DD230565A3

DD230565A3 - PlasmaTron SOURCE

Info

Publication number: DD230565A3
Application number: DD25630383A
Authority: DD
Inventors: Johannes Hartung; Klaus Goedicke; Ullrich Heisig; Siegfried Schiller; Guenther Beister; Hans-Christian Hecht; Wolfgang Hempel; Gerhard Kuehn; Volkmar Spreitz
Original assignee: Johannes Hartung; Klaus Goedicke; Ullrich Heisig; Siegfried Schiller; Guenther Beister; Hecht Hans Christian; Wolfgang Hempel; Gerhard Kuehn; Volkmar Spreitz
Priority date: 1983-11-03
Filing date: 1983-11-03
Publication date: 1985-12-04

Abstract

Die Plasmatronquelle dient zum Beschichten von Substraten im Vakuum durch Hochratezerstaeuben. Das Ziel ist die Verringerung des Herstellungsaufwandes. Die Aufgabe ist es, stabilen Betrieb bei niedrigem Arbeitsdruck und hoher Leistung zu erreichen, sowie eine hohe Ausnutzung des Targetmaterials. Erfindungsgemaess besteht das Magnetsystem aus einzelnen geraden Magnetsegmenten, die alle gleiche geometrische Form und Abmessungen haben. Das Magnetsystem ist magnetisch nicht gesaettigt, und das Maximum der Tangentialkomponente der Magnetfeldstaerke auf der Targetoberflaeche in den gekruemmten Bereichen des Ringspaltes betraegt mindestens das 1,2fache dieses Wertes in den geraden Bereichen. Fig. 1The Plasmatronquelle serves to coat substrates in vacuum by Hochratezerstaeuben. The goal is to reduce manufacturing costs. The task is to achieve stable operation with low working pressure and high performance, as well as a high utilization of the target material. According to the invention, the magnet system consists of individual straight magnet segments which all have the same geometric shape and dimensions. The magnet system is not magnetically saturated, and the maximum of the tangential component of the magnetic field intensity on the target surface in the curved regions of the annulus is at least 1.2 times that value in the even regions. Fig. 1

Description

PlasmatronquellePlasmatronquelle

Field of application of the invention.

Die Erfindung betrifft Piasmatronquellen zum Beschichten von Substraten im Yakuum durch Hochratezerstäuben, speziell solche mit langgestreckten planaren Targets.The invention relates to Piasmatronquellen for coating substrates in Yakuum by Hochratezerstäuben, especially those with elongated planar targets.

Characteristic of the known technical solutions

Planare Plasmatronquellen enthalten das Zerstäubungsmaterial in "Form des in der Regel wassergekühlten Targets. Das Magnetsystem ist meist aus Permanentmagneten aufgebaut, die einen in sich geschlossenen Ringspalt bilden. Eine zweckmäßige Konstruktion ist der Aufbau des Magnetsystems aus Permanentmagneten, einer weichmagnetischen Rückschlußplatte und Polschuhen. Tor Inbetriebnahme der Plasmatronquelle wird das Magnetsystem magnetisiert, das heißt die Permanentmagnete in magnetische Sättigung gebracht. Die Betriebsparameter einer Plasmatronquelle werden durch die Gestaltung des Magnetsystems beeinflußt.Planar plasmatron sources contain the sputtering material in the form of the usually water-cooled target The magnetic system is usually made up of permanent magnets that form a self-contained annular gap At the plasma source, the magnet system is magnetized, that is, the permanent magnets are brought into magnetic saturation, The operating parameters of a plasmatron source are influenced by the design of the magnet system.

Grenzen der bekanntgewordenen Plasmatronquellen betreffen die Stabilität der Strom-Spannungs-Kennlinie, den minimalen Arbeitsdruck und die Parameterkonstanz bei fortschreitender Targeterosion mit steigender Gebrauchsdauer· Bei langgestreckten Piasmatronquellen mit Targets, die ein Verhältnis Länge zu Breite von 10 und mehr haben, nehmen Instabilitäten der Strom-Spannungs-Kennlinie vor allem für niedrigen Arbeitsdruck undLimits of the known plasmatron sources concern the stability of the current-voltage characteristic, the minimum working pressure and the parameter constancy as the target erosion progresses · the elongated piasmatron sources with targets having a length-to-width ratio of 10 and more will experience instability in the current Voltage characteristic especially for low working pressure and

λ o u Q 'λ Ί λ ou Q 'λ Ί

hohe Leistungen zu· Bei ζ·Β. 15 mm dicken Targets unterscheidet sich die Brennspannung zu Beginn und am Ende der Gebrauchsdauer bei sonst konstanten Bedingungen um mindestens den Paktor 2· Ebenso wird als Folge der Targeterosion ein Absinken der Zerstäubungsrate auf 0,6 ··· 0,7 des Anfangswertes beobachtet, auch wenn die Leistung der Plasmatronquelle konstantgehalten, also im genannten Beispiel der Strom mindestens verdoppelt wird·high power levels · At ζ · Β. 15 mm thick targets, the burning voltage at the beginning and at the end of the service life at otherwise constant conditions differs by at least the factor 2 · Also, as a result of the target erosion, a decrease of the sputtering rate to 0.6 ··· 0.7 of the initial value observed if the power of the plasmatron source is kept constant, ie in the example mentioned the current is at least doubled ·

Im Zuge der bisherigen technischen Entwicklung von Piasmatronquellen wurde eine Heihe von Portschritten durch Maßnahmen wie Einführung einer Relativbewegung von Target und Magnetsystem (DE-PS 27 07 144), Veränderung des Magnetfeldes mit steigender Gebrauchsdauer des Targets mittels zusätzlicher Spulen im Ringspalt (DD-PS 200 804) und durch Aufbau des Magnetsystems aus Hauptmagneten und Hilfsmagneten (DE-OS 30 04 546) erreicht. Diese Maßnahmen bedingen z.T. erhebliche technische Aufwendungen für langgestreckte Piasmatronquellen großer Abmessungen· Die Wirksamkeit der genannten Maßnahmen wird auch in dem Maße begrenzt, wie in einzelnen Bereichen des Ringspaltes abweichende Entladungsbedingungen herrschen, z.B. an den Enden langgestreckter Piasmatronquellen·In the course of the previous technical development of Piasmatronquellen was a Heihe of port steps by measures such as introduction of a relative movement of the target and magnet system (DE-PS 27 07 144), changing the magnetic field with increasing service life of the target by means of additional coils in the annular gap (DD-PS 200th 804) and achieved by building the magnet system of main magnet and auxiliary magnet (DE-OS 30 04 546). These measures require z.T. considerable technical expenditure for elongated piasmatron sources of large dimensions The effectiveness of the measures mentioned is also limited to the extent that different discharge conditions prevail in individual regions of the annular gap, e.g. at the ends of elongated piasmatron sources ·

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist die Beseitigung der Mangel am Stand der Technik und die Verringerung des Aufwandes bei der Herstellung der Piasmatronquellen·The aim of the invention is the elimination of the lack of prior art and the reduction of the effort in the production of Piasmatronquellen ·

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Plasmatronquelle mit langgestrecktem planarem Target zu schaffen, die sich durch hohe Stabilität des Betriebes auch bei niedrigem Arbeitsdruck und höherer Leistung auszeichnet, die eine geringe Änderung der Entladungsspannung und der Zerstäubungsrate mit steigender Gebrauchsdauer des Targets bei gleichzeitig hoher Materialausnutzung des Targets besitzt·The invention has for its object to provide a Plasmatronquelle with elongated planar target, which is characterized by high stability of the operation even at low working pressure and higher performance, the low change in the discharge voltage and the sputtering rate with increasing service life of the target with high material utilization of the target ·

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe für eine Plasmatronquelle mit langgestrecktem planaren Target und Permanentmagnetsystem, bestehend aus Polschuhen, Rückschlußplatte und Magnetsegmenten, dadurch gelöst, daß die Magnetsegmente in den geraden und den gekrümmten Bereichen des Ringspaltes gleiche geometrische Form und Länge besitzen, wobei die Länge dem 1,5- bis 2fachen der Ringspaltbreite und deren Abstand untereinander in Richtung des Ringspaltes etwa der Ringspaltbreite entspricht. Das Permanent-Magnetsystem ist magnetisch nicht gesättigt und das Maximum der Tangentialkomponente der Magnetfeldstärke auf der Targetoberfläche in den gekrümmten Bereichen des Ringspaltes beträgt mindestens das 1,2fache, vorzugsweise jedoch das 1,5fache dieses Wertes in den geraden Bereichen der Leitbahn·According to the invention the object is achieved for a Plasmatronquelle with elongated planar target and permanent magnet system consisting of pole pieces, yoke plate and magnet segments, characterized in that the magnetic segments in the straight and the curved portions of the annular gap have the same geometric shape and length, the length of the 1, 5 to 2 times the annular gap width and the distance between them in the direction of the annular gap approximately corresponds to the annular gap width. The permanent magnet system is not magnetically saturated and the maximum of the tangential component of the magnetic field strength on the target surface in the curved regions of the annular gap is at least 1.2 times, but preferably 1.5 times, that value in the straight regions of the interconnect.

Der Aufbau des Magnetsystems in der angegebenen Art führt einerseits nicht zu einer Verringerung der Tangentialkomponente der magnetischen Feldstärke im Ringspalt zwischen je zwei Magnetsegmenten, ermöglicht andererseits jedoch, durch unterschiedliche Magnetisierung benachbarter Magnetsegmente die Einstellung unterschiedlicher Maximalwerte für die Tangentialkomponente der Magnetfeldstärke· Bisherige Bemühungen zur Verbesserung von Plasmatronquellen langgestreckter Bauart waren darauf gerichtet, die Tangentialkomponente des Magnetfeldes längs des Ringspaltes zu homogenisieren· Dazu wurden z.B· das Magnetvolumen je Leitbahnlänge in den gekrümmten Bereichen erhöht oder in diesen Bereichen speziell geformte Polschuhe benutzt· Die erfindungsgemäße Lösung geht im Gegensatz dazu davon aus, gezielt höhere Werte für den Maximalwert der Tangentialkomponente des Magnetfeldes in gekrümmten Bereichen der Leitbahn zu schaffen·On the one hand, the construction of the magnet system in the specified manner does not lead to a reduction of the tangential component of the magnetic field strength in the annular gap between each two magnet segments, but on the other hand enables different maximum values for the tangential component of the magnetic field strength to be set by different magnetization of adjacent magnet segments Plasmatronquellen elongated design were aimed at homogenizing the tangential component of the magnetic field along the annular gap · For this example, the magnetic volume per Leitbahnlänge increased in the curved areas or specially shaped pole pieces used in these areas · The solution of the invention is, in contrast, assume targeted to provide higher values for the maximum value of the tangential component of the magnetic field in curved regions of the interconnect

Es zeigte sich, daß auf diese Weise das insbesondere für niedrigen Entladungsdruck und hoher Entladungsleistung von verschiedenen Autoren beschriebene und auch selbst beobachtete Abreißen der Entladung nicht auftritt.It has been found that in this way does not occur the discharge described in particular for low discharge pressure and high discharge power of various authors and even self-observed.

Torbehalte gegen den Einsatz nicht in magnetischer Sättigung befindlicher Permanent-Magnetsysteme hinsichtlich der Instabilität des magnetischen Arbeitspunktes sind unter den genanntenTorbehalte against the use of non-magnetically saturated permanent magnet systems with regard to the instability of the magnetic operating point are among those mentioned

Bedingungen der erfindungsgemäßen Lösung nicht begründet· Der Betrieb des Magnetsystems im nicht gesättigten Zustand führt aufgrund eines günstigen Verlaufes der Magnetfeldstärke quer zum Ringspalt zu einer hohen Materialausnutzung des Targets. Eine wesentlich geringere Veränderung wichtiger Parameter wie Entladungsspannung und Zerstäubungsrate der erfindungsgemäßen Piasmatronquellen gegenüber denen bekannter Bauart ist einem im Mittel über dem Ringspalt verbreiteten Erosionsprofil zuzuschreiben·Conditions of the Solution According to the Invention Not Established · The operation of the magnet system in the non-saturated state leads to a high material utilization of the target due to a favorable course of the magnetic field strength across the annular gap. A significantly smaller change of important parameters such as discharge voltage and sputtering rate of the piasmatron sources according to the invention compared to those of known type is attributable to an erosion profile which is distributed on average over the annular gap.

embodiment

Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in Pig. 1: einen Ausschnitt einer Piasmatronquelle, Fig. 2: einen Ausschnitt des Feldlinienverlaufes.The accompanying drawings show in Pig. 1: a section of a piasmatron source, FIG. 2: a section of the field line course.

In Fig. 1 ist das Permanentmagnetsystem einer Piasmatronquelle schematisch dargestellt, wobei die Targetmaße 2400 mm χ 160 mm betragen, die Targetdicke beträgt 15 mm· Das Permanentmagnetsystem besteht aus Polschuhen 1, einer Hückschlußplatte 2 und Magnetsegmenten 3 aus gebräuchlichen hartmagnetischen Werkstoffen, ζ·Β· AUJiCo. Die Magnetsegmente 3 in den geraden Bereichen des Ringspaltes 4 haben die gleiche geometrische Form wie die Magnetsegmente 3 in den gekrümmten Bereichen des Ringspaltes 4. Sie haben trapezförmigen Querschnitt} eine Höhe h von 30 mm und eine Länge 1 von 70 mm. Die Länge entspricht damit dem 1,75fachen der Ringspaltbreite b, die 40 mm beträgt· Der Abstand a dieser Segmente untereinander in Richtung des Ringspaltes 4 beträgt 40 mm, er entspricht damit der Ringspaltbreite a. Gegenüber den im allgemeinen angewandten Magnetsystemen mit kompaktem Aufbau ist die Gesamtlänge der Magnetsegmente 3 also wesentlich kleiner als die Länge der Polschuhe 1·1, the permanent magnet system of a Piasmatronquelle is shown schematically, the target dimensions are 2400 mm χ 160 mm, the target thickness is 15 mm · The permanent magnet system consists of pole pieces 1, a Hückschlußplatte 2 and magnetic segments 3 of conventional hard magnetic materials, ζ · · · AUJiCo. The magnet segments 3 in the straight regions of the annular gap 4 have the same geometric shape as the magnet segments 3 in the curved regions of the annular gap 4. They have trapezoidal cross-section} a height h of 30 mm and a length 1 of 70 mm. The length thus corresponds to 1.75 times the annular gap width b, which is 40 mm · The distance a of these segments from each other in the direction of the annular gap 4 is 40 mm, it thus corresponds to the annular gap width a. Compared to the generally used magnet systems with a compact construction, the total length of the magnet segments 3 is thus substantially smaller than the length of the pole shoes 1.

In Fig. 2 ist das mit diesem Magnetsystem erzeugte Magnetfeld veranschaulicht, indem die Richtung der Feldlinien 5 in der Ebene der TargetOberfläche 6 dargestellt ist. Zur Magnetisierung dient eine übliche Magnetisierungseinrichtung, die z.B· aus einer Stoßentladungs-Kondensatorbatterie, einer Magnetisierungsspule, die beim Magnetisieren in den Ringspalt 4 desFIG. 2 illustrates the magnetic field generated by this magnet system by showing the direction of the field lines 5 in the plane of the target surface 6. For magnetization, a conventional magnetization device is used, which consists, for example, of an impact-discharge capacitor bank, of a magnetization coil, which is magnetized into the annular gap 4 of the magnetization coil

Magnetsystems eingebracht wird, und weichmagnetischen Rückschlußplatten 2, die die Polschuhe 1 kurzschließen, besteht· Nach dem Magnetisieren entsteht ein Magnetfeld, dessen Tangentialkomponente quer zum Ringspalt 4 am Polschuh 1 Hull ist, beim Fortschreiten quer zum Ringspalt 4 ansteigt, ein Maximum etwa in Ringspaltmitte- durchläuft und mit weiterem Fortschreiten wieder abfällt, bis es am gegenüberliegenden Polschuh 1 den Wert Bull erreicht· Entsprechend der Erfindung ist die Magnetisierung des Magnetsystems so ausgeführt, daß das Magnetsystem unterhalb des Wertes seiner magnetischen Sättigung wirkt· Einzelne Bereiche des Systems, d.h. die Bereiche der getrennten Magnetsegmente 3, sind unterschiedlich stark magnetisiert · Das Maximum 7 der Tangentialkomponente in den gekrümmten Bereichen des Ringspaltes 4 beträgt im Beispiel 240 Oerstedt s 19 kAm · Es ist um den Faktor 1,5 höher als das Maximum8 der Tangentialkomponente der Feldstärke in den geraden Bereichen, welches 160 Oerstedt = 12,7 kAm" beträgt· Im gesamten geraden Bereich ist dieser Wert etwa homogen, der übergang zwischen den Werten 7 und 8 erfolgt in einem Bereich von 20 ··· 30 mm. Die besagte Feldstärkeverteilung wird ζ·Β. dadurch hergestellt, daß nach einer Magnetisierung des gesamten Systems in einem oder mehreren Magnetisierungsschritten die Bereiche mit gekrümmten Ringspalt 4 gezielt nachmagnetisiert werden, ζ·Β· dadurch, daß dabei nur in diesen Bereichen weichmagnetische Rückschlußplatten 2 benutzt werden. Eine Plasmatronquelle der beschriebenen Art ist in einem weiten Arbeitsdruckbereich (0,05 ··· 1 Pa Argon) stabil betriebsfähig. Sie zeichnet sich durch eine hohe Ausnutzung für das Targetmaterial und konstante Betriebsparameter aus· Bei stark erodiertem Target am Ende der Gebrauchsdauer sinken Entladungsspannung und Zerstäubungsrate nur um maximal 10 Prozent gegenüber den entsprechenden Werten am Anfang der Gebrauchsdauer des Targets trotz der großen Targetdicke von 15 mm.After magnetization, a magnetic field whose tangential component is transverse to the annular gap 4 on the pole shoe 1 Hull, as it progresses transversely to the annular gap 4 increases, a maximum approximately in Ringpaltmitte- arises. goes through and with further progression drops again until it reaches the value Bull on the opposite pole piece 1. According to the invention, the magnetization of the magnet system is designed so that the magnet system operates below the value of its magnetic saturation the regions of the separated magnet segments 3 are magnetized to different degrees. The maximum 7 of the tangential component in the curved regions of the annular gap 4 is 240 oersted s 19 kAm in the example. It is 1.5 times higher than the maximum 8 of the tangential component of the field strength In the entire straight region, this value is approximately homogeneous, the transition between the values 7 and 8 takes place in a range of 20 ··· 30 mm The said field strength distribution becomes ζ · Made by magnetizing the entire system in one or more magnetization steps, the areas with curved annular gap 4 are nachmagnetisiert targeted ζ · Β · characterized in that only soft magnetic return plates 2 are used in these areas .. A Plasmatronquelle the described Art is stable in a wide working pressure range (0.05 ··· 1 Pa argon) It is characterized by a high utilization for the target material and constant operating parameters · With strongly eroded target at the end of the service life the discharge voltage and sputtering rate only decrease by a maximum of 10 percent compared to the corresponding values at the beginning of the service life of the target despite the large target thickness of 15 mm.

Claims

invention claim

Plasmatron source with elongated planar target and permanent magnets; star of pole shoes, yoke plate and magnet segments, characterized in that the magnet segments (3) in the straight and curved portions of the annular gap (4) have the same geometric shape that they have a length which is 1.5 to 2 times the annular gap width (b) and their distance (a) from each other in the direction of the annular gap (4) corresponds approximately to the annular gap width (b), that the permanent magnet system is magnetic, not saturated and that the maximum of the tangential component of the magnetic field strength on the target surface in the curved areas of the annular gap (4) is at least 1.2 times, but preferably 1.5 times, this value in the straight regions of the interconnect.

For this

2 sheets of drawings