DE10058769C1

DE10058769C1 - Vorrichtung zum Kühlen eines rotationssymmetrischen Objekts

Info

Publication number: DE10058769C1
Application number: DE2000158769
Authority: DE
Inventors: Max Kapeller; Hans Ebinger
Original assignee: Singulus Technologies AG
Current assignee: Singulus Technologies AG
Priority date: 2000-11-27
Filing date: 2000-11-27
Publication date: 2002-08-14
Anticipated expiration: 2020-11-28

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Kühlen eines rotationssymmetrischen Objekts mit einem rotationssymmetrischen Träger für das Objekt zur Verfügung gestellt, wobei der Träger mehrere rotationssymmetrische Kühlschlangen für den Transport eines Kühlmittels aufweist. Die Erfindung kann insbesondere bei der Kühlung eines Targets in einer Kathoden-Zerstäubungsanlage zum Einsatz kommen. Die Vorteile der Erfindung liegen in einem hohem Maße von Rotationssymmetrie der Temperaturverteilung auf einem zu kühlenden Objekt, wobei Temperaturgradienten im wesentlichen nur in radialer Richtung auftreten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen eines rotationssymmetrischen Ob jekts, insbesondere eines Targets in einer Kathoden-Zerstäubungsanlage.

Bei der Kühlung von rotationssymmetrischen Objekten, wie zum Beispiel eines Targets, in einer Kathoden-Zerstäubungsanlage, das durch ein Plasma zerstäubt wird und sich dabei erwärmt, ist eine möglichst gleichmäßige Kühlung des Targets erforderlich. Das betrifft besonders Targetmaterialien, wie z. B. ZnS-SiO₂, deren Zerstäubungsrate von der Temperatur abhängt und deren Wärmeleitfähigkeit gering ist. Eine ungleichmäßige Kühlung solcher Targets führt zu einer inhomogenen Beschichtung eines zu beschich tenden Substrats.

Bekannt ist (siehe Fig. 3a), Wasser als Kühlmittel frei durch einen rotationssymmetri schen Träger 1 mit der Achse Z fließen zu lassen, wobei das Kühlmittel durch einen Einlaß 4 eintritt, in einem breiten Bereich den Träger durchfließt und nach einem Bogen von 180° durch einen Auslaß 5 den Träger 1 wieder verläßt. Auf diese Weise wird von der Rückseite des Targets, an dessen Form der Träger 1 angepaßt ist, durch das Kühlmittel Wärme abtransportiert. Wie Fig. 3a zu entnehmen ist, wird das Wasser auf dem Weg vom Einlaß 4 zum Auslaß 5 um zum Beispiel 9°C erwärmt. Die Folge ist, daß am Anfang des Kühlmittelumlaufs die Kühlung effektiver ist, da das Wasser kälter ist als am Ende des Kühlmittelumlaufs, da dort das Wasser wärmer ist. Bei einem Target mit temperaturabhängiger Zerstäubungsrate bedeutet die unterschiedliche Kühlleistung des Wassers, daß in Azimutalrichtung eine umlaufende Inhomogenität der Zerstäubung auf tritt und somit zum Beispiel ein zu beschichtendes Substrat inhomogen beschichtet wird.

Bei dem Sputter-System gemäß dem US-3,718,572 sind zwei zueinander parallel geschaltete, spiralförmige Kühlschlangen in der Kühlplatte angeordnet.

Bei dem Wärmetauscher gemäß US-3,748,253 sind die Kühlkanäle zwar kreissym metrisch angeordnet; die Kühlkanäle in den beiden halbkreisförmigen Kühlkanalgrup pen sind jeweils zueinander parallel geschaltet.

Die DE-36 13 801 A1 beschreibt eine Kühlanordnung mit einem rotationssymmetrischen Träger.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Kühlen eines rotations symmetrischen Objekts, insbesondere eines Targets für eine Kathoden-Zerstäubungs anlage, zur Verfügung zu stellen, bei der die Kühlung in hohem Maße rotationssymmet risch ist und Temperaturgradienten im wesentlichen nur in radialer Richtung des Ob jekts auftreten.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei der Lösung geht die Erfindung von folgenden Grundgedanken aus.

Es ist ein rotationssymmetrischer Träger für das zu kühlende Objekt vorgesehen, wobei der Träger zwei Gruppen von mehrere rotationssymmetrischen bzw. konzentrischen Kühlkanalabschnitten für den Transport eines Kühlmittels für das Objekt aufweist. Auf diese Weise wird der Transport des Kühlmittels durch den Träger in mehrere Wege aufgeteilt, die, im Vergleich zum Stand der Technik, gemäß Fig. 3a jeweils in radialer Richtung einen geringeren Kühlbereich aufweisen. Die Folge ist, daß beim Durchlauf durch jeweils einen Kühlkanalabschnitt das Kühlmittel nur eine geringe Temperaturdiffe renz aufweist und somit innerhalb des Bereichs eines Kühlkanalabschnitts eine im we sentlichen gleichmäßige Kühlung bewirkt.

Der Vorteil der Erfindung liegt zum Beispiel bei der Verwendung zum Kühlen eines Tar gets in einer Kathoden-Zerstäubungsanlage in einer gleichmäßigen Beschichtung eines Targets, da ein bei der Vorrichtung noch auftretender radialer Temperaturgradient bei der Ausgestaltung der Kathode bzw. bei der Bewegung eines Plasmas über das Target (Kathode) ausgeglichen werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Ausführungsform,

Fig. 2 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform,

Fig. 3a eine bekannte Vorrichtung zum Kühlen eines Targets in einer Kathoden- Zerstäubungsanlage, und

Fig. 3b einen Querschnitt längs der Linie A'-A" in Fig. 3a.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform in der Draufsicht. In einem rota tionssymmetrischen Träger für ein zu kühlendes Objekt, das vorzugsweise ein Target für die Kathodenzerstäubung ist, sind zwei Gruppen mit jeweils drei konzentrisch ange ordneten Kühlkanalabschnitten 2 ₁ bis 2 ₃ angeordnet, die untereinander verbunden sind und ein Kühlmittel, vorzugsweise Wasser, von einem Einlaß 4 zu einem Auslaß 5 trans portieren, wobei das Objekt (nicht dargestellt), das in wärmeleitendem Kontakt mit dem Träger 1 und koaxial zu diesem ist, gekühlt wird. Das Objekt, an dessen Form der Trä ger 1 angepaßt ist, wird jeweils in den von den Kühlkanalabschnitten 2 ₁ bis 2 ₃ über deckten Bereichen durch das Kühlmittel 3 gekühlt. Da die Ausdehnung der Kühlberei che bzw. Kühlkanalabschnitte in radialer Richtung geringer ist als die Gesamtringbreite, erfolgt während eines halben Umlaufs des Kühlmittels in dem Kühlkanalabschnitt (Pfeil richtung) jeder Gruppe nur eine verhältnismäßig geringe Erwärmung des Kühlmittels, zum Beispiel in den Kühlkanalabschnitten 2 ₂ und 2 ₃ von 2°C bis 5°C bzw. von 5°C bis 8°C. Dementsprechend weist die Wärmeaufnahmefähigkeit des Kühlmittels während eines halben Umlaufs nur einen geringen Unterschied auf, und die Kühlung eines Tar gets in Umfangsrichtung ist weitgehend homogen. Gegenüber der Erwärmung des Kühlmittels im Stand der Technik gemäß Fig. 3a, nämlich ΔT = 9°C, läßt sich die Zer stäubungsrate eines Targets in Azimutalrichtung um den Faktor 3 homogenisieren, da die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Fig. 1 bei einem Kühlmittelumlauf nur eine Temperaturdifferenz von ΔT = 3°C, also ein Drittel von der Temperaturdifferenz im Stand der Technik, aufweist.

Fig. 2 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform in der Draufsicht. Im Un terschied zur Ausführungsform gemäß Fig. 1 weist der Träger 1 zwei Gruppen mit jeweils fünf Kühlkanalabschnitten 2 ₁ bis 2 ₅ auf, und das Kühlmittel wird in den Kühlkanal abschnitten von radial außen nach radial innen transportiert, während in Fig. 1 von radi al innen nach radial außen transportiert wird. Durch die im Vergleich zu der Ausfüh rungsform gemäß Fig. 1 geringere Breite der von den Kühlkanalabschnitten übedeckten Kühlbereiche auf einem Target ist die Kühlmittelerwärmung während eines Kühlmittel umlaufs noch geringer und die Zerstäubungsrate eines Targets in Azimutalrichtung läßt sich gegenüber dem Stand der Technik um den Faktor 5 homogenisieren. Die umlau fende Schichthomogenität eines beschichteten Substrats kann dadurch gegenüber der Ausführungsform gemäß Fig. 1 noch verbessert werden. Ein Kühlmittelumlauf von radi al außen nach radial innen, wie in Fig. 2 gezeigt wird, ist besonders dann von Vorteil, wenn zum Beispiel ein Target in seinen Außenbereichen stärker erwärmt wird als in seinen Innenbereichen, da die geringere Temperatur des Kühlmittels zum Beispiel in dem ersten Kühlkanalabschnitt 2 ₁ die Kühleffektivität in dem entsprechenden Bereich des Targets erhöht.

Fig. 3b zeigt einen Querschnitt längs der Linie A'-A" in Fig. 3a, wobei der Träger 1 um 90° aus der Zeichnungsebene der Fig. 3a gedreht ist. Der Träger 1 ist über O-Ringe 8a und 8b gegen eine Verbindungsplatte 7 mit dem Target 6 abgedichtet und das Kühlmit tel 3 fließt von dem Einlaß 4 auf einer Ringbahn zu dem Auslaß 5. In ähnlicher Weise sind die Träger 1 der erfindungsgemäßen Ausführungsformen gemäß Fig. 1 und 2 mit dem Target verbunden, wobei bei den erfindungsgemäßen Ausführungsformen die Kühlkanalabschnitte durch Rippen oder Wände im Bereich 9 von Fig. 3b ausgebildet sind.

Bevorzugt ist eine Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beim Kühlen eines Targets in einer Kathoden-Zerstäubungsanlage vorgesehen. Besonders bevorzugt ist dabei eine Verwendung in einer Kathoden-Zerstäubungsanlage, wobei ein Plasma un ter dem Einfluß eines Magnetfeldes radial über ein Target bewegt wird; dabei kann in vorteilhafter Weise der durch den radialen Temperaturgradienten bewirkte radiale Zer stäubungsratengradient durch geeignete Steuerung des Magnetfeldes wieder kompen siert und somit eine Beschichtung mit hoher Dickenhomogenität erreicht werden.

Claims

1. Vorrichtung zum Kühlen eines rotationssymmetrischen Objekts, mit einem rotati onssymmetrischen Träger (1) für das Objekt, wobei der Träger zwei Gruppen von mehreren in radialer Richtung aufeinanderfolgenden coaxialen, halbkreisförmi gen Kühlkanalabschnitten (2 ₁, 2 ₂ . . . 2 ₅) zum Durchleiten eines Kühlmittels (3) zwi schen einem Einlaß (4) und einem Auslaß (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet:

a) dass die Kühlkanalabschnitte (2 ₁, 2 ₂ . . . 2 ₅) jeder Gruppe zwischen dem Einlaß (4) und dem Auslaß (5) mäanderförmig in Reihe geschaltet sind und
b) dass die beiden Kühlkanalabschnittgruppen zwischen dem Einlaß (4) und dem Auslaß (5) parallel geschaltet sind, wobei die beiden Kühlkanalabschnittgruppen einen gemeinsamen Einlaß (4) und einen gemeinsamen Auslaß (5) aufweisen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei in jeder Gruppe drei Kühlkanalabschnitte (2 ₁ . . . 2 ₃) vorgesehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei in jeder Gruppe fünf Kühlkanalabschnitte (2 ₁ . . . 2 ₅) vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Kühlmittel Wasser ist.

5. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Kühlen ei nes Targets (6) in einer Kathoden-Zerstäubungsanlage.

6. Verwendung nach Anspruch 5, wobei der Träger (1) auf der Rückseite einer Ver bindungsplatte (7) mit dem Target (6) befestigt ist.

7. Verwendung nach Anspruch 5 oder 6 in einer Kathoden-Zerstäubungsanlage, in der ein Plasma gesteuert radial über das Target bewegt wird.