DE2111732C3

DE2111732C3 - Vorrichtung zum Gravieren von Gegenständen durch Kathodenzerstäubung mit Ionenaufprall

Info

Publication number: DE2111732C3
Application number: DE2111732A
Authority: DE
Inventors: Paul Guiochon; Jean Pompei
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1970-03-18
Filing date: 1971-03-11
Publication date: 1980-05-22
Also published as: US3730873A; JPS5145435B1; DE2111732B2; FR2082505A5; GB1342513A; DE2111732A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Gravieren von Gegenständen durch Kathodenzerstäubung mit Ionenaufprall in einer zwischen einer Anode und einer kalten Kathode gezündeten Entladung, bei der die zu gravierenden Gegenstände auf der Stirnfläche der scheibenförmig ausgebildeten Kathode angeordnet sind, bei der die Kathode von einem metallischen Schutzring umgeben ist und bei der in der Nähe der Kathode eine mit einer Spannungsquelle verbundene Hilfselektrode angeordnet ist.

Eine derartige Vorrichtung ist z. B. aus der US-PS 74 021 bekannt. Sie dient zum Gravieren von Gegenständen durch Kathodenzerstäubung mit Ionenaufprall, und zwar in einer Entladung mit offenbar kalter Kathode. Die bekannte Vorrichtung weist eine erste Elektrode zum Haltern der Gegenstände und eine zweite Elektrode auf. Die Kathodenelektrode ist seitlich von einem Metallelement umgeben. Weiterhin ist in der Nähe dieser Kathode eine Elektrode angeordnet, die mit einer Spannungs- oder Potentialquelle verbindbar ist. Das Metallelement ist durch einen Metallkragen gebildet, der die Kathode seitlich in einem gleichen Abstand von dieser umgibt und mechanisch sowie elektrisch mit einer Grundplatte des Zerstäubuagsraumes in Verbindung steht Weiterhin ist der Metailkragen mit einer Verlängerung aus Metall versehen, die sich gegenüber der Rückseite der Kathode erstreckt Die zu gravierenden Gegenstände sind auch dort bereits auf einer metallenen Stütze angeordnet

Aus der DE-AS 14 40 666 ist es bereits ganz allgemein im Zusammenhang mit Kathodenzerstäubungsanlagen bekannt, die Gleichmäßigkeit großflächiger Schichten dadurch zu fördern und zu beeinflussen, daß in der Nähe der Kathode eine Hilfselektrode angeordnet ist, die elektrisch gegen die Gesamtheit der Obigen Vorrichtung isoliert ist, damit diese Elektrode auf zweckmäßige Spannungen gelegt werden kann.

Eine Gravur mit Hilfe lediglich eines Schutzringes um die Kathode herum ergibt im Endergebnis eine im zentralen Bereich etwa gleichmäßig abgetragene Fläche, während in den Randbereichen, also auf dem äußeren Umfang, der meist eine Kreisfläche bildenden Kathoden, eine ringförmige Ausnehmung entsteht, die eine erheblich größere Tiefe der Gravur zeigt. Dieser Bereich ist sowohl nach außen als auch nach innen hin nicht sdiarf begrenzt Deswegen muß später dieser Bereich abgetrennt werden und ist als Ausschuß zu bezeichnen.

Eine wesentliche Verbesserung brachte bereits die Einführung oben genannter Hilfselektrode. Diese vermeidet die Ausnehmungen am Rande der Kathode auf dem zu bearbeitenden Substrat Aber nun erfolgte wieder ein allmählicher Übergang der abgetragenen Flächen zu völlig unberührten Flächen, so daß in diesen Randbereichen geringere Tiefen abgetragen wurden, wobei die Randbereiche nicht scharf begrenzt waren und ebenso wie oben genannte Ausnehmungen später bearbeiteten Stück abgetrennt und als Ausschuß betrachtet wurden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine ' Vorrichtung zum Gravieren der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die Gravur unter Vermeidung der Ausnehmungen über einen möglichst großen Bereich auf der betreffenden Fläche des Substrates bzw. der Kathode ganz gleichmäßig wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der die Kathode umgebende Schutzring in seiner axialen Richtung parallel zur Mantelfläche der Kathode verschiebbar angeordnet ist.

Dadurch ist es vorteilhafterweise möglich, zwar die Randzone nicht zu vermeiden, aber einen sehr scharfen bzw. steilen Übergang zwischen einer gravierten Fläche mit gleichmäßiger Tiefe und der nicht von der Gravur erfaßten Fläche zu schaffen, so daß die Randzone, die bisher als Ausschuß betrachtet werden mußte, wesentlich verkleinert wird und damit im Endeffekt eine wesentlich größere Fläche bei sonst gleichen Abmessungen mit einer gleichmäßigen Gravur erhalten werden kann.

Vorteile ergeben sich auch, wenn der Schutzring aus einem die Kathode seitlich in gleichem Abstand umgebenden Metallzylinder besteht, der durch drei in der Höhe von außerhalb des Raumes einstellbaren Haltestangen gehalten ist, oder wenn die in den übrigen Unteransprüchen beschriebenen Mittel vorgesehen sind. Wenn z. B. der Schutzring gegen einen auf der

Grundplatte befestigten Führungszylinder gleitend anliegt, wird ein Verkippen des Schutzringes gegenüber der Kathodenfläche bzw. der Kathode selbst verhindert

Ein Ausführungsbeispiel ist ■'.! den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen schematischen, senkrechten Schnitt durch eine Vorrichtung zum Gravieren durch Ionenaufprall der beschriebenen Art,

F i g. 2,3 und 4 einen Substratträger,

Fig. 5 den Einfluß des Schutzringes auf die Äquipotentialebenen,

F i g. 6 das durch die Schutzring-Substratträger-Anordnung nach F i g. 5 erhaltene Gravurprofil,

Fig.7, 9 und It Anordnungen ähnlich der nach F i g. 5, jedoch bei anderen gegenseitigen Lagen usw.,

F i g. 8,10 und 12 die durch die Anordnungen nach den F i g. 7,9 und 11 erhaltenen Gravurprofile.

Die Vorrichtung zum Gravieren von Gegenständen mittels Kathodenzerstäubung durch Ionenaufprall nach F i g. 1 ist in einem Raum 10 angeordnet, der durch eine zylindrische Glaswand 11 begrenzf. wird, die auf einer metallenen Grundplatte 12 ruht und auf der Oberseite mit einer Abdeckplatte 13 abgeschlossen ist. Der Raum 10 ist mit einer Pumpanlage durch die Leitung 14, die durch die Grundplatte 12 hindurchragt, und mit einer Glasquelle durch die Leitung 15, die durch die Abdeckplatte 13 verläuft, verbunden.

Im Raum 10 sind eine Kathode 16, ein Schutzring 17, ein Führungszylinder 18 und eine Hilfselektrode 19 angeordnet

Die Kathode 16 besteht aus einer kreisförmigen und hohlen Platte der in der Kathodenzerstäubungstechnik häufig benutzten Art. Sie kann mit Wasser gekühlt werden. Dieses tritt durch die Leitung 20 ein, umströmt, die kreisförmige Scheibe 21 im Innern der Kathude 16 und verläßt diese durch eine zur Leitung 20 konzentrisch angeordnete ringförmige Leitung 22. Diese Leitungen 20 Lnd 22 sind in der Grundplatte durch einen Ring 23 gehalten.

Der Schutzring 17 besteht aus einem zylindrischen Metallkragen, der in vertikaler Richtung derart verschiebbar ist, daß seine Höhe in axialer Richtung in bezug auf die der Kathode 16 veränderbar ist. Der Schutzring 17 ist hierzu auf z. B. drei Haltestangen 24 befestigt, die auf dem Umfang der Kathode um 120° versetzt angeordnet sind, die durch die Grundplatte 12 luftdicht geführt sind und am unteren Ende 25 ein Einstellgewinde aufweisen. Um eine axiale Ausrichtung des Schutzringes 17 ohne ein Verkippen zu ermöglichen, liegt er innen gleitend gegen einen Führungszylinder aus Metall an. Der Führungszylinder 18 ist auf der Grundplatte 12 befestigt Diese liegt ihrerseits innen gegen ein metallenes Abschirmblech 27 an, aas in einem bestimmten Abstand von einigen mm hintei der Kathode 16 angeordnet ist und das verhindert, daß die Entladung sich auf der Rückseite der Kathode 16 fortsetzt.

Die metallene Hilfselektrode 19 ist ringförmig ausgebildet. Der innere Durchmesser dieser entspricht nahezu dem des Schutzrinee '.~ Die Hilfselektrode 19 wird von einem Metallarm 28 getragen, der isoliert und luftdicht durch die Grundplatte 12 bei 29 geführt ist.

Auf der freien Stirnseite der Kathode 16, gegenüber der Hilfselektrode 19, ist der Substratträger mit den zu gravierenden Gegenständen angeordnet. Dieser ist wie folgt ausgebildet (siehe F i g. 2,3 und 4):
Auf einer metallenen Stützplatte 30, z. B. aus rostfreiem Stahl, werden Halter 31 (siehe Fig.2) der gleichen Abmessungen wie die zu bearbeitenden Gegenstände angeordnet Eine Aluminiumoxydschicht 32 (siehe F i g. 3) mit einer Stärke von 0,5 bis 1 mm wird auf die Haiter 31 und auf der Oberfläche 30a der Platte 30 z. B. mittels einer Plasmaröhre aufgebracht Danach werden die Halter 31-durch die Gegenstände ersetzt. Ein Gegenstand 33 ist in Fig.4 an der Stelle des zentralen Halters 31 dargestellt

Die Aluminiumoxydschicht 32 schützt die Stützplatte 30 vor einer Zerstäubung und verhindert das Auftreten des Malter-Effektes, der bei jedem mit einer sehr dünnen Oxydschicht überzogenen Metall auftreten kann. Sie verhindern außerdem die Ablagerung einer Metallhaut auf der Glaswand 11, wodurch die optische Kontrolle unmöglich gemacht würde.

Ein Hochfrequenz-Wechselspannungsgenerator 34 (siehe Fig. 1) ist mit seinem einen Ausgang 35 in bekannter Weise über einen Kondensator 36 mit der Kathode 16 verbunden. Der andere Ausgang 37 liegt an Masse, an der auch die Grundplatte 12, das Abschirmblech 27, der Führungszylinder 18, der Schutzring 17 und die Abdeckplatte 13 liegen.

Beim Gravieren leitfähiger Gegenstände kann 34 auch ein Gleichspannungsgenerator sein. Dann braucht die Stützplatte 30 nicht mit Aluminiumoxyd bedeckt zu werden.

Die Hilfselektrode 19 ist über den Metallarm 28 mit einer Spannungsquelle 38, z. B. einer Gleichspannungsquelle, verbunden. Diese Spannung kann, wie in F i g. 1 gezeigt, einstellbar ausgebildet sein, und zwar mit einem Potentiometer, von dessen Abgriff 39 über ein Amp-Meter 40 die Spannung auf den Metallarm 28 gelangt. Ein Kondensator 41 sorgt dafür, daß hier keine Wechselspannungen auftreten können. Die in richtiger Höhe angeordnete Hilfselektrode 19 ermöglicht einen Aufprall senkrecht zur Oberfläche des zu gravierenden Gegenstandes.

In F i g. 5 stellt das horizontale, schraffierte Rechteck ein zu gravierendes Substrat 50 dar, das die Gesamtoberfläche einer Kathode bedeckt, die von einem Schutzring 51 umgeben ist. Die oberen Flächen des Substrates 50 und des Schutzringes 51 liegen in der gleichen Ebene. Die Linie 52 gibt die Zwischenfläche zwischen dem Entladungsplasma 53 und der dunklen Kathodenzone 54 an, die also eine Äquipotentialebene entsprechend dem Potential des Plasmas darstellt, während die Linie 55 eine 55 eine Äquipotentialebene mit Nullpotential angibt. Die Ionenbahnen werden durch die Pfeile Fangedeutet.

Die meisten Pfeile F treffen das Substrat 30 in senkrechter Richtung, während am Umfang des Subtrates 30 die Bahnen infolge der Krümmung der Äquipotentialebenen schräg verlaufen. Das Gravierprofil bei einer solchen Verteilung ist in F i g. 6 dargestellt, die deutlich eine Fokussierung der Ionen in Richtung auf den Rand des Substrates 30 zeigt, die sich in einer Ausnehmung 56 äußert.

Der Zusatz einer Hilfselektrode 57 zu der Struktur nach F i g. 5 nahezu in Höhe der Trennfläche zwischen dem Plasma und der dunklen Zone ermöglicht bei einem geeigneten Potential (siehe F i g. 7) die Äquipotentialebene 52 insbesondere am Umfang zu beeinflussen und ditse Ebene abzuflachen. Dies ergibt ein besseres Gleichgewicht der Ionendichte pro Oberflächeneinheit des Substrates 30 und eine Korrektur der Ionenbahnen an den Teilen, wo die Bahnen schräg verliefen, wodurch in der Praxis ein eleichmäßieeres Gravierorofil (siehe

F i g. 8) ohne tiefe Ausnehmungen 56 erhalten wird. Am Rand des Subtrates 30 über eine Breite von etwa 2 bis 5 mm ist die Graviertiefe geringer und am Rande selber ist sogar keine Gravur mehr vorhanden.

F i g. 9 zeigt schematisch die Geometrie der Graviervorrichtung, in der der obere Rand des Schutzringes 51 höher ist als die zu gravierende Fläche des Substrates 50. Diese Anordnung ändert nicht wesentlich die Form und den Abstand der Äquipotentialebenen 52 und 55 im Vergleich zu Fig.5. Der Pegel des Nullpotentials ist jedoch weiter entfernt von der Oberfläche des Substrates 50. Die Richtung der Ionen sind auch senkrecht zum Substrat 30 im zentralen Gebiet und verlaufen schräg am Umfang des Substrates 30. Bei Abwesenheit einer Hilfselektrode 57 ergibt sich dann beim Gravierprofil eine von der nach F i g. 6 verschiedene Konfiguration. Der Schutzring 51 erzeugt einen Schatten und isoliert von dem Aufprall einen Teil 58 mit einer Breite von etwa 1 bis 5 mm am Rande des Substrates 30, während die zwar geschwächte Fokussierung nun Ausnehmungen 59 mit geringerer Tiefe (siehe Fig. 10) hervorruft. Die Gesamtbreite der gestörten Zone, in der die Gravur im Vergleich zu der in der Mitte des Substrates 30 ungleichmäßig ist, ist etwa 10 mm, also nahezu gleich der Breite der Zone im Profil nach F i g. 6.

Die Hilfselektrode 57, die auf ein geeignetes Potential gebracht und, wie gesagt, auf einer Höhe nahe der Trennfläche zwischen dem Plasma und der dunklen Zone (siehe Fig. 11) angeordnet ist, ermöglicht, die lonenbahnen in der gewünschten Weise zu korrigieren, wodurch das Gravierprofil nach Fig. 12 erhalten wird. Die Graviertiefe ist über eine sehr große Oberfläche des Substrates 50 gleichmäßig, aber nahezu Null in einem

Umfangsband 60 mit einer Breite von 1 bis 5 mm, wobei die Verbindung zwischen den zwei Gebieten steil verläuft.

Durch Änderung der Höhe des Schutzringes 57 und durch gleichzeitige Änderung des Wertes des der

Hilfselektrode 51 zugeführten Potentials kann in einfacher Weise und schnell, unabhängig von den Entladungsverhältnissen, sichergestellt werden, daß die Qualität der Gravur nahezu über die ganze Oberfläche der Kathode gleichmäßig ist.

Beispielsweise bei einer Geometrie nach Fig. 11 mit einer Kathode mit einem Durchmesser von 150 mm, wobei der obere Rand des Schutzringes 51 in einem Abstand von 5 mm über der oberen Fläche des Substrates 30 liegt und der Schutzring 51 in einem Abstand von 5 mm von dem Umfang der Kathode angeordnet ist, während der Abstand zwischen der Hilfselektrode 57 und dem Schutzring 15 35 mm beträgt, und das Gravieren durch Hochfrequenz-Wechselspannung erfolgt (Leistungsdichte 1,2 W/cm², Frquenz 14 MHz) mit einem Argondruck von 2 - 10-²mm Hg, muß der Hilfselektrode 57 ein Gleichspannungspotential von +40 V gegen Masse zugeführt werden, um ein Gravierprofil nach F i g. 12 zu erhalten, wobei die Breite des nicht gravierten Umfangsbandes 5 mm beträgt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Gravieren von Gegenständen durch Kathodenzerstäubung mit Ionenaufprall in einer zwischen einer Anode und einer kalten Kathode gezündeten Entladung, bei der die zu gravierenden Gegenstände auf der Stirnfläche der scheibenförmig ausgebildeten Kathode angeordnet sind, bei der die Kathode von einem metallischen Schutzring umgeben ist und bei der in der Nähe der Kathode eine mit einer Spannungsquelle verbundene Hilfselektrode angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der die Kathode (16) umgebende Schutzring (17) in seiner axialen Richtung parallel zur Mantelfläche der Kathode verschiebbar angeordnet ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzring (17) aus einem die Kathode seitlich in gleichem Abstand umgebenden Metallzylinder besteht, der durch drei in der Höhe von außerhalb des Raumes (10) einsteilbaren Haltestangen (24) gehalten ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzring (17) gegen einen auf der Grundplatte (12) befestigten Führungszylinder (18) gleitend anliegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungszylinder (18) innen gegen ein auf der Ruckseite der Kathode angeordnetes metallenes Abschirmblech (27) anliegt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf der Stirnfläche der Kathode angeordnete und zur Aufnahme der zu gravierenden Gegenstände dienende metallene Stützplatte (30) eine Aluminiumoxydschicht aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützplatte (30) aus rostfreiem Stahl besteht.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode (19) in Form eines Ringes gegenüber der wirksamen Fläche der Kathode (16) angeordnet ist und daß der Innendurchmesser der Hilfselektrode (19) mindestens gleich dem äußeren Durchmesser der Kathode (16) ist.