DD217964A3 - DEVICE FOR HIGH-RATE SCREENING ACCORDING TO THE PLASMATRON PRINCIPLE - Google Patents
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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. 1The invention relates to a device for Hochratezerstaeuben the Plasmatron principle for the deposition of layers in all areas of technology. The goal is to reduce the cost of the targets and coating costs. The task is to increase the degree of utilization of the target and the coating rate as well as the target lifetime. According to the invention, a magnetic-field-generating device is arranged in a tubular target with a self-contained annular gap. The anode surrounds the target up to the annular gap area and is adjustable at a distance from the target. By means of a drive, a relative movement is generated between the target and the magnetic field generating device. The distance between the target and the magnetic field generating device is adjusted. Fig. 1
Description
Einrichtung zum Hochratezerstäuben nach dem Piasmatronprinzip Anwendungsgebiet der Erfindung Device for high rate sputtering according to the Piasmatron principle Field of application of the invention
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·The invention relates to a device for high-speed atomizing according to the piasmatron principle. Such devices serve as particle sources for vacuum coating systems for the deposition of layers which are used in the most diverse fields of technology, in particular in electronics, optics and material refinement.
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 eineOf the plasmatron sources of different types, especially those with flat targets made of the material to be sputtered and with an elongated annular gap have prevailed for the coating of large substrate surfaces. In the technical use of such sources, the limited, relatively low degree of utilization of the target material, which is usually around or below 30 % , adversely affects. This results in too short a lifetime of the sources as a result of the required target change and thus an interruption of the vacuum coating Costs for the target material and the manufacture of the target to the required geometrical shape and assembly represent a considerable part of the coating costs. Therefore, various ways to improve the utilization of Tar-, gets, such as ζ · 'Β proposed. the arrangement of auxiliary magnets (DE-OS 30 04 546) · All solutions generally lead to a much more complicated structure of Plasmatronquellen without a
wesentliche Verbesserung des Ausnutzungsgrades des Targetmaterials· . -·. ·Substantial improvement of the degree of utilization of the target material. - ·. ·
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·love these sources with even targets (Planar Plasmatron sources) were also ,, so-called torus Plasmatron sources ,, beaten ,, which are characterized by a high degree of utilization of the target material (DD-PS 123 952) »These are only for the one-sided coating of planar substrate arrangements, their use is inappropriate and then only associated with a low degree of utilization of the target material.
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·Another shortcoming of the known planar target plasmatron sources is that the power density and hence the deposition rate is limited by the physical-technical limitations of target cooling. The production costs of the targets are very high for the low utilization rate.
Ziel der Erfindung; Aim of the invention ;
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·The aim of the invention is to overcome the deficiency of the state of the art, to reduce the expense of target production during high rate sputtering and to reduce the coating costs.
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. . . The invention has for its object to provide a device for Hochratezerstäuben according to the Piasmatronprinzip with elongated annular gap, which is characterized by a high degree of utilization for the target material, a long target life and the ability to achieve a high coating rate and is suitable for the coating of planar substrate arrangements , , ,
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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· .According to the invention the object with a device consisting of a magnetic field generating device with. Annular gap, an anode and a cooled tubular · Target from the 'to be sputtered material, solved by, - that in the interior of the target one or more magnetic field generating devices with self-contained, elongated annular gaps, whose field lines through the tube, so ,, that their large axis is parallel to the tube axis. The diameter of the tube (targets) is expediently more than three times the mean annular gap width, which is given by the distance between the pole shoes of the magnetic field generating device. The device contains a drive for generating a relative movement of the tube with respect to the magnetic field generating device (s). preferably, a uniform rotation about the tube axis · · Furthermore, · the device includes a device (eccentric) for changing the distance between. The anode surrounds the target on all sides, except for the annular gap area in which the dusting of the target material takes place. Its distance from the effective target surface can be adjusted discontinuously or continuously to a fixed value of e.g. 4 mm ·.
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·If a negative voltage is applied to the tubular target during operation of the device according to the invention in a sputtering device, a plasmatron gas discharge is formed on the surface of the target in the region of the magnetic field-generating device. The region of high plasma density corresponds to the geometric shape of the annular gap. With uniform rotation of the target, this gas discharge leads to an atomization of the entire lateral surface and thus to a uniform removal of the material.
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-Due to the geometric shape of the annular gap, at a constant width, in the curved part of the annular gap, a higher ablation of target particles compared to the non-curved part would result.
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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..terial, which would cause the service life as well as the utilization of the target would be limited by the technically necessary - 1 residual thickness of the target at the point of maximum removal. It is therefore advantageous to widen the annular gap in the curved region with constant, magnetic field strength.
Ausgehend von den bekannten Konstruktionsprinzipien, βΊοβη.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·''Based on the known design principles, β Ί οβη.β, in particular to coat large-area substrates with a planar Plasmatron and pipes inside or small substrates arranged according to a tube with a rotary Plasmatron to coat, it has surprisingly become possible; To combine elements of both constructions in such a way that a higher overall performance can be achieved by taking full advantage of the two principles. "
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·With the device according to the invention an extremely high material utilization is achieved (about 80 %). The target lifetime is increased significantly. The costs for the Targetkonfektipnierung are low, since a tubular semi-finished product is used with little processing. The uniform removal of the target surface and the possibility given by the device for changing the distance between the target and the magnetic field generating device have the effect that the plasma focusing is constant throughout the course of the sputtering of the target and thus the operating parameters of the plasma toner such as burning voltage and Discharge current remain constant. By means of the device for adjusting the distance between the anode and the effective target surface, the flashover-free operation is achieved independently of the erosion state of the target.
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 RichtcharakteristikIn particular, with uniform rotation of the target over time, the power density on the target is reduced by more than an order of magnitude for a given total power. Thereby, the overall performance and thus the coating rate compared to sources according to the prior art can be increased by this factor · The directional characteristic
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.is, due to the curvature of the target surface, particularly adapted to the uniform coating of planar substrate arrangements. Sin crucial advantage of the device is that the target cooling is much more effective, possible and thus a further increase in performance is possible.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:In the accompanying drawings show:
Pig· 1: einen Querschnitt durch die Einrichtung,Pig · 1: a cross section through the device,
Pig» 2: einen Längsschnitt der Einrichtung.Pig »2: a longitudinal section of the device.
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. DieThe device for high rate sputtering according to the Plasmatronprinzip with elongated annular gap has a tubular target 1 of the material to be sputtered (aluminum). Inside this target 1, the magnetic-field-generating device 2 is provided with an elongated, self-contained annular gap 3. The large axis of the annular gap 3 lies parallel to the tube axis. The outer tube diameter is more than three times the mean annular gap width (six times in the example). The mean annular gap width is the arithmetic mean of the annular gap width in the curved region and in the straight region. A drive 4 'consisting of a gear and a drive pinion outside the vacuum, and a drive motor produce a uniform rotational movement of the target around the tube axis of 1 revolution per minute .. Sine eccentric 5 serves to the distance between the successive in the course of sputtering worn target outer surface and the magnetic field generating device 2 constant. An anode 6 surrounds the target 1 on all sides, with the exception of the area in the vicinity of the annular gap 3, through which the dust particles move in the direction of the substrate. An adjusting device 7 serves to set the constant distance between the target 1 and the anode 6 of 4 mm during the entire sputtering process of the target surface. The
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 daßDevice is guided on one side vacuum-tight in the working chamber. A cooling system, consisting of the inlet pipe 8, flow guide 9 and the outlet pipe 10, 'ensures the intensive water cooling of the tubular target 1, so that
-2 eine örtliche Leistungsdichte von 200 W cm und eine momentane -2 a local power density of 200 W cm and a momentary
— 1- 1
Beschichtungsra'te von 10 pm min (Aluminium) realisiert werden können. - ·. .Coating rates of 10 pm min (aluminum) can be realized. - ·. ,
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| UW | Conversion of economic patent into exclusive patent | ||
| ENJ | Ceased due to non-payment of renewal fee |