NL8104332A

NL8104332A - Kathode-inrichting voor het verstuiven van materiaal van een doel in een kathodeverstuivingsinrichting.

Info

Publication number: NL8104332A
Application number: NL8104332A
Authority: NL
Original assignee: Balzers Hochvakuum
Priority date: 1980-10-14
Filing date: 1981-09-21
Publication date: 1982-05-03
Also published as: FR2492163B1; DE3135208A1; JPS5926665B2; GB2090872B; JPS57131365A; CH648690A5; GB2090872A; US4448653A; FR2492163A1; DE3135208C2

Description

N.0. 30.442 -1- i ’ ................ ......... i j Kathode-inrichting voor het verstuiven van materiaal van een doel ] in een kathodeverstuivingsinrichting.__ I ! I | ! De uitvinding heeft betrekking op een kathode-inrichting voor jhet verstuiven van materiaal van een doel in een kathodeverstuif-i inrichting, met op de van het te verstuiven oppervlak afgekeerde j i zijde van het doel raamvormig opgestelde magneten. ! i ; 5' Inrichtingen van deze soort zijn bekend, bijvoorbeeld uit het | Amerikaanse octrooischrift 4-166.018, waarbij ter verkrijging van j een zo groot mogelijke plasmadichtheid voor het te verstuiven op- j :pervlak de magneetopstelling zodanig werd uitgevoerd, dat een zo ;groot mogelijk deel van de magnetische krachtlijnen door de doel-10!plaat heen uit de voorkant ervan uittrad en hier weer in terug-keer-jde. Elke krachtlijn vormt derhalve een boog voor het te verstuiven I ioppervlak en de inrichting werd voorts zodanig gemaakt, dat het to- ! itaal van de boogvormige krachtlijnen een in zichzelf gesloten tun- ! inel vormde, waarin bij het verstuiven het plasma was ingesloten. Het; .15jverstuiven kwam voornamelijk tot stand in het gebied van het opper- i ivlak van het doel dat door deze tunnel was bedekt. Het rendement van I ; |de verstuiving kon op deze manier zeer aanzienlijk worden vergroot, i !maar er was nog steeds het nadeel, dat het door verstuiven wegnemen | van materiaal ongelijkmatig plaats vond en dat dientengevolge de ; 20 doelplaten reeds moesten worden vervangen voordat ze volledig waren : :verbruikt. Vanwege de hoge prijs van vele voor de doelplaten gebruik-| i te materialen betekende dit een aanzienlijk verlies.

; Teneinde een betere benutting te verkrijgen werd reeds voorge- .

| |steld een aantal verschillende series van magneten achter de doel- ! 25!plaat zodanig op te stellen, dat de evenwijdig aan het vlak van de i 1 · j !doelplaat lopende component van het magneetveld over een zo groot ! I mogelijk deel van het oppervlak van het doel zo groot mogelijk was; : ! I het was namelijk gebleken, dat de verstuivingssnelheid hoofdzakelijk: I jafhangt van deze parallelle component van het magnetische veld. ί 30; Uit het Amerikaanse octrooischrift 4*180.450 is het bekend aan ; i ide achterkant van de doelplaat behalve een eerste magneet of een i ; ieerste serie magneten ook nog andere magneten zodanig op te stellen,: I dat de magnetiseringsrichting een hoek tussen 45° en 90° maakt met jde magnetiseringsrichting van de eerste magneten. Hiermee kon welis-35!waar een meer gelijkmatige verwijdering van de meeste doelmaterialen I ' 1 :worden verkregen, maar het is gebleken, dat het met deze opstelling,; .....J evenals met andere bekende opstellingen, nauwelijks mogelijk is mag- 8104332 -2- ! I netiseerbare materialen, bijvoorbeeld nikkel of zelfs ijzer te ver- | J stuiven. Dit is zo moeilijk omdat het magnetiseerbare doel de mag- | netische krachtlijnen in verregaande mate kortsluit en in het ontla-| i | dingsgebied voor het doel dan geen magnetisch veld aanwezig is, zo-5J dat geen voldoend sterke ontlading in dit gebied in stand kan worden ! gehouden. De dikte van het doel van magnetiseerbaar materiaal is j ! volgens de bekende stand van de techniek onder de gunstige omstan- ; digheden tot enige tienden van millimeters beperkt. | j Deze beperking vloeit voort uit de ter beschikking staande mag-' 101 netische energie in het actieve gebied. Yoor het verstuiven van fer-: | romagnetische materialen moet deze energie namelijk zo groot zijn, j ! dat het doel magnetisch verzadigd kan worden, teneinde voldoende , ' | . veldlijnen door te laten; de doorgelaten veldlijnen moeten op een ; I afstand van enige millimeters voor het te verstuiven oppervlak een

! I

15! evenwijdig aan dit vlak lopende magnetische veldcomponent opleveren ! van ten minste 100 Gauss.

i i i Het ligt voor de hand en is dan ook voorgesteld dit probleem I i ; | | op te lossen door een geschikte versterking van de magneten. Yolgens' ! ;de huidige stand van de techniek komt hier slechts voor in aanmer- 201 king materiaal voor permanente magneten bestaande uit kostbare en j i : speciale legeringen. Onderdelen van zulke materialen vervaardigd 1 izijn derhalve duur, niet gemakkelijk te bewerken en vanwege de zeer I ;grote werking van de krachten moeilijk tot één systeem samen te voe-] ;gen en te houden.

I 25^ Een andere onvolkomenheid beziÏeü.ekende met magneetvelden ver- !sterks verstuivingsinrichtingen met betrekking tot dikkere doelen, ien ook als de doelen niet uit.magnetische materialen bestaan. Ook in: ! ; dit geval ontstaat tengevolge van de grote dikte aan de voorzijde I I van het doel slechts een onvoldoende, evenwijdig aan de voorzijde 30!lopende magnetische veldsterkte, waardoor hogere ontstekings- en :brandspanningen noodzakelijk worden voor het verkrijgen van een vol- 1 doend grote plasmadichtheid en dientengevolge een grote verstuivings- i snelheid. Men heeft gepoogd het probleem met handhaving van de geo- \ imetrische configuratie van de magneetopstelling en van de veldverde-1 ; I 55! ling weer op te lossen dooraLle magneten van de opstelling eenvoudigr

I > I

I 'weg op overeenkomstige wijze te versterken, hetgeen in principe wel-! j iswaar mogelijk is, maar, zoals reeds is vermeld, een aanzienlijk ;grotere complicatie vormt.

I] De uitvinding heeft ten doel bij een inrichting voor het katho-' j^gjdisch verstuiven van materialen, meer in het bijzonder ook magneti- 8104332 -3- I I sche materialen, de ekonomie te verbeteren doordat de dikte van het j j doel en hierdoor de ter beschikking staande hoeveelheid van in een | processtap verstuifbaar doelmateriaal kunnen worden vergroot, j i Zoals duidelijk zal worden uit de hierna volgende beschrijving 5! van een uitvoeringsvoorbeeld, verkrijgt men met de in conclusie 1 i i gekenmerkte uitvinding een aanzienlijke vergroting van de evenwij- i i dig. aan het doeloppervlak lopende component van het magnetische i ' veld, welke component maatgevend is voor het rendement van de ver- i [ ! | stuiving, terwijl tegelijkertijd het doel goed wordt benut, en dit ! 1ojwordt verrassenderwijze niet bereikt door een gelijkmatige verster- j I king van alle magneten van de opstelling, maar door een geschikte | I verdeling van magnetisch materiaal met een verschillende energie-| inhoud. Doordat hierbij de helft of meer van de benodigde magneti-! sche werkstoffen een lage energie kan hebben en dus aanzienlijk goed-15ikoper zijn, wordt tegelijkertijd een buitengewone besparing verkre- j i gen, ook bij het construeren van de nieuwe inrichting. j ! In de bijgevoegde tekening is: i i i j fig. 1 een schematische weergave van een eenvoudig uitvoerings- 1 voorbeeld waarbij uitsluitend een buitenraam van een magnetische i 1 20 werkstof met grote energie is aangebracht en de magnetiseringsrich- j j J ting van het binnen dit raam aangebrachte werkstof met lage energie ; I een hoek van 90° maakt met de magnetiseringsrichting van de buiten- ! ! j j ste magneten, ! I i fig. 2 een soortgelijke inrichting weergeeft die echter nog ! i j 25 een extra, centraal geplaatste magneet van een werkstof met grote I energie bezit, ' I j fig. 3 een diagram is voor het vergelijken van de uitvinding :met de bekende stand van de techniek, fig. 4 een schema is van een ander uitvoeringsvoorbeeld van de 30‘uitvinding, waarbij de veldrichtingen van respectievelijk het mate- i 1 ; ]riaal met grote energie en het materiaal met lage energie een hoek jvan 45° met elkaar maken, 1 fig. 5 een inrichting weergeeft voor het verstuiven van de bui tenkant van een buis van doelmateriaal, 35: fig. 6 een inrichting weergeeft voor het verstuiven van de bin-j nenkant van een buis van doelmateriaal^. en tenslotte ; fig. 7 een gedetailleerde constructieve uitvoering weergeeft van een zogenaamde planaire magnetron met een vlakke gekoelde doel-! I plaat.

-40ï In de fig. 1 en 2 geeft 1 een plaat aan van het te verstuiven 8104332 -4- ! jmateriaal, bijvoorbeeld een nikkelplaat van 6 mm dikte, waarbij men [aan één (in de tekening de boven) kant van deze plaat een zo gelijk-| matig mogelijke verstuiving in een kathödeverstuivingsinrich- jting wil verkrijgen. Hiertoe zijn op de andere (in de tekeningen 5i de onder) kant van de plaat 1 twee magneten of series van magneten iaangebracht enwel een eerste magneet of serie magneten 2, waardoor j ieen buitenste raam wordt gevormd waarvan de magnetiseringsrichting !loodrecht staat op het te verstuiven vlak, zoals in de figuren is jaangegeven door pijlen en de aanduidingen N + S voor de polen; de 10:magnetiseringsrichtingen kunnen ook worden omgekeerd. De magneet of jmagneten die het buitenste raam vormen bestaan uit permanent magne- |tisch materiaal met een remanente energiedichtheid van ten minste i 5 i40 kJ per m . Zulke materialen zijn commercieel verkrijgbaar, bij-ivoorbeeld bezit een bekende magnetische legering bestaande uit zeld-; 15'zame aarden en kobalt, samengeperst met een uit kunststof bestaand 'bindmiddel, een remanente energiedichtheid van 50 kJ per m en de- i : j zelfde magnetische werkstof in massieve vorm zonder een uit kunst- jstof bestaand bindmiddel bezit zelfs een remanente energiedichtheid | ! 3 ! ;van meer dan 100 kJ per m . Het raam 2 kan bijvoorbeeld ringvormig, i | 20:ovaal of rechthoekig zijn en kan uit één stuk bestaan of uit een aan- ί j tal samengevoegde afzonderlijke magneten. In het,raam 2 is een twee-: i i | ;de magneet of een tweede serie magneten 3 aangebracht die een plaat !(fig. 1) of een ring (fig. 2) vormt en bestaat uit magnetisch mate-Iriaal met een lage energie, waarvan de magnetiseringsrichting een 25!hoek van 90° maakt met de magnetiseringsrichting van het buitenste i raam, zoals in de figuren wordt aangegeven door pijlen en aanduidin- i .

|gen van de polen, en waarbij de bij de buitenste rand van de binnen-:magneten 3 liggende polen (n) en de naar het doel toegekeerde polen ! |van de buitenste magneten 2 die het raam vormenjgelijknamig zijn, 30:in de tekening derhalve de beide noordpolen. De magnetiseringsrich- |

Itingen kunnen ook worden omgekeerd, zodat de beide genoemde polen ! jzuidpolen zijn.

! Met deze opstelling bereikt men, dat de magnetische flux in het! !buitenraam in hoofdzaak in het gebied van de doelschijf is gesloten,! j 35|waardoor de magnetische strooiingsverliezen klein blijven. Ook als ]het doel uit magnetiseerbaar materiaal, zoals bijvoorbeeld nikkel be-j staat en ook als een deel van de magnetische flux daardoor kortgeslo-|ten wordt, vormt het resterende, door de doelplaat heen gaande deel i |van de magnetische flux voor het te vastuiven doeloppervlak een veld -40!met een voldoend sterke evenwijdige component.

8104332 -5- j De in de fig. 1 en 2 schematisch weergegeven inrichtingen kun- ]nen in een gebruikelijke kathodeverstuifinrichting worden aange-]bracht, waarbij de negatieve hoogspanning van enige honderden volt moet worden aangelegd aan de bij de verstuiving als kathode funge-5i rende doelplaat en de positieve kant van de spanningsbron op bekende ίwijze wordt aangesloten aan een afzonderlijke, bijvoorbeeld staaf- i I of ringvormige anode, danwel eenvoudigweg is verbonden met de wand | van de verstuivingskamer.

; i

j In fig. 2 is in het centrum van de doelschijf nog een extra I

10; magneet 6 met grote energie aangebracht, waarvan de magnetiserings- ! ; I richting tegengesteld is aan die van de buitenste magneten 1. Met i [ · ideze extra magneet met grote energie verkrijgt men een verdere ver- ; groting van de magnetische flux, zodat nog dikkere doelen met de ! i |

!inrichting volgens fig. 1 kunnen worden verstoven. I

i '

15i In het diagram van fig. 3 is op de ordinaat de magnetische in- I

! !duktie evenwijdig aan het oppervlak'van het doel en op een afstand I i ; ;van ongeveer 16 mm van het magnetensysteem uitgezet in Gauss, enwel ! j afhankelijk van de afstand van het meetpunt tot een fictieve as die |door het centrum van de doelplaat gaat. De kromme 7 heeft betrekking; 20: op een bekende inrichting die in de aanhef is besproken. Hiermee I ;wordt, zoals uit het diagram blijkt, in een zone op een afstand van ; |ca, 2 - 3j5 cm van het midden van de plaat een sterkte van 250 Gauss : bereikt van het parallelle magneetveld. Als bij de- : !ze inrichting in plaats van de tot nu toe gebruikelijke magneten ; 25;met geringe energie magneten 2 met grote energie worden aangebracht, ;dan verkrijgt men een ietwat sterkere parallelle component van ca* ;300 Gauss. Daarentegen kan met de inrichting volgens de uitvinding | !die is geconstrueerd volgens fig. 2, een aanzienlijk hogere paral- |lelie veldsterkte van 600 Gauss worden verkregen. De inrichting vol- ;50|gens fig. 2 maakt het derhalve mogelijk aanzienlijk dikkere doelen i ; |te verstuiven.

| Verdere onderzoekingen hebben aangetoond, dat afhankelijk van i ! ihet materiaal en de dikte van de doelplaat een van 90° afwijkende ! i ! ionderlinge oriëntering van de magnetische richtingen van de binnen- > 35jste magneten met lage energie ten opzichte van de buitenmagneten met; ;grote energie voordelen kan bieden voor het verkrijgen van een nog j j ;betere benutting van het doelmateriaal.

| j In fig. 4 is schematisch het geval weergegeven met een oriënta- ! |tie van 45° en met magnetiseringsrichtingen volgens de pijlen.

j 40; De uitvinding is niet beperkt tot het verstuiven van vlakke doel- [ ! ................. , .. i 8104332 “ -6- I oppervlakken. In de fig. 5 en 6 zijn twee gevallen weergegeven die j ! aangeven hoe verstuiving van cilindrische oppervlakken mogelijk is. j J In deze heide figuren geeft 11 een buisvormig doel aan waarvan de j buitenkant (fig. 5)>oq. de binnenkant (fig. 6) een verstuiving moet 5i ondergaan. Hiertoe zijn telkens op de andere, niet te verstuiven jkant van het doel, dus aan de binnen (fig. 5)3°¾ de buitenkant i (fig· 6) van de buis ringvormige magneten 12 met lage energie en j i radiaal gemagnetiseerde magneten 13 met grote energie aangebracht, ! , ' i i waarbij de magnetiseringsrichtingen van de beide magneetsystemen 10! met elkaar een hoek; tussen 45° en 90° insluLten; in de fig. 5 en 6 is ! het geval voor 90° getekend. Verder kan zulk een geconstrueerde ci-

1 J

j: lindrische kathode-opstelling in een verstuivingsinichting worden j j toegepast op een wijze die overeenkomt met het hierboven beschreven ! geval met een vlakke doelplaat.

15i Fig. 7 toont weer een inrichting met een vlakke doelplaat. Hier- [bij is 20 een houder voor een magneetopstelling overeenkomende met i

i . I

i die van fig. 2, die is opgebouwd uit buitenmagneten 21 met grote | energie en binnenmagneten 22 met lage energie. De magneten zijn af- | gedekt door een koelplaat 23 die op zijn beurt de doelplaat 24 ! 1 : 20| draagt. Voor het koelen van de laatste zijn in de plaat 23 kanalen ! 25 aangebracht waardoor bij het in bedrijf zijn een koelmiddel kan ! worden geleid. Aan de omtrek wordt de doelplaat door een ring 27 i omgeven die tezamen met de plaat 23 op de houder 20 is geschroefd.

!Voor het in bedrijf zijn is een niet in de tekening weergegeven lei- i 1 25; ding voor het toevoeren van spanning aan de doelplaat 24 aangebracht, iDe houder 20 is omgeven door een huis dat met zijn opening 29 uit-I sluitend de voorkant van het doelvlak voor verstuiving vrijlaat. De i afstand tussen de binnenwanden van het huis 28 en de buitenkant van ; !de houder 20 moet op bekende wijze kleiner worden bemeten dan de 30: gemiddelde vrije weglengte van de elektronen bij de ontladingsdruk. , ! ; ί ί : i j ί ;

j I

! : j’ Ί ! 8104332

Claims

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk!, i ! I dat het verschil tussen de energie-inhoud van de beide magnetische ! 15! materialen ten minste 10 kJ/m^ bedraagt. i i : 3· Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk!, ! i dat in de raamvormige magneet (2, 21) behalve de magneet (3, 22) van! ; I ! | materiaal met een lage energie nog een extra, centraal opgestelde i 'magneet (6, 21) is aangebracht met een energiedichtheid groter dan : 20 40 kJ/m^. |! 4· Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, | 'dat de magnetiseringsrichting van de magneet van materiaal met een i |grote energie een hoek van 90° maakt met de magnetiseringsrichting | van de magneet van materiaal met een lage energie.' 25' 5· Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, 'dat de magneetopstelling en het doel (1, 11, 24) ten opzichte van 'elkaar kunnen worden bewogen. i i j | J ! I , ! ^ i ! j ί . i I ! I ' ' ! I i I ; ; ! " j ! ! , i 8104332 i