DE1690684A1

DE1690684A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Spruehen mit Hochfrequenz

Info

Publication number: DE1690684A1
Application number: DE19671690684
Authority: DE
Inventors: Leslie Arthur; Holland; Putner Tony Ian
Original assignee: Edwards High Vacuum International Ltd
Current assignee: Edwards High Vacuum International Ltd
Priority date: 1966-07-29
Filing date: 1967-07-26
Publication date: 1972-02-03
Also published as: GB1169747A

Description

Dr. W. SCHALK · Dipl.-Ing. P. WlRTH · Dipl.-lng. G. DANNENBERG Dr. V. SCHMIED-KOWARZIK · Dr. P. WEINHOLD

6 FRANKFUBTAM MAIN

CR. ESCHENHEIMER STR. 39

25. Juli 1967
Da/Fa

Edwards High Vaouum International Ltd. örawley, Sussex / England

Verfahren und Vorrichtung zum Sprühen mit Hochfrequenz

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen zum Sprühen·

Es sind zahlreiche Verfahren zum Sprühen elektrisch leitenden Materials bekannt, die in der Regel ein System mit einem elektrischen Leiter verwenden, der als Kathode bei einer Gleichstrom-Glimmentladung im Vakuum bzw· bei Unterdruck dient· Die GlimmentMung erzeugt eine die Kathode umgebende Ionenschicht - bekannt als Dunkelraum - und da der größere Teil des Spannungsgefälles der angelegten Spannung auf den Raum zwischen der Ionensohioht und der Kathode entfällt, wird der elektrische Leiter durch eine große Zahl von Ionen hoher Energie bombardiert, wodurch das Material des Leiters

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versprüht wird. Soll jedoch ein Isolator versprüht werden, so baut sich eine positive ladung auf der Oberfläche des Isolators auf, welche den Spannungsabfall zwischen ihm und der Ionenschicht derart herabsetzt, daß das Sprühen beeinträchtigt wird oder sogar ganz aufhört. Um diesen Effekt zu beseitigen, sind Verfahren zum Sprühen mit Radiobzw. Hochfrequenz entwickelt worden.

Obwohl diese Verfahren allgemein bekannt sind, soll doch das Prinzip, auf dem sie beruhen, zum besseren Verständnis der nachfolgenden Beschreibung zunächst hier dargelegt werden. Wenn eine Oberfläche einer Metallelektrode durch ein Stück isolierenden dielektrischen Materials von einem Entladungsplasma getrennt und das Potential einer Hadio-frequenzquelle an die Elektrode angelegt wird, wurde die Bildung einer Ionenschicht nahe der Oberfläche des Isoliermaterials beobachtet. Wenn das Potential an die Metallelektrode angelegt wird, bewirkt die Kapazität des Isoliermaterial, dass seine dem Plasma zugewandte Oberfläche eine Ladung aufnimmt· Wenn diese Ladung negativ ist, wird das Material mit Ionen bombardiert und ein Sprühen tritt auf. Angenommen, das Elektrodenpotential wechselt um ein Hullpotential relativ zu dem Plasma, so entsteht ein ElektroHenfluß

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zur Materialoberfläche, wenn die Ladung positiv ist. Da die Beweglichkeit der Elektronen größer ist als die der Ionen, ist der Stromfluß während der positiven Hälfte einer Periode größer als während der negativen Hälfte. Dies könnte zu der Annahme verleiten, daß ein Stromfluß zum Isolator besteht, was natürlich nicht möglich ist. Infolgedessen nimmt das dielektrische Material ein G-leichstrompotential an, das negativ ist und um welches das Potential an der Materialoberfläche wechselt. Dieses negative Potential ist ein wesentlicher Teil der vollen Amplitude des angelegten Radiofrequenzpotentials, mit dem Erfolg, daß ein Sprühen sowohl während der negativen Hälfte der Periode als auch während eines wesentlichen Teils der positiven Hälfte erfolgt. Bei bekannten Anordnungen wurde in einem solchen System ein Auftreffkörper aus Isoliermaterial einer einzigen Elektrode zugeordnet und ein Radiofrequenzpotential an diese Elektrode und an Erde gelegt. Leider ergeben sich bei einer solchen Anordnung jedoch eine Anzahl Schwierigkeiten und Nachteile, von denen die nachstehenden besonders hervortreten:

a) Die Anlage neigt zu Erdentladung und nur ein Bruchteil der angewendeten Radiofrequenzenergie wird nutzbar gemacht;

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b) Das Plasma kann unstabil sein.

Natürlich, und abgesehen davon,daß das Sprühen nicht wirksam während der beiden vollständigen Halbperioden durchgeführt wird, ergeben unerwünschte Entladungen zu den Wänden des Gerätes eine Vergeudung an Radiofrequenzenergie·

Diese Nachteile werden nach der Erfindung beseitigt.

Ein Sprühverfahren nach der Erfindung verwendet mindestens zwei nicht geerdete Elektroden, von denen mindestens eine als Hauptsprühelektrode dient, der ein zu versprühendes Material zugeordnet ist, worauf dieses Material einer Glimmentladungszone ausgesetzt und an die Elektroden eine Radior frequenzspannung angelegt wird, wodurch das Material versprüht wirdo

Weiter schafft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit einer evakuierbaren Kammer und einer Einrichtung, um wenigstens in einem Bereich dieser Kammer eine Glimmentladung zu erzeugen, wobei zv/ei nicht geerdete Elektroden im

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Bereich der Glimmentladung angeordnet sind, von denen mindestens einer als Hauptsprühelektrode ein zu versprühendes Material zugeordnet ist, und wobei eine Radiofrequenzspannungsquelle an die Elektroden anlegbar ist, um das Material zu versprühen.

Die Radiofrequenzquelle kann die Energie zum Einleiten und Erhalten des Entladungsplasmaa abgeben, welches den Sprüheffekt bewirkt. V/enn ein Isolator versprüht werden soll, kann das Isolatormaterial unmittelbar auf die verschiedenen Elektrodenoberflächen nach Wunsch aufgebracht werden, und das Versprühen erfolgt dann von jeder Elektrode aus.

Wenn, wie üblich, eine Einphasenspannung verwendet wird, sind nur zwei Elektroden erforderlich und diese können vorzugsweise als in einer Ebene angeordnete Scheiben ausgebildet sein. Das zu versprühende Material kann das leitende Material der Elektroden sein, doch können die Vorteile des Radiofrequenzsystems insbesondere dadurch nutzbar gemacht werden, daß normalerweise ein Isolator verwendet wird. So kann jede der Elektroden auf

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ihren betreffenden Oberflächen mit einem Isolatorversehen sein oder es kann ein einziger Auffangkörper aus Isoliermaterial beide Elektroden überbrücken und an ihnen befestigt sein.

Stattdessen kann auch eine Oreiphasenspannung verwendet werden, welche dann ein Dreielektroden-System erforderte

Es wurde weiter gefunden, daß in Jedem Falle die Form der Elektroden ein wichtiger Konstruktionsfaktor ist, weil Spitze oder rechteckige Elektroden örtliche Energieverluste an Radio-f requenz ergeben. Als bevorzugte Form werden Scheiben, und zwar kreisförmige Scheiben,oder D-Formen angesehen, obwohl auch andere Formen verwendet werden können.

Ein besonderes Anwendungsgebiet der Erfindung ist das Aufbringen dünner Schichten glasigen Materials als Oberflächenschutz für optische Teile. Beispielsweise wird Bleioxydglas, auf das Pyrex (eingetragenes Warenzeichen) aufgesprüht wurde,säurebeständig, und wenn Silika auf Glas mit großen Anteilen an Natirumoxyd aufgesprüht wird, ergibt eich eine Widerstandsfähigkeit gegen den Angriff τοπ Wasser oder Säure bei Temperaturen, wo die Diffusion von

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Natrium oder Silizium gering ist.

Die Erfindung kann auch vorteilhaft für kombiniertes Sprühen und "Sprühen mit Vorspannung" verwendet werden, wie weiter unten noch näher "beschrieben ist. So ist nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung eine Sprühvorrichtung mit einem zwei weitere Elektroden aufweisenden Werkstückhalter vorgesehen, der geeignet ist, ein isolierendes Werkstück oder Werkstücke zu lagern, wobei an diese zusätzlichen Elektroden eine Radiofrequenzspannungsquelle gelegt wird, deren an diesen Elektroden liegende Spannung, bezogen auf die Größe der Elektroden, einen solchen Wert hat, daß das Vorspannungssprühen des Werkstücks oder der Werkstücke mit geringerer Intensität erfolgt als das Sprühen des Materials der Hauptsprühelektrode bzw. »elektroden.

Die Erfindung ist nachstehend in einigen Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher beschrieben, und zwar zeigen:

Pig. 1 schematisch einen Schnitt durch eine Sprühvorrichtung nach der Erfindung;

Fig. 2 und 3 schematisch Teilansichten abgewandelter Ausführungsformen; und

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ig. 4, 5 und 6 schematische Teilansichten von

Sprühvorrichtungen nahh der Erfindung, bei denen ein Vorspannungssprühen ("bias sputtering) verwendet wird.

Gemäß Pig. 1 der Zeichnung ist ein Niedertruck-Behälter dargestellt, der einen Hauptteil 1 und eine Grundplatte 2 aufweist. Von der Grundplatte 2 werden in nicht näher dargestellter Weise zwei nicht geerdete D-förmige Elektroden 3 und 4 getragen, die über Klemmen 5 und 6 an eine Radio- bzw. Hochfrequenzquelle angeschlossen sind. An jeder der Elektroden 3 und 4 ist ein Auffangkörper 7 (target) aus Isoliermaterial, wie beispielsweise Glas, angebracht, welcher gesprüht werden soll.

Im Bereich oberhalb der Elektroden befindet sich eine Werkzeughaltereinheit 8, die nur schematisch dargestellt ist. Diese Einheit kann auf beliebige bekannte Weise, wie etwa durch Wasserkühlung (nicht dargestellt) gekühlt werden. .Venn die Hadiofrequenzquelle eingeschaltet wird, bewirkt das Wechselpotential eine Entladung zwischen den Elektroden 3 und 4 und es tritt ein kontinuierliches Sprühen des Auffangkörpers 7 auf, da dieser jeweils an der betreffenden

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Elektrode angebracht ist, so daß keine restliche Oberflächenladung bestehen kann. Bas versprühte Material wird auf dem an der Einheit 8 gelagerten Werkstück niedergeschlagen. Obwohl dies in der Zeichnung nicht besonders dargestellt ist, sind die Elektroden 3\ 4 und ihre Zuführleitungen in geeisneter Jeise gegen Entladungen zu geerdeten 'feilen abge-' schirmt. Solche Abschirmungen mittels eines isolierenden Schirms über den freiliegenden Elektrodenf-lächen oder mittels eines geerdeten Schirms in geringem Abstand von diesen sind in Fachkreisen durchaus bekannt. Gleichfalls sind Maßnahmen bekannt, die Elektroden so anzuordnen, daß ein Überschlag bzw₀ Durchschlag nicht auftreten kann. Jede zur Verhinderung solcher Entladungen geeignete Ausführung kann natürlich verwendet werden.

Vorteilhaft ist es, ein magnetisches Feld zum Steigern der Ionisationswahrscheinlichkeit zu verwenden, um ein Sprühen bei Niederdrücken zu ermöglichen. Bei solchen Niederdrücken ist die mittlere freie rt'eglänge des Gases größer, so daß das Ma;3 des Materialniedorschlags nicht durch Diffusion begrenzt ist und größere Niederschlagsraten erreichbar sind.

Natürlich kann die das rferkstück tragende Einheit;

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8 drehbar oberhalb der Auffangkörper 7 angeordnet sein, und es können gleichzeitig mehrere „erkstücke daran gelagert sein, von denen jedes während der Drehung auf seiner Oberfläche einen iü.ederschla_CT in Form eines dünnen Films erhält. ^.uch können die beiden Auffanakörper 7 durch einen einzigen, die Elektroden 3 und 4 überbrückenden Körper ersetzt werden, oder es können zwei Körper unterschiedlichen materials verwendet werden·

Durch Anlagen der Radiofrequenz an die Elektroden verringert sich das Problem von Entladungen zu den Behälterwänden erheblich, obgleich ea natürlich, wie oben erwähnt, erforderlich ist, geeignete Abschirmungen gegen solche Entladungen vorzusehen· Ferner ist zu bemerken, daß bei der beschriebenen Vorrichtung das Plasma durch die Radiofrequenzzufuhr entsteht. Eine solche symmetrische Anordnung iat datier für ein gesteuertes Sprühen besser geeignet und ergibt einen gleichmäßigeren.Film auf dem v/erkstück.

Fig. 2 und 3 sind schematische Teildarstellungen abgewandelter Ausführunasformen der Vorrichtung nach Ji¹Lt;. 1. Hier iat der Hauptteil des iJlederdruckbehälters nicht dargestellt und aeine Begrenzung ist nur durch die iirundplatte 2 angedeutet, rfeiter iat in diesen 109886/UU

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Zeichnungen in Blockform der Übertragunas- und Anpassungsstromkreis 9 (transline and matching circuit), der nicht geerdete Oscillator 10 und der Kupplungstransformator 11 dargestellte In Fig. 2 haben die Sprühelektroden 3 und 4 jede die Form einer Scheibe, während in Fig. 3 die .Elektrode 4- als Scheibe und die Elektrode 3 als diese umgebender Hing ausgebildet ist· In jedem Fall ist der Auffangkörper (target), der normalerweise aus einem Isolator besteht, entweder einstückig beide Elektroden bedeckend ausgebildet oder als jeder der Elektroden zugeordnetes Einzelstück, Fig. 3 zeigt außerdem, gestrichelt angedeutet, einen geerdeten Metallschirm 12, der zusätzlich zum Tferhindern von Erdentladungen beiträgt. Bei Verwendung eines solchen Schirms kann die Kapazität zwischen dem Schirm 12 und den Elektroden die Stabilität der Energiezufuhr sowie ihre Frequenz beeinflussen und sie in unerwünschter Weise belasten. Diese Wirkungen vermindern sich mit zunehmendem Abstand zwischen den Elektroden und dem Schirm. Außerdem sind auch die Zuführleitungen zu den Elektroden abgeschirmt, obgleich dies nicht gezeichnet ist. Die elektrisch symmetrische» Elektrodenanordnung der beschriebenen Vorrichtung verringert die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Entladungen, wie bereits erwähnt, und es ist daher möglich, den Spalt zu vergrößern, so daß dieser tatsäch. -i.lich größer ist als bei bisher verwendeten Anordnungen.

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Auch andere Stellungen der Teile zueinander können verwendet werden, um Erdentladungen zu vermeiden.

Während das Verfahren nach der Erfindung in erster Linie für das Sprühen von Isolatoren geeignet ist, kann es auch mit Vorteil zur Herstellung von Cermets oder dünnen Filmwiderständen verwendet werden. Bisher war es schwierig, dünne Filmwiderstände von hohem Widerstand herzustellen, weil für hohe Widerstandswerte der Film eine unerwünschte geringe Dicke erfordert. Während der Auffangkörper Beispiels weise einen Isolator mit Metallstreifen über seiner freiliegenden Oberfläche aufweist, kann nun ein Leiter/lsolator-Film gesprüht werden, der die Herstellung dünner Filmwiderstände in der Größenordnung von Megohms gestattet.

Eine weitere vorteilhafte Anwendungemöglichkeit der Erfindung ist das Gebiet des Sprühens mit Vorspannung (bias spidering)· Dies ist eine bekannte Technik bei Gleichstrom-Sprühanordnungen, wenn das Werkstück eine kleine negative Spannung erhält, um ein geringes Ionen-Bombardement und Sprühen des Films bei seinem Ablagern auf dem Werkstück zu bewirken. Falls ein Isoliermaterial auf ein Isolierwerkstück gesprüht wird, sind bekannte mit Gleich-109886/UU

stromvorspannung arbeitende Sprühverfahren nicht zulässig wegen der eingangs dieser Beschreibung dargelegten Gründe. Dagegen ist die Erfindung auch für solche lalle anwendbar, derart, daß ein Elektrodenpaar hinter dem Werkstück vorgesehen und eine Hadiofrequenzspannung an dieses Paar angelegt wird, Natürlich muß hierbei die Radiofrequenzquelle von viel geringerer Energie sein als diejenige, die für die Hauptsprühelektrode verwendet wird, damit das Vorspannungssprühen nicht zu stark wird. Sin geeignetes Energieverhältnis zwischen dem Haupt- und Zusaiz- bzw. Vorspannungssprühsystem ist etwa 10:1. Trotzdem genügt die Energie des Vorspannungssystems dafür, daß das Sprühen sich fortsetzt, während das Hauptsystem abgeschaltet ist. Das liegt daran, weil der Bereich des Werkstücks sich noch in ionisiftrtem Zustand befindet und die an den Werkstüokelektroden liegende Badiofrequenzquelle genügt, um ein örtliches Plasma in diesem Bereich aufrechtzuerhalten.

. 4, 5 und 6 der Zeichnung zeigen drei Anordnungen für Vorspannungssprühen, welche den drei vorher beschriebenen Anordnungen nach Fig. 1, 2 und 3 entsprechen, d.h. aie sind mit D-förmigen, scheibenförmigen und konzentrischen Elektroden ausgebildet. Bei jeder der drei Anordnungen nach Fig. 4-6 sind die Vorspannungssprühelektroden mit 3', 4¹ bezeichnet und bilden einen Teil des Werkstückhalters, an dem

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das Werkstück gelagert wird. Damit die Intensität des Vorspannungssprühens geringer als die des Hauptsprühens ist, sind die Vorspannungselektroden 3¹, 4¹ als Anzapfungen an die Sekundärspule des Transformators 11 gelegt und erhalten somit eine geringere ßadio-f requenzspannung·

Außerdem kann vorteilhaft die gleiche Energiequelle sowohl für das Hauptsprühen als auch für das Vorspannungssprühen verwendet werden» Dies ist mit einem einzigen Paar gegenüberliegender, koaxialer, vorzugsweise kreisförmiger, Elektroden erreichbar, von denen eine das Auffangmaterial trägt, während die andere das Werkstück lagert oder hinter diesem angeordnet ist. Indem die das Auffangmaterial tragende Elektrode kleineren Durchmesser erhält als die das Werkstück lagernde,und durch Anlegen einer Radio-Frequenzspannung an diese Elektroden wird das Auffangmaterial sehr viel intensiver pesprüht als das . Werkstück, weil die Stromdichte an der kleineren Elektrode wesentlich HJher ist. So wird, obgleich die Energie nicht zum wirksamen Sprühen des Auffangmaterials über beide Halbperioden dient, die gleiche Energiequelle zugleich für das Vorspannungs sprühen verwendet. Dieses System ist besonders einfach und wie ersichtlich, ist es auf diese Weise=

möglich, eine Sprühvorrichtung für Isoliermaterialien 109886/1414

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vorzusehen, mittels deren ein gesteuerter und "sauberer" Film auf dem Werkstück erhältlich ist.

In allen vorbeschriebenen Anordnungen wird die Entladung durch die an den Elektroden gelegte Radiofrequenzspannung erzeugt und aufrechterhalten, natürlich kann jedoch auch ein Anode/Kathode-System für die Entladung verwendet werden oder es können stattdessen Einrichtungen zum Einleiten der Entladung vorgesehen werden, die dann durch die an den Elektroden liegende iiadiofrequenzspannung während des Betriebs lediglich aufrechterhalten wird. Die Radiofrequenz kann im Bereich von 10 Kilohertz bis 100 Megahertz liegen mit einer Spannungsquelle, die eine Arbeitsspannung von 500 Volt bis 5 Kilovolt liefert.

- Ansprüche -

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Claims

T690684 Patentanspr ü c h e

1. Sprühverfahren, wobei ein zu versprühendes Material einer Elektrode zugeordnet ist, an die eine Eadio- bzw. Hochfrequenzspannung angelegt wird, und wobei das Material dem Bereich einer Glimmentladung ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß an zwei nicht geerdete Elektroden,von denen mindestens eine als Hauptsprühelektrode dem Material zugeordnet ist, eine Hochfrequenzspannung angelegt wird.

2. Verfahren nach AnsDruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als zu sprühendes Material ein Isolator verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Elektroden als Hauptsprühelektroden dem zu sprühenden Material zugeordnet sind.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß einem Yferkstück zwei unter elektrische Vorspannung stehende Sprühelektroden zugeordnet werden und daß an diese Elektroden eine zweite Hochfrequenzspannung angelegt wird, die mit der ersten Hochfrequenzspannung elektrisch verbunden ist.

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5. Sprühvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer evakuierbaren Kammer, einer Einrichtung zum Erzeugen einer Glimmentladung, einer Spannungsquelle für Radio- "bzw. Hochfrequenz und einer dem zu sprühenden Material zugeordneten Hochfrequenzelektode, dadurch gekennzeichnet, daß zwei nicht geerdete Hochfrequenzelektoden (3,4 oder 3', 4-¹) vorgesehen sind, an die eine erste Hochfrequenzspannung anlegbar isto

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß beide Elektroden (3,4) dem Material (7) zugeordnete Hauptsprühelekiaoden sind_e

7. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7> dadurch gekennzeichnet, daß das zu sprühende Material (7) ein Isolator ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-7» dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (3,4 oder 3'» 4') mit einer Abschirmung (12) gegen Erdentladungen versehen sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei einem Werkstück zugeordnete unter Vorspannung stehende Sprühelektoden (3J4¹)· vorgesehen sind, an die eine zweite Hochfrequenzspannungsquelle anlegbar ist, welche elektrisch

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an die erste Hochfrequenzspannungsquelle angepaßt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite HochfrequenzSpannungsquelle als Anzapfung der ersten HochfrequenzSpannungsquelle (10,11) ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-10, dadurch gekennzeichnet, daß alle Elektroden (3»4, 3', 4¹) die gleiche Größe und Gestalt haben.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-11» dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptsprühelektroden (3»4) D-förmig und in der gleichen Ebene angeordnet sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-11, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hauptöprühelektroden (3,4) die Form runder Scheiben haben und in der gleichen Ebene angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-11, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hauptsprühelektroden (3,4) konzentrisch in Form einer Scheibe (4) und eines diese umgebenden Ringes (3) angeordnet sind·

109886/UU Anspruch 15

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15β Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen einer Glimmentladung die beiden Elektroden (3,4) und die Hochfrequenzapannungsquelle enthält.

Patentanwalt!

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