DE1690687C - Vorrichtung zur Kathodenzerstäubung - Google Patents

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.

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.

Daraus ergeben sich andere Schwierigkeiten, die

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 ist

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.

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.

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 Vorteil

eigen, daß die Umrüstung bereits vorhandener Auf-. dampfanlagen in Vorrichtungen zur Kathodenzerstäubung ohne großen Aufwand durchführbar ist.

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.

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.

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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Kathodenzerstäubung mit Ringentladung in einem Plasmaraum, der innerhalb eines Rezipienten durch ein hochfrequentes, den Rezipienten axial durchdringendes, elektromagnetisches Feld erzeugt ist, und bei der Kathode, Anode und Auffän£,er als den Plasmaraum einhüllende Elektroden angeordnet sind, nach Pa- i» tent 1515311, dadurch gekennzeichnet, daß der Rezipieiv: (7) metallisch ausgeführt ist und in seinem Inneren im Bereich der Mitte eine zur Erzeugung des, hochfrequenten, elektromagnetischen Feldes erforderliche Erregerspule (4) enthält, die elektrisch vom Rezipienten (7) isoliert und ge?en das Rezipienteninnere vakuumdicht angeordnet ist, und daß die Elektroden (1,3 und 6) den Plasmaraum innenseitig begrenzen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspule (4) in einem elektrisch isolierenden, gasundurchlässigen, kolbenartigen Behälter (5) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (1, 3,6) und der zur Aufnahme der Erregerspulc (4) dienende Behälter (5) lösbar mit der Rezipientenwandung verbunden sind.

4. Vorrichtung nach Anspuch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pezipient (7) auf bezüglich der Kathode (1) positivem PoU itial liegt.