DE10018858B4

DE10018858B4 - Magnetronanordnung

Info

Publication number: DE10018858B4
Application number: DE2000118858
Authority: DE
Inventors: Johannes Dr.rer.nat. Dipl.-Phys. Strümpfel; Wolfgang Dipl.-Ing. Erbkamm; Christian Dipl.-Phys. Heinzelmann; Dietmar Dr.rer.nat. Dipl.-Phys. Schulze; Peter Dr.rer.oec. Dipl.-Phys. Lenk; Hans-Christian Dipl.-Phys. Hecht; William Yale
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Priority date: 2000-04-14
Filing date: 2000-04-14
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2020-04-15
Also published as: DE10018858A1

Abstract

Magnetronanordnung mit einem Target, das eine freiliegende Abtragsfläche aufweist, unter dem Trageelemente, ein Magnetsystem und ein Kühlsystem angeordnet sind, welches eine Kühlplatte beinhaltet, die auf der der Abtragsfläche gegenüberliegenden Unterseite des Targets angeordnet ist, und wobei zwischen dem Target und der Kühlplatte eine vom Target Wärme abführende Verbindung dadurch besteht, dass zwischen dem Target und der Kühlplatte ein Vakuumraum angeordnet ist, und dass in einer Teilfläche der Unterseite des Targets (2) und/oder in einer Teilfläche der Kühlplatte (6) Vertiefungen (10) eingebracht sind, in die Einlagen (11) eingelegt sind, die eine gegenüber der Kühlplatte (6) geringere Wärmeemission aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Magnetronanordnung mit einem Target, das eine freiliegende Abtragsfläche aufweist, unter dem Trageelemente, ein Magnetsystem und ein Kühlsystem angeordnet sind, welches eine Kühlplatte beinhaltet, die auf der der Abtragsfläche gegenüber liegenden Unterseite des Targets angeordnet ist.

Ein Magnetron der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift 43 01 516 A1 bekannt. Dieses Magnetron besteht aus einem Target auf einer Kühlplatte, welches mittels Pratzleisten, die das Target am äußeren Rand umgreifen, an einem Grundkörper befestigt ist. Dabei sind die Pratzleisten über Schraubverbindungen mit dem Grundkörper verbunden.

Unter dem Target befindet sich ein Kühlsystem und ein Magnetsystem, dessen Magnetfeld das Targetmaterial durchdringt.

Durch das Magnetfeld und das Anlegen einer elektrischen Spannung, die wiederum ein elektrisches Feld erzeugt, erodiert im Hochvakuum das Target, wobei das abgestäubte Targetmaterial auf Substraten als Schicht abgeschieden wird. Dieser Prozess wird als Sputtern bezeichnet.

Durch den Sputterprozess wird in dem Target Wärme erzeugt, weshalb das Target über die Kühlplatte und das Kühlsystem gekühlt wird. Wäre keine Kühlung vorhanden, würde dies zum Schmelzen oder Platzen oder sonstigem Zerstören des Targetmaterials führen.

Üblicherweise werden zur Kühlung des Targetmaterials Anordnungen mit direkter Kühlung oder mit indirekter Kühlung eingesetzt. Bei Anordnungen mit direkter Kühlung oder mit indirekter Kühlung ist das Targetmaterial direkt mit Elementen, die vom Kühlmedium (z.B. Wasser) durchflossen sind, verbunden. Das bedeutet, dass die Anordnung Target und Kühleinrichtung eine untrennbare Einheit ist. Diese wiederum stellt im Produkteinsatz, besonders bei langen Targets, eine schwer handhabbare Einrichtung dar. Aus diesem Grund werden die Targets mit direkter Kühlung hier nicht weiter betrachtet.

Zur bestmöglichen Kühlung ist bei den indirekt gekühlten Targets die Kühlplatte aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise Kupfer, gefertigt.

Zwischen dem Target und der Kühlplatte muss eine vom Target Wärme abführende Verbindung realisiert sein. Bei den bekannten Targets wird diese vom Target Wärme abführende Verbindung über eine Wärmeleitung realisiert. Zum Zwecke einer guten Wärmeleitfähigkeit ist das Target z.B. auf die Kühlplatte gebondet.

Allerdings hat diese Verbindung zwischen Target und Kühlplatte den Nachteil, dass die Wärmeleitung häufig nicht über die gesamte Targetfläche gleichmäßig ist. Die Ursachen liegen hierbei beispielsweise darin, dass die Bondung nicht vollflächig erfolgt ist oder dass sie sich infolge thermischer Spannungen löst. Dabei bildet sich das Profil der unterschiedlichen Wärmeabführung als Temperaturbild bzw. der Targetoberfläche auf dem Target ab. Außerdem wird die Homogenität der Abtragung beeinflusst und die Schichtgleichmäßigkeit auf dem Substrat gestört. Das kann beispielsweise zu partiellen Überhitzungen des Targets und damit zu dessen Totalausfall führen.

Es besteht daher das Bestreben, die Temperatur an der Targetoberfläche möglichst homogen zu gestalten. In der DE 36 03 646 C2 wird hierzu eine Magnetronordnung dargestellt, die zwischen dem Target und der Kühlplatte zumindest teilweise eine wärmeleitende Folie vorsieht, die der Verbesserung der Abführung von Wärme aus dem Target in das Kühlsystem dient. Bei dieser Folie zeigen sich die gleichen Nachteile wie bei der eingangs geschilderten wärmeleitenden Bondverbindung. An den Stellen, an denen die Folie nicht richtig anliegt, kommt es zu Temperaturdifferenzen auf der Targetoberfläche.

Eine andere Möglichkeit der Verbesserung einer wärmeleitenden Verbindung zwischen dem Target und der Kühlplatte ist in der US 4 606 802 beschrieben. Darin wird die Unebenheit einer weichen Oberfläche, nämlich der zum Target weisenden Oberfläche der Kühlplatte oder eine weiche Oberfläche der zur Kühlplatte weisenden Unterseite des Targets genutzt, dass sich Unebenheiten in diesen Flächen bei einer ausreichend großen Anpresskraft an die jeweils andere Fläche verformen und sich somit die beiden aneinander liegenden Flächen aneinander anpassen. Dies dient dem Ziel, die Flächen, über die beide Oberflächen miteinander in Kontakt stehen, so groß wie möglich zu gestalten, um die Wärmeleitung zu verbessern.

Eine andere Herangehensweise ist in der DE 30 29 567 C3 beschrien. Darin wird bewusst zwischen dem Target und der Kühlplatte ein Abstand eingestellt, was über einen O-Ring bewerkstelligt wird. Durch diesen Abstand wird eine Wärme von dem Target abführende Verbindung zu der Kühlplatte nur noch über Wärmestrahlung realisiert. Die diffuse Wärmestrahlung verhindert dabei eine Abbildung des Wärmeprofiles der Kühlplatte auf der Targetoberfläche. Allerdings findet die Wärmestrahlung über einen relativ großen Abstand statt, wodurch die Strahlungsleistung sinkt, was eine starke Erwärmung des Targets zur Folge hat. Dies wird bei dieser Lösung durch ein zweischichtiges Target aufgefangen. Außerdem findet aber auch über den O-Ring eine Wärmeleitung statt, so dass die Homogenisierung der Temperatur über die Targetoberfläche zumindest im Randbereich des Targets ihre Grenzen findet.

In der DE 44 07 029 A1 wird ebenfalls ein Abstand über der Kühlplatte eingestellt, allerdings ist auf der Kühlplatte kein Target sondern ein Schmelztiegel angeordnet.

Schließlich wird in der US 4 374 722 eine Lösung beschrieben, in der ebenfalls ein Abstand zwischen dem Target und der Kühlplatte eingestellt wird. Allerdings handelt es sich hier nicht um einen Vakuumraum sondern dieser Raum wird bewusst mit einem Gas gefüllt. Der Druck des Gases wird gemessen und mittels eines Druckabfalls festgestellt, wenn das Target durchgesputtert ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, die Homogenität der Temperatur auf der Targetfläche zu verbessern, um die genannten Fehler zu verhindern und gleichzeitig die Targetstandzeit zu erhöhen.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Magnetronanordnung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche 2 bis 7 bezeichnen besonders günstige Ausgestaltungen der Erfindung.

Bei der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen dem Target und der Kühlplatte eine vom Target Wärme abführende Verbindung dadurch besteht, dass zwischen dem Target und der Kühlplatte ein Vakuumraum angeordnet ist, und dass in einer Teilfläche der Unterseite des Targets und/oder in einer Teilfläche der Kühlplatte Vertiefungen eingebracht sind, in die Einlagen eingelegt sind, die eine gegenüber der Kühlplatte geringere Wärmeemission aufweisen.

Durch diese Lösung kann die Herstellung einer Wärmeleitung zwischen dem Target und der Kühlplatte entfallen, was einerseits den Herstellungsprozess von Targets vereinfacht. Andererseits kann die Wärme abführende Verbindung zwischen der Kühlplatte und der Unterseite des Targets beeinflusst werden, so dass die Temperatur auf der Abtragsseite des Targets weitgehend homogenisiert wird. Dies wird zum einen dadurch erreicht, dass die Wärme abführende Verbindung im Wesentlichen, zumindest aber zu einem großen Teil durch Wärmestrahlung realisiert wird.

Wie bereits dargestellt, wird das Target während des Betriebes durch den Sputterprozess erwärmt. Die Erwärmung führt zu einer Wärmeabstrahlung an der Unterseite des Targets, die dann von der Kühlplatte absorbiert und abgeführt wird. Infolge des Vakuumeinsatzes der Magnetronanordnung wird sich in dem Va kuumraum zwischen der Kühlplatte und dem Target ebenfalls ein Vakuum aufbauen, so dass in diesem Bereich eine Wärmeleitung nicht mehr stattfindet. Über diesem Abstand kann die Wärmeabführung von dem Target weitgehend homogenisiert werden.

Andererseits wird im Bereich der Einlagen die Wärmeleitung zwischen dem Target und der Kühlplatte zusätzlich verringert, wodurch eine weitere Abschwächung eines Wärmeabbildes auf der Abtragsfläche des Targets erreicht wird.

In einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Vakuumraum dadurch gebildet wird, dass die Unterseite des Targets eine erste Rauhigkeit aufweist und dass die Kühlplatte eine der Form der Unterseite des Targets entsprechende Anschlussfläche mit einer zweiten Rauhigkeit aufweist. Dabei ist die Unterseite zu der Anschlussfläche durch die erste und die zweite Rauhigkeit zueinander beabstandet.

Durch die Rauhigkeit beider aneinanderliegender Oberflächen wird ein sehr geringer Abstand eingestellt, wodurch eine Wärmeleitung weitgehend verhindert wird, da in diesem Abstand ein Vakuum eingestellt ist und eine Wärmeleitung nur an den wenigen Punkten erfolgen kann, indem sich die Erhebungen der Rauhigkeiten beider Oberflächen tatsächlich berühren.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Target durch ein mechanisches Befestigungsmittel auf der Kühlplatte gehalten und mit dieser elektrisch leitend verbunden.

Damit kann eine elektrische Kontaktierung des Targets über die mechanischen Befestigungsmittel und nicht über die Kühlplatte erfolgen, wodurch sichergestellt ist, dass das Target das gleiche Potential einnehmen kann, wie die übrige Magnetronanordnung, die vorzugsweise als Katode einsetzbar ist.

Es ist zweckmäßig, dass das Befestigungsmittel aus Leisten besteht, die mit der Kühlplatte und/oder dem Magnetronkörper verbunden sind. Diese Leisten weisen eine Haltenase auf. Dabei sind die Leisten im Wesentlichen seitlich an dem Target angeordnet und die Haltenase umgreift den Rand der Abtragsfläche.

Alternativ dazu kann das Befestigungsmittel auch aus Leisten bestehen, die ebenfalls mit der Kühlplatte und/oder dem Magnetronkörper verbunden und seitlich an dem Target angeordnet sind, die jedoch einen Form- oder Kraftschluss mit der seitlichen Randfläche des Targets aufweisen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Wärme abführende Verbindung über die Fläche der Unterseite des Targets gezielt unterschiedlich eingestellt. Dadurch kann eine gezielte Verstärkung oder Abschwächung der Wärme abführenden Verbindung erreicht werden, um somit auch den Materialabtrag auf der Abtragsfläche zu beeinflussen und die Targetstandzeit weiter zu erhöhen.

In einer günstigen Ausgestaltung hierzu ist vorgesehen, dass der Abstand zwischen dem Target und der Kühlplatte über die Fläche der Unterseite verschieden groß gestaltet ist. Dies kann beispielsweise einerseits durch unterschiedliche Rauhigkeiten beider einander gegenüberliegender Oberflächen geschehen oder durch eine bewusst unterschiedliche Einstellung des Abstandes zueinander, beispielsweise durch Vertiefung in der Kühlplatte und/oder in der Targetunterseite.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Die zugehörige Zeichnung zeigt eine perspektivische Schnitt darstellung einer erfindungsgemäßen Magnetronanordnung in einer längserstreckten Ausführungsform.
Wie in der Zeichnung dargestellt, besteht die erfindungsgemäße Magnetronanordnung 1 aus einem Target 2, das eine freiliegende Abtragsfläche 3 aufweist. Unter dem Target 2 sind Tragelemente 4 und ein Kühlsystem 5 angeordnet. Dieses Kühlsystem 5 beinhaltet eine Kühlplatte 6, die auf der der Abtragsfläche 3 gegenüberliegenden Unterseite des Targets 2 angeordnet ist.
Die Kühlplatte 6 weist zu der Unterseite des Targets 2 einen Abstand 7 auf. Dieser Abstand 7 wird durch nicht näher dargestellte Abstandselemente eingestellt. Im einfachsten Fall können diese Abstandselemente Oberflächenhervorhebungen sein, die durch die Rauhigkeit der Unterseite des Targets 2 und/oder der Kühlplatte 6 auftreten.
Durch diesen Abstand 7 erfolgt ein Wärmeabführung von dem Target 2 zur Kühlplatte 6 über eine Wärmestrahlung. von der Kühlplatte 6 wird die Wärme dann über das Kühlsystem 5 abgeführt.
Zum Halten des Targets 2 auf die Kühlplatte 6 sind Leisten 8 vorgesehen, die mit der Kühlplatte 6 verbunden sind. Diese Leisten 8 weisen eine Haltenase 9 auf. Sie sind im wesentlichen seitlich an dem Target 2 angeordnet und stehen über die Höhe der Abtragsfläche 3 über, so dass die Haltenase 9 den Rand der Abtragsfläche 3 umgreift. Durch diese Leisten wird einerseits das Target 2 auf die Kühlplatte 6 aufgespannt. Andererseits wird damit eine elektrische Verbindung zwischen dem Target 2 und der Kühlplatte 6 hergestellt.
Zur weitgehenden Homogenisierung des Wärmebildes an der Abtragsfläche 3 des Targets 2 sind in der Kühlplatte 6 Vertiefungen 10 eingebracht, in die Einlagen 11 eingelegt sind. Diese Einlagen 11 weisen gegenüber der Kühlplatte 6 eine unterschiedliche Wärmeemission auf, so dass die Wärmeabführung infolge Wärmestrahlung im Bereich der Einlagen 11 erleichtert oder erschwert werden kann.
In der vorliegenden Zeichnung befinden sich die Einlagen 11 in den Bereichen, in denen normalerweise in der Abtragsfläche 3 Erosionsgräben entstehen.
Vorliegende Anordnung wird beispielsweise zum Sputtern von keramischen ITO-Targets eingesetzt.

Claims

Magnetronanordnung mit einem Target, das eine freiliegende Abtragsfläche aufweist, unter dem Trageelemente, ein Magnetsystem und ein Kühlsystem angeordnet sind, welches eine Kühlplatte beinhaltet, die auf der der Abtragsfläche gegenüberliegenden Unterseite des Targets angeordnet ist, und wobei zwischen dem Target und der Kühlplatte eine vom Target Wärme abführende Verbindung dadurch besteht, dass zwischen dem Target und der Kühlplatte ein Vakuumraum angeordnet ist, und dass in einer Teilfläche der Unterseite des Targets (2) und/oder in einer Teilfläche der Kühlplatte (6) Vertiefungen (10) eingebracht sind, in die Einlagen (11) eingelegt sind, die eine gegenüber der Kühlplatte (6) geringere Wärmeemission aufweisen.
Magnetronanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vakuumraum dadurch gebildet wird, dass die Unterseite des Targets (2) eine erste Rauhigkeit aufweist und dass die Kühlplatte (6) eine der Form der Unterseite des Targets (2) entsprechende Anschlussfläche mit einer zweiten Rauhigkeit aufweist, wobei die Unterseite zu der Anschlussfläche durch die erste und die zweite Rauhigkeit beabstandet ist.
Magnetronanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Target (2) durch ein mechanisches Befestigungsmittel auf der Kühlplatte (6) und auf dem Magnetronkörper gehalten und mit der Kühlplatte (6) elektrisch leitend verbunden ist.
Magnetronanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungsmittel aus Leisten (8) besteht, die mit der Kühlplatte (6) verbunden sind und eine Haltenase (9) aufweisen, wobei die Leisten (8) im wesentlichen seitlich an dem Target (2) angeordnet sind und die Haltenase (9) den Rand der Abtragsfläche (3) umgreift.
Magnetronanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungsmittel aus Leisten (8) besteht, die mit der Kühlplatte (6) verbunden sind, die seitlich an dem Target (2) angeordnet sind und einen Form- oder Kraftschluss mit der seitlichen Randfläche des Targets (2) aufweisen.
Magnetronanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme abführende Verbindung über die Fläche der Unterseite des Targets (2) unterschiedlich ausgebildet ist.
Magnetronanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (7) zwischen dem Target (2) und der Kühlplatte (6) über die Fläche der Unterseite verschieden groß gestaltet ist.