DE4336830A1 - Plasma-Zerstäubungsanlage mit Mikrowellenunterstützung - Google Patents
Plasma-Zerstäubungsanlage mit MikrowellenunterstützungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Plasma-Zerstäubungsanlage nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
Derartige Anlagen werden beispielsweise zum Aufbringen dünner Schichten auf
Glasscheiben, Kunststoffolien oder dergleichen eingesetzt. Diese dünnen Schichten
dienen oft ganz verschiedenen Zwecken. So sollen beschichtete Fenster ganz be
stimmt Lichtwellenlängen reflektieren oder durchlassen, während beschichtete
Kunststoff-Brillengläser eine härtere Oberfläche erhalten sollen. Bei Compact-Disc-
Scheiben steht die Reflexion oder Nicht-Reflexion von Laserstrahlen im Mittelpunkt,
die wiederum eine Information über Musik- und Sprachinhalte enthält.
Für das Aufbringen dünner Schichten sind bereits zahlreiche Verfahren vorgeschla
gen worden, von denen nur die Galvanotechnik und das Beschichten aus einem Plas
ma erwähnt seien.
Bei dem Beschichten aus dem Plasma hat die sogenannte Sputter- oder Zerstäubungs
technik eine große Bedeutung erlangt. Hierbei wird an einer Elektrode ein Target aus
einem bestimmten Material angeordnet und durch auffliegende geladene Teilchen,
z. B. Ionen, zerstäubt. Die zerstäubten Teilchen schlagen sich dann auf einem Sub
strat, z. B. einer Glasscheibe, nieder.
Bei einer bekannten Vorrichtung zum Erzeugen einer transparenten und elektrisch
leitenden Schichte aus In-O, Sn-O, Zn-O, Cd-Sn-O oder Cd-In-O wird Targetmaterial
zerstäubt, wobei die Stärke eines Magnetfelds auf der Oberfläche des Targets bei 600
Oe oder höher liegt und wobei das Target mit einer Gleichspannung versorgt wird,
der eine hochfrequente Wechselspannung überlagert ist (EP-A-0 447 850). Von den
hierbei verwendeten Target-Materialien ergibt das auf In-O basierende Target mit
einem geringen Zusatz von Sn - oft als ITO bezeichnet - eine Schicht mit sehr ge
ringem Widerstandswert.
Um den Zerstäubungseffekt zu verbessern, ist es ferner bekannt, Mikrowellen in das
Plasma einzuspeisen (US-A-4 610 770, US-A-4 721 553, DE-A-39 20 834, JP-A-62
170 475, JP Patents Abstracts C-469, Januar 16, 1988, Vol. 12, No. 15; JP-A-63 297
557, JP Patents Abstracts C-581, April 4, 1989, Vol. 13, No. 134). Hierbei werden
Mikrowellen entweder parallel oder senkrecht zur Substratoberfläche in den Plasma
bereich eingeführt.
In nicht vorveröffentlichten Patentanmeldungen wurden überdies vorteilhafte Ein
strahlungen von Mikrowellen in das Plasma vorgeschlagen (P 42 30 290.0, P 42 30
291.9). Die Entladespannungen beim Zerstäuben des Targets, insbesondere beim
ITO-Sputtern, sind hierbei jedoch noch relativ hoch.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Entladespannungen beim Zer
stäubungsprozeß herabzusetzen.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß die Ent
ladespannung beim Sputtern erheblich herabgesetzt wird, beim ITO-Sputtern z. B.
von -270 Volt auf -100 Volt. Dieser Effekt ergibt sich durch den Einsatz eines Mikro
wellen-Ringresonators, dessen Mikrowellen über verschiedene Schlitzanordnungen
in den Plasmaraum eingekoppelt werden, wo sie zu einer zusätzlichen Ionisation bei
tragen und damit die Entladespannung herabsetzen. Da bei der Erfindung die Mikro
welleneinkopplung nicht durch den Dunkelraum der Kathode erfolgt, sondern durch
separate Schlitze, wird auch das Arcing vermieden, bei dem Überschläge auftreten.
Die erfindungsgemäße Ringresonator-Anordnung ist im Vergleich zu anderen Anord
nungen sehr kompakt und einfach aufgebaut. Sie läßt sich leicht mit langen Kathoden
kombinieren. Außerdem weist ein Ringresonator den Vorteil auf, daß es sich bei ihm
um einen Resonator handelt, der keine störenden Reflexionen an den Endflächen auf
weist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im
folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer Plasmakammer mit einer Magnetronkathode
in einer Mikrowelleneinstrahlung;
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Einstrahlungsbereichs der Mikro
welle in die Plasmakammer.
In der Fig. 1 ist ein Ausschnitt aus einer Plasmakammer 1 dargestellt, dessen
Gehäuse 2 nur andeutungsweise gezeigt ist. In diesem Gehäuse 2 befindet sich ein zu
beschichtendes Substrat 3 auf einer Unterlage 4, die über eine elektrische Leitung 5
am Pluspol einer Stromversorgung 6 liegt. Es versteht sich, daß die Unterlage 4, die
als Halterung für das Substrat 3 dient, nicht ortsfest angeordnet sein muß. Es kann
sich hierbei vielmehr auch um einen bewegten Träger handeln, wie dies bei In-Line-
Anlagen im allgemeinen der Fall ist. Die Unterlage 4 muß auch nicht auf Pluspoten
tial liegen, sondern kann als elektrisch isoliertes Element ausgebildet sein oder an
einer besonderen Spannungsquelle liegen. Mit einer besonderen Spannungsquelle
läßt sich eine Vorspannung oder Biasspannung einstellen, mit deren Hilfe es möglich
ist, die Höhe der Energie der Ionen, die auf das Substrat 3 treffen, etwas zu steuern.
Gegenüber dem Substrat 3 ist eine Sputter- oder Zerstäubungselektrode 7 vorgese
hen, die mit einer Kathodenwanne 8 in Verbindung steht. An die Kathodenwanne 8
ist der negative Pol der Stromversorgung 6 angeschlossen. Die Kathodenwanne 8
ruht auf elektrischen Isolatoren 9, 10, die ihrerseits auf einem Resonatorgehäuse 11,
12 ruhen und Dichtungsringe 13, 14 aufweisen.
In der Kathodenwanne 8 sind drei Dauermagnete 15 bis 17 mit einem Joch 18
verbunden. Auf beiden Seiten der Sputterelektrode 7 ist jeweils ein Schlitzsystem
vorgesehen, das eine Öffnung des Resonatorgehäuses 11, 12 darstellt. In dem Reso
natorgehäuse 11, 12 ist ein Dielektrikum 21, 22 vorgesehen. Die Schlitzsysteme
weisen jeweils einen ersten Schlitz 19 bzw. 20 und einen zweiten Schlitz 31 bzw. 33
auf, die jeweils durch eine Trennscheibe 32 bzw. 34 voneinander getrennt sind. Die
Trennscheiben 32, 34 bestehen entweder aus einem Metall wie Kupfer, Molybdän
oder Aluminium; sie können jedoch auch aus einem für Mikrowellen verlustarmen
Dielektrikum wie Teflon, Quarz, Trolon oder Polystyrol bestehen. Die Anzahl der
Schlitze 19, 31 bzw. 20, 23 ist nicht auf zwei beschränkt. Je mehr Schlitze vorge
sehen sind, um so mehr Mikrowellenenergie kann pro Streckeneinheit aus dem Reso
nator in den Plasmaraum eingekoppelt werden. Bei zu vielen Schlitzen wird jedoch
zuviel Mikrowelle pro Streckeneinheit ausgekoppelt, so daß es nicht mehr möglich
ist, die Mikrowelle mit gleichmäßiger Intensität entlang der Kathode in den Plasma
raum auszukoppeln. Auf der anderen Seite kann man diesen Effekt nutzen, wenn man
an unterschiedlichen Stellen entlang der Kathode unterschiedlich viel Mikrowelle aus
dem Resonator auskoppeln will.
Die Breite der Schlitzöffnungen wird durch den Abstand bestimmt, ab dem ein
Plasma in den Schlitzöffnungen zündet. Dieser Abstand liegt je nach Gasdruck und
vorhandenem Magnetfeld zwischen 0,5 mm und 3 mm. Die Schlitzbreite muß so ge
wählt werden, daß in den Schlitzen kein Plasma brennen kann. Parallel zu diesen
Schlitzen verlaufen die Kathoden-Dunkelräume 35 bzw. 36. Die mit 35 und 36 be
zeichneten Dunkelräume sind die Dunkelräume zwischen der Kathode und den auf
Erdpotential liegenden Außenwänden 11, 12 des Ringresonators.
Die Schlitzsysteme werden durch Reflektorbleche 23, 24 begrenzt, unter denen sich
ein Kathodenabschirmkasten 25, 26 befindet, der jeweils einen Elektromagneten 27,
28 einschließt. Mit 29, 30 sind Gaseinlaßrohre bezeichnet.
Die Resonatoren 21 bzw. 22 werden bei Mikrowellen-Frequenzen im Giga-Hertz-Be
reich betrieben, vorzugsweise bei 2,45 GHz. Um die Abmessungen der Resonatoren
21, 22 klein zu halten, ist ihr Innenraum mit einem für Mikrowellen verlustarmen
Dielektrikum ausgefüllt, z. B. mit Teflon, Trolon, Polystyrol oder dergleichen.
Der Mikrowellenresonator 11, 12; 21, 22 liegt auf Erdpotential und ist über einen
Teflon-Isolator 9, 10 von der Kathode getrennt, die auf negativem Potential liegt.
Die Mikrowelle wird über die erwähnten Schlitze 19, 31; 20, 33 aus den Resonatoren
21, 22 in den Plasmaraum gekoppelt. Dabei ist entscheidend, daß bei dieser Anord
nung keine Mikrowelle durch den Dunkelraum 35, 36 der Kathode 8 ins Plasma ge
langt, da diese zu einem Arcing im Dunkelraum 35, 36 führen würde. Es können zu
sätzlich noch Elektromagnete 27, 28 eingesetzt werden, welche die Ionisations
wirkung der Mikrowelle im Plasma erhöhen, das von einem Kathodenabschirmkasten
25, 26 umgeben ist.
In der Fig. 2 ist die Anordnung der Fig. 1 noch einmal in einer perspektivischen An
sicht gezeigt. Hierbei erkennt man deutlich ein Hohlleiter-T-Element 40, mit dem die
Mikrowellen eingespeist werden. Dieses T-Element weist einen querverlaufenden
Rechteck-Hohlleiter 42 mit einem hierzu senkrecht verlaufenden Rechteck-Hohlleiter
41 auf. Mit 43 sind die in den Hohlleiter 41 eingespeisten Mikrowellen symbolisiert.
Der querverlaufende Hohlleiter 42 ist nach unten offen, so daß die aus ihm austreten
den Mikrowellen 50, 51 in den darunter liegenden Resonator 11, 12 gelangen. Aus
den Schlitzen 19, 31 bzw. 20, 33 treten die Mikrowellen aus, die hier durch ge
schlängelte Pfeile 53, 54 bzw. 56, 57, 58 symbolisiert sind.
Der untere Bereich des Resonators ist in der Fig. 2 nicht näher dargestellt, weil er
ebenso aussieht wie der obere Bereich. Es fehlt dort lediglich ein Hohlleiter für die
Einkopplung der Mikrowellen. Auf diese Weise ergibt sich ein geschlossener Ring.
Da es sich bei der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Kathode um eine Rechteckkathode
handelt, ist auch der Ringresonator ein Rechteck-Ringresonator. Würde eine Rund
kathode eingesetzt, wäre ein kreisringförmiger Resonator vorteilhafter.
Claims (11)
1. Plasma-Zerstäubungsanlage mit Mikrowellenunterstützung, wobei vorgesehen sind
- a) ein Target, das an elektrischem Potential liegt;
- b) eine Mikrowellenquelle, deren Mikrowellen in den Plasmaraum vor dem Target eingespeist werden;
- c) ein Plasmaraum vor dem Target,
gekennzeichnet durch
- d) wenigstens einen Mikrowellen-Ringresonator, der das Target umschließt;
- e) ein Schlitzsystem, durch welches die Mikrowellen aus dem Mikrowellen- Resonator in den Plasmaraum eingespeist werden.
2. Plasma-Zerstäubungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Ringresonator mit einem Dielektrikum gefüllt ist.
3. Plasma-Zerstäubungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das
Dielektrikum Teflon, Trolon oder Polystyrol ist.
4. Plasma-Zerstäubungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Schlitzsystem so ausgebildet ist, daß die Mikrowellen nicht durch den Kathoden-
Dunkelraum gelangen.
5. Plasma-Zerstäubungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Target Teil einer Magnetronkathode ist.
6. Plasma-Zerstäubungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Mikrowellen vorzugsweise eine Frequenz von 2,45 GHz haben.
7. Plasma-Zerstäubungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Mikrowellen-Ringresonator auf Erdpotential liegt.
8. Plasma-Zerstäubungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen dem Mikrowellen-Ringresonator und der Kathode ein Isolator vorgesehen
ist.
9. Plasma-Zerstäubungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Plasmaraum seitlich durch Reflektorbleche (23, 24) begrenzt ist.
10. Plasma-Zerstäubungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Kathodenabschirmkasten (25, 26) vorgesehen ist, in dem sich Elektromagneten (27,
28) befinden.
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