodensystem,
wobei das Anodenpotential gegenüber
der auf Erdpotential befindlichen Kammerwand eingestellt wird und
das Substrat gegenüber
der Kammerwand als Bezugselektrode auf das negative Potential gelegt
wird.
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Die zweite Betriebsart besteht bei
Verwendung nur einer Spannungsquelle darin, daß die: Anode den positiven
Pol einer Hochspannungsversorgung darstellt, während die Substratanordnung
an den negativen Pol der gleichen Hochspannungsversorgung gelegt
wird. Hierdurch wird erreicht, daß der Strompfad eindeutig über die
Anode führt,
d.h. das Anodenpotential stellt sich in dieser Anordnung so ein,
daß nahezu
der komplette Entladungsstrom zur Anode geführt wird. Wie bereits weiter
oben erwähnt,
betragen die typischen Stromdichten einige mA/cm2,
d.h. bei Potentialen von 500 bis 1000 v (negativ) werden Leistungsdichten
von mehreren W/cm2 am Substrat erzeugt.
Diese Beschußleistung
führt zu
Abtragsraten von einigen Zehntel nm/sec bis zu einigen nm/sec, wenn
Argon als Ätzgas
eingesetzt wird.
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Neben den Möglichkeiten der Ätzung von
Substraten mit Edelgas besteht auch die Möglichkeit, die für viele
Anwendungen notwendigen Reduzierungen von Oberflächen z.B. durch Anwendung von
Argonwasserstoffgemischen vorzunehmen. Des weiteren kann die erfindungsgemäße Plasmaquelle
auch dazu benutzt werden, eine sauerstoffhaltige Entladung zu betreiben,
mit welcher es möglich
ist, die Oberfläche
nachträglich durch
Oxidation zu passivieren. Im Zusammenhang mit großtechnischen
Prozessen und insbesondere beim Einsatz in Mehrkammer-Inline-Systemen
ist es besonders vorteilhaft, daß die bezeichnete Quelle als
lange Linearquelle ausführbar
ist, d.h. im Rahmen von Anwendungen bis auf mehrere Meter Länge skalierbar
ist.
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Die erfindungsgemäße Plasmaquelle läßt sich
in vorteilhafter Weise auch an die Stelle der ebenen (
DE-PS 40 38 497 ) oder schwach
gekrümmten
Anodenbleche (
DE-OS 40 09
151 ) setzen, wodurch die Intensität des Plasmas deutlich erhöht wird.
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Bei der Verwendung der Anode in den
bekannten Vorrichtungen werden als besondere Vorteile erreicht,
daß das
Plasma bereits raumfüllend
vorliegt. Das raumfüllend
vorliegende Plasma tritt nun in Kontakt mit dem lokalisiert vorliegenden
Anodenplasma, wodurch es gelingt, eine elektrische Einkopplung des
Anodenplasmas in das raumfüllende
Plasma zu erhalten. Resultierend aus diesem Vorgang ist eine zusätzliche über die
Anode steuerbare Plasmadichte in der bekannten Anordnung beim Beschichtungsbetrieb.
Neben dem Beschichtungsbetrieb erweist sich die bereits oben bezeichnete
Anwendung der Anode zum Ätzen
von Substraten als besonders vorteilhaft.
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Durch die erfindungsgemäße Anode
gelingt es, Plasma in den Bereich der sonst nur von der Zerstäubungskatode
gespeisten Plasmasäule
zusätzlich
einzuspeisen. Besonderer Vorteil bei dieser Einspeisung des von
der Anode ausgehenden Plasmas ist es, daß die Anode als magnetisch
unterstützte
Elektrode im Gegensatz zu einer magnetisch unterstützten Zerstäubungskatode
als Plasmalieferant keinen Abtrag durch Ionenbeschuß, d.h.
kein die zu ätzenden
Teile verschmutzendes Material liefert. Hierdurch gelingt es, eine
saubere Hochleistungsätzung
ohne Kontamination vorzunehmen, ohne daß am Substrat selber ein komplizierter
Magnetaufbau erforderlich ist. Der Erfindungsgegenstand bildet dadurch
die Grundlage zum Ätzen
von großvolumigen
Teilen und Teileanordnungen.
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Für
das Beheizen der Substrate gilt das gleiche was oben für das Ätzen von
Substraten erwähnt
wurde. Beim Heizen der Substrate wird Helium gegebenenfalls mit
einem Zusatz von Wasserstoff, eingelassen, wobei durch Anwendung
von Potentialen von einigen 100 V dafür gesorgt wird, daß die auf
das Substrat auftreffenden Heliumionen keinen oder nur einen unwesentlichen
Abtrag von Material verursachen. Durch die vorliegenden hohen Plasmadichten
wird erreicht, daß bei
z.B. lonenstromdichten von einigen mA/cm2 und
Potentialen von 300 V Leistungsdichten von mehreren W/cm2 am Substrat auftreten. Hierdurch gelingt
es sehr viel effizienter, als durch die Verwendung von Strahlungsheizern,
Formteile aufzuheizen, wobei als zusätzlicher Vorteil durch die
vorliegenden hohen Trägerkonzentrationen
und Ionenstromdichten erreicht wird, daß bei den dann vorliegenden
kleinen Dunkelraumabständen
das Plasma sehr gut in Konturen eindringt, d.h. eine ausgedehnte
konturierte Substratanordnung wird optimal beschossen und damit
erwärmt.
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Es ist dabei besonders vorteilhaft,
wenn die Polflächen
beider Magnetsysteme je ein Rechteck umschließen, das parallel zu den Langseiten
der Zarge verläuft,
insbesondere wenn die beiden auf den Langseiten der Rechtecke liegenden
Teilabschnitte der Polflächen
einerseits im Bereich der dazu parallelen Übergänge vom Anodenboden zu den
Langseiten der Zarge liegen und andererseits im Bereich der dazu
parallelen Teilabschnitte des Randes der Zarge. Dadurch wird erreicht,
daß der
quaderförmige
Hohlraum der Anode von einem weitgehend homogenen Magnetfeld mit
etwa parallelen Feldlinien durchsetzt wird, so daß alle Volumenelemente
des Gases im Hohlraum der gleichen lonisationswahrscheinlichkeit
unterliegen.
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Es ist weiterhin von Vorteil, wenn
die im Bereich des Randes der Zarge liegenden Magnete in der Weise
auf die Langseiten der Zarge ausgerichtet sind, daß die Normalen
auf die Polflächen
mit einer längsten
Mittenebene M-M des Hohlraums in Richtung auf den Anodenboden eine
spitzen Winkels ? einschließen.
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Mit anderen Worten, der Einschluß der Elektroden
in der Hohlanode kann zusätzlich
durch die Raumform der Magnetanordnung beeinflußt werden. Insbesondere kann
durch die Einstellung leicht nach außen gekippter Polflächen auf
den beiden äußeren Rändern der
Anode erreicht werden, daß die
Magnetfeldlinien etwas stärker
in den Raum heraustreten und daß dadurch
das Plasma verbessert in Kontakt mit einem vor der offenen Seite
der Hohlanode befindlichen Substrat oder Elektrode tritt.
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An die Anode kann statt eines Gleichspannungspotentials
ein gepulstes positives Potential angelegt werden. Beim Ätzbetrieb
wird gleichermaßen
eine gepulste Hochspannung auf die Anode geschaltet.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
und Einsatzmöglichkeiten
des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus.den übrigen Unteransprüchen .
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Ein Ausführungsbeispiel und dessen Einsatz
im Zusammenwirken mit Zerstäubungskatoden
zu Beschichtungszwecken werden nachfolgend anhand der 1 bis 4 näher
erläutert.
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Es zeigen:
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1 einen
Querschnitt durch den Erfindungsgegenstand,
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2 den
unteren Teil von 1 in
verkleinertem Maßstab,
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3 einen
Längsschnitt
durch den Gegenstand nach 1 in
wiederum verkleinertem Maßstab
und
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4 einen
Radialschnitt durch eine Beschichtungsanlage mit zwei erfindungsgemäßen Vorrichtungen
und zwei Magnetron-Beschichtungskatoden
in äquidistanter
und alternierender Anordnung auf dem Umfang einer rotierenden Substratführungseinrichtung.
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In den 1 bis 3 ist eine Anode 1 dargestellt,
die aus einem ebenen Anodenboden 2 und einer Zarge 3 besteht,
deren Mantellinien senkrecht zum Anodenboden 2 verlaufen.
Die Zarge 3 besteht aus zwei zueinander parallelen Langseiten 4 und 5,
die an ihren beiden Enden durch Stirnseiten 6 und 7 miteinander
verbunden sind. Infolgedessen umschließt die Anode 1 fünf Seiten
eines quaderförmigen
Hohlraums 8, dessen sechste, offene Seite einer Substratführungseinrichtung 9 zugekehrt
ist, die in 4 gezeigt
und im Zusammenhang damit noch näher
erläutert
wird. Die Zarge 4 besitzt auf der dem Anodenboden 2 abgekehrten
Seite einen Rand 10, der in einer zum Anodenboden parallelen
Ebene einen rechteckigen Verlauf hat. Der Ausdruck "rechteckig" ist jedoch nicht
kritisch zu sehen. So können
die beiden Stirnseiten 6 und 7 auch als hohle Halb-Zylinderflächen ausgebildet
sein, ohne daß sich
hierdurch an der im wesentlichen quaderförmigen Ausbildung des Hohlraums
etwas ändert.
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Außerhalb der gegenüberliegenden
Langseiten 4 und 5 der Zarge 3 ist auf
der einen Seite ein erstes Magnetsystem 11 mit Polflächen 11a einer
ersten Polarität
N angeordnet und auf der anderen, gegenüberliegenden Seite ein zweites
Magnetsystem 12 mit Polflächen 12a einer zweiten
Polarität
S. Dadurch ist der Hohlraum 8 von Magnetfeldlinien (gestrichtelt,
mit Pfeilen) durchsetzt, die von einer Seite der Zarge 3 durch
den Hohlraum 8 hindurch zur gegenüberliegenden Seite der Zarge
durchlaufend sind. Die Polflächen 11a und 12a beider
Magnetsysteme 11 und 12 umschließen je ein
Rechteck, das parallel zu den Langseiten 4 und 5 der Zarge 3 verläuft.
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Genauer gesagt liegen die beiden
auf den Langseiten der Rechtecke liegenden Teilabschnitte der Polflächen einerseits
im Bereich der dazu parallelen Übergänge vom
Anodenboden 2 zu den Langseiten 4 und 5 der
Zarge, andererseits liegen sie im Bereich der dazu parallelen Teilabschnitte
des Randes 10 dieser Zarge. Die Polflächen werden von Permanentmagneten 11b, 11c und 11d bzw. 12b, 12c und 12d gebildet.
Die Permanentmagnete 11b und 11c bzw. 12b und 12c sind
dabei in Form eines nach unten offenen "U" angeordnet, dessen
Joch wesentlich länger
ist als die beiden Schenkel, von denen jeweils die hinteren (11c und r)
in 1 sichtbar sind.
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Wie aus 2 hervorgeht, sind die im Bereich des
Randes 10 der Zarge 3 liegenden Permanentmagnete 11d und 12d in
der Weise auf die Langseiten 4 und 5 der Zarge 3 ausgerichtet,
daß die
Normalen 11e, 12e auf die Polflächen 11a und 12a unter
einem spitzen Winkel à auf
eine Mittenebene M-M des Hohlraums 8 ausgerichtet sind,
die in den 1 und 2 ebenso senkrecht zur Zeichenebene
verläuft,
wie die beiden Langseiten 4 und 5 der Zarge 3.
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Der spitze Winkel ? wird dabei zwischen
den besagten Normalen auf die Polflächen 11a und 12a und der
Mittenebene M-M eingeschlossen, und zwar auf der Seite, die dem
Anodenboden 2 zugekehrt ist. Die "gekippte" Lage der Permanentmagnete 11d und 12d ist
in 1 etwa maßstäblich gezeigt
und beträgt
60 Grad. Dadurch erhalten die von den Polflächen 11a und 12a der
Permanentmagnete 11d und 12d ausgehenden Feldlinien
einen deutlich bogenförmig
gekrümmten
Verlauf, so daß sie
stärker
aus der offenen Seite der Zarge 3 bzw. des Hohlraums 8 austreten,
wie dies gleichfalls in 1 gestrichelt
angedeutet ist.
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Die Magnetsysteme 11 und 12 sind
aus quaderfönnigen
Teilabschnitten zusammengesetzt, die aus einzelnen Permanentmagneten
bestehen und in der angegebenen Ausrichtung und Raumlage an einem "U"-förmigen,
nach unten und im Bereich der Stirnseiten 6 und 7 offenen
Magnetjoch 13 befestigt sind, das ansonsten der Anode 1 geometrisch ähnlich geformt
ist. Die Magnetsysteme 11 und 12 sind auf den
einander zugekehrten und zueinander parallelen Innenseiten 13a und 13b des
Magnetjochs 13 in entsprechend ausgefrästen Vertiefungen gehalten.
Die Reihen von Permanentmagneten 11b und 11d bzw. 12b und 12d haben eine
Länge,
die der Länge
der Langseiten 4 und 5 der Zarge entspricht. Auf
den Außenseiten 13c und 13d des Magnetjochs 13 sind
Kühlrohre 14 angeordnet,
die das Magnetjoch 13 und damit die Permanentmagnete gegen
eine Überhitzung
schützen.
Das Magnetjoch 13 ist mit den Kühlrohren 14 wiederum
von einem gegenüber der
Anode 1 isolierten Gehäuse 15 umgeben.
Diese Isolation des Gehäuses 15 geschieht
zu dem Zweck, daß sich
das Gehäuse 15 beim
Betrieb auf ein floatendes Potential einstellen kann, so daß das Gehäuse im elektrischen
Gleichgewichtzustand nicht in den Elektronentransport eingreift.
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Es ist den 1 bis 3 noch
zu entnehmen, daß die
durch den Rand 10 der Zarge 3 definierte Öffnung 16 der
Anode 1 mit der Fläche
des Anodenbodens 2 übereinstimmt.
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Unter Heranziehung der 4 wird die Befestigung der
Anode 1 und der übrigen
Teile der Plasmaquelle wie folgt erläutert: Eine Vakuumkammer 17,
zu der eine Tür 17a gehört, umschließt ein im
wesentlichen zylindrisches Kammervolumen 18, in dem sich
in im wesentlichen koaxialer Anordnung die bereits beschriebene
Substratführungseinrichtung 9 befindet.
Im vorliegenden Fall besteht die Substratführungseinrichtung 9 aus
einem ersten, um eine Rotationsachse A drehbaren Hauptträger 19,
an dem elektrisch leitend mehrere, um je eine eigene Achse A1, A2, A3 ...
drehbare Hilfsträger 20 für die Substrate
gelagert sind. Dabei sind die Achsen A1 bis
An äquidistant
auf einem Kreis angeordnet, der konzentrisch zur Rotationsachse
A verläuft. Sämtliche
Achsen verlaufen zueinander parallel und sind dabei in der Weise
antreibbar, daß die
Substrate aufgrund der überlagerten
Drehbewegung auf einer epizyklischen Bahn an den Anoden 1 und 1A vorbeiführbar sind.
Die Achsen A1 bis An sind
beispielhaft als Stangen ausgebildet, auf die rotationssymmetrischen
Teile wie Fräser
und Messerköpfe
oder sogenannten Käfige
für Kleinteile,
z.B. Bohrer, aufsteckbar sind. Die Ausbildung derartiger Haupt-
und Hilfsträger
mit epizyklischer Substratbewegung ist an sich bekannt und braucht
daher nicht näher
erläutert
zu werden. Um den Hauptträger 19 auf
ein definiertes elektrisches Potential legen zu können, ist
dessen Welle 19a mit einem Gleitkontakt 19b versehen,
an den Leitungen 19c und 19d gelegt sind.
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Gemäß 4 sind auf der Innenseite 17b der
Vakuumkammer 17 zwei Anoden 1 und 1A in
Bezug auf die Rotationsachse A diametral gegenüberliegend angeordnet, wobei
die längste
Achse der Anoden 1, 1A parallel zur Rotationsachse
A verläuft
und die Länge
des Hohlraums der Anoden im wesentlichen der Länge der Achsen A1 bis
An entspricht. Dabei sind die Öffnungen 16 der
Anoden 1 und 1A auf die Rotationsachse A ausgerichtet,
und zwar derart, daß die
Oberflächenelemente
der hier nicht dargestellten Substrate nacheinander der Einwirkung
einer jeden Anode 1 bzw. 1A aussetzbar sind.
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In der Wand der Vakuumkammer sind
ferner auf dem Umfang der Substratführungseinrichtung 9 zwei Beschichtungskatoden 21 und 22 angeordnet,
die in herkömmlicher
Bauweise als "unbalanced
magnetrons" ausgeführt sind,
d.h. sie besitzen zur Erweiterung der Reichweite des Plasmas je
eine rechteckig gewickelte Magnetspule 23 und 24,
deren Feld dem Feld der Permanentmagneten der Beschichtungskatoden 21 und 22 überlagert
ist. Wie aus der Bezeichnung der Pole hervorgeht, besitzen die Beschichtungskatoden,
sogenannte Magnetron-Katoden, eine entgegengesetzte Pollage, d.h.
einem Nordpol ist jeweils ein Südpol
gegenüber
angeordnet und umgekehrt. Gemäß 4 sind die Beschichtungskatoden 21 und 22 auf
halbem Wege zwischen den Anoden 1 und 1A angeordnet,
so daß eine
alternierende Reihenfolge gebildet wird. Die Substrate können beim
Umlauf der Substratführungseinrichtung 9 mithin
abwechselnd geätzt
und beschichtet werden.
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Zwecks Befestigung der Anoden 1 und 1A auf
der Innenseite 17b der Vakuumkammer 17 sind paarweise
Verschraubungen 25 vorgesehen, die durch jeweils eine Traverse 26 miteinander
verbunden sind (siehe auch 1).
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Mehrere solcher Traversen 26 tragen
jeweils mittels Schrauben 27 unter Zwischenschaltung von
Isolierringen 28 und Isolierbuchsen 29 das Magnetjoch 13.
An dem Magnetjoch 13 ist wiederum mittels Schrauben 30 unter
Zwischenschaltung weiterer Isolierringe 31 und Isolierbuchsen 32 die
Anode 1 befestigt, und zwar unter Zwischenschaltung von
Flanschplatten 33, die mit dem Anodenboden 2 verschraubt
sind, und in die die Schrauben 33 eingreifen, deren Köpfe zur
Vermeidung von Spannungsüberschlägen versenkt
in einem Isolierstoffnapf 34 untergebracht sind.
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An den Außenseiten des Magnetjochs 13 ist
mittels Distanzbuchsen 35 und Schrauben 36 das
Gehäuse 15 befestigt.
Durch die isolierte Befestigung des Magnetjochs 13 mit
den Magnetsystemen 11 und 12 sowohl gegenüber der
Anode 1 als auch gegenüber
der Potentialzuführung
und auch gegenüber
den auf Massenpotential liegenden Traversen 26 können sich
die Magnetsysteme 11 und 12 zusammen mit dem Magnetjoch 13 und
dem nach oben offenen Gehäuse 15 auf
ein floatendes Potential einstellen, auf dessen Wirkung bereits
weiter oben hingewiesen wurde. Die Potentialzufuhr zur Anode 1 bzw. 1A erfolgt
gemäß 3 über ein Kabel 37,
eine Steckkupplung 38 mit einem Kontaktstift 38a und
eine elektrisch leitende Tragstütze 39,
die an dieser Stelle die Schraube 30 ersetzt und in der
gezeigten Weise vakuumdicht durch die Wand der Vakuumkammer 17 hindurchgeführt ist.
Zur Vermeidung von Überschlägen ist
auch die Tragstütze 39 mit
einem Isolierstoffüberzug 40 versehen.
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In 4 sind
noch drei Spannungsquellen 41, 42 und 43 dargestellt,
von denen einzelne oder alle als Impulsgeneratoren ausgeführt sein
können.
Die Spannungsquelle 41 dient ausschließlich für den Anodenbetrieb. Die Spannungsquelle 42 dient
ausschließlich
für die
Versorgung der Substratführungseinrichtung 9;
sie liefert die Elektronen für
die Plasmen, und die Spannungsquelle 43 dient ausschließlich für die Versorgung
der Beschichtungskatoden 21 und 22. Die einleitend
beschriebenen unterschiedlichen Betriebsarten sind durch ihre verschiedene
Leitungsführung
dargestellt.
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Die Leitungsführung der Spannungsquellen 41 und 42 in
der ersten Betriebsart ist. ausgezogen dargestellt. Durch die Spannungsquelle 41 wird
das Anodenpotential gegenüber
der auf Erdpotential befindlichen Kammerwand eingestellt. Die Substratführungseinrichtung 9 wird
durch die Spannungsquelle 42 gegenüber der Kammerwand als Bezugselektrode
durch die Leitung 19d auf ein negatives Potential gelegt.
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Die zweite Betriebsart ist hinsichtlich
ihrer Leitungsführung
in gestrichelten Linien dargestellt: Dabei sind die Anoden 1 und 1A an
den positiven Pol der Spannungsquelle 41 gelegt, während die
Substratführungseinrichtung 9 durch
die Leitung 19c an den negativen Pol der gleichen Spannungsquelle 41 gelegt
wird. In dem zuletzt genannten Fall führt der Strompfad eindeutig über die
Anoden, d.h. das Anodenpotential stellt sich bei dieser Anordnung
so ein, daß praktisch
der gesamte Entladungsstrom zur Anode bzw. zu den Anoden geführt wird.
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Die Spannungsquelle 43 kann
unabhängig
in beiden Betriebsarten zugeschaltet werden, wenn ein Beschichtungsprozeß durchgeführt werden
soll.
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Die Abmessungen der Anoden sind dabei
in weiten Grenzen wählbar.
Versuche wurden durchgeführt mit
folgenden Anodenabmessungen:
Länge = 750 mm
Breite =
200 mm
Tiefe = 150 mm
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Die Länge ist skalierbar bis etwa
4 bis 6 Meter. Die Breite kann zwischen 40 und 300 mm gewählt werden,
vorzugsweise zwischen 50 und 120 mm. Die Tiefe kann zwischen 50
und 200 mm gewählt
werden, vorzugsweise zwischen 60 und 100 mm.
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An die Stelle der Substratführungseinrichtung
nach 4, die für die Beschichtung
von im wesentlichen rotationssymmetrischen Formteilen vorgesehen
ist, beispielsweise von Fräsern,
kann auch eine walzenförmige
Substratführungseinrichtung
treten, die beispielsweise als Kühlwalze
ausgeführt
ist, über
die eine Folie geführt
wird, die von einer Vorratsrolle bis zu einer Aufwickelrolle über diese
Kühlwalze
geführt
wird. In einem solchen Falle wird üblicherweise die Vakuumkammer 17 durch
Trennwände
unterteilt, um dem Ausgasungsverhalten der Folien Rechnung zu tragen.
Derartige Kammerunterteilungen und Folienführungssysteme sind Stand der
Technik, so daß hierauf
nicht weiter eingegangen wird. Auch kann wahlweise die Rotationsachse
A sowohl senkrecht ausgerichtet sein als auch waagrecht.
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Die waagrechte Ausrichtung der Rotationsachse
einer Kühlwalze
wird in der Regel beim Behandeln von Folien gewählt.
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Beispiel:
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In einer Vorrichtung nach 4 mit zwei Anoden nach den 1 bis 3 wurden jeweils fünf Fräser mit einem Außendurchmesser
von 75 mm auf je einer von sechs Rotationsachsen A1 bis
A6 angeordnet. Die Stapelhöhe von jeweils
fünf Fräsern auf
jeder Achse betrug 400 mm. Die beiden Beschichtungskatoden 21 und 22 wurden
mit Targets 21a und 22a aus Titan bestückt, so
daß sich
auf den Substraten durch Anwesenheit von Stickstoff im Gemisch mit
Argon äußerst harte
und verschleißfeste
Schichten aus Titannitrid bildeten. Bei den einzelnen Verfahrensstufen
des Aufheizens, Ätzens
und Beschichtens wurden je nach Betriebsart Betriebsparameter in
den nachstehend angegebenen Bereichen bzw. mit den nachstehend genannten
Werten gemessen. In jedem Falle ergaben sich einwandfreie, gleichmäßige und
gleichmäßig harte
und haftfeste Beschichtungen aus Titannitrid:
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1.
Heizen mit Helium: Betriebsart II (Pluspol der Spannungsquelle 41
auf sie Anoden geschaltet)
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