DE2522227A1

DE2522227A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung einer glimmentladung

Info

Publication number: DE2522227A1
Application number: DE19752522227
Authority: DE
Inventors: Alan Scardeburg Penfold; John Alexander Thornton
Original assignee: Telic Corp
Current assignee: Dart Industries Inc
Priority date: 1975-05-20
Filing date: 1975-05-20
Publication date: 1976-12-02

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung einer Glimmentladung Zusatz zu Patent ................... (Pat. Anm. P 22 43 7c8.7) Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Elektroden enthaltende Glimmentaldungsvorrichtungen und insbesosi(icrc uf eine verbesserte Vorrichtung dieser Art zum Zerstäuben von Material sowie auf ein Verfahren zur Erzeugung derartiger Glimmentladungen.
Verschiedene mit Elektroden arbeitende Glimmentladungc vorrichtungen sind entwickelt und in der Praxis verwendet worden. Trotz ständiger Neuentwicklungen und Verbesserungen auf diesem Gebiet ergeben sich mit der von üblichen Anordnungen abweichenden Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verbesserte Ergebnisse insbesondere in Bezug auf Wirkungsgrad und Betriebssicherheit.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich besonders zum Niederschlagen bzw. Aufbringen dünner Schichten durch Kathodenzerstäubung. Die Erfindung schafft bei niedrigen Drucken arbeitende Gasentladungsvorriehtungen, die als Licht-und Strahlungsquellen wirken und Strahlung mit Elektronenübergängen in Gasen entsprechenden Wellenlängen liefern.
Besonderer Bedarf besteht an Vorrichtungen und Verfahren, die es ermöglichen, eine intensive Glühentladung bei niedrigen Drucken von etwa 10-3 Torr oder weniger auf einer Aufprallfläche aufrecht zu erhalten. Es ist an sich bekannt, die Beaegung der ionisierenden Elektronen durch Magnetfelder zu steht ern und durch eine getrennte Entladung die Erzeugung der ionisierenden Elektronen vom eigentlichen Zerstäubungsprozeß abzutrennen. Diese Vorrichtungen haben im wesentlichen ebene geometrische Formen, wobei'sich nur schwer eine gleichmäßige Ionenverteilung und damit eine gleichmäßige Abscheidungsrate auf der gesamten Aufprallfläche herstellen lassen.
Verbesserter Betrieb läßt sich bei zusätzlicher Verwendung von Magnetfeldern in Vorrichtungen mit einer zylindrischen Kathode ersielen, in denen die Kathodenachse den Feldlinien parallel ist. Die Radialbewegung der Primärelektronen ist in diesem Fall bestimmten Einschränkungen unterworfen. Inobesondere können die Primärelektronen gezwungen werden, in der Nähe der Kathodenoberfläche zu bleiben, bis ein bedeutender Teil ihrer Energie in ionisierenden Zusammenstoßen mit dem Umgebungsgas verbraucht worden ist. Infolge der geometrischen Symmetrie wird gleichzeitig ein gleichmäßigerer Kathodenstrom in azimutaler Richtung erzielt. Die Zylinder-Außenfläche oder -Innenfläche kann als. Kathode verwendet werden. In beiden Fällen verlassen die Primärelektronen das Kathodengebiet in achsialer Richtung mit einem bedeutenden Teil ihrer Energie. Diese "Endverluste" werden besonders bedeutsam für den Betrieb bei verringerten Drucken und bei Verwendung von Kathoden mit zunehmendem Verhältnis von Kathoden durchmesser zu Kathodenlänge.
Neben den oben erwähnten Problemen ist es eine bekannte Tatsache in Plasmaphysik, daß bekannte Verfahren zur Gleichstrom-Zerstäubung leitender Materialien sich nicht im Falle elektrisch isolierender Materialien verwenden lassen, da die Ansammlung elektrischer Ladungen auf dem isolierenden Material den bombardierenden Ionenstrom auf für praktische Anwendungen unzulässig niedrige Werte begrenzt.
Die beim Gleichstrom-Zerstäuben elektrisch isolierender Materialien auftretenden Schwierigkeiten konnten gewöhnlich durch Hochfrequenz-Zerstäubung überwunden werden, wobei eine elektrisch leitende Platte dicht hinter der zu beschichtenden dielektrischen Aufprallfläche aufgestellt wird. An diese leitende Platte wird ein hochfrequentes Wechselfeld (Frequenz einige Megahertz) angelegt. Ein Verschiebungsstrom fließt dann durch die isolierende Aufprallfläche und entfernt die dort angesammelte Ladung, sodaß die Zerstäubung mit der Ionenbombardierung ungehindert vor sich gehen können.
In den meisten der an sich bekannten, mit Hochfrequenz betriebenen Zerstäubungsvorrichtungen ist die Aufprallfläche eben und zusätzliche Hochfrequenz- oder Gleichstrom-Entladungen oder äußere magnetische Felder werden nicht selten zur Steuerung der Entladung verwendet.
Sämtliche bekannten HF-Systeme haben bestimmte Nachteile, die ihre Anwendung in Verbindung mit Glimmentladungen und Vorrichtungen zur Kathodenzerstäubung unzweckmäßig erscheinen lassen. Zu diesen Nachteilen gehören hohe Anschaffungskosten, komplizierter Aufbau, niedriger Wirkungsgrad, geringe Zerstäubungsleistung, Zerstäubung von dafür ungeeigneten Flächen aus, geringe nutzbare Beaufschlagungsfläche, hohe Betriebsspannungen, starke Kopplung zwischen den die Entladung aufrecht erhaltende." und die Zerstäubungsgeschwindigkeit steuernden Prozessen, sodaß sich wesentliche Einschränkungen für den Betrieb ergeben, hohe Anforderungen an den aufrecht zu erhaltenden Gasdruck, fehlende Vielseitigkeit, Hochfrequenz-Verluste, Abhängigkeit vom Abstand zum Träger der Aufprallfläche, Verunreinigungen der abgeschiedenen Schicht, Gradienten der Ionendichte im Plasma um die Aufprallfläche, ungleichmäßige Zerstäubung, unzulässiges Erhitzen der Trägerfläche, die Notwendigkeit, verschiedene Stromversorgungen einzusetzen, die Unmöglichkeit, die Anordnungen auf größere Aufprallflächen abzustimmen, und Edverluste, die Anderungen der Zerstäubungsrate in Achsialrichtung ergeben und dem Betrieb bei niedrigen Drucken Grenzen setzen.
Erfindungsgemäß wird eine wirkungsvolle Glimmentladung erzeugt, sodaß ein Minimum Än Energie pro erzeugtes Ion gebraucht wird, Außerdem werden die Ionen in einem Gebiet erzeugt, das in Bezug auf die Aufprallfläche so gelegen iStf daß ein hoher Prozentsatz der erzeugten Ionen für den Zerstäubungsprozeß zur Verfügung steht. Die Plasmaentladung ist über die Aufprallfläche in regelbarer Weise verteilt, sodaß sich eine Quelle zerstäubten Materials mit einer gewünschten Geonetrie ergibt. Erflndungagemäß lassen sich damit gleichmäßige und in bestimmter, gewünschter Weise ungleichmäßige Beschichtungsmuster erzielen.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Plasmafalle, die die Bewegung der von der Kathode emittierten Primärelektronen in Radialrichtung und Achsialrichtung begrenzt und die Pritnärelektronen in der Nähe der Aufprallfläche hält, bis der größte Teil der Energie dieser Elektronen in ionisierenden Zusammenstößen verbraucht worden ist, in denen zusätzliches Plasma erzeugt wird. Völlige Zurückhaltung in der Falle bedeutet, da die überwiegende Mehrzahl der Primärelektronen, die noch genügend Energie zur Erzeugung zusätzlicher Ionen haben, in der Falle zurückgehalten wird. Das bedeutet auch, daß alle nicht in der Falle zurückgehaltenen Elektronen nicht in merklicher Weise zur Ionisierung beitragen.
Die im Niederdruckplasma arbeitende Falle benutzt das Prinzip einer kombinierten Elektronen-Reflexion an auf Xathodenpotential gehaltenen Flächen und Elektronen-Ablen'ung mit Hilfe eines Magnetfelds. Das Plasma yiird erfindungsgemäß im gesamten Entladungsbereich festgehalten, der alle sechs Seiten des üblicherweise betrachteten Kastenvolumens umfaßt, wobei im Querschnitt gesehen vier der sechs Seiten der Falle von magnetischen Feldlinien und Elektrodenoberflächen gebildet werden, während die verbleibenden zwei Seiten durch die Achsnasymmetrie des Systems definiert sind. Die Achsialsymmetrie ergibt sich aus der Konfiguration des Magnetfelds und/oder der Elektrodenanordnung.
Das Einströmen von Primärelektronen in die Falle hat zur Folge, daß die Energie dieser Elektronen zur Erzeugung zusätzlicher Ionen im Plasma zur Verfügung steht. Nachdem die Primärelektronen in derartigen Ionisationsprozessen alle zur Ionisierung verwendbare Energie verloren haben, sind sie für weitere Ionisationsakte ohne Bedeutung und dienen schließlicir nur noch dazu, den Gesamtstrom im elektrischen Kreis zu unterhalten. Der Gesamtstrom setzt sich aus dem Elektronenstrom.
und dem Ionenstrom zusammen. Durch Verwendung einer als Anode dienenden Elektrode wird gewährleistet, daß die Elektronen nach Abgabe ihrer Energie ihren Weg zu Ende führen könnten.
Die Anode ist dabei so anzubringen, daß die Elektronen niederer Energie in der Falle durch die Anode gesammelt werden, ohne daß es dabei zu Verlusten von Elektronen mit höheren, zur Ionisation noch ausreichenden Energien kommt.
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erz in dung bestehen aus flanschartigen Kathodenanordnungen, die hohe Kathodenstromdichten bei verhältnismäßig niedrigen Spannungen und bei niedrigen Gasdrucken ergeben. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf zwei Ausführungsformen jilit zylindrischen Kathoden, wobei im Beispiel a) Plasma an der Außenseite eines Zylinders erzeugt wird, während im Beispiel b) Plasma innerhalb eines Zylinders erzeugt wird. Die Kraftlinien des in beiden Fällen verwendeten Magnetfelds sind parallel zur flyjinderachse oder zur Achse der Kathode. Die Feldstärke kann eingeregelt werden, um das Plasma in der Nähe der Wandungen im Raum zwischen der tonnenförmigen Kathode und den Flanschen der Gegenelektrode zu halten. Der größte Teil der Plasmaionen wird dann an der Kathodenschicht erzeugt, die sich über die Kathodenoberfläche erstreckt. Bei Verwendung dieser Kathoden müssen die schnellen Elektronen durch magnetische und elektrische Felder gelenkt und gefangen gehalten werden. Die Fallenwirkung ergibt sich dadurch, daß die magnetischen Kraftlinien die Kathodenschicht an zwei Punkten durch schneiden, wobei die Kraftlinien im wesentlichen unter einem rechten Winkel auf die Kathodenschicht treffen. Damit bestehen praktisch drei Seiten der Falle aus der Kathodenschicht, während das Magnetfeld die vierte Seite der Falle herstellt. ie Symmetrie der Anordnung gewährleistet hohe Plasm omogenital.
Für den Hochirequenz-Betrieb werden Anordnungen mit zwci Elektroden verwendet, die ebenfalls hohe KathodenRtromdichten bei verhältnismäßig niedren Spannungen und Gasdrucken ergeben.
Beim normalen HF-Betrieb der Glimmentladung kann jede der bei den Elektroden die Funktion der Anode oder der Kathode Ubernehmen, doch läßt sich zeigen, daß beide Elektroden für das Plasma während des größten Teils einer HF-Periode als Kathoden wirken. Nur während sehr kurzer Zeitabschnitte in jeder zweiten Halbwelle wirken die Elektroden als Anoden für das Plasma.
Die im Plasma und in der Kathodenschicht enthaltenen Ionen verhalten sich aber wie in einer Gleichstrom-Glimmentladung in der beide Elektroden fast die ganze Zeit als Kathoden wirken.
Mit den drei im Rahmen der Erfindung verwendeten Elektrodenklassen wird a) Plasma an der Außenseite zweier stabförmiger Elektroden erzeugt, b) Plasma innerhalb zweier Hohlelektroden erzeugt, und c) Plasma an der Oberfläche einer verhältnismäßig dünnen, ebenen oder gekrümmten Flächenelektrode erzeugt. In all diesen Anordnungen wird zusätzlich ein M-agnetfeld verwendet, das entweder durch innerhalb oder außerhalb der Elektroden angebrachte Feldspulen erzeugt wird. Das magnetische Feld ist so verteilt, daß sich mit der jeweiligen Elektrodenanordnung mindestens eine das Plasma enthaltende Falle ergibt, die infolge der Gesamtanordnung des Magnetfelas und/oder der Elektroden Achsialsymmetrie aufweist.
Die stabförmigen oder hohlen Elektroden können an ihren Enden mit Flanschen zum Schließen der Plasmafalle versehen werden. Derartige flanschförmige Fortsätze können weggelassen werden, falls sich die Grenzen der Falle durch andere Abschnitte der Elektrodenstruktur und das Magnetfeld völlig definieren lassen. Bei Verwendung flanschförmiger Fortsätze werden diese groß genug gemacht, um die Falle völlig zu schließen. Andernfalls ist die magnetische Feldstärke auf Werte zu erhöhen, bei denen wirtschaftlicher Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht mehr gewährleistet ist. Die Größe der flanschartigen Fortsätze steht in direkter Beziehung zur Größe des Raums, in dem die Primärelektronen bei der Erzeugung zusätzlicher Ionen Energie verlieren.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich damit im wesentlichen auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schaffung einer hochwirksamen Plasmafalle, in der die Bedingungen zur Aufrechterhaltung eines Plasmas so günstig sind, daß die Belastung der als Kathode dienenden Aufprallfläche nicht in merklicher Weise den Zerstäubungsvorgang beeinflußt. Die Aufrechterhaltung einer ir,tensiven Plasmaentlad-g aul der gesa-.-ten Aufprallfläche ist nur sehr schwach mit dem Zerstäubungsprozeß gekoppelt. Lediglich geringe Änderungen des Magnetfelds werden zur Anpassung an die jeweiligen Zlt is Zerstäubung verwendeten Spannungen bei einem gewissen Gasdruck und Arbeitsstrom benötigt.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein neues, verbessertes Verfahren zur Erzeugung einer Glimmentladung zu schaffen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine neuartige, verbesserte Vorrichtung für Glimmentladungen zu schaffen.
Die Erfindung hat ferner zum Ziel, eine neuartige, verbesserte, Elektroden enthaltende Vorrichtung für Glimmentladungen zu schaffen.
Die Erfindung hat ferner zum Ziel, ein neuartiges, verbessertes Verfahren zur Erzeugung eines räumlich beschränkten Plasmas anzugeben.
Die Erfindung hat ferner zum Ziel, eine neuartige Vorrichtung zur Erzeugung eines räumlich begrenzbaren Plasmas zu schaffen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, Glimmentladungssysteme zu schaffen, die mit verhältnismäßig niedrigen Spannungen bei niedrigen Drucken des ArbeitGases betrieben werden können.
Die Erfindung hat weiter zum Ziel, eine verbesserte Zcstäubungsvorrichtung zu schaffen, in der der Zerstäubungsvorgang praktisch vollkommen unabhängig von den Eigenschaften der Plasmaentladung ist.
Die Erfindung hat außerdem zum Ziel, eine Zerstäubungsvorrichtung mit einer flanschförmigen Kathode zu schaffen, die unter dem Einfluß eines Magnetfelds steht, wobei die Feld linien im wesentlichen an dem Kathodenzylinaer und parallel zu demselben verlaufen.
Ein zusätzliches Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Kathoden-Anoden-Verbindung zu schaffen.
Die Erfindung hat außerdem zum Ziel, eine Zerstäubungsvorrichtung anzugeben, die leicht zusammengebaut und ausein&'ndergenommen werden kann, um das Kathodenmaterial auszuwechseln oder die Kathode selbst zu reinigen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Zerstäubungsvorrichtung mit einer neuartigen Anordnung von im Zerstäubungsraum enthaltenen Isolatoren zu schaffen, in der Kunststoffmaterialien nicht direkt der in der Zerstäubungskammer herrschenden Atmosphäre ausgesetzt sind, Die Erfindung hat ferner zum Ziel, eine neuartige Anordnung für Isolatoren für Glimmentladungsvorrichtungen zu schaffen.
Weiterhin hat die Erfindung zum Ziel, ein neuartiges, mit Hochfrequenz betriebenes Glimmentladungssystem anzugeben.
Die Schaffung einer verbesserten Doppelelktroden-Anord nung in Glimmentladungssystemen Ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es auch, verbesserte Glimmentladungsanordnungen mit verschiedenen Doppel elektrodensystemen zu schaffen, die ihrerseits mit verschiedenen räumlichen Magnetfeldverteilungen zusammenwirken und dabei das Plasma der Glimmentladung völlig umschließende Fallen ergeben.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es auch, neuartige, verbesserte Glimmentladungssysteme zu schaffen, die sich in beträchtlicher Größe herstellen lassen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, verbesserte Zerstäubungssysteme zu schaffen, die eine im wesentlichen gleichförmige Abscheidungsrate auf verhältnismäßig großen Oberflächen gewährleisten.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, verbesserte Doppelelektroden-Zerstäubungssysteme zu schaffen, die mit Hochfrequenz betrieben werden und in denen beide Elektroden als Aufprallflächen dienen.
Diese und weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, die beispielhafte Ausfuhrungsformen darstellen.
Figur 1 ist ein schematischer Aufriß einer erfindungsgemäßen, Elektroden enthaltenden Entladungsvorrichtung in einer Vakuumkammer.
Figur 2 zeigt Einzelheiten eines Querschnitts durch die erfindungsgemäße Entladungsvorrichtung.
Figur 3a ist ein Längsquerschnitt durch eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Entladungsvorrichtur', während Figur 3b einen Querschnitt der gleichen Anordnung zeigt.
Figuren 3c und 3d sind vergrößerte Teilansichten der in Figur 3a dargestellten Vorrichtung mit gewissen Ab änderungen derselben.
Figur 4 ist ein schematischer Aufriß einer mit zwei Elektroden arbeitenden, mit Hochfrequenz betriebenen Glimmentladungsvorrichtung, die in einer Vakuumkammer mit Vorrichtun gen für geeignete Magnetspulen montiert ist.
Figuren 5a bis 5d stellen verschiedene Ausführungsform,e stabförmiger Doppelelektroden dar, die sich in verschiedenartigen Magnetfeldern zur Durchführung der Erfindungsziele befinden.
Figuren 6a bis 6e zeigen verschiedenß Ausführungen von für die Ziele der Erfindung verwendbaren Doppelelektroden.
Figur 7 ist ein Figur 4 ähnelnder schematischer Aufriß und dient zur Erläuterung der Verwendung von Hohlkathoden.
Figuren 8a bis 8d zeigen verschiedene Hohlkathodenanordnungen mit magnetischen Feldanordnungen gemäß vorliegender Erfindung.
Figuren 9a bis 9e zeigen verschiedene Ausführungsformen von Elektrodenanordnungen mit Hohlkathoden gemäß vorliegender Erfindung.
Figur 1Oa zeigt eine Ausführungsform der erfindungsge mäßen Glimmentladungsvorrichtung mit ebenen Doppelelektroden.
Figur 1Ob zeigt die Elektroden und die magnetische Feldwicklung der in Figur lOa dargestellten Ausführungsform im Grundriß.
Figur 10c zeigt eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Glimmentladungsvorrichtung mit zwei ebenen Elektroden.
Figur lOd ist schließlich ein Grundriß der in Figur 1pa dargestellten Elektrodenanordnung mit der zugehörigen, das Magnetfeld erzeugenden Spule.
Figur 1 zeigt eine an sich bekannte Vakuumkammer 10 mit einer in ihr montierten erfindungsgemäßen, Elektroden enthaltenden Gasentladungsvorrichtung 12, Die Entladevorrichtung 12 umfaßt eine "spulenartige" oder 11flanschförmige" Kathode 14, die in Kammer 10 montiert ist und durch Halterungen 15 festgehalten ist. An Kathode 14 ist ein oberer Flansch 14a sowie ein unterer Flansch 14b angesetzt. Um den oberen Flansch 14a der Kathode 14 ist eine Anode 16 gelegt, die durch zwei oder mehr hohle Abstandshalter 17 an der Abdeckung der Vakuumkammer 10 befestigt ist.
Ein Magnetfeld wird an der Kathodenoberfläche durch zwei magnetische Feldspulen erzeugt. Eine der Feldspulen ist innerhalb der Kathode 14 angebracht, während die andere Spule 21 um die Außenwand 22 der Vakuumkammer 10 gewickelt ist. Die Windungen der äußeren Spule 21 erstrecken sich von einem etwas über dem Kathodenflansch 14a gelegenen Punkt zu einem etwas unterhalb des Kathodenflansches 14b gelegenen Punkt. Die Kraftlinien des von diesen Spulen erzeugten Magnetfelds verlaufen dicht an der Kathodenoberfläche vorbei und parallel zu derselben, wie durch die gestrichelten Linien 23 angedeutet.
Nach Auspumpen wird Kammer 10 mit einem geeigneten Gas, wie beispielsweise Argon, auf einen niedrigen Gasdruck gefüllt.
Kathode 14 und Anode 16 sind hohl und eine durch geeignete Leitungen 25a - 25c angeschlossene Kühlwasserquelle sorgt für Kathode 14 und Anode 16 durchströmendes Kühlwasser. Eine die benötigten hohen Spannungen und den Strom für die Feld spulen liefernde Stromquelle 27 ist eingezeichnet, wobei gewöhnlich zwei getrennte Versorgungseinheiten für die verschiedenen Spannungen benutzt werden. Stromversorgungseinheit 27 ist mit Kathode 14 verbunden, an der eine negative Spannung angelegt wird, während Anode 16 geerdet ist. Außerdem liefert die Stromversorgungseinheit Strom an die Spulen 20 und 21.
Der am unteren Ende der Vakuumkammer 10 angebrachte Stutzen 29 ist über ein Ventil an eine nicht dargestellte Vakuumpunlpe in an sich bekannter Weise angeschlossen.
Schichten oder Filme können auf Trägerflansch 31 in der Vakuumkammer 10 aufgestäubt werden. In der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform ist außerdem ein Trägorflanch 32 vorgesehen. Die beiden Trägerflansche 31 und 32 können aus einem magnetischen Metall hergestellt werden, um die Feldlinien geeignet abzubiegen, doch können andere Materialien verwendet werden, falls eine Feldspule im Innern der Kathode 14 vorgesehen ist.
Die in Figur 2 dargestellte Entladungsvorrichtung 12 hängt von der Deckkappe 18 der Vakuumkammer 10 herab. Die Kammer wird normalerweise aus einem nichtmagnetischen Metall, wie beispielsweise Aluminium, hergestellt. Kathode 14 ist an Halterung 15 befestigt, die ihrerseits an Deckkappe 16 angeschraubt ist. Kathode 14 besteht aus einem zylindrischen Rohr oder einer Zylinderhülse 40, die aus dem zu zerstäubenden Material hergestellt ist oder auf der eine Schicht des zu zerstäubenden Materials aufgebracht ist. Rostfreier Stahl mit einer auf der Außenfläche angebrachten Chromschicht ist als Kathode geeignet, wenn Chrom auf einer Trägerfläche als Schicht aufgebracht werden soll. Kathode 14 umfaßt ferner oberen Flansch 14a und unteren Flansch 14b, die jeweils aus zwei Teilen bestehen, um den Zusammenbau zu erleichtern.
Oberer Flansch 14a umfaßt einen unteren Flanschabschnitt 42 sowie einen oberen Flanschabschnitt 43, Die beiden bschnitte sind durch mehrere Schrauben 44 miteinander verbunden und durch einen Dichtungsring 45 abgedichtet, sodaß sie zusammen den oberen Flansch 14a bilden. Flansch 14a umschließt einen Innenhohlraum 47 zur Aufnahme einer Kühlflüssigkeit, wie beispielsweise Wasser. Der untere Flansch 14b ist ähnlich konstruiert und besteht aus einem oberen Abschnitt 52 und einem unteren Abschnitt 53. Diese beiden Abschnitte sind durch mehrere Schrauben 54 miteinander verbunden und durch einen Dichtungsring 55 abgedichtet, sodaß insgesamt ein weiterer Hohlraum 57 zur Aufnahme von Kühlwasser zwischen den beiden Flanschabschnitten 52 und 53 entsteht. Flanschabschnitte 42 und 52 werden zweckmäßigerweise aus einem nichtmagnetischen Metall hergestellt, beispielsweise aus rostfreiem Stahl mit einer Chromauflage (wenn Chrom zerstäubt werden soll), während Flanschabschnitte 43 und 53 aus einem magnetischen Metall, wic z.B. einem geeigneten rostfreien Stahl, hergestellt sind.
Die beiden Flansche 14a und 14b sind an Zylinaerhülse 40 mit mehreren Gewindestangen 59 befestigt, und Dichtungsringe 60 und 61 schaffen eine Abdichtung. Ein ringförmiger Kammerraum 62 wird dadurch innerhalb Zylinderhülse 40 zur Aufnahme von durch ringförmige Öffnung 63 im unteren Flanschabschnitt 42 des oberen Flansches 14a eingeleitetem Kühlwasser geschaffen. Eine ähnliche ringförmige Öffnung 65 ist im oberen Flanschabschnitt 52 des unteren Flanschs 14b vorgesehen. Oberer Flanschabschnitt 43 am oberen Flansch 14a umfaßt zwei Abstandsringe 67a und 67b sowie einen in dem von den beiden Abstandsringen gebildeten Rillenraum ruhenden Dichtungsring 67. Dadurch wird ein oberer Isolator 70 aus Glas, Keramikmaterial, Quarz oder dergleichen von der Oberfläche des oberen Flanschabschnitts 43 des Kathodenflanschs 14a isoliert gehalten. Die zwischen dem Isolator 70 und dem oberen Flanschabschnitt 43 gebildete Rille 71 hat eine weiter unten noch ausführlicher beschriebene Funktion, Die innere Spule 20 umfaßt einen Spulenkörper 76, der aus rostfreiem, magnetischem Stahl hergestellt sein kann,und eine zylindrische Hülse 77 mit oberen und unteren Flanschen 77a bzw. 77b. Diese Flansche sind an Zylinderhülse 77 mit mehreren Schrauben 79 und 80 befestigt. Ringe 82 und 83 aus Kunststoff sind um die Enden der Zylinderhülse 77 gelegt und eine aus mehreren Drahtwicklungen bestehende Spule 85 ist um Zylinderhülse 77 zwischen den Ringen 82 und 83 gewickelt. Bei dem Draht kann es sich um isolierten Kupferdraht handeln, wcbei ein Ende der Drahtwicklung elektrisch mit der Zylinderhülse 77 verbunden sein kann. Das andere Wicklungsende 86 geht durch eine Öffnung im unteren Ende der Hülse 77. Drahtende 86 ist zweckmäßigerweise flexibel ausgeführt und durch eine Innenkammer 87 in Hülse 77 nach oben durch eine Öffnung 88 im Halterungsrohr 89 nach außen weitergeführt. Die innere Spulenwick lung hat eine bei den Ringen 82 und 83 erhöhte Windungsdichte, um ein äußerst gleichförmiges Magnetfeld zu erzeugen.
Die innere Spule 76 wird innerhalb Kathode 14 dadurch gehaltert, daß der obere Flansch 77a der Spule 76 an mehreren Punkten 92, von denen nur einer gezeigt ist, an die Innenfläche des oberen Flanschabschnitts 43 am oberen Kathodenflansch 14a befestigt ist. Spule 76 ist ferner mit einer Schraube 94 am Mittelpunkt der Innenfläche des unteren Flanschabschnitts 53 am unteren Kathodenflansch 14b befestigt. Diese Anordnung, besonders die Befestigung des unteren Flanschabschnitts 53 an Flansch 77b durch Schraube 94, verhindert, daß der Kathoden flansch durch den hohen Innendruck in der Kathode (Kühlflüs sigkeit unter einem den atmosphärischen Außendruck übersteigenden Druck) und den niederen Druck in Vakuumkammer 10 nach außen gebogen wird. Im unteren Flansch 77b der Spule sind mehrere Öffnungen 95 angebrecht, sodaß das Kühlwasser durch die Innenkammer 87 wie weiter unten beschrieben zur Außenseite der Anordnung zurückfließen kann.
Anode 16 umfaßt die zweckmäßigerweise aus nichtmagnetischem rostfreiem Stahl hergestellten Ringabschnitte 100 und 101, die miteinander durch mehrere am Rand der Ringabschnitte eingesetzte Schrauben 102, 103 verbunden sind. Innere und äußere Dichtungsringe 105 bzw. 106 ergeben einen ringförmigen inneren Hohlraum 108 zur Aufnahme von Kühlwasser. Die Unterseite des Ringabschnitts 100 umfaßt außerdem mehrere ringförmige Rillen 110. Anode 16 ist vom oberen Flansch 14a der Kathode durch einen Spalt 112 getrennt.
Anode 16 wird durch zwei an der Abdeckung 18 der Vakuumkammer 10 befestigte Abstandshalterungen 17 in ihrer Lage gehalten, wobei nur eine der gleichartig ausgeführten Halterungen in den Figuren eingezeichnet ist. Eine Halterung stellt eine Erdungsverbindung zu Abdeckung 18 her und dient als Kühlwasser-Ausflußleitung, während die andere zur Kühlwassereinleitung dient. Halterung 17 umfaßt eine an den oberen Ringabschnitt 101 der Anode angeschraubten, mit einem Dichtungsring angepreßten Kupplungsteil 114 sowie ein an Flansch 116 durch Hartlötung angesetztes Rohr 115. Flansch 116 ist mit mehreren Schrauben und einem Dichtungsring an Kupplungsteil 114 befestigt. Das obere Ende des Rohrs 115 verläuft durch eine Öffnung in Deckkappe 18 der Vakuumkammer 10 und ist mit derselben mittels eines eindrückbaren Sockels 119 (einen nicht dargestellten inneren Dichtungsring enthaltend), eines Dichtungsrings 120, einer Deckplatte 121 und einer oder mehrerer Schrauben 122 dicht verbunden. Abstandshalterung 17 kann von der Vakuumkammer 10 isoliert sein, um die Anode 16 auf einem vom Erdpotential verschiedenen Potential zu halten, doch bezieht sich die folgende Beschreibung auf eine geerdete Anode. Ein in der Abstandshalterung 17 befindlicher Innenkanal 124 dient zur Zuleitung von Kühlwasser. an Innenhohlraum 108 in der Anode 16; das Wasser läuft durch die zweite, nicht dargestellte Abstandshalterung aus.
Eine zusätzliche Anodenhalterung läßt sich durch mehrere Arme 126 (beispielsweise vier, von denen jedoch nur einer eingezeichnet ist) aus Metall erzielen. Ein Ende jedes Arms ist an einem unteren Flansch 127b der Abdeckung 127 der Halterung 15 befestigt, während das andere Ende über ein Abstandsstück 128 an dem oberen Ringabschnitt 101 befestigt ist. Diese Arme stellen ebenfalls eine Erdung dar.
Die zur Halterung 15 gehörige Abdeckung 127 ist mit einem oberen Flansch 127a versehen, der an der Unterseite der Deckkappe 18 der Vakuumkammer 10 mit mehreren Schrauben 131 befestigt ist. An Abdeckung 127 ist ferner ein unterer Flansch 127b angebracht, und der obere Isolator 70 ist zwischen den unteren Flansch 127b und an der Oberseite 43 des oberen Kathodenflanschs angebrachten Abstandsringen 67a,67b mit Dichtungsringen 132 und 67 eingezwängt. Abdeckung 127 und Halterungsrohr 89 werden zweckmäßigerweise aus unmagnetischem rostfreiem Stahl angefertigt. Ein Einführungsisolator 134, der beispielsweise aus dem unter dem Handelsnamen Lexan bekannten Kunststoff angefertigt sein kann, ist innerhalb Abdeckung 127 montiert und paßt mit seinem unteren zylindrischen Ende in Öffnung 135 im Isolator 70, Das untere Ende des Halterungsrohrs 89 ist in den oberen Flansch 77a der inneren Spule 76 eingeschraubt und mit einem Flansch 136 versehen, der dicht an der oberen Oberfläche des oberen Abschnitts 43 am Kathodenflansch 14a anliegt. Halterungsrohr 89 verläuft nach oben durch Isolator 134 und trägt am oberen, mit einem Gewinde versehenen Ende eine hauptmutter 140 und eine weitere Schraubenmutter 141. Ein Drucklager 144 und eine federnde Unterlegscheibe 145 sind am oberen Ende des Halterungsrohrs 89 zwischen der oberen Fläche 146 des Isolators 134 und der Unterkante der Hauptmutter 140 montiert.
Die federnde Unterlegscheibe 145 nimmt jegliche durch Erwärmung bedingte Ausdehnung der Teile auf, Wie aus Figur 2 ersichtlich, dient Hauptmutter 140 zur Befestigung der Kathode 14 und des oberen Isolators 70 an Halterung 15. Das mit einem Gewinde versehene untere Ende des Halterungsrohrs 89, das mit dem oberen Flansch 77a des Spulenkörpers 76 verkoppelt ist, drückt oberen Kathodenflansch 14a, oberen Isolator 70, Abdeckung 27 und Einführungsisolator 134 zusammen. Die zylindrische Unterkante 149 des Isolators 134 liegt an der Innenkante des unteren Flanschs 127b der Abdeckung 127 an und erzeugt den Druck, der die Abstandsringe 67a, 67b des oberen Kathodenflanschs 14a und die Unterseite des unteren Flanschs 127b zusammen und an entsprechende Flächen des oberen Isolators 70 angepreßt hält. Die am oberen Kathodenflansch 14a und dem unteren Flanscn 127b angebrachten Dichtungsringe 67c bzw. 132 ergeben einen dichten Abschluß.
Isolator 134 befindet sich an keiner Stelle seiner Oberfläche im Vakuum in der Kammer 10.
Am oberen Ende des Halterungsrohrs 89 ist ein oberer Stutzen 152 mit mehreren Schrauben 153 an der oberen Schraubenmutter 141 befestigt und mit einem Dichtungsring 154 abgedichtet. Das obere Ende der Spulenleitung 86 geht durch Stutzen 152 und ist mit einem Dichtungsstöpsel 155 abgedichtet. Der Stutzen 152 umfaßt eine Einlaßöffnung 156 zur Einleitung von Kühlwasser, die mit dem Kammerraum 157 im Halterungsrohr 89 in Verbindung steht. Durch Öffnungen 158 im unteren Ende des Halterungsrohrs 89 ist eine Verbindung zum Innenhohlraum 47 im oberen Kathodenflansch 14a geschaffen. Auslaßöffnwlg 88 im Halterungsrohr 89 stellt eine Verbindung zur Auslaßöffnung 160 des Stutzens 152 her. An den Verbindungsstellen eingesetzte Dichtungen trennen die Einlaß- und Auslaßöffnungen 156 bzw. 160 von dem entsprechenden Kammerraum 157 im Rohr 89 ab.
Das Kühlwasser fließt zur Einlaßleitung 25a und vo der Einlaßöffnung 156 des oberen Stutzens 152 durch den Kammerraum 157 in Halterungsrohr 89 zum Innenhohlraum 47 im Oberteil des Kathodenflanschs 14a, worauf es um den oberen Flansch 77a der Spule 76 geleitet wird. Die Kuhlflüssigkeit verläßt den oberen Kathodenflansch 14a durch die ringförmige ffnung 63 und fließt in die in der hülsenförmigen Kathode 40 gelegene Kammer 62 und den Hohlraum 57 im unteren Kathoden flansch 146. Die Flüssigkeit fließt um den unteren Flansch 77b der Spule 76 und nach oben durch Öffnungen 95 in die Innenkammer 87 in Hülse 77, Flansche 77a und 77b bilden Hemmwände, die den Flüssigkeitsfluß so lenken, daß Kathodenflansche 14a und 14b ausreichend gekühlt werden. Die Flüssigkeit fließt dann durch Auslaßöffnung 88 des Halterungsrohrs 89 weiter zur Auslaßöffnung 160 im Stutzen 152.
Die in Figur 2 dargestellte Anordnung umfaßt ferner einen Bodenabschnitt mit einem unteren Isolator 164, der aus dem gleichen Material wie der obere Isolator 70 bestehen kann und zwischen einem nichtmagnetischen Bodendeckel 165 und dem Boden des unteren Flanschabschnitts 53 des Kathodenflanschs 14b eingepreßt ist. Ein aus dem gleichen Material wie Isolator 134 bestehender Kunststoff-Isolator 166 ist in den unteren Flanschabschnitt 53 eingeschraubt, während Bodendeckel 165 in Isolator 166 eingeschraubt ist. Dichtungsringe 167, 168 ergeben eine Abdichtung an Isolator 164. Die Gesamtanordnung ergibt einen langen, engen, ringförmigen Spalt 171, der der Rille 71 zwischen dem oberen Isolator und der Oberseite des oberen Kathodenflanschs 14a ähnelt.
An allen Stellen, an denen sich bei Isolatoren 70 und 164 ein Kontakt mit Metall ergibt, ohne daß das Metall auf Kathodenpotential ist (oder mindestens auf einem stark vom Kathodenpotential abweichenden Potential ist), ist ein langer, enger Schlitz vorgesehen, so z.B. Rille 71 an Isolator 70 und Spalt 171 an Isolator 164. Der Schlitz erstreckt sich in allen Fällen senkrecht zu den magnetischen Kraftlinien. Dadurch kann zeratäubtes Material nicht in den Schlitz eindringen und die Isolatoroberfläche am Sohlitz beschichten, was schließlich zur Herstellung einer leitenden Verbindung und damit zum Kurzschluß fuhren würde. Wie aus der Figur ersichtlich, verlaufen die mit 172 bezeichneten magnetischen Kraftlinien senkrecht zu den ringförmigen Spalten 71 und 171. Die Kraftlinien an Spalten 71 und 171 sind parallel zu den Kraftlinien 172, Dieser Verlauf des magnetischen Feldes verhindert, daß Elektronen in die Spalte eindringen und darin Gasmoleküle usw. ionisieren.
Beim Betrieb liegt eine Rathodenschicht 173 an der Kathodenhülse an und erstreckt sich zwischen Spalt 112 zwischen oberem Flansch 14a und Anode 16.
Durch Verwendung verhältnismäßig niederer Gasdrucke lassen sich große Abscheidungsflächen erzielen. Die freie Weglänge oder die mittlere geradlinige Flugstrecke, auf der das zerstäubte Material keine Zusammenstöße mit den Gasmolekülen oder den eigenen Ionen des verdampften Materials erleidet, ist dem Druck umgekehrt proportional, sodaß ein bei niederen Drucken betreibbares Aufdampfsystem der oben beschriebenen Art mit großen Abständen von der Materialquelle arbeiten kann, wobei die Bewegung der aufgedampften Partikel immer noch im wesentlichen geradlinig ist.
Erfindungsgemäß wird eine leistungsfähige Falle zwischen der als Kathode verwendeten Zylinderhülse und den Flanschen 14a, 14b geschaffen, wie durch die Kraftlinien 172 in Figur 2 angedeutet. Zum richtigen Betrieb der Falle wird der Strom durch die inneren und äußeren Feldspulen eingereglt und geeignete magnetische und nichtmagnetische Metalle werden an den betreffenden Stellen der Anordnung verwendet.
Ein weiterer wichtiger Vorteil ist, daß das System in seinen Abmessungen veränderlich ist, d.h. der Durchmesser und, wichtiger noch, die Länge der Kathode können verändert werden, ohne daß dabei der Betrieb wesentlich beeinträchtigt würde.
Die Kathode wirkt im wesentlichen als geradlinige Quelle und 1äUt eich deshalb ohne bedeutende andere Ab änderungen der Anordnung verlängern.
Ein zusätzlicher Vorteil der erfindungYgem§ßan Vorrichtung ist es, daß Betrieb mit einer verhältnismäßig niederen Spannungsdifferenz zwischen Kathode und Anode möglich ist.
Die Ausbeute des Aufdampfprozesses, d.h. die Zahl der pro einfallendes Ion aufgedampften Atome, steigt nicht genau linear bei höheren Ionanenergien an. Bei einer bestimmten Eingangsleistung ergibt sich deshalb bei niederen Spannungen eine höhere Abscheidungarate als bei höheren Arbeitsspannungen.
Betrieb mit niederen Spannungen bedeutet außerdem, daß die Anlage leistungsfähig ist, aber keine kostspieligen Isolierprobleme für die Stromversorgung und die Abscheidungsvorrichtung selbst schafft.
Als weiterer Vorteil ist zu erwähnen, daß der Betriebsstrom einer hohen Potenz -der Arbeitsspannung proportional ist, d.h. der Strom I ist proportional Vn, wobei der Exponenten Werte zwischen 5 und 7 annimmt. Eine geringe Spannungsänderung führt damit zu einer starken Stromänderung.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, daß eine gute "Anodenverbindung" hergestellt werden kann. Diese ergibt sich aus dem Zusammenwirken mehrerer kennzeichnender Eigenschaften, darunter die flanschartige Kathode form und die Möglichkeit bei verhältnismäßig niederen Spannungen zu arbeiten. Gute Anodenverbindung bedeutet in diesem Zusammenhang auch, daß Anode 16 in Bezug auf Flansch 14a so angeordnet ist, daß ein Elektron bei seinem Auftreffen auf eine den Flansch nicht schneidende Feldlinie sobald als möglich auf die Anode geführt wird oder möglichst nahe zum Kathodenflansch kommt, nachdem das Elektron sich radial nach außen auf eine Bahn hinbewegt hat, die nicht den Kathodenflansch kreuzt. Es besteht damit praktisch kein Spannungsabfall zwischen dem Plasma und der Anode und fast die gesamte angelegte Spannung trägt zur verlustfreien Durchführung des Verfahrens bei.
Als weiterer Vorteil ist zu erwähnen, daß die Trägerfläche nur in sehr geringem Maße erhitzt wird, da das Plasma bombardement der Trägerfläche infolge Begrenzung des Plasmas auf den kathodennahen Raum sehr gering ist. In der Vorrichtung können deshalb Trägerflächen aus Materialien verwendet werden, die leicht schmelzen oder Gase abgeben. Auch wird die Struktur des Materials der Trägerfläche durch Elektronenbombardement nicht wesentlich verändert, Bei Bedarf läßt sich aber ein Elektronenbombardement der Trägerfläche durch Abschaltung des Magnetfelds oder durch Eintauchen der Trägerfläche in ein im entsprechenden Gebiet erzeugtes Plasma erzielen.
Vorteilhaft wirkt sich aus, daß Kathode und Anode leicht mit Wasser gekühlt werden können, da dadurch die Anordnung für sehr hohe Stromdichten ausgelegt werden kann.
Besonders vorteilhaft wirkt sich aus, daß die Isolatoren 70 und 164 infolge der Anbringung der Spalte 71 und 171 und deren Form praktisch unbegrenzte Lebensdauer haben.
In der in Figur 2 dargestellten Anordnung sind nur Metalle und die üblicherweise aus Pyrexglas, Quarz oder einem keramischen Material hergestellten Isolatoren 70 und 164 dem in der Kammer herrschenden Vakuum ausgesetzt. Dies bedeutet, daß keine leicht Gas abgebenden Polymeren oder Kunststofre das Vakuum beeinflussen oder verschlechtern.
Als zusätzlicher Vorteil ist zu erwähnen, daß die Stromdichte auf einer großen Fläche stabil und gleichförmig ist, sodaß sich Material in einem weiten Stromdichtenbereich gleichmäßig abscheiden läßt.
In einer Zerstäubungsanlage kann die Betriebsspannung V zur Bewertung des Wirkungsgrads verwendet werden. Es gilt V = Ei/Ye12 wobei Ei die durchschnittlich zur Erzeugung eines Ions durch ein Elektron aufzuwendende Energie bedeutet; y (Gamma) bezeichnet den Ionen-Elektronen-Sekundäremissionskoeffizient, der sich aus dem Ionenbombardement des Kathodenmaterials ergibt; Er (Epsilon) bezeichnet den Bruchteil der in der Falle verloren gegangenen Elektronenergie; und s2 bezeichnet schließlich den Bruchteil der die Kathode erreichenden Ionen.
E. hängt von den Eigenschaften des verwendeten Gases ab und beträgt ungefähr 30 ev pro Ion im Falle von Argon. Der Gammawert für Argon beträgt etwa 0,1, d,h. ein Ion von 10 auf die Kathode auftreffenden Ionen erzeugt ein in das Plasma emittiertes Elektron, während die anderen Ionen im Kathoden metall verbleiben. Diese durch Ionenbombardement erzeugten Elektronen werden in der Kathodenschicht beschleunigt und erreichen eine ungefähr der angelegten Spannung V entsprechende Energie. Da diese Elektronen eingefangen sind und Energie verlieren, tragen sie zur Plasmaerzeugung bei, sodaß dadurch weitere Ionen geschaffen werden, die ihrerseits zur Zerstäubung beitragen und neue Sekundärelektronen erzeugen, usw. Falls die durch das Magnetfeld geschaffene Falle sehr wirksam ist, nimmt den Wert eins an und alle Elektronen bleiben eingefangen, bis sie ihre Energie verloren haben. Einige der Ionen diffundieren aus dem Plasma, während andere zur Kathode gezogen werden. 2 bedeutet den Bruchteil der an die Kathode weitergeführten Ionen und schwankt zwischen Null und Eins, nimmt aber normalerweise nicht den Wert eins an. Im Falle einer perfekten Falle ist das Produkt aus t1 und t2 gleich eins, woraus sich eine Arbeitespannung von 300 V ableiten laßt. Im Falle des hier beschriebenen beispielhaften Systems beträgt die Betriebsspannung etwa 800 V und das Produkt aus En und t2 ist etwa 0,3, d.h. der Wirkungsgrad beträgt etwa 30. In den im folgenden beschriebenen Hohlkathodensystemen fördert die sogenannte "Umschlingungsgeometrie" hohe s1-Werte. Typische Arbeitsspannungen belaufen sich in diesem Fall auf etwa 400 V und das Produkt #1.#2 beträgt 0,75.
Im Falle der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform sind hohe, dem Wert eins sich nähernde E1 und e2-Werte erwünscht. Dies läßt sich erreichen durch Verwendung einer wirksamen Falle, die möglichst nahe an der Kathodenhülse anzubringen ist. Der s1-Wert nähert sich dann eins und Ionen werden sehr nahe bei der Kathode erzeugt, was den j:2-Wert näher an eins bringt. Der Wert hängt vom benutzten Gas ab und beträgt etwa 0,1 im Falle von Argon. Der Ei-Wert hängt ebenfalls vom Gas ab, beträgt aber typischerweise 30 ev/Ion im Falle der gewöhnlich in Zerstäubungsanlagen verwendeten Gase. In den bekannten Zerstäubungsvorrichtungen beträgt die Arbeitsspannung etwa 300 V, sodaß die Isolation ein bedeutendes Problem darstellt. Wenn niedrigere Spannungen (800 - 850 V) verwendet werden können, wie dies im Falle der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich ist, verliert die Isolationsfrage an Bedeut J die Kathode und die Spannungszuführung.
Obwohl ein inneres und ein äußeres Magnetfeld in der in Figur 2 dargestellten Vorrichtung verwendet werden, genügt im Prinzip eines der Felder, besonders wenn geeignete Materialien für die Teile der Vorrichtung verwendet werden und der Feldlinienverlauf durch magnetische Platten modifiziert wird.
Wie vorher erwähnt, ist es zweckmäßig, die magnetischen Kraftlinien möglichst nahe an der zylindrischen Kathode 40 parallel zu ihr vorbeizuführen. Dieser Feldverlauf läßt sich am besten erreichen mit einem inneren Magnetfeld, das einem äußeren Magnetfeld überlagert ist, wobei die Stärke beider Felder verändert werden kann, um den erwünschten Verlauf des resultierenden Feldes einzustellen. Beide Felder können dann zur Einregelung der richtigen Feldstärke gemeinsam verändert werden, ohne daß hierbei der Verlauf der Kraftlinien in Bezug auf die Kathode verändert wird.
Figuren 3a - 3d'zeigen eine andere Ausführungsform und gewisse Abänderungen derselben, wobei die geflanschte Hohlkathode dieser Ausführungsformen trotz äußerer Ähnlichkeit und ähnlicher Betriebsweise eine Umkehrung der in Figur 2 dargestellten Kathode 14 bildet. Figur 3a zeigt den Längsschnitt der Gesamtanordnung, deren Querschnitt in Figur b dargestellt ißt. Figuren 3c und 3d zeigen Ausschnitte vorzugsweiser Abänderungen der Endabschnitte. Figur 3c ist insbesondere eine Teilansicht eines Abschnitts am linken Ende, doch können beide Enden der Vorrichtung in dieser Weise ausgebildet werden. Bei Figur 3d handelt es sich um eine Teilansicht des rechten Endabschnitts, doch können auch in diesem Fall beide Enden der Vorrichtungen in gleicher Weise ausgestaltet werden.
Die in Figur 3a dargestellte Hohlkathode umfaßt eine Kathodentrommel 214 mit Endflanschen 214a und 214b. Die Kathode ist zylindrisch und die Flansche 214a, 214b haben die Porm von Ringen. Kanäle 214c für Kühlwasser können in der in Figur 3d gezeigten Weise an den Flanschen vorgesehen werden. Die Kathodentrommel und die Flansche werden entweder aus dem zu zerstäubenden Material angefertigt oder aus einem nichtmagnetischen Material wie Aluminium oder rostfreiem Stahl, auf dem das zu zerstäubende Material als etwa 0,3 - 3 mm dicke Innenschicht aufgetragen ist. Die austauschbare Kathodentronmel 214 kann in der in Figur 3a gezeigten Weise an ein äußeres, zylinderförmiges Gehäuse 215 angeschweißt werden, sodaß sich ein ringförmiger Hohlraum 215a für Kühlwasser ergibt. Trommel 214 wird zweckmäßigerweise durch Dichtungsringe 215b und 215 c in der in Figuren 3c bzw. 3d gezeigten Weise im Innern des Gehäuses 215 gehaltert, sodaß sich ein ringförmiger Hohlraum 215d für das Kühlwasser ergibt.
Die ringförmigen Anoden 216a, 216b sind von der Kathode durch Isolatoren 218, 219 getrennt, die aus dem gleichen Material wie der in Figur 2 dargestellte Isolator hergestellt sind. Wie unter Bezugnahme auf Figur 2 beschrieben, sind Rillen 216c zur Verbesserung der Haftung des auf die Anode auftreffenden zerstäubten Materials vorgesehen. Die Anoden 216a, 216b sind mit Hohlräumen 223 bzw. 224 versehen und zweckmäßigerweise in der in Figuren 3c und 3d gezeigten Weise an Endplatten 221, 222 befestigt, sodaß sich Innenräume 223a, 224b ergeben. Nach Abnahme der Endplatten 221, 222 lassen sich die Hohlräume für das Kühlwasser reinigen.
Enge ringförmige Spalte 228, 229 sind, wie in Figuren 3a, 3c und 3d dargestellt, zwischen der Kathode, der Anode und den Isolatoren 218, 219 angebracht und ähneln in ihrer Form und Funktion den Spalten 71, 170 der'ion Figur 2 dargestellten Anordnung. In jedem Fall schneiden die von der Magnetspule 234 erzeugten Kraftlinien die Spalte unter einem rechten Winkel. Weitere Öffnungen 228a, 228b (Figur 3c bzw. Figur 3d) können hinzugefügt werden, um die Entfernung von Gasen aus den Spalten zu verbessern, wie unter Bezugnahme auf Figur 2 erwähnt. Ein zweiter Satz von Spalten 231, 232 (Figur 3a) und 231a, 232a (Figuren 3c und 3d) ist zwischen den gathodenflanschen 214a, 214b und den Anoden 216a, 216b zu den magnetischen Feldlinien parallel verlaufend angeordnet.
In der Praxis besteht Magnetspule 234 typischerweise aus mehreren, aus einem nichtmagnetischen Material (beispielsweise Aluminium) bestehenden, auf einem isolierenden Körper 234a aufgebrachten Windungen (Figuren 3c und 3d). Der Körper isoliert die Windungen vom Außengehäuse 215 der Kathode. Die Windungen werden dann in der in Figur 3a dargestellten.
Weise über den Entladungsraum geschoben, Die Windung 234 in Figuren 3a bis 3d bedeutet mehrere Spulen, deren lage ebenso wie der Spulenstrom veränderlich sind, um die gewünschte Verteilung des Magnetfelds an der Kathode zu erzielen. Zweckmäßigerweise aus Eisen angefertigte magnetische Endplatten 237, 238 können an den Außenenden der Anoden 216a, 216b angebracht werden. Die magnetischen Kraftlinien werden eingeschnürt durch Platten 237, 238 gelenkt, um Kraftlinien durch die Anode zu führen und den "Anodenschluß" zu verbessern. Die magnetischen Endplatten der Kathode sind an der Kathode befestigt, sodaß Isolatoren 218, 219 durch mehrer Schrauben 237a, 238a festgehalten sind (Figuren 3c und 3d). Diese Schrauben verlaufen durch Dichtungsringe 215a, 215b, die aus einem Isoliermaterial wie beispielsweise einem Polykarbon-Kunst stoff hergestellt sind.
Ein Paar aus dem gleichen Material wie Isolatoren 218, 219 hergestellter, zylindrischer Isolatoren 241, 242 ist an den Außenseiten der magnetischen Endplatten 237, 238 an den Erdungsplatten 245 bzw. 246 angebracht.
Die Erdungsplatten halten die Plasmaentladung innerhalb der Hohlkathode, wenn mit hilfe einer Vorspannung Material auf einer geerdeten Trägerfläche abgeschieden wird. Dabei wird eine der Stromversorgungen dazu verwendet, die Anode auf einem positiven Potential zu halten, das einige hundert Volt über dem Potential der geerdeten Trägerfläche liegt. Eine zweite Stromversorgung hält die Kathode auf einem negativen Potential, das einige hundert Volt unter dem der Trägerfläche liegt. Das bei der Entladung erzeugte Plasma befindet sich praktisch auf Anodenpotential und die geerdete Trägerfläche ist negativ in Bezug auf das Plasmapotential. Eine Zeratäubung findet von der Trägerfläche aus statt. Die verschiedenen Potentiale werden so eingeregelt, daß die Geschwindigkeit der von der Trägerfläche ausgehenden Zerstäubung geringer ist als die Abscheidungsgeschwindigkeit, sodaß insgesamt eine beschichtende Abscheidung von Material stattfindet. Diese Zerstäubung der Trägerfläche reinigt dieselbe während des eigentlichen Beschichtungsvorgangs. Die Erdungsplatten 245 und 246 gewährleisten, daß die auf positivem Potential liegenden Anoden keinen Stromfluß von den Vakuumpumpen und anderen geerdeten Abschnitten des Systems erzeugen können. Geeignete Stutzen 249 und 250 können an die Enden der Vorrichtung angesetzt werden und sind, ebenso wie die Erdungsplatten 245, 246 und äußeren Isolatoren 241, 24v, mit Schrauben an die Endplatten 237, 238 angeschraubt. Diese Schrauben oder Gewindestangen sind in der in Figuren 3c und 3d gezeigten Weise mit Isolatoren 246a und 246b isoliert, sodaß die Anoden elektrisch von den Erdungsplatten getrennt sind. Stutzen 249 und 250 können an die Vakuumanlage angeschlossen sein, in der ein Ende des beweglichen'oder ortsfesten Trägers 252 montiert ist, oder die gesamte in Figur 3a dargestellte Anordnung kann in einer Vakuumkammer der in Figur 1 dargestellten Art untergebracht sein. Gewebe 247, 248 aus rostfreiem Stahl mit Durchlaßöffnungen für Träger 252 sind an den Erdungsplatten 245, 246 angeschraubt.
Ein Kabel 256 ist an die linke Anode 216a in der in Figur 3a gezeigten Weise angeschlossen und ein weiteres Kabel 257 verläuft an der Magnetspule 234 vorbei an die rechte Anode 216b. Kabel 257 ibt unter Magnetspule 254 tngebrelcìlt, um zu verhindern, daß induktive Rückkopplung an die Magnetspule 234 im Falle starker Stromanstiege in der Entladung stattfindet. Kabel 256, 257 sind in der vorzugsweisen Ausführungsform geerdet, können aber auch an eine positive Spannung wie vorher erwähnt angeschlossen werden. Ein tRathodenkabel 259 kann an Gehäuse 215 und an eine negative Spannung angeschlossen werden. In Figur 3c dargestellte Schrauben 215e ergeben eine gute elektrische Verbindung zwischen Kathodentrommel 214 und Gehäuse 215. Geeignete röhrenföraige Kanäle stellen eine Verbindung zu den Hohlräumen 223 und 224 und zu den weiteren Hohlräumen 215a und 216b in der Kathode zur Durchführung von Kühlwasser her, ähnlich wie unter Bezugnahme auf Figur 2 beschrieben. Der Draht der Magnetspule 234 ist zweckmäßigerweise hohl und von Kühlwasser durchflossen. Nicht dargestellte Dichtungsringe sind zweckmäßigerweise zwischen Kathodentrommel 214 und Endflansche 214a, 214b der Kathode sowie zwischen Anoden 216a, 216b und Endplatten 221, 222 und zwischen die Endplatten der Anoden und die magnetischen Endplatten 237, 238 eingesetzt. Dichtungsringe 270' 273 sind zwischen den Isolatoren 218, 219 und den Flanschen 214a, 214b sowie den Anoden 216a, 216b eingesetzt; Dichtungen 274, 275 werden zwischen Ringen 215b, 215c und Kathoden 214, 215 eingesetzt (Figuren 3c und 3d). Ähnliche Dichtungen sind an den Berührungsflächen der Isolatoren 241, 242 angebracht und zwischen Erdungsplatten 245, 246 und Stutzen 249, 250 eingesetzt, sowie zwischen der wassergekühlten Trommel 214 (Figur 3c) und Endflanschen 214a und 214b.
Es stellte sich heraus, daß die in Figur 3 dargestellte Vorrichtung mit niedrigen Spannungen von etwa 300 Volt betrieben werden kann, da das Produkt 1 2 fast den Wert eins erreicht. Bei Verwendung der in Figur 3 dargestellten Hohlkathoden kann der Arbeitsstrom bei einem bestimmten Druck innerhalb weiter Grenzen verändert werden, ähnlich wie bei der in Figur 2 dargestellten Entladungsvorrichtung. Die Geschwindigkeit der Abscheidung auf Trägerfläche 252 in der Mitte der Kathode ist in erster Näherung unabhängig vom Druck und fast unabhängig von der Spannung. Der Druck ist damit ein im wesentlichen unabhängiger Parameter, der aus anderen Gründen verändert werden kann, so beispielsweise um die Kcimbildungsprozesse an der Oberfläche zu beeinflussen.
Die in Figur 3 dargestellte Hohlkathodenanordnung ist im wesentlichen durch die gleichen Vorteile gekennzeichnet wie die unter Bezugnahme auf Figur 2 beschriebene Anordnung mit der Kathodenspule. So existiert eine Elektronenfalle in einem kleinen ringförmigen Gebiet, das von der Kathodenoberfläche aus nach innen verläuft und sich zu dem vom Innendurchmesser der Anode definierten Radius erstreckt. Wegen des guten Anodenschlusses dieser Anordnung besteht der gewünschte Gradient der Elektronenenergie in der Falle, d.h. zwischen dem Rand der nur einige Millimeter dicken Kathodenschicht und dem Innendurchmesser der Anode, die eine Begrenzung der Falle darstellt. Die die Falle durch Diffusion nach innen verlassenden Elektronen gelangen in die Nähe der Trägerfläche und nicht an die Anode, doch haben diese Elektronen nur sehr niedrige Energien von etwa 3 - 5 ev, wie durch Messungen mit elektrostatischen Sonden im Plasma festgestellt wurde. Obwohl die Erwärmung der Trägerfläche durch das Umgebungsplasma im Falle der Hohlkathodenanordnung stärker ist als in der Spulenanordnung, in der das Plasma nicht zur Trägerfläche reicht, ist die Erwärmung immer noch geringer als in bekannten Vorrichtungen, da das Plasma vor Erreichen der Trägerfläche abgekilhlt wird.
Figur 4 zeigt eine erfindungagem§ße Entladungsvorrichtung für mit Hochfrequenz betriebene Glimmentladungen, die in einer bekannten Vakuumkammer 311 mit Doppelelektroden 312 stattfinden.
Die Entladungsvorrichtung 312 umfaßt zwei koachsiale Elektroden 313, 314, die an einem Halterungsrohr 315 befestigt in Vakuumkammer 311 montiert sind. Elektroden 313, 314 befinden sich in einem bestimmten Abstand voneinander und sind elektrisch durch einen geeigneten Isolator 316 getrennt.
Elektrode 313 ist mit einem oberen Flansch 313a, Elektrode 314 mit einem entsprechenden unteren Flansch 314a versehen, wobei die Flansche einerseits zur Halterung und andererseits zum Schließen der Plasmafalle dienen. Wie weiter unten noch erläutert, können die Elektroden 313, 314 mit dem Magnetfeld so zusammenwirken, daß auch ohne die an den Enden angebrachten Flansche 313a, 314a die Falle geschlossen ist, sodaß die Flansche an sich weggelassen werden können.
Die beiden Elektroden 313, 314 ergeben eine zylindrische Hochfrequenz-Kathode. Eine typischerweise mit 1,8 Megahertz arbeitende HF-Versorgungseinheit 317 ist über eine durch Halterungsrohr 315 verlauf ende, abgeschirmte Ubertragungsleitung 318a an Elektroden 313, 314 angeschlossen.
Mehrere Feldspulen 318 sind um die Außenwand des elektrisch leitenden Gehäuses 311a der Vakuumkammer 311 gewickelt und von demselben isoliert. Die Feldspulen erzeugen ein homogenes Magnetfeld in der Kammer, wobei die Kraftlinien dicht an und zwischen den Elektroden 313, 314 in der durch Linien 319 angedeuteten Weise verlaufen.
Die Vakuumkammer 311 enthält ein geeignetes Arbeitsgas unter verhältnismäßig niedrigem Druck, z.B. 0,5 - 1,0 Mikron Hg.
Halterungsrohr 315 und Übertragungsleitung 318 gehen durch eine geeignete Vakuumdichtung 320 an der Oberseite der Kammer 311. Ein geeignet geformter Isolator 321 isoliert Halterungsrohr 315 von Elektrode 313, sodaß das Halterungsrohr nicht auf Kathodenpotential ist und nicht zur Aufprallfläche des Zerstäubungsprozesses wird.
Das untere Ende der Vakuumkammer 311 umfaßt eine Rohrleitung 322, die über ein geeignetes Ventil an eine an sich bekannte Vakuumpumpe angeschlossen ist. Eine elektrisch leitende Abschirmung 323 in Form eines Maschengewebes deckt die in das leitende Gehäuse 311a der Vakuumkammer 311 gehende Öffnung ab, über die Rohrleitung 322 mit dem Innern der Kammer in Verbindung steht. Abschirmung 323 und das leitende Gehäuse 311a bilden eine HF-Abschirmung, die zweckmäßigerweise an den geerdeten Mittelanschluß der Hochfrequenzversorgung angeschlossen wird, um Rückkopplung über die Erdung zu vermeiden. Abschirmung 323 schützt außerdem die Vakuumpumpe vor Entladungen, die sich ohne die Abschirmung in die Pumpe erstrecken könnten.
Eine aus einem Isolator 324 und einer Abschirmung 325 bestehende Abdeckung ist an Flansch 314a und Elektrode 314 angebracht und verhindert, daß die Endfläche dieser Elektrode zerstäubt wird.
Geeignete, nicht dargestellte Kühlmittelleitungen sind über Halterungsrohr 315 an die Entladungsvorrichtung 312 zur Zuführung flüssiger Kühlmittel, z.B. Kühlwasser, angeschlossen.
Eine Trägerfläche 326 ist in Vakuumkammer 311 eingeschlossen, sodaß ein Überzug von jeder der Elektroden 313, 314 aus zerstäubt werden kann, da diese Elektroden die kathodischen Aufprallrlächen des Systems darstellen.
Die in Piguren 5a - 5d dargestellten Doppelelektroden-Anordnungen bestehen jeweils aus einer konischen Elektrode 313, die koachsial zu einer ähnlichen konischen Elektrode 314 angeordnet ist. Die verjüngten Enden der Elektroden stehen einander durch einen Isolator 316 getrennt gegenüber, um eine elektrische Isolation ähnlich wie in Figur 4 zu erzielen. Jede der Figuren 5a - 5d zeigt eine andere Verteilung des Magnetfelds, sodaß sich jeweils verschieden Plasmafallen ergeben.
Wie vorher erwähnt, können die Flansche 313a, 314a an den Elektroden 313 bzw. 314 zur Halterung oder zur Ausgestaltung der Plasmafalle angebracht werden. Falls die Flansche nicht für diese Zwecke gebraucht werden, können sie weggelassen werden. Bei Verwendung der Flansche können aber die Winkel der die Elektroden 313, 314 bildenden Oberflächen geeignet gewählt werden, sodaß das zerstäubte Material in bestimmten Richtungen emittiert wird.
Wenn die Flansche zur Begrenzung der Plasmafalle verwendet werden, sind sie groß genug auszuführen, um die Falle völlig zu schließen, da andernfalls die magnetische Feldstärke auf unvernünfig hohe Werte gesteigert werden muß. Die Größe der Flansche steht in direkter Beziehung zum Raum, der benötigt wird, damit die Primärelektronen bei der Erzeugung zusätzlicher Ionen ihre Energie verlieren können.
In der Ausführungsform der Figur 5a verlaufen die Kraftlinien 319 parallel zur Symmetrieachse der konischen Elektroden 313, 314, sodaß sie auf jeder Seite die Elektroden schneiden und damit eine einzige Plasmafalle ergeben.
Ob hierbei die Flansche 313a, 314a zur Ausbildung der Falle beitragen, hängt von der Stärke des Magnetfelds und vom Radialabstand von der Symmetrieachse ab. Die zu erfüllende Bedingung ist, daß praktisch alle zu weiteren lonisationeakten fähigen Primärelektronen in der Falle festgehalten werden. Die in Figur 5a dargestellte Magnetfeldverteilung wird durch Feldspulen der Art der Spule 18 der Figur 1 erzeugt, die um die Außenseite der Vakuumkammer gewickelt sind.
Figur 5b zeigt eine abgewandelte Elektrodenanordnung, in der zwei Feldspulen 328, 329 in den Elektroden 313 bzw.
314 angebracht sind und ein gekrümmtes, an den Elektroden endendes Magnetfeld erzeugen. Die in Figur 5b dargestellte Ausführungsform schafft damit ebenfalls eine einzige Plasmafalle, die durch das Zusammenwirken der Elektroden 313, 314 geschlossen wird.
Auch in der in Figur 5c dargestellten Ausführungsform werden zwei Feldspulen 330, 331 verwendet, die in Elektroden 313 bzw. 314 montiert sind. In diesem Fall beginnt und endet das von jeder Spule erzeugte Magnetfeld an der gleichen Elektrode, sodaß sich zwei getrennte Plasmafallen ergeben.
Jede Falle ist durch das Magnetfeld 319 und eine Einzelelektrode definiert, obwohl ein geringer Elektronenstrom zwischen den beiden Fallen fließt, um den Stromkreis zu schließen.
Figur 5d ist ein Figur 5c ähnelndes Ausführungsbeispiel mit zwei Feldspulen 332, 333, die in Elektroden 313 bzw. 314 montiert sind. Das bogenförmige Feld schafft in diesem Fall mehrere getrennte Plasmafallen an jeder Elektrode.
Obwohl~in den Zeichnungen nicht dargestellt, sind gemischte Fallenanordnungen verwendbar, die sich durch Xombination der Feldformen, beispielsweise der Feldform der Figur 5b mit der der Figuren 5c oder 5d, erzeugen lassen. Diese gemischten Fallenanordnungen bestehen jeweils aus mehreren Fallen, die durch eine Elektrode und das zugehörige Magnetfeld definiert sind. Daneben existiert eine durch das Magnetfeld und die beiden zusammenwirkenden Elektroden geschaffene Falle.
In den in Figuren 5b - 5d dargestellten Ausfithrunsformen wurde das Magnetfeld durch innere Feldspulen erzeugt, konnte aber im Prinzip auch durch Dauermagnete erzeugt werden.
Figuren 6a - 6e zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele mit Doppelelektroden zur Verwendung mit einer der in Figuren 5a - 5d dargestellten Magnetfeldverteilung, sodaß erfindungsgemäße Plasmafallen in Glimmentladungen entstehen.
Besonders hervorzuheben ist die in Figur 6e dargestellte Anordnung, die zweckmäßigerweise mit der in Figur 5a dargestellten Feldverteilung kombiniert wird, obwohl sich auch andere Feldverteilungen verwenden lassen, solange Achsialsymmetrie gewahrt bleibt.
In sämtlichen erfindungsgemäßen Elektroden- und Magnetfeldanordnungen zur Erzeugung von Glimmentladungen sind die Plasmafallen durch Achsialsymmetrie zu einer Drehachse gekennzeichnet, wobei die Symmetrie entweder durch das Magnetfeld, die Elektroden, oder das Magnetfeld im Zusammenwirken mit den Elektroden hergestellt wird.
Die schematisch in Figur 7 dargestellte Vorrichtung 7-t rncheidet sich von der der Figur 4 durch die Verwendung von Hohlelektroden zur Plasmaerzeugung innerhalb der Elektroden. Zwei konische, koachsiale Hohlelektroden 413, 414 sind in einem außenseitig elektrisch leitenden zylindrischen Gehäuse 415 montiert. Gehäuse 415 endet an beiden Enden in Endabschirmungen 416, 417 mit Öffnungen 416a bzw.
417a, durch die das Gehäuseinnere evakuiert werden kann und die mit elektrisch leitenden Abschirmungen 418, 418a abgedeckt sind. Die Elektroden 413, 414 sind voneinander durch einen geeigneten elektrischen Isolator 419 getrennt, und Hochfrequenzenergie wird über eine abgeschirmte Ubertragungsleitung 420 von einer Versorgungseinheit 421 ap Jede Elektrode 413, 414 über Anschlußpunkte 422 bzw. 423 übertragen.
Die geerdete Stromversorgungseiriheit 421, die abgeschirmte Ubertragun6aleitung 420, die Endabschirmlangen 416, 417 und die leitenden Abschirmungen 418, 418a bilden zusammen einen Faraday-Käfig, ähnlich wie die Vakuumkammer der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform.
Die Verbindung zu den Vakuumpumpen wird über eine geeignete Rohrleitung 424 hergestellt, die zweckmäßigerweise von der Endabschirmung 417 durch ein Isolierstück 425 isoliert und getrennt geerdet ist. Ein ähnliches Isolierstück 426 ist an der anderen Seite des Systems angebracht und stellt eine Verbindung her zu einer Deckkappe, einem anderen Abschnitt der Glimmentladung oder einer Zuführungsvorrichtung für eine geeignete Trägerfläche, wie die draht- oder stabförmige Trägerfläche 430. Die Einzelteile sind dabei längs der durch Elektroden 413, 414 definierten Mittelachse angeordnet.
Ein elektrischer Isolator 427 ist zwischen Elektrode 413 und Endabschirmung 416 angebracht und ein entsprechender Isolator 428 ist zwischen Elektrode 414 und Platte 417 eingesetzt, um die Elektroden.von der leitenden XF-Abschirmung zu isolieren.
Mehrere den in Figur 4 dargestellten Feldspulen 318 ähnelnde Feldspulen 429 sind um die Außenseite des Gehäuses 415 gewickelt und dienen zur Erzeugung des das Plasma umschließenden Magnetfelds, das im Zusammenwirken mit Elektroden 413, 414 die Falle bildet. Bei Verwendung von Hohlkathoden werden die Magnetfelder stets durch außen angebraohte Feldspulen erzeugt.
Figuren 8a - 8c stellen verschiedene magnetische Feldverteilungen dar, die für Hohlkathoden besonders zweckmäßig sind. Die Ausführungsbeispiele beziehen sich auf konische J:;loktrodonanordnun£en, doch stellen diese nur eine besondere Ausgestaltung dar und andere Hohlkathodenanordnungen können mit den dargestellten Feldverteilungen vorwendet werden. Der die Elektroden 413, 414 trennende Isolator 419 kann weggelassen werden, falls die Elektroden selbst aus Isoliermaterial sind, d.h. wenn das zu beschichtende Material ein Dielektrikum ist.
In der in Figur 8a dargestellten Ausführungsform verlaufen sämtliche magnetischen Kraftlinien 431 von Elektrode 413 zu Elektrode 414, sodaß eine Plasmafalle durch das Zusammenwirken des Magnetfelds mit den Elektroden geschaffen wird. Figur 8a stellt damit das mit Hohlelektroden ausgerüstete Äquivalent der in Figuren 5a, 5b gezeigten Anordnung dar.
In der in Figur 8b dargestellten Ausführungsform treten die magnetischen Kraftlinien an einer Stelle jeder Elektrode aus und an einer anderen Stelle der gleichen Elektrode wieder in sie ein, sodaß an jeder Elektrode eine Plasmafalle entsteht. Figur 8b stellt damit das mit Hohlelektroden ausgerüstete Äquivalent der in Figur 5c gezeigten Anordnung dar.
In ähnlicher Weise zeigt Figur 8c ein gebogen gebündeltes Magnetfeld, mit dem mehrere Fallen an jeder Elektrode erzeugt werden können. Die Gesamtanordnung des in Figur 8c dargestellten Beispiels bildet im Falle der Hohlelektroden das Äquivalent des unter Bezugnahme auf Figur 5d beschriebenen Beispiels.
Figuren 9a - 9e dienen zur Verdeutlichung verschiedener Beispiele von mit Hohlelektroden versehenen Entladungsvorrichtungen, die mit einer der in Figuren 8a - Bc dargestellten Magnetfeldverteilungen zusammenwirkend Plasmafallen ergeben. Insbesondere läßt sich eine Kombination der in Figur 8a dargestellten Feldverteilung mit einer der in Figuren 8b oder 8c gezeigten Feldverteilung verwenden.
Figur 9a zeigt ein Paar zylindrischer, koachsialer Hohlelektroden 413, 414, die durch einen Isolator 419 getrennt sind. Bei Verwendung der in Figur 8a dargestellten Feldverteilung in Kombination mit einer der in Figuren 8b und 8c dargestellten Feldverteilungen ist es zweckmäßig, an den Elektroden 413, 414 Endflansche 413a bzw. 414a anzubringen, um die Plasmafalle zu schließen. Diese Endflansche können weggelassen werden, wenn das Magnetfeld mit jeder Elektrode getrennt zur Bildung von Plasmaf allen zusammenwirkt.
Figur 9b ähnelt Figur 9a, doch ist die Anordnung zusätzlich mit inneren Endflanschen 413b, 414b an den Elektroden 413 bzw. 414 versehen, die kürzer sind als die äußeren Endflansche 413a, 414a, sodaß bei Bedarf getrennte oder sich überkreuzende Plasmafallen erzeugt werden können.
Das in Figur 9c dargestellte Ausführungsbeispiel ist mit einem Paar koachsialer, konischer Elektroden 413, 414 versehen, deren innere Endflansche 413b bzw. 414b mit jeder der vorher erwähnten Magnetfelfverteilungen für Hohlkathoden zur Erzeugung von Plasmafallen verwendet werden können.
Die Anordnung der Figur 9d ähnelt der in Figur 9c gezeigten, doch ist die innere Zylinderfläche der Elektroden 413, 414 abgebogen, damit die geometrische Form der Aufdaepfschicht den speziellen Bedürfnissen angepaßt werden kann.
Bei den in Figur 9e dargestellten hohlen Kathoden elektroden handelt es sich um einen in Längsrichtung zerschnittenen Zylinder, bei dem ein Isolator 419 zwischen die Zylinderhälften aus leitendem Material eingesetzt ist.
Die in Figur 9e dargestellte Elektrodenanordnung läßt sich mit sämtlich vorher beschriebenen Magnetfeldanordnungen verwenden; die Symmetrieachse der sich ergebenden Plasmafalle ist nicht durch die Symmetrie der Elektrodenanordnung sondern durch das Magnetfeld bestimmt.
Nach der Beschreibung verschiedener mit Magnetfeldern zusammenwirkender Doppelelektrodenanordnungen zur Erzeugung sehr verschiedenartiger Plasmafallen wird im Folgenden das Zustandekommen des Falleneffekts in der Glimmentladung erläutert.
In sämtlichen mit zwei Elektroden arbeitenden erfindungsgemäßen B-Glimmentladungen sind beide Elektroden Aufprallflächen. Die Glimmentladungen werden bei Frequenzen und unter Drucken betrieben, derart, daß praktisch die gesamte Energieübertragung vom HF-Feld an die geladenen Plasmateilchen im Gebiet der Kathodenschicht stattfindet. Der Betrieb einer derartigen Hochfrequenz-Entla dung ist analog dem einer Gleichstrom-Entladung, bei der jede Elektrode während des größten Teils der hochSreçenten Periode als (rleichstrom-Kathode wirkt. Ein Spannungsabfall, der im Durchschnitt dem Potentialunterschied zwischen dem Scheitelwert und dem Nullwert des Hochfrequenz-Signals entspricht, abzüglich dem Spannungsabfall an den dielektrischen Aufprallflächen, herrscht in der Kathodenschicht an jeder der Aufprallelektroden. Ionen des Arbeitsgases diffundieren vom Plasmaraum in die Kathodenschicht, in der sie beim Durchgang durch das Kathodenschichtpotential auf die Kathodenaufprallfläche hin beschleunigt werden. Beim Aufprall dieser Ionen auf die Kathodenoberfläche reißen sie Atome der Aufprallfläche heraus und ergeben außerdem eine Emission von Sekundärelektronen von der Kathodenoberfläche. Diese Elektronen werden im Gebiet des Kathoden falls beschleunigt und gelangen dann als Primärelektronen in das Plasmagebiet, in dem sie neue Ionen durch Zusammen Stöße mit Atomen erzeugen. Ein Teil dieser im Plasmaraum durch Primärelektronen erzeugten Ionen gelangt schlieBlich zum Rand des Kathodenfallgebiete, die Ionen dringen in die Ksthodenechicht ein und bombardieren die Kathodenoberfläche, sodaß sich der Prozeß wiederholt. Die an der Kathode stattfindenden Prozesse führen damit dazu, daß sich die Entladung selbst unterhält.
In einer derartigen Gleichstrom- oder Hochfrequenz-Entladungsvorrichtung kann die Betriebsspannung zur Bewertung des Wirkungsgrads verwendet werden. Wenn elektrisch isolierende Aufprallflächen bei Hochfrequenz-Betrieb verwendet werden, ist die Arbeitsspannung als Scheitelwert der an der Glimmentladung anliegenden Hochfrequenz-Spannung definiert, während die gesamte an der Entladungsvorrichtung anliegende Spannung den Spannungsabfall an den dielektrischen Aufprallflächen mit einbezieht.
Das Zusnmenwirken eines Elektrodenpaars und einer geeigneten Magnetfeldverteilung in einem achsialsymmetrischen System ergibt eine Falle für die Primärelektronen, die die Elektronenbewegung in Radialrichtung und Achsialrichtung beschrän-kt und dadurch die Elektronen zwingt, in der Nähe der Aufprallfläche zu bleiben, bis ein großer Teil der Elektronenenergie in ionisierenden Zusammenstößen verbraucht worden ist. Die Ionen werden in der Nähe der Aufprallfläche erzeugt, d.h. das von den eingefangenen Elektronen erzeugte Plasma befindet sich in einem Ringgebiet um eine Symmetrieachse der Anordnung und ist in Berührung mit den die Aufprallflächen bildenden Elektroden.
Die Plasmafalle ergibt sich aus der Überlaeserung von Elektronenreflexion an Oberflächen, die auf Kathodenpotential sind, und von Elektronenablenkung durch das Magnetfeld. Eine geschlossene Plasmafalle wird an einigen Seiten durch das Magnetfeld und an den anderen Seiten durch die Kathodenoberflächen gebildet, sodaß die Verluste an den Endabschnitten jeder Seite minimal sind.
Eine Plasmafalle nimmt in Wirklichkeit ein quaderförmiges Volumen mit sechs Seiten ein, von denen zwei durch die Achsialsymmetrie der Anordnung definiert sind, sodaß nur im Querschnitt vierseitige Anordnungen senkrecht zu ihrer Symmetrieachse betrachtet werden müssen.
In der mit Hochfrequenz betriebenen Doppelelektrodenanordnung werden die beiden Elektroden mit zwei HF-Speiseleitungen betrieben. Da eine Wechselspannung angelegt wird, nehmen die Elektroden abwechselnd die Funktion von Anode und Kathode in Bezug aufeinander an. Bezeichnet man die beiden Elektroden mit A und B, so ist Elektrode A vorübergehend Kathode in Bezug auf Elektrode B, und zu anderen Zeiten Anode in Bezug auf Elektrode B. Beide Elektroden sind während des größten Teils der HF-Periode negativ vorgespannt in Bezug auf das Plasma, d.h. Elektroden A und B erscheinen vom Plasma aus gesehen als Kathoden. Nur für kurze Zeitabschnitte während jeder zweiten Halbwelle der Hl?-Spannung werden Elektroden A und B zu Anoden für das Plasma.
Mit Hochfrequenz betriebene Plasmafallen lassen sich deshalb in zwei Gruppen einteilen. In der ersten Gruppe arbeiten die beiden Elektroden A und B zusammen und schließen die Falle teilweise, wobei das Magnetfeld für das völlige Schließen der Falle sorgt. Magnetische Kraftlinien gehen in diesem Fall von Elektrode A aus und treten in Elektrode B ein. Die Elektronenbewegung längs der Feldlinien ist verhältnismäßig frei im Gebiet zwischen Elektrode A und Elektrode B, doch bildet die Kathodenschicht an beiden Elektroden eine reflektierende Fläche für die Elektronenbewegung. In einem zur Symmetrieachse des Systems senkrechten Querschnitt sind zwei Seiten der Plasmafalle durch magnetische Kraftlinien geschlossen, eine weitere Seite ist durch Elektrode A geschlossen und die letzte Seite ist schließlich durch Elektrode B geschlossen.
In der zweiten Gruppe arbeiten Elektroden A und B nicht zusammen, sondern wirken unabhängig voneinander, und das Magnetfeld dient zur Schleßung getrennter Fallen, nämlich einer Falle bei Elektrode A und einer zweiten Falle bei Elektrode 13. Beispielsweise gehen die magnetischen Kraftlinien von Elektrode A aus und kehren gekrümmt zu ihr zurück. In einem zur Symmetrieachse der Anordnung senkrechten Querschnitt entsteht eine Falle an Elektrode A, wobei eine Seite der Plasmafalle durch die Kathodenschicht an Elektrode A gebildet wird, während die anderen drei Sei-Q:n der Falle durch das bei Elektrode Å verlauCende Magnet-Feld gebildet werden. Eine ähnliche, getrennte Falle besteht an Elektrode B und wird ebenfalls aus der Kathoden schicht und dem Magnetfeld gebildet Bei der Kombination der beiden vorhergehenden Anordzungen ergibt sich ein dritter Falle Geeignete Abstimmung der Ströme durch die das Magnetfeld erzeugenden Feldspulen führt zu einer Kraftlinienverteilung, in der einige der Kraftlinien von Elektrode A zu Elektrode 3 verlaufen, während andere Kraftlinien von Elektrode A ausgehen und au ihr zurückkehren. Das gleiche gilt für Elektrode B, sodaß die beiden Arten von Plasmafallen, nämlich die auf eine Elektrode beschränkte Falle und die beide Elektroden überbrückende Falle, gleichzeitig existieren.
Im folgenden wird nun die Wirkungsweise einer Falle in Anordnungen mit Magnetfeldern, die beide Elektroden A und B zur Schaffung einer einzigen Plasmafalle einbeziehen, beschrieben.
Die folgende Betrachtung bezieht sich auf einen Zeitpunkt, zu dem Elektrode A in Bezug auf Elektrode B Kathode ist. Da in Bezug auf das Plasma beide Elektroden Kathoden sind, prallen Ionen auf beide Kathoden auf, d.h. sie schlagen aus den Elektroden Elektronen heraus, deren Zahl vom Sekundäremissionskoeffizienten ti abhängt. Die von Elektrode 3 emittierten Elektronen werden durch die an dieser Elektrode anliegende Kathodenschicht beschleunigt und bewegen sich im wesentlichen längs der magnetischen Kraftlinien von Elektrode B weg. Da die Kraftlinien von Elektrode B auf Elektrode A hin verlaufen, bewegen sich die von Elektrode B emittierten Elektronen auf Elektrode A zu.
Da aber Elektrode A in Bezug auf Elektrode B als Kathode wirkt, werden die Elektronen durch die Kathodenschicht der Elektrode A reflektiert und kehren zur Elektrode B zurück, wo sie an deren Kathodenschicht reflektiert werden. Die von Elektrode B emittierten Elektronen bleiben damit im Raum zwischen Elektroden A und B gefangen.
Wenn Elektrode A ein negativeres Potential als Elektrode B hat, wirkt sie als Kathode und emittiert Elektronen.
Diese Elektronen werden durch die an Elektrode A anliegende Kathodenschicht beschleunigt und bewegen sich von Elektrode A längs der magnetischen Kraftlinien auf Elektrode B zu, auf der sie schließlich ankommen. Da der Gasdruck im Entladungssystem niedrig ist, haben diese Elektronen wenig oder keine Energie verloren, wenn sie an Elektrode B ankommen. Diese Elektronen haben damit noch genügend Energie, um in die Kathodensohicht der Elektrode B einzudringen und schließlich auf Elektrode B anzukommen. Die weitere Folge ist, daß diese Elektronen aus der Falle entfernt werden Sekundärelektronen können durch den Aufprall dieser Elektronen auf Elektrode B erzeugt werden. Im Gegensatz zu der durch Gasionen erzeugten Sekundäremission hängt die von Elektronen erzeugte Sekundäremission von einem anderen Sekundäremissionskoeffizienten (re) ) ab.
Die Elektronenemission von Elektrode 3 wird verstärkt durch die-Entfernung der ursprünglich von Elektrode A emittierten Elektronen aus der Falle. Obgleich die von Elektrode A emittierten Elektronen nur sehr kurze Zeit in der Falle gefangen sind, erhöhen sie die Elektronenemission von Elektrode B, und die von Elektrode B emittierten Elektronen bleiben in der Falle gefangen. Die Plasmadichte einer HF-Entladung, in der das Zusammenwirken der beiden Elektroden eine Plasmafalle ergibt, hängt von den beiden Sekundäremissionskoeffizienten yiund Ye ab.
Durch ähnliche Überlegungen läßt sich zeigen, daß im Falle einer zu getrennten Fallen führendenMagnetfeldverteilung die Plasmadichte an den HF-Elektroden hauptsächlich vom Koeffizienten i abhängt, da die Sekundäremission im wesentlichen vom Ionenbombardement abhängt und nur ganz unwesentlich von den Elektronen beeinflußt wird.
Figuren 10a - 1Ob zeigen Ausführungsbeispiele von HF-Glimmentladungssystemen mit Paaren von flachen Elektroden 513, 514, die die Entladung unterhalten und zusammen mit dem Magnetfeld eine Plasmafalle ergeben. Der Hauptunterschied zwischen der in Figuren 10a, lOb dargestellten Ausiührungsform und der Ausführungsform der Figuren 10c und lOd ergibt sich aus der Elektrodenform und der Art der dadurch erzeugten Plasmafalle.
Figuren 10a und 1Ob zeigen halbkreisförmige oder D-förmige Elektroden 513, 514, die einen in Durchmesserrichtung ge schlitzten Kreis bilden. Eine toroidförmige Spule 515, deren Drehachse senkrecht zu der von Elektroden 513 und 514 bestimmten Ebene ist und die auf der den Aufprallflächen 520 abgewandten Elektrodenseite liegt, erzeugt ein toroidförmiges Magnetfeld, das im Zusammenwirken mit jeder der Elektroden eine Plasmafalle des gemischten Typs ergibt. Magnetspule 515 ist von Elektroden 513, 514 durch einen geeigneten elektrischen Isolator 516 getrennt. Die Elektroden 513, 514 erhalten von einer Hochfrequenzquelle 517 Energie über abgeschirmte Leitungen 518 bzw. 519 zugeführt.
In dem in Figuren 10c und 10d dargestellten Ausfiihrur.gsbeispiel haben die Elektroden 513, 514 die Form konzentrischer Scheiben, wobei Elektrode 513 eine äußere Ringelektrode bildet und Elektrode 514 aus einer massiven kreisrunden Scheibe besteht. Die toroidförmige magnetische Feldspule 515 ergibt das in Figur 10c gezeigte Magnetfeld, in dem beide Elektroden im gegenseitigen Zsammenwirken und zusammen mit dem Magnetfeld eine Plasmafalle bilden.
Die Drehachse der toroidförmigen magnetischen Beldverteilung stellt die Symmetrieachse der Plasmafallen in den in Figuren 10a - 1Ob gezeigten Ausführungsbeispielen dar.
Figuren 10a - 10d zeigen kreisförmige, ebene Elektrodenformen, doch könnten die Elektroden auch gebogen sein und von der Kreisform abweichende Flächenformen annehmen.
Glimmentladungsanordnungen der unter Bezug auf Figur ren 10a - 10d beschriebepen Art können in geeigneten, geschlossenen Kammern der in Figur 4 dargestellten Art mit Hilfe von Halterungen ähnlich dem Halterungsrohr 315 montiert werden.
Wie vorher erwähnt, ist es einer der Hauptvorteile der vorliegenden Erfindung, daß mit niedrigen Betrieb drucken gearbeitet werden kann. Die niedrigen Gas drucke haben eine im wesentlichen geradlinige Emission des zerstäubten Materials von der Quelle zur Folge und ermöglichen damit auch eine gezielte Aufdampfung auf eine Trägerfläche.
Bei den in bekannten Zerstäubungsvorrichtungen üblichen hohen Gasdrucken wird das zerstäubte Material durch die Gasmoleküle gestreut und bewegt sich damit nicht mehr geradlinig. Sin Teil des zerstäubten Materials wird durch die Gasmoleküle auf die Kathode zurückgelenkt, was die Abscheidungsrate reduziert. Die Streuung durch die Gasmoleküle hat ferner zur Folge, daß nicht nur die gewünschte Trägerfläche beschichtet wird, sondern daß auch andere Flächen, z.B. Seitenflächen, eine Auflage erhalten, je nach Stellung der Aufprallfläche zur emittierenden Fläche..
Der niedrige Betriebsdruck vergrößert außerdem die Fläche, die beschichtet werden kann, da die freie Weglänge (auf der keine Zusammenstöße stattfinden) dem Druck umgekehrt proportional ist. Ein erfindungsgemäßes, bei niedrigen Drucken betriebenes Zerstäubungssystem ermöglicht es daher, die Aufprallflächen in verhältnismäßig großen Radialabständen von der Quelle anzubringen, und gewährleistet dabei immer noch im wesentlichen geradlinige Bewegung des zerstäubten Materials. Große Kammern mit großen Beschichtungsflächen können verwendet werden.
Da die Erfindung das Arbeiten unter sehr niedrigen Gasdrucken ermöglicht, kann, wie vorher erwähnt, das zerstäubte Material von den Elektroden ausgehend die zu beschichtende Fläche längs geradliniger Bahnen erreichen.
Ee ist deshalb möglich, den Einfluß von zwisohen den Zerstäuberelektroden und der Aufprallfläche aufgestellten Hindernissen oder Hemmplatten mit beträchtlicher Genauigkeit vorauszuberechnen. Derartige Hindernisse können dann dazu verwendet werden, Schichten bestimmter Dicke auf zur bringen und größere Flächen mit einer bestimmten Schichtdicke zu versehen.
Ein weiterer Vorteil ist, daß die erfindungsgemäßen Anordnungen in elektrischer Hinsicht sehr stabil sind und viele Stunden lang ohne wesentliche Veränderungen der elektrischen Betriebswerte funktionieren.
Die obigen Ausführungen bezogen sich auf bestimmte Ausführungsformen der Erfindung, doch sind Abwandlungen im Rahmen der Erfindung möglich, deren Umfang ausschließlich durch die folgenden Patentansprüche definiert ist.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Erzeugung einer Glimmentladung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrodenanordnung in einer guahalliGon Umgebung von otwa i 02 Torr oder darunter 7ngeordnet wird, daß eine elektrische Spannung an diese Elektrodenanordnung angelegt wird, daß ein Magnetfeld von etwa 300 Gauß und darunter ausgebildet wird, wobei diesesO Feld zusammen mit der Elektrodenanordnung mindestens eine Falle zum Festhalten praktisch aller von der Elektrodenanordnung imitierten Elektronen definiert, die eine zur Ionisierung des Arbeitsganges ausreichende Engergie haben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zerstäuben od. dgl. eines Materials in der Gasatmosphäre die Elektrodenanordnung mindestens eine Elektrode einschließt, die das zu zerstäubende Material aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gskenneichnet, daß die Falle ein Fallenbereich ist, dessen Grenzen durch das magnetische Feld und die Elektrodenanordnung bestimmt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung ein Paar stabförmiger Elektroden einschliU3t, wobei die Glimmentladung außerhalb der Elektrode den erzeugt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung ein Paar hohler Elektroden einschließt und daß die Glimmentladung innerhalb der Elektroden erzeugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung ein Elektrodenpaar einschgief3t und daß das Magnetfeld ausgebildet wird, um im Zusammen wirken mit den beiden Elektroden eine einzelne Falle auszubilden.

7, Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanrodnung ein Elektrodenpaar einscbile(3t und daß das Magnetfeld derart ausgebildet ist, daß wnigstens eine vollständig geschlossene Falle mit jeder Elektrode definiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung ein Elektrodenpaar einschließt und daß eine EIF-Spannung auf die Elektroden gegeben wlrd,

9. VeShren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung ein Paar von koaxialen Elektroden einscHießt.

10. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch elektrische Abschirmung der Elektroden und des Gasraumes gegen HF-Abstrahlung.

11. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeicnflet, daß die Eiektrodenanordnung eins Elektrodenpaar einschließt und daß diese Elektroden koplanar sind.

12. Verfahren nach AnSPRUCH 11, dadurch gekennzeichnet, daß die HF-Spannung zwischen den Elektroden angelegt wird,

13. Gasentladungsvorrichtung gekennzeichnet durch eine Elektrodenanordnung, durch eine Befestigungseinrichtung zum Tragen der Elektrodenanordnung in einer Arbeitagasatmosphäre von etwa lo Torr und darunter, durch Energie zuführungseinrichtungen zum Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektrodenanordnung, und durch eine Magnetfeldeinrichtung zum Ausbilden eines Magnetfeldes von etwa 300 Gauß und darunter, die mit der Elektrqdenanordnung wenigstens eine vollständig geschlossene Falle zum Festhalten im wesentlichen aller Elektronen definiert, die durch die Elektrodenanordnung imitiert worden sind und eine ausreichende Energie haben, um das Arbeitsgas weiter zu ionisieren,

14. Vorrichtung nach Anspruch 13 MECt zum Zerstäuben eines Materials in der Gasatmosphäre, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung wenigstens eine Elektrode einschließt, die das zu zerstäubende Material aufweist.

15. Vorrichtung nach Anspruch13 und 14, dadruch gekennzeichnet, daß die Falle ein Fallenbereich ist, *essen Grenzen durch das Magnetfeld und die Elektrodenanordnung definiert werden.