CH696972A5 - Vorrichtung zur Kathodenzerstäubung. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Beschichten von Substraten durch Kathodenzerstäubung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Vorrichtungen zur Kathodenzerstäubung finden in der Vakuumbeschichtungstechnik Verwendung. Eine Magnetron-Sputterkathode umfasst einen als Target bezeichneten elektrisch leitfähigen, im Allgemeinen metallenen Materialvorrat, der zerstäubt wird und auf diese Weise auf ein Substrat aufgetragen wird, das in geeigneter Weise der Kathode gegenüber angeordnet wird. Ein hinter dem Target befindliches Magnetsystem erzeugt ein Magnetfeld, welches das Target durchdringt und auf der Targetoberfläche einen magnetischen Tunnel in Form einer in sich geschlossenen Schleife bildet. Durch das Zusammenwirken von elektrischem und magnetischem Feld bewegen sich die Elektronen im Plasma spiralförmig und driften mit hoher Geschwindigkeit quer zum Magnetfeld innerhalb dieses Tunnels. Auf diese Weise werden sie auf einer langen Bahn nahe der Targetoberfläche gehalten und nehmen hierbei eine hohe kinetische Energie auf, was sie in die Lage versetzt, die neutralen Atome des Prozessgases zu ionisieren. Auf die positiv geladenen Ionen des Prozessgases wirken im Wesentlichen die elektrostatischen Anziehungskräfte des auf negativem Potenzial liegenden Targets der Kathode. Dadurch werden die Ionen zur Targetoberfläche hin beschleunigt, wo sie durch Impulsübertrag Atome aus dem Target herausschlagen. Da pro Zeiteinheit eine hohe Zahl von Atomen aus der Targetoberfläche emittiert werden, erhält man einen Teilchenstrom, der sich bei Verwendung eines metallischen Targets im Wesentlichen wie ein Metalldampf verhält. Dieser gelangt u.a. zum Substrat, auf dessen Oberfläche eine dünne Schicht aus Targetmaterial aufwächst.

Werden dem Prozessgas reaktionsfähige Gase wie beispielsweise Sauerstoff oder Stickstoff beigemischt, so entstehen Metalloxide oder Metallnitride. Bei diesem als Reaktivsputtern bezeichneten Beschichtungsprozess werden ausser den Substraten und den Abschirmungen allmählich auch die nicht durch den Sputtervorgang erodierten Targetbereiche mit den elektrisch nicht leitfähigen Reaktionsprodukten beschichtet (Redeposition). Auf der Oberfläche des typischerweise auf einigen hundert Volt liegenden Targets wachsen sehr dünne, dielektrische Schichten auf, deren Oberfläche dem nur wenige zehn Volt betragenden Plasmapotenzial gegenübersteht, wobei beide genannten Spannungen negativ gegenüber Erdpotenzial sind. Die so in diesem Schichtmaterial entstehenden hohen elektrischen Felder bewirken einen dielektrischen Durchbruch, der der Fachwelt als "arcing" bekannt und als elektrischer Funkenüberschlag sichtbar ist. Durch das arcing wird u.a. die Gleichförmigkeit der Plasmaentladung sowie die Qualität der auf dem Substrat abgeschiedenen Schicht gestört, weshalb man das Entstehen der Überschläge vermeiden will. Eine Lösung dieses Problems bringt die Verwendung von Kathoden mit zylinderförmigen, drehbaren Targets mit sich. Während des Sputterprozesses dreht sich das Target fortwährend um seine Längsachse vor dem statischen Magnetsystem, so dass das zum Target zurückgestreute Schichtmaterial nicht genügend Zeit hat, eine geschlossene Schicht zu bilden. Wenn die geringfügig mit dem dielektrischen Material beschichteten Targetbereiche nach einer vollen Umdrehung wieder in die Plasmazone gelangen, wird aufs Neue Material von der Targetoberfläche abgetragen, so dass ein solches Target weitgehend frei von dielektrischen Belegungen bleibt.

Wird der Plasmaschlauch bedingt durch das schmal ausgelegte Magnetfeld auf einen zu kleinen Teilbereich der Targetoberfläche verdichtet, wird die durch den Sputterprozess in das Target eingebrachte Leistung auf eine kleine Fläche konzentriert. Dies führt zu thermischen Spannungen oder kann darüber hinaus eine lokale Aufschmelzung des Targets bewirken. Die Flächenleistungsdichte kann dadurch erniedrigt werden, dass durch Verbreitern des Magnettunnels das Plasma auf einen grösseren Bereich der Targetoberfläche einwirkt. Bei den Sputterkathoden mit zylinderförmigen Targets ist es jedoch nicht so einfach, die Jochschenkel des Magnetsystems weit genug voneinander zu beabstanden, da das Magnetsystem innerhalb des zylinderförmigen Targetträgers untergebracht wird und somit der Platz beengt ist. Aufgrund der Geometrie des Targetträgers bildet sich vor der Targetoberfläche kein genügend starkes Magnetfeld mehr aus, wenn die Jochschenkel im Inneren des Targetträgers einen zu weiten Abstand voneinander einnehmen, da sich nun der Teil des Magnetfeldes mit den höheren Feldstärken innerhalb des Targetträgers erstreckt. Dieses Problem zu lösen ist ein weiterer Teilaspekt der vorliegenden Erfindung.

Solche Vorrichtungen sind in der Fachwelt hinreichend bekannt und beispielsweise in der EP 0 070 899 beschrieben. Das zylindrische Target ist hierbei drehbar angeordnet, damit neues Targetmaterial in die Zerstäubungszone geführt werden kann, um eine längere Standzeit der Kathode durch einen grösseren Vorrat an Targetmaterial erreichen zu können, oder auch, um einen raschen Wechsel von einem zu einem anderen Targetmaterial zu ermöglichen.

Bei diesen bekannten Vorrichtungen sind die Magnete als Permanentmagnete ausgebildet, wobei die zum Führen der Elektronen des Plasmas auf einer Bahn in Form einer in sich geschlossenen Schleife parallel zur Längsachse des rohrförmigen Targets, dem sogenannten race track, benötigten Magnete im Inneren des Targetträgers angeordnet sind. In einer varianten Ausführungsform bilden zwei im Abstand parallel zueinander gehaltene Rohrkathoden die Längsbahnen eines race tracks, wobei die Verbindung der beiden im Wesentlichen geraden Bahnen zu einer geschlossenen Kurve an den Enden jedes der zylinderförmigen Targets mittels zweier U-förmiger Magnete erreicht wird, die zwischen den beiden Targets angeordnet sind. Die Magnetsysteme im Inneren der zylinderförmigen Targetträger sind spiegelsymmetrisch zueinander ausgeführt, so dass auf den einander zugewandten Seiten dieser Vorrichtung sich gleichnamige Pole der einen Polarität gegenüberstehen und sich auf den voneinander abgewandten Aussenseiten gleichnamige Pole der anderen Polarität befinden. Die zwischen den beiden Targets vorgesehenen U-förmigen Permanentmagnete sind so ausgerichtet, dass sie die Magnetfelder im Inneren der beiden Targetträger zu einem geschlossenen Magnettunnel verbinden.

Nachteilig an dieser Vorrichtung ist, dass das an den Enden der zylinderförmigen Targets befindliche Material durch die Kathodenzerstäubung nicht abgetragen und somit für die Beschichtung der Substrate nicht genutzt werden kann. Weiterhin besteht das Problem, dass die Abstäubrate des Targetmaterials durch die schmalen, durch enge Magnettunnel verursachten Plasmabereiche gering gehalten wird. Der Abstand der beiden Pole des Magnetsystems lässt sich aber in dem rohrförmigen Targetträger nicht beliebig verbreitern. Die Abstäubrate liesse sich auch durch Erhöhen der elektrischen Leistung erreichen, mit der die Plasmaentladung betrieben wird. Dies hat jedoch den Nachteil, dass in den engen Plasmaschläuchen eine sehr hohe thermische Belastung von Targetmaterial und Targetträger entsteht, die bei spröden Targetmaterialien zu thermischen Spannungsrissen oder bei Materialien mit niedrigem Schmelzpunkt zu lokalen Aufschmelzungen des Targetmaterials führen kann. Sind geeignet geformte Targetkacheln mittels einer Art Lötzinn mit dem rohrförmigen Targetträger verbunden, kann der hohe lokale Temperatureintrag ein Abschmelzen der Targetkacheln bewirken.

Darüber hinaus wurde eine Einrichtung zur Durchführung vakuumtechnologischer Prozesse in magnetfeldverstärkten elektrischen Entladungen vorgeschlagen (DD 123 952), die aus einer magnetfelderzeugenden Einrichtung und einem Target mit negativem Potenzial und einer Anode besteht, zwischen denen eine elektrische Entladung brennt, wobei die magnetfelderzeugende Einrichtung mit ihren Polschuhen ringförmig und konzentrisch zur Kathode ausgebildet ist, und entsprechend dem durchzuführenden vakuumtechnologischen Prozess im Inneren des rohrförmigen Targets oder aussen herum angeordnet ist und in Achsrichtung begrenzte inhomogene torusförmige Magnetfelder erzeugt, deren Hauptfeldrichtung im Bereich des Targets parallel zu dessen Achsenrichtung gerichtet ist, wobei die Anode bei Anordnung der magnetfelderzeugenden Einrichtung im Target dieses rohrförmig umgibt und bei Anordnung um das Target in diesem als Rohr oder Vollmaterial angeordnet ist, und wobei die magnetfelderzeugende Einrichtung, das rohrförmige Target und die Anode relativ zueinander bewegbar sind. In allen offenbarten Ausführungsbeispielen ist die das Magnetfeld erzeugende Einrichtung ungeteilt und nur auf der einen Seite des Targets vorgesehen, welche der zu zerstäubenden Targetseite gegenüberliegt.

Ferner ist eine Einrichtung zum Hochratezerstäuben nach dem Plasmatronprinzip bekannt (DD 217 964), bestehend aus einer magnetfelderzeugenden Einrichtung mit Ringspalt, einem gekühlten rohrförmigen Target und einer Anode, wobei die magnetfelderzeugende Einrichtung einen in sich geschlossenen, langgestreckten Ringspalt besitzt und in dem Target so angeordnet ist, dass ihre grosse Achse parallel zur Targetachse verläuft, und eine Anode das Target so umgibt, dass der Ringspaltbereich frei ist und mittels einer Verstelleinrichtung der Abstand zwischen der Anode und der Targetoberfläche auf einen festen Wert einstellbar ist, wobei zum Erzeugen einer Relativbewegung um die grosse Achse zwischen dem Target und der magnetfelderzeugenden Einrichtung ein Antrieb angeordnet ist, und an der magnetfelderzeugenden Einrichtung eine Vorrichtung zur Veränderung des Abstandes zwischen dieser und dem Target angeordnet ist. Auch bei dieser Zerstäubungsvorrichtung ist die das Magnetfeld erzeugende Einrichtung ungeteilt und nur auf der einen Seite des Targets vorgesehen, welche der zu zerstäubenden Targetseite gegenüberliegt.

Weiterhin ist eine Kathodenzerstäubungsvorrichtung bekannt (DE 2 707 144) mit einer eine zu zerstäubende Fläche aufweisenden Kathode, einer Magneteinrichtung nahe der Kathode und an der der zu zerstäubenden Fläche gegenüberliegenden Seite zur Erzeugung magnetischer Kraftlinien, von denen wenigstens einige in die zu zerstäubende Fläche eintreten und aus ihr wieder heraustreten, und zwar in Schnittpunkten, die voneinander im Abstand liegen, zwischen denen die Kraftlinien kontinuierlich bogenförmige Segmente im Abstand von der zu zerstäubenden Fläche bilden, wobei Letztere zusammen mit den Kraftlinien eine Begrenzung für einen geschlossenen Bereich bildet, wodurch ein tunnelförmiger Bereich gebildet wird, der über einem dadurch definierten Pfad auf der zu zerstäubenden Fläche liegt, wobei geladene Teilchen die Neigung zeigen, im tunnelförmigen Bereich zurückgehalten zu werden und sich entlang diesem zu bewegen, sowie mit einer Anode in Nachbarschaft zur Kathode und mit einem Anschluss der Kathode und der Anode an eine Quelle elektrischen Potenzials, wobei wenigstens die zu zerstäubende Fläche innerhalb eines evakuierbaren Behälters liegt, wobei eine Bewegungsrichtung zur Herstellung einer Relativbewegung zwischen dem magnetischen Feld und der zu zerstäubenden Oberfläche unter Beibehaltung ihrer räumlichen Nachbarschaft vorgesehen ist und der erwähnte Pfad die zu zerstäubende Fläche überstreicht, und zwar in einem Flächenbereich, der grösser ist als der vom ruhenden Pfad eingenommene Flächenbereich.

Bei der hier beschriebenen zylindrischen Kathodenzerstäubungsvorrichtung kann die an einem zylindrischen Träger befestigte Magneteinrichtung sowohl gedreht als auch auf und ab bewegt werden, so dass sie auf der gesamten Oberfläche die Zerstäubung hervorrufen kann, wobei es aber auch möglich ist, bestimmte Bereiche auszuwählen, und wobei die ganze Magneteinrichtung auf einer Seite des Targets vorgesehen ist. Jedoch ist in allen offenbarten Ausführungsbeispielen die ein Magnetfeld erzeugende Einrichtung ungeteilt und nur auf einer Seite des Targets vorgesehen.

Zum Stand der Technik gehört auch eine Vorrichtung zur Kathodenzerstäubung im Vakuum (EP 0 461 035), umfassend einen Hohlkörper in Form eines Rotationskörpers, welcher um seine Achse rotieren kann, mit einer Seitenwand, die sich entlang der Achse erstreckt, und zwei Stirnseiten im Wesentlichen senkrecht zur Achse, wobei der Hohlkörper mindestens am äusseren seiner Seitenwand aus zu zerstäubendem Material gebildet ist, mit einem Magnetkreis zum magnetischen Einschluss, der nahe einem Target vorgesehen ist, und Pole, Teile aus magnetisch-permeablem Metall und Magnetisierungsmittel, die zur Erzeugung eines magnetischen Flusses in dem Magnetkreis geeignet sind, und mit einer Einrichtung zur Verbindung mit einem Kühlkreis für die Zirkulation einer Kühlflüssigkeit in dem Hohlkörper, mit einer Einrichtung zur Verbindung mit einem elektrischen Versorgungskreis, und mit einem Antrieb zur Drehung des Hohlkörpers um seine Achse, wobei der Magnetkreis sich peripher in Bezug auf den Hohlkörper erstreckt, das Magnetisiermittel ausserhalb diesem vorgesehen ist, die Pole des Magnetkreises entlang zweier Erzeugenden dieses Hohlkörpers vorgesehen sind und mit einem Bogen der Seitenwand des Hohlkörpers, der sich zwischen diesen beiden Erzeugenden befindet, der den Zerstäubungsbereich des Targets bildet.

Bei dieser Kathodenzerstäubungsvorrichtung mit zylinderförmigen Targets ist die das Magnetfeld erzeugende Einrichtung bestehend aus Permanentmagneten, Elektromagneten, Magnetjochen und Polschuhen im Wesentlichen ausserhalb der Targets angeordnet, um einen erhöhten Durchfluss von Kühlmittel durch das Innere des Targetträgers zu gewährleisten, wobei die das Magnetfeld erzeugenden Magnetpole beider Polaritäten ausserhalb des Targets angeordnet sind.

Schliesslich wird eine Vorrichtung zum Beschichten eines Substrates durch Zerstäuben der Oberfläche eines drehbaren, rohrförmigen Targets mittels elektrischer Energie vorgeschlagen (DE 19 623 359), bei der im Target Polschuhe aus magnetisch leitfähigem Material angeordnet sind, wobei ausserhalb des Targets ein Magnetfluss-Leitkörper vorgesehen ist, welcher drei zum Hohlkörper hin gerichtete Polschuhe hat, die über Magnete miteinander verbunden sind, wobei diese Magnete das magnetische Feld auf die innerhalb des Targets angeordneten Polschuhe durch das Target hindurch über enge Spalten überträgt und auf der dem Substrat zugewandten Seite der Vorrichtung ein tunnelförmiges Magnetfeld erzeugt, so dass die von der Zerstäubungsfläche ausgehenden und zu ihr zurückkehrende Magnetfeldlinien einen Entladungsbereich bilden, der die Form einer in sich geschlossenen Schleife hat.

Bei dieser Kathodenzerstäubungsvorrichtung mit zylinderförmigen Targets ist die das Magnetfeld erzeugende Einrichtung bestehend aus Permanentmagneten, Polschuhen und Magnetjochen mit Magnetpolen beider Polaritäten ausserhalb der Targets angeordnet, und im Inneren des Targets sind nur Teile aus magnetisch permeablem Metall vorgesehen, die die Magnetkraftlinien durch das zylinderförmige Target hindurchführen, wobei die das Magnetfeld erzeugende Einrichtung diametral gegenüber dem Zerstäubungsbereich lokalisiert und damit nicht der durch den Sputterprozess in das Target eingetragenen thermischen Belastung ausgesetzt ist. Das durch dieses offenbarte Magnetsystem erzeugte Magnetfeld unterscheidet sich jedoch im Bereich der aktiven Zone des Targets, in der die Targeterosion stattfindet, nicht wesentlich von Magnetfeldern, die mit ausschliesslich im Inneren des drehbaren, rohrförmigen Targetträgers angeordneten Magnetsystemen erzeugt werden können, so dass der Magnettunnel vor dem drehbaren, rohrförmigen Target nicht verbreitert oder verstärkt werden kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu gestalten, dass die Magnetfeldstärke im Bereich der aktiven Zone des Targets, in der die Targeterosion stattfindet, verstärkt wird und darüber hinaus die Breite der aktiven Zone vergrössert wird, um die Zerstäubungsrate von Targetmaterial zu erhöhen und gleichzeitig die thermische Leistungsdichte zu erniedrigen, die in das Targetmaterial eingebracht wird.

Dieses Problem wird erfindungsgemäss mit einer Vorrichtung zur Kathodenzerstäubung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch die ausserhalb des rohrförmigen Targets vorgesehenen Teile des Magnetsystems lassen sich höhere magnetische Feldstärken vor dem Target erzeugen und somit eine höhere Plasmadichte erreichen. Die beiden Teile des Magnetsystems sind so angefertigt, dass die Magnetfeldlinien, die nicht den Plasmaschlauch ausserhalb des rohrförmigen Targets definieren, von den dem Plasma abgewandten Polflächen der Magnetisierungsmittel über Magnetjoche auf kürzestem Weg zu den jeweiligen entgegengesetzten Magnetpolen zurückgeführt werden. Dazu stehen sich die Polschuhteile innerhalb und ausserhalb des rohrförmigen Targets mit möglichst knappem Abstand gegenüber. Auf diese Weise lässt sich ein vor dem rohrförmigen Target liegender tunnelförmiger und in sich geschlossener Magnetfeldverlauf erzielen, ohne dass im Rückraum der Kathode Magnetfelder aus den Magnetfeld-Leitkörpern austreten, die das Entstehen von Nebenplasmen unterstützen können. Bei einem ausschliesslich im Inneren des rohrförmigen Targets befindlichen Magnetsystem wäre es nicht möglich, die beiden Magnetpole zum Verbreitern des Zerstäubungsbereiches auf dem Target in grösserem Abstand zueinander anzuordnen, ohne dass das nach aussen tretende, tunnelförmige Magnetfeld zum Definieren der Plasmazone sich so nachhaltig abschwächen würde, dass ein zuverlässiges Zünden des Plasmas nicht mehr gewährleistet ist und der magnetische Einschluss des Plasmas nicht mehr gegeben ist. Auch können die magnetischen Feldlinien bei einem zu grossen Abstand der Magnetpole zueinander eine Kurvenform annehmen, bei der die zum Einschluss eines Plasmas benötigten Feldstärken im Inneren des rohrförmigen Targets liegen, so dass ein magnetischer Einschluss eines Plasmas vor dem Target nicht mehr möglich ist.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Magnetanordnung ist die Möglichkeit, den ausserhalb des rohrförmigen Targets vorgesehenen rahmenförmigen Teil des Magnetsystems auf einer kastenförmigen Kathodenumgebung aufzusetzen, die den Bereich ausserhalb der aktiven Zone des Targets, in der die Targeterosion stattfindet, vollständig umschliesst. Durch die Zuführung der Sputtergasmischung oder Komponenten davon in diese kastenförmige Kathodenumgebung hinein, tritt das Gas durch die schmalen Spalte zwischen Magnetpolschuh und Targetoberfläche hindurch und gelangt direkt in die Plasmaentladung, wo es wenigstens teilweise ionisiert wird. Auf diese Weise können die Reaktivgase aus der Prozessgasmischung in verstärktem Masse aktiviert werden, wodurch die chemische Reaktion zwischen Targetmaterial und Reaktivgas erleichtert wird und die abgeschiedenen Schichten eine höherwertige Qualität erhalten.

Diese Art der Gaszuführung und das teilweise Umschliessen des Targets bietet den weiteren Vorteil, dass durch die höhere Strömungsgeschwindigkeit der Gasmischung oder der gewählten Gaskomponenten durch den engen Spalt hindurch verhindert wird, dass das vom Target abgestäubte Material wieder auf der Targetoberfläche ausserhalb und nahe dem Bereich der aktiven Zone des Targets, in der die Targeterosion stattfindet, abgelagert wird. Bei Reaktivprozessen werden Materialzusammensetzungen erzeugt, die elektrisch nichtleitend sind und somit die Plasmaentladung negativ beeinflussen können. Die kastenförmige Kathodenumgebung verhindert, dass das abgestäubte Reaktivmaterial oder Verunreinigungen auf weiter entfernt gelegene Targetbereiche gelangen können, die ausserhalb der aktiven Zone des Targets liegen, in der die Targeterosion stattfindet. Die erfindungsgemässe Vorrichtung hat daher eine hohe Betriebssicherheit und erlaubt einen besonders stabilen, arcingfreien Beschichtungsprozess.

Das Magnetsystem kann, wie bei vergleichbaren Vorrichtungen üblich, Permanentmagnete enthalten, es ist jedoch auch möglich, einen oder mehrere Elektromagneten einzusetzen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben, aus denen sich die in den Patentansprüchen beanspruchten und weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben.

Es zeigen in schematischer Darstellung: <tb>Fig. 1<sep>einen Querschnitt durch eine Kathodenzerstäubungsvorrichtung mit drehbarem Target nach dem Stand der Technik <tb>Fig. 2<sep>Skizze in perspektivischer Darstellung eines unter einem Target mit gebogener Mantelfläche angeordneten Magnetsatzes nach dem Stand der Technik <tb>Fig. 3<sep>eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemässen Kathodenzerstäubungsvorrichtung mit drehbarem Target, teilweise umgeben vom externen Bestandteil des Magnetsystems <tb>Fig. 4<sep>einen Querschnitt durch eine erfindungsgemässe Kathodenzerstäubungsvorrichtung mit drehbarem Target <tb>Fig. 5<sep>einen Querschnitt durch eine erfindungsgemässe Kathodenzerstäubungsvorrichtung mit drehbarem Target in einer weiteren Ausgestaltung des Magnetsystems.

In den folgenden Figuren sind gleiche oder sich entsprechende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Bei allen im Folgenden beschriebenen Vorrichtungen liegen die zu zerstäubenden Flächen im Vakuum, auch wenn auf die Darstellung von Vakuumkammern, Vakuumpumpen, Ventilen, Schleusen und Druckmesseinrichtungen verzichtet wurde. Ebenso wurde darauf verzichtet, die für die Kühlung und die Drehung des Targets sowie die elektrische Kontaktierung notwendigen Mittel nach dem Stand der Technik darzustellen.

In Fig. 1 ist schematisch ein Querschnitt durch eine Kathodenzerstäubungsvorrichtung (1) mit einem drehbaren, zylinderförmigen Target mit Targetträger (2) nach dem Stand der Technik dargestellt. Das intern angeordnete Magnetsystem (3) bestehend aus einem Magnetjoch (4) aus einem magnetisch permeablen Metall und mehreren Permanentmagneten (5) ist nahe der Innenrohrwand des zylinderförmigen Targets mit Targetträger (2) angeordnet. Aus den dem Magnetjoch abgewandten Polflächen der Permanentmagnete (5) treten Magnetfeldlinien (6) aus und durchdringen das rohrförmige Target mit Targetträger (2), wobei darauf verzichtet wurde, diese beiden Bestandteile in der Skizze einzeln darzustellen. Zwischen den Magnetpolen unterschiedlicher Polarität bildet sich ein Magnetfeld aus, das die skizzierten Magnetfeldlinien (6) zum Einschluss einer Plasmaentladung (7) aufweist. Nicht dargestellt sind in der Fig. 1 die zum Betrieb notwendigen Mittel und Vorrichtungen, wie zum Beispiel zum Kühlen und zum Drehen des Targets, die Befestigung des Magnetsystems (3) und der Anschluss für die elektrische Leistungszuführung zum Target. Der in der Fig. 1 abgebildete Pfeil soll die Möglichkeit der Drehung des Targets um die durch das Mittelkreuz angedeutete Drehachse anzeigen, wobei aber die Drehrichtung in oder entgegengesetzt der Pfeilrichtung erfolgen kann.

Fig. 2 zeigt skizziert einen unterhalb eines Targets mit gebogener Mantelfläche, die nur ausschnittsweise dargestellt ist, angeordneten Magnetsatz nach dem Stand der Technik mit dem durch das Target hindurchgreifenden Magnetfeld in perspektivischer Darstellung. Das Magnetsystem (3) nimmt eine in etwa rechteckige Form mit drei zur Mantelfläche des Targets (20) parallel angeordneten Polschuhen an, wobei der mittlere Polschuh im Endbereich des Magnetsystems in etwa im selben Abstand zum äusseren Polschuh endet, den er auf dem längs erstreckten, geraden Teil einnimmt. Dadurch erzeugt das Magnetsystem (3) einen magnetischen Tunnel mittels der skizzierten Feldlinien (6), der das hier nicht dargestellte Plasma auf einer Bahn in Form einer aus zwei geraden Teilen und zwei Kurventeilen bestehenden, in sich geschlossenen Schleife parallel zur Längsachse des rohrförmigen Targets, dem sogenannten race track, einschliesst. Im Endbereich des Targets wird es mittels eines halbkreisförmigen Magnettunnels auf die parallel zur ersten und in entgegengesetzter Richtung verlaufende Bahn zurückgelenkt, wobei sich nach Durchlaufen der zweiten Kurve die Schleife schliesst. Auf der dem Magnetjoch zugewandten Polseite der Magnetisierungsmittel (5) tritt das Magnetfeld nicht in den Raum aus, da es in den weichmagnetischen Magnetjochen hoher magnetischer Suszeptibilität vollständig aufgenommen und zum Gegenpol zurückgeführt wird.

In Fig. 3 sind schematisch die wesentlichen Elemente einer erfindungsgemässen Kathodenzerstäubungsvorrichtung (8) mit einem drehbaren, zylinderförmigen Target mit Targetträger (2) dargestellt. Nicht sichtbar im Inneren des Targets (2) befindet sich unter der Scheitellinie des zylinderförmigen Targets (2) der Magnetpol der einen Polarität, während die den magnetischen Gegenpol bildenden Magnete (5) ausserhalb des Targets (2) und um dieses herum angeordnet sind. Der aus den Polflächen der Magnete (5) zum aussen liegenden Teil des Magnetjochs (4) hin austretende magnetische Fluss wird über diesen zum innen angeordneten, nicht sichtbaren Teil des Magnetjoches geführt, wobei er durch das unmagnetische Target hindurchgeleitet wird. Der nicht dargestellte, aus den Polflächen der Magnete (5) zum aussen liegenden Polschuh (9, 10) hin austretende magnetische Fluss wird über diesen Polschuh (9, 10) so zur äusseren Targetoberfläche (18) geführt, dass ein Teil der magnetischen Feldlinien das Target nach innen durchdringen, der grössere Teil aber bogenförmig vor dem Target zur Scheitellinie des zylinderförmigen Targets (2) gelenkt wird, wo er das Target durchquert, und zum innen liegenden Magnetpol gelangt.

Um das Magnetfeld in den beiden Endbereichen des zylinderförmigen Targets (2) zu einem halbkreisförmigen Magnettunnel zu formen, der das Plasma zu einer in sich geschlossenen Schleife mit zwei in etwa parallel zueinander verlaufenden langgezogenen Plasmazonen formt, wird der Polschuh (10) an den Stirnseiten der Kathode (8) der Krümmung des zylinderförmigen Targets (2) angepasst. Die Magnetisierungsmittel (5) an den Stirnseiten der Kathode (8) können wie abgebildet auf einer Geraden angeordnet sein, und der Magnetfluss wird über den Polschuh (10) in geeigneter Weise zum Target geführt. Um spezielle Wirkungen oder Formen des Kurvenmagnetfeldes zu erreichen, können aber auch die Magnete (5) an den Stirnseiten der Kathode (8) auf einer gebogenen Linie angeordnet sein, die in einer Ebene senkrecht zur Längsachse des zylinderförmigen Targets liegt.

Die Kathodenrückseite ist von einer kastenförmigen Abschirmung oder Kathodenumgebung (11) umgeben, die gleichzeitig auch als Träger für den externen Bestandteil des Magnetsystems dienen kann. Die Aufhängung des drehbaren, zylinderförmigen Targets (2) sowie der Antrieb für die Drehung, die Zuführungen von elektrischer Energie und vom Kühlmedium sind im Inneren der Kathodenumgebung (11) angeordnet, so dass diese u.a. vor einer Beschichtung durch das vom Target abgetragene Material geschützt sind.

Das erfindungsgemässe Magnetsystem kann eine oder mehrere Magnetspulen oder Permanent-Magnete enthalten, was insbesondere beim externen Teil technisch einfach zu lösen ist, da keine Stromdurchführungen durch drehende Teile geleitet werden müssen.

Die Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch die erfindungsgemässe Zerstäubungsvorrichtung (8). Das Target mit Targetträger (2) ist von einer kastenförmigen Abschirmung oder Kathodenumgebung (11) umgeben, die gleichzeitig auch als Träger des externen Teils des Magnetsystems (5, 9, 13) und einer Abschirmung (14) dienen kann. Das Joch des Magnetsystems ist in einen innen angeordneten Bestandteil (12) und einen extern angeordneten Bestandteil (13) gegliedert. Zur geeigneten Führung der Magnetfeldlinien (6) vom externen Teil des Magnetsystems zum Target (2) hin ist ein Polschuh (9) vorgesehen. Dieser kann durch eine Abschirmung (14) aus nicht magnetischem Material vor Beschichtung und Beschädigung geschützt werden. Die Magnetfeldlinien (6) treten nahe dem Target (2) aus dem Polschuh (9) aus und beschreiben einen Bogen, um in den innen angeordneten Magnetpol entgegengesetzter Polarität einzutreten. Von dort werden die Magnetfeldlinien im innen liegenden Jochteil (12) an die Innenseite des rohrförmigen, drehbaren Targets geführt, wo sie durch das nicht magnetische Target und Targetträger (2) hindurchtreten und aufgrund des geringen Abstandes zum externen Teil des Magnetjoches (13) ohne grössere Verluste in der Feldstärke zum extern angeordneten Magnetisierungsmittel (5) zurückgelangen.

Die kastenförmige Abschirmung oder Kathodenumgebung (11) kann einerseits den externen Teil des Magnetsystems tragen, andererseits die Lagerung des drehbaren Targets mit Targetträger (2) aufnehmen und zum gerichteten Zuführen des Prozessgasstromes dienen. Für Letzteres ist auf der Rückseite der kastenförmigen Abschirmung oder Kathodenumgebung (11) eine Gaszuführung (15) vorgesehen, durch die das Reaktivgas, das Inertgas oder die Prozessgasmischung in das Innere der Kathodenumgebung (11) gelangt. Es strömt durch die engen Spalte zwischen äusserer Targetoberfläche (18) und den extern angeordneten Jochteilen (13), Magnetisierungsmitteln (5), den Polschuhen (9) und den Abschirmungen (14). Dadurch wird das Prozessgas direkt in den Plasmabereich (7) eingebracht, wodurch eine höhere lonisationsrate und damit bei reaktiven Beschichtungsverfahren eine verbesserte chemische Reaktion zwischen dem Targetmaterial und dem Reaktivgas erreicht wird.

Der in der Fig. 4 abgebildete Pfeil soll die Möglichkeit der Drehung des Targets um die durch das Mittelkreuz angedeutete Drehachse anzeigen, wobei aber die Drehrichtung in oder entgegengesetzt der Pfeilrichtung stattfinden kann.

Die externen Magnete (5), die Polschuhe (9) parallel zur Mantelfläche des Targets sowie die Abschirmungen (14) können wie in Fig. 4 wiedergegeben zum Mittelmagnet des Magnetsystems hin geneigt angeordnet sein, wobei z.B. der externe Teil des Magnetjoches (13) oder - was nicht abgebildet ist - der Polschuh (9) einen geeigneten Querschnitt aufweisen. Ebenso können diese Teile auch mit rechteckigen Querschnitten wie in Fig. 3 dargestellt angeordnet werden, so dass ihre zum Substrat ausgerichteten Vorderflächen im rechten Winkel zu der Ebene verlaufen, die durch den Mittelpunkt des internen Mittelmagneten (5) und die Drehachse aufgespannt werden.

Die in Fig. 5 gezeigte weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet zusätzlich eine hinter dem Substrat (17) vorgesehene Halterung (16) für Steuermagnetisierungsmittel (19), die im Abstand zur Kathode (8) und/oder in der Polarität des Steuermagnetisierungsmittels (19) variiert werden kann. Mit dieser kann das das Plasma (7) führende Magnetfeld (6) im Bereich der zu beschichtenden Oberfläche des Substrates (17) so verändert werden, dass die Plasmadichteverteilung an spezielle Prozessführungen angepasst werden und/oder das Plasma auf die Substratoberfläche einwirken kann. Das Steuermagnetisierungsmittel (19) kann wie in Fig. 5 abgebildet aus Permanentmagneten bestehen, ebenso kann es aber mit einer Magnetspule versehen werden, wobei die Halterung (16) mit einem nicht abgebildeten Polschuh oder Eisenkern versehen ist, der anstelle der Permanentmagneten (19) vorgesehen ist.

Der in der Fig. 5 abgebildete Pfeil soll die Möglichkeit der Drehung des Targets um die durch das Mittelkreuz angedeutete Drehachse anzeigen, wobei aber die Drehrichtung in oder entgegengesetzt der Pfeilrichtung stattfinden kann.

Bezugszeichenliste

1 : Kathodenzerstäubungsvorrichtung mit drehbarem Target, Kathode 2 : Zylinderförmiges Target mit Targetträger 3 : Magnetsystem 4 : Magnetfeld-Leitkörper, Magnetjoch 5 : Magnetisierungsmittel, Permanentmagnet 6 : Magnetische Feldlinien 7 : Plasmaentladung, Plasma 8 : Erfindungsgemässe Kathodenzerstäubungsvorrichtung, Kathode 9 : Polschuh im Längsteil-externen des Magnetsatzes 10 : Polschuh am Endteil-externen des Magnetsatzes 11 : Kastenförmige Kathodenumgebung oder Abschirmung 12 : Im Inneren des Targetträgers angeordneter Bestandteil des erfindungsgemässen Magnetjoches 13 : Externer Bestandteil des erfindungsgemässen Magnetjoches 14 : Abschirmung 15 : Gaszuführung 16 : Halterung für Steuermagnetisierungsmittel 17 : Substrat 18 : Äussere Targetoberfläche 19 : Steuermagnetisierungsmittel 20 : Ausschnitt eines Targets mit gebogener Mantelfläche

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Kathodenzerstäubung (8) zum Beschichten von Substraten im Vakuum umfassend einen im Wesentlichen rohrförmigen Träger für das zu zerstäubende Material (2), welcher um seine Längsachse rotieren kann, ein Magnetsystem, das sich entlang der Längsachse erstreckt, zum magnetischen Einschluss eines Plasmas, das nahe einem Target aus dem zu zerstäubenden Material (2) vorgesehen ist, wobei das Magnetsystem aus Polschuhen (9, 10) und aus Magnetjochen (12, 13) aus magnetisch permeablem Metall und Magnetisierungsmitteln (5) besteht, die zur Erzeugung eines magnetischen Flusses in dem Magnetsystem geeignet sind, ein Kühlsystem, das zum Zirkulieren eines Kühlmediums in dem rohrförmigen Träger in Verbindung mit einer ausserhalb des Trägers angeordneten Kühlvorrichtung geeignet ist, eine Einrichtung zur Verbindung mit einem elektrischen Versorgungskreis und eine Einrichtung für den Drehantrieb des rohrförmigen, drehbaren Trägers um seine Längsachse, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetpole einer Polarität des Magnetsystems ausserhalb des rohrförmigen, drehbaren Trägers (2) angeordnet sind und diesen umfassen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die externen Polschuhe (10) im Endbereich des zylindrischen Targets eine im Wesentlichen der Targetkrümmung angepasste Form aufweisen.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die externen Magnetisierungsmittel (5) an den Stirnseiten des Magnetsystems in einer Ebene senkrecht zur Drehachse des Targets und in dieser Ebene auf einer gekrümmten Linie angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein extern angeordneter Teil des Magnetsystems mit einer die Kathode im Halbraum umgreifenden Kathodenumgebung (11) in Verbindung steht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas oder Anteile einer Prozessgasmischung durch das Innere der die Kathode im Halbraum umgreifenden Kathodenumgebung (11) zuführbar ist.

6. Vorrichtung nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Kathodenmagnetsystem gegenüberliegendes und hinter dem Substrat angeordnetes Steuermagnetsystem (16, 19) mit einem Steuermagnetisierungsmittel (19) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermagnetisierungsmittel (19) Permanentmagnete enthält.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermagnetisierungsmittel (19) eine Magnetspule enthält.