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Die Erfindung betrifft das Magnetsystem eines Rohrmagnetrons, welches zum Magnetronsputtern verwendet wird. Das Magnetsystem umfasst eine Magnetjochanordnung, welche die Magnetanordnung des Rohrmagnetrons im Rohrtarget hält. Die Erfindung betrifft auch ein Rohrmagnetron, welches ein solches Magnetsystem aufweist.
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Beim Magnetronsputtern wird im Prozessgas zwischen einem zu beschichtenden Substrat und einer Magnetronkathode ein Plasma gezündet, dessen positive Ladungsträger durch den sogenannten Sputtereffekt die oberen Schichten einer die Magnetronkathode bedeckenden, dem Substrat zugewandten Targetoberfläche abtragen wird, so dass sich das in der Dampfphase befindliche Material auf dem Substrat niederschlägt. Es gibt verschiedene Magnetrontargets, Planartargets und Rohrtargets. Letztere gestatten bekanntermaßen stabile Beschichtungsprozesse mit hoher Targetauslastung und sind insbesondere zum Beschichten von großflächigen Substraten oder zur kontinuierlichen Beschichtung geeignet.
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Zur Unterstützung der Plasmabildung wie auch der Beschleunigung der Ionen auf die Targetoberfläche ist auf der dem Plasma abgewandten Seite des Targets ein Magnetsystem mit nebeneinander liegenden Magneten örtlich wechselnder Polung angeordnet. Bekanntermaßen besteht ein solches, zum Magnetronsputtern eingesetztes Magnetsystem aus einem zentralen, parallel zur Achse des Rohrtargets und damit des Rohrmagnetrons verlaufenden Magnetpol, den ein zweiter, entgegengesetzter Magnetpol ringförmig umgibt.
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Aufgrund des sich dadurch als Ring ausbildenden, tunnelförmigen Magnetfeldes wird das Plasma im Wesentlichen auf diesen Bereich begrenzt und infolge dessen das Targetmaterial über dem Spalt zwischen zwei Magnetpolen, wo die Magnetfeldlinien parallel zur Targetoberfläche verlaufen, in besonderem Maße abgetragen, so dass sich in diesem Bereich ein ringförmiger Sputtergraben ausbildet. Dieser wird auch als Racetrack bezeichnet. Der örtliche Verlauf des magnetisch geführten, in sich geschlossenen Plasmarings korreliert mit der Erosion des Targetmaterials.
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Rohrtargets umfassen eine zylinderförmige Kathode, die um ihre Längsachse drehbar ist. Die Mantelflächen dieser Rohrkathoden bestehen aus sputterbarem Targetmaterial, wobei das Targetmaterial entweder als rohrförmiges Target ausgebildet sein kann, so dass der Zylinder der Rohrkathode vollständig aus dem zu sputterndem Material besteht, oder die Rohrkathoden bestehen aus einem Trägerrohr, welches mit dem zu sputterndem Material beschichtet ist. Im Betrieb wird das Rohrtarget zur Kühlung von einem Kühlmittel durchflossen.
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Das Magnetsystem, auch als Magnetbar bezeichnet, ist im Innenraum des Rohrtargets angeordnet und erstreckt sich über dessen gesamte Länge. Infolge dessen bildet sich ein parallel zur Längsachse des Rohrtargets verlaufendes und sich über dessen gesamte Länge erstreckendes Racetrack aus. Das Rohrtarget ist bezogen auf das Magnetsystem drehbar, so dass sich im Beschichtungsbetrieb das Rohrtarget drehen kann, während das Magnetsystem gleichbleibend in der Beschichtungskammer ausgerichtet ist.
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Durch eine gleichförmige Rotation der Rohrtargets bei stationärem Magnetfeld durchläuft die gesamte zylindrische Targetoberfläche den Racetrackbereich und es wird eine gleichmäßige Erosion des Targetmaterials erzielt. In einigen Ausführungen ist die Winkeleinstellung des Magnetsystems in Bezug auf das Substrat und/oder der Magnete des Magnetsystems relativ zueinander variierbar, um beispielsweise die Plasmaverteilung zu beeinflussen.
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Mitunter sind die Magnete eines Magnetsystems in ihrer parallel zur Achse des Rohrtargets verlaufenden Längsausdehnung segmentiert ausgeführt. Ist das Magnetjoch ebenfalls segmentiert, können die Magnetjochsegmente fest oder beweglich ausgebildet sein, bevorzugt unabhängig voneinander beweglich, wobei die Segmentierung der Magnete zumindest mit den separat beweglichen Magnetjochsegmenten korrespondiert. Die Bewegung der Magnetsegmente erfolgt bevorzugt radial.
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Nachfolgend werden die Magnetjochs des Magnetsystems und deren Magnetjochsegmente auch als Magnetjochanordnung sowie die Magnete und deren Magnetsegmente als Magnetanordnung bezeichnet.
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Segmentierte Magnete weisen mitunter Inhomogenitäten des Magnetfelds am Rohrmagnetron auf, die durch unterschiedlich große Lücken zwischen den Magnetsegmenten einer Reihe bestehen und die beispielsweise durch Montage- und/oder Fertigungstoleranzen und/oder zwischen einzelnen Segmenten eines segmentierten Magnets mit unabhängig voneinander beweglichen Magnetjochsegmenten beruhen. Die Inhomogenitäten des Magnetfelds, wirken sich negativ auf die erreichbare Schichthomogenität auf dem zu beschichtenden Substrat aus. Die Anforderungen an die Schichthomogenität steigen ständig und liegen üblicherweise, z.B. bei optischen Schichten wie Bandfilter o. ä., unterhalb von +/- 1 %.
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Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, ein Magnetsystem anzugeben, welches Magnete aufweist, die bevorzugt segmentiert sind, und welches die Möglichkeit bietet, Inhomogenitäten des Magnetfelds auszugleichen oder zumindest zu vermindern. Bevorzugt soll die Beweglichkeit der Magnetsegmente mittels der Magnetjochsegmente erhalten bleiben.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Anordnung zumindest der Magnetanordnung, optional einschließlich eines Trägers, welcher die Magnetjochanordnung hält, in einer Umkapselung, beispielsweise einem Hüllrohr. Die Umkapselung umschließt die Magnetjoch- und die Magnetanordnung wasserdicht.
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Alternative Ausführungen zum Hüllrohr, die eine vergleichbare wassergeschützte Kapselung der Magnete gegebenenfalls einschließlich des Trägers realisieren, sind möglich.
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Eine solche gekapselte Magnetanordnung gestattet eine Bündelung und Homogenisierung des Magnetfeldes mittels magnetischer Shuntblechstreifen, welche vorteilhaft über den Magneten oder den Magnetsegmenten der Magnetanordnung angeordnet sind.
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Der Begriff „über“ ist auf die Befestigung der Magnetanordnung auf der Magnetjochanordnung bezogen und bezeichnet jene Oberflächen der Magnete der Magnetanordnung, welche der Verbindungsfläche(n) zur Magnetjochanordnung gegenüber liegt und damit dem erzeugenden Plasmabereich zugewandt ist.
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Der Bezug einer geometrischen Größe, wie Länge, Breite oder radiale Richtung, wird nachfolgend, wenn nicht anders benannt, stets auf die Achse des Rohrtargets genommen, in welchem das Magnetsystem regelmäßig angeordnet wird. Diese Achse liegt augenscheinlich stets parallel zur Achse des zentralen Magnets, wodurch die Bezugnahme auch auf dessen Achse vornehmbar ist.
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Die Umkapselung erfüllt in Bezug auf die Shuntblechstreifen mehrere Funktionen. Insbesondere schützt sie die Shuntblechstreifen vor dem Kühlmittel des Rohrtargets und kann für die Halterung der Shuntblechstreifen zur Verfügung stehen. Damit können die Shuntblechstreifen sehr variabel ausgebildet und positioniert werden, womit eine gezielte Abstimmung auf die Eigenschaften der Magnetanordnung und eine effektive Beeinflussung des Magnetfelds möglich sind.
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Die Shuntblechstreifen können mit oder ohne Abstand über den Magneten angeordnet sein, Ein Abstand der Shuntblechstreifen zu den Magneten kann auf verschiedene Weise realisiert sein. Beispielsweise können die Shuntblechstreifen mit einer nichtmagnetischen Zwischenlage auf den Magneten oder den Magnetsegmenten der Magnetanordnung montiert sein. Alternativ können die Shuntblechstreifen über den Magneten direkt oder indirekt auf der Innenwandung der Umkapselung montiert sein. Beide Varianten, Montage am Magnet oder der Umkapselung, gestatten die Einstellung eines Abstandes gewünschten Abstandes zu den Magneten.
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Der für ein durchzuführendes Verfahren benötigte Abstand eines Shuntblechstreifens zum Magnet wird durch verschiedene Prozessparameter, wie beispielsweise der Targetdicke, dem Targetmaterial, der Plasmadichte und anderen, bestimmt und ist durch Versuche oder Simulationen ermittelbar.
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Die Shuntblechstreifen können mit verschiedenen Mitteln auf oder über den Magneten montiert sein. Sie können beispielsweise gelötet, geklebt, geschraubt oder auf andere Weise befestigt sein. Bevorzugt sind die Shuntblechstreifen in Segmenten montiert, welche mit den separat voneinander beweglichen Magnetjochsegmenten korrespondieren können.
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Die Montage der Shuntblechstreifen an der Verkapselung unterstützt ebenfalls, dass ein möglicher Höhenversatz der Magnetsegmente durch verschieden hoch eingestellte Magnetjochsegmente kein Hindernis darstellt. Hinzu kommt, dass in dieser Ausführung die Bündelung des Magnetfeldes näher an der Wirkzone des für den Beschichtungsprozess erforderlichen Plasmas erfolgt.
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Die Shuntblechstreifen können grundsätzlich beliebige Grundrisse aufweisen, insbesondere wenn diese an der Umkapselung montiert sind, sofern deren Zugehörigkeit zu einem Magnet anhand ihrer Breite, rechtwinklig zur Achse des Rohrtargets gemessen, und ihrer Position eindeutig feststellbar und somit eine lokal definierte Beeinflussung des Magnetfeldes möglich ist. Bevorzugt haben die Shuntblechstreifen einen rechteckigen Grundriss, bevorzugt mit einer Länge, parallel zur Achse des Rohrtargets gemessen, die größer ist als die Breite des Streifens.
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Entsprechend einer Ausgestaltung ist die Länge jedes verwendeten Shuntblechstreifens geringer als die Längsausdehnung des längsten, äußeren, alternativ des kürzesten, zentralen, Magnets. Indem die Länge eines Shuntblechstreifens nur ein Bruchteil der Länge eines Magnets ist, kann die Beeinflussung des Magnetfelds auch mittels der Position entlang des Magnets erfolgen. Es können mehrere einzelne Streifen entlang eines Magnets angeordnet werden, wodurch nur bestimmte Teilbereiche der Magnete zur Verbesserung der Homogenität des Magnetfelds eingesetzt werden. Ergänzend oder alternativ zur Ausbildung der Shuntblechstreifen mit unterschiedlichen Längen können sie auch unterschiedliche Dicken aufweisen.
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Darüber hinaus kann ein Shuntblechstreifen einen Übergang von einem zum benachbarten Magnetsegment überlappen, wodurch eine noch so geringe Lücke zwischen zwei Magnetsegementen keinen oder deutlich geringen Einfluss auf die Homogenität des Magnetfeldes hat. Zu diesem Zweck wird ein Shuntblechstreifen über den Übergang zwischen zwei Magnetsegmenten montiert.
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Durch die Homogenisierung des Magnetfeldes und das wie zuvor beschrieben erreichbare Verschleifen der Lücken zwischen einzelnen Magneten und/oder Magnetsegmenten kann die Homogenität der abgeschiedenen Schicht deutlich verbessert werden und eine Schichthomogenität bis deutlich unter +/- 1 % stabil erreicht werden.
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Die zuvor beschriebene Homogenisierung des Magnetfelds mittels der Shuntblechstreifen kann in weiteren Ausführungsformen durch segmentierte Magnetjochs und Magnete ergänzt werden, insbesondere, wenn diese in radialer Richtung, bezogen auf die Achse des zentralen Magnets und damit des Rohrtargets, beweglich ausgebildet sind. Die zuvor beschriebenen Ausführungen der Shuntblechstreifen und deren Montage im Magnetsystem unterstützen eine solche Beweglichkeit der Magnetsegmente.
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Ein Rohrmagnetron gemäß einleitender Beschreibung zum Stand der Technik, welches ein Magnetsystem gemäß obiger Beschreibung verwendet, stellt für ein Sputterverfahren ein in einem breiten Bereich einstellbares und homogenisierbares Magnetfeld und damit verbunden eine in einem breiten Bereich einstellbare und homogenisierbare Plasmadichte zur Verfügung, so dass lokale Verteilung der Dicke und Eigenschaften einer mit dem Rohrmagnetron abzuscheidenden Schicht gezielt beeinflusst und homogenisiert werden kann.
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Durch die Verstärkung und für den Sputter-Prozess günstigere Ausrichtung des Magnetfeldes im Bereich des Target-Materials wird zudem eine höhere Ausnutzung des Targetmaterials und somit eine längere Beschichtungszeit bis zum nächsten erforderlichen Targetwechsel erreicht.
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Die Erfindung soll anhand verschiedener Ausgestaltung näher erläutert werden.
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Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in
- 1 eine Ausführung eines erfindungsgemäße Magnetsystems in einem Hüllrohr 1 in Schnittdarstellung,
- 2 eine alternative Ausgestaltung eines solchen Magnetsystems in Schnittdarstellung und
- 3 ein Rohrmagnetron unter Verwendung eines Magnetsystems gemäß 1 in Schnittdarstellung.
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Die Zeichnungen zeigen die Vorrichtung nur schematisch in dem Umfang, wie es zur Erläuterung der Erfindung erforderlich ist. Sie erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit oder Maßstäblichkeit.
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Die Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung nur beispielhaft und nicht beschränkend verdeutlichen. Der Fachmann würde die zuvor in den verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung und nachfolgend in dem Ausführungsbeispiel realisierten Merkmale in weiteren Ausführungsformen kombinieren soweit es ihm zweckdienlich und sinnvoll erscheint.
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Das Magnetsystem 8 gemäß 1 umfasst zwei nebeneinander liegende Magnete 2, ein zentrales und ein das zentrale Magnet 2 ringförmig umgebendes zweites Magnet 2. Die Magnete 2 können jeweils aus mehreren (in Blickrichtung hintereinander liegenden) Magnetsegmenten (nicht dargestellt) bestehen. Die Magnete 2 sind mittels eines geeigneten Formteils 5 zueinander beabstandet positioniert. Die Magnete 2 werden von einem Magnetjoch 3 gehalten, welches ebenfalls aus mehreren (in Blickrichtung hintereinander liegenden) Magnetjochsegmenten (nicht dargestellt) bestehen kann. Das Magnetjoch 3 ist mittels einer Magnetjochbefestigung 6 an einem Zentralrohr 7 montiert. Alternative Ausführungen der Magnetjochhalterung sind möglich.
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Das Magnetsystem 8 umfasst weiter eine Umkapselung 1, welche als allseitig geschlossenes Hüllrohr 8 ausgebildet ist und das Magnetjoch 3 sowie die Magnete 2 einschließlich der dazu gehörigen, oben beschriebenen Komponenten wasserdicht umschließt.
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Auf der Innenwandung des Hüllrohrs 1, jeweils im Zwischenraum zwischen einem Magnet 2 und dem Hüllrohr 1 sind Shuntblechstreifen 4 derart geklebt, dass jeweils ein Shuntblechstreifen 4 einem Magnet 2, beispielsweise mit einem Abstand zueinander, gegenüber liegt.
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Die Ausführung in 2 unterscheidet sich von der in 1 dadurch, dass die Shuntblechstreifen 4, der Wandung des Hüllrohres 1 gegenüber liegend, unmittelbar auf die Magnete 2 geklebt sind. Im Übrigen wird auf die Darlegungen zu 1 verwiesen.
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Alternative Ausführungen der Befestigung der Shuntblechstreifen 4 sind in beiden dargestellten Ausführungsformen möglich.
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3 zeigt die Anordnung eines Magnetsystems 8 gemäß 1 in einem Rohrmagnetron 10. Das Rohrmagnetron 10 umfasst eine zylindrische Rohrkathode 11, auf deren äußerer Mantelfläche ein Targetmaterial 12 gleichmäßig aufgebracht ist. Dessen Targetoberfläche 13 wird während des Sputterns infolge eines Ionenbeschusses abgetragen und in den dampfförmigen Zustand überführt. Die Rohrkathode 11 wird in Verbindung mit dem Targetmaterial 12 hier als Rohrtarget bezeichnet.
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Der Zwischenraum zwischen der Rohrkathode 11 und dem Hüllrohr 1 ist mit einem Kühlmittel 14 gefüllt.
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Das Magnetsystem 8 ist im Inneren der Rohrkathode 11 mittels geeigneter Halterungen (nicht dargestellt), die gleichzeitig der Versorgung des Rohrmagnetrons 10 mit Energie und Kühlmittel sowie der Drehung der Rohrkathode 11 dienen, konzentrisch angeordnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Umkapselung, Hüllrohr
- 2
- Magnet
- 3
- Magnetjoch
- 4
- Shuntblechstreifen
- 5
- Formteils
- 6
- Magnetjochbefestigung
- 7
- Zentralrohr
- 8
- Magnetsystem
- 10
- Rohrmagnetron
- 11
- Rohrkathode
- 12
- Targetmaterial
- 13
- Targetoberfläche
- 14
- Kühlmittel
