DE102012211664A1 - Magnetron sputtering device, used to perform vacuum-based physical vapor deposition for coating substrate with target material, includes magnet assembly that concentrates plasma over target surface and comprises hydraulic actuator - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Magnetronsputtereinrichtung. The invention relates to a magnetron sputtering device.
Bei Magnetronsputtereinrichtungen, wie sie zur Durchführung einer vakuumbasierten physikalischen Gasphasenabscheidung angewendet werden, ist hinter der abzutragenden, elektrisch auf (relativem) Kathodenpotential liegenden Targetoberfläche ein Magnetsystem angeordnet. Durch die Überlagerung von elektrischem und magnetischem Feld bewegen sich die Elektronen nicht mehr parallel zu den elektrischen Feldlinien, sondern kreisen in Folge der Lorentz-Kraft über der Target-Oberfläche (d.h. der Kathode) in einer in sich geschlossenen Plasmazone, dem sogenannten Racetrack. Durch den hierdurch verlängerten Weg der Elektronen über der Target-Oberfläche erhöht sich die Anzahl und Konzentration der ionisierten Atome des Arbeitsgases. Diese energiereichen Ionen werden durch das magnetische Feld nur minimal beeinflusst und durch das elektrische Feld zur Kathode hin beschleunigt, wo sie Atome aus dem Targetmaterial herausschlagen, welche ihrerseits als Schicht auf dem zu beschichtenden Substrat kondensieren. In the case of magnetron sputtering devices, as used for carrying out a vacuum-based physical vapor deposition, a magnet system is arranged behind the target surface to be ablated, lying electrically on (relative) the cathode potential. As a result of the superimposition of the electric and magnetic fields, the electrons no longer move parallel to the electric field lines but, as a result of the Lorentz force, circle over the target surface (i.e., the cathode) in a closed plasma zone, the so-called racetrack. As a result of the elongated path of the electrons over the target surface, the number and concentration of the ionized atoms of the working gas increases. These high-energy ions are only minimally affected by the magnetic field and accelerated by the electric field to the cathode, where they knock out atoms of the target material, which in turn condense as a layer on the substrate to be coated.
Sowohl bei Planarmagnetrons (mit ebenem Target) als auch bei Rohrmagnetrons (mit hohlzylindrischem Target) ist die Elektronendichte an den Stellen über der Target-Oberfläche am größten, an denen die Magnetfeldlinien parallel zur Target-Oberfläche verlaufen. Ebenda ist durch die höhere Ionisation der Sputterabtrag der Target-Oberfläche im unmittelbaren Bereich darunter am größten. For planar magnetrons (with a flat target) as well as tubular magnetrons (with a hollow cylindrical target), the electron density is greatest at the locations above the target surface where the magnetic field lines are parallel to the target surface. On the other hand, due to the higher ionization, the sputter erosion of the target surface in the immediate area below it is greatest.
In einem sogenannten Rohrmagnetron, d.h. einem drehbaren hohlzylindrischen Targetrohr und einem darin angeordneten Magnetsystem, rotiert die Kathode und damit das Targetmaterial, d.h. das Targetrohr, um ein stationäres Magnetsystem oder ein bewegliches, beispielsweise rotierendes Magnetsystem wird im Inneren des Targetrohrs bewegt. Um eine geschlossene Form des Racetracks zu erreichen, befinden sich an den Enden des Targetrohrs Umlenkzonen des Magnetfelds. In diesem Bereich am Ende des Targetrohrs bewegen sich die Elektronen nicht längs des Targetrohrs quer zur Drehrichtung des Targets, sondern an einem Ende des Targetrohrs in Drehrichtung (Umfangsrichtung) und am anderen Ende des Targetrohrs entgegen der Drehrichtung (Umfangsrichtung). Dadurch verbraucht sich das Targetmaterial an den Enden des Targetrohrs schneller als über den Rest des Targetrohrs und die entstehenden typischen Erosionsgräben gewinnen in diesen Endbereichen (Umlenkzonen) schneller an Tiefe als in den geraden, d.h. parallel zur Rotationsachse verlaufenden Abschnitten des Racetracks. In a so-called tubular magnetron, i. a rotatable hollow cylindrical target tube and a magnet system disposed therein, the cathode, and hence the target material, i.e., the target material rotates. the target tube to a stationary magnet system or a movable, for example, rotating magnet system is moved inside the target tube. In order to achieve a closed form of the racetrack, deflection zones of the magnetic field are located at the ends of the target tube. In this region at the end of the target tube, the electrons do not move along the target tube transversely to the direction of rotation of the target, but at one end of the target tube in the direction of rotation (circumferential direction) and at the other end of the target tube opposite to the direction of rotation (circumferential direction). As a result, the target material consumes more rapidly at the ends of the target tube than over the remainder of the target tube, and the resulting typical erosion trenches gain more depth in these end regions (deflection zones) than in the straight ones; parallel to the axis of rotation extending sections of the racetrack.
Die Lebensdauer eines Targets ist dann beendet, wenn das Targetmaterial an einer Stelle des Rohres vollständig abgetragen wurde. Dies führt dazu, dass die Abtragung des Targetmaterials in den Endbereichen die Lebensdauer des Targets bestimmt, obwohl in den dazwischen liegenden Bereichen noch genügend abtragbares Targetmaterial vorhanden wäre. The lifetime of a target is terminated when the target material has been completely removed at one point of the tube. The result of this is that the removal of the target material in the end regions determines the lifetime of the target, although there would still be sufficient ablatable target material in the areas lying between them.
Dieser nachteilige Effekt kann durch bekannte gestalterische Lösungen nicht ausreichend genug verhindert werden. Üblich ist eine definierte Materialerhöhung am Targetrohrende, (sogenanntes „dog bone“-Target), um dem frühzeitigen Targetausfall entgegenzuwirken. Im Allgemeinen erreicht man mit dieser Ausführung eine höhere Standzeit und einen akzeptablen Grad der Targetausnutzung. Die Ausführung von Rohrtargets in „dog bone“-Form ist für gespritzte Targets im Allgemeinen mit geringen Zusatzkosten verbunden. Für gegossene bzw. keramische Targets ist die Herstellung hingegen aufwändiger und daher oftmals nicht wirtschaftlich. Besonders bei keramischen Targets ist bekannt, dass die Stoßstellen der aneinander angebrachten Keramikhülsen zu einer Spurenbildung auf dem zu beschichtenden Substrat führen. Um die Targetausnutzung zu verbessern und die Spurenbildung zur verringern müssen geeignete Maßnahmen getroffen werden. This disadvantageous effect can not be sufficiently prevented by known design solutions. A defined material increase at the tail end of the target tube (so-called "dog bone" target) is usual in order to counteract the early target failure. In general, this design achieves a longer service life and an acceptable degree of target utilization. The implementation of tube targets in "dog bone" form is generally associated with low added costs for sprayed targets. For cast or ceramic targets, however, the production is more complex and therefore often not economical. Especially with ceramic targets it is known that the joints of the ceramic sleeves attached to one another lead to a formation of traces on the substrate to be coated. To improve target utilization and reduce trace formation, appropriate measures must be taken.
Aus
Aus
In
Die Aufgabe besteht demnach darin, eine Magnetronsputtereinrichtung zu schaffen, mittels derer ein noch homogenerer Verbrauch des Targetmaterials und eine Minimierung der Spurenbildung auf dem zu beschichtenden Substrat erreicht werden können. The object is therefore to provide a magnetron sputtering device, by means of which an even more homogeneous consumption of the target material and a minimization of the trace formation on the substrate to be coated can be achieved.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch eine Magnetronsputtereinrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen beschrieben. The object underlying the invention is achieved by a magnetron sputtering device with the features of the independent claim 1. In the dependent claims advantageous embodiments and developments are described.
Es wird eine Magnetronsputtereinrichtung vorgeschlagen, umfassend ein Target, das Targetmaterial mit einer abzutragenden Targetoberfläche aufweist, sowie eine Magnetanordnung zum Konzentrieren eines Plasmas über der Targetoberfläche, die auf der der Targetoberfläche gegenüberliegenden Seite relativ und parallel zur Targetoberfläche beweglich angeordnet ist, wobei die Magnetanordnung durch mindestens einen Hydraulikaktor, der mindestens eine erste Wirkrichtung hat und der mit der Magnetanordnung in Wirkverbindung steht, in einer ersten Wirkrichtung bewegbar ist. A magnetron sputtering device is proposed, comprising a target having target material with a target surface to be ablated, and a magnet assembly for concentrating a plasma above the target surface which is movably disposed on the opposite side of the target surface relative to and parallel to the target surface, the magnet assembly being characterized by at least a hydraulic actuator, which has at least one first direction of action and which is in operative connection with the magnet arrangement, is movable in a first direction of action.
Zweckmäßig ist es, dass die Magnetanordnung durch mindestens ein Rückstellglied, das eine der ersten Wirkrichtung entgegengesetzte zweite Wirkrichtung hat und das mit dem mindestens einen Hydraulikaktor oder der Magnetanordnung in Wirkverbindung steht, in der zweiten Wirkrichtung bewegbar ist. Besonders vorteilhaft ist es, dass das mindestens eine Rückstellglied ein weiterer Hydraulikaktor ist. Es können aber auch andere Rückstellglieder wie beispielsweise mechanische Federelemente verwendet werden. It is expedient that the magnet arrangement can be moved in the second direction of action by at least one return element, which has a second direction of action opposite the first direction of action and which is in operative connection with the at least one hydraulic actuator or the magnet arrangement. It is particularly advantageous that the at least one return element is a further hydraulic actuator. But it can also be used other restoring members such as mechanical spring elements.
Hydraulikaktoren sind vorzugsweise als Hydraulikzylinder aber auch als hydraulischer Muskel, welche reine Zugaktoren darstellen, ausgeführt. Hydraulische Muskeln bieten dabei den Vorteil ruckfrei und schlupffrei zu arbeiten, was zu einer besonders gleichmäßigen Bewegung des Magnetsystems und damit ebenfalls einem besonders gleichmäßigen Abtrag des Targetmaterials von der Targetoberfläche führt. Durch ihren besonders einfachen Aufbau, die hermetisch dichte Bauweise und der damit verbundenen Langlebigkeit, eignen sich hydraulische Muskel in besonderem Maße für den Einsatz in Magnetronsputtereinrichtungen. Hydraulic actuators are preferably designed as hydraulic cylinders but also as hydraulic muscles, which are pure tension actuators. Hydraulic muscles offer the advantage of smooth and slip-free operation, which leads to a particularly uniform movement of the magnet system and thus also a particularly uniform removal of the target material from the target surface. Due to their particularly simple design, the hermetically sealed construction and the associated longevity, hydraulic muscles are particularly suitable for use in magnetron sputtering devices.
Ebenfalls zweckmäßig ist es, dass der mindestens eine Hydraulikaktor eine der ersten Wirkrichtung entgegengesetzte zweite Wirkrichtung hat und die Magnetanordnung durch den mindestens einen Hydraulikaktor, der mit der Magnetanordnung in Wirkverbindung steht, in der zweiten Wirkrichtung bewegbar ist. Durch die Verwendung doppeltwirkender Hydraulikaktoren, d.h. von Hydraulikaktoren mit zwei aktiven Bewegungsrichtungen, beispielsweise für einen Zugbereich und einen Druckbereich, reduziert sich die Anzahl der für die Bewegung des Magnetsystems benötigten Hydraulikaktoren um die Hälfte. It is also expedient that the at least one hydraulic actuator has a second effective direction opposite the first effective direction and the magnet arrangement is movable in the second effective direction by the at least one hydraulic actuator which is in operative connection with the magnet arrangement. By using double-acting hydraulic actuators, i. of hydraulic actuators with two active directions of movement, for example for a tensile region and a pressure region, the number of hydraulic actuators required for the movement of the magnet system is reduced by half.
Besonders vorteilhaft ist es, dass die Magnetronsputtereinrichtung mindestens einen Kühlmittelzulauf und mindestens einen Kühlmittelablauf zum Kühlen des Targets und der Magnetanordnung mittels eines Kühlmittels aufweist und zumindest ein Hydraulikflüssigkeitsanschluss des mindestens einen Hydraulikaktors so angeordnet ist, dass ein Teilvolumenstrom des Kühlmittels als Hydraulikflüssigkeit für den mindestens einen Hydraulikaktor verwendet wird. It is particularly advantageous that the magnetron sputtering device has at least one coolant inlet and at least one coolant outlet for cooling the target and the magnet arrangement by means of a coolant and at least one hydraulic fluid port of the at least one hydraulic actuator is arranged such that a partial volume flow of the coolant as hydraulic fluid for the at least one hydraulic actuator is used.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist zumindest ein Hydraulikaktor zum Steuern des Volumenstroms der Hydraulikflüssigkeit durch den Hydraulikaktor ein Steuerventil auf, wobei das Steuerventil so angeordnet ist, dass es bei Erreichen der Magnetanordnung in der ersten Endlage der ersten Wirkrichtung den Volumenstrom der Hydraulikflüssigkeit so umschaltet, dass die Magnetanordnung hin zur zweiten Endlage der zweiten Wirkrichtung bewegbar ist sowie, dass das Steuerventil bei Erreichen der Magnetanordnung in der zweiten Endlage der zweiten Wirkrichtung den Volumenstrom der Hydraulikflüssigkeit so umschaltet, dass die Magnetanordnung hin zur ersten Endlage der ersten Wirkrichtung bewegbar ist. Neben dieser mechanischen Betätigung des Steuerventils kann ebenfalls ein Steuerventil vorgesehen werden, welches mittels eines elektrischen Signals einer die Magnetronsputtereinrichtung umfassenden Steuereinheit, geschaltet wird. Sowohl bei der mechanischen als auch bei der elektrischen Betätigung des Steuerventils ist die Bewegung der Magnetanordnung bezüglich der Bewegung des Targets unabhängig. D.h. die Rotationsgeschwindigkeit und die Rotationsrichtung des Rohrtargets haben keinen Einfluss auf die Translationsgeschwindigkeit der Magnetanordnung. Durch diese Entkopplung kann auf sich in Form und Zusammensetzung änderndes Targetmaterial flexibel reagiert werden. Erfindungsgemäß wird durch die kontinuierliche und harmonische Bewegung der Magnetanordnung die Spurenbildung auf der Targetoberfläche reduziert. In one embodiment of the invention, at least one hydraulic actuator for controlling the volume flow of the hydraulic fluid through the hydraulic actuator to a control valve, wherein the control valve is arranged so that when it reaches the Magnet arrangement in the first end position of the first effective direction, the volume flow of the hydraulic fluid is switched so that the magnet assembly is movable towards the second end position of the second direction of action and that the control valve on reaching the magnet assembly in the second end position of the second direction of action, the volume flow of the hydraulic fluid so, the magnet arrangement is movable towards the first end position of the first direction of action. In addition to this mechanical actuation of the control valve, a control valve can also be provided which is switched by means of an electrical signal of a control unit comprising the magnetron sputtering device. In both the mechanical and electrical actuation of the control valve, the movement of the magnet assembly is independent of the movement of the target. That is, the rotational speed and the rotation direction of the tube target have no influence on the translation speed of the magnet assembly. As a result of this decoupling, it is possible to react flexibly to the target material changing in shape and composition. According to the invention, the trace formation on the target surface is reduced by the continuous and harmonic movement of the magnet arrangement.
Für Planarmagnetrons ist es zweckmäßig, dass mindestens zwei Hydraulikaktoren relativ zueinander so angeordnet sind, dass ihre Wirkrichtungen rechtwinklig zueinander verlaufen. Durch eine unabhängige Steuerung der Wirkrichtungen der Hydraulikaktoren ist es möglich, die Magnetanordnung in beliebiger Weise relativ zur Targetoberfläche zu bewegen. For Planarmagnetrons it is expedient that at least two hydraulic actuators are arranged relative to each other so that their directions of action are perpendicular to each other. By an independent control of the effective directions of the hydraulic actuators, it is possible to move the magnet arrangement in any desired manner relative to the target surface.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigt In the accompanying drawings shows
Der in
Mittig der axialen Ausdehnung des Targetrohrs
Der erste hydraulische Muskel
Das Targetrohr
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Targetrohr target tube
- 2 2
- Targetmaterial target material
- 3 3
- Trägerrohr support tube
- 4 4
- erstes Schiebelager first sliding bearing
- 5 5
- zweites Schiebelager second sliding bearing
- 6 6
- erster hydraulischer Muskel first hydraulic muscle
- 7 7
- zweiter hydraulischer Muskel second hydraulic muscle
- 8 8th
- Steuerventil control valve
- 9 9
- erste Endlage first end position
- 10 10
- zweite Endlage second end position
- 11 11
- Kühlmittelvorlauf Coolant supply
- 12 12
- Kühlmittelrücklauf Coolant return
- 13 13
- Hydraulikflüssigkeit hydraulic fluid
- 14 14
- erstes Drosselventil first throttle valve
- 15 15
- zweites Drosselventil second throttle valve
- 16 16
- erste Wirkrichtung first effective direction
- 17 17
- zweite Wirkrichtung second direction of action
- 18 18
- Magnetträger magnet carrier
- 19 19
- Rotationsachse axis of rotation
- 20 20
- erstes Hydraulikaktorlager first hydraulic actuator bearing
- 21 21
- zweites Hydraulikaktorlager second hydraulic actuator bearing
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- US 2011/0155568 A1 [0009] US 2011/0155568 A1 [0009]
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Representative=s name: PATENTANWAELTE LIPPERT, STACHOW & PARTNER, DE Effective date: 20141015 Representative=s name: LIPPERT STACHOW PATENTANWAELTE RECHTSANWAELTE , DE Effective date: 20141015 |
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R016 | Response to examination communication | ||
R082 | Change of representative | ||
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: VON ARDENNE ASSET GMBH & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNER: VON ARDENNE GMBH, 01324 DRESDEN, DE |
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |