DE10138156A1

DE10138156A1 - Magnetron sputtering system, e.g. for CD or DVD manufacture, has magnetic device for displacing or spreading plasma rings over front of target

Info

Publication number: DE10138156A1
Application number: DE2001138156
Authority: DE
Inventors: Michael Muecke; Eggo Sichmann
Original assignee: Singulus Technologies AG
Current assignee: Singulus Technologies AG
Priority date: 2001-08-03
Filing date: 2001-08-03
Publication date: 2003-02-27
Anticipated expiration: 2021-08-04
Also published as: DE10138156B4

Abstract

The system has a device for sputtering a target (1). A magnetic device (7) is provided for displacing plasma rings (2,3) across the front side (1a) of the target or for spreading out or constricting the rings in a complementary manner in the transition region between the rings. An outer and an inner pole shoe or magnet of a magnetic yoke may be provided, having the same polarity for an even number of plasma rings, and different polarity for an odd number of plasma rings. An Independent claim is also included for a method of sputtering a target.

Description

Die Erfindung betrifft eine Magnetron-Zerstäubungsanlage mit mehreren Plasmaringen. The invention relates to a magnetron sputtering system with several plasma rings.

Der Aufbau einer Magnetron-Zerstäubungsanlage mit einem Plasmaring ist bereits in der DE-A1-196 14 595 beschrieben. Bekannt ist auch eine Magnetron-Zerstäubungsanlage mit zwei Plasmaringen durch Verwendung einer sog. Doppelring (dual race)- Kathode: eine solche herkömmliche Zerstäubungsanfage arbeitet mit einem statischen Magnetfeld. Die Position der Plasmaringe und deren Impedanz liegen fest. Dadurch können homogene Schichtverteilungen auf einem beschichteten Substrat nur für dünne Targets garantiert werden, da sich die Impedanz über die Targetlebensdauer durch Abtragen (Abbrand) für beide Plasmaringe unterschiedlich ändert. The construction of a magnetron atomization system with a plasma ring is already in DE-A1-196 14 595. One is also known Magnetron sputtering system with two plasma rings using a so-called double ring (dual race) - Cathode: such a conventional atomization request works with a static one Magnetic field. The position of the plasma rings and their impedance are fixed. Thereby can make homogeneous layer distributions on a coated substrate only for thin Targets are guaranteed because the impedance changes over the lifetime of the target Removal (erosion) changes differently for both plasma rings.

Bei einem bekannten derartigen System mit Doppelring-Kathoden werden der innere und der äußere Ring nacheinander durch zwei sequentielle Beschichtungsschritte abgearbeitet. Zur Optimierung der Zykluszeit ist es jedoch erwünscht, die beiden Beschichtungsschritte gleichzeitig ablaufen zu lassen. Bei Parallelschaltung ergeben sich durch die beiden Plasmaringe zwei Impedanzen, die aufeinander abgestimmt werden müssen, um ein Erlöschen der Plasmaringe zu verhindern. In a known system of this type with double ring cathodes, the inner one and the outer ring successively through two sequential coating steps processed. To optimize the cycle time, however, it is desirable to use the two Let coating steps run simultaneously. When connected in parallel due to the two plasma rings, two impedances that are matched to each other to prevent the plasma rings from going out.

Ein Nachteil im Stand der Technik ist es ferner, daß in der Mitte des Targets und in dem Bereich zwischen den beiden Plasmaringen, in denen die magnetischen Feldlinien nahezu senkrecht auf der Targetoberfläche stehen, eine Targetrückbeschichtung auftritt, da in diesen Bereich keine Zerstäubungsionen eindringen. Die Folge ist eine ungleichmäßige Beschichtung des Substrats bei der Zerstäubung und eine Beeinträchtigung der Beschichtung durch abfallendes Material aus der Rückbeschichtung. Bei einer reaktiven Zerstäubung kann das rückbeschichtete Material dielektrisch sein und dann den Zerstäubungsprozeß behindern. A disadvantage in the prior art is also that in the middle of the target and in the Area between the two plasma rings in which the magnetic field lines stand almost perpendicular to the target surface, a target back coating occurs, since no atomizing ions penetrate into this area. The consequence is one uneven coating of the substrate during sputtering and an impairment of Coating with falling material from the back coating. With a reactive Sputtering can be dielectric and then the back-coated material Hinder atomization process.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Zerstäuben eines Zerstäubungstargets in einer Magnetron-Zerstäubungsanlage mit mehreren Plasmaringen zur Verfügung zu stellen, wobei der Beschichtungsprozeß beschleunigt, eine Rückbeschichtung des Targets verhindert und eine sehr homogene Schichtverteilung auf einem Substrat erreicht wird. The invention has for its object a device and a method for Atomizing a sputtering target in a magnetron sputtering system to provide several plasma rings, the coating process accelerated, a back coating of the target prevented and a very homogeneous Layer distribution is achieved on a substrate.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst. The object is achieved with the features of the claims.

Bei der Lösung geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, bei einer Magnetron- Zerstäubungsanlage mit einer Kathode mit mehreren Plasmaringen eine Einrichtung zum Abstimmen der Impedanzen der Plasmaringe und/oder eine Einrichtung zum Verschieben der Plasmaringe über die zu zerstäubende Fläche vorzusehen. In the solution, the invention is based on the basic idea that with a magnetron Atomization system with a cathode with several plasma rings one device for matching the impedances of the plasma rings and / or a device for Move the plasma rings over the surface to be atomized.

In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform sind in dem Raum zwischen einem äußeren und inneren Polschuh eines Jochs bzw. einem äußeren und inneren Magneten einer Magnetron-Zerstäubungsanlage mehrere elektromagnetische Spulen, vorzugsweise mindestens drei elektromagnetische Spulen angeordnet. Die Anzahl der elektromagnetischen Spulen richtet sich nach der Anzahl der Plasmaringe. Im Fall von zwei Plasmaringen sind z. B. drei Spulen vorgesehen. Für jeden weiteren Plasmaring sind zwei weitere Spulen vorgesehen. Der äußere und innere Polschuh bzw. Magnet weist bei einer geraden Zahl von Plasmaringen die gleiche Polarität auf und bei einer ungeraden Zahl von Plasmaringen eine ungleiche Polarität auf. In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform mit drei elektromagnetischen Spulen wird ein statisches Magnetfeld zwischen dem äußeren Polschuh oder Magneten und dem inneren Polschuh oder Magneten aufgeteilt, so daß zwei Plasmaringe ausgebildet werden. Durch die erste und zweite elektromagnetische Spule wird je für einen Plasmaring die Impedanz eingestellt, so daß die Impedanzen der Plasmaringe aufeinander abgestimmt und an den unterschiedlichen Targetabtrag angepaßt werden können. Um eine Targetrückbeschichtung im Grenzbereich zwischen den Plasmaringen und in der Mitte des Targets zu verhindern, werden die Plasmaringe während der Zerstäubung über die Targetvorderseite verschoben, so daß ein Materialauftrag durch Rückbeschichtung durch Veränderung seiner Lage auf der Oberfläche immer wieder abgestäubt wird. In a preferred embodiment according to the invention, the space between an outer and inner pole piece of a yoke and an outer and inner Magnets of a magnetron sputtering system several electromagnetic coils, preferably arranged at least three electromagnetic coils. The number of electromagnetic coils depends on the number of plasma rings. In case of two plasma rings are e.g. B. three coils are provided. For each additional plasma ring two more coils are provided. The outer and inner pole piece or magnet has the same polarity for an even number of plasma rings and one for an even number odd number of plasma rings have an unequal polarity. In a preferred one embodiment according to the invention with three electromagnetic coils is a static magnetic field between the outer pole piece or magnet and the inner pole piece or magnet divided so that two plasma rings are formed. The first and second electromagnetic coils are used for each plasma ring Impedance set so that the impedances of the plasma rings are matched and can be adapted to the different target removal. To one Target back coating in the border area between the plasma rings and in the middle of the To prevent targets, the plasma rings are atomized over the Target front side shifted, so that a material application by back coating through Changing its position on the surface is dusted again and again.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Target gleichzeitig von mehreren Plasmaringen zerstäubt, während der Zerstäubung wird die Impedanz jedes Plasmaringes geregelt und die Plasmaringe wären ständig über die Targetvorderseite verschoben. By means of the method according to the invention, one target is simultaneously used by several Plasma rings atomized, during atomization the impedance of each Plasma rings regulated and the plasma rings would always be on the front of the target postponed.

Durch die gleichzeitige Verwendung von mehreren Plasmaringen kann der Zerstäubungs- und damit der Beschichtungsprozeß eines Substrats beschleunigt werden. Durch eine variable und justierbare Impedanz der Plasmaringe können auch mit dicken Targets (> 8 mm) konstante Schichtdickenverteilungen auf dem Substrat erhalten werden. Durch die Verschiebung der Plasmaringe, d. h. durch die Änderung der Erosionsbreite der Plasmaringe, kann eine Targetrückbeschichtung zuverlässig verhindert werden. By using several plasma rings at the same time, the Atomization and thus the coating process of a substrate can be accelerated. Due to a variable and adjustable impedance of the plasma rings can also with thick Targets (> 8 mm) constant layer thickness distributions on the substrate become. By moving the plasma rings, d. H. by changing the Erosion width of the plasma rings, a target back coating can be reliably prevented become.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: The invention is explained in more detail below with reference to the drawings. Show it:

Fig. 1a und 1b vereinfachte Querschnitte einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform, Fig. 1a and 1b simplified cross sections of a first embodiment according to the invention,

Fig. 2 einen vereinfachten Querschnitt einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform und Fig. 2 shows a simplified cross section of a second embodiment of the invention and

Fig. 3 einen vereinfachten Querschnitt einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform. Fig. 3 shows a simplified cross section of a third embodiment of the invention.

Gemäß den Fig. 1a und 1b befindet sich bei einer Magnetron-Zerstäubungsanlage hinter einem Target 1 ein Joch 4 mit einem äußeren Polschuh 4a am Rande des Targets und einem inneren Polschuh 4b in der Mittelachse B des Targets, wobei zwischen dem äußeren und inneren Polschuh durch Magneten 10 ein statisches Magnetfeld ausgebildet wird. Erfindungsgemäß sind in dem Raum zwischen dem äußeren Polschuh 4a und dem inneren Polschuh 4b eine erste, eine zweite und eine dritte Spule 5, 6 bzw. 7 angeordnet. Zwischen den Spulen befinden sich zwei Eisenkerne 8 und 9 zur Bündelung des Magnetfeldes und Ausbilden der Bereiche von zwei Plasmaringen 2 und 3. Mittels der dritten elektromagnetischen Spule 7 können in Abhängigkeit von der Polarität der Spule die Plasmaringe von innen nach außen bzw. von außen nach innen verschoben (oder verbreitert bzw. verengt) werden. In Fig. 1a ist der innere Plasmaring 3 durch die Erregung der Spule 7 nach außen verbreitert und der äußere Plasmaring 2 innen verengt. In Fig. 1b ist die Spule 7 gegenüber Fig. 1a zur entgegengesetzten Polarität erregt; der äußere Plasmaring 2 ist dabei innen verbreitert, und der innere Plasmaring 3 ist außen verengt. Mit der Verschiebung der Plasmaringe wird der Bereich der Rückbeschichtung A ebenfalls verschoben; somit kann rückbeschichtetes Material durch die Plasmaionen wieder abgestäubt werden. Mit den Spulen S und 6 kann durch Verstärkung oder Schwächung des Permanent-Magnetfeldes die Impedanz des äußeren bzw. inneren Plasmaringes 2 bzw. 3 eingestellt und über die Targetlebensdauer nachgestellt werden. Dadurch können auch dicke Targets mit einer konstanten Schichtdickenverteilung auf dem Substrat 11 zerstäubt werden. Die Polschuhe 4a und 4b können auch durch die Magneten 10 ersetzt werden. Referring to FIGS. 1a and 1b is located in a magnetron sputtering unit behind a target 1, a yoke 4 with an outer pole piece 4 a on the edge of the target and an inner pole piece 4b in the center axis B of the target, wherein between the outer and inner Pole shoe is formed by magnets 10, a static magnetic field. According to the invention, a first, a second and a third coil 5 , 6 and 7 are arranged in the space between the outer pole piece 4 a and the inner pole piece 4 b. Between the coils there are two iron cores 8 and 9 for bundling the magnetic field and forming the areas of two plasma rings 2 and 3 . By means of the third electromagnetic coil 7 , depending on the polarity of the coil, the plasma rings can be moved (or widened or narrowed) from the inside to the outside or from the outside to the inside. In Fig. 1a, the inner plasma ring 3 is widened by the excitation of the coil 7 and the outer plasma ring 2 is narrowed inside. In FIG. 1b, the coil 7 is excited to the opposite polarity compared to FIG. 1a; the outer plasma ring 2 is broadened on the inside, and the inner plasma ring 3 is narrowed on the outside. With the shift of the plasma rings, the area of the back coating A is also shifted; back-coated material can thus be dusted again by the plasma ions. With the coils S and 6, the impedance of the outer or inner plasma ring 2 or 3 can be set by reinforcing or weakening the permanent magnetic field and adjusted over the target life. As a result, even thick targets with a constant layer thickness distribution can be atomized on the substrate 11 . The pole pieces 4 a and 4 b can also be replaced by the magnets 10 .

Die zweite erfindungsgemäße Ausführungsform gemäß Fig. 2 ähnelt der gemäß Fig. 1a und 1b, jedoch weist das Zerstäubungstarget 1 ein Mittelloch auf, und die Polschuhe 4a und 4b umfassen das Target 1. The second inventive embodiment shown in FIG. 2 is similar to that of FIG. 1a and 1b, but 1, the sputtering target has a center hole, and the pole pieces 4a and 4b comprise the target 1.

Die dritte erfindungsgemäße Ausführungsform gemäß Fig. 3 ähnelt der von Fig. 2, jedoch sind die Eisenkerne 8 und 9 über weitere Magneten 12 mit dem Joch 4 verbunden. The third embodiment of the invention according to Fig. 3 is similar to that of Fig. 2, however, the iron cores 8 and 9 are connected via further magnet 12 with the yoke 4.

Gemäß den Fig. 1 bis 3 sind die im Joch und an den Eisenkernen angeordneten Magneten 10 und 12 Permanentmagneten. Sie können jedoch auch durch elektromagnetische Spulen ersetzt werden. According to FIGS. 1 to 3, the magnets 10 and 12 arranged in the yoke and on the iron cores are permanent magnets. However, they can also be replaced by electromagnetic coils.

Die Polschuhe oder Magneten 4a, 4b, die elektromagnetischen Spulen S bis 7 und die Eisenkerne 8, 9 können als rotationssymmetrische Ringe mit der gemeinsamen Achse B ausgebildet sein, so daß rotationssymmetrische Targets zerstäubt werden. Sie können aber auch jede Form entsprechend der Form des zu beschichtenden Substrats 11 aufweisen, z. B. auch als langgestreckte Ringe ausgebildet sein, um langgestreckte Targets, sog. Langkathoden zu zerstäuben und somit langgestreckte Substrate oder Endlossubstrate, gegebenenfalls im Durchlaufverfahren zu beschichten. The pole pieces or magnets 4 a, 4 b, the electromagnetic coils S to 7 and the iron cores 8 , 9 can be designed as rotationally symmetrical rings with the common axis B, so that rotationally symmetrical targets are atomized. But they can also have any shape corresponding to the shape of the substrate 11 to be coated, for. B. can also be designed as elongated rings to atomize elongated targets, so-called long cathodes and thus to coat elongated substrates or endless substrates, optionally in a continuous process.

Die erfindungsgemäßen Ausführungsformen gemäß Fig. 1 bis 3 sind zur Ausbildung von zwei Plasmaringen geeignet. Das in ihnen verkörperte erfindungsgemäße Prinzip kann jedoch auch für die Erzeugung von drei und mehr Plasmaringen verwendet werden. In diesem Fall besitzen der innere und der äußere Polschuh gleiche Polarität bei einer geraden Anzahl von Plasmaringen und ungleiche Polarität bei einer ungeraden Anzahl von Plasmaringen. Für jeden weiteren Plasmaring sind eine weitere Spule zum Einstellen der Impedanz und eine weitere Spule zum Verschieben des Plasmarings erforderlich. Eine größere Anzahl von Plasmaringen ist vor allem bei einer Beschichtung von Substraten mit großem Durchmesser vorteilhaft. The embodiments according to FIGS. 1 to 3 are suitable for the formation of two plasma rings. However, the principle according to the invention embodied in them can also be used for the production of three or more plasma rings. In this case, the inner and outer pole pieces have the same polarity with an even number of plasma rings and unequal polarity with an odd number of plasma rings. For each additional plasma ring, an additional coil for setting the impedance and a further coil for moving the plasma ring are required. A larger number of plasma rings is particularly advantageous when coating substrates with a large diameter.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Target 1 gleichzeitig von mehreren Plasmaringen 2, 3 zerstäubt. Während der Zerstäubung werden die Plasmaringe vorzugsweise kontinuierlich über die Targetvorderseite 1a verschoben bzw. alternierend verbreitert oder verengt. Die Impedanzen der Plasmaringe werden vorzugsweise kontinuierlich an die Impedanz des jeweils benachbarten Plasmarings angepaßt und entsprechend der Zerstäubung des Targets nachgeregelt. Auf diese Weise wird eine beschleunigte und sehr homogene Beschichtung des Substrats erreicht. Using the method according to the invention, the target 1 is atomized simultaneously by a plurality of plasma rings 2 , 3 . During the atomization, the plasma rings are preferably continuously moved over the target front side 1 a or alternately widened or narrowed. The impedances of the plasma rings are preferably continuously adapted to the impedance of the adjacent plasma ring and readjusted in accordance with the sputtering of the target. In this way, an accelerated and very homogeneous coating of the substrate is achieved.

In den dargestellten Ausführungsformen ist das Magnetron-Magnetfeld, das durch die Permanentmagneten 10 bzw. 10 und 12 erzeugt wird, statisch. In the illustrated embodiments, the magnetron magnetic field, which is generated by the permanent magnets 10 or 10 and 12 , is static.

Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, dieses Magnetron-Magnetfeld variabel zu steuern, wie z. B. in DE-C1-196 54 000, DE-A1-196 54 007 und DE-C1-196 53 999 beschrieben, um die Schichtdickenverteilung auf dem beschichteten Substrat zu homogenisieren. However, within the scope of the invention it is also possible to use this magnetron magnetic field variable control, such as B. in DE-C1-196 54 000, DE-A1-196 54 007 and DE-C1-196 53 999 described to the layer thickness distribution on the homogenize coated substrate.

Claims

1. Magnetron sputtering system with a device for sputtering a sputtering target ( 1 ) with several plasma rings ( 2 , 3 ) with a magnetic device ( 7 ) for moving the plasma rings ( 2 , 3 ) over the front ( 1 a) of the target ( 1 ) or for complementary widening or narrowing of the plasma rings ( 2 , 3 ) in the transition area (A) between the plasma rings.

2. System according to claim 1, wherein an outer and an inner pole piece or magnet ( 4 a or 4 b) of a magnetic yoke ( 4 ) on the back of the target ( 1 a) with an even number of plasma rings ( 2 , 3 ) the same polarity and if the number of plasma rings ( 2 , 3 ) is odd, they have unequal polarity.

3. Plant according to claim 1 or 2 with a magnetic device ( 5 , 6 ) for adjusting the impedance of a plasma ring ( 2 , 3 ).

4. Plant according to claim 3, wherein in the space between the back of the target ( 1 a), the magnetic yoke ( 4 ) and the pole pieces or magnets ( 4 a, 4 b) at least a first ( 5 ), a second ( 6 ) and a third electromagnetic coil ( 7 ) is arranged, the first and second electromagnetic coils ( 5 , 6 ) each being provided for adjusting the impedance of a plasma ring ( 2 , 3 ) and the third coil ( 7 ) for displacing the plasma rings ( 2 , 3 ) is provided on the front side of the target ( 1 b).

5. System according to claim 4, wherein the first coil ( 5 ) the outer pole piece ( 4 a) and the second coil ( 6 ) is adjacent to the inner pole piece ( 4 b) and wherein the third coil ( 7 ) between the first ( 5th ) and the second coil ( 6 ) is arranged.

6. Plant according to claim 4 or 5, wherein at least two iron cores ( 8 , 9 ) are arranged between the coils.

7. Installation according to claim 6, wherein the first iron core ( 8 ) in the space between the first coil ( 5 ) and the third coil ( 7 ) and the second iron core ( 9 ) in the space between the third coil ( 7 ) and second coil ( 6 ) are arranged.

8. System according to one of claims 1 to 7, wherein the outer and inner pole pieces or magnets ( 4 a and 4 b) based on the target front end behind the target ( 1 ).

9. Plant according to one of claims 1 to 7, wherein the outer and inner pole pieces or magnets ( 4 a and 4 b) comprise the target ( 1 ).

10. Plant according to one of claims 6 to 9, wherein the iron cores ( 8 , 9 ) adjoin one or more magnets ( 12 ).

11. Installation according to one of claims 2 to 7, wherein the pole pieces or magnets ( 4 a or 4 b), the at least first to third coils ( 5 , 6 , 7 ) and the at least first and second iron cores ( 8 , 9 ) are designed as rotationally symmetrical rings.

12. Plant according to one of claims 2 to 7, wherein the pole pieces or magnets ( 4 a, 4 b), the at least first to third coils ( 5 , 6 , 7 ) and the at least first and second iron cores ( 8 , 9 ) as elongated rings are formed.

13. A method for sputtering a sputtering target (1) in a magnetron sputtering device having a plurality of plasma rings (2, 3), wherein the target (1)

13. A method for atomizing a sputtering target ( 1 ) in a magnetron sputtering system with a plurality of plasma rings ( 2 , 3 ), the target ( 1 ) being sputtered simultaneously by the plurality of plasma rings ( 2 , 3 ) and the plasma rings ( 2 , 3 ) over the target front ( 1 a) shifted or complementarily narrowed or widened in the border area between the plasma rings

14. The method according to claim 13, wherein the impedance of each plasma ring ( 2 , 3 ) is regulated during sputtering.

15. The method according to claim 13 or 14, wherein a plasma in a static magnetic field is divided into at least two plasma rings ( 2 , 3 ), a first and a second coil ( 5 , 6 ) match the impedances of the plasma rings ( 2 , 3 ) and adapt to a variable target thickness and the magnetic field of at least one third coil ( 7 ) shifts or widened or narrowed the plasma rings ( 2 , 3 ) over the target front side ( 1 b).

16. The method according to claim 15, wherein magnetron magnetic fields for the at least two plasma rings ( 2 , 3 ) at least between an outer pole piece ( 4 a), a first ( 8 ) or second iron core ( 9 ) and an inner pole piece ( 4 b) be formed.

17. Use of the system according to one of claims 1 to 12 or of the method according to one of claims 13 to 16 in the coating of rotationally symmetrical or elongated substrates ( 11 ).

18. Use of the system or the method according to any one of claims 1 to 17 in the atomization of targets ( 1 ) with a thickness greater than 8 mm.

19. Use of the plant or the method according to one of claims 1 to 18 for the production of optical storage media such as CD, CD-R, DVD or DVD-R.