DE1934328A1 - Vorrichtung zur wahlweisen Zerstaeubung fester Substanzen durch Ionenbeschuss nach der Plasma- oder Ionenstrahlmethode - Google Patents

Description

Institut für Elektronische 1934328

Bauelemente

117 Berlin

Bendigstr. 11

Vorrichtung zur. wahlweisen Zerstäubung fester Substanzen durch Ionenbeschuß nach der Plasma- oder Ionenstrahlmethode

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur wahlweisen ■ Zerstäubung fester' Substanzen durch Ionenbeschuß nach der Plasma- oder Ionenstrahlmethode. Das Verfahren der Ionenzerstäubung (Sputtering) wird vielseitig angewendet ι z.B. als Verfahren zur Herstellung dünner Schichten auf einem Träger oder zum Reinigen und Ätzen von Oberflächen fester Stoffe. Auf Grund der besonderen Qualitäten der damit hergestellten Schichten wird die Ionenzerstäubung in zunehmendem Maße für die Herstellung elektronischer . Bauelemente eingesetzt. ■

Es sind bereits eine Vielzahl von Vorrichtungen und Anlagen zur Durchführung der Ionenzerstäubung bekannt. In ihrem Aufbau werden sie davon bestimmt, ob die Zerstäubung als Plasmazerstäubung oder nach der Ionenstrahlmethode erfolgen soll. Bei der Plasmazerstäubung wird in einer verdünnten Edelgasatmosphäre eine Bogenentladung etzeugt und die Ionen werden aus dem Plasma durch das Target abgesaugt, das dabei zerstäubt wird. Plasmazerstäubungsanlagen arbeiten je nach Art der angelegten Spannung entweder nach der Gleichst rommethode (DC-Sputtering) oder nach der Hochfrequenzmethode (BF-Sputtering). Dabei werden Elektrodensysteme mit zwei oder mehr Elektroden (Dioden - Trioden - Sputtering) eingesetzt^ Für Hochleistungsapparaturen benötigt man entsprechend große Stromversorgungseinheiten. In solchen•Anlagen brennt der Bogen über eine große Elektrodendistanz. Die erforderliche Sauberkeit des Entladungsraumes erreicht. man durch Ausheizen und anschließende Kühlung des Rezlpienten und der Elektroden im Vakuum. Durch Einführung zusätzlicher Hilfsentladungen ist es möglich, die Bogenentladung bei. kleineren Gasdrücken aufrecht zu erhalten, die Streuung

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der abgestäubten Atome am Füllgas zu verringern und damit die Intensität der Aufstüubung zu erhöhen. Mit Hilfe eines schwachen Magnetfeldes in Richtung der Achse des Bogens kann die Entladung besser lokalisiert und der Gasdruck noch weiter erniedrigt werden, so daß Zerstäubungen im Druckbereich von IO Torr möglich sind· Die Plasmazerstlubung hat in der Dünnschichttechnik zunehmend eingang gefunden»

Bei der Ionenstrahlmethode werden die Ionen in einer Ionenquelle erzeugt, im Vakuum beschleunigt und auf das zu aer-31¹I übe ad e Target geschossen. Die meisten heute verwendeten Quellentypen arbeiten mit Bogenentladungen, au3 denen die Ionen mit Hilfe spezieller Elektrodensysteme extrahiert we ΓΙ den. Weit verbreitet ist die Duoplasmatronquelle. Die wesentlichen Teile dieser Quelle sind die Heißkatode, die Zwischenelektrode, die Anode und die Absaugelektrode. Zwischenelektrode und Anode sind gleichzeitig die Magnetpole des zur Kompression des Plasmas dienenden Magnetfeldes. Zur Fukusaierung des Ionenstrahles dient ein Linsensystem, das am Ausgang der Quelle angeordnet ist. Eine wesentliche Erhöhung des Ionenstromes auf dem Target laßt sich mit Hilfe einer modifizierten Form des Duoplasmatron erreichen. Es handelt sich dabei um die Einführung einer zusätzlichen Anode, mit deren Hilfe der Entladungsbogen durch die relativ große Emissionsöffnung der Quelle gezogen werden kann. Neben dem Duoplasmatron können auch Hochfrequenz- oder Penning-Ionen- f quellen zur Ionenerzeugung verwendet werden. Ein Problem, das bei allen Quellen auftritt, ist die Abnutzung von Elektrodenteilen in der Quelle während des Betriebes und damit verbunden die Verschmutzung des Targets und der z.B. herzustellenden Schichten. Es handelt sich hierbei um-Zerstäubungsprozesae in der Quelle, deren Intensität sehr stark von der Entladungsspannung abhängt. Beispielsweise-werden für den Betrieb von Kaltkatoden-Penningquellen relativ hohe Bogenapannungen benötigt und dementsprechend starke Katodenabtragungen beobachtet. Verschmutzungseffekte dieser Art kann man zwar durch magnetische Ablenkung des Ionenstrahles ausschalten, jedoch muß man damit einen erheblichen apparativen Mehraufwand in Kauf nehmen. Unter diesem Gesichtspuükt WJWt mim y^4en ,verachiodenen. qaölLentypen zur

Durchführung von Ionenzerstäubungen beispielsweise zur Herstellung dünner Schichten hoher Qualität solche Quellen, die eine relativ geringe Verschmutzung verursachen, z.B. Quellen mit kleinen Entladungsspannungen.

Bei der.Plasmaserst!übung arbeitet man mit hohen Bogen- strSmen bei kleinen Bogenspannungen und relativ zur Ionenstrahleerstäuhung mit kleinen Target-Zerstäubungsspannungen. .für die lonenstrahlBerstäubung benötigt man zur Extraktion und Beschleunigung höhere Spannungen, dagegen für die Speisung des Sntladungebogene in der Quelle geringere Ströme bei etwas höheren Bogenspannungen, Zur Durchführung von tfF-Plasmftterstäubungen wird susätzlich oder auch ausschließlich ein HF-Sender mit einem geeigneten Anpassungsglied an das gewählte Elektrodensystem benötigt. In Ionenstrahlapparat ure n werden während des Betriebes nur die Quelle und das Target aufgeheizt. Dementsprechend brauchen nur diese beiden Teile·gekühlt «u werden. D,er Druck im Rezipienten wird so klein gehalten, daß am Absäug- und Linsensystem keine elektrischen Überschläge auftreten. Zur Durchführung der verschiedenen Verfahren benötigt man entsprechende unterschiedliche Stromversorgungseinheiten.

Die bekannten Vorrichtungen und Anlagen zur Ionenserstäubung haben den Kachteil, da3 sie entweder speziell für die Plasmazeretäubung oder für die IonenstrahlzerstSubung gebaut sind und damit nicht vielseitig genug angewendet werden können· Eine Vorrichtung, mit der man ohne Veränderung der Elektrodenanordnung im Rezipienten unter Benutzung der gleichen Stromversorgungeeinheit wahlweise die Flasmazeretäubung oder die Ionenstrahlseretäabung durchführen kann, ist nicht bekannt. Da aber beide Methoden auf Grund ihrer unterschiedlichen Anwendungsbereiche sich gegenseitig wertvoll ergänzen, würde eine solche Vorrichtung ein vielseitig anwendbares Zerstäubungssystem darstellen, mit dem man eine separate Zerstlubungsapparatur und eine extra Stromversorgung einsparen könnte. Will man aus ökonomischen Grinden bereits vorhandene komerzielle Hochvakuumpumpe! ^:inde für ZerstSubungsexperimeate einsetzen, so erfordert die Anpassung

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ORTGINAL INSPECTED

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des aasgewählten Zerstäubungssystems an den Pumpstand in 'der Regel umfangreiche apparative Veränderungen und Ergänzungen. Die Möglichkeit einer einfachen Anpassung eines solchen kompakten Zeratäubungasystems an beliebige komerzielle Hochvakuurnapparaturen, auch an solche kleiner Pumpleistung, ist mit den bekannten Anlagen nicht* realisierbar.

Auf Grund der höheren Zerstäubüngsintensität werden heute in der Technik hauptsächlich Plasma-Zerstäubungsapparaturen eingesetzt. Ihr Nachteil ist, daß im Zerstäubungsraum ein Inertgasdruck von mindestens 10 Torr aufrechterhalten werden muß, was z.B. bei der Herstellung dünner Schichten zu Gaseinschlüssen in den Schichten und damit zu einer Be- ' eint rächt igung der Qualität führen, kann. Wegen der günsti- W geren Vakuumbedingungen und der damit verbundenen besseren apparativen Kombinationemöglichkeiten (Widerstandsverdampfung, Elektronenstrahlverdampfung, Xonenstrahlzerstäubung) besitzt das Verfahren der Ionenstrahlzerstäubung einen breiteren Anwendungsbereich in der Technik. Die Vorrichtungen, die bis jetzt, dazu entwickelt wurden, liefern jedoch zu geringe Ionenströme auf dem Target und damit z.B. für eine serienmäßige Herstellung dünner Schichten zu geringe Aufwachsraten.

Zweck der Erfindung ist es, für die physikalische Forschung und für die Technik ein vielseitig einsetzbares lonenzeretäÜbungssystem zu schaffen, mit dessen Hilfe die angeführ- f ten Mängel überwunden werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu entwickeln, mit der man wahlweise die beiden Verfahren der Ionenzerstäubung, die Plasma- und die lonenstrahlzerstäubung, in einer Vakuumapparatur unter Benutzung der •gleichen Stromversorgungseinheit durchführen kann, die Vorrichtung als komplettes Zerstäubungssystem so aus- zuführen, daß ein Anschluß an komerzielle Vakuumapparaturen ohne Einschränkung ihrer sonstigen Funktionsweise möglich ist und
im Ionenstrahlbetrieb,den Ionenstrom auf dem Target zu

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erhöhen, damit diese Methode ökonomischer als bisher für die Herstellung dünner Schichten eingesetzt werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein kompaktes Entladungssystem, das in einer Kombination sowohl Bauteile zur Durchführung der Ionenstrahlzerstäubung als auch der Piasinazerstäubung besitzt, an einem Hochvakuumpumpstand angeordnet ist, in dem sich das Target mit der zu zerstäubenden Substanz befindet und zur Stromversorgung jeweils die gleiche Stromversorgungseinheit vorgesehen ist. Das kompakte Sntladungssystem ist durch eine Elektrodenanordnung, vorzugsweise vom Finkelstein-Typ gekennzeichnet, die von einem doppelwandigen gekühlten Zylinder aus nichtferromagnetischem Material umgeben ist. Es steht mit einem besonderen Absaugsystem, das als separat justierbare Einheit aus Gegenkatode, Isolierzylinder, Absaug- und Schutzelektrode aufgebaut ist, in Verbindung. Als Elektrodenzuführungen für Heizkatode und Anode sind polierte Metallstäbe, die von Buchsen aus flexiblem elektrisch isolierendem Dichtungsmaterial, vorzugsweise Viton, umgeben sind, vorgesehen. Sie stehen in Kontakt zum Kühlkreislauf, besitzen in einer Abschlaßplatte, die das Kühlmittel nach aa3en abdichtet, eine zweite Führung und werden von dieser Platte mittels Glasröhrchen in die Einfassung der Buchsen gedrückt. Die Gegenkatode besteht aus zwei Scheibenringen aus ferromagnetischem Material und einem.Einsatz aus hoch- « schmelzendem Blech, der mehrere voneinander getrennte runde oder eckige Lacher besitzt und durch' Verschraubung der beiden öcheiben festgeklemmt wird. Die glockenförmige Absaugelektro^de besitzt einen hutförmigea Einsatz aus hochschmelzendem Blech, vorzugsweise Tantal, mit der gleichen Anzahl und geometrischen Anordnung von Löchern wie die Oegenkatode, der auf dem Einsatz der Gegenkatöde justiert und mittels Stellring festgeklemmt ist. Am Ausgang des Absaugsysteras sind eine oder mehrere kegelförmige Schutzelektroden aus hochschmelzendem Blech mit geringem Wärmekontakt zueinander und zur Absaugelektrode befestigt. Zur Erzeugung eines axialen Magnetfeldes ist in' dem iüntladungsraum eine Spule

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mit einem Eisenmantel zwischen der Metalleinfassung angeordnet, die im Kontakt zum Kühlkreislauf steht. 2ur Anpassung an den zur Verfügung stehenden Pumpstand sind die Einsätze in Gegerikatode und Absaugelektrode auswechselbar, je nach Saugleistung und gewünschtem Druck, bei dem die Zerstäubung stattfinden soll.. Die Anzahl der Löcher in den Einsätzen sind unter Beibehaltung von Durchmesser und Abstand variierbar.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß ein Zerstäubungssystem zur Verfügung gestellt wird, mit dem wahlweise nach der Plasmamethode zerstäubt werden kann, wobei man die für die Technik erwünschten hohen Zerstäubungsintensitäten erreicht oder nach der Ionenatrahlmethode, womit man bes- ^ sere Vakuumbedingungen und günstigere Voraussetzungen zur Kombination mehrerer Verfahren, z.B. zur Herstellung dünner Schichten erhält. Die erfindungsgemäße Lgsong besitzt ferner den Vorteil einer einfachen Anpassung an komerzielle Hochvakuumapparaturen ohne Einschränkung der Funktion ihrer Innenaufbauten. Sie erlaubt die Untersuchung physikalischer Grundlagenprobleme mit geringem apparativen Aufwand.

Die Erfindung soll nachstehend an einear Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der dazugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1: die Zerstäubungsvorrichtung,

Fig. 2: das Entladungssystem

Fig· 3; die Elektrodeneinsätze zur Emission

der Ladungsträger.

Die Zerstäubungsvorrichtung besteht aus einem kompakten Entladungssystem 1, das an einen Glasrezipienten 2 oder Über einen Isolator 3 an einen Metallrezipienten 4 angeschlossen werden kann und dem Target 5, das die zu zerstäubende Substanz enthält und im Reaipienten positioniert wird, beispielsweise in flg. 1 zur Herstellung von dünnen Schichten ' auf einem darüber befindlichen Substrat β* Bin wesentlicher Teil der Vorrichtung ist das iäntladuagssystem, 4as in Fig. 2 gesondert dargestellt ist. Dieses System kaim wahlweise als Ionenquelle axt Ionenbeschleunigung «ar Ionenstrahl sserstäu-

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bung im Hochvakuum oder als "Ionisationskammer zur Aufrechterhaltung einer Entladung in verdünnter Gasatraosphäre am Ausgang der Vorrichtung zur Plasmazerstäubung eingesetzt werden. Es besteht aus einem Doppelzylinder 7 aus nichtmagnetischem Werkstoff ι der aus einem s'tück hergestellt Und im Durchfluß gekählt ist. Der äußere Zylinder schließt mit einem Flansch 8 ab, womit die Vorrichtung vakuumdicht an einen Hochvakuum-Pumpstand angeschlossen werden kann.

' Im inneren Zylinder befindet sich der Ionisationsraum 9 mit einem Elektrodensystem, das in seiner Anordnung dem der Ionenquelle vom Finkelstein-Typ entspricht. Mit Hilfe einer geheizten Katode 10, einer zylinderförmigen Anode 11, einer Gegenkatode 12 und einem parallel zur Zylinderachse angelegten Magnetfeld wird in diesem Raum .eine Bogenentladung aufrechterhalten. Das Magnetfeld wird von einer Spule 13 erzeugt, die zwischen den beiden Zylindern in Kontakt zum Kühlkreislauf steht und von einem Eisenmantel 14 eingefaßt ist, der eine Verstärkung des Feldes im lonisationsraum bewirkt. Als Blektrodenzuführungen dienen polierte Kupferstäbe 15. Ihre Abdichtung gegen das Vakuum erfolgt mit Hilfe von Buchsen 16 aus flexiblem elektrisch isolierendem Dichtungsmaterial', vor«ugsweise Viton. Die Elektrodenatäbe besitzen eine zweite Führung in der Abschlußplätte 17, die das Kühlmittel nach außen abdichtet. Die Elektrodenatäbe und ein in der liitte'eingesetztee Röhrchen 18, das zum Gaeeinlaß dient, sind von Glasröhrchen 19 umgeben, die beim Anschrauben der Abschlußplatte an den Flansch sämtliche Dichtungsbuchsen andrücken. Die Glasröhrchen sind an zwei Stellen geschlitzt, so daß die Elektrodenstäbe im Durchfluß gekühlt werden. Der Einsatz für den Kühlmittelzulauf 20 ist über einen flexiblen Schlauch 21 mit einem im Eisenaiantel der Magnetspule befindlichen Röhrchen, verbunden, aus dessen Ende das Kühlmittel ausströmt und über den Ausflußstutzen 22 abgeleitet wird.

, Zum Entladungssystem gehört ferner die Elektrodenanordnung, die zur Absaugung und Beschleunigung der Ladungsträger dient. Be handelt sich um eine separat justierbare Einheit aus Gegenkatode 12, Isolierzylinder 231 Absaugelektrode 24 und

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,Schutzelektrode 25, die als Ganzes an die gekühlte Metallei'nfassung angeschraubt ist. Die Gegenkatode 12 besteht aus zwei Scheibenringen aus ferromagnetischem Material und einem Einsatz 26, vorzugsweise aus Wolfram, in Form einer dünnen Scheibe, die durch Verschrauben der beiden Scheibenringe festgeklemmt wird. Dieser Einsatz ist siebförmig ausgebildet. Sr besitzt mehrere voneinander getrennte Löcher, durch welche die Emission der Ladungsträger erfolgt. Der Durchmesser des Emissionssiebes wird nicht größer ausgebildet als der Querschnitt der Heizkatode 10, da der Entladungsbogen in einer Säule über der Heizkatode brennt und eine maximale Ladungsträgeremission nur in diesem Bereich erzielt werden kann. Die Absaugelektrode 24 ist glockenförmig ausgebildet und besitzt im Zentrum einen Einsatz 27, vorzugsweise aus Tantal, der hutförmig gebogen ist und in der Mitte die gleiche Anzahl und geometrische Anordnung von Löchern besitzt, wie die Gegenkatode 12. Der Einsatz wird so justiert, daß beide Lochsysteme genau übereinstimmen. Zar Befestigung dient ein Stellring 28, der von der Innenseite her ange- ' schraubt wird. In dieser Anordnung können die Einsätze gut justiert und bei Abnutzung leicht ausgewechselt werden. Der Isolierzylinder 23 zwischen Gegenkatode 12 und Absaugelektrode 24, vorzugsweise aus Keramik, legt die minimale Distanz der beiden Elektroden fest. Mit Hilfe zusätzlicher Distanzringe 29 wird der günstigste Elektrodenabstand ein- f gestellt. An der Absaugelektrode 24 befestigt und mit ihr leitend verbunden sind ein oder mehrere kegelförmige Schutzelektroden 25, vorzugsweise aus Tantal, die im Falle der Plasmazerstäubung von Elektronen stark aufgeheizt werden. Die Spannung erhält das Absaugsystem über eine Hochspannungsdurchführung 30 durch den Flansch der Vorrichtung. Bei Anwendung der Vorrichtung zur Ionenstrahlzerstäubung im Hochvakuum werden die Absaugelektrode 24 auf Erdpotential gelegt und die Ionen auf kurzer Distanz auf die gewünschte Zerstäubungsenergie beschleunigt. Zur Durchführung der Plasmazerstäubung erhält die Absaugelektrode 24 gegenüber der Gegenkatode 12 ein positives Potential. Dadurch werden Elektroden extrahiert und anschließend im Raum zwischen der

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Schutzelektrode 25 und dem Target 5 reflektiert. Wird der Gasdruck erhöht, so entsteht hier eine Gasentladung, aus welcher die Ionen vom Target abgesaugt werden* Bei beiden Zerstäubungsverfahren, befindet sich die Metalleinfassung mit dem Ionisationsraum auf Hochspannungspotential und das Target auf Srdpotential, lediglich die Äbsaugelektrode besitzt unterschiedliche Polarität.

Die Anpassung der Zerstäubungsvorrichtung an den jeweils zur Verfügung stehenden Vakuumpumpstand erfolgt mit Hilfe leicht auswechselbarer Elektrodeneinsätze (Fig. 3). Je nach Saugleistung des Pumpstandes und gewünschtem Druck, in dem die Zerstäubung stattfinden soll, wird die Anzahl der Löcher* in den Einsätzen und damit die Gesamtemissionsöffnung variiert. Lochdurchmesser und Lochabstand bleiben· unverändert, so daß die Pokussierungseinstellung, die besonders bei kleiner Ionenabsaugspannung kritisch ist, erhalten bleibt.

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Claims (8)

1. . -.,· ^934328

   Patentansprüche

   ι Ii !Vorrichtung zur wahlweisen Zerstäubung fester Substanzen »—/durch Ionenbeschuß nach der Plasma- oder Ioneristrahlmethode, dadurch gekennzeichnet, daß ein kompaktes Entladungssystem (1), das in einer Kombination, sowohl Bauteile zur Durchführung der Ionenstrahlzerstäubung als auch der Plasmazerstäubung besitzt, an einem Hochvakuumpumpstand angeordnet ist, in dem sich das Target 5 mit der zu zerstäubenden Substanz befindet und zur Stromversorgung jeweils die. gleiche Stromversorgungseinheit vorgesehen ist.
2. 2. Entladungssystem zur Erzeugung von Ionen, gekennzeichnet durch eine Elektrodenanordnung, vorzugsweise vom Finkelstein-Typ, die von einem doppelwandigen gekühlten w Zylinder (7) aus nichtferromagnetischem Material umgeben

   ist, und mit einem besonderen Absaugsystem, das als separat justierbare Einheit aus Gegenkatode (12), Isolierzylinder (23)» Absaugelektrode (24) und Schutzelektrode (25) aufgebaut ist, in Verbindung steht.
3. 3· Entladungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrodenzuführungen für Heizkatode und Anode polierte Metall stäbe (15) in Buchsen (16) aus flexiblem elektrisch isolierendem Dichtungsmaterial, vorzugs weise Viton, vorgesehen sind, die in. Kontakt zum Kühlkreislauf stehen, in der das Kühlmittel nach außen ab-) dichtenden Abschlußplatte eine zweite Führung besitzen

   und von dieser platte mittels Glaarcjhrchen in die Einfassung der Buchsen angedrückt sind.
4. 4. Entladungssystem nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekenn~ ; zeichnet, daß die Gegenkatode (12) aus zwei Scheibenrin« S gen aus ferromagnetiachem Material und einem Einsatz {26) aus hochseshmelzendem Blech besteht, der mehrere voneinander getrennte runde oder eckige Löcher besitzt und durch Verschraubung der beiden Scheibenringe festgeklemmt ist, .

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5. 5. Entladungsaystem nach Ansprach 2 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß die glockenförmige Absaugelektrode (24) einen hutförmigen Einsatz (27) aus hochschmelzendem Blech, vorzugsweise Tantal, mit der gleichen Anzahl und geometrischen Anordnung von. Löchern wie die Gegenkatode* (12) besitzt, der auf den Einsatz der Gegenkatode (12} justiert und mittels Stellring (28) festgeklemmt' ist. '
6. 6. Entladungssystem nach Anspruch 2 bis 5ι dadurch gekennzeichnet, -daß eine oder mehrere kegelförmige Schutzelektroden (25) aus hochschmelzendem Blech mit geringem Wärmekontakt zueinander und zur Absaugelektrode (24) am Ausgang des Absaugsystems befestigt sind..
7. 7· Entladungssystem nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des axialen Magnetfeldes in dem Entladungsraum eine Spule (13) mit einem Eisenmantel (14) zwischen der Metalleinfassung angeordnet ist, die in Kontakt zum Kühlkreislauf steht.
8. 8. Entladungssystem nach Ansprach 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anpassung an den zur Verfügung stehenden Pumpstand je* nach Saugleistung und gewünschtem Druck, bei dem die Zerstäubung stattfinden soll,die Einsätze (26, ,27) in Gegenkatode (12) und Absaugelektrode (24) auswechselbar und die Anzahl der Locher in den Einsätzen unter Beibehaltung von Durchmesser und Abstand variierbar sind. '