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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Plasmas innerhalb einer Vakuumkammer, das zum Beschichten, Vorbehandeln oder Ionenimplantieren von Substraten verwendet werden kann.
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Stand der Technik
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Es ist bekannt, stationär angeordnete oder sich bewegende Substrate in einer Vakuumkammer durch Katodenzerstäubung (sputtering) zu beschichten. Eine besonders effiziente Art der Katodenzerstäubung stellt das in
US 3,956,093 beschriebene Planar-Magnetron-Sputtern dar, bei dem die Intensität der Entladung und damit die Plasmadichte durch den Einschluss der Elektronen in gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern deutlich erhöht wird. Nichtsdestotrotz bleibt der Ionisierungsgrad der schichtbildenden Teilchen im Bereich weniger Prozent, was das Magnetron-Sputtern in vielen Anwendungsbereichen, wie beim Verschleißschutz-Beschichten oder dem Erzeugen von Schichten mit spezieller Kristallstruktur, anderen Abscheideverfahren wie beispielsweise Bogen-Verdampfen (arc evaporation) oder IBAD (ion beam assisted deposition) als unterlegen erscheinen lässt.
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Mit der Einführung der mittelfrequent gepulsten Energieeinspeisung in Magnetron-Sputterprozesse in unipolarer (
DE 37 00 633 C1 ) und bipolarer (
DD 252 205 B5 ) Ausführungsform war es möglich, die Vorteile höherer Plasmadichten und Ionisierungsgrade auszunutzen, ohne dabei die thermische Belastungsgrenze von Beschichtungseinrichtung und zu behandelndem Werkstück zu überschreiten. Aber auch bei diesem Verfahren liegt der Ionisierungsgrad der schichtbildenden Teilchen typischerweise unter 10 Prozent, während der Großteil der entstehenden Ionen aus dem Trägergas der Entladung (meist Argon) gebildet wird.
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Einen weiteren Fortschritt in Richtung höherer Plasmadichten stellte das in
WO 98/40532 A1 beschriebene Hochenergie-Pulssputtern (high power impulse magnetron sputtering, HiPIMS) dar. Durch extrem kleine Tastgrade, d. h. Verhältnisse von Pulsdauer und Pulsperiodendauer, im Bereich von 1 % bis 10 % können während der Einschaltphase Plasmen mit hoher, für einige Materialien sogar nahezu vollständiger Ionisierung der schichtbildenden Teilchen erzeugt werden. Als Begleiteffekte werden Gasverdrängung, d. h. ein Abfall der Argon-Teilchendichte in der Nähe der Targetoberfläche, sowie Selbstsputtern, d. h. ein Abstäuben der Targetoberfläche durch Ionen aus dem eigenen Material, beobachtet. Als Quellen für HiPIMS-Prozesse werden üblicherweise kleine Planarmagnetrons herkömmlicher Bauart verwendet. Den zumeist sehr guten Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten steht jedoch der grundsätzliche Nachteil einer gegenüber dem DC-Sputtern drastisch verringerten Abscheiderate gegenüber. Darüber hinaus ist die erzielbare Plasmadichte durch Elektronenverluste senkrecht zu den Feldlinien des magnetischen Einschlusses begrenzt.
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Eine alternative Ausführungsform von Magnetron-Sputterquellen stellen die sogenannten Hohlkatoden-Magnetrons (hollow cathode magnetron, HCM) dar. Dieser beispielsweise in
US 5,482,611 A vorgestellte Quellentyp weist eine Katode mit topfförmigem Target auf, bei dem durch geeignete Gestaltung des Magnetsystems Material von den Seitenwänden abgetragen und unter Nutzung des Hohlkatoden-Effektes partiell ionisiert wird. Während sich nichtionisierte Metallatome vorwiegend auf der jeweils gegenüberliegenden Seitenwand niederschlagen, können entstandene Ionen durch überlagerte elektrische und magnetische Felder in Richtung Substrat geführt und dort zur Schichtbildung genutzt werden. Spätere Anmeldungen, z. B.
US 6,179,973 B1 , beschreiben verfeinerte Magnetfeldgestaltungen zur besseren Kontrolle der Ladungsträgerströme, ohne jedoch das grundlegende Wirkprinzip des Hohlkatoden-Magnetrons zu verändern. Die Quellen werden mittels Gleichspannung betrieben und zur Metallisierung in der Halbleitertechnologie eingesetzt. Wesentlicher Nachteil ist der geringe erzielbare Wirkungsgrad, d. h. das Verhältnis zwischen extrahierbarem Ionenstrom und eingesetzter elektrischer Leistung.
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Eine weitere Klasse von Sputterquellen mit einander gegenüberliegenden Targetflächen bilden die sogenannten Gasfluss-Sputterquellen. Sie sind in polygonaler (
DD 294 511 A5 ) oder planparalleler (
DE 42 35 953 C2 ) Ausführung bekannt und können mittels Gleichstrom oder gepulstem Gleichstrom (
DE 10 2008 022 145 A1 ) betrieben werden. Allen Ausführungsformen ist gemeinsam, dass zum Zwecke einer hohen Targetausnutzung auf Magnetsysteme verzichtet und das abgestäubte Material durch einen Inertgasstrom mit hoher Flussdichte zum Substrat transportiert wird. Aufgrund der damit verbundenen hohen Teilchendichte ist der Ionisierungsgrad gering und die erzielbaren Schichteigenschaften sind denjenigen konventionell gesputterter Schichten unterlegen.
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Aufgabenstellung
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Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mittels dem die Nachteile aus dem Stand der Technik überwunden werden. Insbesondere soll beim erfindungsgemäßen Verfahren ein Plasma mit hohem Ionisierungsgrad erzeugt werden, aus welchem die Ionen gerichtet austreten und zum Beschichten, Vorbehandeln oder Dotieren von Substraten verwendet werden können.
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Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Erzeugen eines Plasmas wird innerhalb einer Vakuumkammer eine Materialquelle angeordnet und diese derart ausgebildet, dass die Materialquelle einen Hohlraum in mindestens einer Schnittebene vollständig umschließt und mindestens eine Mündungsöffnung aufweist. Die Mündungsöffnung und der Querschnitt der Materialquelle können beispielsweise kreisförmig ausgebildet werden, so dass die Materialquelle die Form eines Hohlzylinders aufweist. Alternativ kann die Mündungsöffnung und der Querschnitt der Materialquelle beispielsweise auch spaltförmig ausgebildet werden.
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Außerdem wird eine Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes derart gestaltet, dass die Einrichtung die Materialquelle umschließt und Magnetfeldlinien erzeugt werden, die zumindest abschnittsweise parallel zur Mantelfläche der Materialquelle verlaufen. Des Weiteren wird eine Stromversorgungseinrichtung elektrisch leitend derart mit der Materialquelle verbunden, dass die Materialquelle als Katode einer Glimmentladung agiert, wodurch Materialpartikel von der inneren Oberfläche der Materialquelle abgetragen werden.
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Insofern gleicht das erfindungsgemäße Verfahren zunächst einmal denjenigen Verfahren, wie sie vom Hohlkatoden-Sputtern bekannt sind und grenzt sich aber auch bereits von denjenigen Verfahren ab, bei denen ein Plasma mittels einer Bogenentladung gezündet und aufrechterhalten wird, wie beispielsweise bei Erzeugen eines Hohlkatoden-Bogenentladungsplasmas.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Einrichtung ferner derart ausgebildet, dass das durch sie erzeugte Magnetfeld bezüglich seiner senkrecht zur Fläche der Mündungsöffnung verlaufenden Komponente einen magnetischen Nullpunkt vor der Mündungsöffnung der Materialquelle aufweist. Ein derartiges Magnetfeld kann beispielsweise mittels einer Kombination aus Permanentmagneten, die um die Materialquelle herum angeordnet werden, und einer oder mehreren Magnetspulen, welche die Materialquelle umschließen, erzeugt werden.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird der Abstand des magnetischen Nullpunktes von der Mündungsöffnung kleiner eingestellt als das kleinste Maß, mit dem gegenüberliegende Wandungsabschnitte der Materialquelle voneinander beabstandet sind. Auf diese Weise werden Elektronenverluste innerhalb des von der Materialquelle umschlossenen Volumens minimiert. Ist die Materialquelle beispielsweise als kreisförmiger Hohlzylinder ausgebildet, so wird der Abstand des magnetischen Nullpunktes von der Mündungsöffnung des Hohlzylinders demzufolge kleiner eingestellt als der Innendurchmesser des Hohlzylinders. Bei einer alternativen Materialquelle mit einer spaltförmigen Mündungsöffnung wird der Abstand des magnetischen Nullpunktes von der Mündungsöffnung dann kleiner eingestellt als die Spaltbreite der Mündungsöffnung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich außerdem dadurch aus, dass eine mit der Materialquelle elektrisch verbundene Stromversorgungseinrichtung zum Erzeugen einer Glimmentladung gepulst betrieben wird, wobei die Puls-Ein-Zeit maximal 5 % eines Pulszyklus beträgt und die Pulsstromdichte bezogen auf der Fläche der Mündungsöffnung der Materialquelle größer als 10 A/cm2 eingestellt wird.
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Ausführungsbeispiel
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Fig. zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Materialquelle;
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3 eine schematische Querschnittsdarstellung einer alternativen Materialquelle;
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4 grafisch dargestellte Zeitverläufe von Entladungs- und Biasstrom;
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5 grafisch dargestellte Zeitverläufe von Plasmaemissionslinien.
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In 1 ist eine Vorrichtung 1 schematisch dargestellt, mittels der das erfindungsgemäße Verfahren ausführbar ist. Innerhalb einer Vakuumkammer 2 wurden ein zu bearbeitendes Substrat 3 und eine dem Substrat gegenüberliegende Materialquelle 4 angeordnet. Die Materialquelle 4 wurde als kreisförmiger Hohlzylinder mit einer Bodenwandung und einer Mündungsöffnung 5 ausgebildet, wobei die Mündungsöffnung 5 in Richtung einer zu bearbeitenden Substratoberfläche ausgerichtet ist. Die Materialquelle 4 ist in 2 als schematische Querschnittsdarstellung abgebildet und weist einen Innendurchmesser „d“ auf. Wie bereits vorhergehend angegeben, kann die Materialquelle zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens auch eine von einem kreisförmigen Hohlzylinder abweichende Form aufweisen. In 3 ist der Querschnitt einer alternativen Materialquelle 13 mit spaltförmiger Mündungsöffnung und spaltförmigem Querschnitt mit der jeweiligen Spaltbreite „b“ schematisch dargestellt. Materialquellen mit spaltförmigem Querschnitt sind besonders zum Bearbeiten von großflächigen bzw. bandförmigen Substraten geeignet, wobei die Länge des Querschnittsspaltes an die Breite des zu bearbeitenden Substrates angepasst werden kann, so dass lediglich eine einzige Plasmaquelle für das dynamische Bearbeiten eines solchen Substrates benötigt wird, um die gesamte Breite des Substrates in einem Durchlauf mit dem Plasma zu beaufschlagen. Der Spaltlänge selbst sind dabei nahezu keine Grenzen gesetzt. Limitiert wird die Spaltlänge einer Materialquelle ausschließlich durch die elektrischen Parameter der zugehörigen Pulsstromversorgungseinrichtung, welche eine Pulsstromdichte bezogen auf die Fläche der Mündungsöffnung der Materialquelle größer als 10 A/cm2 bereitstellen muss. Beim Dimensionieren der Spaltbreite „b“ ist lediglich darauf zu achten, dass der Hohlkatodeneffekt wirksam wird.
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Für das Ausbilden einer Materialquelle zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens können alle chemischen Elemente und Verbindungen verwendet werden, die auch bei bekanntem Magnetron-Sputtern als Materialien für ein Magnetron-Target eingesetzt werden.
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Die Materialquelle 4 aus 1 wird elektrisch leitend mit einer ersten Stromversorgungseinrichtung 6 verbunden und agiert auf diese Weise als Katode einer Glimmentladung, wodurch unter Ausnutzung des Hohlkatodeneffekts Materialpartikel von der Innenwandung der Materialquelle 4 abgestäubt und zumindest teilweise ionisiert werden. Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist die Vakuumkammer 2 als Anode für diese Glimmentladung mit der Stromversorgungseinrichtung 6 elektrisch leitend verbunden. Alternativ kann aber auch eine separate Elektrode, welche ein von der Vakuumkammer 2 abweichendes Spannungspotenzial aufweist, als Anode für diese Glimmentladung verwendet werden.
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Für das Zünden und Aufrechterhalten eines Glimmentladungsplasmas sind bekanntlich Ionen erforderlich, die beispielsweise beim Magnetron-Sputtern mittels eines Arbeitsgases, dessen Partikel ionisiert werden, zur Verfügung gestellt werden. Auch beim erfindungsgemäßen Verfahren ist die Anwesenheit eines Arbeitsgases in der Vakuumkammer 2 zumindest für das Zünden eines Glimmentladungsplasmas erforderlich. Als Arbeitsgas können alle vom Magnetron-Sputtern her bekannten Arbeitsgase verwendet werden. Bei einigen für das Ausbilden der Materialquelle 4 geeigneten chemischen Elementen und Verbindungen – wie beispielsweise Aluminium – ist es hinreichend, wenn ein Arbeitsgas – wie beispielsweise Argon – in die Vakuumkammer 2 eingelassen wird und Arbeitsgasmoleküle durch die Mündungsöffnung 5 in das von der Materialquelle 4 umschlossene Volumen gelangen, um dort beim Zünden einer Glimmentladung ionisiert zu werden. Bei anderen Materialien – wie beispielsweise Kohlenstoff – ist ein stetiger Zufluss eines Arbeitsgases erforderlich, um ein Plasma innerhalb des von der Materialquelle umschlossenen Volumens zu zünden und aufrechtzuerhalten. Bei letztgenannten Ausführungsbeispielen ist es vorteilhaft, wenn die Bodenwandung der Materialquelle 4 einen Einlass 7 aufweist, durch den ein Arbeitsgas direkt in den von der Materialquelle 4 umschlossenen Hohlraum strömen kann. Die Durchflussmenge durch den Einlass 7 kann mittels eines Ventils 8 eingestellt bzw. unter Inanspruchnahme bekannter Verfahrensschritte geregelt werden.
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Vorrichtung 1 aus 1 umfasst ferner eine die Materialquelle 4 umschließende Einrichtung 9 zum Erzeugen eines Magnetfeldes. Einrichtung 4 wird erfindungsgemäß derart ausgebildet, dass deren Magnetfeldlinien 10 in einigen Feldlinienabschnitten zumindest weitgehend parallel zur Mantelfläche der Materialquelle 4 verlaufen und dass die Magnetfeldkomponente in Richtung der rotationssymmetrischen Achse der zylinderförmigen Materialquelle 4 einen Nullpunkt 11 vor der Mündungsöffnung 5 aufweist. Der Abstand dieses magnetischen Nullpunktes 11 von der Fläche der Mündungsöffnung 5 wurde kleiner gewählt als der Innendurchmesser „d“ der Materialquelle 4. Das Austreten von Elektronen aus dem von der Materialquelle 4 umschlossenen Volumen wird auf diese Weise behindert, wodurch im von der Materialquelle 4 umschlossenen Volumen eine hohe Anzahl Elektronen für das Ionisieren von Partikeln erhalten bleibt.
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Einrichtung 9 besteht aus einer Vielzahl von Permanentmagneten, die ringförmig um die Materialquelle 4 herum angeordnet sind, sowie aus einer Magnetspule, welche die Materialquelle umschließt. Mittels der Einrichtung 9 wird ein Magnetfeld erzeugt, welches parallel zu der Innenwandung der Materialquelle 4 eine Feldstärke von über 30 mT aufweist. Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es aber hinreichend, wenn parallel zur Innenwandung der Materialquelle eine Magnetfeldstärke von mindestens 10 mT erzeugt wird.
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Stromversorgungseinrichtung 9 kann maximale Pulsströme von 1000 A bei Spannungen von bis zu 1000 V bereitstellen und verfügt über Einrichtungen zum schnellen Erkennen und Abschalten unerwünschter Bogenentladungen. Für das zu 1 beschriebene Ausführungsbeispiel werden Pulse mit einer Pulsdauer (Puls-Ein-Zeit) von 150 μs, einer Pulsperiodendauer von 20 ms sowie einer Spannung von 650 V erzeugt.
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Alternativ können zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens Pulse mit einer Pulslänge der elektrischen Glimmentladung zwischen 30 μs und 1000 μs, vorzugsweise zwischen 100 μs und 300 μs, mit einer Puls-Wiederholfrequenz der elektrischen Glimmentladung zwischen 1 Hz und 1000 Hz, vorzugsweise zwischen 10 Hz und 100 Hz, und mit einer Puls-Spannung der elektrischen Glimmentladung zwischen 100 V und 2500 V, vorzugsweise zwischen 400 V und 1000 V, eingestellt werden. Erfindungswesentlich ist, dass die Puls-Stromdichte der elektrischen Glimmentladung bezogen auf die Fläche der Mündungsöffnung 5 größer als 10 A/cm2 eingestellt wird, um einen hohen Ionisierungsgrad des erzeugten Glimmentladungsplasmas zu erzielen.
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Mittels einer erfindungsgemäß betriebenen Vorrichtung gemäß 1 ist es möglich, ein Plasma mit sehr hohem Ionisierungsgrad zu erzeugen sowie einen fokussierten Ionenstrom zielgerichtet auf ein zu bearbeitendes Substrat 3 zu lenken. Dabei kann der fokussierte, auf das Substrat 3 ausgerichtete Ionenstrom zum Beschichten des Substrates 3 zum Vorbehandeln des Substrates 3 (wie beispielsweise dem Ionenätzen) oder zum Implantieren der Ionen in das Substrat 3 verwendet werden.
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Für das Verdichten einer Schicht bei einer Schichtabscheidung oder für das Implantieren der Ionen in ein Substrat 3 kann es erforderlich sein, die Ionen nach dem Verlassen des von der Materialquelle umschließenden Volumens einer zusätzlichen Beschleunigung zu unterziehen. Für diesen Zweck kann das Substrat 3 zum Beispiel mit einer zweiten Stromversorgungseinrichtung 12 elektrisch verbunden und mit einer Bias-Spannung beaufschlagt werden. Im zu 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel einer Schichtabscheidung erzeugt die Stromversorgungseinrichtung 12 eine Bias-Gleichspannung von –50 V am Substrat 3, um die abgeschiedene Schicht zu verdichten.
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In 4 sind oszillografisch gemessene Zeitverläufe von Entladungs- und Bias-Strom grafisch dargestellt. Bei diesen Messungen wurde ein 90 mm langer Hohlzylinder aus Aluminium mit einem Innendurchmesser von 30 mm als Materialquelle 4 verwendet. Dabei strömte als Arbeitsgas Argon durch den Einlass 7.
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Das Anstiegsverhalten des Entladungsstroms lässt sich in drei Phasen unterteilen. Phase I ist durch einen zunächst exponentiellen Stromanstieg charakterisiert, welcher schließlich in ein lineares Verhalten mündet. Die sich anschließende Phase II zeigt eine Verringerung des Stromanstiegs mit der Tendenz zu einem beginnenden Sättigungsverhalten. Phase III wiederum weist eine erneute Zunahme des Stromanstiegs auf, bis schließlich ein nahezu linearer Anstieg ohne Anzeichen von Sättigung erreicht wird. Das Ende des Stromanstiegs ist nur durch die vorgewählte Pulsdauer bzw. die Leistungsfähigkeit der Pulsstromversorgungseinrichtung 6 begrenzt. Der ebenfalls dargestellte Bias-Strom gibt dieses Zeitverhalten in leicht modifizierter Form wieder. Die Hauptunterschiede bestehen in einem verspäteten Einsetzen des Stromanstiegs sowie in dem langsamen exponentiellen Abklingen desselben nach Pulsende.
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Einen Ansatz zur Erklärung des beobachteten Verhaltens des Entladungsstroms liefern die in 5 grafisch dargestellten Zeitverläufe gemessener Intensitäten verschiedener Plasmaemissionslinien. Zunächst fällt auf, dass die bei bekannten Sputterprozessen dominierenden Linien von Ar-Atomen hier kaum beobachtet werden, wohingegen sofort zu Pulsbeginn ein starker Anstieg der Linien von Al-Atomen einsetzt, welcher die erste Phase der Entladung bestimmt. Dies deutet darauf hin, dass sich der Hohlraum der Materialquelle 4 schnell mit abgestäubten Al-Atomen füllt. Diese werden zunächst durch normales Sputtern mit Ar-Ionen und später zunehmend durch Selbstsputtern mit Al-Ionen freigesetzt. Nach etwa 30 bis 40 μs geht die Linienintensität der Al-Atome in Sättigung, was sich im Entladungsstrom als Übergang in Phase II widerspiegelt. Im weiteren Verlauf dieser Phase nimmt der Anteil der Al-Ionen mehr und mehr zu, bis diese schließlich das Teilchenensemble dominieren. Der fortwährende Anstieg der Linienintensität der Al-Ionen findet in Phase III der Entladungsstromkurve ihren Ausdruck. Die Bias-Stromkurve scheint in ihrem gesamten Verlauf durch Al-Ionen geprägt, wobei ein nennenswerter Teil der gebildeten Ionen auch nach Pulsende noch extrahiert werden kann.
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Nicht nur bei Verwendung einer Materialquelle (4) aus Aluminium, sondern auch bei einer Materialquelle aus allen anderen geeigneten Materialien, zeichnet sich das mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugte Plasma dadurch aus, dass die Plasmaionen zu mindestens 50 % aus von der Materialquelle (4) abgestäubten Partikeln gebildet werden. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Arbeitsgas vorwiegend zum Zünden einer Glimmentladung benötigt. Aufrechterhalten wird diese dann durch Partikel, die mittels Selbstsputtern von der Materialquelle (4) abgestäubt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 3956093 [0002]
- DE 3700633 C1 [0003]
- DD 252205 B5 [0003]
- WO 98/40532 A1 [0004]
- US 5482611 A [0005]
- US 6179973 B1 [0005]
- DD 294511 A5 [0006]
- DE 4235953 C2 [0006]
- DE 102008022145 A1 [0006]
