DE1690687C

DE1690687C - Cathode sputtering device

Info

Publication number: DE1690687C
Application number: DE19671690687
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr. 8000 München Gawehn
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1967-05-12
Filing date: 1967-05-12
Publication date: 1973-03-29

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kathodenzerstäubung mit Ringentladung in einem Piasmaraum, der innerhalb eines Rezipienten durch ein hochfrequentes, den Rezipienten axial durchdringendes, elektromagnetisches Feld erzeugt ist, und bei der Kathode, Anode und Auffänger als den Plasmaraum einhüllende Elektroden angeordnet sind, nach -Patent 1515311.The invention relates to a device for cathode sputtering with ring discharge in a plasma chamber, which within a recipient by a high-frequency, axially penetrating the recipient, electromagnetic field is generated, and at the cathode, anode and collector as the plasma space Enveloping electrodes are arranged according to patent 1515311.

Der Gegenstand nacn dem Hauptpatent vermittelt eine Lehre, durch die gegebenenfalls auch mit hoher Zerstäubungsrate die Beschichtung großflächiger Elemente, z. B. Werkstücke, möglich ist und deren Ausübung auch bei industriellem Einsatz keine grundsätzlichen Schwierigkeiten bereitet. Das zu bestäubende Gut kann nämlich die Kathodenzerstäungsvorrich- tung z. B. in der bei Aufdampfvorrichtungen bereits bekannten Weise, d. h. im Bereich einer Stirnseite des Rezipienten, durchlaufen. Bei gleichzeitiger Bestäubung großer Werkstückmengen bereitet jedoch die Herstellung und Verwendung von Rezipienten aus elektrisch isolierendem Material, wie ζ 3. Glas oder Keramik, um so größere Schwierigkeiten, je größer fio der Rezipient ist. Schwierigkeiten dieser Art lassen sich durch Verwendung metallischer Rezipienten, ζ. Β solcher aus Stahl, umgehen, wobei dann die das Plasma erregende und zur Erzeugung eines hochfrequenten, elektromagnetischen Feldes dienende Er- r>5 regerspule innerhalb des metallischen Rezipienten anpeordnet werden muß. The subject of the main patent conveys a teaching through which the coating of large-area elements, e.g. B. workpieces, is possible and their exercise does not cause any fundamental difficulties even in industrial use. The material to be pollinated can namely the cathode destruction device z. B. in the manner already known for vapor deposition devices, ie in the region of an end face of the recipient. With simultaneous dusting of large quantities of workpieces, however, the production and use of recipients made of electrically insulating material, such as ζ 3. glass or ceramics, the greater the difficulties, the larger the recipient is. Difficulties of this kind can be overcome by using metallic receptacles, ζ. Β those made of steel, bypassing, in which case the exciter coil which excites the plasma and serves to generate a high-frequency electromagnetic field must be arranged within the metallic recipient.

Daraus ergeben sich andere Schwierigkeiten, dieThis gives rise to other difficulties that

im folgenden näher erläutert sind: Wird eine innerhalb einer ionisierbaren, verdünnten Gases (10~⁴ bis 10 Tot) angeordnete elektrische Spule mit hochfrequenter Wechselspannung erregt, so gelingt es niciü. ein Ringentladungsplasma zu zünden. Es bilden sie!: nämlich im elektrostatischen Hochfrequenzfeld dc: Spule unmittelbar zwischen den jeweils benachbart Windungen der Spule Entladungen aus, die zu eine,:: Abfall i\er an der Spule angelegten elektrischen Spannung und des Spulenstromes und damit auch des fi,,-die Ringentladung erforderlichen induzierten Zirkularfeldes führen. Dieser Nachteil ist auch nicht dun.! "umkleiden der Spulenwindungen mit einem isoliere den Material behebbar, da dies nur zur Folge hat, da: die schädlichen hochfrequenten Entladungen am isolierenden Mantel ansetzen, der dann als Kapazität innerhalb des schädlichen Entladungskreises wirkt. Zl Schaffung einer hinreichend geringen Kapazität un, damit eines hinreichend kleinen direkten Entladung stromes zwischen den Windungen der Erregerspuk muß, um eine Ringentladung zünden und aufrechte; halten zu können, die Isolation so dickwandig gewä!ι" werden, daß die Isolation einen in sichzurammenhan genden Block bik'et, in dem die Spule eingebettet istare explained in more detail below: If an ^{electrical coil arranged within an ionizable, dilute gas (10 ~ 4} to 10 dead) is excited with high-frequency alternating voltage, it will not succeed. to ignite a ring discharge plasma. There they form !: namely dc in the electrostatic high-frequency field: coil directly between the respective adjacent turns of the coil discharges from leading to a, :: waste i \ it to the coil applied voltage and the coil current and thus also of the fi ,, - lead the ring discharge required induced circular field. This disadvantage is not dark either.! "Covering the coil windings with an isolate the material, since this only has the consequence that: the harmful high-frequency discharges start at the insulating jacket, which then acts as a capacitance within the harmful discharge circuit small direct discharge current between the windings of the excitation spook must, in order to ignite a ring discharge and keep it upright; the insulation must be made so thick-walled that the insulation bik'et a self-contained block in which the coil is embedded

Der Frfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei dem Gegenstand nach dem Hauptpatent die Verwendimg solcher Pezipienten zu ermöglichen, die trotz graßer Abmessungen mit vertretbarem Aufwand hergestellt werden können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Rezipient metallisch ausgeführt ist und in seinem Inneren im Bereich der Mitte ein«, zur Erzeugung des hochfrequenten, elektromagnetischen Feldes erforderliche Erregerspule enthält, die elektrisch vom Rezipienten isoliert und gegen das Rezipienteninnere vakuumdicht angeordnet ist, und uaß die Elektroüen den Plasmaraum innenseiiig begrenzen.The invention is based on the task at the subject of the main patent to enable the use of such Pezipienten that despite large dimensions produced with reasonable effort can be. According to the invention, this object is achieved in that the recipient is metallic is executed and in its interior in the area of the middle a «to generate the high-frequency, Electromagnetic field contains required excitation coil, which is electrically isolated from the recipient and is arranged in a vacuum-tight manner against the interior of the recipient, and uass the electronics the plasma space limit internally.

Vorteilhafterweise wird dabei die Erregerspule in einem elektrisch isolierenden, gasundurchlässigen, kolbenartigen Behälter angeordnet; etwa innerhalb eines Olasgefäßes, das beispielsweise auf Hochvakuum evakuiert oder mit Luft von Atmosphärendruck, oder höher oder auch mit einem zugleich als Kühlmittel verwendbaren Isolierstoff, z. B. öl, gefüllt ist. Außerdem ergeben sich die Vorteile, daß trotz Verwendung eines metallischen Rezipienten das Plasma mit Hilfe einer eleklrouenlüsen Ringentladung erzeugt werden kann, wodurch nur ein sehr niedriger Druck des Zerstäubungsgases und nur eine relativ geringe Zerstäubungsspannung zwischen Anode und Kathode nötig sind, und daß zwischen den einzelnen Windungen der Hochfrequenzspule keine Entladung zündet. Außerdem kann sich der Behälter, der die Spule vom eigentlichen Zerstäubungsraum trennt, nicht mit dem zerstäubten Material überziehen, was sonst zu einer Abschirmung des Hochfrequenzfeldes führen würde. Vorteilhafterweise liegt der Rezepient auf bezüglich der Kathode positivem Potential. Hierdurch wird ein eventuell unerwünschtes Zerstäuben der Rezipientenwand verhindert. The excitation coil is advantageously arranged in an electrically insulating, gas-impermeable, piston-like container; for example within an Olasgefäßes, which is evacuated , for example, to a high vacuum or with air at atmospheric pressure, or higher or with an insulating material that can also be used as a coolant, e.g. B. oil is filled. In addition, there are the advantages that, despite the use of a metallic recipient, the plasma can be generated with the help of an eleklrouenlüsen ring discharge, whereby only a very low pressure of the atomizing gas and only a relatively low atomizing voltage between anode and cathode are necessary, and that between the individual turns the high-frequency coil does not ignite a discharge. In addition , the container, which separates the coil from the actual atomization chamber, cannot be coated with the atomized material, which would otherwise lead to a shielding of the high-frequency field. The recipient is advantageously at a positive potential with respect to the cathode. This prevents any undesirable atomization of the recipient wall.

Es ist zweckmäßig, den zur Aufnahme der Spule dienenden Behälter lösbar mit der Rezipientenwandung zu verbinden, z. B. vakuumdicht zu verschrauben. Bei entsprechender Ausbildung des vorzugsweise flanschartigen Bodens des Behälters kann dieser, ohne daß es hierzu eines großen Umrüstens bedarf, in übliche Bedampfungsanlagen eingesetzt werden. Der beschriebenen Anordnung ist auch der weitere VorteilIt is useful to releasably connect the container used to hold the coil to the recipient wall, e.g. B. to screw vacuum-tight. With appropriate training of the preferably flange-like bottom of the container, this can be used in conventional steaming systems without the need for a large conversion. The arrangement described is also the further advantage

eigen, daß die Umrüstung bereits vorhandener Auf-. dampfanlagen in Vorrichtungen zur Kathodenzerstäubung ohne großen Aufwand durchführbar ist.peculiar to the fact that the retrofitting of existing upgrades. steam systems in devices for cathode sputtering can be carried out without great effort.

An dieser Stelle sei noch erwähnt, daß die beschriebene Vorrichtung zunächst einen schlechten Wirkungsgrad erwarten ließt, da ein im Rezipienten 7 induzierter, zum Errr^erstrom gegenläufiger Zirkularstrom des elektrist · Zirkularfeld im Plasmaraum, d. h. im Raum zwiscncn dem geschlitzten Behälter und der Rezipientenwandung, schwächen muß. Führt man eine kleine elektrische Spule als Sonde in den Plasmaraum ein und mißt man bei fehlender Ringentladung bei Atmosphärendruck die in dieser Spulensonde induzierte hochfrequente Spannung mit und ohne metallischen Rezipienten, so stellt man zwar eine Verstärkung der Sondenspannung durch den Rezipienten fest. Führt man dagegen eine als Drahtschleife ausgebildete Sonde für das Zirkularfeld um die Erregerspule herum, so ergibt sich erwartungsgemäß eine Schwächung der Sondenspannung durch den metallischen Rezipienten. Diese Ergebnisse legen somit den Schluß nahe, daß die Vorrichtung nach der Erfindung zur Erzeugung einer Ringentladung wenig geeignet ist.At this point it should be mentioned that the device described is initially a bad one Efficiency could be expected because a circular current induced in the recipient 7 and running in the opposite direction to the errr ^ erstrom of the electricist · circular field in the plasma space, d. H. in the space between the slotted container and the recipient wall. Leads a small electrical coil is inserted into the plasma space as a probe and measured in the absence of a ring discharge at atmospheric pressure the high-frequency voltage induced in this coil probe with and without metallic recipients, the probe voltage is amplified by the recipient fixed. If, on the other hand, a probe designed as a wire loop is carried around the excitation coil for the circular field around, the result is, as expected, a weakening of the probe voltage due to the metallic Recipients. These results therefore suggest that the device according to the invention is not very suitable for generating a ring discharge.

Untersuchungen haben jedoch gezeigt, daß der Ionisationsgrad des mit der beschriebenen Vorrichtung erzeugten Ringent'adungsplasmas durch den metallischen Rezipienten allenfalls nur geringfügig geschwächt wird und daß bei richtiger Anpassung der zum Einspeisen der hochfrequenten Wechselspannung in die Erregerspule dienenden Quelle, z. B. eines Hochfrequenzgenerators, die Anordnung der Er- ·. regerspule auch nicht oder zumindest nur unwesentlich nachteiliger ist' als die bisherige Verwendung einer sogenannten Außenspule, d. h. einer um den Rezipienten aus Glas herumgefühjten Erregerspu'e. Dieses übe» raschende Ergebnis läßt sich deuten, wenn man annimmt, daß der Ringentladungsstrom selbst die von der Erregerspule ausgehende hochfrequente, elektromagnetische Strahlung schon so weit abschirmt, daß der im metallischen Rezipienten induzierte Zirkularstrom nur klein ist.Investigations have shown, however, that the degree of ionization with the device described generated ring discharge plasma through the metallic Recipient is at most only slightly weakened and that with correct adaptation of the for feeding the high-frequency alternating voltage into the excitation coil serving source, z. B. one High frequency generator, the arrangement of the er- ·. Regulator also not or at least only insignificantly is more disadvantageous than the previous use of a so-called outer coil, d. H. one around the recipient Excitation channels made of glass. This The surprising result can be interpreted if one assumes that the ring discharge current itself shields the high-frequency electromagnetic radiation emanating from the excitation coil to such an extent that that the circular current induced in the metallic recipient is only small.

Die Figur zeigt in teilgeschnittener schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel der beschriebenen Kathodenzerstäubungsvorrichtung. Diese Vorrichtung weist einv,n Rezipienten 7 aus Metall, z. B. Stahl, auf, in dessen Mitte eine im Betrieb der Vorrichtung vom elektrisch'"! Strom durchflossene Hochfrequenzspule 4 angeordnet ist. Die Hochfrequenzspule 4 ist normalerweise aus einer wassergekühlten Rohrschlange gebildet und taucht in einen gegebenen falls lösbar mit einer Bodenplatte 8 des Rezipienten 7 verbundenen Glaskolben 5 ein, unter dessen Wirkung die Hochfrequenzspule gegen das Rezipienteninnerc elektrisch isoliert sowie gasundurchlässig abgeschlossen ist. Koaxial zur Hochfrequenzspule 4 und zum Glaskolben 5 ist ein als Anode geschalteter Behalte·. 6 angeordnet, der zur Vermeidung einer Abschirmung des hochfrequenten, elektromagnetischen Feldes bei 9 ίο geschlitzt ist. Zweckmäßigerweise ist auf die Mantelaußen- oder -innenfläche dieses Behälters eine beispielsweise wasserdurchflossene, in der Zeichnung nicht dargestellte Kühlschlange aufgebracht. Als Kathode dient eine im Bereich der Bodenplatte 8 des Reis zipienten7 angeordnete, zweckmäßigerweise in Scymente zerteilte, kreisscheioenförmige Platte 1. Die Kathode und ihre in der Zeichnung nur schematisch dargestellten Stromanschlußelemente 13, 14 sind gegen die Bodenplatte 8 des ..iezipienten elektrisch isoao liert bzw. elektrisch isoliert durch diese hindurchgc führt. Die mit 2 bezeichneten, zu bestäubenden Werk stücke sind auf einer ebenfalls konzentrisch zum Glaskolben 5 bzw. Behälter 6 angeordneten sowie au! Anodenpotential liegenden, kreisscheibenförmig.· π as PIaUe 3 aufgebracht. Die Evakuierung des Rezipier>ten und des Glaskolbeninneren erfolgt über Durchbrechungen 10, 11 bzw. 12, die mit in c".er Zeichnung nicht dargestellten Vakuumpumpen gekoppelt sind" ■ Die Wandung des Behälters 7 und die Trägerplatte 8 können in an sich bekannter Weise mit Kühlrohren ausgekleidei sein, die mit entsprechenden, in der Zeichnung ebenfalls nicht dargestellten, rohrförmigen Zu- und Ableitungen in gas- bzw. flüssigkeitsdurchlässiger Verbindung stehen. Durch Beschicken der Rohrleitungen mit Kühl- bzw. Heizmedien, wie z. B. Wasser, wird eine Kühlung bzw. Ausheizung dieser Elemente und damit eine Überhitzung des Rezipienten oder eine Verunreinigung der herzustellenden Schichten durch austretende Fremdatome bzw. -moleküle unterbunden. Die Hochfrequenzspule 4 erzeugt im Betrieb in dem zwischen dem Behälter 6 und der Innenwandung des Rezipienten? ausgebildeten Raum, dem sogenannten Plasmaraum, eine elektrodenlose Ringentladung. Die axiale Länge der Hochfrequenzspule 4, des Glaskolbens 5 und des geschlitzten Behälters 6 kann so klein gewählt sein, daß auch der zwischen der Stirnfläche des Behälters 6 und der benachbarten Rezipientenwandung vorhandene Raum für die Erzeugung des Plasmas ausgenutzt werden kann.The figure shows in a partially sectioned schematic representation an embodiment of the described Sputtering device. This device has one, n receptacles 7 made of metal, e.g. B. Steel, in the middle of which there is a high-frequency coil through which the electrical current flows when the device is in operation 4 is arranged. The high-frequency coil 4 is normally made of a water-cooled one Coiled pipe is formed and dips into a possibly detachable base plate 8 of the recipient 7 connected glass bulb 5, under the effect of which the high-frequency coil against the recipient interior is electrically insulated and sealed in a gas-tight manner. Coaxial to the high frequency coil 4 and to the Glass bulb 5 is a container connected as an anode. 6th arranged, to avoid shielding the high-frequency electromagnetic field at 9 ίο is slotted. Appropriately, on the jacket outer or inner surface of this container, for example Applied cooling coil through which water flows, not shown in the drawing. As a cathode is used in the area of the base plate 8 of the rice zipienten7, expediently in Scymente divided, circular disk-shaped plate 1. The cathode and its in the drawing only schematically illustrated power connection elements 13, 14 are against the bottom plate 8 of the ..iezipienten electrically isoao lated or electrically insulated through this leads. The designated with 2, to be dusted work pieces are also concentric to the glass bulb on a 5 or container 6 arranged as well as au! Circular disk-shaped at anode potential. · Π as PIaUe 3 applied. The evacuation of the recipient and the inside of the glass bulb takes place via openings 10, 11 and 12, which are marked with in c ".er drawing Vacuum pumps, not shown, are coupled "■ The wall of the container 7 and the carrier plate 8 can be lined in a manner known per se with cooling tubes, which with corresponding, in the Drawing also not shown, tubular supply and discharge lines in gas or liquid permeable Connected. By charging the pipelines with cooling or heating media, such as. B. Water, is a cooling or heating of these elements and thus an overheating of the recipient or contamination of the layers to be produced by escaping foreign atoms or molecules prevented. The high-frequency coil 4 generated during operation in the between the container 6 and the Inner wall of the recipient? trained room, the so-called plasma room, an electrodeless Ring discharge. The axial length of the high frequency coil 4, the glass bulb 5 and the slotted Container 6 can be chosen so small that the between the end face of the container 6 and the adjacent recipients wall existing space can be used for the generation of the plasma can.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Apparatus for cathode sputtering with ring discharge in a plasma space, which is generated inside a recipient by a high-frequency electromagnetic field axially penetrating the recipient, and in which the cathode, anode and collector are arranged as electrodes enveloping the plasma space, according to Pa - i » tent 1515311, characterized in that the recipient: (7) is made of metal and in its interior in the area of the middle contains an excitation coil (4) required to generate the high-frequency electromagnetic field, which is electrically powered by the recipient (7) insulated and open the interior of the recipient is arranged in a vacuum-tight manner, and that the electrodes (1, 3 and 6) delimit the plasma space on the inside.

2. Device according to claim 1, characterized in that that the excitation coil (4) in an electrically insulating, gas-impermeable, piston-like Container (5) is arranged.

3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the electrodes (1, 3,6) and the for receiving the excitation coil (4) serving container (5) detachably connected to the recipient wall are.

4. Device according to claim 1, characterized in that that the subject (7) is on a positive potential with respect to the cathode (1).