DESCRIPTION
La présente invention se rapporte à un dispositif de refroidissement d'une cible disposée dans une enceinte à vide d'une installation de pulvérisation cathodique, comprenant un circuit de circulation d'un liquide réfrigérant, comportant une ouverture adjacente au dos de cette cible et des moyens d'étanchéité pour séparer ce circuit de l'enceinte à vide.
Lors de l'utilisation du principe de pulvérisation cathodique d'une cible métallique ou non métallique, en amorçant une décharge luminescente en présence d'un gaz raréfié et en polarisant la cible (cathode) par une tension continue ou par la radiofréquence, la majeure partie de l'énergie appliquée est dissipée à la surface de la cible sous forme de chaleur, due au bombardement par les ions, provenant du plasma et accélérés par le potentiel de la cathode.
Cette dissipation est particulièrement importante dans le cas d'une pulvérisation dite rapide avec une cathode contenant un assemblage d'aimants permanents, où plus de 90% de l'énergie appliquée est dissipée sur la cible. La densité de cette énergie peut dépasser 20 W/cm2. En conséquence, ce type de cible nécessite un refroidissement très efficace.
La température de la surface de la cible n'influence pas essentiellement la vitesse de la pulvérisation, mais elle doit être maintenue néanmoins dans des limites raisonnables pour diverses raisons pratiques, selon le cas:
- lorsque la cible est constituée d'un métal à point de fusion très bas (Sn, In, Cd, Pb, etc.), pour éviter que ce métal ne coule si la cible est en position verticale ou inversée;
- lorsque la cible est en métal à point de fusion élevé, mais mauvais conducteur de chaleur (Ti, acier fortement allié, etc.) et associée à une cathode de pulvérisation rapide , la chaleur n'est dissipée que très localement (dans la zone dite d'érosion et qui se situe entre les pôles magnétiques) et provoque une dilatation thermique non uniforme, qui engendre une forte déformation (bombage) de la cible.
Si une telle cible est mal refroidie (par exemple indirectement), la déformation entraîne une perte de contact thermique, ce qui accroît davantage le réchauffement local;
- lorsqu'il s'agit d'un métal réactif, pulvérisé en présence d'un gaz réactif (oxygène, azote, etc.), I'augmentation de la température de la cible peut favoriser une diffusion d'atomes de ce gaz dans le métal. Qu'il s'agisse de la dissolution du gaz dans le solide ou de la formation d'une nouvelle phase, le volume augmente, ayant pour conséquence une déformation de la cible.
On connaît diverses méthodes de refroidissement des cibles de pulvérisation cathodique:
a) Le refroidissement direct est le plus efficace, car l'eau courante entre en contact direct avec le dos de la cible. Les déformations éventuelles de celle-ci ne changent pas l'efficacité du refroidissement. Ce système comporte divers inconvénients, notamment: un joint organique séparant le compartiment d'eau de celui du vide et la vapeur d'eau diffuse inévitablement dans la chambre; il est par ailleurs indispensable de surveiller attentivement l'avancement de l'érosion de la cible pour éviter une implosion lorsqu'elle devient trop mince.
b) Le refroidissement indirect qui consiste simplement à presser la cible contre le bloc refroidi et entièrement scellé, contenant les aimants. Pour augmenter le contact thermique, qui est toujours mal défini entre deux surfaces rigides, on peut intercaler une feuille de métal mou (In, Sn, Pb) qui s'adapte aux petites irrégularités des deux surfaces. Dans ce type de refroidissement, qui est évidemment beaucoup moins efficace, le percement de la cible n'a pas de conséquences catastrophiques; en revanche, la moindre déformation de celle-ci lui fait perdre le contact thermique avec le bloc refroidi.
c) Pour éviter les deux inconvénients que l'on vient d'évoquer, on a proposé de souder, braser ou lier par toute autre méthode la cible contre un support en cuivre, qui assure aussi une répartition plus uniforme de la chaleur. Cette méthode a le double inconvénient d'être chère et d'augmenter sensiblement l'épaisseur totale de la cible, affaiblissant, dans le cas d'une cathode de pulvérisation rapide,
I'intensité du champ magnétique à sa surface. Le rapport entre les épaisseurs des deux métaux assemblés devant être tel que la déformation ne se produise pas, il faut donc, dans le cas d'une cible en métal réfractaire, que la plaque-support soit sensiblement plus épaisse que la cible proprement dite.
Le brevet US 4374722 a encore proposé une autre solution, permettant un meilleur contact thermique entre la cible et le corps de la cathode à pulvérisation rapide en remplissant l'entrefer inévitable par un gaz bon conducteur thermique (hydrogène, hélium). Cette solution en elle-même est pourtant plus efficace dans le cas de géométrie cylindrique qu'avec les cibles planes, où les déformations créent des entrefers trop larges pour que le gaz puisse contribuer suffisamment à la conduction thermique.
Le but de la présente invention est de remédier, au moins en partie, aux inconvénients des solutions susmentionnées.
A cet effet, cette invention a pour objet un dispositif de refroidissement d'une cible de pulvérisation cathodique selon la revendication 1.
L'avantage de la solution proposée est d'allier l'efficacité du refroidissement direct par l'eau en évitant le risque de mettre le circuit d'eau en contact accidentel avec l'enceinte à vide, ainsi que de supprimer la diffusion de la vapeur d'eau dans l'enceinte par les joints organiques.
Le dessin annexé illustre, schématiquement et à titre d'exemple, une forme d'exécution et trois variantes du dispositif de refroidissement faisant l'objet de la présente invention.
La figure 1 est une vue en coupe d'une enceinte de pulvérisation cathodique avec cible de pulvérisation rapide.
Les figures 2, 3 et 4 sont des vues partielles en coupe des variantes de la figure 1.
La figure 1 montre une enceinte de pulvérisation 1 comportant une ouverture d'évacuation 2 destinée à être reliée à un groupe de pompage (non représenté) pour amener la pression dans l'enceinte à une vapeur basse. Une deuxième ouverture 3 sert à l'introduction du gaz nécessaire à la création de la décharge luminescente et est reliée à une source de ce gaz (non représentée), tandis que la troisième ouverture 4 reçoit un ensemble de pulvérisation cathodique 5 contenant un bloc métallique 6 auquel est fixé l'assemblage des aimants permanents 7 et 8 avec une armature commune en fer doux 9, fermant le circuit magnétique du côté opposé à la cible 10, qui est serrée contre le bloc 6 par un cadre 11 tenu par des vis 12.
Le dos de cette cible 10 est adjacent au bord d'une cuvette plate 13 dont le fond communique par deux conduits 14 et 15 avec une alimentation, respectivement avec une évacuation d'eau de refroidissement. La membrane métallique 16 ferme l'ouverture de la cuvette 13 et est fixée contre son bord par soudage ou brasage notamment. Cette membrane peut être en cuivre, laiton ou tout autre métal résistant à la corrosion.
Le fond de la cuvette 13 repose sur un joint sans fin 17 qui est pressé entre la cuvette et une portée 6a du bloc métallique 6. Celui-ci repose dans l'ouverture 3 de l'enceinte de pulvérisation cathodique 1 par l'intermédiaire d'un cadre isolant 18 et d'un joint d'étanchéité sans fin 19. Une surface à revêtir 20 est disposée dans l'enceinte 1 et est soit gardée au potentiel flottant, soit en contact avec la masse ou encore connectée à la borne positive de l'alimentation électrique 21 alors que la cible 10 avec l'ensemble de pulvérisation 4 est connectée à la borne négative de cette même alimentation.
En établissant une basse pression dans l'enceinte 1, la différence de pression qui s'établit ainsi entre les deux côtés de la membrane 16 amène celle-ci à s'appliquer contre le dos de la cible 10 avec une force correspondant à la différence de pression entre le circuit d'eau qui est à la pression atmosphérique et la basse pression régnant dans l'enceinte 1 après l'évacuation à travers l'ouverture 2.
On constate que l'avantage de la solution qui vient d'être décrite est de rendre impossible la mise en dépression de l'enceinte 1 en absence de la cible 10, I'air entrant alors dans cette enceinte au fur et à mesure qu'on l'évacue à travers l'ouverture 2. De ce fait, tout risque d'implosion de la membrane 16 est écarté. Un inconvénient provient de l'augmentation de l'entrefer entre les aimants 7 et 8 et la cible 10, dû à la présence de la cuvette 13.
Cet inconvénient peut être supprimé grâce à la variante de la figure 2 dans laquelle les mêmes organes ont été désignés par les mêmes références que dans le cas de la figure 1. Dans cette variante, le circuit d'eau est directement aménagé dans le bloc 6 dont l'ouverture est fermée par la membrane 16 soudée ou brasée comme elle l'est contre le bord de la cuvette dans le cas de la figure 1. Les aimants 7 et 8 sont directement placés dans le circuit de refroidissement et sont, de ce fait, à une distance sensiblement plus faible de la cible 10.
L'inconvénient de cette solution est de ne pouvoir évacuer l'enceinte 1 même si la cible 10 n'est pas serrée contre la membrane 16 et de risquer ainsi l'implosion de cette dernière, répandant l'eau du circuit de refroidissement dans l'enceinte 1. Par contre, I'entrefer entre les aimants 7 et 8 et la cible est réduit par rapport à la solution de la figure 1. Le même danger existe lorsque l'érosion de la cible par la pulvérisation prolongée provoque finalement son percement.
Afin de prévenir de tels accidents dans ces deux cas, une deuxième variante propose d'introduire un gaz entre la membrane 16 et la cible 10. Cette variante s'inspire de la solution proposée par le brevet US 4374722. Comme le montre la variante de la figure 3, qui est plus spécialement une variante applicable à la figure 1, un joint sans fin supplémentaire 22 sépare la zone entre la membrane 16 et la cible 10 de l'enceinte de pulvérisation 1 où règne la basse pression. Cette zone est mise en communication avec un réservoir de gaz 23 d'une part et avec une jauge de pression 24 d'autre part, associée à deux contacts électriques 25 et 26 qui contrôlent respectivement le circuit d'alimentation électrique des pompes à vide ainsi que celui de l'ensemble de pulvérisation.
Le gaz introduit dans le réservoir 23 est de préférence de l'hélium qui est un bon conducteur thermique et sa pression est établie à une valeur intermédiaire entre la pression atmosphérique et celle régnant dans l'enceinte 1. En absence de la cible 10, la pression dans le réservoir 25 s'abaisse au-dessous d'un certain seuil, ce qui provoque l'ouverture des contacts 25 d'entraînement des pompes à vide. D'une façon analogue, la chute de la pression dans le réservoir 23 provoquée par le percement de la cible 10 provoque l'ouverture des contacts 26 et la coupure de l'alimentation électrique de l'ensemble de pulvérisation 5.
Selon la variante illustrée par la figure 4, qui est plus spécialement une variante de la figure 2, un joint sans fin 22 sépare la zone entre la membrane 16 et la cible 10 de l'enceinte de pulvérisation 1.
Comme dans la variante précédente, cette zone est mise en communication avec le réservoir de gaz 23 et la jauge de pression 24 associée aux contacts électriques 25 et 26. En absence de la cible 10 ou en cas de percement de celle-ci, la pression dans le réservoir chute et les contacts électriques 25 et 26 s'ouvrent, provoquant l'arrêt immédiat des pompes à vide et de l'ensemble de pulvérisation.
DESCRIPTION
The present invention relates to a device for cooling a target arranged in a vacuum enclosure of a cathode sputtering installation, comprising a circuit for circulating a coolant, comprising an opening adjacent to the back of this target and sealing means to separate this circuit from the vacuum enclosure.
When using the principle of cathodic sputtering of a metallic or non-metallic target, by initiating a luminescent discharge in the presence of a rarefied gas and by polarizing the target (cathode) by a direct voltage or by radio frequency, the major part of the applied energy is dissipated on the surface of the target in the form of heat, due to the bombardment by the ions, coming from the plasma and accelerated by the potential of the cathode.
This dissipation is particularly important in the case of a so-called rapid sputtering with a cathode containing an assembly of permanent magnets, where more than 90% of the applied energy is dissipated on the target. The density of this energy can exceed 20 W / cm2. Consequently, this type of target requires very effective cooling.
The temperature of the target surface does not essentially influence the speed of the spray, but it must nevertheless be kept within reasonable limits for various practical reasons, as appropriate:
- when the target is made of a metal with a very low melting point (Sn, In, Cd, Pb, etc.), to prevent this metal from flowing if the target is in an upright or inverted position;
- when the target is made of metal with a high melting point, but poor heat conductor (Ti, highly alloyed steel, etc.) and associated with a rapid sputtering cathode, the heat is only dissipated very locally (in the area called erosion and which is located between the magnetic poles) and causes a non-uniform thermal expansion, which generates a strong deformation (bending) of the target.
If such a target is poorly cooled (for example indirectly), the deformation results in a loss of thermal contact, which further increases local heating;
- in the case of a reactive metal, sprayed in the presence of a reactive gas (oxygen, nitrogen, etc.), the increase in the temperature of the target can favor a diffusion of atoms of this gas in metal. Whether it is the dissolution of the gas in the solid or the formation of a new phase, the volume increases, resulting in a deformation of the target.
Various methods of cooling sputtering targets are known:
a) Direct cooling is the most effective since running water comes into direct contact with the target's back. Any deformation thereof does not change the cooling efficiency. This system has various drawbacks, in particular: an organic seal separating the water compartment from that of the vacuum and the water vapor inevitably diffuses into the chamber; it is also essential to carefully monitor the progress of target erosion to avoid an implosion when it becomes too thin.
b) Indirect cooling which consists simply in pressing the target against the cooled and fully sealed block containing the magnets. To increase the thermal contact, which is always poorly defined between two rigid surfaces, one can insert a sheet of soft metal (In, Sn, Pb) which adapts to the small irregularities of the two surfaces. In this type of cooling, which is obviously much less effective, piercing the target has no catastrophic consequences; on the other hand, the slightest deformation thereof makes it lose thermal contact with the cooled block.
c) To avoid the two disadvantages which we have just mentioned, it has been proposed to weld, braze or bind by any other method the target against a copper support, which also ensures a more uniform distribution of heat. This method has the double disadvantage of being expensive and of appreciably increasing the total thickness of the target, weakening, in the case of a rapid sputtering cathode,
The intensity of the magnetic field on its surface. The ratio between the thicknesses of the two assembled metals must be such that the deformation does not occur, it is therefore necessary, in the case of a refractory metal target, that the support plate is substantially thicker than the target itself.
US Pat. No. 4,374,722 has also proposed another solution, allowing better thermal contact between the target and the body of the cathode with rapid spraying by filling the inevitable air gap with a gas which is a good thermal conductor (hydrogen, helium). This solution in itself is however more effective in the case of cylindrical geometry than with flat targets, where the deformations create gaps which are too wide for the gas to be able to contribute sufficiently to thermal conduction.
The object of the present invention is to remedy, at least in part, the drawbacks of the above-mentioned solutions.
To this end, the subject of this invention is a device for cooling a sputtering target according to claim 1.
The advantage of the proposed solution is to combine the efficiency of direct water cooling by avoiding the risk of putting the water circuit in accidental contact with the vacuum enclosure, as well as suppressing the diffusion of the water vapor in the enclosure through the organic seals.
The accompanying drawing illustrates schematically and by way of example, an embodiment and three variants of the cooling device which is the subject of the present invention.
Figure 1 is a sectional view of a sputtering enclosure with a rapid sputtering target.
Figures 2, 3 and 4 are partial sectional views of the variants of Figure 1.
Figure 1 shows a spray enclosure 1 having a discharge opening 2 intended to be connected to a pumping unit (not shown) to bring the pressure in the enclosure to a low vapor. A second opening 3 serves for the introduction of the gas necessary for the creation of the luminescent discharge and is connected to a source of this gas (not shown), while the third opening 4 receives a sputtering assembly 5 containing a metal block 6 to which is fixed the assembly of permanent magnets 7 and 8 with a common soft iron frame 9, closing the magnetic circuit on the side opposite to the target 10, which is clamped against the block 6 by a frame 11 held by screws 12 .
The back of this target 10 is adjacent to the edge of a flat bowl 13, the bottom of which communicates via two conduits 14 and 15 with a supply, respectively with an evacuation of cooling water. The metal membrane 16 closes the opening of the bowl 13 and is fixed against its edge by welding or brazing in particular. This membrane can be made of copper, brass or any other metal resistant to corrosion.
The bottom of the bowl 13 rests on an endless seal 17 which is pressed between the bowl and a surface 6a of the metal block 6. This rests in the opening 3 of the sputtering enclosure 1 by means of an insulating frame 18 and an endless seal 19. A surface to be coated 20 is disposed in the enclosure 1 and is either kept at the floating potential, either in contact with the ground or connected to the positive terminal of the electrical supply 21 while the target 10 with the spraying assembly 4 is connected to the negative terminal of this same supply.
By establishing a low pressure in the enclosure 1, the pressure difference which is thus established between the two sides of the membrane 16 causes it to apply against the back of the target 10 with a force corresponding to the difference pressure between the water circuit which is at atmospheric pressure and the low pressure prevailing in enclosure 1 after evacuation through opening 2.
It can be seen that the advantage of the solution which has just been described is that it makes it impossible to place the chamber 1 under vacuum in the absence of the target 10, the air then entering this chamber as and when it is discharged through the opening 2. As a result, any risk of implosion of the membrane 16 is eliminated. A drawback stems from the increase in the air gap between the magnets 7 and 8 and the target 10, due to the presence of the bowl 13.
This drawback can be eliminated thanks to the variant of FIG. 2 in which the same members have been designated by the same references as in the case of FIG. 1. In this variant, the water circuit is directly arranged in block 6 whose opening is closed by the membrane 16 welded or brazed as it is against the edge of the bowl in the case of Figure 1. The magnets 7 and 8 are directly placed in the cooling circuit and are, from this done, at a significantly shorter distance from target 10.
The disadvantage of this solution is that it cannot evacuate the enclosure 1 even if the target 10 is not tight against the membrane 16 and thus risk the implosion of the latter, spreading the water of the cooling circuit in the 'enclosure 1. On the other hand, the air gap between the magnets 7 and 8 and the target is reduced compared to the solution of Figure 1. The same danger exists when the erosion of the target by prolonged spraying finally causes its piercing .
In order to prevent such accidents in these two cases, a second variant proposes to introduce a gas between the membrane 16 and the target 10. This variant is inspired by the solution proposed by the patent US 4374722. As shown in the variant of Figure 3, which is more particularly a variant applicable to Figure 1, an additional endless seal 22 separates the area between the membrane 16 and the target 10 of the spray enclosure 1 where the low pressure prevails. This zone is placed in communication with a gas tank 23 on the one hand and with a pressure gauge 24 on the other hand, associated with two electrical contacts 25 and 26 which respectively control the electrical supply circuit of the vacuum pumps as well than that of the spray assembly.
The gas introduced into the reservoir 23 is preferably helium which is a good thermal conductor and its pressure is established at an intermediate value between the atmospheric pressure and that prevailing in the enclosure 1. In the absence of the target 10, the pressure in the reservoir 25 drops below a certain threshold, which causes the opening of the contacts 25 for driving the vacuum pumps. Similarly, the drop in pressure in the reservoir 23 caused by the piercing of the target 10 causes the contacts 26 to open and the electrical supply to the spraying assembly 5 to be cut off.
According to the variant illustrated in FIG. 4, which is more especially a variant of FIG. 2, an endless joint 22 separates the area between the membrane 16 and the target 10 of the spray enclosure 1.
As in the previous variant, this zone is placed in communication with the gas tank 23 and the pressure gauge 24 associated with the electrical contacts 25 and 26. In the absence of the target 10 or in the event of piercing of this, the pressure in the tank drops and the electrical contacts 25 and 26 open, causing the vacuum pumps and the spraying assembly to stop immediately.