DD141169B5 - Vorrichtung zum hochratesputtern - Google Patents

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Hochratesputtern unter Verwendung der Lehre des Patents DD137947, insbesondere in Sputteranlagen, in denen ein oder mehrere kleine, vorzugsweise runde Targets eingesetzt werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Das Sputtern ist ein Beschichtungsprozeß, bei dem Ionen hoher Energie aus einer Gasentladung auf die Kathode-das Targettreffen und über Stoßprozesse Atome des Targets abstäuben, die sich zu einem Teil auf einem gegenüber dem Target befindlichen Substrat wieder abscheiden und so zum Wachstum einer Schicht auf dem Substrat beitragen. Da die Rückstreuung der gestäubten Atome an Gasatomen mitzunehmendem Druck stark ansteigt, muß die Gasentladung bei 10~¹ bis 10~² Torr aufrechterhalten werden. Dieser niedrige Druck führt zu einem sehr ausgedehnten Kathodenfallraum, der fast biszum Substrat reicht, so daß eine große Anzahl schneller Elektronen auf das Substrat trifft und die wachsende Schicht sowohl durch direkte Einwirkung als auch durch die indirekt hervorgerufene Erwärmung des Substrates beeinflußt. Diese schnellen Elektronen gehen der Gasentladung zu einem großen Teil verloren, da sie nur wenige oder keine Atome ionisieren, so daß der lonenstrom der Entladung klein ist, was wiederum zu einer kleinen Sputterrate - pro Zeiteinheit und Flächeneinheit vom Target abgestäubte Materialmenge-führt. Deshalb wares bisher nicht möglich, mit dem Sputterprozeß nur annähernd so hohe Beschichtungsraten zu erzeugen, wie mit dem Verdampfen zu erreichen waren. Dieser Nachteil des Sputterverfahrens wird beim sogenannten Hochratesputtern dadurch vermieden, daß die Elektronen in unmittelbarer Nähe des Targets durch ein Magnetfeld geführt werden. Die Feldkomponente parallel zum Target führt die Elektronen auf Halbkreis- bzw. Zykloidenbahnen senkrecht zum Target. Durch die Magnetfeldkomponente senkrecht zum Target wird die Entladung in lateraler Richtung auf eine kreisförmige bzw. kreisähnliche auf jeden Fall geschlossene Bahn beschränkt. Durch die vorgegebene Bahn der Elektronen wird eine wesentlich stärkere Ionisierung des Gases, damit eine stromstarke Entladung und infolge dessen eine wesentlich höhere Sputterrate erreicht. In bekannten Hochratesputteranlagen wurden Topfmagnete, Anordnungen von Hufeisenmagneten (US-PS 3.956.093), radialmagnetisierte Ringmagnete und aufgereihte Magnetscheiben (DD 124659) eingesetzt. Weitere charakteristische bekannte Lösungen sind in: DE-OS 2417288; DE-OS 2556607; R.K. Waits „Planar magnetron sputtering", J. Vac. Sei. Technol. 15 (2) (1987) S. 179-187 und T. van Vorous „Planar magnetron sputtering, a new industrial coating technique", Solid State Technology 12 (1976), S. 62-66 beschrieben. Ferner sind Vorrichtungen bekannt, mit Hilfe derer der Abtrag eines möglichst großen Teiles des Targets realisiert werden soll (z. B. US-PS 3.956.093), die zumeist allerdings einen relativ großen apparativen Aufwand in sich bergen. Die einzige bisher bekannte Lösung, die eine Anpassung der Entladung an die spezifischen Parameter des Targetmaterials und/oder die Beschichtungstechnologie ermöglicht, ist die im Patent DD 137947 beschriebene. Die dort angegebene Vorrichtung ist jedoch nur bedingt für die Anwendung in kleinen Sputteranlagen bzw. in solchen, in denen mehrere derartige Vorrichtungen, z.B. zum Zerstäuben verschiedener Materialien auf engem Raum, installiert werden sollen, geeignet.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, die Mängel des Standes der Technik zu beheben und die Lehre des Hauptpatents weiter auszugestalten.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, mit Hilfe derer es unter Verwendung der Lehre des Hauptpatents möglich ist, den Durchmesser einer rotationssymetrischen Entladung zu ändern und so mit unterschiedlich großen Targets bzw. unabhängig von der Entladungsleistung im für das jeweilige Targetmaterial und/oder die jeweilige Beschichtungstechnologie optimalen Spannungsbereich arbeiten zu können, wobei die Vorrichtung vornehmlich in Sputteranlagen einsetzbar sein soll, die kleine Bauformen erfordern. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die in den Kennzeichen der Patentansprüche aufgeführten Mittel gelöst. Gemäß der Erfindung sind zur Bildung einer vorwiegend rotationssymmetrischen Entladung auf einer weichmagnetischen Platte ein oder mehrere hartmagnetische, senkrecht zur weichmagnetischen Platte magnetisierte austauschbare Ringe angeordnet, in deren Mitte sich ein hartmagnetischer ebenfalls senkrecht zur weichmagnetischen Platte magnetisierter, insbesondere zylindrischer Körper oder ggf. ein weiterer Ring befindet, wobei die Magnetisierungsrichtung der hartmagnetischen Ringe und/oder des mittig angeordneten hartmagnetischen Körpers oder Ringes mindestens einmal antiparallel zueinander festgelegt ist und zwischen diesen antiparallel magnetisierten hartmagnetischen Gebilden ein Zwischenraum, vorzugsweise in der Größenordnung eines Zentimeters, verbleibt. Die vorzugsweise aus Ba-Ferrit oder Sr-Ferrit bzw. aus Mischferriten aus Ba- und Sr-Ferrit, unterschiedliche Höhen aufweisen könnenden, hartmagnetischen Ringe und vorwiegend zylindrische Form aufweisende hartmagnetische Körper sind in der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegen hartmagnetische Ringe und vorwiegend zylindrische hartmagnetische Körper veränderten Durchmessers austauschbar. Da die Entladung beim Hochratesputtern (Magnetsystem unter der Kathode) durch die Magnetfeldkomponente parallel zurTargetnormalen sowohl am Außenrand als auch am Innenrand begrenzt wird, kann man die Ausdehnung der Entladung durch den Außendurchmesser des mittig angeordneten hartmagnetischen Körpers und den Innendurchmesser des hartmagnetischen Ringes entgegengesetzter Magnetisierungsrichtung beeinflussen. Wenn man ein Magnetsystem mit einem hartmagnetischen Ring auf einer weichmagnetischen Platte aufbaut, wird man im allgemeinen in der Mitte des Ringes einen weichmagnetischen Polschuh anordnen, der eine größere Sättigungsmagnetisierung als das hartmagnetische Material hat, so daß ertrotz der stark unterschiedlichen Querschnitte von Ring und Polschuh den magnetischen Fluß des hartmagnetischen Ringes weitestgehend aufnehmen kann. Völlig überraschend hat sich jedoch ein erfindungsgemäßer hartmagnetischer Rückschluß, insbesondere in vorwiegend zylindrischer Form, der innerhalb eines hartmagnetischen Ringes angeordnet ist, als wesentlich günstiger auf den magnetischen Feldverlauf erwiesen. Sowohl der Verlauf der Magnetfeldkomponente parallel zurTargetnormalen als auch der senkrecht dazu ist den Erfordernissen des Hochratesputterns, wie z. B. einer durch eine breite Entladung erreichbare effektivere Targetausnutzung, besser angepaßt. Ein besonders günstiger Feldverlauf wird erreicht, wenn bei einer Anordnung, die aus einem hartmagnetischen Ring und einem mittig angeordneten hartmagnetischen vorwiegend zylindrischen Körper besteht, der hartmagnetische vorwiegend zylindrische Körper einige Millimeter höher als der Ring ist. Unter Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann man eine Einengung der Entladung dadurch erreichen, daß man in einer aus einem hartmagnetischen Ring und einem hartmagnetischen vorwiegend zylindrischen Körper bestehenden Anordnung entweder einen Ring mit kleinerem Innendurchmesser oder einen zweiten Ring gleicher Magnetisierungsrichtung mit einem dem Innendurchmesser des bereits vorhandenen entsprechenden Außendurchmessers einsetzt und so den vorzugsweise konzentrischen Zwischenraum zwischen Innendurchmesser des Ringsystems und dem hartmagnetischen vorwiegend zylindrischen Körper verkleinert. Zwecks Erzeugung einer Doppelringentladung kann man zwei hartmagnetische Ringe und einen hartmagnetischen Körper mit zueinander jeweils antiparalleler Magnetisierungsrichtung auf einer weichmagnetischen Platte derart anordnen, daß zwischen den hartmagnetischen Körpern antiparalleler Magnetisierungsrichtung jeweils ein vorzugsweise konzentrischer Zwischenraum verbleibt. Durch die Kombination von hartmagnetischen Ringen und vorwiegend zylindrischen Körpern unterschiedlichen Durchmessers lassen sich unterschiedliche Entladungen erzeugen, so daß auf sehr bequeme Weise eine Anpassung der Entladung an das jeweilige Targetmaterial und/oder die gewünschte Beschichtungstechnologie möglich ist, wobei die kleine Bauform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ihre Anwendung in kleineren Sputteranlagen bzw. in solchen in denen meherere derartige Vorrichtungen auf engstem Raum installiert werden sollen, ermöglicht.

Unter den in der Erfindung verwendeten Begriff „Ring" und im wesentlichen „zylindrischen Körper" fallen selbstverständlich auch solche Formen wie ein Achteck etc.

Ausführungsbeispiel

Zur näheren Illustration der erfindungsgemäßen Lösung sollen folgende Ausführungsbeispiele dienen.

Auf einer weichmagnetischen Platte 1 von 10 mm bis 20 mm Dicke sind ein hartmagnetischer Ring 2 und ein hartmagnetischer angefaster Zylinder 3 so angeordnet, daß der hartmagnetische Zylinder 3 mit dem Südpol nach oben in der Mitte des als hartmagnetischer Ring 2 verwendeten Ba-Sr-Mischferrites mit dem Nordpol nach oben steht (Fig. 1). Der hartmagnetische Ring 2 hat z. B. eine Höhe von 20mm, und der Außendurchmesser beträgt bei einer Ringbreite von 20 mm 140mm. In der Mitte des Ringes 2 ist der angefaste Zylinder 3 von 50 mm Durchmesser angeordnet, dereine Höhe von 23 mm hat.

Zur Einengung der Entladung wird der angefaste Zylinder 3 entfernt, ein hartmagnetischer Ring mit einem Außendurchmesser von 99mm, einem Innendurchmesser von 60mm und einer Höhe von 20mm bei gleicher Magnetisierungsrichtung wieder Außenring eingesetzt und in dessen Mitte ein hartmagnetischer Zylinder mit 30mm Durchmesser und 20 mm Höhe gesetzt (Fig. 2). Die Entladungsfläche über dem Target kann man auch dadurch ändern, daß man nur den Zylinder 3 oder nur den Ring 2 auswechselt.

Zur Erzeugung einer Doppel-Ring-Entladung wird in den hartmagnetischen Ring 2 mit 110mm Innendurchmesser ein hartmagnetischer Ring 5 mit z.B. 80 mm Außendurchmesser und 50 mm Innendurchmesser auf die weichmagnetische Platte 1 gebracht. In der Mitte dieses Ringes ordnet man einen hartmagnetischen Zylinder 4 mit 30mm Außendurchmesser (Fig.3) und 20mm Höhe an.

Durch die Kombination mit hartmagnetischen Ringen und mittig angeordneten, insbesondere vorwiegend zylindrischen hartmagnetischen Körpern unterschiedlichen Durchmessers lassen sich sehr unterschiedliche Entladungen erzeugen, so daß auf sehr bequeme Weise eine Anpassung der Entladung an das jeweilige Targetmaterial bzw. die gewünschte Beschichtungstechnologie möglich ist. Ferner läßt sich, abgesehen von der Möglichkeit, Entladungen unterschiedlichen Durchmessers zu erzeugen, durch eine insbesondere diskontinuierliche Drehung des Targets gegenüber dem Magnetsystem eine Vergrößerung der gleichmäßig abgetragenen Targetfläche erreichen, wenn die Anordnung der hartmagnetischen Ringe und des vorwiegend zylindrischen Körpers eine nichtkonzentrische ist.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Hochratesputtern unter Verwendung der Lehre des Hauptpatents DD 137947, enthaltend eine weichmagnetische Platte, auf der magnetische Körper wenigstens einmal antiparalleler Magnetisierungsrichtung angeordnet sind, die einer über ihnen brennenden Entladung eine im wesentlichen kreisförmige Form aufprägen, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Körper durch gegeneinander austauschbare hartmagnetische Ringe bzw. im wesentlichen zylindrische Körper unterschiedlichen Durchmessers gebildet sind.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die austauschbaren hartmagnetischen Ringe bzw. im wesentlichen zylindrischen Körper unterschiedlicher Magnetisierungsrichtung voneinander vorzugsweise in der Größenordnung eines Zentimeters beabstandet sind.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den antiparallel magnetisierten hartmagnetischen Gebilden gebildete Zwischenraum im wesentlichen gleich breit, vorzugsweise konzentrisch, festgelegt ist.

4. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die hartmagnetischen Ringe und/oder vorwiegend zylindrischen Körper unterschiedliche Höhe aufweisen, vorzugsweise der mittig angeordnete Körper einige Millimeter höher als der nächste hartmagnetische Ring antiparalleler Magnetisierungsrichtung ist.

5. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die hartmagnetischen Ringe und mittig angeordneten Körper vorzugsweise aus koerzitivkraftbetontem Material bestehen.

6. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als koerzitivkraftbetonte hartmagnetische Ringe und Körper Ba-Ferrit oder Sr-Ferrit bzw. Mischferrite aus Ba-Ferrit und Sr-Ferrit Verwendung finden.