DD217964A3

DD217964A3 - Einrichtung zum hochratezerstaeuben nach dem plasmatronprinzip

Info

Publication number: DD217964A3
Application number: DD23381781A
Authority: DD
Inventors: Wolfgang Erbkamm; Johannes Hartung; Volkmar Spreitz; Klaus Goedicke; Ullrich Heisig; Gerhard Kuehn; Siegfried Schiller; Guenther Beister; Hans-Christian Hecht
Original assignee: Ardenne Manfred
Priority date: 1981-10-02
Filing date: 1981-10-02
Publication date: 1985-01-23
Also published as: DE3229969A1; CS245743B1; CS638382A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Hochratezerstaeuben nach dem Plasmatronprinzip zur Abscheidung von Schichten auf allen Gebieten der Technik. Das Ziel ist die Senkung des Aufwandes fuer die Targets und der Beschichtungskosten. Die Aufgabe besteht darin, den Ausnutzungsgrad des Targets und die Beschichtungsrate sowie die Targetstandzeit zu erhoehen. Erfindungsgemaess ist in einem rohrfoermigen Target eine magnetfelderzeugende Einrichtung angeordnet mit einem in sich geschlossenen Ringspalt. Die Anode umgibt das Target bis auf den Ringspaltbereich und ist im Abstand vom Target verstellbar. Mittels Antrieb wird zwischen dem Target und der magnetfelderzeugenden Einrichtung eine Relativbewegung erzeugt. Der Abstand zwischen dem Target und der magnetfelderzeugenden Einrichtung wird nachgestellt. Fig. 1

Description

Einrichtung zum Hochratezerstäuben nach dem Piasmatronprinzip Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Hocnratezerstäuben nach dem Piasmatronprinzip· Solche Einrichtungen dienen als Teilchenquellen für Vakuumbeschichtungsanlagen zur Abscheidung von Schichten, die auf den verschiedensten Gebieten der Technik, insbesondere der Elektronik, Optik und Werkstoffveredelung, angewendet' werden·

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Von den Plasmatronquellen unterschiedlicher Bauart haben sich vor allem solche mit ebenen Targets aus dem zu zerstäubenden Material und mit langgestrecktem Ringspalt für die Beschichtung großer Substratflächen durchgesetzt. Im technischen Einsatz solcher Quellen wirkt sich der begrenzte, relativ niedrige Ausnutzungsgrad, des Targetmaterials, der meist um oder unter 30 % liegt, nachteilig aus· Daraus resultiert eine zu geringe Standzeit der Quellen infolge des notwendigen Targetwechsels.und damit eine Unterbrechung der Vakuumbeschichtung» Die Kosten für das Targetmaterial und.die Konfektionierung des Targets bis zur notwendigen geometrischen Form und Montage stellen einen erheblichen Teil der Beschichtungskosten dar. Deshalb wurden verschiedene Wege zur Verbesserung des Ausnutzungsgrades der Tar-, gets vorgeschlagen, wie ζ·'Β. die Anordnung von Hilfsmagneten (DE-OS 30 04 546)· Alle Lösungen führen allgemein zu einem wesentlich komplizierteren Aufbau der Plasmatronquellen ohne eine

wesentliche Verbesserung des Ausnutzungsgrades des Targetmaterials· . -·. ·

lieben diesen Quellen mit ebenen Targets (Planar-Plasmatron-Quellen) wurden auch, sogenannte Torus-Plasmatron-Quellen vor-,, geschlagen, die sich durch einen hohen Ausnutzungsgrad des Targetmaterials auszeichnen (DD-PS 123 952)» Diese sind aber nur für die allseitige Beschichtung, in zylindrischen konzentrischen .Beschichtungsanordnungen geeignet· Pur die einseitige Beschichtung ebener Substratanordnungen ist ihr Einsatz unzweckmäßig und dann auch nur mit einem niedrigen Ausnutzungsgrad des Targetmaterials verbunden·

Sin weiterer Mangel der bekannten Plasmatron-Quellen mit ebenem Target besteht darin, daß die Leistungsdichte und damit die Beschichtungsrate durch die physikalisch-technischen Grenzen der Targetkühlung eingeschränkt ist. Die Herstellungskosten der Targets sind zu dem geringen Ausnutzungsgrad sehr hoch·

Ziel der Erfindung;

Die Erfindung hat das Ziel, Mangel des Standes der Technik zu überwinden, den Aufwand für die Targetherstellung beim Hochratezerstäuben'zu senken und die BeSchichtungskosten zu verfingern·

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Hochratezerstäuben nach dem Piasmatronprinzip mit langgestrecktem Ringspalt zu schaffen, welche sich durch einen hohen Ausnutzungsgrad für das Targetmaterial, eine lange Targetstandzeit und die Möglichkeit zur Erreichung einer hohen Beschichtungsrate auszeichnet und für die Beschichtung ebener Substratanordnungen geeignet ist. . .

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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Einrichtung, bestehend aus einer magnetfelderzeugenden Einrichtung mit. Ringspalt, einer Anode und einem gekühlten rohrförmigen· Target aus dem'·zu zerstäubenden Material, dadurch gelöst,- daß sich im Inneren des Targets eine oder mehrere magnetfelderzeugende Einrichtungen mit in sich geschlossenen, langgestreckten Ringspalten,, deren Feldlinien durch das Rohr greifen, derart befinden,, daß ihre große Achse parallel zur Rohrachse liegt. Der Durchmesser des Rohres (Targets) beträgt zweckmäßigerweise mehr als das Dreifache der mittleren Ringspaltbreite, die durch den Abstand der' Polschuhe der magnetfelderzeugenden Einrichtung gegeben ist· Die Einrichtung enthält einen Antrieb zur,Erzeugung einer Relativbewegung des Rohres gegenüber der bzw· den magnetfelderzeugenden Einrichtungen, vorzugsweise einer gleichförmigen Rotation, um die Rohrachse· · Weiterhin enthält· die Einrichtung eine Vorrichtung (Exzenter) zur Veränderung des Abstandes zwischen . ' der Innenwand des Targets und der magnetfelderzeugenden Einrichtung· Die Anode umgibt das Target allseitig, mit Ausnahme des Ringspaltbereiches, in dem das Abstäuben des Targetmaterials erfolgt· Ihr Abstand zur wirksamen Targetoberfläche kann durch eine Verstelleinrichtung diskontinuierlich oder kontinuierlich auf einen festen Wert von z. B. 4 mm eingestellt werden· .

Wird beim Betrieb der erfindungsgemäßen Einrichtung in einer Zerstäubungseinrichtung an das rohrförmige Target eine negative Spannung gelegt, so bildet sich auf der Oberfläche des Targets im Bereich der magnetfelderzeugenden Einrichtung eine Plasmatron-Gasentladung aus. Der Bereich hoher Plasmadichte entspricht der geometrischen Form des Ringspaltes. Bei gleichförmiger Rotation des Targets führt diese Gasentladung zu einer Zerstäubung der gesamten Mantelfläche und damit zu einem gleichmäßigen Abtrag des Materials·

Bedingt durch die geometrische Form des Ringspaltes ergäbe sich bei konstanter Breite.im gekrümmten Teil des Ringspaltes ein im Vergleich zum nicht gekrümmten Teil höherer Abtrag an Targetma-

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.terial, der dazu führen würde, daß die Standzeit wie auch der Ausnutzungsgrad des Targets durch die technisch notwendige -¹ Restdicke des Targets an der Stelle maximalen Abtrags begrenzt würden. Es ist daher vorteilhaft, den Ringspalt im gekrümmten Bereich bei konstanter,magnetischer Feldstärke zu verbreitern.

Ausgehend von den bekannten Konstruktionsprinzipien, β^Ίοβη.β, insbesondere großflächige Substrate mit einem planaren Plasmatron zu beschichten und Rohre innenseitig oder-kleine Substrate entsprechend einem Rohr angeordnet mit einem rotationsförmigen Plasmatron zu beschichten, ist es überraschenderweise möglich geworden; Elemente beider Konstruktionen so zu kombinieren, daß eine höhere Gesamtleistung erreichbar ist, indem sämtliche Vorteile der beiden Prinzipien wirksam, werden·''

Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung wird eine extrem hohe Materialausnutzung erreicht (ca. 80 %). Die Targetstandzeit wird wesentlich erhöht. Die Kosten für die Targetkonfektipnierung sind gering, da ein rohrförmiges Halbzeug mit geringem Bearbeitungsaufwand verwendet wird. Der gleichmäßige Abtrag der Targetoberfläche und die durch die Einrichtung gegebene Möglichkeit zur Veränderung des Abstandes zwischen dem Target und der magnetfelderzeugenden Einrichtung wirken sich derart aus, daß im gesamten Verlauf des Zerstäubens des Targets die Plasmafokussierung konstant ist und'damit die Betriebsparaiaeter des Plasmatrons wie Brennspannung und Entladungsstrom konstant bleiben. Durch die Vorrichtung zur Einstellung des Abstandes zwischen Anode und wirksamer Targetoberfläche wird der überschlagsfreie Betrieb unabhängig vom Er'osionszustand des Targets erreicht·

Insbesondere wird bei gleichförmiger Rotation des Targets im Zeitmittel die Leistungsdichte .auf dem Target bei gegebener Gesamtleistung um mehr als eine Größenordnung reduziert. Dadurch kann die Gesamtleistung und damit die Beschichtungsrate gegenüber Quellen entsprechend dem bisherigen Stand der Technik um diesen Paktor erhöht werden· Die Richtcharakteristik

ist, bedingt durch die Krümmung der Targetoberflache, besonders der gleichmäßigen Beschichtung ebener Substratanordnungen angepaßt. Sin entscheidender Vorteil der Einrichtung besteht darin, daß die Targetkühlung wesentlich, wirksamer möglich ist und dadurch eine weitere Leistungssteigerung möglich ist.

Ausführungsbeispiel

In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Pig· 1: einen Querschnitt durch die Einrichtung,

Pig» 2: einen Längsschnitt der Einrichtung.

Die Einrichtung zum Hochratezerstäuben nach dem Plasmatronprinzip mit langgestrecktem Ringspalt besitzt ein rohrförmiges Target 1 aus dem zu zerstäubenden Material (Aluminium). Im Inneren dieses Targets 1 befindet sich die magnetfelderzeugende Einrichtung 2 mit einem langgestreckten, in sich geschlossenen Ringspalt 3· Die große Achse des Ringspaltes 3 liegt dabei parallel zur Rohrachse. Der äußere Rohrdurchmesser beträgt mehr als das Dreifache der mittleren Ringspaltbreite (im-Beispiel das Sechsfache). Die mittlere Ringspaltbreite ist dabei das arithmetische Mittel aus der Ringspaltbreite im gekrümmten Bereich und im geraden Bereich. Ein Antrieb 4, bestehend' aus einem Zahnrad und einem Antriebsritzel außerhalb des Vakuums, sowie ein Antriebsmotor erzeugen eine gleichförmige Rotationsbewegung des Targets um die Rohrachse von 1 Umdrehung je Minute.. Sine Exzentervorrichtung 5 dient dazu, den Abstand zwischen der im Laufe des Zerstäubens sukzessiv abgetragenen Targetaußenfläche und der magnetfelderzeugenden Einrichtung 2 konstantzuhalten. Eine Anode 6 umgibt das Target 1 allseitig, mit Ausnahme des Bereiches in der Nähe des Ringspaltes 3,· durch den sich die abgestäubten Teilchen in Richtung auf das Substrat bewegen. Eine Verstelleinrichtung 7 dient der Einstellung des konstanten Abstandes zwischen dem Target 1 und der Anode 6 von 4 mm während des gesamten Abstäubungsprozesses der Targetoberfläche. Die

Einrichtung ist einseitig vakuumdicht in die Arbeitskammer geführt. Ein Kühlsystem, bestehend aus dem Eintrittsrohr 8, Strömungsleitblechen 9 und dem Austrittsrohr 10, gewährleistet' die intensive Wasserkühlung des rohrförmigen Targets 1, so daß

-2 eine örtliche Leistungsdichte von 200 W cm und eine momentane

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Beschichtungsra'te von 10 pm min (Aluminium) realisiert werden können. - ·. .

Claims

Erfindungsanspruch. . .

1. Einrichtung zum Hochratezerstäuben nach dem Plasmatronprinzip, ,bestehend aus einer magnetfeiderzeugenden Einrichtung' mit Ringspalt, einem gekühlten rohrförmigen Target und einer Anode, dadurch, gekennzeichnet, daß die magnetfelderzeugende Einrichtung (2) einen in sich geschlossenen, langgestreckten Ringspalt (3) besitzt und in dem Target ,(1) so angeordnet ist, daß ihre große Achse parallel zur Targetachse verläuft, daß eine Anode (6) das Target (1) so umgibt, daß der· Ringspaltbereich frei ist.und mittels einer Verstelleinrichtung (7) der Abstand zwischen der Anode (6) und der Targetoberfläche auf einen festen Wert einstellbar ist, daß zum Erzeugen einer Relativbewegung um die große Achse zwischen dem Target (1) und der magnetfelderzeugenden Einrichtung (2) ein Antrieb (4) angeordnet ist, und daß an der magnetfelderzeugenden Einrichtung (2) eine Vorrichtung zur Veränderung des Abstandes zwischen dieser und dem Target (1) angeordnet ist·. · ' , ' .

2. Einrichtung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetfelderzeugende Einrichtung (2) in mehrere Einrichtungen unterteilt ist.

3» Einrichtung nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspalt (3) im gekrümmten Bereich breiter ist·

4. Einrichtung nach Punkt 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Targets (1) mindestens dreimal so groß wie die mittlere Ringspaltbreite ist.

5. Einrichtung nach Punkt 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß' am Target (1) ein Eintrittsrohr.(8) und Austrittsrohr (10) und im Target (1) Strömungsleitbleche (9) fürdas Kühlwasser angeordnet sind. .

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen . . .