DE69128195T2

DE69128195T2 - Ionenplattierung mittels magnetronsputtern

Info

Publication number: DE69128195T2
Application number: DE69128195T
Authority: DE
Inventors: Dennis Teer
Original assignee: Teer Coatings Ltd
Current assignee: Teer Coatings Ltd
Priority date: 1990-03-17
Filing date: 1991-03-18
Publication date: 1998-03-12
Anticipated expiration: 2011-03-19
Also published as: EP0521045B1; DE69128195D1; JP3397786B2; JPH05505215A; GB9218562D0; AU7481091A; EP0521045A1; WO1991014797A1; HK10395A; ATE160180T1; GB2258343A; US5556519A; GB2258343B; GB9006073D0

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Anwendung der physikalischen Dampfauftragstechnik der Ionenplattierung mittels Magnetronsputtern, das soll heißen zum Aufbringen von Materialien in atomischer und/oder ionischer Form auf ein empfangendes Substrat durch elektrisches Entladen, beispielsweise um Schichten auszubilden.
Das Sputtern ist ein bekannter Prozeß, in welchem eine Kathode einer Glühentladung zum Target von Ionen, die in der Glühentladung in einem umgebenden, einen niedrigen Druck aufweisenden Gas gebildet werden, gemacht wird. Die Ionen werden in Richtung des Targets durch ein elektrisches Feld beschleunigt und das Auftreffen dieser auf dem Target ersetzt Teilchen auf der Oberfläche von dem Target; diese Teilchen werden auf der Oberfläche von einem geeignet angeordneten Substrat aufgebracht um eine Schicht zu bilden.
Es ist bekannt, daß die Intensität der Glühentladung wesentlich erhöht werden kann durch den sogenannten Magnetroneffekt, welcher bewirkt, daß die Ionisierungselektronen in einer Region eingefangen werden, wo das elektrische Feld durch ein zusätzliches magnetisches Feld gekreuzt ist. Dies ist die Basis des Magnetronsputterns, welches Niederschlagsraten von ungefähr dem Zehnfachen derjenigen von Nichtmagnetronenelektroden liefert und ebenfalls ermöglicht, daß Sputtern bei erheblich geringeren Gasdrucken stattfindet. Magneten sind angeordnet um Kraftlinien zu produzieren, welche kreuzweise und über der Oberfläche des Targets verlaufen.
Aus der JP-A-61-179 864 (Patent Abstracts of Japan Vol. 11 No. 3 (C-395) (2450) January 7, 1987) sind eine Sputtervorrichtung und ein Verfahren bekannt, welche zwei Targets vom Magnetrontyp aufweisen, welche jeweils einen inneren Pol und einen äußeren Ringpol entgegengesetzter Polarität aufweisen und der äußere Ringpol eines Magnetrons von entgegengesetzter Polarität zu dem äußeren Ringpol des anderen Magnetrons ist. Die Magnetrons umfassen ein Target aus Quellenmaterial für die Beschichtung, welches ihre freien Außenflächen bedeckt und diese vorderen Sputteroberflächen sind benachbart und gegenseitig abgewinkelt in Richtung der Oberfläche des Substrats. Das Substrat ist nicht elektrisch geladen. Die durch die Magnetrons erzeugten magnetischen Feldlinien sind beschränkt auf den Ort der vorderen Oberflächen der Targets und dienen nicht dazu, das Entweichen von ionisierenden Elektronen zu verhindern.
Das Ionenplatieren ist ein bekannter Prozeß, in welchem ein in einem Vakuumsystem produzierter Metalldampf auf ein Substrat aufgebracht wird, während das Substrat gleichzeitig mit Ionen beschossen wird. Der Ionenbeschuß verbessert sowohl die Haftung als auch das Gefüge der Beschichtung.
Der Metalldampf zum Ionenplattieren kann mit Hilfe verschiedener Techniken, eingeschlossen dem Sputtern, erzeugt werden. Wenn das Sputtern als Dampfquelle in der Ionenplattierung verwendet wird, nennt sich die Technik Ionenplattierung mittels Sputtern. Wenn Magnetronsputtern als Dampfquelle bei der Ionenplattierung verwendet wird, nennt die Technik Ionenplattierung mittels Magnetronsputtern.
Bei der Ionenplattierung können die Ionen, welche auf die Probe während des Aufbringens auf die Probe auftreffen, durch unterschiedliche Methoden hergestellt werden. Bei dem ursprünglichen Ionenplattierungsverfahren werden die Ionen in einer abnormalen Glühentladung erzeugt, bei der die Probe als Kathode wirkt. Dies ist ein uneffizienter Prozeß und typischerweise wird weniger als 1 Atom von 1000 in einer abnormalen Glühentladung ionisiert. Der Ionenstrom zu der Probe ist gering und nicht ausreichend um die dichten Beschichtungen hervorzubringen, welche bei vielen Anwendungen benötigt werden, auch wenn die Proben auf einem hohen negativen Potential gehalten werden.
Die Ionisation kann auf vielfache Weise erhöht werden. Beispielsweise kann die Versorgung von Ionisierungselektronen mit Hilfe eines heißen Fadens und einer Elektrode, welche positiv in bezug zu dem Faden ist, erhöht werden, oder eine Hohlkathode kann ebenso verwendet werden um eine ausreichende Bereitstellung von Elektronen zu bewirken.
Es ist bequemer eine Dampfquelle zu verwenden, welche selbst als Quelle der Ionisation wirken kann, als zusätzliche Fäden und Elektroden zu verwenden, um eine Erhöhung der Ionisation zu bewirken. Ein Heißfadenelektronenstrahlkanonenverdampfer, ein widerstandsbeheizter Tiegel, und eine einfache Diodensputterelektrode sind üblicherweise verwendete Abscheidungsquellen, welche eine geringe Zusatzionisation bewirken. Andererseits erzeugen Hohlkathodenelektronenstrahlkanonen, Glühentladungsstrahlkanonen und Lichtbogenguellen sämtlich eine intensive Ionisation einer Höhe von über 50% Ionisation, ohne daß hierfür zusätzliche Ionisationserhöhungsmittel benötigt werden, und können somit verwendet werden, um sehr dichte Beschichtungen in Ionenplattierungssystemen zu erzeugen.
Magnetronsputterelektroden sind verwendet worden in Ionenplattierungssystemen und sie erhöhen in der Tat die Ionisation, aber in der Vergangenheit war dies nicht ausreichend, um das Beschichtungsgefüge zu beeinflussen und um dichte Beschichtungen zu erzeugen.
Eine kürzliche Entwicklung ist das nicht im Gleichgewicht befindliche Magnetron gewesen, welches innere und äußere Magneten aufweist und in welchem die Feldstärke der äußeren Magneten viel höher ist als die Feldstärke der inneren Magneten. Die die äußeren Magneten verlassenden "extra" Feldlinien fangen Elektronen, die dem Magnetronausstoß entweichen, und schützen sie vor dem Abdriften zu den verschiedenen geerdeten Teilen der Kammer. Diese Elektronen rufen eine Ionisation in der Nachbarschaft des elektrisch geladenen Substrats hervor und die so gebildeten Ionen werden durch die Substratladung zu dem Substrat hingezogen, und das Substrat empfängt einen höheren Ionenstrom als in einer Situation, bei der sich die Magnetrons im Gleichgewicht befinden. Jedoch kann die Itensität der Ionisation immer noch geringer sein als es wünschenswert für das Aufbringen von dichten Beschichtungen wäre, wenn nicht die äußeren Magneten außerordentlich stark gemacht werden.
Es ist somit klar, daß es viele Wege gibt, um Ionen zum Sputtern oder Ionenplattieren zu bilden.
Das Ziel der Erfindung ist ein verbessertes System zur Ionenplattierung mittels Magnetronsputtern mit einer erhöhten Intensität von verwendbarer Ionisation zu schaffen.
Gemäß der Erfindung schaffen wir ein System zur Ionenplattierung mittels Magnetronsputtern mit elektrischen Feldmitteln zur Erzeugung eines auf ein zu beschichtendes Substrat gerichtetes elektrisches Feld, Spannungsmitteln, die geeignet sind das Substrat negativ zu laden, um es so zu einer Kathode zu machen um so Ionen anzuziehen, und magnetischen Feldmitteln, wobei die magnetischen Feldmittel ein erstes und ein zweites Magnetron, wobei jedes einen inneren Pol und einen äußeren Ringpol entgegengesetzter Polarität aufweist, umfaßt und wobei die Magnetrons jeweils ein Target aus Quellenmaterial, von welchem ein Beschichtungsfluß erzeugt wird, umfassen, und in welchem die Magnetrons so angeordnet sind, daß der äußere Ringpol eines Magnetrons und der äußere Ringpol des anderen oder eines anderen Magnetrons benachbart zu dem jeweils anderen angeordnet und von entgegengesetzter Polarität sind, und in welchem zumindest eines der ersten und zweiten Magnetrons ein nicht im Gleichgewicht befindliches Magnetron umfaßt, welches derart angeordnet ist, daß im Betrieb ein magnetisches Feld sich zwischen den außeren Ringpolen der Magnetrons erstreckt, so daß das Entweichen von Elektronen von dem System zwischen den Magnetrons verhindert wird, so daß diese Elektronen nicht an das System verlorengehen und zur Erhöhung der Ionisation an dem elektrisch geladenen Substrat zur Verfügung stehen.
Es wird anerkannt werden, daß Magnetrons, die einen inneren Pol und einen äußeren Ringpol aufweisen, wohlbekannt sind. Der innere Pol kann ein einzelner Magnet oder eine Reihe oder Gruppe von Magneten sein. Der äußere "Ring"-Pol kann durch einen einzelnen Magnet oder durch mehrere Seite an Seite angeordnete separate Magneten gebildet sein. Der "Ring" muß nicht zylindrisch oder kreisförmig sein, er kann ebenso eine quadratische oder rechteckige Form oder tatsächlich jede geeignete Figur aufweisen.
Die Kopplung der zwei Magnetrons durch magnetischen Fluß fängt Elektronen in dem System ein und erhöht den Anteil der auftretenden Ionisation. Wir können daher ein praktikables System mittels Magnetronsputtern vorstellen, welches eine signifikant erhöhte Ionisation liefert, durch Verwendung eines nicht im Gleichgewicht befindlichen Magnetrons.
Vorzugsweise sind die äußeren Ringpole winklig relativ zu dem zu beschichtenden Substrat beabstandet, so daß sie unter einem festen Winkel auf das Substrat gerichtet sind.
Das System kann eine Vielzahl von Magnetrons umfassen, deren benachbarten äußeren Pole entgegengesetzte Polaritäten aufweisen. Die Magnetrons sind vorzugsweise um das Substrat herum angeordnet und das Substrat kann eine im wesentlichen zentrale Lage zwischen den Magnetrons haben. Vorzugsweise sind die Magnetrons gleichwinklig beabstandet in einem Polygon oder Ring um das Substrat angeordnet.
Das elektrische Feld kann sich im wesentlichen radial zwischen dem Substrat und den Magnetrons erstreckend erzeugt werden, wobei das Substrat sich auf einem negativen elektrischen Potential befindet. Das negative Potential des Substrats kann von 0 bis zu erheblich höheren Werten, sagen wir minus 1000V variieren.
Die Magnetronpole können ein Target aus Quellenmaterial umfassen, von welchem Ionen erzeugt werden.
Vorzugsweise gibt es eine gerade Anzahl von Magnetrons.
Das System kann weiter eine Pumpöffnung zur Steuerung des Drucks eines Ionisierungsgases in dem System, wie beispielsweise Argon, umfassen.
Gemäß eines zweiten Aspekts umfaßt die Erfindung ein Verfahren zur Ionenplattierung mittels Magnetronsputtern zur Beschichtung eines Substrats, mit einem ersten Magnetron mit einem inneren Ring-Pol und einem äußeren Ringpol entgegengesetzter Polarität, und mit einem zweiten Magnetron mit einem inneren und äußeren Ringpol entgegengesetzter Polarität, wobei: der äußere Ringpol des ersten Magnetrons von entgegengesetzter Polarität zu demjenigen des zweiten Magnetrons ist; die Magnetrons jeweils ein Target aus Quellenmaterial, von welchem ein Beschichtungsfluß erzeugt wird, umfassen; ein zu beschichtendes Substrat elektrisch geladen wird, um es zu einer Kathode zu machen um positive Ionen anzuziehen; und das Entweichen von Elektronen von zwischen den Magnetrons reduziert wird, indem für ein magnetisches Feld, welches sich zwischen deren äußeren Ringpolen erstreckt, gesorgt wird, wodurch Elektronen, welche ansonsten zwischen den Magnetrons entweichen würden, eingefangen werden und die Beschichtungsionendichte an dem zu beschichtenden Substrat erhöhen, und in welchem die magnetische Flußkopplung zwischen den Magnetrons durch Verwendung von nicht im Gleichgewicht befindlichen Magnetrons erhöht ist.
Auf diesem Wege ist die Ionendichte an dem elektrisch geladenen Substrat erheblich erhöht.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
Fig. 1 schematisch ein System zur Ionenplattierung mittels Magnetronsputtern darstellt, welches zwei Magnetrons umfaßt und eine Anordnung von magnetischen Polaritäten gemäß der Erfindung illustriert;
Fig. 2 schematisch ein anderes System wiedergibt und die Anordnung von magnetischen Polaritäten zeigt wenn zwei Magnetrons Seite an Seite angeordnet sind;
Fig. 3 schematisch eine tatsächliche Ausführungsform eines Systems zur Ionenplattierung mittels Magnetronsputtern wiedergibt;
Fig. 4 die Verbesserung im Ionenstrom der Ausführungsform gemäß Fig. 3 im Vergleich mit einem bekannten System zeigt;
Fig. 5 eine weitere tatsächliche Ausführungsform der Erfindung illustriert;
Fig. 6 ein System zur Ionenplattierung mittels Magnetronsputtern ähnlich zu dem aus Fig. 3, jedoch modifiziert zeigt;
Fig. 7 noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 8 eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt, welche in gewisser Weise ähnlich zu derjenigen von Fig. 1 ist; und
Fig. 9 eine Auftragung ist, die den Ionenstrom zu einem Substrat mit der Ladungsspannung, die an das Substrat angelegt wird, für eine Anzahl von verschiedenen Systemen zur Ionenplattierung mittels Magnetronsputtern vergleicht.
Fign. 1 und 2 zeigen schematisch das Basiskonzept, welches hinter der vorliegenden Erfindung steht. Zwei Magnetrons 1 und 2, weisen jeweils einen äußeren Ringmagnet 3 und einen zentralen Kernmagnet 4 auf. In Fig. 1, welches eine tatsächliche Anordnung sein könnte, ist der äußere Magnet 3 des Magnetrons 1 von "südlicher" Polarität und der innere Kernmagnet 4 ist von "nördlicher" Polarität (in ihren dem Substrat 7 benachbarten Bereichen). Der äußere Magnet 5 vom Magnetron 2 ist von Nordpolarität und sein Kern 6 von Südpolarität (in ihren dem Substrat 7 benachbarten Bereichen 5). Somit bilden die magnetischen Feldlinien von Magnetron 1 und 2 eine durchgehende Barriere, die Elektronen einfangen, die sich von den Magnetronplasmas verteilen.
Fig. 1 zeigt ebenfalls ein zu beschichtendes elektrisch geladenes Substrat 7, Targethüllen aus Quellenmaterial, welches die hervorstehenden Flächen der Magnetronpole bedecken, und das magnetische Feld B. Die Magnetronpole weisen eine Weicheisenrückplatte 9 auf, um ihre inneren magnetischen Kreise zu vervollständigen.
Wie anhand von Fig. 1 zu sehen sein wird, umschließt das magnetische Feld B vollständig das Substrat 7 und dient der Ausbildung eines Ringes, innerhalb welchem die Elektronen gefangen sind. Da die Elektronen nicht dem System entweichen können, sind sie verfügbar, um die mit dem elektrisch geladenen Substrat verbundene Ionisation zu erhöhen, wobei eine höhere Ionendichte gebildet wird als dies früher möglich war.
Fig. 2 illustriert zwei Magnetronpolaufbauten, die Seite an Seite angeordnet sind, wobei der magnetische Fluß C noch die Lücke zwischen den Aufbauten überbrückt und das Entweichen der Elektronen durch die Lücke zwischen Ihnen verhindert.
Bezugnehmend auf Fig. 3 illustriert diese eine tatsächliche Ausführungsform der Erfindung. Drei Magnetronpolaufbauten 10,11, 12 sind etwa gleichwinklig beabstandet mit dem Substrat 7 im Zentrum des Dreiecks vorgesehen. Benachbarte äußere magnetische Aufbauten der Magnetrons 10 und 12 bzw. 11 und 12 sind von entgegengesetzter Polarität. Eine Pumpöffnung 17 ist zwischen zwei benachbarten Polen gleicher Polarität der Einrichtungen 10 und 11 vorgesehen.
Magnetische Feldlinien 18 erstrecken sich von den benachbarten Enden der Magnetrons 10 und 12 bzw. der Magnetrons 11 und 12 und verhindern ein Entweichen von Elektronen durch die Lücken zwischen den Magnetrons 10 und 12 bzw. 11 und 12.
Daher können die Elektronen nicht zu geerdeten Teilen des Systems entkommen, mit Ausnahme in die Region der Pumpöffnung.
Im Gebrauch ist ein inertes Gas wie Argon in der Kammer des Systems bereitgestellt und Elektronen werden in der Kammer durch eine Potentialdifferenz beschleunigt, die auf die Magnetrontargets 8 zur Ionisation des Gases aufgebracht werden, wobei mehr Elektronen und Argonionen produziert werden. Die in der Kammer befindlichen Argonionen bombardieren die Targets 8 des Quellenmaterials und erzeugen einen Beschichtungsfluß von Quellenmaterial. Die Argonionen bombardieren ebenso das Substrat. Die magnetischen Feldlinien B dienen der Bildung einer durchgehenden Barriere für die Elektronen, die von der Magnetronentladung entweichen und sichern, dad diese Elektronen nicht an das System verlorengehen ohne ihre nützliche Funktion, die Erhöhung der Glühentladung in Verbindung mit dem negativ elektrisch geladenen Substrat, hervorbringen, wodurch der Ionenstrom zu dem Substrat erhöht wird.
Fig. 4 illustriert die Verbesserung, die mit der vorliegenden Erfindung erreicht werden kann. Linie X zeigt den Ionenstrom, der für verschiedene Ladungsspannungen in einer Anordnung ähnlich zu der in Fig. 3, bei der jedoch jede Magnetronpoleinrichtung identisch ist (Z.B. weisen alle drei Magnetrons äußere Magneteinrichtungen mit Südpolen sehr ähnlich zu den Magnetrons 10 und 11 auf), zur Verfügung steht, so daß kein Fluß zwischen benachbarten Magnetrons existiert. Linie Y zeigt den Ionenstrom, der durch die Ausführungsform gemäß Fig. 3 erzeugt wird, welcher aufgrund des Flusses zwischen benachbarten, Ionisierungselektronen einfangenden Aufbauten erheblich höher ist.
Fig. 5 zeigt eine weitere tatsächliche Ausführungsform eines Systems zur Ionenplattierung mittels Magnetronsputtern. Vier Magnetrons 20 sind gleichwinklig beabstandet in einem Ring mit dem Substrat 7 in seinem Zentrum angeordnet. Jedes Magnetron ist gleichartig zu solchen in Fig. 1 beschriebenen und sich entsprechenden Komponenten wurden entsprechende Referenznummern zugeteilt. Eine Pumpöffnung (nicht dargestellt) ist außerhalb der Ebene der vier Magnetrons vorgesehen, beispielsweise kann das System eine im wesentlichen zylindrische Form eines Mülleimers aufweisen und die Pumpöffnung kann an dem Boden des Mülleimers vorgesehen sein, wobei die Magnetrons und das Substrat, oberhalb des Bodens vorgesehen sein können.
Das magnetische Feld B bildet einen durchgehenden Ring um das Substrat und fängt Elektronen in dem Ring ein. Da eine gerade Anzahl von Magnetronpolaufbauten vorgesehen ist, kann der Flußring vollständig sein. Es gibt einen Vorteil in der Bereitstellung einer geraden Anzahl von Magnetrons. Sechs oder acht Magnetronpoleinrichtungen werden für gute Konfigurationen erachtet, es können jedoch, falls benötigt, selbstverständlich mehr vorgesehen sein. Benachbarte Magnetrons würden äußere Magneteinrichtungen von unterschiedlicher Polarität aufweisen.
Fig. 6 illustriert ein demjenigen von Fig. 3 entsprechendes System, welches jedoch modifiziert ist, um den Verlust von Ionisierungselektronen in dem Bereich zwischen den zwei Poleinrichtungen nahe der Pumpstation zu vermindern. Entsprechenden Komponenten wurden entsprechende Referenznummern gegeben. Eine Elektrodenkomponente 25 ist zwischen benachbarten Polen derselben Polarität der Magnetrons 10' und 11' vorgesehen, wobei die Komponente 25 einen zusätzlichen magnetischen Pol von entgegengesetzter Polarität zwischen den beiden entsprechenden benachbarten Polen bildet. Die Komponente 25 umfaßt einen Magnet 26 und eine Kappe 27 aus ferromagnetischem Material. Die Elektrodenkomponente 25 ist von einem veränderlichen Potential (sie ist von der Erde isoliert). Die magnetischen Feldlinien von den Magnetrons 10' und 11' werden von der magnetischen Elektrode 25 angezogen und liefern somit eine geschlossene Falle für Elektronen.
Die Art der zusätzlichen, in Fig. 6 gezeigten elektrischen Elektrode kann zwischen benachbarten Magnetronelektroden von gleicher Polarität in einem Beschichtungssystem angeordnet werden, um eine Barriere für die von der Magnetronentladung entweichenden Elektronen zu bilden, um so die Intensität der Ionisation und des Ionenstroms zu dem elektrisch geladenen Substrat zu erhöhen.
Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, welche sechs Magnetronpolaufbauten aufweist, wobei nächst- benachbarte äußere Polaufbauten unterschiedliche Polarität aufweisen.
Fig. 8 zeigt ein System zur Ionenplattierung mittels Magnetronsputtern mit vier Magnetronpolaufbauten 30,31,32 und 33. Die Polaufbauten 30 und 32 haben unterschiedliche Polaritäten, jedoch Polaufbau 33 weist Pole derselben Polarität zu den benachbarten Teilen der Polaufbauten 30 und 32 auf. Einige magnetische Feldlinien, Linien 34, sind nicht geschlossen und entweichen dem System. Jedoch haben die Polaufbauten 31 und 33 magnetische Feldlinien 35, die ihre Bereiche von unterschiedlicher Polarität verbinden. Ein annehmbarer Grad von magnetischer Geschlossenheit existiert immer noch und wir können immer noch eine erhöhte Ionisation erreichen.
Gerade Anzahlen von Polaufbauten mit Nächst-Nachbaraufbauten von unterschiedlicher Polarität sind bevorzugt (beispielsweise die Ausführungsformen von Fig. 5 und 7), andere Anordnungen können jedoch ebenfalls gut funktionieren.
Fig. 9 vergleicht die Leistung von verschiedenen Systemen zur Ionenplattierung mittels Magnetronsputtern. Die Achse 5 stellt die an das Substrat angelegte Vorspannung dar (in Volt), und Achse T stellt den Ionenstrom zu dem Substrattarget dar. Linien 40 bis 45 veranschaulichen die Leistung eines Magnetronsystems mit den folgenden Charakteristika:
Linie 40 - Dreipolaufbauten (im Gleichgewicht), wobei alle dieselbe Polarität aufweisen und Ferritmagnete verwenden.
Linie 41 - Dreipolaufbauten (nicht im Gleichgewicht befindlich), wobei alle dieselbe Polarität aufweisen und Ferritmagnete verwenden.
Linie 42 - Drei gemischt oder abwechselnd polarisierte Magnetronpolaufbauten (nicht im Gleichgewicht befindlich), mit Ferritmagneten (wie in der Ausführungsform von Fig. 3).
Linie 43 - Drei gemischt oder abwechselnd polarisierte Magnetronpolaufbauten (nicht im Gleichgewicht befindlich) mit Ferritmagneten, plus einer Attrappe, oder etnem zusätzlichen Polaufbau (wie in der Ausführungsform von Fig. 6).
Linie 44 - Vier gemischt oder abwechselnd polarisierte Magnetronpolaufbauten (nicht im Gleichgewicht befindlich) mit Ferritmagneten.
Linie 45 - Vier gemischt oder abwechselnd polarisierte Magnetronpolaufbauten (nicht im Gleichgewicht befindlich) mit Nd Fe B Magneten.
Die durch die "gemischt" polarisierten Magnetrons bewirkte lonisationserhöhung wird wirksam, selbst wenn relativ schwache Magneten wie Ferrite verwendet werden. Die bewirkte Ionisationserhöhung ist noch größer wenn stärkere magnetische Materialien, wie Neodym Eisen Bor verwendet werden.
Anordnungen von drei und vier Magnetrons, wie in den Fign. 3 und 5 dargestellt, sind zum Aufbringen von Titaniumnitrit und anderen harten Beschichtungen verwendet worden. Die hohe Ionisation, die durch den "Misch" Magnetroneffekt erzeugt wird, ist wichtig beim Aufbringen von Beschichtungen mit hoher Adhäsion und harten, dichten Gefügen.
Das Ionenbombardement des Substrats wird bewirkt durch Ionen, die in der Glühentladung um die Substrate herum erzeugt werden und zu den Substraten durch die an den Substraten angelegte negative elektrische Vorspannung angezogen werden. Die Vorspannung kann eine Gleichspannung sein, oder es kann eine Radiofrequenzleistung an das Substrat angelegt werden um eine induzierte negative Spannung zu erzeugen. Die Radiofrequenztechnik ist notwendig wenn die Substrate aus elektrisch isolierendem Material und/oder wenn das Beschichtungsmaterial elektrisch isolierend ist, sie kann jedoch ebenso verwendet werden, wenn das Substrat und das Beschichtungsmaterial elektrisch leitend sind. Die Verbesserungen in der Beschichtungshaftung und in dem Gefüge, hervorgerufen durch die erhöhte Ionisation aufgrund der gemischten Magnetronpolaritätsanordnung, treten sowohl für die DC, als auch für die RF Substratvorspannung ein.

Claims

1. System zur Ionenplattierung mittels Magnetronsputtern mit elektrischen Feldmitteln zur Erzeugung eines auf ein zu beschichtendes Substrat (7';7') gerichtetes elektrisches Feld (E), Spannungsmitteln, die geeignet sind das Substrat (7';7') negativ zu laden, um es so zu einer Kathode zu machen um so Ionen anzuziehen, und magnetischen Feldmitteln (1,2;10,11,12; 20), wobei die magnetischen Feldmittel mindestens ein erstes und ein zweites Magnetron (1,2;10,12), wobei jedes einen inneren Pol und einen äußeren Ringpol entgegengesetzter Polarität aufweist, umfaßt und wobei die Magnetrons jeweils ein Target aus Quellenmaterial, von welchem ein Beschichtungsfluß erzeugt wird, umfassen, und in welchem die Magnetrons so angeordnet sind, daß der äußere Ringpol eines Magnetrons (1;10) und der äußere Ringpol des zweiten oder weiteren Magnetrons (2;12) benachbart zu dem jeweils anderen angeordnet und von entgegengesetzter Polarität sind, und in welchem zumindest eines der ersten und zweiten Magnetrons ein nicht im Gleichgewicht befindliches Magnetron umfaßt, welches derart angeordnet ist, daß im Betrieb ein magnetisches Feld (B) sich zwischen den äußeren Ringpolen der Magnetrons erstreckt, so daß das Entweichen von Elektronen von dem System zwischen den Magnetrons verhindert wird, so daß diese Elektronen nicht an das System verlorengehen und zur Erhöhung der Ionisation an dem elektrisch geladenen Substrat zur Verfügung stehen.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetrons (1,2;10,12) um das Substrat (7;7') angeordnet sind und das Substrat eine im wesentlichen zentrale Position zwischen den Magnetrons hat.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei einander gegenüberliegende Magnetrons vorgesehen sind und das Substrat zwischen den Magnetrons angeordnet ist.

4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetrons in einem Polygon oder einem Ring um das Substrat herum angeordnet sind.

5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetrons im wesentlichen gleichwinklig in einem Polygon oder Ring um das Substrat herum angeordnet sind.

6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine gerade Anzahl von Magnetrons vorgesehen ist.

7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine ungerade Anzahl von Magnetrons vorgesehen ist.

8. System nach Anspruch 7, bei welchem eine zusätzliche magnetische Elektrode Verwendung findet um das magnetische Feld zwischen zwei benachbarten Polen von benachbarten Magnetrons mit äußeren Polstücken derselben Polarität zu schließen.

9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens drei oder vier Magnetrons vorgesehen sind.

10. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche in welchem vier Magnetrons (31) vorgesehen sind, wobei eines einen äußeren Pol einer Polarität und die anderen drei (30,32,33) äußere Pole der anderen Polarität aufweisen.

11. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem keine magnetische felderzeugende Solenoidspule zwischen den benachbarten Magnetrons (1,2;10,12) vorgesehen ist.

12. Verfahren zur Ionenplattierung mittels Magnetronsputtern zur Beschichtung eines Substrats, mit einem ersten Magnetron mit einem inneren Pol und einem äußeren Ringpol entgegengesetzter Polarität, und mit einem zweiten Magnetron mit einem inneren Pol und einem äußeren Ringpol entgegengesetzter Polarität, wobei: der äußere Ringpol des ersten Magnetrons von entgegengesetzter Polarität zu demjenigen des zweiten Magnetrons ist; die Magnetrons jeweils ein Target aus Quellenmaterial, von welchem ein Beschichtungsfluß erzeugt wird, umfassen; ein zu beschichtendes Substrat elektrisch geladen wird um es zu einer Kathode zu machen um positive Ionen anzuziehen; und das Entweichen von Elektronen von zwischen den Magnetrons reduziert wird, indem für ein magnetisches Feld, welches sich zwischen deren äußeren Ringpolen erstreckt, gesorgt wird, wodurch Elektronen, welche ansonsten zwischen den Magnetrons entweichen würden, eingefangen werden und die Beschichtungsionendichte an dem zu beschichtenden Substrat erhöhen, und in welchem die magnetische Flußkopplung zwischen den Magnetrons durch Verwendung von nicht im Gleichgewicht befindlichen Magnetrons erhöht ist.