DE19646700B4

DE19646700B4 - Vakuumbehandlungskammer, Vakuum-Zerstäubungsverfahren und Magnetronanordnung

Info

Publication number: DE19646700B4
Application number: DE19646700A
Authority: DE
Inventors: Helmut Daxinger; Walter Haag
Original assignee: OC Oerlikon Balzers AG
Current assignee: OC Oerlikon Balzers AG
Priority date: 1995-11-16
Filing date: 1996-11-12
Publication date: 2010-03-25
Anticipated expiration: 2016-11-13
Also published as: FR2741474A1; JPH09170077A; DE19646700A1; FR2741474B1; CH691686A5; US5733419A

Abstract

Vakuumbehandlungskammer mit einer Zerstäubungselektrode (20, 56), einer mit der Zerstäubungselektrode einen Entladungsraum (I) bildenden Gegenelektrode (22, 58), und einer dritten Elektrode (26, 26', 26', 50),
wobei die Gegenelektrode (22, 58) einen Flächenbereich aufweist, der der Sicht von der Zerstäubungselektrode (20, 56) her entzogen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass das Potential der dritten Elektrode (26, 26', 26'', 50) und ihr Abstand von dem Flächenbereich der Gegenelektrode (22, 58) derart sind, dass die dritte Elektrode mit den Flächenbereich der Gegenelektrode einen weiteren Entladungsraum (II) bildet, wobei eine für Elektronen im Wesentlichen ungehinderte Verbindung zwischen den Entladungsräumen (I, II) besteht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vakuumbehandlungskammer mit einer Zerstäubungselektrode und einer mit der Zerstäubungselektrode einen Entladungsraum bildenden Gegenelektrode gemäß Oberbegriff von Anspruch 1, wie aus EP 0 618 601 A1 bekannt, sowie auf ein Vakuum-Zerstäubungsverfahren und eine Magnetronanordnung für eine solche Kammer.
Es kann sich bei der Zerstäubungselektrode um eine Elektrode handeln, deren abgestäubtes Material als Schichtmaterial auf Werkstücke abgelegt wird, im Sinne einer Zerstäubungsbeschichtung, oder um eine Elektrode, auf welcher zu zerstäubende Werkstücke im Sinne des Zerstäubungsätzens angeordnet sind.
Im weiteren handelt es sich um Fälle der erwähnten Zerstäubungstechnik, bei denen sich in der Behandlungskammer elektrisch isolierende Störschichten bilden, sei es dadurch, dass von der Zerstäubungselektrode Material abgestäubt wird, das schlechter als ein Metall elektrisch leitet, oder dadurch, dass das von der Zerstäubungselektrode abgestäubte Material mit einem Reaktivgas reagiert und zur erwähnten schlecht oder nicht leitenden Isolationsbeschichtung führt.
In diesen Fällen geht es um das Problem, dass aufgrund der sich aufbauenden Isolationsbeschichtung auf der Gegenelektrode der Entladungsprozess zwischen Zerstäubungselektrode und Gegenelektrode zeitvariant bzw. instabil wird.
Während bei einer Hochfrequenzzerstäubung die zunehmende Isolationsbeschichtung der nicht zerstäubten Elektrode, im weiteren anodische Elektrode genannt, zur Folge hat, dass sich das DC-self-bias-Potential der Entladung verschiebt – aufgrund der zeitvariablen Kapazitätsbelegung an der anodischen Elektrode –, hat die Isolationsschichtbildung an der Anode bei DC-Zerstäubung zur Folge, dass aufgrund der bei DC-Betrieb wirksamen Entkopplungswirkung der erwähnten Kapazitätsbelegung die Entladungsspannung ansteigt und die Funktion der Anode mehr und mehr verloren geht.
Gerade die DC-Zerstäubung, insbesondere die reaktive DC-Zerstäubung, wird heute aber bevorzugt, u. a. aufgrund der kostengünstigeren Anlagekonfiguration im Vergleich zu Hochfrequenz-Zerstäubungsanlagen.
Sowohl beim Hochfrequenzzerstäuben wie auch beim heute bevorzugt eingesetzten DC-Zerstäuben müsten, um einigermaßen gleichbleibende Prozessbedingungen zu gewährleisten, die anodische Elektrode bzw. die Anode laufend gereinigt werden. Dies wäre selbstverständlich völlig unwirtschaftlich und ergäbe außerdem laufend Probleme bezüglich Kontamination des Prozesses. Bei Magnetronzerstäubungsquellen, welche insbesondere bei der DC-Zerstäubung wegen der hohen Zerstäubungsraten besonders bevorzugt eingesetzt werden, ist das erwähnte Problem besonders akut.
Es ist offensichtlich, dass bei der Zerstäubung elektrisch schlecht leitender Materialien oder bei der Zerstäubung elektrisch gut leitender Materialien in einer Reaktivgasatmosphäre, in der durch Reaktion elektrisch schlecht leitendes Material gebildet wird, das erwähnte Isolationsproblem auch auf der Zerstäubungselektrode besteht. Dieses Problem aber wurde gelöst, insbesondere mit Blick auf den Einsatz kostengünstiger DC-Entladungsgeneratoren, durch Überlagerung einer pulsierenden Spannung, wie dies ausführlich in der EP 0 564 789 A1 beschrieben ist, insbesondere unter Einsatz einer kostengünstigen Choppertechnik.
Bei DC-Zerstäubung wurde das obgenannte Problem der Isolierschichtbildung an der Anode bisher dadurch zu lösen versucht, dass die Anodenfläche vergrößert wurde oder zusätzliche Jalousien oder Labyrinthe vorgesehen wurden, welche von dem Partikelstrom freibleibende, elektrisch leitende Oberflächenbereiche freihalten, derart, dass einerseits die Zerstäubungsentladung sich nicht in diese Bereiche ausbreiten kann (Einhaltung von Dunkelraum-abständen), anderseits so, dass trotz der sich bildenden Isolationsbeschichtung auf den der Zerstäubungsentladung ausgesetzten Anodenflächen, insbesondere Elektronen einen niederohmigen Weg zu den freien Oberflächen der Anode finden.
In 1a ist der linke Teil einer typischen Magnetronzerstäubungsanordnung dargestellt, ohne zusätzliche Maßnahmen zur Freihaltung der Anodenfläche mit Bezug auf eine Isolationsbelegung. Es bezeichnen:

1: zu zerstäubender Targetkörper;
2: Befestigungsrahmen für den Targetkörper 1;
3: Befestigungsschrauben für Halterahmen 2 und Targetkörper 1;
4: thermisch leitende Kontaktfolie;
5: Kühlplatte;
6: Kühlkanäle für Kühlmedium;
7: rahmenförmige Anode;
8: anlagenseitiger Befestigungsflansch für Magnetron;
9: elektrische Isolation zwischen Kathode einerseits und Flansch/Anode anderseits;
10: Magnetsystem mit Magnetsystemgehäuse 11;
12: qualitativer Magnetfeldverlauf;
13: Störisolationsbeschichtung;
14: Spalt.

Bei 13 ist, rein schematisch und qualitativ, die Ablagerung einer eine Kapazitätsbelegung bildenden Stör-Isolationsschicht auf der Anode 7 dargestellt. Wie ersichtlich, wird dadurch der Entladungspfad zwischen Kathode und Anode letztlich unterbrochen. Dabei ist zu bedenken, dass der Spalt 14 zwischen Anode 7 und Spannrahmen 2 zwar Dunkelraumbedingungen erfüllt, so dass dort keine Entladung entstehen kann, dass aber Beschichtungspartikel in diesen Spalt eindringen und, wie dargestellt, die Anode sowie Teile des Befestigungsflansches 8 belegen können.
Anhand von 1b sollen bekannte, das anhand von 1a geschilderte Problem lösende Maßnahmen erörtert werden. Es ist die rechte Hälfte einer Magnetronquelle dargestellt, und für dieselben Bauteile sind dieselben Bezugszeichen wie in 1a verwendet.
Wie aus dem Vergleich der Figuren ersichtlich, ist der Spalt 14' zwischen Anode 7 und Targetspannrahmen 2, Dunkelraumbedingungen genügend, als Labyrinth ausgebildet, mit einer stufenförmigen Spaltausbildung, wie bei 15 beispielsweise eingetragen, durch die Flächenbereiche der Anode gegenüber zerstäubtem Material, welches in den Dunkelraumspalt eintritt, abgeschattet sind. Damit wird erreicht, dass Anodenoberflächen nicht isolationsbeschichtet werden, sondern frei bleiben und den elektrischen Entladungsstrompfad aufrechterhalten. Elektronen bewegen sich, durch das Anodenpotential angezogen, wegen ihrer sehr hohen Beweglichkeit durch den Dunkelraumspalt 14' zu den freibleibenden Anodenflächen 15, womit der Stromkreis geschlossen bleibt.
Im weiteren ist es bekannt, anstelle der anhand von 1b beschriebenen Labyrinthe, sogenannte Rippenanordnungen oder Jalousien zu verwenden, welche sowohl Abschattungszonen für Anodenflächenbereiche schaffen als auch die gesamte Anodenoberfläche vergrößern sollen. Damit soll vermieden werden, dass das Zuwachsen der Anodenflächen durch die Isolationsbelegung, bezogen auf die gesamte Anodenfläche, zu rasch erfolgt. Es wird hierzu verwiesen auf US 3 514 391 A , DE 34 27 587 A1 und DE 36 12 721 A1 .
Ein wesentlicher Nachteil der erwähnten Ansätze ist nun darin zu erblicken, dass es nicht möglich ist, vom Zerstäubungsbeginn an zeitinvariante Betriebsbedingungen zu erreichen. Das nicht gehinderte, kontinuierliche Aufwachsen der Isolationsbeschichtung auf der Anode verändert laufend die Entladungsbedingungen. Sogar bei Jalousie- oder Labyrinthanordnungen wird eine relativ lange Zeit benötigt, bis sich der Betriebszustand stabilisiert, weil, vom Betriebsbeginn an betrachtet, vorerst die wirksamen Anodenoberflächen abnehmen.
Auch nachdem die freigehaltenen Anodenflächen ausschließlich das Schließen des Entladestromkreises übernommen haben, bleibt die Entladespannung hoch, aufgrund der relativ langen Wege, welche die Elektronen durchlaufen müssen. Hohe Spannungen führen aber regelmäßig zu einer erhöhten Über- und Durchschlagshäufigkeit, was den Zerstäubungsprozess stört und insbesondere beim Beschichtungszerstäuben die gebildete Schicht unbrauchbar macht. Im Unterschied zum Einsatz von Labyrinthsystemen ergibt sich durch bloße Vergrößerung der Anodenfläche eine wesentlich längere Zeit des Anwachsens der Entladespannung, da die Anodenfläche kontinuierlich und gleichmäßig zuwächst.
Solche nicht reproduzierbaren Betriebsbedingungen, welche sich unmittelbar auf die Beschichtungsqualität beim Zerstäubungsbeschichten auswirken, sind bei den heutigen Qualitätsanforderungen nicht akzeptabel. Es sei diesbezüglich auf die Beschichtung von Speicherplatten oder von Halbleiterstrukturen hingewiesen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vakuumbehandlungskammer der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die erwähnten Nachteile behebt und die es erlaubt, elekrisch schlecht leitende Materialien, bis hin zu dielektrischen Materialien, störungsfrei, d. h. ohne Lichtbogenbildung (englisch: ”arcing”), und mit hoher Reproduzierbarkeit, bei hoher Produktivität, d. h. Wirtschaftlichkeit, und langen Standzeiten, realisieren zu können. Dabei soll sich der Zerstäubungsprozess rasch stabilisieren.
Zur Lösung der Aufgabe weist die erfindungsgemäße Vakuumbehandlungskammer die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 auf. Dadurch, dass eine dritte Elektrode zusammen mit dem der Sichtverbindung zur Zerstäubungselektrode entzogenen Flächenbereich der Gegenelektrode einen weiteren Entladungsraum bildet – d. h. Dunkelraumbedingungen diesbezüglich nicht genügt – und eine für Elektronen im wesentlichen ungehinderte Verbindung zwischen diesem weiteren Entladungsraum und dem Zerstäubungsentladungsraum besteht, wird erreicht, dass der freigehaltene Anodenflächenbereich durch die weitere elektrisch hochleitende Entladung räumlich ausgedehnt wird, so dass die Zerstäubungsentladungselektronen praktisch ungehindert jederzeit niederohmig zur Anode fließen können; und zwar trotz zunehmender Isolationsbeschichtung an den der Zerstäubungsentladung direkt zugewandten Anodenflächenbereichen.
Die Erfindung wird anschließend anhand weiterer Figuren erläutert.
Die 1a und 1b stellen bekannte Vorkehrungen dar, die bereits erläutert wurden.
2 zeigt, völlig schematisch, das Prinzip, welches an der erfindungsgemäßen Vakuumbehandlungskammer realisiert ist;
3 veranschaulicht die Realisation des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. Prinzips an einer erfindungsgemäßen Vakuumbehandlungskammer für Hochfrequenzzerstäubung;
4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Vorgehens nach 3;
5 erläutert schematisch die Optimierung der Vakuumkammer nach 4, unter Berücksichtigung von durch das Magnetfeld-bewirkten Abweichungen von den Gesetzen nach Koenig;
6a zeigt in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform einer bevorzugten DC-Zerstäubungskammer mit drei Varianten der Potentiallegung;
6b dient zur heuristischen Erläuterung der Wirkung einer Variante der Anordnung gemäß 6a, deren Kathoden/Anodenbereich vergrößert ist;
6c dient zur heuristischen Erläuterung der Wirkung einer weiteren Variante an der Anordnung gemäß 6a, deren Kathoden/Anodenbereich vergrößert ist;
7 eine weitere Ausführungsform der bevorzugten DC-Zerstäubungskammer in einer Darstellung analog zu 6a;
8 eine bevorzugte Kammer in teilweise geschnittener Darstellung.
In 2 ist eine auf kathodischem Potential liegende Zerstäubungselektrode 20 dargestellt. Zwischen ihr und einer auf anodischem Potential liegenden Gegenelektrode 22 wird in einem Arbeitsgas, wie beispielsweise Argon, die Primärentladung I unterhalten. Das Targetmaterial an der Elektrode 20 wird zerstäubt und ist entweder selbst elektrisch schlecht leitend, wesentlich schlechter als ein Metall, oder gar dielektrisch, oder es bildet sich in der Primärentladung I durch chemische Reaktion zwischen dem von der Elektrode 20 abgestäubten Material und einem eingelassenen Reaktivgas eine schlecht leitende Materialverbindung. Jedenfalls legt sich unter anderem auf der anodischen Elektrode 22 eine Isolationsbelegung 24 ab. Außerhalb der direkten Sichtverbindung von der Zerstäubungselektrode 20 ist eine dritte Elektrode 26 vorgesehen, die, wie beispielsweise dargestellt, ringförmig sein kann.
Durch Vorkehrungen wie Schirmbleche, oder durch Teile der dritten Elektrode 26 selbst, wie schematisch bei 28 dargestellt, und Bildung von Dunkelraumbedingungen gehorchenden Spalten 29 wird verhindert, dass sich die Entladung I auch hinter die Elektrode 22 ausbreitet. Hingegen herrschen zwischen der dritten Elektrode 26 und der anodischen Elektrode 22 Abstandsverhältnisse, die das Entstehen und Aufrechterhalten einer Entladung II, im weiteren subsidiäre Entladung genannt, zulassen. Wie schematisch mit der einseitigen Aufhängung der auf Dunkelraumabstand gehaltenen Schirme 28 dargestellt, besteht im weiteren ein praktisch freier Durchtritt vom Entladungsraum I zum Entladungsraum II. Damit ergeben sich folgende Verhältnisse:

– Die Rückseite der anodischen Elektrode 22 ist störbeschichtungsfrei;
– die subsidiäre Entladung II bildet eine hochleitende Verbindung zwischen anodischer Elektrode 22 und dritter Elektrode 26 und, ersatzbildartig betrachtet, eine niederohmige Verbindung zwischen Entladungsraum I und leitenden Flächen der anodischen Elektrode 22. Parallel zur Störbeschichtung 24, letztere elektrisch kurzschließend, liegt die hochleitende subsidiäre Entladung II.

Weil die subsidiäre Entladung II sehr niederohmig ist, wird sehr rasch erreicht, dass sich Isolationsbeschichtungen 24 nicht mehr auswirken; der Elektronenstromfluss wird, wie eingetragen, durch die Entladung II, die eigentlich die freien Flächen der anodischen Elektrode 22 räumlich ausdehnt, sichergestellt.
Das Potential der dritten Elektrode 26, mit Φ₂₆ eingetragen, ist bezüglich demjenigen der anodischen Elektrode 22 vorteilhafterweise wiederum anodisch, womit in der subsidiären Entladung II die anodische Elektrode 22 kathodisch wirkt und dadurch sogar freigestäubt wird.
Obwohl bewusst von anodischer und kathodischer Elektrode gesprochen wurde, wurde der Fall einer hochfrequenzbetriebenen Entladung I und gegebenenfalls auch II mitberücksichtigt. Wird nämlich, den Gesetzen von Koenig folgend, die der Entladung I zugewandte Elektrodenfläche kleiner gewählt als diejenige der Elektrode 22, dann stellt sich, bei Hochfrequenzbetrieb, kathodisches Potential an der Elektrode 20 und anodisches an der Elektrode 22 ein, ohne dass diese Elektroden durch DC-Potentiale als Anode und Kathode definiert wären. Im weiteren wird in diesem Sinne auch bei Hochfrequenzbetrachtungen von ”Anode” und ”Kathode” gesprochen.
In den 3 bis 5 wird nun auf einige Möglichkeiten eingegangen, eine erfindungsgemäße Vakuumbehandlungskammer für die Hochfrequenzzerstäubung zu konzipieren. Dabei werden für das Verständnis vorausgesetzt die Flächengesetze nach Koenig sowie Kenntnis über die Möglichkeit, das von Koenig geforderte Flächenverhältnis durch Vorsehen tunnelförmiger Magnetfelder in Grenzen zu ändern, wozu auf DE 37 06 698 A1 verwiesen wird.
Gemäß 3 wird ein Hochfrequenzgenerator 30 auf die Zerstäubungskathode 20 und die Gegenanode 22 geschaltet. Mittels Dunkelraumabschirmungen 28 wird das Ausbreiten der Entladung hinter die Anode 22 verhindert. Die Dunkelraumabschirmung 28 lässt aber einen praktisch ungehinderten Durchgang zwischen dem Entladungsraum I und der Rückseite der Anode 22 frei. Dort ist die dritte Elektrode 26 auf Entladungsabstand zur Rückseite der Anode 22 angeordnet und vorzugsweise über eine Gleichspannungsquelle 32 auf anodisches Potential mit Bezug auf die Anode 22 gelegt. Wie bereits in 2 ist auch hier das Innengehäuse der Vakuumkammer nicht eingezeichnet, weil dieses bevorzugterweise als dritte Elektrode 26 eingesetzt wird, was aber an den erläuterten Prinzipien nichts ändert.
4 zeigt, in einer Darstellung analog zu 3, die Verhältnisse, wenn anstelle der Gleichspannungsquelle 32 auch zwischen der dritten Elektrode 26' und der Anode 22 ein Hochfrequenzgenerator 32' geschaltet wird. Um in einem solchen Fall, in welchem auch die subsidiäre Entladung II eine Hochfrequenzentladung ist, die dritte Elektrode 26' bezüglich der Anode 22 anodisch zu betreiben, wird, wie schematisch dargestellt, die entladungswirksame Fläche der dritten Elektrode 26' größer gewählt als die freie Anodenfläche, welche an der subsidiären Entladung II beteiligt ist.
Wie oben erwähnt wurde, ist es bekannt, dass beim Hochfrequenzzerstäuben durch Anlegen tunnelförmiger Magnetfelder an die Anode, unter Beibehaltung ihrer Anodenwirkung, deren Fläche wesentlich reduziert werden kann, praktisch bis zu einem Verhältnis von 1, bezogen auf die zu zerstäubende Kathodenfläche. Wird dies bei der Anordnung von 4 konsequent ausgenützt, so ergibt sich eine Anordnung, wie sie schematisch in 5 dargestellt ist.
Anhand der 6 bis 8 wird nun auf die weitaus bevorzugte Realisationsform der erfindungsgemäßen Vakuumbehandlungskammer, nämlich für DC-Zerstäubung, eingegangen. Erste grundsätzliche Ausführungsvarianten (a) bis (c) sind schematisch in 6a dargestellt. In der Vakuumkammer 40 ist die Kathode 20, bevorzugt eine Magnetronkathode, vorgesehen und, wie mit der Isolation 41 schematisch dargestellt, bezüglich des Kammergehäuses isoliert. Die Anode 22, als Ringanode ausgebildet, bildet gleichzeitig mit ihrer Innenpartie die Dunkelraumabschirmung 28. Die Anode 22 ist, wie wiederum mit der Isolation 41 schematisch dargestellt, bezüglich des Gehäuses 26'' der Kammer 40 isoliert. Zwischen Kathode 20 und Anode 22 ist der DC-Generator 42 geschaltet. In dieser Anordnung wirkt das Innengehäuse der Kammer 40, mit 26'' bezeichnet, als dritte Elektrode. Wie mit dem Auswahlschalter 43 schematisch darge stellt, kann die Anode 22 wie folgt potentialbeaufschlagt werden:

(a) Kathode 20 und Anode 22 und mithin Generator 42 sind bezüglich der dritten Elektrode 26'' isoliert;
(b) zwischen Anode und dritter Elektrode 26'' ist ein Widerstand geschaltet;
(c) die Anode 22 ist auf das Potential der dritten Elektrode 26'' am Gehäuse 50, üblicherweise Referenzpotential, d. h. Massepotential, geschaltet.

In 6b ist ein vergrößerter Ausschnitt der Anordnung gemäß 6a dargestellt, und zwar bei Beschaltungsvariante (a). Aufgrund der negativen Ladungsbelegung auf der Isolationsbelegung 24 der Anode 22 wird das Plasmapotential der Zerstäubungsentladung I bezüglich der dritten Elektrode 26'', nämlich der üblicherweise auf Masse gelegten Gehäusewandung der Kammer 40, abgesenkt. Es entsteht die subsidiäre Entladung II zwischen freiliegenden Anodenflächen und Gehäuse, wobei die Anode 22 bezüglich dieser Entladung als Kathode wirkt und mithin tendenziell bei der subsidiären Entladung II freigestäubt bleibt.
Sobald die subsidiäre Entladung II, mit einem Plasmapotential von ca. 30 V, sich ausgebildet hat, ist über diese Entladung II die Zerstäubungsentladung I mit Anode und Kathode an das Massepotential der dritten Elektrode 26'' gebunden, mit einem Differenzpotential von ungefähr 30 V. Aus Sicherheitsaspekten, insbesondere in Betriebszuständen, an welchen die Subsidiärentladung II sich noch nicht ausgebildet hat, also zu Beginn des Zerstäubungsvorganges, wird gemäß Variante (b) ein Widerstand R zwischen Anode 22 und Rezipient 26'' geschaltet. Damit wird sichergestellt, dass die Potentialdifferenz zwischen Anode 22 und Referenzpotential am Gehäuse, bevor sich die subsidiäre Entladung II bildet, nicht gefährlich ansteigen kann.
In 6c sind die Verhältnisse gemäß Schaltungsvariante (c) dargestellt. Der metallische Anodenkörper der Anode 22 bildet hier die eine Platte eines durch die Isolationsbelegung 24 gebildeten Kondensators, die andere wird durch die negative Ladungsbelegung auf der Isolationsbelegung 24 gebildet. Die subsidiäre Entladung II entsteht hier zwischen der schlecht beweglichen negativen Ladungsbelegung 44 und den freien Flächen der Anode 22. Die dritte Elektrode wird hier eigentlich durch die negative Ladungsbelegung 44 gebildet.
Rückblickend auf 6a, und unter Berücksichtigung der Erläuterungen zu 6b und 6c, ist ersichtlich, dass durch Variation des Widerstandes R von 0 bis ∞ die Extreme nach 6b bzw. 6c realisiert werden können. Dabei ist aber zu berücksichtigen, dass immer dann, wenn es gelingt, eine Subsidiärentladung gemäß 6b zu erzeugen, bevor eine Subsidiärentladung gemäß 6c entsteht, letztere nicht mehr entstehen wird. Bevorzugt wird aus Stabilitätsgründen ein Vorgehen gemäß Variante (a) und unter Berücksichtigung von Sicherheitsaspekten nach (b).
In 7 ist eine prinzipiell andere Variante dargestellt. Wie für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich, wird hier die Anode 22 bezüglich der dritten Elektrode 26'' mit einem eigens dafür vorgesehenen DC-Generator 46 auf negatives Potential gelegt, womit ab Prozessbeginn die subsidiäre Entladung II mit kathodisch betriebener Anode 22 gezündet wird. Obwohl unter dem Aufwandaspekt weniger optimal als die vorbeschriebe nen Varianten, ist diese Ausführungsform, wie ohne weiteres ersichtlich, bezüglich Prozessbeherrschung die sicherste.
Bevorzugterweise wird als Kathode 20 in jedem Fall eine Magnetronkathode eingesetzt. Zur Beherrschung der Probleme, die durch eine durch zerstäubtes Sputtermaterial oder Beschichtungsmaterial verursachte Stör-Isolationsbelegung an der Kathode 20 entstehen, wird, wie in 7 bei 47 dargestellt, bevorzugterweise eine AC-Spannung überlagert, vorzugsweise eine pulsierende. Dies wird vorzugsweise (wie gestrichelt bei 48 eingetragen) durch eine Chopper-Einheit realisiert, die den DC-Generator 42 überbrückt und, gesteuert oder geregelt, eine niederohmige Ladungsausgleichsverbindung für die Kathode 20 schafft, wie dies in EP 0 564 789 A1 ausführlich beschrieben ist.
Die Plasmadichte in der Subsidiärentladung II wird bevorzugterweise durch Anlegen eines Magnetfeldes erhöht.
In 8 ist eine heute realisierte und ausgetestete Anordnung schematisch dargestellt. Am als dritte Elektrode wirkenden Rezipientengehäuse 50 ist eine Planarmagnetronquelle 52 des Typs ARQ 100 der Anmelderin angeflanscht. Ein auf fliegendem Potential betriebener Ring 54 umgibt, mit Dunkelraumabstand, das Target 56 der Quelle 52. Es ist durchaus möglich, den Ring 54 einteilig mit dem Gehäuse 50 auszubilden. Die als Gegenelektrode wirkende Anode 58 ist mittels Isolationsstützen 60 am Gehäuse befestigt und ist targetseitig auf Dunkelraumabstand herangeführt, während gehäuseseitig der Entladungsraum für die subsidiäre Entladung II zum Gehäuse 50 hin freiliegt. Mit B Ist das Magnetfeld und insbesondere auch das Streufeld der Magnetronquelle 52 eingetragen, welches die Anode 58 durchdringt und mithin ein namhaftes Magnetfeld im Subsidiärentladungsraum zwischen Anode 58 und Ge häuse 50 bildet.
Die Anode wurde gemäß Beschaltungsvariante (b) von 6a beschaltet, d. h. mit R = ikΩ. Der radiale Abstand Δr zwischen Anode 58 und Gehäuse 50 betrug ca. 80 mm.
Der Abstand d zwischen Anodenrückseite und Gehäuse betrug 10 mm bis 15 mm. Das Gehäuse war auf Masse geschaltet. Mit der erwähnten Quelle betrug die Magnetfeldstärke im Subsidiärentladungsraum der Breite d 100 G.

Die erfindungsgemäße Kammer wurde wie folgt betrieben:

Magnetronleistung:	2 kW bis 4 kW;
Primärentladespannung zwischen Target 56 und Anode 58:	– 400 V bis 600 V im metallischen Mode, – 200 V bis 330 V im Reaktivmode;
Argondruck:	4·10^–3 mbar bis 8·10^–3 mbar;
Reaktivgas:	O₂, N₂;
Sauerstoffdruck:	2·10^–3 mbar;
Stickstoffdruck:	3·10^–3 mbar;
Abstand zu beschichten der Substrate vom	Target: 70 mm.

Die Spannung zwischen Masse und diesbezüglich negativer Anode 58 war zwischen 0 V und 100 V, wobei durch die Wahl des erwähnten Widerstandes R der Betrieb auf 20 V bis 40 V festgesetzt wurde.
Es werden folgende Betriebswerte angeraten:
Magnetron:
Übliche und typische Magnetfeldstärken, gemessen parallel zur Zerstäubungsneufläche und unmittelbar an der Targetoberfläche, bezüglich Targetzentrum in radialer Richtung: typisch 15 mT bis 70 mT, wobei bevorzugterweise Feldstärken von 15 mT bis 40 mT eingesetzt werden.
Arbeitsdruckbereich:
Als Totaldruckbereich wird bevorzugterweise ein Druck zwischen 1 × 10^–3 mbar bis 1 × 10^–1 mbar eingesetzt.
Auslegung des subsidiären Entladungsraumes:
Im Entladungsraum sind die kleinsten Abstände zwischen diesen den Raum berandenden Feststoffflächen: 1λf ≤ 15λf.
Es wird dabei bevorzugterweise nicht mehr als 5λ_f gewählt.
Dabei bezeichnet λ_f die freie Weglänge des verwendeten Arbeitsgases bei den angegebenen Druckverhältnissen.
Dies ergibt eine Minimalausdehnung des subsidiären Entladungsraumes in allen Dimensionen von typischerweise 5 mm bis 50 mm, bevorzugterweise von 5 mm bis 30 mm, insbesondere zwischen 10 mm und 25 mm. Dabei handelt es sich, wie bereits erwähnt, um den kürzesten der entlang des subsidiären Entladungsraumes auftretenden Berandungsflächenabstände.
Subsidiäres Magnetfeld:
Wie erwähnt wurde, kann das subsidiäre Magnetfeld im subsidiären Entladungsraum durch eigens dafür vorgesehene Magnete oder aber durch das Streufeld einer vorgesehenen Magnetronanordnung erzeugt werden. Es beträgt, vorzugsweise an mindestens einer Stelle im subsidiären Entladungsraum, vorzugsweise mehr als 10 G bis hin zur maximalen Magnetfeldstärke des verwendeten Magnetrons, beträgt aber vorzugsweise an mindestens einer Stelle zwischen den den subsidiären Entladungsraum definierenden Elektroden nicht mehr als 50% des Magnetronfeldes, wie oben definiert, als Maximalwert.
Es wurden SiO₂-, TiO₂- sowie SiN-Schichten abgelegt mit relativ hohen Raten von 4,6 nm/sec im metallischen Mode bei einer Quellenleistung von 2 kW für SiO₂ und von 2,2 nm/sec im metallischen Mode, ebenfalls bei 2 kW Quellenleistung für SiN-Schichten. Der Zerstäubungsbeschichtungsprozess war sowohl im metallischen wie auch im reaktiven Mode praktisch ab Betriebsbeginn stabil: Das subsidiäre Plasma II bildete sich unmittelbar bei Betriebsaufnahme.

Claims

Vakuumbehandlungskammer mit einer Zerstäubungselektrode (20, 56), einer mit der Zerstäubungselektrode einen Entladungsraum (I) bildenden Gegenelektrode (22, 58), und einer dritten Elektrode (26, 26', 26', 50), wobei die Gegenelektrode (22, 58) einen Flächenbereich aufweist, der der Sicht von der Zerstäubungselektrode (20, 56) her entzogen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Potential der dritten Elektrode (26, 26', 26'', 50) und ihr Abstand von dem Flächenbereich der Gegenelektrode (22, 58) derart sind, dass die dritte Elektrode mit den Flächenbereich der Gegenelektrode einen weiteren Entladungsraum (II) bildet, wobei eine für Elektronen im Wesentlichen ungehinderte Verbindung zwischen den Entladungsräumen (I, II) besteht.
Kammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (22) die Zerstäubungselektrode (20, 56) mit Dunkelraumabstand umschlingt und die kürzeste Verbindung zwischen dem Flächenbereich und der dritten Elektrode (26, 26', 26'', 50) wesentlich größer als Dunkelraumabstand ist.
Kammer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Elektrode (26, 26', 26'', 50) bezüglich der Gegenelektrode (22, 58) so elektrisch gespeist und/oder dimensioniert ist, dass die Gegenelektrode (22, 58) ihr gegenüber als Kathode wirkt.
Kammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Elektrode (26, 26', 26'', 50) bezüglich der Gegenelektrode (22, 58) elektrisch isoliert oder mit der Gegenelektrode über einen ohmischen Widerstand oder direkt verbunden ist oder dass die dritte Elektrode erst durch Zerstäubungsbetrieb an der Gegenelektrode (22) selbst entsteht oder dass die Gegenelektrode mittels einer Spannungsquelle (32, 32', 46) mit der dritten Elektrode verbunden ist.
Kammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kammerinnengehäuse die dritte Elektrode bildet.
Kammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäubungselektrode (20) bezüglich der Gegenelektrode (22) mit DC oder mit einer pulsierenden DC-Spannung gespeist ist, vorzugsweise derart, dass diese beiden Elektroden über einen DC-Generator (42) mit vorgeschalteter Chopper-Einheit (48), vorzugsweise mit Parallel-Chopper, verbunden sind.
Kammer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zu zerstäubende Fläche der Zerstäubungselektrode (20) aus Material besteht, das elektrisch schlechter leitet als Metall, und/oder dass an die Kammer eine Gastankanordnung mit einem Reaktivgas angeschlossen ist.
Kammer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäubungselektrode Teil einer Magnetronquelle (52) ist.
Kammer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Magnetanordnung zur Erzeugung eines Magnetfeldes in dem weiteren Entladungsraum (II) vorgesehen ist und dass, bei Einsatz eines Magnetrons als Zerstäubungsquelle, vorzugsweise dessen Streufeld das Magnetfeld im weiteren Entladungsraum (II) bildet.
Vakuum-Zerstäubungsverfahren, bei dem in einem Vakuumrezipienten eine elektrisch schlecht leitende Beschichtung gebildet wird, wobei zwischen einer Zerstäubungselektrode (20, 56) und einer Gegenelektrode (22, 58) eine Zerstäubungs-Gasentladung (I) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass man mindestens einen Oberflächenbereich der Gegenelektrode (22, 50) einer Sichtverbindung von der Entladung (I) her entzieht und zwischen ihm und einer weiteren Elektrode (26, 26', 26''; 50) eine weitere Entladung (II) stattfinden lässt, die als elektrische Verbindung mit der Zerstäubungs-Gasentladung (I) wirkt.
Magnetronanordnung für eine Vakuumkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit einer Zerstäubungselektrode (20, 56) sowie einer Gegenelektrode (58), zwischen denen ein Entladungsraum gebildet ist, wobei ein Flächenbereich der Gegenelektrode der Sicht von der Zerstäubungselektrode (56) her entzogen ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Elektrode (50) mit dem Flächenbereich einen weiteren Entladungsraum (II) bildet.
Magnetronanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Streufeld der Magnetronanordnung den weiteren Entladungsraum (II) durchdringt.
Magnetronanordnung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Magnetanordnung eigens zur Erzeugung eines Magnetfeldes primär im Entladungsraum (II) vorgesehen ist.