Zusatzpatent zum Hauptpatent Nr. 456 294 Anordnung zur Zerstäubung von Stoffen mittels einer elektrischen Niederspannungsentladung
Bei der Zerstäubung von Stoffen durch Einbringen derselben in eine elektrische Gasentladung wird es als wesentlicher Nachteil empfunden, dass die Zerstäubungsgeschwindigkeit gering ist, so dass z.B. die Herstellung dünner Schichten nach dem bekannten Kathodenzerstäubungsverfahren besonders zeitraubend ist. Es hat nicht an Bemühungen gefehlt, diesen Überstand zu beseitigen; insbesondere hat man versucht, die Zerstäubung durch Erhöhung der Ionenenergie, d. h. durch Anwendung höherer Beschleunigungsspannungen, zu intensivieren.
Ein anderer entscheidender Nachteil der bekannten Zerstäubungstechnik besteht darin, dass sie fast durchweg in einer Gasatmosphäre verhältnismässig hohen Druckes ausgeführt werden muss, damit genügend Ionen zur Verfügung stehen.
Durch Anwendung von magnetischen Feldern, welche eine Verlängerung der Bahnen der Ladungsträger in der Entladung bewirken, ist es gelungen, eine Verbesserung zu erzielen, so dass bei niedrigeren Gasdrucken zerstäubt werden kann.
Das Hauptpatent betrifft eine Einrichtung zur elektrischen Zerstäubung, welche eine wesentliche Steigerung der Zerstäubungsrate ergibt, keinen grossen Aufwand erfordert und ein sicheres Arbeiten mit verhältnismässig niedrigen Spannungen und tieferen Drücken als bisher ermöglicht. Dies wird erreicht durch eine Anordnung zur Zerstäubung von Stoffen mittels einer elektrischen Niedersp annungsentladung zwischen einer Glühkathode und einer Anode, bei welcher der zu behandelnde Oberflächenbereich des zu zerstäubenden Stoffes von der Anode umgeben ist. Vorzugsweise wird die den zu zerstäubenden Stoff umgebende Anode rings- oder rahmenförmig ausgebildet.
Zum besseren Verständnis der unten zu beschreibenden Erfindung wird zunächst eine Anordnung nach dem Hauptpatent anhand der Figur 1 näher erläutert. In der Figur 1 bedeutet 1 das Gehäuse einer Vakuum anlage zur Herstellung dünner Schichten, welche auf die an einer Kalotte 2 befestigten Unterlagen z.B. Glasplatten 3 aufgebracht werden sollen. Zu diesem Zweck ist in der Anlage auf einem isoliert durch die Bodenplatte hindurchgeführten elektrisch leitenden Träger 5 der zu zerstäubende Stoff - Target genannt - in Form einer Platte 6 angeordnet, die von der ring- oder rahmenförmig ausgebildeten Anode 7 umgeben ist; letztere ist von dem Metallzylinder 8 (mit Öffnungen 9 zur Entlüftung beim Evakuieren) getragen und über eine Leitung 10 und Spannungsdurchführung 11 mit dem positiven Pol einer Gleichspannungsquelle verbunden.
Zur Durchführung einer die Zerstäubung bewirkenden Gasentladung ist in einer an das Gehäuse 1 angeflanschten getrennten Kammer 12 eine elektronenemittierende Glühkathode 13 vorgesehen. Zwischen dieser und der Anode 7 findet beim Betrieb die Hauptentladung statt. Zur Einführung des Gases, in welchem die Entladung stattfinden soll, ist ferner das Ventil 14 vorgesehen; das betreffende Gas, z.B. Argon, wird über die Leitung 15 zugeführt. Den nötigen Heizstrom erhält die auf Erdpotential liegende Glühkathode über die Stromzuführungen 16.
Um beim Betrieb das durch das Ventil 14 eingelassene Gas mittels der Glühkathode 13 besser ionisieren zu können, ist eine Lochblende 17 vorgesehen, welche das Abströmen des Gases drosselt und dadurch in der Kammer 12 eine höhere Gasdichte als im Vakuumraum 18 unterhalb dieser Blende zulässt. Bemerkenswert ist, dass bei der beschriebenen Anordnung trotz dieser Blende und der weiteren Beschränkung des Entladungsquerschnittes durch die verhältnismässig enge Öffnung 19 in der Kalotte 2 und trotz Fehlens einer unmittelbaren Sichtverbindung zwischen Kathode 13 und Anode 6 die Stärke der Entladung offenbar kaum beschränkt wird. Es wurden beim Betrieb dieser Einrichtung Entladungsstromstärken von 30 Ampere bei einer beispielsweisen Anodenspannung von 60 V ohne weiteres erreicht, wobei im Raum 18 der Gasdruck nicht mehr als 10-4 bis 10-2 Torr betragen musste.
Dabei wurde ein der Achse 20 der Anlage paralleles Magnetfeld von einigen hundert Gauss angewendet, das durch eine das Gehäuse 1 umgebende Magnetwicklung 21 erzeugt wurde und an die Platte 6 des zu zerstäubenden Stoffes eine negative Hilfsspannung von 1000 V anlegt. Anstelle der erwähnten negativen Hilfsspannung kann auch eine (vorzugsweise hochfrequente) Wechselspannung angelegt werden, namentlich zur Zerstäubung von elektrisch isolierenden Stoffen.
Mit der beschriebenen Einrichtung nach dem Hauptpatent lassen sich überraschenderweise sehr viel höhere Zerstäubungsraten erreichen als mit einer klassischen Kathodenzer stäubungsanordnung, bei der der zu zerstäubende Stoff allein die Kathode bildet und keine zusätzliche Glühkathode vorgesehen ist.
Die vorliegende Erfindung hat sich eine Verbesserung der Einrichtung nach dem Hauptpatent zum Ziel gesetzt. Um die Produktionsgeschwindigkeit zu erhöhen, soll eine Wechselvorrichtung für mehrere Targets geschaffen werden. Man erhält damit den Vorteil, dass mehrere verschiedene Stoffe in einem Arbeitsgang, d.h. unter einmaliger Evakuierung der Anlage der Reihe nach zerstäubt werden können, also z.B. mehrere verschiedene Schichten ohne Unterbrechung des Vakuums auf den Unterlagen aufgebracht werden können. Das ist wichtig, weil in vielen Fällen eine Schicht, wenn sie mit der freien Atmosphäre in Berührung kommt, ihre Eigenschaften wesentlich ändert, und dadurch eine beabsichtigte Produktion beeinträchtigt oder unter Umständen verunmöglicht werden kann.
Mehrere Targets z.B. auf einer Drehvorrichtung im Zerstäu bungsraum anzubringen, begegnet der Schwierigkeit, dass die zu zerstäubende Targetfläche während der Zerstäubung relativ zu der umgebenden Anode eine genau vorgeschriebene Lage einnehmen muss, will man für eine wirtschaftliche Fertigung optimale Ergebnisse erzielen. Die Erfahrung hat gezeigt, dass die Targetfläche 6 und die der Entladung zugewandte Fläche der Anode 7 vorteilhafterweise möglichst in einer Ebene liegen sollen, um die grösstmögliche Zerstäubungsrate zu erhalten.
Versuche, mehrere Targetflächen auf einer Wechselvorrichtung z.B. auf einem Drehtisch unterhalb einer Ringanode anzuordnen, so dass sie während der Zerstäubung hinter der Anodenebene liegen, haben dagegen kein befriedigendes Ergebnis gebracht.
Die erfindungsgemässe Lösung besteht nun in einer Anordnung zur Zerstäubung von Stoffen mittels einer elektrischen Niederspannungsentladung zwischen einer Glühkathode und einer Anode, wobei der zu behandelnde Oberflächenbereich des zu zerstäubenden Stoffes von der Anode umgeben ist, und ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Wechselvorrichtung für mehrere zu zerstäubende Stoffe vorgesehen ist und die in der Ebene der beim Betrieb der Zerstäubung ausgesetzten Fläche angeordnete Anode aus dieser Ebene herausbewegbar ausgebildet ist.
Diese Anordnung bietet den Vorteil, dass die Lage der Anode relativ zu den Targets den jeweiligen Betriebsbedingungen entsprechend optimal gewählt werden kann, ohne dass die Gefahr besteht, dass beim Targetwechsel während des Betriebes eine Berührung zwischen den auf negativer Hochspannung befindlichen zu zerstäubenden Stoffen bzw. Teilen der diese tragenden Wechselvorrichtung und der Ringanode besteht.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung wird so gehandhabt, dass vor jedem Targetwechsel die Anode aus ihrer Normallage, welche sie während der Zerstäubung einnimmt, heraus von den Targets wegbewegt wird, so dass ein ungehindertes Wechseln derselben möglich ist.
Die Bewegungsvorrichtung für die Anode kann in mannigfacher Weise ausgebildet werden. Es kann eine Bewegung senkrecht zur Ebene der Anodenfläche vorgesehen werden und dafür ein beliebiger bekannter Bewegungsmechanismus verwendet werden. Als besonders einfache Lösung hat es sich erwiesen, die Anode aus der Ebene der zu zerstäubenden Fläche herausklappbar zu gestalten, wie aus dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel ersichtlich wird.
Die Figur 2 zeigt den Aufbau von Targetwechsler und umgebender Anode, der an Stelle des einfachen Targethalters in der Gesamtanordnung nach der Figur 1 der Erfindung entsprechend verwendet werden kann.
Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf die Einrichtung gemäss Figur 2.
31 bezeichnet den Vakuumflansch, mittels dessen diese Einrichtung in der Bohrung 23 (Figur 1) der Bodenplatte der Zerstäubungsanlage vakuumdicht befestigt werden kann. Dieser Flansch trägt die Wechseleinrichtung für die Targets, die Anode und die Strom- und Spannungszuführungen für diese Teile.
Der Targetwechsler besteht im wesentlichen aus der um die horizontale Achse 32 drehbaren Trommel 33, an deren Mantel eine Anzahl Targets 34 befestigt werden können. Dieser Trommel und damit den Targets wird beim Betrieb über die isolierte Hochspannungszuführung 35 die erforderliche negative Spannung von einigen kV zugeleitet. Die Hochspannungszuführung 35 ist von dem Schutzgehäuse 36 getragen und gleichzeitig als Lager für die drehbare Trommel ausgebildet.
Auf der anderen Seite ist die Trommel mit der Welle 37 aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff verbunden. wobei die genannte Welle in ihrem Innern etwaige Zu- und Ableitungen 38 und 39 für eine Kühlflüssigkeit zur Kühlung der Trommel aufnimmt. Diese Kühlflüssigkeitsleitungen sind bezüglich ihrer Länge und ihres Querschnitts so bemessen, dass die in ihnen befindliche Kühlflüssigkeit einen hinreichend hohen elektrischen Widerstand gegenüber der auf Hochspannung liegenden Trommel darstellt. Die Welle 37 ist in dem Lagergehäuse 40 mittels der Ringe 41, 42 und 43 gelagert und mit einer Kurvenscheibe 44 sowie dem Zahnrad 45 verbunden, welches zusammen mit weiteren Zahnrädern 46, 47 und 48 ein Getriebe bildet, womit die Trommel über die durch den Flansch 31 vakuumdicht nach aussen geführte Betätigungswelle 49 mittels eines Kettenantriebs oder Drehgriffs 50 bewegt werden kann.
Durch Drehen der Trommel 33 können die einzelnen Targets unter Aufrechterhaltung des Vakuums nacheinander in Zerstäubungsposition gebracht werden. Wie oben dargelegt, ist für die Zerstäubung eine die Targetfläche umgebende Anode erforderlich. Diese wird im Ausführungsbeispiel durch den Ring 51 gebildet und ist mittels eines Scharniers 52 (Figur 3) gelenkig gelagert, derart, dass sie durch Hochklappen aus der Ebene der Targetfläche herausbewegt werden kann. Im Sinne des Hauptpatentes ist die zu zerstäubende Fläche während der Zerstäubung in der kreisförmigen Ausnehmung 53 der Anode angeordnet, wird also von der Anode umgeben. Um das Hochklappen der Ringanode beim Wechseln der Targets zu bewirken, ist diese mit dem Stössel 54 verbunden, welcher mit der Kurvenscheibe 43 zusammenarbeitet.
Die Kurvenscheibe besitzt eine solche Kontur, dass die Anode beim Herausdrehen der Trommel aus einer Arbeitsposition in solchem Masse hochgehoben wird, dass jedes der auf dieser angebrachten Targets ohne Berührung mit der Anode in Arbeitsposition gebracht werden kann. Die Lage der Anode bei hochgeklappter Stellung ist in der Figur 2 gestrichelt angedeutet.
Die Anode 51 ist mit einem Kühlrohr 55 verbunden, wobei das Kühlmittel über die Kühlmittelzu- und -ableitung 56 und 57 zu- bzw. abgeführt wird. Diese Leitungen können gleichzeitig dazu dienen, um die Anode mit der erforderlichen Betriebspannung von einigen hundert Volt zu versorgen. Zum Schutz gegen Spannungsüberschläge von der Anode zur Trommel 33 bzw. den Targets 34 ist eine Abdeckhaube 58 vorgesehen. Die Kappe 59 dient dem Schutz der Verbindung zwischen Anode und Stössel 54 gegen Spannungsüberschläge und Niederschläge von zerstäubtem Material.
Während des Betriebes befinden sich die Teile 51, 52, 55, 56, 57 und 59 auf dem Anodenpotential, die Teile 33 und 34 auf negativer Hochspannung und alle übrigen Teile auf Erdpotential. Zur Isolation zwischen der bewegbaren Anode 51 und dem auf Erdpotential befindlichen Schutzgehäuse 58 sind die Isolatoren 60 vorgesehen.