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Die Erfindung betrifft das Gebiet von Vorrichtungen zur Beschichtung
durch Vakuumzerstäubung und insbesondere Magnetron-Zerstäubungsquellen
für solche Vorrichtungen.
Hintergrund der Erfindung
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Das Aufbringen von Beschichtungen unter Vakuum ist heute sehr weit
verbreitet und wird in Zukunft steigende Bedeutung erlangen. Die durch
Glimmentladungen induzierte Kathodenzerstäubung entwickelt sich zu
einem sehr bedeutenden Verfahren zur Bewirkung solcher Ablagerungen
bzw. Abscheidungen. Ein großer Teil der jüngsten Arbeiten betrifft die
verschiedenen Abmessungen des Magnetrons, bei denen verbesserte
Zerstäubungsraten und Betriebszustände bei geringeren Drucken durch
sinnvollen Einsatz magnetischer Felder erzielt werden. Es gibt
umfangreiche Literatur und zahlreiche Patente, die in den letzten zehn Jahren
veröffentlicht worden sind. Eine besonders informative und
verständliche Zusammenfassung wird in dem Buch "Thin film Processes" von John L.
Vossen und Werner Kern, veröffentlicht von Academic Press, New York,
1978 gegeben. Besonders interessant sind Kapital II-1 "Glow Discharge
Sputter Deposition" von J. L. Vossen and J. J. Cuomo, Kapitel II-2,
"Cylindrical Magnetron Sputtering", von John A. Thornton und Alan S.
Penfold; Kapitel II-3 "The Sputter and S-Gun Magnetrons" von David B.
Fraser und Kapitel II-4 "Planar Magnetron Sputtering" von Robert K.
Waits.
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Um die Intensität der Glimmentladungen durch die Anwendung
magnetischer Felder zu verbessern, ist es notwendig, daß die
Elektrodenabmessungen, die Intensitäten des magnetischen Feldes und die
Geometrie
des magnetischen Feldes in der Weise ausgewählt werden, daß
Elektronenfallen erzeugt werden. In den meisten Fällen führen sich
kreuzende elektrische und magnetische Felder zu
Elektronen-Driftströmen, die in sich selbst geschlossen sind. Im Falle von zylindrischen
Magnetrons können zum Beispiel radiale Elektronenfallen mit im
wesentlichen gleichförmigen magnetischen Feldern parallel zu den Achsen der
Kathode und der Anodenzylinder gebildet werden. Durch Ausstattung der
Kathode mit einer die Elektronen reflektierenden Fläche an ihren Enden
kann der Elektronenverlust aus der Entladung durch axiales Driften
reduziert werden, so daß die Entladungsintensität weiter verbessert
wird und ein Betrieb bei geringeren Gasdrucken möglich ist. (Vgl. dazu
zum Beispiel das oben erwähnte Kapitel II-2, "Cylindrical Magnetron
Sputtering", von John A. Thornton und Alan S. Penfold, insbesondere
Seiten 77 bis 88.)
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Bei vielen der zur Bedampfung durch Kathodenzerstäubung verwendeten
Magnetrons wird das Einfangen von Elektronen dadurch erreicht, daß das
magnetische Feld im Vergleich zu der Gestalt des Zerstäubungstargets
(Kathode) in bestimmter Weise ausgebildet wird. Insbesondere wird bei
den meisten planaren Magnetrons ein magnetisches Feld erzeugt, welches
in Schleifen durch die planare Kathodenfläche verläuft und welches ein
tunnelförmiges magnetisches, in sich geschlossenes Feld bildet. (Vgl.
dazu zum Beispiel das obengenannte Kapitel II-4, "Planar Magnetron
Sputtering", von Robert K. Waits, insbesondere Seite 132.) Bei
normalen Betriebsbedingungen ist die Glimmentladung zum großen Teil von
diesem magnetischen Tunnel eingeschlossen.
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Magnetische Tunnel werden auch bei nicht planaren Magnetronaufbauten
verwendet. Ein Beispiel für eine hohle Kathode eines zylindrischen
Magnetrons, bei dem ein einziger magnetischer Tunnel verwendet wird,
ist in Fig. 4 auf Seite 113 des obengenannten Kapitels II-3, "The
Sputter and S-Gun Magnetrons", von David B. Fraser dargestellt.
Weiterhin sind Beispiele für zylindrische Magnetrons mit mehrfachen
magnetischen Tunneln in Fig. 3 auf Seite 78 des obengenannten Kapitels
II-2 gezeigt.
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Bei einer anderen kreisförmigen Magnetron-Zerstäubungsquelle (Sputter-
Quelle) wird eine Kathode (Target) mit im wesentlichen invertierter
konischer Konfiguration, die eine axialsymmetrische zentrale Anode
umgibt, verwendet. Ein Beispiel einer solchen Zerstäubungsquelle ist
im Detail in dem US-PS 4,100,055 vom 11. Juli 1978 von Robert M.
Rainey mit dem Titel "Target Profile for Sputtering Apparatus"
dargestellt. Eine solche Zerstäubungsquelle ist von der Firma Varian
Associates, Inc. unter der Bezeichnung "S-Gun" erhältlich. Diese
Zerstäubungsquelle wird ferner auch in dem obengenannten Kapitel II-3,
insbesondere in fig. 1, Seite 116 und Fig. 3, Seite 117 beschrieben.
Insbesondere Fig. 3 auf Seite 117 zeigt schematisch die durch die
konische Kathodenfläche (Target) verlaufenden Schleifen des magnetischen
Feldes, durch die ein magnetischer Tunnel gebildet wird, der die
Glimmentladung einschließt.
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Bei den bekannten magnetischen Tunneln müßten die energiereichen
Elektronen, die die Glimmentladung unterstützen, die magnetischen
Feldlinien überqueren, um aus dem magnetischen Tunnel herauszukommen, was
jedoch unmöglich ist, wenn die magnetischen Feldstärken groß genug
sind. Ferner können aus energetischen Gründen auch die Elektronen, die
durch die Entladung eingefangen wurden, nicht die Kathode erreichen.
Selbst wenn diese Elektronen den magnetischen Feldlinien in Richtung
auf die Kathodenoberfläche folgen, so werden sie dort elektrostatisch
in die Entladung zurückreflektiert.
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In dem Maß, wie die magnetische Feldstärke mit dem Abstand von der
Kathodenoberfläche abfällt, was in den meisten bekannten magnetischen
Tunneln vorkommt, können auch "magnetische Spiegeleffekte" zur
Elektronenreflektion beitragen. Der hauptsächliche Effekt einer solchen
magnetischen Spiegelung besteht im allgemeinen darin, daß der Bereich
der Elektronenreflektion ein Stück weiter von der Kathodenoberfläche
wegbewegt wird. Dieser Effekt ist jedoch im Hinblick auf die Bedeutung
des magnetischen Tunnels bei der Reflektion von Elektronen, um diese
in der Glimmentladung zu halten, nebensächlich. In jedem Fall werden
diejenigen Elektronen, die durch den magnetischen Spiegel entweichen
würden, elektrostatisch zurück in die Entladung reflektiert. Aus
diesem Grund ist es einfach und richtig, die Elektronenreflektion bei den
bekannten Systemen als "elektrostatisch" zu bezeichnen, auch wenn
einige magnetische Spiegelungen auftreten können.
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Die Entladungsintensität ist im allgemeinen im Zentrum eines
magnetischen Tunnels, in dem die magnetischen Feldlinien im wesentlichen
parallel zur Kathodenoberfläche verlaufen, maximal und fällt in Richtung
auf die Seiten des magnetischen Tunnels steil ab. Die unmittelbar
benachbart liegende Intensität der Glimmentladung führt zu örtlichen
Kathoden-(Target-)Erosionsraten, die dazu führen, daß die
Kathodenoberfläche ungleichförmig erodiert. Beispiele für die nicht
gleichförmige Erosion einer S-Gun-Kathode sind in Fig. 3 des obengenannten US-
Patentes 4,100,055 von Rainey gezeigt, während Beispiele für den Fall
von planaren Magnetronkathoden in Fig. 5 auf Seite 141 des
obengenannten Kapitels II-4 erläutert sind.
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Eine Folge der nicht gleichförmigen Kathodenerosion besteht darin, daß
das Target-Material nicht vollständig nutzbar ist. Eine weitere Folge
ist die Tatsache, daß Veränderungen in dem Verteilungsmuster des die
Kathodenoberfläche verlassenden zerstäubten Materials auftreten
können. Zusätzlich neigt die Glimmentladung dazu, sich entlang des
magnetischen Tunnels zu bewegen, um einen geringen Abstand zur
Kathodenoberfläche einzuhalten, wenn diese wegerodiert. Diese Bewegung führt
in Verbindung mit der nicht gleichförmigen Kathodenerosion zu einer
noch schärferen Konzentration der Entladung, was wiederum eine weitere
Vergrößerung der Nichtgleichförmigkeit der Kathodenerosion zur Folge
hat. Darüber hinaus begrenzt eine solche nicht gleichförmige
Kathodenerosion den Emissionsbereich der gesputterten Atome auf ein relativ
schmales Band auf der Kathodenoberfläche. Dies wiederum begrenzt den
Bereich der Richtung der gesputterten Atome, die an dem zu
beschichtenden Substrat ankommen, wodurch die Schichteigenschaften wie
zum Beispiel die Gleichförmigkeit und die Stufenabdeckung, die beide
bei der Metallisierung von Halbleiterplättchen von besonderer
Bedeutung sind, beeinträchtigt werden. Weiterhin kann die Ablagerungsrate
bei einer tief erodierten Kathode aufgrund von geometrischen
Abschirmungseffekten reduziert sein. Schließlich wird eine nicht
gleichförmige Kathodenerosion auch durch entsprechend ungleichförmige
Kathodenaufheizung bewirkt, welche in ungünstiger Weise sowohl
Kühlungsprobleme als auch thermische Spannungen der Kathode beeinflußt.
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Bei der Verwendung bekannter magnetischer Tunnel besteht eine weitere
Folge der Bewegung der Glimmentladung durch die Erosion der
Kathodenoberfläche darin, daß die Entladung sich im allgemeinen in einen
Bereich mit größerer magnetischer Feldstärke bewegt. Dies führt zu einer
Verringerung der Entladungsimpedanz, wodurch geringere
Betriebsspannungen, höhere Entladungsströme und eine höhere
Entladungsleistung zur Aufrechterhaltung einer konstanten Ablagerungsrate
erforderlich sind (vgl. das obengenannte Kapitel II-2, Seiten 94 bis 98
sowie Kapitel II-3, Seiten 117 bis 121). Eine Darstellung der
Ernsthaftigkeit dieses Problems bei einigen Anwendungen wird in der
US-PS 4,166,783 vom 4. September 1979 von Frederick T. Turner mit dem
Titel "Deposition Rate Regulation by Computer Control of Sputtering
Systems" gegeben.
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In der US-A 4,100,055 ist eine Glimmentladungs-Sputtervorrichtung mit
einer ringförmigen Kathode und magnetischen Einrichtungen offenbart,
die erste magnetische Pole, die radial innerhalb der Kathode
angeordnet sind, sowie zweite magnetische Pole bilden, die radial außerhalb
der ersten Pole angeordnet sind, wobei die ersten und zweiten Pole
entgegengesetzte Polarität aufweisen. Die vorliegende Erfindung ist
demgegenüber dadurch charakterisiert, daß die ersten magnetischen Pole
von der Kathode isoliert sind, so daß sie eine Anode für die Sputter-
Beschichtungsvorrichtung bilden.
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Die vorliegenden Unterlagen sind von der Anmeldung Nr. 81 901 255.0
abgetrennt, die sich auf eine Sputtervorrichtung und ein
Sputter-Target zur Verwendung in einer solchen Vorrichtung bezieht.
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Beispiele für den Stand der Technik und für die Erfindung sollen nun
mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert werden. Es zeigt:
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Fig. 1 einen Teil einer Zerstäubungsquelle (Sputter-
Quelle) gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung;
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Fig. 2 einen Teil einer bekannten Sputter-Quelle;
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Fig. 3 einen Teil der in Fig. 1 gezeigten
Sputter-Quelle mit den Profilen einer neuen und einer nicht
mehr sinnvoll einsetzbaren Kathode sowie den
magnetischen Feldlinien und einigen Daten;
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Fig. 4 eine Teildarstellung einer bekannten Sputter-
Quelle gemäß Fig. 2 mit den Profilen einer neuen
und einer nicht mehr sinnvoll verwendbaren
Kathode sowie den magnetischen Feldlinien und
einigen Daten;
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Fig. 5a und 5b normierte Ablagerungsraten in Abhängigkeit von
der Betriebszeit der Kathode in kWh für die
Sputter-Quelle gemäß den Fig. 1 bzw. 2;
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Fig. 6a und 6b Spannungs-Stromverläufe in einer Argonatmosphäre
als einem Parameter der in den Fig. 1 bzw. 2
gezeigten Sputter-Quellen;
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Fig. 7a schematische magnetische Feldlinien, die zur
Bildung eines magnetischen Spiegels
konvergieren, sowie entsprechende Elektronenbahnen;
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Fig. 7b schematisch die relative Größe der magnetischen
Feldstärke entlang einer repräsentativen
Magnetfeldlinie in Fig. 7a und
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Fig. 8 eine Teildarstellung einer Sputter-Quelle gemäß
Fig. 1 mit einer Kathoden-Halteeinrichtung im
Detail.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 1 gezeigt,
bei der eine Zerstäubungsquelle (Sputter-Quelle) 1 mit im wesentlichen
kreisförmiger Konfiguration verwendet wird. Eine kreisförmige zentrale
Anode 10 ist von einem kreisförmigen Kathodenring 12 umgeben, der eine
Sputter-Fläche 13 mit im wesentlichen invertierter konischer Form
aufweist. Das Ringteil 12 befindet sich während des Betriebs der
Zerstäubungsquelle relativ zur Anode 10 auf negativem Potential, so daß es
als Kathode bezeichnet werden kann. Das Ringteil 12 bildet auch ein
Ziel für den Beschuß durch Ionen von der Glimmentladung und wird
folglich im allgemeinen auch als Zerstäubungsziel (Sputter-Target)
bezeichnet. Folglich wird der Ring 13 an den verschiedenen Stellen der
Beschreibung und in den Ansprüchen entweder als Kathode oder als
Sputter-Target bezeichnet. Die Details der Querschnittsform der Kathode
(Sputter-Target) 12 sollen mit Bezug auf Fig. 8 beschrieben werden.
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Die Anode 10 dient sowohl als Elektrode zur Bildung eines elektrischen
Feldes, als auch als ein Ende der das magnetische Feld bildenden
Schaltung. Im einzelnen umfaßt die Anode 10 ein magnetisches Polstück
15, wobei dieses Polstück 15 zur Erleichterung der Einführung und
Entfernung der Kathode (was noch im Detail beschrieben wird) vorzugsweise
einen entfernbaren ringförmigen Abschnitt 16 aufweist. Ferner wird
eine entfernbare dünne Anoden-Oberflächenschicht in Form einer
umgekehrten Schale 17 durch Schrauben 18 (von denen nur eine gezeigt ist)
gehalten. Die Anoden-Oberflächenschicht (Anodenplatte) 17 kann aus
magnetischem oder nichtmagnetischem Material bestehen. Wenn das Material
nicht magnetisch ist, sollte es genügend dünn sein, um die gewünschte
magnetische Feldstärke an der Anodenfläche zu erhalten. Ein
ringförmiges Teil 20 aus nichtmagnetischem Material ist mit Bolzen 21 an dem
Polstück 15 befestigt. Mit einer inneren O-Ringrille 22 ist eine
vakuumfeste Abdichtung zwischen dem ringförmigen Teil 20 und dem Polstück
15 möglich. Das ringförmige Teil 20 umfaßt außerdem eine äußere
O-Ringrille 23 zur Abdichtung gegenüber der unteren Seite eines
elektrischen Isolierrings 24, um die Anode 10 von der Kathode 12 zu
isolieren. Die das Polstück 15 enthaltende Anode 10 wird durch Führung
eines Kühlmittels durch einen Wasserkanal 26 über koaxiale Leitungen
27 und 28 gekühlt. Ein umgekehrtes kappenartig geformtes magnetisches
Teil 30 ist an dem Polstück 15 mit Bolzen 31 (nicht gezeigt)
befestigt. Eine O-Ringrille 32 ist in dem Polstück 15 vorgesehen, um
einen Austritt von Kühlflüssigkeit zwischen dem Polstück 15 und dem
magnetischen Teil 30 zu verhindern. Die ringförmigen Magnete 33
erzeugen das magnetische Feld für die durch magnetische Wirkungen
verbesserte Zerstäubungsquelle. Da die Magnete 33 außerhalb der Vakuumkammer
angeordnet sind, müssen sie nicht aus vakuumfesten Materialien
bestehen. Die Magnete 33 können deshalb zum Beispiel aus einem
Barium-Ferrit-Permanentmagnet-Material wie zum Beispiel Indox 5 bestehen.
Alternativ dazu kann auch ein ringförmiger Elektromagnet (nicht gezeigt) in
Kombination mit Permanentmagneten 33 verwendet werden, um einen
elektrisch steuerbaren Teil des magnetischen Feldes zu erzeugen. Eine
solche elektrische Steuerung des magnetischen Feldes kann zur Einstellung
der elektrischen Impedanz der Glimmentladung verwendet werden, wodurch
zum Beispiel Änderungen der Entladungsimpedanz, die durch eine
Kathodenerosion auftritt, kompensiert werden können. Weiterhin kann eine
zeitweilige Vergrößerung des magnetischen Feldes in vorteilhafter
Weise zur Triggerung des Entladungsbeginns eingesetzt werden. Die Magnete
33 befinden sich auf einer magnetischen Basisplatte 34, auf der sie
durch die magnetische Anziehungskraft gehalten werden. Eine geeignete
Zentrierung der Magnete 33 wird durch die Verwendung eines
nichtmagnetischen Zylinders 35 erzielt, der an einem Flansch 36 befestigt ist,
welcher wiederum mit Schrauben 37 (nicht gezeigt) an der Basisplatte
34 gesichert ist. Zwischen dem magnetischen Teil 30 und dem oberen
Magneten 33 ist ein magnetischer Ring 38 angeordnet. Die magnetischen
Teile 30 und 38 sowie die Magneten 33 werden durch die magnetische
Anziehungskraft zusammengehalten.
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Die Kathode 12 wird mit neuen Einrichtungen, die im Detail später
beschrieben werden, an einem nichtmagnetischen ringförmigen Basisteil 40
befestigt. Die Kathode ist von einem nichtmagnetischen Wassermantel 41
umgeben. Die Kathode 12 und der Wassermantel 41 sind so dimensioniert,
daß der Abstand zwischen diesen Teilen bei Raumtemperatur groß genug
ist, um eine einfache Installation und Entfernung zu ermöglichen, und
klein genug ist, um einen ausreichenden thermischen Kontakt zur
Kühlung der Kathode sicherzustellen, wenn diese sich während des normalen
Betriebs aufgrund ihrer Erwärmung ausdehnt. Der Wassermantel 41 ist
mechanisch an dem Basisteil 40 mit einem nichtmagnetischen Ringteil 42
gesichert, welches durch Schrauben 43 (nicht gezeigt) gehalten wird.
Der Wassermantel 41 hat innere Wasserkanäle 45, durch die ein
Kühlmittel, vorzugsweise Wasser durch Leitungen 50 (von denen eine gezeigt
ist) zirkuliert. Die Leitungen 50 sind in Schleifen 51
aneinandergelötet, die wiederum an ein Basisteil 40 gelötet sind, um eine
vakuumdichte Abdichtung zwischen den Leitungen 50 und dem Basisteil 40
sicherzustellen. Die Leitungen 50 umfassen auch herkömmliche entfernbare
Rohrverschraubungen 52 und 53 sowie ein Balgteil 54, welches zur
Reduzierung mechanischer Spannungen an der vakuumdichten Abdichtung der
Leitungen 50 an dem Basisteil 40 verwendet wird. Eine direkte Kühlung
des Basisteils 40 wird durch einen Wasserkanal 56 erzielt, durch den
ein Kühlmittel über Leitungen 57 (von denen eine gezeigt ist)
zirkuliert. Diese Kühlung ist von besonderer Bedeutung für die Erhaltung
der Vakuumdichtigkeit des O-Rings in einer O-Ring-Abdichtrille 58 zur
Abdichtung der oberen Seite des Anodenisolators 24. Das Basisteil 40
enthält ferner eine O-Ring-Abdichtrille 55 zur Abdichtung der unteren
Seite eines elektrischen Isolierrings 59 für die Kathode. Schließlich
ist an dem Basisteil 40 ein Kathoden-Haltering 60 zum Beispiel durch
Heftschweißen befestigt, der im Detail in Fig. 8 gezeigt ist. Ein
Abschirmungsring 61 ist mit einem äußeren Lippenabschnitt versehen, der
zwischen der Oberseite des Rückhalterings 60 und der Kathode 12
angeordnet ist. Der Zweck der Abschirmung 61 besteht darin, eine
unerwünschte Beschichtung der Anodenisolierung 24 während des Betriebs der
Zerstäubungsquelle zu reduzieren. Der Rückhaltering 60 enthält eine
Mehrzahl von mit Gewinde versehenen Bohrungen, während die Abschirmung
61 eine Mehrzahl von entsprechenden freien Bohrungen umfaßt, die
während des Zusammenbaus ausgerichtet werden.
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Wie im Detail in Fig. 8 gezeigt ist, enthält die Kathode 12 einen
inneren Randabschnitt 62 mit einer ringförmigen Rille mit geneigten
Wänden
63, die einen spitzen Winkel von etwa 600 mit der Bodenfläche 64
der Kathode 12 einschließen. Die mit Gewinden versehenen Bohrungen in
dem Rückhaltering 60 greifen mit den Gewindeteilen 65 ein, die zum
Beispiel Ansatz-Stellschrauben oder alternativ dazu spezielle
Schrauben mit federbelasteten Kugelkolben sein können. Das Anziehen der
Gewindeteile 65 gegen die gewinkelte Wand 63 durch Einführen eines
Werkzeugs durch die Löcher 66 in dem Abschirmring 61 führt zu einer
positiven Retention der Kathode 12 bei normalem Einbau bei Raumtemperatur.
Es werden vorzugsweise drei Gewindeteile 65 verwendet. Wenn sich die
Kathode 12 während des normalen Betriebs durch Erhitzung ausdehnt, so
ist diese Ausdehnung von den Gewindeteilen 65 weggerichtet. Die spitz
gewinkelte Wand 63 dient jedoch zusammen mit den Gewindeteilen 65 zur
Verhinderung des Herabfallens der Kathode 12 von dem Basisteil 40 in
dem Fall, in dem die Zerstäubungsquelle z. B. in umgekehrter Lage
betrieben wird. Darüber hinaus führt die thermische Ausdehnung der
Kathode 12 während des normalen Betriebes dazu, daß diese sicher in dem
Wassermantel 41 gehalten wird. Der Austausch der Kathode 12 erfolgt
dadurch, daß die Anoden-Oberflächenschicht 17 und der Ringabschnitt 16
von dem Polstück 15 entfernt werden und anschließend die Gewindeteile
65 soweit abgeschraubt werden, daß die Kathode freigegeben wird,
wodurch wiederum der Abschirmungsring 61 gelöst wird, der nur durch die
Kathode 12 in seiner Position gehalten wird.
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Wie im Detail in Fig. 8 gezeigt ist, hat die Kathode 12 eine äußere
Oberfläche, die durch einen unteren Abschnitt 67 gebildet ist, sowie
einen oberen Flächenabschnitt 68 mit gegenüber dem unteren Abschnitt
67 größerem Durchmesser. Die oberen und unteren Abschnitte sind
vorzugsweise durch einen abgeschrägten Zwischenabschnitt 69 verbunden.
Die relative Gestalt und die Positionierung des inneren Polstücks 15
und des im folgenden beschriebenen äußeren Polstücks 72 wirken mit der
oben beschriebene Gestalt der Kathode 12 zusammen, um in Bezug auf die
Kathode 12 den gewünschten Magnetfeldverlauf zu erzielen. Diese
Beziehungen und das sich ergebende Erosionsmuster erlauben eine Begrenzung
der direkten Kühlung der Kathode 12 auf den Bereich des unteren
Wandabschnitts
67, und zwar im Unterschied zu dem Fall, bei dem sich die
äußere Oberfläche der Kathode gerade von dem größeren Durchmesser des
äußeren Abschnitts 68 nach unten erstreckt. Dies führt dazu, daß die
Kathodenform gemäß den Fig. 1 und 8 einen kleineren
Gesamtdurchmesser im Bereich der Zerstäubungsquelle 1 aufweist, was zu Einsparungen
von Wartungs- und Material kosten sowie des von der Quelle
eingenommenen Raumes führt. Die obigen Beziehungen haben auch den dicken inneren
Rand 62 an der Kathode 12 zur Folge, der eine Verwendung der neuen
gewinkelten Wand 63 und der Gewindeteile 65 zum Halten der Kathode
ermöglicht.
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Eine Gehäuse 70 für die Anoden-Kathodenanordnung umfaßt ein unteres
Ringteil 71 und einen äußeren magnetischen Polring 72, die miteinander
vakuumdicht mit einem zylindrischen Wandteil 73 verbunden sind. Die
Teile 71 und 73 sind aus ferromagnetischem Material gefertigt, wie
z. B. kaltgewalztem Stahl, um die Abschnitte des erforderlichen
magnetischen Weges zu den Polstücken 72 zu erzeugen. Das untere Ringteil 71
enthält eine O-Ring-Abdichtrille 74 zur Erleichterung der Demontage
und der vakuumdichten Installation der Zerstäubungsquelle gemäß Fig.
1 in der Wand der Vakuumkammer (nicht gezeigt) so daß sich die
Zerstäubungs-Quelle von der Kammerwand in die Kammer erstreckt. Das
Polstück 72 enthält auch eine O-Ring-Abdichtrille 77, mit der eine
vakuumdichte Abdichtung der oberen Seite der Kathodenisolierung 59 möglich
ist. Ein konzentrisches Paar von zylindrischen Überschlagsisolatoren
78 und 79 ist zur Verhinderung von Bogenentladungen an dem Wandteil 73
während des Betriebes der Zerstäubungsquelle vorgesehen. An dem
äußeren Polstück 72 sind entfernbar nichtmagnetische Boden-Abschirmteile
80 und 81 befestigt (die Befestigungsmittel sind nicht gezeigt), wobei
ein wassergekühltes nichtmagnetisches Teil 82 zwischen den zwei
Bodenabschirmungen angeordnet und über das durch die befestigten Leitungen
83 fließende Wasser gekühlt ist. Die Bodenabschirmung 80 dient
insbesondere zur Reduzierung unerwünschter Beschichtungen des
Kathodenisolators 59 während des Betriebes der Zerstäubungsquelle.
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Die Gesamtanordnung der Zerstäubungs-Quelle gemäß Fig. 1 wird durch
eine Klemmringanordnung 90 zusammengehalten. Mit Bolzen (nicht
gezeigt), die durch Bohrungen 91 geführt sind und mit den Gewinden in
den Bohrungen 92 eingreifen, wird das Klemmringteil 90 in Richtung auf
das untere Ringteil 71 gezogen. Dadurch drückt das Klemmringteil 90
die Basisplatte 34 nach oben, wodurch durch das Zusammendrücken der O-
Ringe in den O-Ring-Abdichtrillen 23 und 58 an den unteren bzw. oberen
Seiten des Anodenisolators 24, sowie durch Zusammendrücken der O-Ringe
in den O-Ring-Abdichtrillen 60 und 77 an den unteren bzw. oberen
Seiten des Kathodenisolators 61 eine Vakuumabdichtung erzielt wird.
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Nachdem die Zerstäubungsquelle in die Vakuumkammer eingebaut und die
Kammer evakuiert worden ist, wirkt der Atmosphärendruck auf die oben
genannten O-Ringe, wodurch die Dichtigkeit der O-Ringdichtungen weiter
verbessert wird. Diese zusätzliche Kompression der O-Ringe führt zu
einer Bewegung der Basisplatte 34 nach oben und entsprechend zu einer
Verringerung der Spannung der Bolzen (nicht gezeigt), die das
Klemmringteil 90 in Richtung auf das untere Ringteil 71 ziehen. Eine solche
Reduktion der Bolzenspannung kann dazu führen, daß das Klemmringteil
90 relativ lose ist, so daß eine Bedienperson veranlaßt wird, die
Bolzen anzuziehen. Dies kann jedoch zu Überspannungen der Bolzen und/oder
des Klemmringteils 90 führen, wenn das Vakuumsystem wieder dem
Umgebungsdruck ausgesetzt wird. Dieses Problem wird durch den Einsatz
spezieller Bolzen gelöst, die einen federbelasteten Kugelkolben (nicht
gezeigt) aufweisen und in die mit einem Gewinde versehene Bohrung 93
in dem Klemmringteil 90 eingeschraubt werden. Die federbelasteten
Kolben drücken gegen die Basisplatte 34, so daß die Bolzen (nicht
gezeigt) unter Spannung bleiben und mit der Gewindebohrung 92
eingreifen, nachdem sich die Basisplatte 34 durch Evakuierung des
Vakuumsystems nach vorne bewegt hat.
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Wie noch im einzelnen beschrieben werden wird, werden die Aufgaben der
Erfindung durch Einsatz eines modifizierten magnetischen Tunnels
gelöst, in dem eine Seite durch einen magnetischen Spiegel gebildet ist.
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Der Entwurf der gesamten magnetischen Anordnung, einschließlich der
Geometrien des zentralen Anodenpolstückes 15 und des äußeren Polstücks
72 führt zu dem in Fig. 3 gezeigten Verlauf der magnetischen
Feldlinien 95. Es soll hervorgehoben werden, daß die bogenförmig
verlaufenden Magnetfeldlinien über der nicht erodierten
Kathoden-Zerstäubungsfläche 13 (Sputter-Fläche) nicht in Schleifen durch die Kathodenfläche
verlaufen, wie dies bei vielen bekannten Zerstäubungsquellen der Fall
ist. Vielmehr verlaufen diejenigen Magnetfeldlinien, die durch die
Kathoden-Zerstäubungsfläche 13 gehen, direkt zu der Anode 10, anstatt
ein zweites Mal die Kathoden-Zerstäubungsfläche 13 zu durchtreten. Aus
der folgenden Beschreibung wird deutlich werden, daß die
Elektronenreflektion von der Anode 10 zurück in die Glimmentladung aufgrund der
magnetischen Spiegelung mit dieser besonderen magnetischen
Feldkonfiguration auftritt.
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Für normalen Betrieb wird die Kammer, in der die Zerstäubungsquelle
angeordnet ist, auf einen Druck von etwa 1,333·10&supmin;&sup4; Pascal evakuiert.
Anschließend wird die Kammer mit einem Sputter-Gas, welches im
allgemeinen Argon ist, auf einen Druck von etwa 0,1333 bis 13,8 Pascal
gefüllt. Die Bodenabschirmungen 80 und 81 sowie die Anode 10 werden im
allgemeinen auf Massepotential gehalten, wobei die Anode 10 bei
einigen Anwendungen auch geringfügig gegenüber dem Massepotential
vorgespannt werden kann. An die Kathode 12 wird ein Potential im Bereich
zwischen -350 V und -1000 V gegenüber Masse angelegt, was im einzelnen
von verschiedenen Details, wie z. B. der Anoden- und Kathodengeometrie,
den magnetischen Feldstärken, dem Kathodenmaterial, der Art des
Sputter-Gases, dem Sputter-Gasdruck und dem gewünschten Entladestrom
abhängt. Die elektrische Verbindung mit der Kathode 12 kann z. B. durch
eine Verbindung mit der Kühlleitung 50 erfolgen, während die
elektrische Verbindung mit der Anode 10 durch eine Verbindung mit der
Kühlleitung 27 möglich ist.
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Es soll noch hervorgehoben werden, daß der innere magnetische Pol 15
ein Teil der Anode 10 ist, die auf oder in der Nähe des
Massepotentials betrieben wird. Das äußere magnetische Polstück 72 ist elektrisch
gegenüber der Kathode 12 isoliert und wird ebenfalls auf oder in der
Nähe des Massepotentials gehalten. Da die Kathode 12 in Bezug auf
Masse auf einem negativen Potential mit mehreren hundert Volt liegt, kann
ein Ionenbeschuß der Polstücke mit begleitender Zerstäubung nicht
auftreten. Dadurch wird die Gefahr der Verschmutzung der durch
Kathodenzerstäubung aufgebrachten Schicht durch Zerstäubung der Polstücke
vermieden.
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In Fig. 2 ist eine bekannte Zerstäubungsquelle mit
zylindersymmetrischem Aufbau gezeigt, die von der Firma Varian Associates, Inc.
hergestellt und unter der Bezeichnung "S-Gun" verkauft wird. Die
S-Gun-Zerstäubungsquelle wird in dem oben genannten Kapitel II-3, insbesondere
Fig. 1, Seite 116 und Fig. 3, Seite 117 beschrieben. Detaillierte
Beschreibungen sind in der oben erwähnten US-PS No. 4,100,055 von
Rainey sowie der US-PS 4,060,470 von Peter J. Clarke zu finden.
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Gemäß Fig. 2 ist eine zentrale Anode 110 aus nichtmagnetischem
Material wie z. B. Kupfer gefertigt und von einer ringförmigen Kathode 112
umgeben. Die Anode 110 ist an einem Anodenanschlag 115 befestigt, der
nichtmagnetisch und vorzugsweise aus Kupfer gefertigt ist. Der
Anodenanschlag 115 hat einen inneren Kühlraum 120, durch den Wasser durch
Leitungen 121 zirkuliert. Der Anodenanschlag 115 ist entweder leitend
oder nichtleitend an einer nicht magnetischen Basisplatte 129 durch
Flansche 123 befestigt.
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Die Kathode 112 hat eine Zerstäubungsfläche 113 mit im wesentlichen
umgekehrt konischer Form. Die Kathode 112 ist an einem unteren
magnetischen Polstück 142 befestigt und von einem nichtmagnetischen
Wassermantel 144 umgeben. Ein Klemmring 165 ist optional zur Sicherung der
Kathode 112 an dem Polstück 142 vorgesehen. Die Kathode 112 und der
Wassermantel 144 sind so ausgelegt, daß bei Raumtemperatur der Abstand
zwischen diesen groß genug ist, um einen einfachen Zusammenbau und
eine einfache Entfernung der Kathode zu ermöglichen. Er ist
andererseits klein genug, um einen ausreichenden thermischen Kontakt zur
Kathodenkühlung sicherzustellen, wenn sich die Kathode beim Erhitzen
während des normalen Betriebes ausdehnt. Der Wassermantel 144 hat
einen inneren Wasserkanal 145, durch den ein Kühlmittel, vorzugsweise
Wasser durch die Leitungen 150 zirkuliert. Die Leitungen 150 sind mit
Flanschen 155 an der Basisplatte 129 befestigt. Eine elektrische
Isolierung zwischen der Basisplatte 129 und den Leitungen 150 wird
dadurch erzielt, daß die Leitungen 150 aus elektrisch nichtleitendem
Materialien hergestellt sind. Zur Aufrechterhaltung des gewünschten
Abstandes zwischen dem unteren Polstück 142 und der Basisplatte 129
werden zusätzliche Trägereinrichtungen (nicht gezeigt) verwendet.
-
Das magnetische Hauptfeld dieser bekannten, durch magnetische
Wirkungen verbesserten Zerstäubungsquelle wird durch eine erste Anzahl von
Stabmagneten 128 (z. B. aus vakuumfestem Permanentmagnetmaterial wie
z. B. Alnico 8) erzeugt, die kreisförmig zwischen unteren
Magnetpolstücken 142 und oberen Magnetpolstücken 172 aufgereiht sind. Eine
zweite Anzahl von Stabmagneten 128' ist ringförmig über den oberen
Polstücken 172 und mit gegenüber dem magnetischen Hauptfeld
entgegengesetzter Polarität (oder mit entgegengesetzten magnetischen
Feldanordnungen) aufgereiht. Der wesentliche Zweck der entgegengesetzten
magnetischen Feldanordnungen liegt darin, streuende Glimmentladungen
in dem Bereich über dem unteren Polstück 172 zu unterdrücken. Ein
nichtmagnetischer Zylinder 130 definiert zur genauen Ausrichtung der
Magnete 128 und 128' in Bezug auf die Polstücke 142 und 172 die
äußeren Grenzen, während ein nicht magnetischer Ring 176 zur weiteren
Unterdrückung von streuenden Glimmentladungen über dem Polstück 172
dient. Die sich ergebenden magnetischen Feldlinien 195 sind am besten
in Fig. 4 zu erkennen. Von besonderem Interesse sind diejenigen
Magnetfeldlinien, die sich zur Bildung eines magnetischen Tunnels, von
dem die Glimmentladung eingeschlossen ist, bogenförmig über und durch
die Zerstäubungsfläche 113 der Kathode 112 erstrecken.
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Weiterhin umgibt die Kathode 112 ein im wesentlichen zylindrisches
nichtmagnetisches Gehäuse 170, welches von der Kathode elektrisch
isoliert ist und ein äußeres Boden-Abschirmteil 173, welches leitend an
der Basisplatte 129 befestigt ist, sowie ein abtrennbares inneres
Boden-Abschirmteil 180 aufweist.
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Grundsätzlich ist die Arbeitsweise dieser in Fig. 2 gezeigten
bekannten Zerstäubungsquelle ähnlich der in Fig. 1 gezeigten
Zerstäubungsquelle. Die wesentlichen Unterschiede zwischen der bekannten
Zerstäubungsquelle gemäß Fig. 2 und der in Fig. 1 gezeigten
Zerstäubungsquelle, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist, sollen
im folgenden beschrieben werden.
-
Gemäß der bisherigen Beschreibung sind die bevorzugte Ausführungsform
gemäß Fig. 1 und die bekannte Zerstäubungsquelle gemäß Fig. 2
oberflächlich gesehen sehr ähnlich. Ein unwesentlicher Unterschied besteht
in den physikalischen Abmessungen, wobei z. B. der äußere Durchmesser
der Kathode 12 näherungsweise 17,8 cm ist, während der äußere
Durchmesser der Kathode 112 näherungsweise 13,08 cm ist. Die wesentlichen
Unterschiede liegen jedoch in den Konfigurationen des magnetischen
Feldes sowie den zu ihrer Erzeugung verwendeten magnetischen Kreisen. Die
magnetischen Feldkonfigurationen in der Nähe der Kathoden sind im
Detail in den teilweisen Querschnittsdarstellungen gemäß Fig. 3
(bevorzugte Ausführungsform) bzw. in Fig. 4 (Stand der Technik) gezeigt. In
diesen Figuren sind die neuen d. h. nicht erodierten
Kathoden-Zerstäubungsflächen mit 13 bzw. 113 bezeichnet, während die Profile der
Kathoden-Zerstäubungsflächen bei Ablauf einer sinnvollen Lebensdauer mit
13' bzw. 113' bezeichnet sind. Diese Profile ergaben sich bei
Aluminiumkathoden nach einer Betriebszeit von 400 kWh bzw. 148 kWh. In den
Figuren 3 und 4 sind ferner die gemessenen Magnetfelddaten angegeben. In
den eingekreisten Datenpunkten 96 in Fig. 3 und 196 in Fig. 4 sind
zum Beispiel die örtlichen Richtungen des magnetischen Feldes durch
ein kurzes Liniensegment angezeigt. Die Stärke des magnetischen Feldes
am Mittelpunkt des Liniensegmentes ist durch die danebenstehende Zahl
in Gauss angegeben. Im Falle des eingekreisten Datenpunktes 96 beträgt
die Magnetfeldstärke 10,18 Tesla oder 180 Gauss, im Falle des
eingekreisten Datenpunktes 196 beträgt sie 0,103 Tesla oder 103 Gauss. Die
ausgewählten Magnetfeldlinien 95 und 195 sind in Übereinstimmung mit
den gemessenen Magnetfeld-Datenpunkten gezeichnet worden.
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Im Falle der in Fig. 4 gezeigten bekannten Zerstäubungs-Quelle bilden
die Magnetfeldlinien 195, die bogenförmig durch die
Kathoden-Zerstäubungsfläche 113 verlaufen (d. h. solche Magnetfeldlinien, die sich von
einem ersten Bereich der Kathoden-Zerstäubungsfläche erstrecken und zu
einem zweiten Bereich dieser Fläche zurücklaufen), bogenförmige
Feldlinien, entlang denen sich die Elektronen bewegen. Wenn die Elektronen
in die Nähe der Kathodenoberfläche gelangen, so werden sie gespiegelt
oder rückreflektiert und auf diese Weise in einem sogenannten Tunnel
gehalten, der durch Magnetfeldlinien gebildet ist, die an jedem Ende
eine auf Kathodenpotential liegende Fläche schneiden. Ein solcher
Tunnel wird vorzugsweise als magneto-elektrostatischer Tunnel bezeichnet.
Da die Kathode und die Polstücke ringförmig sind, ist der
magnetoelektrostatische Tunnel durch eine geschlossene Schleife gebildet und
hält somit Elektronen in seinem Inneren, die dazu neigen, in eine
Richtung in die Zeichenebene hinein zu präzidieren und aus einem
offenen Tunnel entweichen würden. Unter der Voraussetzung, daß die
magnetischen Feldstärken groß genug sind, dienen solche
magneto-elektrostatischen Tunnel zum Einschluß und zur Verbesserung der Glimmentladungen
durch magnetische Wirkungen bzw. Mittel.
-
Im Falle der bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig. 3 verlaufen
jedoch die magnetischen Feldlinien, die über der Kathode liegen, nur
einmal durch die nicht erodierte Kathoden-Zerstäubungsfläche 13,
während im Fall der Fig. 4 diese Fläche zweimal durchlaufen wird. Eine
Sorte magnetischer Feldlinien tritt von dem äußeren Polstück 72 aus
und verläßt die Kathoden-Zerstäubungsfläche 13 in der Nähe des äußeren
Durchmessers der Kathode 12. Diese Magnetfeldlinien treten nicht
wieder in die Kathode 12 ein, sondern bilden einen Bogen von der
Kathoden-Zerstäubungsfläche
13 zu der Anode. Unter normalen Umständen
schaffen Magnetfeldlinien, die durch eine Elektrode verlaufen, die
gegenüber der Kathode auf einem positiven Potential liegt, eine
Leitung, durch die Elektronen aus der Entladung entweichen können. Solche
Magnetfeldlinien sind deshalb nicht zum Einschluß von Elektronen und
zur Verbesserung von Glimmentladungen geeignet. In diesem besonderen
Fall ist jedoch sichergestellt worden, daß die Magnetfeldstärke
genügend ansteigt, so daß ein geeigneter Anteil der Elektronen durch
magnetische Spiegelung reflektiert wird, was im folgenden noch erläutert
werden soll. Auf diese Weise wird ein modifizierter
Elektronen-Einfangtunnel realisiert, der in besonders wirksamer Weise zum Einschluß
von Elektronen und zur magnetischen Verbesserung der Glimmentladungen
geeignet ist.
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Bei normalen Betriebsbedingungen wird die Glimmentladung durch den
modifizierten Elektronen-Einfangtunnel über der Zerstäubungsfläche der
Kathode eingeschlossen. Der negative Glimmbereich der Entladung, der
dort entsteht, wo die meisten Ionen durch Kollisionen von Elektronen
mit Gasatomen oder von Elektronen mit Gasmolekülen erzeugt werden,
wird von der Zerstäubungsfläche der Kathode durch den
Kathoden-Dunkelraum getrennt. Die Dicke des Kathoden-Dunkelraums hängt von mehreren
Parametern ab, und zwar u. a. von den Abmessungen der Anode und der
Kathode, den Magnetfeldstärken, dem Kathodenmaterial, der Art und dem
Druck des Sputter-Gases sowie dem Entladestrom. In typischen Fällen
beträgt die Dicke des Kathoden-Dunkelraums jedoch näherungsweise einen
Millimeter, wobei sich der negative Glimmbereich der Entladung mehrere
Millimeter über die Zerstäubungsfläche der Kathode erstreckt. Über
diese allgemeinen Ausführungen hinaus ist es nicht einfach, eine
vollständigere Beschreibung der Glimmentladung und der theoretischen
Grundlagen zu geben.
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Es ist jedoch möglich, aus dem Kathoden-Erosionsmuster bestimmte
Rückschlüsse auf die Glimmentladungen zu ziehen, da lokale
Kathoden-Erosionsraten im allgemeinen mit den unmittelbar benachbarten
Intensitäten
der Entladung korrespondieren. Auf dieser Basis stellt sich die
Situation bei den bekannten Zerstäubungs-Quellen gemäß Fig. 4 wie
folgt dar. Wenn die Kathode 112 neu ist (die Zerstäubungsfläche sei
mit der Bezugsziffer 113 bezeichnet), so wird die Glimmentladung von
einem relativ breiten magnetischen Tunnel begrenzt, wobei sich die
Entladung über den größten Teil der Kathoden-Zerstäubungsfläche 113
erstreckt. In gleicher Weise ist die Entladungsintensität in der Nähe
des Zentrums des magnetischen Tunnels größer, als an den Seiten, was
zu einer entsprechend schnelleren Kathodenerosion in der Nähe des
Zentrums des magnetischen Tunnels führt. Mit fortschreitender
Kathodenerosion wird die Entladung durch magnetische Tunnel mit sich progressiv
verkleinernder Breite und größeren magnetischen Feldstärken
eingeschlossen. Weiterhin wandern die Zentren der magnetischen Tunnel nach
außen in eine radiale Position. Zu dem Zeitpunkt, zu dem das Profil
113' erreicht wird, bei dem die sinnvolle Lebensdauer der Kathode
abgelaufen ist, ist der größte Teil der Entladung in einem relativ
schmalen Ring in der Nähe der äußeren Kante der Kathode 112
konzentriert, wobei sich die magnetische Feldstärke um z. B. 100% oder mehr
über die Entladung gemittelt vergrößert haben kann.
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Im Falle der in Fig. 3 gezeigten bevorzugten Ausführungsform sind die
magnetischen Tunnel, die die Glimmentladung einschließen, allgemein
wesentlich flacher, d. h. weniger stark gekrümmt als die magnetischen
Tunnel gemäß Fig. 4. Mit fortschreitender Kathodenerosion bewegt sich
das Zentrum des magnetischen Tunnels gemäß Fig. 3 radial nach außen.
Dies geschieht jedoch langsamer, als im Fall des magnetischen Tunnels
gemäß Fig. 4. Weiterhin verändert sich die über die Entladung
gemittelte magnetische Feldstärke entsprechend der Erosion der Kathoden-
Zerstäubungsfläche im Fall der Fig. 3 wesentlich langsamer, als im
Fall der Fig. 4, wobei die Verlängerung der nutzbaren Lebensdauer im
Bereich zwischen 30% und 40% liegt.
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Aus den erheblichen Unterschieden der Magnetfeldkonfiguration gemäß
den Fig. 3 und 4 ergeben sich zahlreiche Konsequenzen. Eine der
bedeutenden Folgen ist die Tatsache, daß im Fall der Fig. 3 die
elektrische Impedanz der Glimmentladung höher ist und sich während der
Lebensdauer der Kathode wesentlich weniger verändert. Dies wiederum
bedeutet, daß die Betriebsspannung höher ist und daß die Spannungs-
und Stromänderungen bei einem gegeben Entladungs-Leistungspegel
entsprechend gering sind. Bei dieser höheren Betriebsspannung steigt der
Sputter-Gewinn nahezu linear mit der Spannung. Diese bedeutet, daß die
Sputter-Ablagerungsrate während der Lebensdauer der Kathode im
wesentlichen konstant gehalten werden kann, wenn die Eingangsleistung beim
Auftreten der relativ kleinen Änderungen der Entladungsimpedanz
konstant gehalten wird. Eine experimentelle Absicherung dieser
Eigenschaften ist in den Fig. 5a und 5b gezeigt, in denen normalisierte
Ablagerungsraten gegenüber der Lebensdauer der Kathode in kWh
aufgezeichnet sind. Wie aus Fig. 5a für die bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung deutlich wird, ist die Änderung der normalisierten
Ablagerungsrate kleiner, als die ±4% Meßungenauigkeit während der
Lebensdauer der Kathode, die sich auf bis zu 375 kWh erstreckt. Im Vergleich
dazu zeigt Fig. 5d den Fall bekannter Zerstäubungsquellen gemäß der
Fig. 2 und 4, wobei die normalisierte Ablagerungsrate nach einer
Lebensdauer der Kathode von 140 kWh um mehr als 40% abgefallen ist. Der
Hauptgrund für diesen Abfall der normalisierten Ablagerungsrate liegt
darin, daß die Entladungsimpedanz abgefallen ist, was zu einer
geringeren Betriebsspannung führt und folglich auch zu einem geringeren
Sputter-Gewinn. Ein zweiter Grund liegt darin, daß die geometrische
Abschirmung durch die Zerstäubungsfläche der Kathode die
Ablagerungsrate insbesondere dann reduziert, wenn das Profil 113' der Kathoden-
Zerstäubungsfläche bei Erreichen der sinnvollen Lebensdauer erreicht
wird.
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Bei einigen Anwendungen führt die Veränderung der normalisierten
Ablagerungsrate während der Lebensdauer der Kathode zu ernsten Problemen
bei der Steuerung der Ablagerungsrate. Bemühungen zur Steuerung der
Ablagerungsrate angesichts der Veränderung gemäß der Darstellung in
Figur Sb sind in der oben erwähnten US-PS 4,166,738 von Turner mit dem
Titel "Deposition Rate Regulation by Computer Control of Sputtering
Systems" beschrieben. Mit der im wesentlichen konstanten
normalisierten Ablagerungsrate gemäß der Darstellung in Fig. 5a kann ein
wesentlich einfacheres Steuersystem zur Erzielung einer gewünschten
Ablagerungsrate verwendet werden.
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Eine weitere Folge des Abfalls der normalisierten Ablagerungsrate
gemäß Fig. 5b ist die Tatsache, daß die Eingangsleistung der
Zerstäubungsquelle vergrößert werden muß, wenn eine konstante Ablagerungsrate
aufrechterhalten werden soll. Wenn z. B. die normalisierte
Ablagerungsrate um 40% abgefallen ist, so ist es zur Erzielung der beim Beginn
der Lebensdauer vorhandenen Ablagerungsrate erforderlich, die
Eingangsleistung um 67% zu erhöhen. Es wird folglich mehr Leistung
verbraucht, so daß sich auch die Kühlprobleme der Zerstäubungsquelle
erhöhen und die
Leistungsversorgung größer und flexibler sein muß und teuerer ist, als
in anderen Fällen. Alle diese Probleme werden mit der bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung wesentlich verringert, da die in Fig. 5a
gezeigte normalisierte Ablagerungsrate im wesentlichen konstant ist.
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Eine weitere bedeutende Folge der neuen magnetischen Feldkonfiguration
gemäß Fig. 3 ist darin zu sehen, daß ein wesentlich größerer Teil des
Kathodenmaterials verwendet werden kann, als bei einer bekannten
Zerstäubungsquelle mit der in Fig. 4 gezeigten magnetischen
Feldkonfiguration. Die aus Aluminium gefertigte Kathode 12 hat im neuen Zustand,
d. h. bei nicht erodierter Kathoden-Zerstäubungsfläche 13 ein Gewicht
von 900 g. Nach einer typischen Betriebszeit von 400 kWh ist das Profil
13' der Zerstäubungsfläche zum Zeitpunkt des Endes der sinnvollen
Lebensdauer erreicht, wobei ein Gewichtsverlust von 560 g. aufgetreten
ist. Am Ende der sinnvollen Lebensdauer sind also 62% des
Kathodenmaterials verwendet bzw. verbraucht worden. Im Gegensatz dazu hat die
bekannte Kathode 112 in neuem Zustand ein Gewicht von 285 g, während
am Ende der sinnvollen Lebensdauer nach 148 kWh ein Gewichtsverlust von
151 g aufgetreten ist, was einer Materialausnutzung von 53%
entspricht.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist also
eine um 17% größere Materialausnutzung gegenüber der bekannten
Zerstäubungsquelle gemäß den Fig. 2 und 4 möglich.
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Eine weitere bedeutende Folge der neuen magnetischen Feldkonfiguration
gemäß Fig. 3 ist die Tatsache, daß die Spannung über der
Glimmentladung wesentlich höher ist, als bei den bekannten Zerstäubungsquellen
mit der herkömmlichen magneto-elektrostatischen Feldkonfiguration
gemäß Fig. 4. Diese Punkt ist in den Fig. 6a und 6b mit Spannungs-
Stromkurven dargestellt, die für verschiedene Argondrucke aufgenommen
wurden. Fig. 6a betrifft die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
gemäß den Fig. 1 und 3, während Fig. 6b den Fall einer in den
Figuren 2 und 4 beschriebenen bekannten Zerstäubungsquelle darstellt.
Wenn z. B. Argon als Sputtergas mit einem Druck von 10 mTorr und einem
Leistungspegel von 4,0 kW verwendet wird, so beträgt die Spannung gemäß
Fig. 5a etwa 605 V und der Strom etwa 6,6 A während gemäß Fig. 6b die
Spannung etwa 410 V und der Strom 9,8 A beträgt. Die neue
Zerstäubungsquelle arbeitet bei dem angegebenen Beispiel folglich bei einer um
mehr 47% höheren Spannung als die bekannte Zerstäubungsquelle. Wenn
die Kathoden erodieren, wird dieser Unterschied noch größer, wobei
sich die Betriebsspannung der neuen Zerstäubungsquelle nur relativ
geringfügig ändert, während die Betriebsspannung der bekannten
Zerstäubungsquelle in einem wesentlich größeren Ausmaß abfällt (vgl.
obige Erläuterung in bezug auf die Fig. 5a und 5b). Die höhere
Betriebsspannung bei der neuen Zerstäubungsquelle hat einen höheren
Zerstäubungsgewinn zur Folge, wodurch gleichzeitig die zur Erzielung
einer gewünschten Ablagerungsrate erforderliche Leistung reduziert wird.
Dies trägt zur Verringerung der Betriebs- und Versorgungskosten sowie
des Aufwandes für die Kühlung bei.
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Weitere Nachweise für die höhere Wirksamkeit der neuen
Zerstäubungsquelle ergeben sich aus den obigen Abschnitten, die sich mit der
Ausnutzung des Kathodenmaterials befassen. Dort wurde erwähnt, daß der
Gewichtsverlust der Kathode bei der neuen Zerstäubungsquelle nach
400 kWh
500 g beträgt, was einer durchschnittlichen
Material-Abtragungsrate von 1,4 g pro Kilowattstunde (kWh) entspricht. Bei der
bekannten Zerstäubungsquelle war der Gewichtsverlust der Kathode
demgegenüber nach 148 kWh 151 g, was einer durchschnittlichen Material
-Abtragungsrate von 1,02 g pro Kilowattstunde entspricht. Die Effizienz
der Zerstäubung ist somit bei der neuen Zerstäubungsquelle um 37%
größer, als bei der bekannten Zerstäubungsquelle.
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Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft der neuen Zerstäubungs-Quelle
wird aus den Fig. 6a und 6b deutlich. Während des Betriebes der
Zerstäubungsquelle ist es häufig wünschenswert, bei kleinen Änderungen
des Druckes des Sputter-Gases eine konstante Leistung aufrecht zu
erhalten. Wenn z. B. Argon als Sputter-Gas verwendet wird und der
Betriebs-Leistungspegel 4,0 kW beträgt, so erfordert ein Anstieg des
Argondruckes von 4 mTorr auf 10 mTorr im Falle der neuen
Zerstäubungsquelle (Fig. 6a) eine Veränderung der angelegten Spannung von 740 V auf
610 V. Dividiert man die Spannungsänderung von 130 V durch die mittlere
Spannung von 675 V, so ergibt sich der Wert 0,193. Bei dem gleichen
Leistungspegel und dem gleichen Argondruck muß die Spannung bei der
bekannten Zerstäubungsquelle (Fig. 6b) von 525 V auf 410 V verändert
werden. Dividiert man die Spannungsänderung von 115 V durch die
mittlere Spannung von 462 V, so ergibt sich der Wert 0,249. Die zur
Aufrechterhaltung einer konstanten Leistung erforderliche dividierte
Spannungsänderung ist in diesem Fall bei der neuen Zerstäubungsquelle
etwa 22% kleiner als bei der bekannten Zerstäubungsquelle. Dies
bedeutet, daß bei der neuen Zerstäubungsquelle eine konstante Leistung
bei Veränderungen des Druckes des Sputter-Gases wesentlich leichter
eingehalten werden kann.
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Es ist bereits erwähnt worden, daß die Aufgaben der Erfindung in der
bevorzugten Ausführungsform durch Verwendung eines modifizierten
magnetischen Tunnels gelöst werden, bei dem eine Seite durch einen
magnetischen Spiegel gebildet ist. Bei den bekannten magnetischen
Tunneln sind die energiereichen Elektronen, die die Glimmentladung
unterstützen,
durch magnetische Feldlinien eingeschlossen, die bogen- oder
schleifenförmig durch die Kathoden-Zerstäubungsfläche verlaufen. Die
Elektronen neigen dazu, den magnetischen Feldlinien zu folgen, wenn
sie sich in Richtung auf die Kathode oder von dieser wegbewegen.
Diejenigen Elektronen, die in der Entladung gefangen wurden, können die
Kathode aus energetischen Gründen nicht erreichen. Dies bedeutet, daß
diese Elektronen den magnetischen Feldlinien zwar in Richtung auf die
Kathoden-Zerstäubungsfläche folgen können, daß sie von dieser Fläche
jedoch elektrostatisch zurück in die Entladung reflektiert werden.
(Das Vorhandensein von magnetischen Spiegelungen bei den bekannten
magnetischen Tunneln wurde kurz in dem obigen Abschnitt "Hintergrund
der Erfindung" erläutert.)
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Bei der in Fig. 3 gezeigten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
ist die Seite des magnetischen Tunnels in der Nähe der äußeren Kante
der Kathode 12 durch magnetische Feldlinien gebildet, die, wenn die
Kathode neu ist, durch die nicht erodierte Kathoden-Zerstäubungsfläche
13 hindurchverlaufen. Diese Magnetfeldlinien treten nicht wieder in
die Kathode 12 ein, sondern bilden einen Bogen von der nicht
erodierten Kathoden-Zerstäubungsfläche 13 zu der Anode 10. Entlang der
äußeren Seite des magnetischen Tunnels werden Elektronen elektrostatisch
von der Kathoden-Zerstäubungsfläche 13 zurück in die Glimmentladung
reflektiert, und zwar ebenso wie an beiden Seiten des bekannten
magnetischen Tunnels. An der Innenseite des magnetischen Tunnels werden die
Elektronen jedoch elektrostatisch von der Anode 10 angezogen und nicht
von dieser abgestoßen. Die Reflektion eines geeigneten Anteils der
Elektronen wird durch Einsatz einer magnetischen Feldkonfiguration
erzielt, bei der die magnetische Feldstärke in genügendem Maße
ansteigt, wenn die Elektronen sich an die Anode 10 annähern. Eine solche
magnetische Feldkonfiguration wird als magnetischer Spiegel
bezeichnet. Folglich wird ein modifizierter magnetischer Tunnel gebildet, bei
dem die magnetischen Feldlinien (1) eine elektrostatische Reflektion
der Elektronen bewirken, und zwar in der üblichen bekannten Art in der
Nähe der äußeren Kante der Kathode 12 und (2) die Elektronen in der
Nähe der inneren Kante der Kathode 12 durch magnetische Spiegelung
reflektiert werden.
-
Zur besseren Verdeutlichung der Funktion magnetischer Spiegel soll nun
auf die Fig. 7a und 7b bezug genommen werden. Fig. 7a zeigt
schematisch einen magnetischen Spiegel, bei dem magnetische Feldlinien von
links nach rechts konvergieren. Fig. 7b zeigt ebenfalls schematisch
und im gleichen Maßstab die relative Größe der magnetischen Feldstärke
B(z) entlang einiger repräsentativer Magnetfeldlinien. Zwei
repräsentative Elektronen-Flugbahnen sind in Fig. 7a gezeigt. v (z) und v(z)
sind die parallelen bzw. senkrechten Komponenten der
Elektronengeschwindigkeit. Bei der ersten Elektronenflugbahn ist bei z=0, v (0) im
Vergleich zu v(0) klein, wobei die Elektronenreflektion bei z=z&sub1;
auftritt, während bei der zweiten Elektronenflugbahn v (0) gegenüber
v(0) größer ist und die Elektronenreflektion bei z=z&sub2; auftritt. Wie
noch deutlich werden wird, ist z&sub2; größer als z&sub1;. Wenn sich ein Elektron
von links nach rechts in einen Bereich mit ansteigender magnetischer
Feldstärke bewegt, so steigt v(z) auf Kosten von v (z) an. Eine
Elektronenreflektion tritt dort auf, wo v (z) zu Null wird. Dies ist der
magnetische Spiegelpunkt. Bei Nichtvorhandensein eines auf die
Elektronen wirkenden elektrischen Feldes erfordert die Erhaltung der
Elektronenenergie folgende Bedingung:
-
v(zr) = [v ²(0) + v ²(0)]½
-
zr ist dabei der Wert von z, bei dem die Elektronenreflektion auftritt.
-
Wenn kein elektrisches Feld vorhanden ist, neigen die sich drehenden
Elektronen ferner zur Erhaltung ihres magnetischen Momentes, d. h.
-
Kombiniert man diese Gleichung mit der Gleichung der Energieerhaltung,
so ergibt sich folgende Bedingung für magnetische Spiegelung:
-
oder alternaiv dazu:
-
(Die folgenden Fundstellen können im Hinblick auf die Ableitung der
Bedingung für magnetische Spiegelung hilfreich sein: John David
Jackson, "Classical Electrodynamics", John Wilex und Söhne, Inc., New
York, 1962, Seiten 419-424. Nicholas A. Krall und Alvin W.
Trivelpiece, "Principles of Plasma Physics", McGraw Hill Book Company, New
York, 1973, Seiten 622-623. Francis F. Chen, "Introduction to Plasma
Physics", Plenum Press, New York, 1974, Seiten 23-31).
-
Eine Prüfung der Gleichungen für magnetische Spiegelung führt zu der
Erkenntnis, daß die Reflektion durch einen magnetischen Spiegel im
Gegensatz zur elektrostatischen Reflektion nicht vollkommen ist. Es
sei z. B. angenommen, daß sich B(z) an einen Maximalwert von 2B(0)
annähert. Alle Elektronen, bei denen v (0) kleiner ist als v(0) werden
von rechts nach links reflektiert, während alle die Elektronen, bei
denen v (0) größer ist als v(0) nach rechts entweichen. Folglich
gehen solche Elektronen in einer Glimmentladung, bei denen v (0) größer
ist als v(0), aus der Entladung verloren. Es kann an diesem Punkt
sinnvoll sein, die "Stärke" eines magnetischen Spiegels durch das
Verhältnis des Maximalwertes von B(z) zu B(0) zu definieren. Bei dem
gerade beschriebenen Beispiel wäre die Stärke des magnetischen Spiegels
2.
-
Ein zweites Merkmal der magnetischen Spiegel, welches sich aufgrund
einer Prüfung der Gleichungen für magnetische Spiegel ergibt, ist die
Tatsache, daß der Spiegel "weich" in dem Sinne ist, daß der Bereich
der Elektronenreflektion nicht eine genau definierte physikalische
Fläche ist, sondern von dem Verhältnis der parallelen
Elektronengeschwindigkeit zu der senkrechten Elektronengeschwindigkeit an der
durch z=0 definierten inneren Fläche abhängt. Wenn z. B. v (0) =
0,1 v(0), so tritt der Spiegelpunkt bei einem Wert z auf, bei dem
B(zr) = 1,01B(0). Wenn demzufolge v (0) = 0,5 v(0), so tritt eine
Elektronenreflektion bei B(zr) = 1,25 B(0) auf.
-
Bei der obigen Beschreibung von magnetischen Spiegeln wurde
angenommen, daß keine elektrischen Felder auf die Elektronen einwirken. In
dem Maße, wie elektrische Felder vorhanden sind, werden die
Elektronenflugbahnen und die Reflektionspunkte verändert.
-
Wenn eine Spannung an die nicht erodierte Kathode 12 gemäß den Fig.
1 und 3 angelegt wird, ohne daß ein Sputter-Gas vorhanden ist, so wird
im Normalfall keine Glimmentladung aufgebaut. Die elektrische
Feldverteilung in dem Raum über der nicht erodierten
Kathoden-Zerstäubungsfläche 13 kann abgeschätzt oder durch einfache Verfahren gemessen
werden. Durch Einleitung eines Sputter-Gases und die Entstehung einer
Glimmentladung ergeben sich sehr verschiedene elektrische
Feldverteilungen. Der größte Anteil der angelegten Spannung tritt über dem in
der Nähe der nicht erodierten Kathoden-Zerstäubungsfläche 13 liegenden
Kathoden-Dunkelraum auf. Die elektrischen Feldstärken in dem Bereich
des Kathoden-Dunkelraums sind wesentlich größer als bei Fehlen einer
Glimmentladung. Die elektrischen Feldlinien verlaufen natürlich normal
zur nicht erodierten Kathoden-Zerstäubungsfläche 13 und somit im
allgemeinen transversal zu den magnetischen Feldlinien 95.
-
Energiereiche Elektronen sind wesentlich für die Aufrechterhaltung der
Entladung, indem sie ihre Energie durch eine Anzahl ionisierender
Kollisionen
mit Atomen oder Molekülen des Sputter-Gases abgeben. Die
meisten der energiereichen Elektronen, die in der Entladung enthalten
sind, entstehen als ein Ergebnis sekundärer
Elektronenemision von der Kathoden-Zerstäubungsfläche aufgrund eines Beschusses
mit positiven Ionen. Diese Elektronen werden unmittelbar dem starken
elektrischen Feld in dem Kathoden-Dunkelraum ausgesetzt und in den
negativen Glimmbereich über dem Kathoden-Dunkelraum beschleunigt. Dies
führt zu Elektronenbahnen, die im wesentlichen zykloidal sind, wobei
die Elektronen in Umfangsrichtung um die Kathode 12 und um die
zentrale Anode 10 driften. Der im allgemeinen transversale Verlauf des
elektrischen Feldes zu dem magnetischen Feld über der nicht erodierten
Kathoden-Zerstäubungsfläche 13 hat zur Folge, daß die meisten der
energiereichen Elektronen, die in der Entladung gefangen sind,
Geschwindigkeiten haben, die vorherrschend senkrecht zu den magnetischen
Feldlinien und nicht parallel zu diesen verlaufen, was zur Folge hat,
daß v im allgemeinen wesentlich kleiner ist, als v. Folglich können
diese Elektronen durch einen magnetischen Spiegel mit mäßiger Stärke
eingefangen werden, was sehr vorteilhaft im Hinblick auf die
entscheidende Bedeutung dieser Elektronen für die Aufrechterhaltung der
Entladung ist. Ein starker magnetischer Spiegel wird hauptsächlich für die
Einleitung der Entladung benötigt.
-
Die in Fig. 3 gezeigten magnetischen Felddaten sowie die
beispielhaften eingekreisten Datenpunkte 96 zeigen, daß sich die magnetische
Feldstärke entlang einer repräsentativen Magnetfeldlinie 95 von dem
Punkt, wo sie die nicht erodierte Kathoden-Zerstäubungsfläche 13
verläßt, zu dem Zentrum des entsprechenden modifizierten magnetischen
Tunnels langsam verändert. In der Nähe der inneren Kante der Kathode
12 hat sich die magnetische Feldintensität entlang dieser
Magnetfeldlinie nahezu verdoppelt. Folglich hat der in dem modifizierten
magnetischen Tunnel der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform gemäß
den Fig. 1 und 3 verwendete magnetische Spiegel eine Stärke
entsprechend obiger Definition von etwa 2, was ausreichend ist, um die
meisten Elektronen, bei denen v kleiner ist, als v, zurück in die
Glimmentladung zu reflektieren. Die experimentellen Ergebnisse, die
später noch beschrieben werden, führen zu einer neuen
Zerstäubungsquelle, die in den meisten, jedoch nicht in allen wesentlichen Punkten
überlegene Eigenschaften gegenüber den bekannten Zerstäubungsquellen
gemäß der Fig. 2 und 4 aufweist. Diese Ergebnisse bestätigen die
Nützlichkeit von durch magnetische Effekte verbesserten
Zerstäubungsquellen mit magnetischen Spiegeln, bei denen die Spiegelstärke in der
Größenordnung von etwa 2 liegt.
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Die erläuterte Zweckmäßigkeit der magnetischen Spiegel bei
Zerstäubungsquellen schafft neue Dimensionen und Freiheitsgrade bei
ihrem Entwurf. Wie in den Fig. 1 und 3 gezeigt ist, ist der
magnetische Kreis so konfiguriert, daß magnetische Feldlinien erzeugt
werden, die im wesentlichen parallel zu der nicht erodierten Kathoden-
Zerstäubungsfläche 13 über den größten Teil ihrer Ausdehnung
verlaufen. Dies ist ein erheblicher Unterschied gegenüber den bekannten
Zerstäubungsquellen, bei denen die magnetischen Feldlinien aus der
Kathoden-Zerstäubungsfläche austreten und wieder in diese eintreten, so daß
relativ schmale Bögen über der Kathode entstehen, was z. B. in den
Figuren 2 und 4 gezeigt ist. Da die magnetischen Feldlinien in Fig. 3
im wesentlichen parallel zu der nicht erodierten Kathoden-
Zerstäubungsfläche 13 verlaufen, ist die Glimmentladung stärker
ausgedehnt und hat eine gleichförmigere Intensität als bei den bekannten
Zerstäubungsquellen, die bekannte magnetische Tunnel verwenden.
Darüber hinaus kann sich aufgrund der inhärenten Weichheit des
magnetischen Spiegels die Glimmentladung radial weiter nach innen erstrecken,
als in dem Fall einer elektrostatischen Reflektion, die bei bekannten
magnetischen Tunneln dominiert. Schließlich ist es durch den Einsatz
eines magnetischen Spiegels möglich geworden, die Änderungen der
magnetischen Feldstärke, gemittelt über die Glimmentladung, zu
reduzieren, wenn die Kathode durch Zerstäubung wegerodiert wird. Diese
genannten Faktoren tragen in wesentlichem Maße zu den überlegenen
Eigenschaften der beschriebenen Zerstäubungsquelle bei.
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Die Realisierung eines magnetischen Spiegels erfolgt durch
Konfiguration des magnetischen Kreises in der Weise, daß die Magnetfeldlinien
konvergieren. Es sei angenommen, daß z. B. die Feldlinien durch die
transversal ausgerichtete Fläche A&sub0; in dem zentralen Bereich der
Glimmentladung verlaufen und daß sich diese gleichen Magnetfeldlinien auch
durch die transversal ausgerichtet Fläche Aa in der Nähe der Anode
erstrecken. Wenn B&sub0; die mittlere Stärke der magnetischen Feldlinien
ist, die durch A&sub0; verlaufen, so ist die mittlere magnetische
Feldstärke in der Nähe der Anode Ba:
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Ba = A&sub0;/Aa B&sub0;
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Die oben definierte Stärke des magnetischen Spiegels ergibt sich wie
folgt:
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Magnetische Spiegelstärke = Ba/B&sub0; = A&sub0;/Aa
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Bei der in den Fig. 1 und 3 gezeigten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung scheinen die Magnetfeldlinien mit einem Faktor von etwa
1,6 in der transversalen Ebene von Fig. 3 von dem zentralen Bereich
der Glimmentladung zu der inneren Kante der Kathode 12 zu
konvergieren. Zusätzlich konvergieren diese Magnetfeldlinien weiterhin mit
einem radialen Konvergenzfaktor, der den effektiven radialen Abstand zu
dem zentralen Bereich der Glimmentladung dividiert durch den inneren
Radius der Kathode 12 darstellt. Dieser radiale Konvergenzfaktor ist
etwa 1,4, was zu einer Stärke des magnetischen Spiegels von etwa 1,6·
1,4 = 2,2 führt.
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Eine großer Teil der die modifizierten magnetischen Tunnel gemäß der
Erfindung betreffenden Beschreibung ist auf den Fall bezogen, bei dem
die Kathode 12 neu, d. h. noch nicht erodiert ist. Bei dieser Auslegung
wird die Seite des magnetischen Tunnels in der Nähe der äußeren Kante
der Kathode 12 durch Magnetfeldlinien gebildet, die durch die nicht
erodierte Kathoden-Zerstäubungsfläche 13 verlaufen. Diese
Magnetfeldlinien treten nicht wieder in die Kathode 12 ein, sondern bilden einen
Bogen zur Anode 10. Entlang der äußeren Seite des magnetischen Tunnels
werden die Elektronen elektrostatisch von der
Kathoden-Zerstäubungsfläche 13 zurück in die Glimmentladung reflektiert. An der inneren
Seite des magnetischen Tunnels werden die Elektronen durch magnetische
Spiegelung zurück in die Entladung reflektiert.
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Bei normalem Betrieb wird die Kathode durch Zerstäubung wegerodiert.
Nach einem normalen Betrieb von 400 kWh mit einer Aluminiumkathode
ergibt sich das Profil 113', bei dem das Ende der sinnvollen Lebensdauer
der Kathoden-Zerstäubungsfläche erreicht ist. In diesem erodierten
Zustand treten nun einige der Magnetfeldlinien, die die
Kathoden-Zerstäubungsfläche 13' in der Nähe der äußeren Kante verlassen, wieder in
diese Fläche ein, nachdem sie an der Anode 10 vorbeigelaufen sind. Es
ist sehr wahrscheinlich, daß zum Zeitpunkt des Ablaufes der
Lebensdauer die Entladung durch einen magnetischen Tunnel eingeschlossen wird,
in dem die Elektronen zum wesentlichen Teil elektrostatisch entlang
der inneren Seite des Tunnels sowie entlang der äußeren Seite
reflektiert werden, und nicht so sehr durch magnetische Spiegelung wie im
Fall einer neuen Kathode. Es wird angenommen, daß diese Umwandlung von
einem weichen magnetischen Spiegel zu einem harten elektrostatischen
Spiegel dazu führt, daß die Glimmentladung in einem schmaleren Ring in
Richtung auf die äußere Kante der Kathode 12 stärker konzentriert ist,
was zu einer vergleichsweise schnellen Erosion in diesem Bereich
führt, wenn das Ende der Lebensdauer erreicht wird. Auf der Basis von
experimentellen Beobächtungen der Veränderung des Profils einer
Kathoden-Zerstäubungsfläche während des Betriebes wird angenommen, daß
diese Veränderung der Reflektionsbetriebsart gegen Ende der Lebensdauer
der Kathode auftritt. Wie bereits erwähnt wurde, erstreckt sich die
Glimmentladung im Normalfall mehrere Millimeter über die Kathode.
Folglich ist das für den Einschluß der Glimmentladung wirksame
Magnetfeld
ein in gewisser Weise über die Entladung und nicht über die
Kathoden-Zerstäubungsfläche gemitteltes Feld.
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Die Tatsache, daß ein Übergang von einer Reflektion mit einem
magnetischen Spiegel zu einer elektrostatischen Reflektion auftritt,
reduziert die Erosion in der Nähe der inneren Kante der Kathode 12 und
beschleunigt das Erreichen der Lebensdauer durch Konzentration der
Entladung in einem schmaleren Ring in Richtung auf die äußere Kante
der Kathode 12. Zwar wäre es wünschenswert, die Veränderungen dieser
Reflektionsmoden zu verhindern, es bleibt jedoch die Tatsache zu
berücksichtigen, daß eine wesentlich verbesserte Leistungsfähigkeit der
Zerstäubungsquelle mit der in den Fig. 1 und 3 gezeigten
bevorzugten Ausführungsform gegenüber den bekannten Zerstäubungsquellen gemäß
den Fig. 2 und 4 erzielt werden kann. Wie bereits beschrieben
wurde, wird dies zum großen Teil durch die neue Gestaltungsfreiheit
erreicht, die durch die Verwendung von magnetischen Spiegeln erzielt
wird.
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Die Erfindung ist mit Bezug auf besondere Anordnungen von Teilen
beschrieben worden. Die Beschreibung soll nur zur Verdeutlichung der
Erfindung dienen und die Erfindung nicht auf die genannten Details
beschränken. Es können verschiedene Modifikationen und Abwandlungen
durchgeführt werden, ohne von dem erfindungsgemäßen Prinzip
abzuweichen.