DE102010052341A1

DE102010052341A1 - Schutzvorrichtung an Rohrtargets

Info

Publication number: DE102010052341A1
Application number: DE201010052341
Authority: DE
Inventors: Enno Mirring; Lars Zimmermann; Johannes Löhnert
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne GmbH
Priority date: 2010-11-25
Filing date: 2010-11-25
Publication date: 2012-05-31
Anticipated expiration: 2030-11-26
Also published as: DE102010052341B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln eines betriebskritischen Verbrauchszustandes von Rohrtargets insbesondere an Rohrmagnetrons, die in evakuierten Prozesskammern betrieben sind (Vakuum-Prozesse), wobei Rohrtargets Ihre Anwendung beim Beschichten von Substraten finden. Sie versteht sich als Schutzvorrichtung an einem Rohrtarget in einer Vakuum-Prozesskammer zur Erkennung dessen durch einen Durchmesser vorbestimmten Mindestquerschnitts – Mindestdurchmesser –, die sich nach dem ersten zu drei nebenstehen Ansprüchen dadurch kennzeichnet, dass eine radial gerichtete kapillarartige Leitung (4) aus dem kühlmittelführenden Inneren (5) des Rohrtargets (1) in das Targetmaterial (2) hinein bis zum Mindestdurchmesser (3) hin und damit Kühlmittel (5) leitend ausgeführt ist, sodass über diese kapillarartige Leitung geringe Mengen Kühlmittel in die Prozesskammer gelangen können, wenn das Rohrtarget bis auf den Mindestdurchmesser (3) verbraucht ist. Dazu nebenstehende Kennzeichen basieren auf Materialindikation, auf elektrischem Leitungsverhalten und auf optischen Wirkungen, um die erfindungsgemäße Aufgabe zu lösen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln eines betriebskritischen Verbrauchszustandes von Rohrtargets insbesondere an Rohrmagnetrons, die in evakuierten Prozesskammern betrieben sind (Vakuum-Prozesse). Rohrtargets finden ihre Anwendung beim Beschichten von Substraten.
Rohrförmige Targets, so genannte Rohrtargets für Vakuum-Prozesse sind bekannt. Mit dem Traget gelangt vor der eigentlichen Inbetriebnahme der Prozessumgebung die Substanz oder das Material in die Prozessumgebung bzw. Prozesskammer. Im laufenden Prozess wird mittels Energieeintrag und richtungsbestimmender Transportwirkungen das Material auf ein Substrat aufgetragen, so wie beispielsweise beim Sputtern. In der Sache des kontinuierlichen Materialverbrauchs liegt begründet, dass während des Prozesses das Target im Querschnitt kleiner wird (Abtrag). Rohrtargets gibt es in Ausführungen sowohl in der Form, dass das Material auf einem Targetgrundrohr gehalten ist, als auch so ausgefertigt, dass das Target durchgehend (monolithisch) aus einem Material besteht. Bei einem solchen Target aus identischem Konstruktionsmaterial (Targetgrundrohr) und Beschichtungsmaterial (Targetmaterial) ist der Begriff Massivtarget geläufig. Metallische Materialien eignen sich für Massivtargets; beispielsweise Nickel-Chrom, Molybdän oder Aluminium.
Üblich ist, Rohrtargets am Ende eines Betriebszyklus auszuwechseln, da das Targetmaterial verbraucht ist. Solche Vorgänge des Wechselns sind mit erheblichem Aufwand verbunden. Koordiniertes Abkühlen und Belüften der Kammer zum Teil mit Spezialgasen gehört dazu sowie auch, dass die aufgrund der Substratgröße schwergewichtigen Prozesskammern geöffnet werden müssen, wozu die Deckel der Prozesskammer mitsamt der dort befestigten Targets in Magnetronanordnungen abzunehmen sind. Es besteht folglich Interesse, die Targets nahezu vollständig aufzubrauchen und sie eher weniger oft auszuwechseln, was im Praktischen nicht selten zu einem Targetverbrauchsstand bzw. Targetquerschnitt, der unter den Herstellerempfehlungen liegt, führt.
Technisch bekannt ist weiter das Phänomen, dass der Targetabtrag in Längsrichtung (axial) ungleichmäßig erfolgt. In Nähe der Targetränder bilden sich verringerte Querschnitte deutlich schneller aus als in der Mitte des Targets.
Bei Massivtargets ist demnach nicht ausgeschlossen, dass deren Querschnitt unter das Maß der sicheren mechanischen Stabilität abgesenkt ist. Folglich können diese Targets auch brechen. Im Gegensatz dazu ist ein verbrauchtes Target auf einem Grundrohr leichter erkennbar, da dann das Grundrohr verbleibt und eine Prozessüberwachung diesen Materialwechsel vom Targetmaterial zum Grundrohrmaterial erkennt.
Rohrtargets sind an den Rändern des Targetgrundrohres wie auch Massivtargets in Endblöcken gehalten, gedreht und mit Medien versorgt sowie primär innenseitig mit technischen Komponenten und Vorrichtungen versehen. Dort innenseitig befinden sich eine Reihe von Kühlmitteln bzw. Kühlleitungen, die beispielsweise Wasser führen.
Zusammen mit dem Problem der mangelnden Erkennung des Targetverbrauchs, der beschriebenen Kühlung mit Wasser, den hohen Prozesstemperaturen und dem Vakuum in der Prozesskammer ergibt sich speziell bei Massivtarget eine kritische Situation, wenn in Folge des überstrapazierten Targetmaterials das Target undicht oder instabil wird.
Es können sich Risse im Target bilden und dann tritt in kürzester Zeit reichlich Kühlwasser in die Prozesskammer ein. Es entsteht schlagartig Dampf, was insgesamt für Leben und Technik extrem schädlich sein kann.
Zum Schadensrisiko kommen der Produktionsausfall und die aufwändige Wiederinbetriebnahme.
Bislang ist es üblich, diesem Risiko dadurch zu begegnen, dass mit Erfahrungswerten bezüglich Betriebsstunden der Austauschzeitpunkt von Massivtargets festgelegt wird. Inwieweit der Austauschzeitpunkt richtig oder falsch definiert war, stellt sich erst heraus, wenn bei geöffneter Kammer das Target vermessen wird oder wenn der beschriebene Havariefall eintritt.
Prinzipiell ähnlich verhält es sich bezüglich des problematischen Kühlwassereintritts auch bei Planarmagnetrons. Dort umso mehr, da das flächig ausgebildete Target partiell stärker verbraucht wird, da ein noch inhomogenerer Abtrag als bei Rohrtargets im Betrieb erfolgt. Den statischen Planarmagnetrons bzw. Planartargets entzieht sich eine mechanische Beanspruchung wie bei rotierenden Rohrtargets.
Die Erfindung verfolgt das Ziel, den Targetverbrauch bzw. den Targetquerschnitt zumindest soweit zu überwachen, dass ein Mindestquerschnitt, bei dem das Target noch mechanisch stabil ist, frühzeitig im laufenden Betrieb erkannt wird.
Sie macht sich zur Aufgabe, Mittel zum Schutz des Targets zu schaffen, die Annäherungen an den kritischen Mindestquerschnitt signalisieren.
Diese Aufgabe löst die Erfindung gemäß Patentanspruch 1 und gemäß den nebenstehenden Ansprüchen 4, 7 und 8. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Die Erfindung geht, und das auch in den Nebensprüchen, von einer Schutzvorrichtung an einem Rohrtarget in einer Vakuum-Prozesskammer zur Erkennung dessen durch einen Durchmesser vorbestimmten Mindestquerschnitts – Mindestdurchmesser – aus. Der Mindestdurchmesser ist demnach als technische Größe insofern gegeben, dass dieser betrieblich nicht zu unterschreiten ist, um das Rohrtarget sicher zu betreiben. Die mechanische Stabilität des Rohrtargets ist ausschlaggebend für den Mindestdurchmesser.
Kühlmittel intern und Halterung zur Drehung und zur Versorgung des Targets an den Rändern impliziert ein solches Rohrtarget.
Kennzeichnend ist, dass eine radial gerichtete kapillarartige Leitung aus dem kühlmittelführenden Inneren des Rohrtargets in das Targetmaterial hinein bis zum Mindestdurchmesser hin und damit Kühlmittel leitend ausgeführt ist.
Im Ergebnis gelangen über diese kapillarartige Leitung geringe Mengen Kühlmittel in die Prozesskammer, wenn das Rohrtarget bis auf den Mindestdurchmesser verbraucht ist.
Zweckmäßigerweise ist, dass die kapillarartige Leitung in radialer Richtung verjüngt ausgeführt ist. Zudem, dass die kapillarartige Leitung in radialer Richtung gestuft (verjüngt) ausgeführt ist. Der Eintrag des störenden Kühlmittels in die Kammer wächst so mit Abtrag des Targets.
Kennzeichnend ist nebenstehend zum Vorhergehenden, dass im Targetmaterial positioniert radial von Innen bis zum und entlang des Mindestdurchmessers ein Indikationsmaterial eingebettet ist, sodass eine Prozessüberwachung diese materialbedingten Wirkungen erkennen kann.
So ist bewirkt, dass mit oder ab dem Erreichen des Mindestdurchmessers, ein Material in die Prozessumgebung einfließt, das bestenfalls schnell und eindeutig über Detektoren ermittelt werden kann.
Vorteilhafterweise ist das Indikationsmaterial Wasser. Prozessüberwachungen reagieren darauf.
Es bietet sich alternativ zu Letzterem an, als Indikationsmaterial Metall einzusetzen. Das Metall müsste sich so hinsichtlich seiner Eigenschaften vom Targetmaterial unterscheiden, dass es von diesem beim Verdampfen im Prozess abweichend auszumachen ist und es Prozessumgebung und bestenfalls Substrat nicht nachhaltig beeinträchtigt. Die konkrete Wahl muss sich primär am Targetmaterial und an Prozessparametern ausrichten.
Kennzeichnend ist nebenstehend zum Vorhergehenden, dass im Targetmaterial entlang des Mindestdurchmessers ein elektrischer Leiter mit zum Rand des Rohrtargets geführten Kontakten eingebettet ist, wobei über die Kontakte Mittel zur Erkennung einer Unterbrechung oder Verringerung des Stromflusses vorgesehen sind. Davon ausgehend, dass bei einer elektrisch leitfähigen Struktur im Targetmaterial, dann deren Leitfähigkeit verändert ist, wenn Teile der Struktur oder diese selbst wie das Targetmaterial abgetragen sind, ließe sich mit elektrischen Mitteln erkennen. Der prägnante Indikator einer Leitungsunterbrechung bei dem vollständig oder teilweise abgetragenen elektrischen Leiter könnte durch einen, der verringerte Leitfähigkeiten ermittelt, optimiert sein. Letzteres empfiehlt sich sowohl bei elektrisch leitfähigen Targetmaterialien als auch bei Leiterstrukturen wie Leiternetzen.
Kennzeichnend ist nebenstehend zum Vorhergehenden, dass die Vakuum-Prozesskammer optische Mittel eines optischen Senders und eines optischen Empfängers aufweist, die so ausgerichtet aufgestellt sind, dass in deren optischer Verbindung das Rohrtarget mindestens bei einem seiner verbrauchsbedingt wechselnden Durchmesser die optische Verbindung freigebend oder herstellend einbezogen ist.
Derartige optische Mittel sind besser außerhalb der Kammer platziert, wobei sich in der Kammerwand optisch durchlässige Passagen vorsehen lassen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die optische Verbindung geradlinig, das Rohrtarget mit Mindestdurchmesser tangierend freigegeben.
Falls darüber eine Art Lichtschranke platziert ist, die bei voreingestellten Targetdurchmessern öffnet, ist deren Erkennung gegeben. Mit mehreren derartigen Lichtschranken in Abfolge der Verbrauchsüberwachung platziert, wären auch Verbrauchsstufen entnehmbar. Genügen würde bereits eine optische Quelle, die mehrere Empfänger erreichen kann. Eine optische Maskierung auf Empfängerseite erscheint bezüglich der Empfängersensibilität hilfreich.
Alternativ dazu ist die optische Verbindung abgewinkelt am Rohrtarget mit Mindestdurchmesser reflektierend hergestellt.
Darauf aufbauend ist es von Vorteil, dass entlang des Mindestdurchmessers Hohlräume oder solche mit Erkennungsmuster eingebettet sind.
Damit ist abgezielt auf im Verbrauchsverlauf sich kontrolliert abzeichnende Konturen zur Wiedererkennung.
Es bietet sich weiter an, dass im Targetmaterial entlang des Mindestdurchmessers reflektierende Materialien eingebettet sind.
Reflektionen am Target einzubeziehen bietet aufgrund des sich sukzessive verringerten Targetdurchmessers und des sich damit öffnenden Reflektionswinkels am Target die Möglichkeit einer Verbrauchsverfolgung. Sind partiell reflektierende Materialien eingebettet, erfolgt die Reflektion diskontinuierlich, was bei ausreichender Targetrotation im Effekt genügen kann.
Zudem ist vorteilhaft, dass die Einbettung ringförmig entlang des Mindestdurchmessers ausgeführt ist.
Damit ist eine kontinuierliche Reflektion bewirkt. Ableiten ließe sich daraus der Effekt, dass durch eine konzentrierte Lichtquelle – beispielsweise Laser – dieser am Target reflektierte Strahl, wie er auch aus der Kammer herausgeführt sein könnte, in einer Skala anzeigt, inwieweit das Target verbraucht ist.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels bezüglich 1 näher beschrieben.
In 1 ist das Rohtarget 1 mit dem Targetmaterial 2, dem Mindestdurchmesser 3, der kapillarartigen Leitung 4 und dem Target-Inneren 5 gezeigt. Das Targetmaterial 2 ist mittig verstärkt und zumindest bis zum Mindestdurchmesser 3 dem Verbrauch im Prozess vorbestimmt ausgeführt. Die geringeren Durchmesser an den Rändern des Rohrtargets 1 bzw. des Targetmaterials 2 dienen der beidseitigen Halterung in Endblöcken (Klemmung). Der Mindestdurchmesser 3 nähert sich regulär auch diesem Durchmesser zur Halterung an. Der Mindestdurchmesser 3 ist hier zur Veranschaulichung deutlich davon beabstandet dargestellt. Der innere Teil 5 des Targets 1 ist üblicherweise mit mechanisch und technologisch hochwertigen Komponenten, die bei rotierenden Targets außen fest stehen bleiben, ausgefüllt. Es ist im inneren Teil 5 des Targets 1 der an das Targetmaterial 2 angrenzende Bereich mit Kühlmittel bzw. Kühlwasser gefüllt. Von der kapillarartigen Leitung 4 besteht so eine Verbindung zur Kühlwasserleitung.
Sofern das Targetmaterial 2 bis auf den Mindestdurchmesser 3 verbraucht ist, tritt über die kapillarartige Leitung 4 das Kühlmittel aus dem Inneren 5 des Targets 1 aus.
Bezugszeichenliste

1: Rohrtarget
2: Targetmaterial
3: Mindestdurchmesser
4: kapillarartige Leitung
5: Inneres/Kühlmittel

Claims

Schutzvorrichtung an einem Rohrtarget in einer Vakuum-Prozesskammer zur Erkennung dessen durch einen Durchmesser vorbestimmten Mindestquerschnitts – Mindestdurchmesser –, dadurch gekennzeichnet, dass eine radial gerichtete kapillarartige Leitung (4) aus dem kühlmittelführenden Inneren (5) des Rohrtargets (1) in das Targetmaterial (2) hinein bis zum Mindestdurchmesser (3) hin und damit Kühlmittel (5) leitend ausgeführt ist, sodass über diese kapillarartige Leitung geringe Mengen Kühlmittel in die Prozesskammer gelangen können, wenn das Rohrtarget bis auf den Mindestdurchmesser (3) verbraucht ist.
Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kapillarartige Leitung (4) in radialer Richtung verjüngt ausgeführt ist.
Schutzvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die kapillarartige Leitung (4) in radialer Richtung gestuft (verjüngt) ausgeführt ist.
Schutzvorrichtung an einem Rohrtarget in einer Vakuum-Prozesskammer zur Erkennung dessen durch einen Durchmesser vorbestimmten Mindestquerschnitts – Mindestdurchmesser –, dadurch gekennzeichnet, dass im Targetmaterial (2) positioniert radial von Innen (5) bis zum und entlang des Mindestdurchmessers (3) ein Indikationsmaterial eingebettet ist, sodass eine Prozessüberwachung diese materialbedingten Wirkungen erkennen kann.
Schutzvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Indikationsmaterial Wasser ist.
Schutzvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Indikationsmaterial ein Metall ist.
Schutzvorrichtung an einem Rohrtarget in einer Vakuum-Prozesskammer zur Erkennung dessen durch einen Durchmesser vorbestimmten Mindestquerschnitts – Mindestdurchmesser –, dadurch gekennzeichnet, dass im Targetmaterial (2) entlang des Mindestdurchmessers (3) ein elektrischer Leiter mit zum Rand des Rohrtargets (1) geführten Kontakten eingebettet ist, wobei über die Kontakte Mittel zur Erkennung einer Unterbrechung oder Verringerung des Stromflusses vorgesehen sind.
Schutzvorrichtung an einem Rohrtarget in einer Vakuum-Prozesskammer zur Erkennung dessen durch einen Durchmesser vorbestimmten Mindestquerschnitts – Mindestdurchmesser –, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuum-Prozesskammer optische Mittel eines optischen Senders und eines optischen Empfängers aufweist, die so ausgerichtet aufgestellt sind, dass in deren optischer Verbindung das Rohrtarget mindestens bei einem seiner verbrauchsbedingt wechselnden Durchmesser die optische Verbindung freigebend oder herstellend einbezogen ist.
Schutzvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Verbindung geradlinig, das Rohrtarget mit Mindestdurchmesser (3) tangierend freigegeben ist.
Schutzvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Verbindung abgewinkelt am Rohrtarget mit Mindestdurchmesser (3) reflektierend hergestellt ist.
Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Targetmaterial entlang des Mindestdurchmessers (3) Hohlräume oder solche mit Erkennungsmuster eingebettet sind.
Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Targetmaterial (2) entlang des Mindestdurchmessers (3) reflektierende Materialien eingebettet sind.
Schutzvorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbettung ringförmig entlang des Mindestdurchmessers ausgeführt ist.