DE1765287A1

DE1765287A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Zerstaeuben

Info

Publication number: DE1765287A1
Application number: DE19681765287
Authority: DE
Inventors: Wehner Gottfried K; Anderson Gerald S
Original assignee: Litton Industries Inc
Current assignee: Litton Industries Inc
Priority date: 1967-05-05
Filing date: 1968-04-27
Publication date: 1972-04-06
Also published as: GB1226004A; US3501393A; FR1566888A; SE345482B

Description

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PA Sch«/« Litton Industries, Incorporated, Beverly Hills, USA

Verfahren und Vorrichtung zum Zerstäuben

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Aufbringen dünner,Filme auf die Oberfläche eines Trägers, durch den als Zexstäuben bekannten Prozeß, und befaßt sich insbesondere mit einer verbesserten Fangelektrode Und einem Zerstäubungsverfahren, bei dem eine an die Fangelektrode angelegte, vorbestimmte Spannung ein Gasentladungsplasma auf ein von der Einhüllenden der Fangelektrode umschlossenes Volumen beschränkt sowie positive Ionen in Richtung auf dl· Fangelektrode beschleunigt, so daß Atone, lolekUle oder kleine Teilchen aus der Fangelektrode oder einen benachbart der Fangelektrode angeordneten Werkstoff herausgeschlagen «erden, «ine Technik, die als laneitbaschuO bezeichnet «ird.

Die Zeretäubungstschnik hat seit Beginn Ihrer Entwicklung i«. Jahre 1852 unterschiedliches Interesse erfahren· Bei einer Tot« des Zerstäuben·, die als Kathodenzerstäubung bezeichnet «ird, handelt es sich un einen Prozeß, der bewirkt, daO Atome eue der Oberflüche der Kathode dadurch herausgeschlagen «erden, daS Ionen auf die Kathodenoberfläche aufprallen. Das Zerstäubung»-

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verfahren, bei dem die Ionen die Kathode treffen und Atome oder Moleküle aus dieser herausreißen, wird in einer geschloa-

—1 senen Kammer durchgeführt, die auf einen Druck zwischen 10 und ungefähr 50 Torr gehalten wird und in der Elektroden, wie eine Anode und die Kathode, in Abstand voneinander angeordnet sind. Cine Gleichspannungsquelle wird an die Anode und die Kathode angeschlossen, wobei daa negative Potential an die Kathode angelegt wird, um eine Potentialdifferenz von beispielsweise 200 bis mehrere 1000 Volt zu erzeugen. Die Elektrode, die zerstäubt wird, wird im allgemeinen als Target Oder Fangalektrode bezeichnet*. Ein Träger mit einer Oberfläche, auf der dia herausgeschlagenen Atome oder Moleküle gesammelt werden, kann auf der Anode angeordnet werden oder diese umgaben. Die zwischen die Anode und die Kathode gelegte Potentialdifferenz erzeugt positive Ionen in einem Gasentladungeplasma innerhalb der Kammer der Zerstäubungsvorrichtung. Die positiven Ionen werden in Richtung auf die Fangelektrode beschleunigt und schlagen aus dieser Atome oder Moleküle heraus. Der größte Teil dar angelegten Spannung erscheint als ein Spannungsabfall an der dar Kathode benachbarten Kathodenfallstrecke, wobei unter Kathodenfall der Potentialabfall verstanden wird, der auf der kürzen Strecke zwischen der Kathode und der Plasaagrenzflache eintritt. Die Oberfläche der Fangelektrode steht auf dieee Weise unter eine« ständigen SeschuO durch Ionen, deren Aufprall zur Folge hat« daB Atome oder Moleküle des Fangelektrodenaaterials die Oberfläche verlassen und sich von der Fangelektrode wegbewegen· Einige der losgelösten Atome oder Moltikülo erreichen die Trägeroberfläche, auf (Jer ein Film aus dem zerstäubten material ausge-

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bildet werden soll. Bei dieser Art der Zerstäubung stehen die Dichte des Plasmas und die Energie, mit der die Ionen auf die Fangelektroda auftreffen, in einer unmittelbaren gegenseitigen Beziehung, weil beide Faktoren durch den in der Kammer .herrschenden Gasdruck bestimmt «erden*

Eine gesonderte Beeinflussung von Faktoren «ie der Plasmadichte und den elektrischen Potential an der Fangelektrode kann bei sogenannten "Trioden^Zerstäubungssystemen" erreicht werden, bei denen eine Anode und eine Elektronen emittierende Kathode benutzt werden, um die Plasmadichte zu steuern, während eine dritte, gesonderte Elektrode, die Fangelektroda, mit einem geeigneten Potential vorgespannt wird, um positive Ionen aus dem Plasma in Richtung auf die Fangelektrode zu beschleunigen und dadurch Atome oder Moleküle von der Fangelektrode loszulösen. Bei einem handelsüblichen Triaden-Zerstäubungasystera wird der zu beschichtende Träger parallel zu einer ebenen Fläche der Fangelektrode angeordnet, um einen Film aus zerstäubtem Material aufzunehmen, der gleichförmige Dicke besitzt. Bei einem derartigen System wird ein Magnetfeld, dessen Feldlinien im wesentlichen parallel zu den parallelen Oberflächen des Trägers und der Fangelektrode verlaufen, benutzt, um eine möglichst gleichförmige Ionisierung des Plasmas zwischen den Oberflächen des Trägere und der Fangelektrode zu erspielen« Die Verwendung eines Magnetfeldes innerhalb der Zerstäubungekammer zur Beeinflussung der Ionisation des Plasmas und damit der Gleichförmigkeit der Fündicke kann eine beträchtliche Einschränkung darstellen, wenn versucht wird, beispielsweise ferromagnetische

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Filne niederzuschlagen, «eil das einzige magnetfeld, das In den de« Träger benachbarten Bereich zulässig ist, ein Feld 1st, das benutzt wird, um die magnetischen Eigenschaften de· ferro·*· magnetischen.Filme zu beeinflussen.

Neben dem oben.beschriebenen Trioden-Zeretäubungsaystem iet die Anwendung eines zu einer Oberfläche einea Trägers parallelen ilagnetfeldea zur Beschränkung eines Plasmas in einem Bereich nahe einer Fangelektrode und dem Träger innerhalb einer Zerstäubungskaormar aus der USA-Patentschrift 3 291 715 bekannt. Oiese Patentschrift zeigt ferner eine zweite Kammer, die sich durch die Zerstäubungskamraer hindurch und aus dieser heraus erstreckt, um das Plasma einzuschränken. Öffnungen in der zweiten Kammer gestatten as, daö positive Ionen aus dem Plasma in der zweiten Kammer in den der Fangelektrode benachbarten Bereich eintreten und Teilchen von der Fangelektrode auf den Träger gelangen lassen. Während bei dieser Anordnung das Plasma auf ein Volumen beschränkt wird, daa hinsichtlich der Wärmeübertragung bezüglich der Zerstäubungskammer keine Probleme bietet, wird es erforderlich, eine spezielle Art von Zerstäubung skammar zu verwenden, wodurch dies· Anordnung vom wirtschaftlichen Geeichtapunkt aus unpraktiech wird.

Bei einer Weiterentwicklung der Trioden-Zerstäubungsvorrlcbtung werden eine herkömmliche Glühkathode, ein Träger und eint Fangelektrode verwendet, werden diese Elemente jedoch in einem Plasmarohr untergebracht, um die Strömung der eintretenden Casw auf den den Träger und die Fangelektrode umgebenden Bereich zu '

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beschranken. Sei dieser Anordnung ist die GrSQe des Plesmarohrs notwendigerweise beschränkt₍ «eil der Träger innerhalb des Plasmarohra angeordnet ist, «ird dadurch auch die GrSOe dee zu beschichtenden Trägere begrenzt. Infolgedessen lassen' eich Träger «it einer großen Fläche in solchen Vorrichtungen nicht beschichten.

Xn de· BemUhen, eine Zerstäubungsvorrichtung zu schaffen, die die Beschichtung von Trägern «it großen Flächen erlaubt, sowie für eine verbesserte Art der räumlichen Beschränkung dee Plasmas in einer Zerstäubungsvorrichtung zu sorgen, wurden bei bekannten Zerstäubungavarrichtungen besondere Fangelektrodenausbildungen vorgesehen. Beispielsweise umgeben bei einer bekannten Vorrichtung mehrere voneinander in Abstand angeordnete, parallele Metalletäbe ein blattartiges Bauteil, daa zu beschichten ist. Jeder zweite Stab ist dabei elektrisch ale Kathode geschaltet, die abgebaut wird, um des blattförmige Bauteil zu beschichten. Bei einer solchen Vorrichtung let jedoch nicht für eine Beschränkung eines Gaeentledungeplaemae auf ein zentrales. Velumen gesorgt, das in Abstand von dem zu beschichtenden Träger gehalten let. IU der Vorrichtung wird vielmehr des entgegengesetzte Ergebnia erzielt, «eil der Träger mittig en- ;

geordnet ist. 0er Abstand der Stube wird auSerdam nicht al« mögliches Mittel zur Begrenzung doe Plasmas ausgenutzt« &ie elektrische Schaltung jedes zweiten Stabes ala Kathode ISOt ferner erkennen, da8 nicht die Absicht besteht, die Stäbe zur Begrenzung des Plasmas auf ein von dem zu beschichtenden Träger entferntes, zentrales Volumen einzusetzen. .

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Es wurden auch Versuche gemacht, Träger alt großer fläche dadurch gleichförmig zu beschichten, daß eine negativ vorgespannte Fangelektrode in Farm eines einzigen Stabes benutzt wird, dar entlang der Mittelachse einer Kammer und einea Plasmas angeordnet ist, das innerhalb einer gasgefüllten Kammer dadurch aufrechterhalten wird, daO eine Spannung an eine Anode und eine Kathode angelegt wird. Diese Anordnung erwies sich als nicht zufriedenstellend, weil dae Plasma cfazu neigt, ungleichförmig und unstabil zu werden. Insbesondere führen geringfügige Unsymmetrisn zu einer Steigerung dar Plasmedichte in Teilen der Kammer. In diesem Teil wird infolgedessen das Gas heißer, die Dichte des Teils sinkt ab und das Plasma verschiebt sich an eine andere Stelle. Das Hauptplasma verschiebtinfolgedessen seine Lage und rotiert um die Fangelektrode, wodurch es schwierig wird, die Niederschlagsgeschwindigkeit zu beherrschen und auf.einem der Innenwand der Kammer benachbarten Träger eine gleichförmige Filmdicke zu erzielen.

Bei bekannten Anordnungen wurden ferner herkömmliche Hohlkathuden verwendet, d. h. die Kathode ist ein Rohr ader ein Hohlzylinder, das bzw. der in eine Gaaataasphäre eingebracht wird. Das Rohr wird mit Bezug auf ein Plasma, des sich innerhalb des Rohres bildet, negativ vorgespannt. Positive Ionen beschießen die Innenwand des Rohrs und schlagen von dort Teilchen heraus, die auf einen zu beschichtenden Gegenstand treffen, der innerhalb des Rohres angeordnet ist. Weil die Rohrwandung massiv .ist

und der zu beschichtende Gegenstand innerhalb des Zylinders untergebracht werden muß, eignet sich diese Art der Kathoden-

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ausbildung nicht für die Beschichtung van Trägern mit großen Flächen.

Oa der Stand der Technik keine praktischen Ulege zeigt, das Plasma innerhalb eines Zerstäubungssystems zu begrenzen, wurden Untersuchungen durchgeführt, um eine Vorrichtung und ein Verfahren zu entwickeln, bei denen die TrägergröQe nicht wesentlich eingeschränkt ist oder bei denen zusätzliche Einbauten wie ein Plasmarohr oder eine Hilfekammer innerhalb eines HauptgefäQea nicht erforderlich sind und bei denen·weiterhin das Plasma ohne Anwendung eines Magnetfeldes begrenzt wird. Ale Ergebnis dieser Forschungen wurden eine Fangelektrode und ein eine derartige Elektrode verwendendes Zerstäubungsverfahren entwickelt, mittels deren die Probleme der Plasmaverschiebung ausgeräumt wurden. Eine derartige Elektrode und ein unter Anwendung einer solchen Elektrode durchgeführtes Verfahren erlauben es, das Plasma innerhalb einer Zerstäubungekammer einzuschränken oder zu begrenzen, ohne daß die dabei bei bekannten ^ Lösungen auftretenden Nachteile in Kauf genommen werden Müssen. Die Fangelektrade nach der Erfindung besteht aus mehreren in gegenseitigem Abstand angeordneten Elementen, die ein käfigartiges Gebilde ergeben, das vorliegend als Fangeiektrodenkäfig bezeichnet wird und deesen Einhüllende ein abgeschlossenes Käfigvolumen umgrenzt. Bei einer Ausführungsform besitzt ein zylindrischer Fangelektrodenkäfig mehrere langgestreckte, in gegenseitigem Abstand im wesentlichen parallel zueinander angeordnete Elemente, die beispielsweise derart gruppiert sind, daO der von den Elementen umfaQte Bereich zylindrisch ist.

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Sei einer drei Elektroden aufweisenden Zerstäubungsvorrichtung ist der Zylindrische Fangelektrodenkäfig im allgemeinen inner*· halb einer geschlossenen Kammer parallel zur Längsachse der Kammer sowie in Abstand von den Kammerwandungen zwischen Anode und Kathode montiert, so daO ein von diesen erzeugtes Plasma mindestens teilweise durch den zylindrischen Fangelektrodenkäfig hindurchläuft. Bei einer Ausführungsform, die einen inner halb der Kammer angeordneten Fangelektrodenkäfig besitzt, wird

P in der Kammer ein Plasma durch ausgebildet, daß zwischen die

Anode und die Kathode ein elektrisches Potential angelegt wird. Sodann wird ein geeignetes Fangelektrodenpotential an den Fangelektrodenkäfig angelegt, um dafür zu sorgen, daß die Ionen— teilschichten, die um Jedes der Fangelektrodenelemente herum ausgebildet werden, einander mindestens berühren und vorzugsweise überlappen, so daO eine zusammenhängende Ionenschicht entsteht. Auf diese Weise wird das Gasentladungsplesma innerhalb der Kammer auf das zylindrische Volumen begrenzt, das von

^ der Einhüllanden des Fangelektrodenkäfigs umschlossen wird.

Einer der Vorteile, der sich aus der Verwendung eines solchen Fangelektrodenkäfige ergibt, besteht darin, daß das Caaentladungsplastna seine Lage nicht ändert oder innerhalb der Kammer rotiert, »eil es auf das abgeschlossene Volumen beschränkt ist, das von dem Fangelektradenkäfig begrenzt wird. Biegen dee Abstandes zwischen den Elementen des FangelektrodenkäfIgs können die bei dem Zerstäubungsprozeß herausgeschlagenen neutralen Teilchen (Atome oder ßoleküle) sich von dem geschlossenen Käfiguolumen nach außen bewegen und auf einem Träger niedergo-

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achlagen «erden, der außerhalb des Bereiches angeordnet ist, dar von den Elementen dar Fangelektrade umechloesen wird. Oa dar Träger nicht innerhalb dea abgaachloaaanan Käfigvolumena angeordnet werden muß, kann mit einer erheblich erhöhten Laietung gearbeitet «erden, ohne daS «a zu ainar entaprechenden Steigerung dar Trägertemperatur kommt.

Weiterhin können die Träger so groß gehalten «erden, «ie diea dar Raum erlaubt, der zviechen den Elementen dea Fangelektrodankäfige und den Wandungen der Kammer zur Verfügung ataht. Oa zum Aufdampfen oder Zarstäuben gegenwärtig Kammern verwendet •erden, die einen Durchmaeaar von bBiapialaveiae bis zu 3 m baaitzan, ist vorliegend die TrägergrÖBe praktisch nicht begrenzt.

Ein «eiterer Vorteil dar Erfindung besteht darin, daß ein bestimmter Prozentsatz der Ionen, die in Richtung auf die Elemente dee Fangelektrodenkäfigs beschleunigt «erden, eine gekrümmte Flugbahn haben und unter einem schiefen Winkel auf dia Elemente % des Fangelektrodenkäfigs auftreffen. Bekanntlich «ird die Zeratäubungaauabeuta erhöht, wenn die Ionen auf eine Fangelektrode unter einem schlafen Winkel und nicht rechtvinkling auffallen. Ob«ohl die Elemente dee Fangelektrodenkäfiga bei einer Ausführungaform einen gegenseitigen Abstand besitzen, «erden Filme mit gleichförmigerer Dicke auf dar Oberfläche dea Trägere abgeschieden.

Im Gegenaatz zu Fangelektroden, die klein sind und gegenüber

dam zu beschichtenden Träger angeordnet «erden, hat der Fang-

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•lektrodenkäfig nach der Erfindung ein· große Oberfläche. Auf Grund dessen wird zeretäubtee Material in Riohtung auf alle Oberflächen innerhalb der Kammer geworfen. Dieeverbeaeert die Getterwirkung bezüglich Verunreinigungen und trägt zu sauberen Entladung9bedingungwn bei. Der käfigartige Aufbau der Fangelektrode erlaubt ferner die Auebildung eines hohes Ioniaierungegradea für das in der Kammer befindliche Gas· Bei einem hohen Ioniaierungsgrad tritt eine Pumpwirkung in einer in den Käfig hineinführenden Richtung auf, «eil das Gas, solange ee ionisiert ist, das abgeschlossene Volumen des Käfigs nicht verlassen kann. Trotz des Abatandes zwischen den Elementen des Fangelektrodenkäfige führt dies zu einem geringeren Gasdruck im Bereich des Trägers als innerhalb das abgeschlossenen Käfigvolumens. Der niedrigere Gasdruck im Trägerbereich ist oft erwünscht, um den Gehalt an Edelgasen in den Filmen herabzusetzen, die auf dem Träger niedergeschlagen werden·

Falls ein langer Träger beschichtet werden soll oder es sich bei dem Träger um einen blattförmigen Körper handelt, der auf eine Spule aufgewickelt ist und beispielsweise wine Länge von mehreren Bieter hat, kann dia Länge der Elemente de· Fangelektrodenkäfigs leicht so auegewählt werden, wie dies im Rahmen dar Erfindung für den jeweiligen Anwendungefall erforderlich ist, und kann gleichwohl für eine Abgrenzung dea Plasma· gesorgt werden. Die Beschränkung des Plasmas auf einen abgeschlossenen Boraich wird mittels des Fangelektrodenkäfigs nach der Erfindung ohne Anwendung eines Magnetfeldes erzielt. Infolgedessen können beispielsweise ferromagnetische Filme auf dem

Träger niedergeschlagen werden.

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Erfindungsgemäe wird eine Zerstäubungsvorrichtung in Form einer Niedordruck-Gasentladurtgevoi'iichtung geschaffen, die mindestens sine Anode, «-,indgstens eine Kathode und eine Fangelektrade aufweist, die .aus in gegensai£igem Abstand angeordneten Elementen besteht, um auf ainen Träger ein Material aufzubringen, das im Betrieb der Vorrichtung einem Beschüß durch Ionen ausgesetzt «ird, die in Richtung auf die Fangelektrode beschleunigt «erden. Nach Inbetriebnahme der Vorrichtung hält die Fangelektrade ein von ihr eingeschlossenes Plasmavolunen vom Träger getrennt. Die ringelektrode kann aus zu zerstäubendem, elektrisch leitendem material bestehen. Die in gegenseitigem Abstand angeordnetem Elements der Fangolektrode können auch van Rahren aus dam zu zerstäubenden Iflaturial umgeben sein. In diesen Falle kann ein Kühlmittel durch die Rohre hindurchgyleitet werden. Wenn das zu zerstäubende material die Form van Rohren hat, können die Rohre aus elektrisch isolierendem material gefertigt werden.

Ufas die geometrische Gestalt der Fangelsktrode anbelangt, so sind die Elements der Fangelektrado im allgemeinen in zylindrischer Gruppierung angeordnet und begrenzen sie ein zylindrisches Volumen. Bei dieser Ausbildung sind die Anode und die Kathode an den Enden des Zylinders angebracht, so daß die das Plasma bildende Entladung zwischen Anode und Kathode in axialer Richtung durch den Zylinder hindurch erfolgt. Die im gegenseitigen Abstand angeordneten Elemente dor Fangelektrode können

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aus parallelen Stäben, den Windungen einer Wendel oder den Drähten eines Maschengitters bestehen.

Die Träger, auf denen das zerstäubte material aufgefangen «erden soll, befinden sich an einer Stelle, an der sie mittels der Fangelektrode von dem nach Inbetriebsetzung der Vorrichtung gebildeten Plasma getrennt gehalten sind· Führungen, beispielsweise Rollen, können innerhalb der Zerstäubungsvorrichtung vorgesehen «erden, um die Träger entlang einer zylindrischen FlS-ehe zu halten, die das von den Elementen der Fangelektrode begrenzte Zylindervolumen konzentrisch umfaßt. Ee wurde fsstgestellt, daQ besonders gute Ergebnisse erzielt «erden, «enn das Verhältnis zwischen dem Durchmesser des von den Trägern gebildeten Zylinders und dem Durchmesser des von den Elementen der Fangelektrode gebildeten Zylinders ungefähr gleich 3x1 ist. Falls Spulen einen Teil der Führungen bilden, lassen sich innerhalb der Vorrichtung Träger großer Länge unterbringen.

Das erfindungsgemäOe Verfahren zum Zerstäuben von laterial zwecke Aufbringen auf Tfäger durch BeschuO mit Ionen, die in einer Plasmaentladung in Richtung auf eine Fangelektrode beschleunigt «erden, an die ein gegenüber dem Plasma.negatives Potential angelegt «ird, lot im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daO die Plasmaionen durch Anlegen eines Potentials zwischen das Plasma und jedes der Elemente einer Fangelektrode aus in gegenseitigem Abstand angeordneten Elementen in Richtung auf diese Elemente beschleunigt werden, das Plasma mittels der Elemente im wesentlichen innerhalb eines abgegrenzten

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Raumes gehalten wird und das zerstäubte Material auf Trägern aufgefangen «ird, die innerhalb eines anderen, von Plasma im •eaentlichen freien Raumes angeordnet «erden.

Die Ionen «erden auf die aus dsm zu zerstäubenden Material bestehenden Elemente der Fangelektrode oder auf Rohr zum Aufprall gebracht, die aus dem zu zerstäubenden Material bestehen und die Elemente der Fangelektrode umgeben. Durch die Rohre kann ein Kühlmittel hindurchgeleitet «erden.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anvendungemöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen.

Es zeigt:

Figur 1 einen Querschnitt einer drei Elektroden aufweisenden Zerstäubungsvorrichtung mit einer käfigartigen Fangelektrode zur Begrenzung eines Gasentladungsplasmas auf ein abgeschlossenes Volumen, das von dan in gegenseitigem Abstand angeordneten Elementen der Fangelektrode bestimmt «ird,

Figur 2 eine Draufsicht entsprechend der Linie 2-2

der Figur 1, die die in gegenseitigem Abstand engeordneten Elemente der Fangelektrode und einen von Rallen geführten blattförmigen Träger erkennen läßt,

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figur 3 einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der die Kathode die For» der käfigartigen Fangelektrade nach den Figuren 1 und hat,

Figur 4 einen Schnitt entlang der Linie 4-4 der Figur 3» der zu beschichtende Träger veranschaulicht, die außerhalb des von den Elementen der Fangelektrode eingeschlossenen Volumens angeordnet sind,

Figur 5 in größerem RIaQ β tab einen Teilachnitt der Ausfüh-

rungaforia nach Figur 2, der die die Fangalektrodenelentente bildenden, parallelen, langgestreckten Stäbe und die Ionenachichten erkennen läßt, die um jeden Stab herum ausgebildet werden und, ineinander übergehend, eine im wesentlichen zusammenhängende Ionenechicht bilden, die das Plasma auf das von der Fangelektrode umschlossene Volumen beschränkt.

Figur 6 in Draufsicht einen Teilschnitt euf eine einzige

Elektrode innerhalb eines Plaamas zueammen mit den Anschlüssen für ein (mit Bezug auf das Plasma) negatives Potential,

figur 7 einen teilweise aufgebrochenen Schnitt durch eine Fangelektrode in Form einea «eschengittars zur Beschränkung das Plasmas auf tin abgasohleessnee Volumen, 209815/1289

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Figur 8 eine graphische Darstellung, die erkennen läßt, wie sich der Ionenstrom als Funktion der Fangelektrodenspannung für verschiedene Uferte des Hauptentladungast rumes ändert,

Figur 9 teilweise im Schnitt eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Fangelektrode, die derart ausgebildet ist, daß auf Trägern Filme gleichförmigerer Dicke erhalten werden,

Figur 10 eine Ansteht entlang der Linie 10-10 in Figur 3, die zu beschichtende Träger veranschaulicht,

Figur M eine graphische Darstellung, die die verbesserte Filmdickengleichförraigkeit erkennen läßt, die mit Fangelukfcrcdtjn gonäQ den Figuren 9 und 10 erhalten wird,

Figur 12 eine Ansicht einer Fangelektrode in Form eines «endeiförmigen Käfigs, und

Figur 13 einen Teilschnitt einer Fangelektrade, die aus

Elementen besteht, die von hohlen Rohren umgeben werden, um die Fangelektrade kühlen zu können.

GemäO den Figuren 1 und 2 erfordert der Zerstäubungeprozeß 1« wesentlichen eine Vorrichtung 10 mit einer luftdichten Kammer 12, die auf eimern Sockel 14 montiert und mit diesem luftdicht v*r·

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bunden ist. Zur Evakuierung der Kenner 12 ist eine (nicht veranschaulichte) Vakuumpumpe vorgesehen. Ein einen Vorratsbehälter 18 entnommenes, zweckentsprechendes Gas, beispielsweise Argon, »ird über einen Durchlaß 20 in die Kanner 12 eingeführt, wobei die Atmosphäre innerhalb der Kanmer beispielsweise auf einem Druck von 10 bis 10 Torr gehalten wird. Bei der nit . drei Elektroden ausgestatteten Zerstäubungsvorrichtung nach der Erfindung umschließt die Kammer 12 eine Anode 22 und eine oder mehrere Kühlkathoden 24. Die Kathoden 24 sind in herkömmlicher lüeise in einotn Kathadengehäuse 25 untergebracht, das einen Hals 26 aufweist, der sich nach oben in Richtung auf dia Anode 22 äffnat. Die Anode 22 und die Kathoden 24 sind über positive und negative Leitungen 29. bzw. 28 an eine (nicht veranschaulichte) Spannungsquelle angeschlossen.

In Betrieb wird die Kammer 12 mittels der Vakuumpumpe leerge— pumpt und wird ein Gas, beispielsweise Argon, Über den Durchlaß 20 in die Kammer 12 eingeführt, bis ein Druck von bei-

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epielsweise etwa 10 bis 10 Torr erreicht ist. mittels einer Spannung von ungefähr 300 VoIt₁ die en die Reihenschaltung aus einem (nicht veranschaulichten) understand, der Anode 22 und der Kathoden 24 angelegt wird, wird das Argon ionisiert und wird innerhalb der Kammer 12 ein Gasentladungspiaana ausgebildet, das Elektronen und positive Ionen enthält. Hrnrrn die Entladung im Gange ist, beträgt die Spannung zwischen der Anode 22 und den Kathoden 24 ungefähr 30 Volt, während die «erbleibenden 270 Volt an dem Serieneideratand abfallen·

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Es ist bekannt, daß dann, wenn ein Clement 30 (Figur 6) einer Fangelektrada van einem GasantLadungsplssma, beispielsweise einem Plasma der oben in Uerbindung mit den Figuren 1 und 2 beschriebenen Art, umgeban ist und wenn ein mit Bezug auf das Plasma negatives Potential an das Fangelektrodenelement 30 (beispielsweise mittels einer Leitung 31) angelegt wird, fast der gesamte Spannungsabfall zwischen dem Plasma und dem Element an einer Ionenschicht 32 auftritt, die das Fangelektrodenelement 30 umgibt. Das an das Element 30 angelegte negative Po- " tentiai beschleunigt die Ionen in Richtung auf das Element 30. Der Aufprall der Ionen auf das Fangelektrodenelement 30 läßt Atome oder ITIoleküle, oder allgemein gesprochen Teilchen, aus der Oberflache des Fangelaktrodenelements 30 austreten. Die herausgeschlagenen Teilchen können eich von dem Element 30 wegbameyan. Einige der Teilchen treffen auf einen Träger 34 und bilder? dort einön Film oder Niederschlag 36.

Eine in der vorstehenden Weise um eine Elektrode, beispiels— M weise das Fangelektrodenalement 30, herum ausgebildete Ionenschicht kann als ein zwischen den Plasma und der Elektrode liegender Bereich definiert «erden, von dem aus dem Plasma stammende Elektronen mittels des negativen Potentiale am Fang*- elektrodonelement 30 abgestoßen werden. Die Ionenschicht ist dunkel, weil das Fehlen der Elektronen verhindert, daß das Gas in diesem Bereich angeregt wird. Ionen, die den Rand der Ionenschicht durch statistische oder l/ärmebewegung erreichen, «erden mittels des an die Elektrode (Fangelektrodenelement 30) angelegten Potentials beschleunigt, so daß die Ionen mit hoher

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- 18 Energie auf die Elektrode auftreffen.

Dia Langmuirsche Raumladungsgleichung ist fur den Fall einer Ebene in dem Kapitel VI des Buches "Gaseous Conductors" von 3. t). Cobine, 1941, Dover Publications, New York, diskutiert und kann dazu benutzt «erden, eine Beziehung zwischen der in den Figuren 5 und 6 gezeigten Dicke d der Ionenschicht und den Parametern des in der Kammer befindlichen Plasmas aufzustellen, ^ und zwar wie folgt:

Dio statistische oder auffallende Ionenstromdichte j* im Plarnma iat defininrt als

J⁺ - 1/4 nve, «nobel (1)

η * lonendichte oder Anzahl der Ionen/cm , ν * mittlere Geschwindigkeit der Ionen im Plasma und

9 - Ladung eines einzigen Ions.

™ Öle auffallende Ionenstromdichte j*, die an der Ionenschicht anliegende Spannung U und die Ionenschichtdicke d sind verknüpft durch die Gleichung!

J⁺w,_ü . wohei (2)

U * angelegte Spannung zwischen Fangelektrode und Plasma

und
d * Dicke der Ionenschicht um die Fangelektrode herum.

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Setzt «an den Wert von J* aua Gleichung (2) in Gleichung (1) ein, wird die folgende Gleichung erheitern

•~ 1/3 nve (3)

Die Größe e ist selbstverständlich stets konstant; ν ändert eich bei Schwankungen der Entladungsbedingungan nur sehr wenig. Venn daher U konstant gehalten eird und η erhöht wird, inde» der Entladungsetram erhöht wird, muS d kleiner Herden. Wird der Entladungsetrom konstant gehalten, nimmt d proportional U³'* zu.

Es ist festzustellen, daQ «ader in Gleichung (3) mich in den beiden anderen Gleichungen der Gasdruck unmittelbar als Faktor erscheint. Infolgedessen ist davon auszugehen, daß, mindestens innerhalb bestimmter Grenzen, der Gasdruck innerhalt des Druckbereiches, für den die Gleichung (1) anwendbar ist, (einen kritischen Faktor darstellt. Vom Standpunkt der Erzielung maximaler Zerstfiubungsgrada ist jedoch bei Drucken im Bereich van einem Torr die mittlere freie Weglänge der Atome und Ionen kürzer, so defl die mittleren Aufprallenergien der Ionen erheblich niedriger als im Milli-Torr-Bsreich sind, «eil die Ionen einen erheblichen Teil ihrer Energie bei Kollisionen verliere». Dementsprechend kann der ZeretäubungsprozeQ sehr niedrige Wirkungsgrade erreichen. In Anbetracht dessen wird vorzugsweise mit Gasdrucken gearbeitet, die erheblich unter ein Torr liegen, beispielsweise in dem oben genannten Bereich van 10 .Ue 10

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Dia Gleichung (1) ist auch bei der Ermittlung maximaler Zerstäubungageschwindigkeiten von Interesse. Diese lassen sich im allgemeinen durch Anwendung hoher Entladungsetröms erreichen, utsil dadurch die auffallende Ionenatromdichte J⁺ erhöht wird· Aus Gleichung (2) folgt, daß bei erhöhter Ionenstromdichte J⁺ dia Fangelektradenspannung gesteigert «erden mu0, um die Ionenschichtdicke konstant zu halten. Die Steigerung der Fangelsktrodonspannung wird durch die verfügbar· Kühlung der ringelektrode begrenzt. Uiird bei einer drei Elektrode* aufweisenden Zerstäubungsvorrichtung wie der in den figuren 1 und 2 veranschaulichten eine Cdelgasentladung aufrechterhalten, wird der tntiadungsstrom durch die Fähigkeit der Glühkathoden 24, den erforderlichen Strom zu liefern, beschränkt.

Zur Bestimmung der speziellen Iansnschichtdicken d für verschiedene Edelgasplasmen,.Plasmadichten und Fangelektrodenspannungen kann Bezug auf die betreffenden graphischen Darstellungen auf Seite 508 des Buchs von Rl. V. Ardann· "Tabellen dar Elektronenphysik, Ionenphysik und Übermikroskop!·"» VCB Deutscher Verlag' der Wissenschaften, Berlin, 19S6, Bezug genommen werden.

Die in den Figuren 1 und 2 veranschaulichte Kammer 12 besitzt eine Längsachse 38. Die Anode 22 und der Hals 26 da· Kathoden«· gehäuses 25 sind innerhalb der Kammer 12 zentrisch mit Bszug auf die Längsachse 38 angeordnet. In dem Raum zwischen dar Anode 22 ond denKathoden 24 ist oine Ausführungsform einer orfindungegemäe aufgebauten Fangelektrode 45 veranschaulicht. Die Fangelektrode 45 besteht au» mehreren in gegenseitigem A

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stand angeordneten Elementen 44. Die Elemente 44 können, wie dies beispielsweise in den Figuren 2 und 13 veranschaulicht ist, in Form eines Zylinders gruppiert sein, so daß eine käfigartige Fangelektrode 45 (Figuren 1 und 2) oder 146 (Figur 12) entsteht, die ein Volumen einschließt, das als Käfigvolumen V ' bezeichnet itiird.

Gemä'3 Figur 1 ist eine Abschirmplatte 47 auf dam Hals 26 montiert, um das KathodengBhäuse 25 und die Durchführungen, beispieisureise den DurchlaG 20, gegen zerstäubtes. Mater i al abzuschirmen. Dia Abschirinpiatte 47 trägt ainon Glagring 49. Eine ringförmige Stütze 51 wird von dem Ring 49 aufganommon und trägt drei Stäbe 52, die an drei der in gegenseitigem Abstand angeordnaten Clements 44 befestigt sind, um die Fangelektroda 45 zwischen der Anode 22 und dem Hals 26 des Kathadungehäuaes 25 abzustützen. Dor äußere Umfangsteil der Stütze 51 erstreckt sich ausreichend i-jeit nach auGen, um die Außenwand des Glasringes 49 gegen Material zu schützen, das von der Fangelektrods 45 zerstäubt wird, so daß die Fangelektrade 45 gegenüber der Abschirinpiatte 47 elektrisch isoliert bleibt.

Der Fangslektrode 45 sind Stützen 53, beispielsweise Stützringe» zugeordnet, die mit Öffnungen zur Aufnahme der Elements 44 am oberen Teil 54 und am unteren Teil 55 der Fangelektrode 45 versehen sind. Die Elemente 54 sind an gegenüberliegenden Seiten des Stützrj.nga 53 «it Vorsprüngen 56 auegestattet, um den StUti-

ring en Ort und Stelle zu halten und gleichwohl ein Ausdehnen urtd Zusammenziehen der elemente 44 der Fangelektrode 45 zu et-

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Lauben. Die Fangelektrode ist an der Oberseite 54 und an der Unterseite 55 offen-

UJ ie im einzelnen aus figur B hervorgeht, tragen bei* einer Ausführungsfarm der Fangelektrode 45 die Stützringe 53 die in gegenseitigem Abstand angeordneten Elemente 44 parallel zueinander in Abständen, die höchstens ungefähr gleich dem zweifachen Wert der Dicke d der Ionenechichten 57 sind, die um die Elemente 44 herum ausgebildet werden, wenn ein mit Bezug auf das Plasma negatives Potential über eine isolierte Leitung 58 (Figur 1), die an eine nicht veranschaulichte Spannungsquelle angeschlossen ist, an die Elemente 44 angelegt wird. Wenn innarhalb der Kammer 12 ein Plasma gebildet wird und an den Elementen 44 ein verhältnismäßig niedriges negatives Potential anliegt, läuft das Plasma mindestens teilweise durch das von der Fangelektrade 45 begrenzte, abgeschlossene Käfigvolumen V hindurch oder reicht in dieses Uοlumen hinein. Das Plasma befindet sich infolgedessen mindestens teilweise innerhalb der Fangelektrode.

U/enn an die Fangelektrode 45 höhere negative Potentiale angelegt werden, d. h. das Fangelektrodenpotential negativer mit Bezug auf das Plasma wird, kommt ea dazu, daß die Ionenschichten 57, die um jedes Element 44 der Fangelektrode 45 herum ausgebildet werden, einander mindestens berühren oder sich, wie in Figur 5 geneigt, gegenseitig überlappen« so daO eine iaTwesentlichen zusammenhängende Ionenschicht 59 entsteht. Das von dieser zusammenhängenden Ionenschicht 59 eingeschlossene Volumen

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ist im wesentlichen gleich dem Volumen V, das von dem Fangelektradenkäfig umschlossen wird. Die zusammenhängende Ionenschicht, 59 beschränkt das Plasma auf das abgeschlossene Käfigvolumen V, so daß ein Raum R (Figur 2) zwischen den Wandungen der Kammer 12 und dem fangelektradenkäfig im wesentlichen frei von Plasma ist.

U/ie aus Figur 5 hervorgeht, können Teile 60 der zusammenhängenden Ionenschicht 59 zwischen die in gegenseitigem Abstand angeordneten Elemente 44 der Fangelektrode reichen*. Aus dem Plasma ™ stammende positive Ionen werden von allen Punkten entlang der Grenzfläche zwischen der zusammenhängenden Ionenschicht 59 und dem Plasma beschleunigt. Derartige Ionen durchqueren die zusammenhängende Ionenschicht 59 und treffen auf die in gegenseitigem Abstand angeordneten Elemente 44 mit hoher Energie auf. Ionen, die von den Teilen 60 der zusammenhängenden Ionenschicht 59 zwischen den Elementen 44 aus beschleunigt werden, haben eine gekrümmte Plugbahn (angedeutet durch Pfeile 61), wenn sie in Richtung auf die Oberflächen der Elemente 44 laufen. Infolge μ der gekrümmten Flugbahnen können die Ionen einen größeren Teil der Gesamtfläche der Elemente 44 treffen. Oiea hat zur Folge, daß eine erhebliche Anzahl von Ionen schiefwinklig auf die Elemente 44 auffällt und die Zerstäubungsausbeute, d. h. die Anzahl der je auffallendes Ion zerstäubten Teilchen, steigert.

Die aus der Fangelektrode 45 herausgeschlagenen Teilchen bewe-* gen sich durch djLe Zwischenräume 62 zwischen den in gegenseitigem Abstand angeordneten Elementen 44 hindurch in den ρ la«·*-»

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freien Raum R (Figur 2) hinein. Die innerhalb des plasraafreien Raumes R mit den zerstäubten Teilchen zu beschichtenden Träger 63 (figur 5) können verschiedenartigste form aufweisen. In den Figuren 1 und 2 ist ein Blatt 70, beispielsweise eine Folie oder ein Film, veranschaulicht, das den zu beschichtenden Gegen stand oder Träger bilden kann. Das Blatt 70 kann beispielsweise aus einem unter dem Handelsnamen KAPTON FOIL (POLYIMIDE) bekannten Material bestehen und eine beträchtliche Länge besitzen sowie aus (1i.e9em Grund auf eins Vorratsspule 74 (Figur 2) aufgewickelt sein, die innerhalb der Kammer 12 montiert ist. Das Blatt 70 läuft van der Vorratsspule 74 aus über Führungarollen 76 in gekrümmter Bahn durch den plasmafreien Raum R hindurch und nimmt dort die zerstäubten Teilchen auf. Die zerstäubten Teilchen bilden auf dem Blatt 70 einen Film, dessen Dicke von der Zerstäubungsgeschwindigkeit und der Vorechubgeschwindigkeit des Blattes 70 von der Vorratsspule 74 zu einer Aufwickelspule 78 abhängt.

Ein Vorteil der vorliegenden Ausführungefor« de« käfigartigen Aufbaue der Fangelektrode 45 besteht darin, daQ Blätter 70 unterschiedlicher Breite W leicht dadurch verarbeitet werden können, daß eine Kammer 12 vorgesehen wird, deren Höhe (wenn die Achse 38 der Kammer lotrecht steht) oder Lunge (wenn die Achse 38 der Kammer 12 waagrecht liegt) gröOer ala die Breite W des Blattes 70 ist. Ein gleichförmiger Niederschlag von Turnen auf derartige Blätter 70, die unterschiedliche Breite besitzen, wird dadurch erzielt, da0 die Lunge der ill gegenseitigem Ab-

stand angeordneten Element· 44 der Fangelektrode 49 erheblich

' * ■·■ 209815/1289 - 2S '-.

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größer als die Breite Ul des Blattes 70 gehalten wird.

Uiie aus den Figuren 1, 2 und 5 hervorgeht, können die in gegenseitigem Abstand angeordneten Elemente die Form van Stäben 44 mit boiHpielBuoiue kreisfÖruigaM Querschnitt haben. Die die Elemente 44 bildenden Stäbe können ohne weiteres so bemessen und ausgelegt werden, daß ein verhältnismäßig großer Vorrat an zu zerstäubendem Material erhalten wird, Wenn an der Staboberfläche sine Ionenstromdichte van 10 mA/crn aufrechterhalten Λ wird und eino Zerstäubungsausbeute von fünf Atomen pro Ion erzielt wird, indem beispielsweise an die Stäbe ein mit Bezug auf das Plasma negatives Potential von 3000 Volt angelegt wird, werden ungefähr 3Q0 Atomlagen je Sekunde der Stäbe zerstäubt. Unter diesen Bedingungen ist ein Stab 44 mit einem Durchmesser von 1 mm innerhalb von 30 Stunden vollständig zerstäubt. Uird das gesamte zu zerstäubende material von 12 derartigen Stäben 44 auf der Innenwand einer Kammer 12 mit einem Durchmesser von beispielsweise 40 cm niedergeschlagen, wird ein Film mit einer Dicke von ungefähr 10 ITIikrön abgeschieden. Da eine Lebensdauer von 30 Stunden für die Stäbe 44 verhältnismäßig kurz ist, können Stäbe mit größerem Durchmesser vorgesehen werden, um einen größeren Vorrat an zu zerstäubendem material zu erhalten.

Im Hinblick auf den fflaterialvorrat besteht keine kritische untere Grenze für den Durchmesser der Stäbe 44, die die in gegenseitigen Abstand angeordneten Fangelektrodenelemente bilden-, doch sollten die Stäbe 44 ausreichend großen Durchmesser be- · •itzon, um für eine auereichende Vir«eebleitung von d,en

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zu sorgen, so daß verhindert wird, daß die Temperatur der Stäbe den Schmelzpunkt erreicht. Je dünner der Stab 44 wird, desto höher wird die auffallende Ionenstromdichte je Einheit der Stab-

". f'i "V

oberfläche und desto heißer wird der Stab. Infolgedessen muß der Schmelzpunkt des zur Herstellung der Stäbe 44 verwendeten Werkstoffs bei der Auswahl des Stabdurchmessers berücksichtigt werden. U/enn beispielsweise die Stäbe 44 aus Wolfram oder Tantal hergestellt werden, lassen sich verhältnismäßig hohe Stabtemperaturen tolerieren.

Der günstigste Höchstdurchmesser der Stäbe 44 ist so auszuwählen, daß der größte Teil des von den Staboberflächen, die der Innenseite der Fangelektrode zugekehrt sind, zerstäubten Materials zur Außenseite des abgeschlossenen Käfigvolumens M entweichen kann. Im allgemeinen ist ein Zwischenraum (62 in Figur 5) zwischen den Stäben 44 besonders günstig, der ungefähr das Fünffache des Stabdurahmessers beträgt.

Der zweckmäßige .Durchmesser der Fangelektrode nach Figur 1 hängt von dem Durchmesser der Keener 12 oder den Anforderungen an die Gleichförmigkeit dee Filmes ab. Für sine Kammer 12 mit einem Durchmesser von 40 cm eignet sich beispielsweise'eine Fangelektrode 45, deren Elemente 44 einen Käfig bilden, dessen Durchmesser nicht mehr als ungefähr 5,5 cm beträgt. Wenn das Verhältnis des Kanmerdurchmessere zum Fangelektrodendurchmesser zu klein 1st, z. ü. unter 3 liegt, dann zeigt das abgeschiedene" zerstäubte material eine ausgeprägte PeriodizitHt hineichtlich tall»·.» Dicke. Cs wurde festgestellt, deu dann» wann dieses Wer-

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hilinie grdOsr als ungefähr β ist, die Psriodizität der Fll»- dicke auf der Xnneneand der Kammer 12 auf einige «enige Prozent herabgesetzt »ird. Praktisch kann davon ausgegangen «erden, daß u* so gieichmäOigere Film« erhalten «erden, Je hOher dieeee Verhältnis gehalten «ird. Unabhängig von de* Verhiltnie sollten jedoch sehr dünne Stäbe 44 nicht verwendet «erden, «eil, «ie oben erwähnt, derartig dünne Stäbe leicht Überhitzt «erden und einen unzureichenden Materialvorrat darstellen können, um den Zerstäubungsprozeß Pur eine vernünftig lange Zeitspenne aufrechtzuerhalten. · "

Bei einer Kammer 12 «it eine« Durchmesser von mehreren letsrn kann der'Durchmesser des FsngelektradenkSfige größer sein und lassen sich Stäbe 44 von größerem Durchmesser verwenden. Hot beispielsweise die Kammer 12 einen Durchmesser von drei letsrn, können die Stäbe beispielsweise einen Durchmesser von 1 cm beeitzen und kann der Durchmesser des Fangelektrodenklfigs bei 20 cm liegen. Infolgedessen steht ein großer Vorrat an Fangelektrodenmaterial zur Verfügung; außerdem kOnnen die Stäbe 44 durch μ Rohre IQg (Figur 13) ersetzt «erden, up «in Kühlmittel, beispialsveise Wasser, aufzunehmen.

Unter Berücksichtigung dieser Beinessungaregeln für den Stabdurchmesser und den Fangelektrodendurchmeeser kann entsprechend der Erfindung, «ie insbesondere aus Figur 5 hervorgeht, eine «irksame Beschränkung des Plasmas erzielt «erden, «enn die · Ionenschichten 57 der einander benachbarten, in gegenseitigem Abstand angeordneten Elemente 44 einender mindestens berühren

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und sich vorzugsweise Überlappen. Oaa heißt, die Ionenschichtdicke (der Radius der Ianenschicht unter Vernachlässigung des Stabradius) sollte mindestens gleich dem halben Abstand zwischen den Elementen 44 sein oder mindestens eine Dicke von d besitzen.

Die Figuren 3 urd 4 zeigen eine AusfUhrungaform der Erfindung mit Hohlkathode, bei der die Funktionen von Kathode und Fangelektrode gemeinsam van einer Fangelektrode 90 erfüllt werden, die einen dem Fsngeloktrodenkäfig 45 nach den.Figuren 1 und 2 ähnlichen Aufbau, hat. Bei der Anordnung nach den Figuren 3 und hat die Katnode die Form eines Fangelektrodenkäfigs 90, der das abgeschlossene Käfigvolumen V begrenzt. Der aus Elementen 96 zusammengesetzte Käfig 90 ist mit dem negativen AnschluO 92 einer nicht veranschaulichten Stromquelle verbunden· Der Sockel ** 14 bildet nach Verbindung mit dem positiven Anschluß 95 der Stromquelle eine Anode 94, die in Abstand von dem Fangelektrodenkäfig 90 liegt.

Im Betrieb der Zerstäubungsvorrichtung nach den Figuren 3 und wird die Kammer 12 evakuiert und wird in die Kammer 12 ein Cas, beispielsweise Argon, eingeleitet, wobei ein Druck von beispielsweise ungefähr 50 Mikron Quecksilber aufrechterhalten wird. Cine Spannung von beispielsweise 5000 UoIt wird zwischen die Anode und den die Kathode bildenden Fangelektradenkäfig 90 gelegt. Der mittels Ringen 97 aufrechterhaltene Abstand zwischen den EIe-. menten 96 des Faigelektrodenkäfige 90 ist so gewählt, daß bei einer angelegten Spannung von 5000 Volt eine zusammenhängende

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Ianenschicht 98 der in Figur 4 angedeuteten Art ausgebildet wird. Das Plasma wird mittels der zusammenhängenden Ianenschicht 98 abgegrenzt, was zur Folge hat, daß in dem plaamafreien Raum R zwischen den Wandungen der Kammer 12 und den Elementen 96 des Fangelektrodonkäfigs 90 eine vernachlässigbare Plasmadichte vorhanden ist. Die positivan Ionen des Plasmas werden beschleunigt, prallen auf den Fangelektrodenkäfig 90 auf und schlagen aus diesem Atome heraus. Uieil der Fangelektradenkäfig 90 kein geschlossener Zylinder oder ein Rohr, sondern mehr odBr weniger offen ist, können sich die herausgeschlagenen Teilchen aus dem Käfig 911 horausbeüjogen und Filme 99 auf Trägern 100 bilden, die in Trägerhaltern 101 in kreisförmiger Gruppierung innerhalb des plasmafreien Raumes R montiert sind. Die Halter 101 können in einer in den Figuren 3 und 4 nicht veranschaulichten Weise mit Bezug auf die Achse 30 gedreht werden, um die Filmdicke auf den Trägern 100 noch gleichförmiger zu halten.

Gemäß Figur 7 kann ein Fangelektrodankäfig 103, dessen Funktion dom FangelektrodenkaTig 45 entspricht, aus einem Hlaschengltter gefertigt werden, das ebenfalle ein abgeschlossenes Käfigvolumen V begrenzt. Die Elemente ader Abschnitte 104 des Hlaechengitters haben einen solchen gegenseitigen Abstand, daß innerhalb des Fangelektrodenkäfigs 103 eine zusammenhängende Ianenschicht ausgebildet wird. Bei dieser Ausführungsform kann, ebenso wie bei den anderen Ausführungsfarmen, die Oberseite 54 des Fangelektrodenkjif ige 103 nach innen reichende Abschnitte 105 aufweisen, die eine Anode 106 umgeben und einschließen, die sich innerhalb des abgeschlossenen Käfigvolunens V befindet« In ahn-»

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lichsr Weiss umfaßt der Fangelektrodenkäfig 103 an seinem unteren Teil 55 eine Glühkathode 107, die nach oben durch die Ab9chirmplatte 47 hindurchreicht. In Figur 7 ist der Fangelektroden 103 teilweise aufgeschnitten veranschaulicht, um.erkennon zu lassen, wie die Glühkathode 107 in den Fangelektrodenkäfig 103 hineinragt. Bei diesem Aufbau des Fangelektrodenkä'fige 103, der die Anode 106 und die Kathode 107 umgibt und abschließt^ wird eine maximale Beschränkung des Plasmas erzielt.

Bai einem Versuch mit einer drei Elektroden aufweisenden Zerstäubungsvorrichtung dar in den Figuren 1 und 2 veranschaulichten Art ujurden hochgradig gleichförmige, gut haftende, lötbare Filme 99 (Figur ^) aus rostsicherem Stahl auf einem KAPTON FOIL (POLYI!flIDE)~Trägor niedergeschlagen, der an dem zylindrischen Teil der Innenwand einer Kammer 12 mit einem Durchmesser von 42 cm angeordnet war. Die Abmessungen des Trägers betrugen 130 cm mal 55 cm. Der Fangelektrodenkafig 45 bestand aus zwölf Stäben aus rostsicherem Stahl mit einer Länge von 55 cm und * einem Durchmesser von 3 mm. Die Stäbe waren in gleichmäßigem Abstand um einen Kreis mit einem Durchmesser von 5,5 cm verteilt, so daß das Verhältnis von Kammerdurchmesser zu Fangelektrodenkäfigdurchmesser ungefähr 7,6 betrug. Die Fangelektrode 45 war innerhalb der Kammer 12 derart angeordnet, daö ihre Längsachse mit der Längaachee 38 der Kammer 12 entsprechend Figur 1 zusammenfiel.

Die Arbeitsbedingungen waren wie folgt:

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1. Argongasdruck: 1 Mikron;

2. ll/olframglühkathade mit 7,5 Volt Heizspannung und 43 Ampere Heizstrom;

' 3. Anadeli-Kathoden-Spannung von 40 Volt bei einem Entladungsstram van 4 Ampere;

4. Fangelekbradenspannung (gegenüber der Anade) minus 1000 Volt bei einem Fangelektraden-(Ionen)Strom van 1 Ampere.

Unter diegen Bedingungen wurde eine Niederschlaggeschuiindigkeit von ungefähr 60 H/min erzielt, Es versteht sich» daß diese Arbeitsbedingungen nur als Beispiel zu vierten sind und variiert werden können, beispielsweise um größere Niederschlagsgeschwindi^keiten zu erzielen. Wird z. B. die Fangelektrode 45 gekühlt, kann der Entladungsstrom auf 10 oder mehr Ampere gesteigert oterdan, wodurch der Fangelektradenstrom auf mehr als 3 Ampere erhöht wird. Bei dieser erhöhten Eingangsleistung und bei Verelendung einer Fangelektrodenspannung (gegenüber der Anode) von -2000 Volt läflfc sich eine wesentlich höhere Niederschlagsgeechwindigkeit erzielen*

Der Grad der Einschränkung des Plasmas wurde bsi dieser Anordnung bfestiir.mt, indem der Ionenstram zu einer negativen Sonde (nicht veranschaulicht) gemessen wurde, die innerhalb des Raumes R (jFigur 2) angeordnet war. In Figur B ist der Sonden— < strom über der negativen Spannung (gegenüber der Anode) aufgetragen, die an die Fangslektrode 45 angelegt wurde. Uli· zu er-

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kennen let, nimmt der zu der negativ vorgespannten Sonde (Vorspannung von -2000 Volt) fließende Ionenatrom nach einem anfänglichen Anstieg, wenn die Fangelektrodenapannung ausgehend von einem niedrigen Ufert zunehmend negativer wird, von einem Höchstwert aus ab, wenn die Fangelektrodenapannung negativer wird. Bei erhöhtem Entladungestrom nimmt außerdem die negative fangelektrodenspannung zu, die erforderlich ist, um den gleichen Sondenetrom zu erzielen. Figur 8 zeigt, daß selbst bei ao hohen negativen Fangelektrodenspannungen wie 800 Volt der San— donstrorn nicht auf Null absinkt. Ee bleibt vielmehr ein Restgpndenstram erhalten, der auf Gammaelektronen, die durch den IonenbeschuQ der Fangelektrode auegelöst werden und auf ultraviolette Strahlung zurückzuführen ist, die eine geringfügige Ionisierung im Raum R bewirkt. Weil der Restsondenstrom jedoch einen sehr niedrigen Wert bezogen auf den liiert hat, der vorhanden ist, wann an die Fangelektrode ein negatives Potential von kleiner Amplitude angelegt wird, ist die Begrenzung des Plasmas erheblich.

Diese Versuche lassen erkennen, daß, um beste Ergebnisse bei der Begrenzung des Plasmas zu erzielen, das Plasma "rein" sein sollte, d. h. die Restgase in Form der außerhalb des eingeschlossenen Käfigvolumens V befindlichen Atmosphäre, die an dem Zer-•tüubungsprazeO nicht teilnimmt, sollten in der Kammer 12 auf einen Kleinstwert herabgesetzt werden. Ein reines Plasma kann zweckmäßig dadurch erzielt werden, daß das Plasma in der gesamten Kammer 12 für eine gewisse Zeitspanne, beiapieleweiee 10 Minuten, aufrechterhalten wird, bevor die Fengelektroden-

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- 33 spannung an die Fangelektrode angelegt wird.

In Figur 13 iat ein Teil des Fangelektradenkäfigs nach der Erfindung veranschaulicht, der erkennen ISSt, wie die Fangelektrodenelemente 44 mit Hilfe eines Kühlmittels, beispielsweise Wasser, gekühlt werden können, um höhere Eingangaleistungen zuzulassen. Bei dieser Ausführungsform können die in gegenseitigem Abstand angeordneten Abschnitte 109 aus Ruhren bestehen, die an den ebenfalls hohlen Stützringen 53 befestigt sind. Durchlässe 100 in den hohlen Abschnitten' 109 erlauben es, ein zweckentsprechendes Kühlmittel, beispielsweise Wasser, in die Abschnitte 109 hineinzuleiten. Gemäß Figur 13 reicht ein Elektrodenelement 44 durch jeden der hohlen Abschnitte 109 hindurch. Die Elektrodenelemente 44 können in dieser IUaise ausgebildet sein, wenn die Abschnitte 109 aus einem Isolierstoff, beispielsweise Glas oder Quarz, bestehen, so daß an die Fangelektrodenelemente 44 ein Hochfrequenzsignal von einer nicht veranschaulichten Spannungsquelle angelegt werden kann. Das Hochfrequenzsignal führt zu einer Zerstäubung des Isolierstoffs ^ während der negativen Halbwellen des Signals.

Die einzelnen, in gegenseitigem Abstand angeordneten Elemente 44 der Fangelektrade 45 können au3 zwei oder mehr unterschiedlichen Fangelektrodenwerkstoffen gefertigt und beispielsweise an eine Stromquelle angeschlossen sein, die an die unterschiedlichen Elektrodeneerkstoffe unterschiedliche negative Potential» anlegt. Soll beispielsweise auf einem Träger 100 (Figuren 3 und 4) ein tilolframkarbidfilra 99 niedergeschlagen werden, beet·«·

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hen die atabförmigen Elemente 96 in den Figuren 3 und 4 abwechselnd aus Wolfram und Kohlenstoff. Uw beispielsweise einen film 99 aua (U₂C₁ ein Uiolfratakarbid, niederzuschlagen, werden dio Kohlenstoff stäbe gegen die UIoIf rametäbe elektrisch isoliert und «erden die an die lüolframstäbe 96 und die Kohlenstoffstäbe 96 angelegten Fangelektrodenspannungen so eingestellt, daß die Itfalfram-Zerstäubungsgeschwindigkeit den zweifachen Wert der Zerstäubungsgeschwindigkeit des Kohlenstoffes hat, wodurch auf dem Träger 100 der W₂C-FiIm in gewünschter Weise ausgebildet Kird. Solange die Fangelektrodenpatentiale auereichen, um eine zusammenhängende Ianenschicht 98 zu bilden, wird das Plasma begrenzt und wird der Film 99 in dam im wesentlichen plasmafreien Raum R abgeschieden. Bei Anwendung eines Fangelektroden— aufbaus dieser Art lassen sich ohne weiteres andere Anordnungen treffen, um Filme 99 aus unterschiedlichen Merkstoffen niederzuschlagen.

Der Fangelektrodenkäfig nach der Erfindung kann auch so ausgelegt sein, daß eine vorbestimmte Gleichförmigkeit in der Dicke dee Films erhalten wird, der auf den Trägern 70 (Figuren 1 und 2) ader 100 (Figuren 3 und 4) abgeschieden wird. Es wurden Versuche durchgeführt., bei denen der Fangelektrodenkäfig 45 nach Figur 2 die folgenden Abmessungen und Parameter aufwiest

1. Gestalt das Fangelektrodenkäfiga - zylindrisch)

2. Werkstoff der Stäbe oder Elemente 44 - raetsicherer Stahl;

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3. Durchmesser dar Stäbe 44—3 mm;

4. Anzahl der Stäbe 44 - 12;

5. Durchmesser des Fangelektrodenkäfig8 45 - 5,5-cm;

6. LSnge der Stäbe 44 - 37 cm; .

7. die Stäbe 44 wurden mittels zwei Ringen 97 zusammengehalten, von denen der eine 3 cm vom oberen Ende und der.andere 3 cm vom unteren Ende des Fangelektrodenkäfigs 45 entfernt angeordnet »ar; |

8. Träger 100 - flache Glasschieber 2,5 cm χ 7,6 cm;

9. Lage der Träger — (a) 14 cm entfernt vom nächsten Stab 44 Ln Haltern gemäß den Figuren 3 und 10 parallel zur Achse 38 der Kammer 12; (b) in Haltern, die entlang einer gekrümmten Bahn in einem Abstand von 17 cm von den Stäben 44 in einer Höhe von 16 cm oberhalb der Sockelplatte 14 verteilt waren.

Der Fangelektroienkäfig 90 wurde zerstäubt; es wurde ein Film a aus rastsicherem Stahl auf jedem Träger 100 (Figur 4) niedergeschlagen. Entsprechend Figur 10 wurde ein ffiittelabschnltt Mit einem überzug aus einem unter dem Handelsnamen AQUAOAG bekannten Werkstoff versehen, bevor der Film niedergeschlagen «urde, so daß der Film zwecks !fleesung der Filmdicke leicht entfernt werden konnte. Messungen der Filmdicke erfolgten an lotrecht voneinander in Abstand liegenden Stellen der die Träger bildenden Schieber 100; sie sind in Figur 11 in Form dar Kurv· 120 aufgetragen. Die Kurve 120 läßt erkennen, daß eine maximal· Filn.iickß von ungefähr 6000 8 im mittleren Teil der Schieber

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niedergeschlagen wurde, wobei der 20 cm-lliert der Abszisse in wesentlichen die Witte, dar 6 cm-UJert in wesentlichen das untere Ende der Schieber 100 und der 34 cm-ltfert im wesentlichen das obere Ende der obersten Schieber bezeichnet. Entlang der lotrechten Abmessung der Schieber 100 schwankte die Filmdicke zwischen ungefähr 37 000 R am unteren Ende, ungefähr 6000 8 in der (litte und ungefähr 4 300 R nahe dem oberen Ende. Bei messung der Filmdicke entlang einer kreisförmigen Linie in einer Radialebene und damit in einem konstanten Abstand von und zwischen den Kanten der Trägerschieber, deren Kanten im oberen und unteren Bereich der verschiedenen Figuren erscheinen, ergab sich, daß die Filmdickenschwankung ungefähr 10 % nicht überstieg. Die Verwendung einer genaueren FilmdickenmeBeinrichtung ergibt möglicherweise noch kleinere Schwankungen.

Die Abnahme der Filmdicke im oberen und unteren Bereich der Träger 100 (gemäß Kurve 120) wurde erheblich verringert, wenn ein FangelektrodenkSfig 130 der in Figur 9 gezeigten Art verwendet wurde. Der Käfig 130 entspricht de« oben beschriebenen Käfig 90 mit der Ausnahme, defl an den Stäben 44 zusätzliche Ringe 132, 134, 136, 138, 140, 142 und 144 befestigt sind. Die Ringe 132, 134 und 136 hatten einen lotrechten Abstand von 1,5 cm, 3 cm bzw. 6 cm vom obersten Ring 54. In ähnlicher Weise betrug der lotrechte Abstand der Ringe 144, 142 und 140 vom obersten Ring 54 24,5 cm, 27,5 cm bzui. 29,5 cm.

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Die Träger 100 waren in dar oben beschriebenon Üieise angeordnet; die Stäbe 44 wurden zerstäubt, um auf den Trägern 100 den Film 99 zu erhalten. Die an verschiedenen, in lotrechtem Abstand liegenden Stellen entlang den Trägern 100 gemessenen Filmdicken sind in Figur 11 als Kurve 150 aufgetragen. Es ist zu erkennen, daQ die maximale Filmdickenschwankung auf ungefähr 1200 A herabgesetzt wurde. Es ergab sich ferner, daO entlang einer Umfangslinie in einem senkrechten Abstand von 16 cm auf dan Schiebern 100 eine Filmdickenschwankung van nur 200 H Bintrat.

Weder die Fangelektrade 45, die nur die Ringe 53 gemäß Figur 1 aufweist, noch der Fangelektrodenkäfig 130 nach Figur 9 mit den Ringen 132, 134, 136, 138, 140, 142 und 144 waren unter dam Gesichtspunkt ausgelegt; in lotrechter Richtung die kleinstmöglichste Schwankung der Filmdicke zu erzielen. Aus Figur 11 geht jedoch hervor, daß durch zusätzliche Anwendung weiterer Ringe entsprechend den Außen- ' % ringen 132 und 144 in Figur 9 Filme erhalten werden können, bei denen entlang der gesamten lotrechten Strecke der Träger keine merkliche Dickenschwankung auftritt.

Erfindungsgemäß kann auch sin wendeiförmiger Fangeiektroden— käfig 146 vorgesehen werden, der, wie aus Figur 12 hervorgeht, ebenfalls ein abgeschlossenes Käfigvaluraen U umgrenzt. Die Steigung 152 zwischen den Windungen 154 der Wendel kann in Richtung auf die beiden Wendel enden kleiner als i·

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mittleren Bereich der Wendel gehalten sein, so daß am oberen Ende 156 und am unteren Ende 158 des Fangelektrodenkäfigs 146 mehr zu zerstäubendes Material zur Verfügung steht und eine optimale Filmgleichförmigkeit erhalten wird. Bei Verwendung des wendeiförmigen Fangelektrodenkäfige zur Beschränkung des Plasmas sollte das Fangelektradenpotential derart gewählt sein, daß um die Windungen 154 herum lanenschichten ausgebildet «erden, die eine Dicke besitzen, die mindestens gleich der Hälfte des liiertes der größten Steigung 152 zwischen zwei aufeinanderfolgenden Windungen 154 ist.

Beim Einsatz der Zerstäubungsvorrichtung nach der Erfindung ergeben sich Vorteile, wenn mit verhältnismäßig hohen Fangelektradenpotentialen gearbeitet wird. Bei Verwendung derart hoher Fangelektrodtfnpatentiale kann es im Bereich des Käfigs zur Bildung von Funken kommen und kann dadurch die Entladung 30 weitgehend gestört werden, daß sie nicht weiterbrennt' sondern erlischt. Um das Plasma in solchen Fällen aufrechtzuerhalten, iet es zweckmäßig, eine Hilfsanode 160 gemäß Figur 9 unterhalb des Fangelektrodenkäfigs vorzusehen, um Elektronen in den Fangelektrodenkäfig hineinzuziehen und zwischen der Hilfsanade 160 und der Kathode für ein Plasma zu sorgen, das ausreicht, um dae Hauptgasentladungeplasma zur Anode 22 (im oberen Teil der figur 9) wieder herzustellen.

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Din obigen Erläuterungen lassen erkennen, daö bei der Abgrenzung des Plasmas in verschiedener Weise vorgegangen morden kenn. So können die Elemente 44 der Fangelektrode 45 in einem gegenseitigen Abstand angeordnet «erden, der Im Hinblick auf eine gewünschte Fangelektrodenspannung ausgewählt ist. Andererseits kann aber auch dieser Abstand beispielsweise so gewählt werden, daß die Fertigung vereinfacht urird, uiabei weniger Wert auf den Betrag der benutzten λ Fangelektrodsnspannung gelegt wird

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Claims

Ansprüche

1. Zerstäubungsvorrichtung in form einer Niederdruck-Gasentladungsvorrichtung Mit mindestens einer Anode» mindestens einer Kathode und einer Fangelektrode zu« Aufbringen eines materials, das im Betrieb der Vorrichtung einem Beschüß durch in Richtung auf die Fangelektrode beschleunigte Ionen ausgesetzt ISt₁ auf einem Träger, gekennzeichnet durch eine ringelektrode (45, 90, 103, 130, 146) aus in gegenseitigen Abstand angeordneten Elementen (44, 96, 104, 154).

2. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fangelektrode (45, 90, 103, 130, 146) nach Inbetriebnahme der Vorrichtung ein von der Fangelektrode eingeschlossenes Plasmavolumen (V) vom Träger (34, 63, 70, 100) getrennt hält.

3. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fangelektrode (45, 90, 103, 130, 146) aus dem zu zerstäubenden Material besteht.

4. Zerstäubungsvorrichtung nach einem dar Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elements (44) der Fangelektrode von Rohren (10d) aus dem zu zerstäubenden Iaterial umgeben sind.

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5; Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Hindurchleiten eines Kühlmittels durch die Rohre (109).

6. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (109) aus elektrisch isolierendem material bestehen.

7. Zerstäubungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden ™ Ansprüche» dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente der Fangelektrode (45, 90, 130) in zylindrischer Gruppierung angeordnete, parallele Stäbe (44, 96) sind.

3. Zerstäubungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die in gegenseitigem Abstand angeordneten Elemente der Fangelaktrade die Windungen (154) einer Wendel (146) sind.

9. Zerstäubungsvorrichtung nach sine« der Anspruchs 1 bis 6_V dadurch gekennzeichnet, daS die in gegenseitigem Abstand angeordneten Elemente der .Fangelektrode die Drfihte(tO4) eines fllaschengitters (103) sind·

10. Zerstäubungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elemente (44, 96, 104, 154) der Fangelektrode (45, 90, 103, 130, 146) ein zylindrisches Volumen begrenzen.

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11. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (22, 106) und die Kathode (24, 107) derart an den Enden des Zylinders angeordnet sind, daß die das Plasma bildende Entladung zwischen Anode und Kathode in axialer Richtung durch den Zylinder hindurch erfolgt.

12. Zerstäubungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der das zerstäubte Material (36, 99) aufnehmende Träger (34, 63, 70, 100) an einer Stelle gehalten ist, an der er mittels der Fangelektrade (45, 90, 103, 130, 146) von dem nach Inbetriebsetzung der Vorrichtung gebildeten Plasma getrennt ist.

13. Zerstäubungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 10, 11 oder 12, gekennzeichnet durch innerhalb der Vorrichtung angeordnete Führungen, beispielsweise Rollen (76), die den Träger (70) entlang einer zylindrischen Fläche halten,.die das von den Elementen (44) der Fangelektrode (45) begrenzte Zylindervolumen konzentrisch umfaßt.

14. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen dem Durch·* messer des von dem Träger (70) gebildeten Zylinders und dem Durchmesser des von den Elementen (44) der

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Fangelektrade (4S) gebildeten Zylinders ungefähr gleich 3 t 1 ist.

15. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 13 ader 14, gekennzeichnet durch einen Teil der Führungen bildende Spulen (74, 78) zur Aufnahme von Trägarn (70) großer Länge.

16. Zerstäubungevorrichtung nach Anspruch 1', gekennzeich- " net durch eine zusätzliche Hilfeanode (160).

17. Verfahren zum Zerstäuben von laterial zwecke Aufbringen auf Träger durch Beschüß «it Ionen, die in einer Plasmaentladung in Richtung auf eine Fangelektrode beschleunigt «.erden, an die ein gegenüber den Plasma negatives Potential angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmaionen durch Anlegen eines Potentials zwischen das Plasma und jedes dor Clemen- λ te (44, 96, 104, 154) einer Fangelektrode (45, 90, 103, 130, 146) aus in gegenseitigem Abstand angeordneten Elementen in Richtung auf die Clamant« beschleunigt werden, das Plasma mittels der Clement· im wesentlichen innerhalb eines abgegrenzten Räume· (V) gehalten wird und das zerstäubte Satarial auf Trägern (34, 63, 70, 100) aufgefangen wird, die inner- * halb eines anderen, von Plasma im wesentlichen freien Raumes (R) angeordnet werden·

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10. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen zum Aufprall auf die aus dem zu zerstäubenden Material bestehenden Elemente (44, 96, 104, 154) der Fangelektrode gebracht werden.

19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daO die Ionen zum Aufprall auf Rohre (109) gebracht werden, die aus dem zu zerstäubenden Material bostehon und die Elemente (44) der Fangeloktrode' (45) urjigeben.

20. Verfahren nach Anspruch 19,, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Rohre (109) ein Kühlmittel hindurchgnleitet wird.

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