DE102013011074A1

DE102013011074A1 - An eine indirekte Kühlvorrichtung angepasstes Target mit Kühlplatte

Info

Publication number: DE102013011074A1
Application number: DE102013011074.2A
Authority: DE
Inventors: Denis Kurapov; Siegfried Krassnitzer
Original assignee: Oerlikon Trading AG Truebbach
Current assignee: Oerlikon Surface Solutions AG Pfaeffikon
Priority date: 2013-07-03
Filing date: 2013-07-03
Publication date: 2015-01-08
Also published as: KR102274485B1; BR112015032156B1; JP2016523315A; CA2916770C; PH12015502733B1; EP3017082A1; WO2015000577A1; US10636635B2; JP6652485B2; MX2015016869A; RU2016103234A; CN105283577A; CA2916770A1; KR20160029081A; US20160172166A1; PH12015502733A1; MY186272A; IL243137B; SG11201510190YA; HK1214309A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung eines Targets mit einer Komponente welche einen Kühlkanal umfasst und einer weiteren wärmeleitfähigen Platte welche lösbar mit der Kühlseite der Komponente verbunden ist, wobei die Kühlseite diejenige ist auf der der Kühlkanal seine Wirkung entfaltet, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der weiteren wärmeleitfähigen Platte und der Kühlseite der Komponente eine erste selbstklebende Karbonfolie vorgesehen ist, welche grossflächig selbstklebend auf die eine Seite der weiteren wärmeleitfähige Platte geklebt ist, die der Kühlseite zugewandt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Target, dessen Oberfläche als Materialquelle im Rahmen von PVD Verfahren, insbesondere unter Vakuumbedingungen dient. Die Erfindung betrifft insbesondere solche Targets welche für das Sputtering (im Folgenden wird der Begriff „Sputtering” gleichbedeutend mit dem PVD Verfahren „Zerstäuben” verwendet). Ein solches Target wird in der Anwendung meist von einer Quellenhalterung gehaltert, in der Mittel zur Kühlung des vorgesehen sind. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Beschichtungsquelle welche ein solches Target umfasst.
Beim Sputtering wird unter Vakuumbedingungen die Oberfläche eines Targets mit Ionen bombardiert. Durch das Bombardement wird Material aus der Targetoberfläche herausgeschlagen, welches sich auf dafür vorgesehene, im Sichtfeld der Targetoberfläche platzierte Substrate ablegen kann. Die dafür benötigten Ionen werden durch ein über der Targetoberfläche aufgebautes Plasma bereitgestellt. Durch Anlegen einer negativen Spannung an das Target werden die Ionen zu diesem hin beschleunigt. Je mehr Ionen pro Zeiteinheit fliessen, umso höher wird die Beschichtungsrate. Je höher die an das Target angelegte Spannung ist, umso höher ist die Auftreffgeschwindigkeit der Ionen auf der Targetoberfläche und umso höherenergetisch ist das aus dem Target herausgeschlagene zerstäubte Material. Ein hoher Leistungseintrag ist daher wünschenswert. Ausserdem sind Abhängigkeiten zwischen Ionisationsgrad des zerstäubten Materials und der Leistungsdichte bekannt. Diese Effekte werden im HIPIMS Verfahren genutzt.
Die mittlere Leistungsdichte, die an ein solches Sputtertarget angelegt wird, liegt in der Regel im Bereich von 5 W/cm² bis 30 W/cm².
Sputtering ist allerdings eine PVD Beschichtungsmethode mit geringer Energie-Effizenz. Dies bedeutet, dass ein grosser Teil der bereitgestellten Energie im Target in Wärme umgesetzt wird und das Target sich erhitzt. Diese Wärme muss über eine Kühlung abgeführt werden. Hierfür gibt es gemäss Stand der Technik unterschiedliche Ansätze die im Folgenden kurz skizziert werden sollen.
a) direkt gekühltes Target
Bei einem direkt gekühlten Target 1 wie in 1 schematisch dargestellt wird die an der Targetoberfläche 3 in Wärme umgesetzte Leistung durch Wärmeleitung im Targetmaterial 5 zur Targetrückseite 7 geleitet. Die in einem Wasserkanal 9 fliessende Kühlflüssigkeit 11 kann den Wärmefluss entsprechend deren Wärmekapazität und den Strömumgsverhältnissen abführen. Es besteht ein sehr guter direkter Wärmekontakt zwischen Targetrückseite 7 und der Kühlflüssigkeit 11. In diesem Fall ist es allerdings notwendig, das Target z. B. über Schrauben 13 an den Grundkörper 15 anzubinden. Ausserdem muss eine Dichtung 17 vorgesehen werden, welche das Vakuum gegenüber der Kühlflüssigkeit 11, beispielsweise Wasser, abdichtet. In 1 sind ausserdem elektrische Zuleitungen 6 skizziert. Ansonsten ist die Zeichnung lediglich eine schematische Zeichnung. Weitere Komponenten beispielsweise zur Vakuumerzeugung, Isolation, Zuführung und Abführung der Kühlflüssigkeit sind dem Experten bekannt und auf ihre Darstellung wurde hier verzichtet.
Dieses direkt gekühlte Target besticht zwar durch eine sehr gute Kühlleistung, hat aber wegen der Kühlmittel-Vakuum Dichtung und dem notwendigen Lösen des Wasser-Target Verbundes bei Targetwechsel entscheidende Nachteile. So besteht zum Beispiel die Gefahr, Kühlflüssigkeitslecks zu generieren. Diese Gefahr ist dann besonders gross, wenn ein häufiger Wechsel des Targetmaterials benötigt wird.
b) indirekt gekühltes Target
Bei einem indirekt gekühltem Target, wie in 2 dargestellt, wird das Target 201 mit seiner Rückseite 203 an einer Quellenhalterung 205 befestigt (z. B. geschraubt oder geklemmt) wobei in die Quellenhalterung 205 eine in sich geschlossene Kühlplatte 207 integriert ist. Die Kühlplatte 207 umfasst beispielsweise einen mit Kühlmittel durchflossenen Kühlkanal 209 über dessen bewegte Flüssigkeit die Wärme abgeführt wird.
In diesem Fall wird der Kühlflüssigkeitskanal durch eine massive fixe Abdeckung begrenzt. Das Target wird zum Zweck der Kühlung und der elektrischen Kontaktierung an diese Abdeckung zum Beispiel mit Schrauben am Umfang oder gegebenenfalls in der Mitte des Targets befestigt. Diese Methode führt unter anderem zu zwei Problemen:
Der Wärmeübergang wird durch die Oberfläche der Targetrückseite und die Oberfläche der Kühlplatte gebildet. Ohne besondere Massnahmen bilden diese beiden Oberflächen eine Grenzfläche, die stark von einer idealen glatten Kontaktpaarung abweicht. Eine solche Situation ist in 3 dargestellt. Der Wärmeübergang ist in diesem Fall stark reduziert und erweist sich als druckabhängig. Anpressdruck kann aber beispielsweise nur über die Befestigungsschrauben eingeleitet werden, d. h. der Wärmeübergang kann nur lokal verbessert werden.
Diese Situation kann durch Vorsehen einer Kontaktfolie zwischen den beiden Oberflächen verbessert werden. Diese kann z. B. aus Indium, Zinn, oder Graphit bestehen. Diese Folien können durch ihre Duktilität Unebenheiten zwischen der Targetrückseite und der Oberfläche der Kühlplatte ausgleichen. Ausserdem kann der Anpressdruck gleichmässiger über die Fläche aufgebracht werden.
Ein Nachteil dieser Methode ist, dass die Montage einer Kontaktfolie, insbesondere bei senkrecht montierten Targets, schwierig und umständlich ist. Dies ist besonders dann relevant, wenn es zu häufigen Wechsel des Targetmaterials kommt. Im Falle von Graphitfolien ist die laterale Wärmeleitfähigkeit zwar gut, die transversale Wärmeleitfähigkeit ist jedoch schlecht. Graphitfolien müssen daher einerseits dünn sein, damit deren schlechte transversale Wärmeleitfähigkeit den Kühlprozess nicht verhindern. Andererseits ist eine gewisse Foliendicke notwendig, um eine Beschädigung der Folie bei der Montage zu vermeiden. Es werden daher Graphitfolien mit einer Dicke nicht unter 0.5 mm verwendet.
Es besteht daher ein Bedürfnis nach einer verbesserten Kühlvorrichtung für Targets, die insbesondere das Wechseln des Targetmaterials gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen verbessert.
Die Erfindung beruht auf einer Weiterentwicklung der oben skizzierten indirekten Kühlvorrichtung. Erfindungsgemäss wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass an der Rückseite des Targetkörpers eine selbstklebende Karbonfolie in fixem Verbund mit dem Targetkörper angebracht wird. Die Folie kann bei nicht montiertem Targetkörper mit der Rückseite des Targetkörpers gleichmässig und ohne Zwischenräume verklebt werden. Ein sehr guter Wärmekontakt zwischen der Rückseite des Targetkörpers und der Karbonfolie ist somit gewährleistet. Der Targetkörper kann dann in einfacher Art und Weise an der Quellenhalterung montiert werden. Die am Target fixierte Karbonfolie hat nun zwischen der Oberfläche der Kühlplatte und der Rückseite des Targetkörpers die Wirkung einer Kontaktfolie.
Der Einsatz einer solchen selbstklebenden Karbonfolie ist im Bereich der Vakuumtechnologie nicht üblich. Da die für die Herstellung der selbstklebenden Karbonfolie verwendeten Kleber unter Vakuumbedingungen stark ausgasen und damit einen negativen Einfluss auf das Vakuum haben und die entsprechenden flüchtigen Bestandteile zur Kontamination der unter Vakuum zu behandelnden Substrate führt, kommen solche Substanzen nicht zum Einsatz.
Demgegenüber haben die Erfinder zu ihrem Erstaunen festgestellt, dass die selbstklebenden Folien, wie oben beschrieben eingesetzt, nicht merkbar die skizzierten nachteiligen Effekte haben. Eine diesbezügliche Erklärung könnte darin liegen, dass aufgrund des engen Kontaktes zur Rückseite der Targetoberfläche und aufgrund des Kontaktes der Karbonfolie zur Membran ein Ausgasen des Klebstoffs extrem verlangsamt und somit nicht relevant ist.
Die Erfindung wird nun im Detail mit Hilfe der Figuren und anhand verschiedener Ausführungsbeispiele erläutert.
1 zeigt eine herkömmliche Beschichtungsquelle mit direkter Kühlung.
2 zeigt eine herkömmliche Beschichtungsquelle mit indirekter Kühlung.
3 zeigt den begrenzten Wärmekontakt bei ein Beschichtungsquelle mit Kühlung gemäss 2.
4 zeigt im Querschnitt eine Ausführungsform des erfinderischen Targets mit angebrachter selbstklebender Karbonfolie.
5 zeigt das erfinderische Target integriert in eine Beschichtungsquelle mit indirekter Kühlung in einer ersten Ausführungsform.
6 zeigt das erfinderische Target integriert in eine Beschichtungsquelle in einer zweiten Ausführungsform.
Dementsprechend zeigt 4a ein Target 401, an dessen Targetrückseite 403 eine einseitig selbstklebende Karbon Folie 407 mit einer Dicke von zwischen 0.1 mm und weniger als 0.5 mm angebracht ist. Die bevorzugte und im Beispiel gewählte Dicke der Karbonfolie beträgt 0.125 mm. Im Beispiel wurde eine Kontaktfolie der Firma Kunze mit der Produktidentifikationnummer KU-CB1205-AV eingesetzt.
In 4 ebenfalls gezeigt ist ein genauerer Ausschnitt der Grenzfläche Targetrückseite und selbstklebende Karbonfolie. Die Karbonfolie umfasst dabei einen Klebefilm 409 welcher die Karbonfolie zur selbstklebenden Folie mach, sowie einen Karbonfilm 411.
Das Target gemäss 4 lässt sich gut in eine Beschichtungsquelle mit indirekter Kühlung integrieren, wie in 5 gezeigt: Das Target 501 mit selbstklebender Karbonfolie 507 wird mit den Schrauben 513 an die Vorderseite einer Quellenhalterung 505 fixiert, wobei in die Quellenhalterung ein Kühlplatte mit Kühlkanal 509 integriert ist und die Karbonfolie 507 auf die Rückseite 503 der Kühlplatte gepresst wird, wodurch ein guter Wärmekontakt zur Kühlplatten entsteht. Aufgrund der erfindungsgemässen Tatsache, dass die Karbonfolie auf die Targetrückseite aufgeklebt ist wird ein Targetwechsel sehr einfach, selbst wenn das Target in einer Beschichtungskammer vertikal montiert ist.
Eine verbesserte Variante der indirekten Kühlung ist die indirekte Kühlung mittels beweglicher Membrane, wie in 6 gezeigt. Der Aufbau ist ähnlich dem in der 5 skizzierten mit Target 601 mit selbstklebender Karbonfolie 607, Quellenhalterung 605, Kühlkanal 609, wobei allerdings diejenige Wand der Kühlplatte, welche den Kühlkanal 609 von der Karbonfolie 607 trennt, in dieser bevorzugten Ausführungsform als flexible Membrane 603 ausgebildet ist. Das Kühlmittel kann beispielsweise Wasser sein. Beim Targetwechsel ist kein Lösen einer Wasserdichtung notwendig. Wird das Target 601 auf der Quellenhalterung 605 durch geeignete Massnahmen fixiert (z. B. mittels Klammern 613 oder Schrauben) so wird aufgrund des im Kühlkanal 609 herrschenden hydrostatischen Drucks die Membrane 603 gleichförmig an die Targetrückseite und damit an die selbstklebende Karbonfolie 607 angedrückt und es kommt zu einem sehr guten, flächigen Wärmekontakt.

Dass dabei die selbstklebende Karbonfolie eine wesentliche Rolle spielt dokumentiert die folgende Tabelle 1 in eindrucksvoller Weise, bei der die Targettemperatur mit und ohne selbstklebende Karbonfolie für unterschiedliche Sputterleistungen und zwei verschiedene Materialzusammensetzungen verglichen wird: Tabelle 1

Nr	Target Typ	Karbonfolie	Sputterleistung	Targettemperatur
1	AlCr (70:30 at%)	Nein	5 KW	235°C
2	AlCr (70:30 at%)	Ja	5 KW	132°C
3	AlCr (70:30 at%)	Ja	7.5 KW	171C
4	AlCr (70:30 at%)	ja	10 KW	193°C
5	AlTi (67:33 at%)	ja	5 KW	138°C
6	AlTi (67:33 at%)	ja	7.5 KW	182°C

Ein Target ohne erfinderischer selbstklebender Karbonfolie wie in Messung Nr. 1 der Tabelle 1 kann aus mechanischen Gründen nur bis zu einer Sputterleistung von 2.5 kW sicher betrieben werden. Durch Verwendung eines erfindungsgemässen Targets mit selbstklebender Karbonfolie wird die Leistungsverträglichkeit mehr als verdoppelt.
Bei anderen Targetmaterialien, d. h. bei anderen AlTi bzw. AlCr Verhältnissen und auch bei reinen Aluminium, Titan und/oder Chromtargets zeigt sich qualitativ ein ähnliches Bild. Die vorliegende Erfindung zeigt eine besonders gute Wirkung wenn Targetdicken zwischen 6 mm und 18 mm verwendet werden. Bevorzugt liegt die Targetdicke zwischen 6 mm und 12 mm.
Gemäss einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Target 701 als Target mit selbstklebender Karbonfolie 705 auf der Targetrückseite 703 und Bajonett Profilierung 707 entsprechend 7 ausgeführt. Eine bevorzugte Beschichtungsquelle gemäss dieser Ausführungsform weisst die wie in Rahmen der 6 beschriebene indirekte Kühlung mit Membrane und die für die Bajonett-Fixierung notwendigen Gegenstücke auf. Dadurch wird ein hoher und homogener Anpressdruck ermöglicht. Diese bevorzugte Ausführungsform ist speziell im Zusammenhang mit pulvermetallurgischen Targets von besonderem Vorteil, weil diese ab einer Temperatur von 150°C mechanisch geschwächt werden und die thermische Ausdehnung steigt. Aufgrund der Reduktion der Targettemperatur und den durch die Bajonett-Fixierung gegebenen mechanischen Spielraum reduziert sich dieser thermische Stress erheblich. Für Chrom-Targets werden zum Beispiel Leistungsdichten bis 100 W/cm² möglich.
Es wurde ein Target offenbart, welches als Materialquelle für ein Abscheideverfahren aus der Gasphase ausgebildet ist mit einer Vorderseite und einer Rückseite, das dadurch gekennzeichnet ist, dass an der Rückseite eine selbstklebende Karbonfolie aufgeklebt ist.
Das Target kann als Materialquelle für ein Sputtering-Verfahren und/oder für ein Funkenverdampfungs-verfahren ausgebildet sein. Die Dicke der selbstklebenden Karbonfolie kann beispielsweise zwischen 0.125 mm und 0.5 mm betragen und bevorzugt eine Dicke von 0.125 mm aufweisen.
Es wurde eine Beschichtungsquelle umfassend ein wie oben beschriebenes Target offenbart, welches an einer Quellenhalterung angeordnet ist, in die eine indirekte Kühlung mit Kühlkanal integriert ist.
Bei der Beschichtungsquelle ist bevorzugt diejenige Wand, welche den Kühlkanal von der selbstklebenden Karbonfolie trennt, als flexible Membrane ausgebildet wodurch die selbstklebende Karbonfolie einen flächigen Kontakt mit der Membrane bildet.
Der Umfang des Targets der Beschichtungsquelle ist vorzugsweise so ausgebildet, dass er mit der Quellenhalterung in Form eines Bajonettverschlusses zusammenwirkt, wodurch ein hoher und homogener Anpressdruck verwirklicht ist.
Bei einer indirekt gekühlten Beschichtungsquelle wäre es auch möglich, die selbstklebende Karbonfolie an diejenige Wand zu kleben, welche den Kühlkanal von der Rückseite eines Targets trennt. Die gilt auch dann, wenn diese Wand als Membrane ausgebildet ist. Dies hätte allerdings den Nachteil, dass bei Beschädigung der Folie, diese von der Quellenhalterung umständlich entfernt und erneuert werden müsste. Ist die selbstklebende Karbonfolie dünn genug, so ist es auch möglich diese sowohl an der Targetrückseite als auch and derjenigen Wand anzubringen, welche den Kühlkanal von der Rückseite des Targets trennt.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist zwischen Target und derjenigen Komponente die einen Kühlkanal zum Abtransport der Wärme umfasst eine weitere Platte mit hoher Wärmeleitfähigkeit vorgesehen. Dies kann beispielsweise eine Molybdänplatte oder auch eine Kupferplatte sein. Die weitere Platte kann mit der den Kühlkanal umfassenden Komponente in lösbarem Kontakt sein. Wichtig ist wiederum, dass grossflächig ein sehr guter Wärmekontakt vorhanden ist. Erfindungsgemäss kann auf derjenigen Seite der weiteren Platte eine selbstklebende Karbonfolie vorgesehen sein. In diesem Fall ist es günstig, wenn auf der Targetrückseite wie oben beschrieben ebenfalls eine selbstklebende Karbonfolie vorgesehen ist. Vorzugsweise ist auf beiden Seiten der weiteren Platte eine selbstklebende Karbonfolie vorgesehen. Auf diese Weise wird grossflächig für einen guten Wärmekontakt sowohl targetseitig gesorgt und es wird für einen guten Wärmekontakt zur den Kühlkanal umfassenden Komponente gesorgt. Die so ausgebildete weitere Platte ist somit auf beiden Seiten mit selbstklebender Karbonfolie bedeckt. Diese weitere Platte kann ohne weiteres so dick gewählt werden, dass sie genügend Stabilität aufweist so dass das Handling beim Targetwechsel keinerlei Probleme bereitet. Diese Ausführungsform hat zudem den Vorteil dass keine teuren Bauteile wie zum Beispiel die Kühlkanalkomponente oder das Target mit Folie beklebt werden müssen. Zumindest wenn als weitere Platte Kupfer eingesetzt wird ist dies eine sehr kostengünstige Variante. Bei Beschädigung einer der beiden selbstklebenden Karbonfolien verursacht es nur geringe Kosten diese weitere Platte auszutauschen.
8 zeigt schematisch den entsprechende Aufbau dieser Ausführungsform. Gezeigt ist die Komponente 805 mit dem Kühlkanal 807 durch den die Wärme letztlich abgeführt wird. Auf ihr liegt die weitere, wärmeleitende Platte 803 auf deren eine Seite eine erste selbstklebende Karbonfolie 811 und auf deren anderen Seite eine zweite selbstklebende Karbonfolie 809 aufgeklebt ist. Auf dieser ist wiederum das Target 801 angeordnet.

Claims

Vorrichtung zur Kühlung eines Targets mit einer Komponente welche einen Kühlkanal umfasst und einer weiteren wärmeleitfähigen Platte welche lösbar mit der Kühlseite der Komponente verbunden ist, wobei die Kühlseite diejenige ist auf der der Kühlkanal seine Wirkung entfaltet, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der weiteren wärmeleitfähigen Platte und der Kühlseite der Komponente eine erste selbstklebende Karbonfolie vorgesehen ist, welche grossflächig selbstklebend auf die eine Seite der weiteren wärmeleitfähige Platte geklebt ist, die der Kühlseite zugewandt ist.
Vorrichtung zur Kühlung eines Targets nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der anderen Seite der weiteren wärmeleitfähigen Platte eine zweite selbstklebende Karbonfolie vorgesehen ist, welche grossflächig selbstklebend aufgeklebt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere wärmeleitfähige Platte Kupfer und/oder Molybdän umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere wärmeleitfähige Platte so dick gewählt ist, dass sie der oder den selbstklebenden Karbonfolien Stabilität für ein einfaches Handling verleiht.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere wärmeleitfähige Platte mindestens 3 Millimeter, vorzugweise mindestens 5 Millimeter und besonders bevorzugt mindestens 1 Zentimeter dick ist.
Target mit Kühlvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Target als Materialquelle für ein Sputtering-Verfahren und/oder für ein Funkenverdampfungsverfahren ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der selbstklebenden Karbonfolie zwischen 0.125 mm und weniger als 0.5 mm beträgt und bevorzugt eine Dicke von 0.125 mm aufweist.
Beschichtungsquelle umfassend ein Target mit einer Vorrichtung gemäss einer der vorangehenden Ansprüche.
Beschichtungsquelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Umfang des Targets mit der Quellenhalterung in Form eines Bajonettverschlusses zusammenwirkt, wodurch ein hoher und homogener Anpressdruck verwirklicht ist.