DE4129264A1 - Generating gas discharge for sputter process - extending electron paths using permanent magnet set into cylindrical cathode to generate field cutting field lines of anode - Google Patents

Abstract

The method involves using a magnetic cylindrical cathode (1) with an aperture (4) which is axially aligned with the anode (2). Within the cylindrical cathode body is a permanent magnet (5), again axially aligned and fixed to the end wall. The geometry is selected such that the permanent magnet field lines emanate radially and cut the field lines from the anode entering the chamber. ADVANTAGE - Stable discharge conditions with low gas pressure, e.g. under 5 Pa.

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.The invention relates to a method and a hollow cathode to generate an independent gas discharge in ions sources for sputter arrangements in cathode circuit, Anode circuit or duoplasmatron arrangement, which at work at low gas pressures.

Zur Erzeugung elektrischer Entladungen sind bereits eine Reihe von Ionenquellen bekannt.There are already one for generating electrical discharges Series of ion sources known.

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.So it is well known with the help of glowing To generate cathodes electrons, which in an elec field on a favorable for ionization Energy. It is with such ion sources also known to increase ionization efficiency increase the electron orbits through a magnetic field be extended. When operating this ion source with However, there is a risk of a hot cathode discharge path burning of the cathode, so that the durability this cathode is very limited.

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.Furthermore, ion sources with high-frequency discharge known to stretch where the electrons and ions by electron impact in the gas by a high frequency Alternating field are generated. Disadvantages of this solution are mainly due to the relatively difficult compression of the plasma for ion or electron extraction.

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. In addition, there are ion sources with a cold cathode discharge path known which impact electrons by Generate interaction of the discharge with the cathode. To do this, they require significantly higher operating costs voltage and a strong magnetic field when you are at low pressures are to be operated (Penningent charge). With these solutions, a magnetic field surrounds the Hollow cathode and / or is located between the cathode and 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.The principle of independent gas discharge is based on that at the cathode by impinging positive ions Electrons are knocked out by the electrical field between cathode and anode be accelerated. If their speed reaches values, sufficient to ionize the gas atoms, then further electrons and Ions. These electrons are also heading towards Accelerated and can then together with the Ionize electrons from the cathode. There is one Ionization avalanche at the end of which the total number of generated electrons and along which the ions stay behind. Since the electrons pass through their move lesser mass about 100 times faster than that Ions, the ions form a strong space charge in front of the Cathode and shield the anode with their positive charge from the cathode. As a result, the electrons can only in a weak residual electrical field move that is just enough by further push ionization to generate ions whose volume concentration is equal to that of the electrons. Under these conditions is the drop in field strength and thus also the drop in energy least for the discharge, which mainly for Generation of the ionization avalanche is needed. Due to the interdependency between current value and Gas amplification, the electrons need a certain Ionization distance that increases when the gas pressure sinks. Reached by lowering the gas pressure or by Shortening the discharge distance the ionization avalanche the end of the anode then extinguishes the discharge. First an extreme increase in the burning voltage can cause a unstable discharge continue to operate.

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.Furthermore, according to EP-PS 3 71 894 is also a hollow known cathode arrangement, in which the stray field one Magnetic coil affects the discharge of a hollow cathode and thereby magnetic field lines orthogonal to  Exit opening run. But this solution serves only for the purpose of electron beam evaporation a higher degree of ionization and a better stoichio to achieve metric composition of the steam jet and not the development of an ion source.

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.The invention has for its object a method and hollow cathode for generating an independent gas ent to create charge in ion sources, making it possible is without reducing the gas pressure to below 5 Pa Increase in the burning voltage stable discharge conditions to reach.

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.According to the invention, the object is now achieved by that in the combustion chamber of the hollow cathode an extension of the Ionization path of the electrons emitted here Exit is generated from the hollow cathode, the Electrons an area of intersecting magnetic and electrical fields happen.

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.The electrons pass through with the same electrical Field geometry the paths are not rectilinear according to the Field course, but on cycloid orbits, which causes the distances actually traveled by the electrons extend. To the extent that the effective distance of the Electron is increased, the particle density, i. H. the gas pressure can be reduced to similar discharge to get conditions.

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.The hollow cathode according to the invention is made of mag netisable material existing rotationally symmetrical Hollow body formed, which is axially at its anode facing end face an inlet or outlet opening has forming concentric bore and in its Interior one on the opposite of the hole Front of a fixed permanent magnet has, whose field lines below the bore radially are directed outwards to the hollow body wall and the through the hole from the anode outside the hollow cathode  cut incoming electric field lines. By reverse polarity or polarity reversal of one in the anode combustion chamber arranged magnetic field to the magnetic field in the Hollow cathode is a parallelization or focusing of the plasma of the discharge possible.

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.In a further embodiment of the invention, that the hollow body from a magnetizable plate-shaped pole pieces covered ring-shaped perma is formed and the magnet facing the anode Plate concentric to the ring magnet Has outlet opening forming bore.

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.In addition to the generation of cylindrical plasma columns by it is a rotationally symmetrical hollow cathode also possible to create flat plasma columns, for which the Hollow cathode is linear and a Has gap geometry. Within the scope of the invention provided that the hollow body consists of two parallel arranged rod-shaped permanent magnets is formed, which magnetizable plates forming by pole shoes are covered and the plate facing the anode in the Area between the rod-shaped permanent magnets has slot-shaped inlet or outlet opening. Such plasma geometries can be used in many ways are and are particularly suitable for surfaces cleaning for coating, filtering or also for Ion generation.

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:The invention is intended to be based on exemplary embodiments are explained in more detail. In the accompanying drawing demonstrate:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Hohlkathode im Schnitt; Figure 1 shows a first embodiment of the inventive hollow cathode in section.

Fig. 2 eine weitere Ausführungsfom der erfindungs­ gemäßen Hohlkathode im Schnitt; Figure 2 shows a further embodiment of the hollow cathode according to the invention in section.

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Hohlkathode mit linearer Spaltengeometrie. Fig. 3 shows a hollow cathode according to the invention with a linear column geometry.

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.The magnetic hollow cathode shown in FIG. 1 consists of a rotationally symmetrical hollow body 1 made of magnetizable material, which is provided with a bore 4 on its end face 3 directed towards the anode 2 . In the hollow body 1 , a permanent magnet 5 is arranged, which is attached to the end face 3 provided with the bore 4 opposite end face 6 . The arrangement is chosen so that the magnetic field lines emanating from the permanent magnet 5 in the hollow body 1 below the bore 4 are directed radially outward to the hollow body wall and the electrical field lines which pass from the anode 2 outside the hollow cathode into the interior of the cylindrical hollow body 1 enter the hole 4 , cut. If electrons are emitted from the inner wall of the hollow cathode and they reach the area of the bore 4 in the end face 3, they must pass through the magnetic field in the hollow body 1 vertically, but this is not possible due to the Lorentz force that they experience. Rather, they perform circular movements around the magnetic field lines and can drift in the direction of the electric field on cycloid orbits. In this way, the ionization path is considerably extended and the gas amplification for maintaining the discharge is ensured even at low gas pressures.

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.In the hollow cathode shown in FIG. 2, there is a magnetic field between two parallel iron plates 7 ; 8 . One plate 7 is drilled through in the middle, whereby an outlet opening of the hollow cathode is formed. In this case too, all the electrons that wall on the cylinder between the iron plates 7 ; 8 are emitted, cross a magnetic field parallel to the cylinder axis, which leads to the necessary extension of the ionization path.

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.All cylinder geometries can also be constructed linearly in the gap geometry ( FIG. 3), which gives the plasma a linear shape. The hollow body is in this case formed from two parallel rod-shaped permanent magnets 5 , which are covered by pole shoes forming magnetizable plates and the plate 6 facing the anode 2 in the area between the rod-shaped permanent magnets 5 has a slot-shaped inlet or outlet opening.

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.The invention is not based on that in the exemplary embodiment limited cathode geometries, they represent rather, just a few of the possible variants. Without leaving the idea of the invention too Solutions conceivable where instead of permanent magnets Electromagnets are used.

Aufstellung der verwendeten BezugszeichenList of the reference numerals used

1 Hohlkörper
2 Anode
3 Stirnseite
4 Bohrung
5 Permanentmagnet
6 Stirnseite
7; 8 Eisenplatten 1 hollow body
2 anode
3 end face
4 hole
5 permanent magnet
6 end face
7 ; 8 iron plates

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.1. A method for generating an independent gas charge in ion sources for sputtering in cathode circuit, anode circuit or Duoplasma tronanordnung, which work at low gas pressures <5 Pa, the emitted electron current being influenced by electrical and magnetic fields, characterized in that in the combustion chamber the cavity An extension of the ionization path of the electrons emitted here is generated before the cathode emerges from the hollow cathode, the electrons passing through a region of intersecting magnetic and electrical fields. 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.2. Hollow cathode for generating an independent gas discharge, characterized in that the hollow cathode made of magnetizable material is formed from a rotationally symmetrical hollow body ( 1 ) which axially on its end face ( 3 ) directed to the anode ( 2 ) has an input or Has concentric bore ( 4 ) forming the outlet opening and in its interior has a permanently arranged permanent magnet ( 5 ) on the end face ( 6 ) opposite the bore ( 4 ), the field lines of which are directed radially outward below the bore ( 4 ) to the hollow body wall and cut the electric field lines entering through the bore ( 4 ) from the anode ( 2 ) outside the hollow cathode. 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. 3. Hollow cathode according to claim 2, characterized in that the hollow body is formed from a covered by magnetizable plate-shaped pole shoes annular permanent magnet ( 5 ) and the anode ( 2 ) facing plate ( 7 ) concentric to the permanent magnet ( 5 ) which the one or Bore ( 4 ) forming the outlet opening. 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.4. Hollow cathode according to claim 2, characterized in that the hollow body is formed from two parallel rod-shaped permanent magnets ( 5 ) which are covered by pole shoes forming magnetizable plates ( 6 ; 7 ) and the anode ( 2 ) facing plate ( 6 ) in Area between the rod-shaped permanent magnets ( 5 ) has a slot-shaped inlet or outlet opening.