DE102013204132B4

DE102013204132B4 - Vorrichtung zur Anodenhalterung beim Magnetron-Sputtern

Info

Publication number: DE102013204132B4
Application number: DE102013204132.2A
Authority: DE
Inventors: Klaus Schneider; Thomas Achilles; Christine Maaz
Original assignee: Von Ardenne GmbH
Current assignee: Von Ardenne Asset GmbH and Co KG
Priority date: 2013-03-11
Filing date: 2013-03-11
Publication date: 2015-04-02
Anticipated expiration: 2033-03-12
Also published as: DE102013204132A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Anodenhalterung beim Magnetron-Sputtern in Vakuumbeschichtungsanlagen mit einem Magnetron mit einem Target als Kathode und mindestens einer als Ringelektrode ausgebildeten rohrförmigen Anode mit einer nach außen gerichteten Funktionsseite sowie einer über dem Magnetron und der Anode angeordneten Trägerplatte. Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anodenhalterung bereitzustellen, die die vorangegangenen genannten Anforderungen erfüllt. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Anode von einem Haltebügel mit einem Halteschenkel einseitig umfasst wird, wobei der Haltebügel auf der der Funktionsseite der Anode abgewandten Seite angeordnet ist und der Halteschenkel auf der der Trägerplatte abgewandten Seite der Anode die Anode über isolierende Halteelemente mit der Trägerplatte verbindet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Anodenhalterung beim Magnetron-Sputtern in Vakuumbeschichtungsanlagen mit einem Magnetron mit einem Target als Kathode und mindestens einer als Ringelektrode ausgebildeten rohrförmigen Anode mit einer nach außen gerichteten Funktionsseite sowie einer über dem Magnetron und der Anode angeordneten Trägerplatte.
In der Vakuumbeschichtungstechnik werden zur Abscheidung dünner Schichten Magnetron-Kathoden, planar oder zylindrisch, mit dem abzuscheidenden Material eingesetzt und entweder in einer reinen Edelgas-Atmosphäre oder in reaktiver Atmosphäre in einem Sputterprozess betrieben. Für die Funktionsweise des Sputterprozesses ist eine weitere Elektrode, die als Anode zur Erzeugung eines elektrischen Feldes betrieben wird, notwendig. Durch Stoßionisation der Atome des eingesetzten Inertgases bildet sich im Vakuumraum ein Plasma aus, in dem die negativ geladenen Elektronen und die positiv geladenen Gasionen durch das elektrische Feld in Richtung des Substrats bzw. des Targets beschleunigt werden. Dabei werden aus dem Target Atome herausgeschlagen, die auf dem Substrat kondensieren und eine Schicht bilden.
Bei einem Sputterprozess werden außer dem zu beschichtenden Substrat auch alle weiteren Flächen im Beschichtungsbereich mit dem Targetmaterial und eventuellen Reaktivprodukten beschichtet. Demzufolge werden auch die eingesetzten Anoden mit dem Targetmaterial beschichtet, so dass der Stromfluss zwischen Kathode und Anode behindert oder im Extremfall ganz unterbunden wird. Die unerwünschte Beschichtung der Anode führt, aufgrund der sich unterschiedlich ausbildenden Leitfähigkeiten, zu unterschiedlichen Stromdichten und damit Plasmaverteilungen, die zu Schichtdickenungleichmäßigkeiten auf dem zu beschichtenden Substrat führen.
Im bisherigen Stand der Technik werden, um den hohen Homogenitätsansprüchen gerecht zu werden, die Anoden oftmals als separate Teile mit definierter Geometrie in definierter Lage zur Magnetron-Kathode eingesetzt und positioniert ( DE 3427587 A1 , DE 195 15 088 A1 ).
Um den unerwünschten Beschichtungen entgegenzuwirken, wird in WO 2007/051461 A1 beispielsweise eine Doppel-Magnetron-Anordnung vorgestellt, bei der beide Targets im Wechsel als Anode und als Kathode betrieben werden. In der Kathodenphase wird die Oberfläche von den Rückbeschichtungen aus der Anodenphase gereinigt, so dass die Entladung immer eine unbeschichtete Anode vorfindet. Durch das Doppel-Magnetron kann zwar die zeitliche Stabilität der Schichtdickenabscheidung verbessert werden, allerdings verschlechtert sich die örtliche Schichtdickengleichmäßigkeit gegenüber einem Einzel-Magnetron.
Dieser Nachteil kann durch den Einsatz einer zusätzlichen Anode beseitigt werden, was in der Literatur als RAS/DAS (Redundant/Double-Anode-Sputtering) bezeichnet wird. Dabei wird das Magnetron immer als Kathode betrieben und die beiden Elektroden wechseln zeitlich ihre Polarität. Dadurch werden die Elektroden, d.h. Anoden, immer wieder gereinigt. Dieses Prinzip wird vor allem bei hochohmigen Targetmaterialien eingesetzt, da in diesem Fall die Leitfähigkeit der Anoden durch das Beschichten mit sehr schlecht leitfähigen Materialien sehr schnell zum Erliegen kommt.
Eine weitere Möglichkeit die Anode vor unerwünschter Beschichtung zu schützen, ist die Anode zu „verstecken“ ( WO 2007/051461 A1 , DE 3427587 A1 ). Dies erfolgt mit einer Abschirmung der Anoden gegenüber der Kathode, d.h. dem Magnetron mit dem Target.
Problematisch bei allen Systemen mit einer oder mehr rohrförmigen Anoden ist die Halterung der Anodenrohre.
Die Halterung der Anoden muss verschiedene Anforderungen erfüllen, um einen einwandfreien Betrieb zu gewährleisten. Beim Einsatz von zwei Anoden muss durch die Halterung die elektrische Trennung der Anodenrohre gewährleistet sein, wobei die Halterung selber kein Anodenpotential annehmen darf. Weiterhin muss die isolierende Verbindung zwischen Halterung und Anodenrohr vor prozessbedingter elektrisch leitfähiger Beschichtung dauerhaft geschützt werden. Um die Homogenität der Beschichtung nicht zu beeinflussen, darf die Halterung die Anodenfläche nur minimal abdecken. Außerdem muss eine wartungsfreundliche Demontage der Halterung gewährleistet sein, um eine regelmäßige Reinigung der Anodenrohre durchführen zu können. Dabei sind auch eine dauerhafte Haltefunktion, ohne zusätzliche Kräfte auf die Anodenrohre auszuüben und Justagemöglichkeiten, um fertigungsbedingte Maßabweichungen ausgleichen zu können, zu erfüllen.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anodenhalterung bereitzustellen, die die vorangegangenen genannten Anforderungen erfüllt.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Anode von einem Haltebügel mit einem Halteschenkel einseitig umfasst wird, wobei der Haltebügel auf der der Funktionsseite der Anode abgewandten Seite angeordnet ist und der Halteschenkel auf der der Trägerplatte abgewandten Seite der Anode die Anode über isolierende Halteelemente mit der Trägerplatte verbindet, wobei die Anodenhalterung als Stapelstecksystem ausgebildet, wobei die Halteelemente, die rohrförmigen Anoden, der Haltebügel mit dem Halteschenkel und das Klemmelement zusammensteckbar sind, wobei das Stapelstecksystem ausgehend von der Trägerplatte, aus dem Klemmelement, dem ersten Halteelement, einer ersten Ringanode, einem zweiten Halteelement, einer zweiten Ringanode und einem dritten Halteelement gebildet, wobei der Haltebügel mit dem Halteschenkel das Stapelstecksystem auf der der Funktionsseite der Anode abgewandten Seite einseitig umfasst und durch das Klemmelement mit der Trägerplatte verbunden wird. Dadurch ist ein flexibler Aufbau der Funktionselemente, wie die isolierenden Halteelemente und zumindest eine Anode, möglich, um beispielsweise eine wartungsfreundliche Demontage dieser Halterung und eine einfache Reinigung der Anodenrohre zur Verlängerung deren Lebensdauer durchführen zu können.
In einer besonderen Ausgestaltung der Vorrichtung können prinzipiell zwei Anoden zum Einsatz kommen, wobei die rohrförmigen Anoden übereinander, ringförmig um das Magnetron angeordnet sind.
In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind innerhalb der Halteelemente Isolatoren mittels Presspassung angeordnet, um eine elektrische Trennung zwischen dem Anodenrohr und den Halteelementen zu gewährleisten. Um diese Isolatoren dauerhaft vor prozessbedingter elektrisch leitfähiger Beschichtung zu schützen, sind schwer zugängliche Hinterschnitte an jedem Isolator ausgebildet. Um nur einen minimalen Bereich des Anodenrohres abzudecken, ist die Anode im Querschnitt an nur drei Punkten mit den umgebenden Halteelementen isolierend verbunden und der einseitige Haltebügel befindet sich auf der der Funktionsseite der Anode abgewandten Seite.
Eine Ausgestaltung der Vorrichtung sieht eine Kühlung der Anoden vor, indem in ihrem Inneren eine Kühlvorrichtung ausgebildet ist. Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht für eine kraftschlüssige Verbindung der Anodenhalterung mit der Trägerplatte ein Klemmelement zwischen der Trägerplatte und einem ersten Halteelement vor. Dabei erlaubt das Klemmelement eine horizontale Einstellmöglichkeit des Haltebügels mit dem Halteschenkel in Bezug auf die Trägerplatte und eine vertikale Einstellmöglichkeit durch eine stufenlose Haltebügelklemmung der Haltevorrichtung. Mit dieser Halterung wird gewährleistet, dass die Haltekraft durch die Rohrachse verläuft und keine unerwünschten seitlichen Kräfte auftreten. Außerdem werden Justagemöglichkeiten bereitgestellt, die fertigungsbedingte Maßabweichungen ausgleichen können.
Für die elektrische Entkoppelung der Anodenrohre und der Halteelemente voneinander sind integrierten Isolatoren in den Halteelementen ausgebildet.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Anodenhalterung mit der Trägerplatte elektrisch und mechanisch fest verbunden, und mit Massepotential beaufschlagt.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass das Magnetron für den Gleichstrombetrieb ausgebildet ist.
In einer Ausführungsform können die in den Halteelementen integrierten Isolatoren aus einer Keramik und die Halteelemente aus Aluminium bestehen.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Die zugehörigen Zeichnungen zeigen
1 Querschnitt durch den prinzipiellen Aufbau eines Magnetrons, hier eines Planarmagnetron mit Abschirmung.
2 Querschnitt der erfindungsgemäßen Anodenhalterung.
3 Seitenansicht der erfindungsgemäßen Anodenhalterung.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Anodenhalterung in einer Vakuumbeschichtungsanlage mit einem Planarmagnetron 1 mit zwei rohrförmigen Anoden 6, die übereinander, ringförmig um das Magnetron 1 angeordnet sind, eingesetzt. Dabei werden die Anodenrohre 6 von einem Haltebügel 3 mit einem Halteschenkel 4 einseitig umfasst, wobei der Haltebügel 4 auf der der Funktionsseite der Anode 6 abgewandten Seite angeordnet ist und der Halteschenkel 4 auf der der Trägerplatte 5 abgewandten Seite der Anoden 6 die Anoden 6 über isolierende 8 Halteelemente 7 mit der Trägerplatte 5 verbindet. Die Anodenrohre 6 und die Halteelemente 7 sind als Stapelstecksystem ausgebildet, um eine wartungsfreundliche Demontage der Halterung zur einfachen Reinigung der Anodenrohre, zu gewährleisten. Das Stapelstecksystem wird dabei ausgehend von der Trägerplatte 5, aus einem Klemmelement 9, einem ersten Halteelement 7, einer ersten Ringanode 6, einem zweiten Halteelement 7, einer zweiten Ringanode 6 und einem dritten Halteelement 7 gebildet, wobei der Haltebügel 3 mit dem Halteschenkel 4 das Stapelstecksystem auf der der Funktionsseite der Anode 6 abgewandten Seite einseitig umfasst und durch das Klemmelement 9 mit der Trägerplatte 5 kraftschlüssig verbunden wird. Die Isolatoren 8, welche mittels Presspassung in den Halteelementen 7 angeordnet sind, sind mit einer Anode 6 an drei Punkten verbunden und gewährleisten, dass keine unerwünschten seitlichen Kräfte auftreten, sondern die Haltekraft durch die Rohrachsen verläuft. Dabei können die Isolatoren 8 aus Keramik und die Halteelemente 7 aus Aluminium bestehen. Die Halterung selbst kann ca. 150 mm lang sein, wobei die Anodenrohre 6 einen Durchmesser von 30 mm besitzen und einen axialen Abstand von 50 mm aufweisen. Die Anoden 6 sowie die Halterung sind durch eine Abschirmung 10 von der Magnetron-Kathode 1 getrennt.
Bezugszeichenliste

1: Magnetron
2: Target
3: Haltebügel
4: Halteschenkel
5: Trägerplatte
6: Anodenrohr
7: Halteelement
8: Isolator
9: Klemmelement
10: Abschirmung

Claims

Vorrichtung zur Anodenhalterung beim Magnetron-Sputtern in Vakuumbeschichtungsanlagen mit einem Magnetron (1) mit einem Target (2) als Kathode und mindestens einer als Ringelektrode ausgebildeten rohrförmigen Anode (6) mit einer nach außen gerichteten Funktionsseite sowie einer über dem Magnetron (1) und der Anode (6) angeordneten Trägerplatte (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (6) von einem Haltebügel (3) mit einem Halteschenkel (4) einseitig umfasst wird, wobei der Haltebügel (3) auf der der Funktionsseite der Anode (6) abgewandten Seite angeordnet ist und der Halteschenkel (3) auf der der Trägerplatte (5) abgewandten Seite der Anode (6) die Anode über isolierende Halteelemente (7) mit der Trägerplatte (5) verbindet, wobei die Anodenhalterung als Stapelstecksystem derart ausgebildet ist, dass die Halteelemente (7), die rohrförmigen Anoden (6), der Haltebügel (3) mit dem Halteschenkel (4) und das Klemmelement (9) zusammensteckbar sind, wobei das Stapelstecksystem ausgehend von der Trägerplatte (5), aus dem Klemmelement (9), dem ersten Halteelement (7), einer ersten Ringanode (6), einem zweiten Halteelement (7), einer zweiten Ringanode (6) und einem dritten Halteelement (7) ausgebildet ist, wobei der Haltebügel (3) mit dem Halteschenkel (4) das Stapelstecksystem auf der der Funktionsseite der Anode (6) abgewandten Seite einseitig umfasst und durch das Klemmelement (9) mit der Trägerplatte (5) verbunden ist.
Vorrichtung zur Anodenhalterung beim Magnetron-Sputtern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei rohrförmige Anoden (6) übereinander, ringförmig um das Magnetron (1) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Halteelemente (7) Isolatoren (8) mittels Presspassung angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (6) im Querschnitt an drei Punkten mit den Halteelementen (7) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren der rohrförmigen Anode (6) eine Kühlvorrichtung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Klemmelement (9) zwischen der Trägerplatte (5) und einem ersten Halteelement (7) angeordnet ist und den Haltebügel (3) mit dem Halteschenkel (4) mit der Trägerplatte (5) kraftschlüssig verbindet.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (6) und die Halteelemente (7) durch die integrierten Isolatoren (8) elektrisch entkoppelt voneinander ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenhalterung mit der Trägerplatte (5) elektrisch und mechanisch fest verbunden ist und mit Massepotential beaufschlagt ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetron (1) für den Gleichstrombetrieb ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolatoren (8) aus Keramik bestehen.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteelemente (7) aus Aluminium mit eingesetzten Isolatoren bestehen.