DE4129264A1 - Verfahren und hohlkathode zur erzeugung einer selbstaendigen gasentladung in ionenquellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Hohlkathode zur Erzeugung einer selbständigen Gasentladung in Ionen­ quellen für Sputteranordnungen in Kathodenschaltung, Anodenschaltung oder Duoplasmatronanordnung, welche bei niedrigen Gasdrücken arbeiten.

Zur Erzeugung elektrischer Entladungen sind bereits eine Reihe von Ionenquellen bekannt.

So ist es hinreichend bekannt, mit Hilfe von glühenden Kathoden Elektronen zu erzeugen, welche in einem elek­ trischen Feld auf eine für die Ionisierung günstige Energie gebracht werden. Bei solchen Ionenquellen ist es auch bekannt den Ionisierungswirkungsgrad dadurch zu erhöhen, daß die Elektronenbahnen durch ein Magnetfeld verlängert werden. Bei Betrieb dieser Ionenquelle mit Glühkathodenentladungsstrecke besteht jedoch die Gefahr des Durchbrennens der Kathode, sodaß die Haltbarkeit dieser Kathoden sehr begrenzt ist.

Weiterhin sind Ionenquellen mit Hochfrequenzentladungs­ strecken bekannt, bei denen die Elektronen und Ionen durch Elektronenstoß im Gas durch ein hochfrequentes Wechselfeld erzeugt werden. Nachteile dieser Lösung liegen vor allem in der relativ schwierigen Verdichtung des Plasmas für die Ionen- oder Elektronenextraktion.

Darüber hinaus sind Ionenquellen mit einer Kaltkathoden­ entladungsstrecke bekannt, welche Stoßelektronen durch Wechselwirkung der Entladung mit der Kathode erzeugen. Sie bedürfen dazu einer erheblich höheren Betriebs­ spannung und eines kräftigen Magnetfeldes, wenn sie bei niedrigen Drücken betrieben werden sollen (Penningent­ ladung). Bei diesen Lösungen umgibt ein Magnetfeld die Hohlkathode und/oder befindet sich zwischen Kathode und Anode.

Das Prinzip der selbständigen Gasentladung beruht darauf, daß an der Kathode durch auftreffende positive Ionen Elektronen herausgeschlagen werden, die durch das zwischen Kathode und Anode anliegende elektrische Feld beschleunigt werden. Erreicht ihre Geschwindigkeit Werte, die zur Ionisierung der Gasatome ausreichen, dann entstehen durch Stoßionisation weitere Elektronen und Ionen. Diese Elektronen werden ebenfalls in Richtung Anode beschleunigt und können dann zusammen mit den Elektronen aus der Kathode ionisieren. Es entsteht eine Ionisationslawine an deren Ende die Gesamtzahl der erzeugten Elektronen steht und auf derem Weg die Ionen zurückbleiben. Da sich die Elektronen durch ihre geringere Masse etwa 100mal schneller bewegen als die Ionen, bilden die Ionen eine starke Raumladung vor der Kathode und schirmen durch ihre positive Ladung die Anode von der Kathode ab. Demzufoge können sich die Elektronen nur noch in einem schwachen elektrischen Restfeld bewegen, das gerade dazu ausreicht, durch weitere Stoß­ ionisation Ionen zu erzeugen, deren Volumenkonzentration gleich der der Elektronen ist. Unter diesen Bedingungen ist der Feldstärkeabfall und damit auch der Energieabfall für die Entladung am geringsten, der hauptsächlich zur Erzeugung der Ionisationslawine benötigt wird. Durch die gegenseitige Abhängigkeit von Stromwert und Gasverstärkung benötigen die Elektronen eine bestimmte Ionisationsstrecke, die größer wird, wenn der Gasdruck sinkt. Erreicht bei Absenkung des Gasdruckes oder durch Verkürzung der Entladungsstrecke die Ionisationslawine das Ende der Anode dann erlischt die Entladung. Erst durch extreme Erhöhung der Brennspannung kann eine instabile Entladung weiter betrieben werden.

Des weiteren ist nach der EP-PS 3 71 894 auch eine Hohl­ kathodenanordnung bekannt, bei der das Streufeld einer Magnetspule die Entladung einer Hohlkathode beeinflußt und dabei magnetische Feldlinien orthogonal zur Austrittsöffnung verlaufen. Diese Lösung dient aber lediglich dazu, gegenüber der Elektronenstrahlverdampfung einen höheren Ionisierungsgrad und eine bessere stöchio­ metrische Zusammensetzung des Dampfstrahles zu erreichen und nicht der Entwicklung einer Ionenquelle.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und Hohlkathode zur Erzeugung einer selbständigen Gasent­ ladung in Ionenquellen zu schaffen, wodurch es möglich ist, bei Verringerung des Gasdruckes bis unter 5 Pa ohne Erhöhung der Brennspannung stabile Entladungsbedingungen zu erreichen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nunmehr dadurch gelöst, daß im Brennraum der Hohlkathode eine Verlängerung des Ionisationsweges der hier emittierten Elektronen vor Austritt aus der Hohlkathode erzeugt wird, wobei die Elektronen einen Bereich von sich kreuzenden magnetischen und elektrischen Feldern passieren.

Die Elektronen durchlaufen bei gleicher elektrischer Feldgeometrie die Wege nicht geradlinig entsprechend dem Feldverlauf, sondern auf Zykloidenbahnen, wodurch sich die tatsächlich zurückgelegten Wegstrecken der Elektronen verlängern. In dem Maße, wie die effektive Wegstrecke der Elektronen vergrößert wird, kann die Teilchendichte, d. h. der Gasdruck verringert werden, um ähnliche Entladungsbe­ dingungen zu erhalten.

Die erfindungsgemäße Hohlkathode ist aus einem aus mag­ netisierbaren Material bestehenden rotationsymmetrischen Hohlkörper gebildet, welcher axial an seiner zur Anode gerichteten Stirnseite eine Ein- bzw. Austrittsöffnung bildende konzentrische Bohrung aufweist und in seinem Innenraum einen an der der Bohrung gegenüberliegenden Stirnseite einen fest angeordneten Permanentmagneten aufweist, dessen Feldlinien unterhalb der Bohrung radial nach außen zur Hohlkörperwand gerichtet sind und die durch die Bohrung von der Anode außerhalb der Hohlkathode eintretenden elektrischen Feldlinien schneiden. Durch Gegenpolung bzw. Gleichpolung eines im Anoden­ brennraum angeordneten Magnetfeldes zum Magnetfeld in der Hohlkathode ist eine Parallelisierung bzw. Fokussierung des Plasmas der Entladung möglich.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Hohlkörper aus einem durch magnetisierbare plattenförmige Polschuhe abgedeckten ringförmigen Perma­ nentmagnet gebildet ist und die zur Anode gerichtete Platte konzentrisch zum Ringmagnet die die Ein- bzw. Austrittsöffnung bildende Bohrung aufweist.

Neben der Erzeugung von zylindrischen Plasmasäulen durch eine rotationssymmetrisch ausgebildete Hohlkathode ist es auch möglich, ebene Plasmasäulen zu erzeugen, wozu die Hohlkathode linear ausgebildet ist und eine Spaltgeometrie aufweist. Im Rahmen der Erfindung ist hierzu vorgesehen, daß der Hohlkörper aus zwei parallel angeordneten stabförmigen Permanentmagneten gebildet ist, welche durch Polschuhe bildende magnetisierbare Platten abgedeckt sind und die der Anode zugewandte Platte im Bereich zwischen den stabförmigen Permanentmagneten eine spaltförmige Ein- bzw. Austrittsöffnung aufweist. Derartige Plasmageometrien können vielseitig genutzt werden und sind besonders geeignet zur Oberflächen­ reinigung zur Beschichtung, zur Filterung oder auch zur Ionenerzeugung.

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Hohlkathode im Schnitt;

Fig. 2 eine weitere Ausführungsfom der erfindungs­ gemäßen Hohlkathode im Schnitt;

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Hohlkathode mit linearer Spaltengeometrie.

Die in Fig. 1 dargestellte magnetische Hohlkathode besteht aus einem aus magnetisierbaren Material gefertigten rota­ tionssymmetrischen Hohlkörper 1, welcher an seiner zur Anode 2 gerichteten Stirnseite 3 mit einer Bohrung 4 versehen ist. Im Hohlkörper 1 ist ein Permanentmagnet 5 angeordnet, welcher an der der mit der Bohrung 4 versehe­ nen Stirnseite 3 gegenüberliegenden Stirnseite 6 befestigt ist. Die Anordnung ist dabei so gewählt, daß die vom Permanentmagneten 5 ausgehenden magnetischen Feldlinien im Hohlkörper 1 unterhalb der Bohrung 4 radial nach außen zur Hohlkörperwand gerichtet sind und die elektrischen Feldlinien, die von der Anode 2 außerhalb der Hohlkathode in den Innenraum des zylindrischen Hohlkörpers 1 durch die Bohrung 4 eintreten, schneiden. Werden Elektronen aus der Innenwand der Hohlkathode emittiert und erreichen diese den Bereich der Bohrung 4 in der Stirnseite 3 so müssen sie das Magnetfeld im Hohlkörper 1 senkrecht durchlaufen, was jedoch durch die Lorentzkraft, die sie erfahren, nicht möglich ist. Sie vollführen vielmehr um die magnetischen Feldlinien Kreis­ bewegungen und können dabei in Richtung des elektrischen Feldes auf Zykloidenbahnen abdriften. Der Ionisationsweg wird auf diese Weise erheblich verlängert und damit die Gasverstärkung für die Aufrechterhaltung der Entladung selbst bei niedrigen Gasdrücken gewährleistet.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Hohlkathode besteht ein Magnetfeld zwischen zwei parallelen Eisenplatten 7; 8. Die eine Platte 7 ist in der Mitte durchbohrt, wodurch eine Austrittsöffnung der Hohlkathode gebildet ist. Auch in diesem Fall müssen alle Elektronen, die an der Zylinder­ wand zwischen den Eisenplatten 7; 8 emittiert werden, ein parallel zur Zylinderachse stehendes Magnetfeld durch­ kreuzen, was zur notwendigen Verlängerung des Ionisa­ tionsweges führt.

Alle Zylindergeometrien lassen sich auch linear in Spalt­ geometrie aufbauen (Fig. 3), wodurch dem Plasma eine Liniengestalt verliehen wird. Der Hohlkörper ist hierbei aus zwei parallel angeordnete stabförmige Permanent­ magneten 5 gebildet, welche durch Polschuhe bildende magnetisierbare Platten abgedeckt sind und die der Anode 2 zugewandte Platte 6 im Bereich zwischen den stab­ förmigen Permanentmagneten 5 eine spaltförmige Ein- bzw. Austrittsöffnung aufweist.

Die Erfindung ist nicht auf die im Ausführungsbeispiel erläuterten Kathodengeometrien beschränkt, sie stellen vielmehr nur einige der möglichen Varianten dar. Ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen sind auch Lösungen denkbar, bei denen anstelle der Permanentmagnete Elektromagnete verwendet werden.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 Hohlkörper
2 Anode
3 Stirnseite
4 Bohrung
5 Permanentmagnet
6 Stirnseite
7; 8 Eisenplatten

Claims (4)

1. Verfahren zur Erzeugung einer selbständigen Gasent­ ladung in Ionenquellen für Sputteranordnungen in Kathodenschaltung, Anodenschaltung oder Duoplasma­ tronanordnung, welche bei niedrigen Gasdrücken <5 Pa arbeiten, wobei der emittierte Elektronenstrom durch elektrische und magnetische Felder beeinflußt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Brennraum der Hohl­ kathode eine Verlängerung des Ionisationsweges der hier emittierten Elektronen vor Austritt aus der Hohlkathode erzeugt wird, wobei die Elektronen einen Bereich von sich kreuzenden magnetischen und elek­ trischen Feldern passieren.

2. Hohlkathode zur Erzeugung einer selbständigen Gas­ entladung, dadurch gekennzeichnet, daß die aus magnetisierbaren Material bestehende Hohlkathode aus einem rotationssymmetrischen Hohlkörper (1) gebildet ist, welcher axial an seiner zur Anode (2) gerich­ teten Stirnseite (3) eine Ein- bzw. Austrittsöffnung bildende konzentrische Bohrung (4) aufweist und in seinem Innenraum einen an der der Bohrung (4) gegen­ überliegenden Stirnseite (6) einen fest angeordneten Permanentmagneten (5) aufweist, dessen Feldlinien unterhalb der Bohrung (4) radial nach außen zur Hohlkörperwand gerichtet sind und die durch die Bohrung (4) von der Anode (2) außerhalb der Hohl­ kathode eintretenden elektrischen Feldlinien schneiden.

3. Hohlkathode nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper aus einem durch magnetisierbare plattenförmige Polschuhe abgedeckten ringförmigen Permanentmagneten (5) gebildet ist und die zur Anode (2) gerichtete Platte (7) konzentrisch zum Perma­ nentmagneten (5) die die Ein- bzw. Austrittsöffnung bildende Bohrung (4) aufweist.

4. Hohlkathode nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper aus zwei parallel angeordneten stabförmigen Permanentmagneten (5) gebildet ist, welche durch Polschuhe bildende magnetisierbare Platten (6; 7) abgedeckt sind und die der Anode (2) zugewandte Platte (6) im Bereich zwischen den stab­ förmigen Permanentmagneten (5) eine spaltförmige Ein- bzw. Austrittsöffnung aufweist.