DE19511946A1

DE19511946A1 - Vorrichtung zur Kathodenzerstäubung

Info

Publication number: DE19511946A1
Application number: DE1995111946
Authority: DE
Inventors: Peter Sauer
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: Oerlikon Deutschland Holding GmbH
Priority date: 1995-03-31
Filing date: 1995-03-31
Publication date: 1996-10-02
Anticipated expiration: 2015-04-01
Also published as: DE19511946C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Kathodenzerstäubung für die Beschichtung von Substra ten, wie ein eine Kunststoffoberfläche aufweisendes Substrat, mittels eines Plasmas in einer Vakuum-Prozeß kammer mit einer Zerstäubungskathode, die mit einem Joch und einem Doppel-Ringmagneten ausgestattet ist, demgegenüber das Substrat angeordnet ist.

Bei der Beschichtung von PMMA, also Plexiglas, tritt das Problem auf, daß gesputterte Schichten nicht haf ten, weil sich an der Oberfläche Olefine bilden, so daß z. B. Aluminium auf der Oberfläche nicht in der ge wünschten Weise haftet. Die bisher eingesetzten Metho den sind sehr aufwendig und teuer. Bei normalen Stan dardkathoden (ZPT-Kathoden) arbeitet man mit einem Magnetfeld (DE 36 03 534 A1), bei dem die Magnete auf dem äußeren Ring eine Polung NS und im mittleren Bereich eine Polung SN, SN aufweisen. Mit einer derar tigen Anordnung läßt sich Metall nur mit großem Aufwand auf einer PMMA-Oberfläche aufbringen. Um also eine dau erhafte Beschichtung erreichen zu können, muß ein zu sätzliches Prozeßgas, z. B. Helium, in die Vakuumkammer eingeleitet werden. Hierdurch treten zusätzliche Pro bleme auf, da mit entsprechend hohen Temperaturen gear beitet werden muß, so daß die Oberfläche des Substrats angeschmolzen werden kann, was zu Strukturveränderungen an der Oberfläche des Substrats führt. Es kann sich z. B. die sogenannte Orangenhaut bilden.

Demgemäß besteht die Erfindungsaufgabe darin, eine Vor richtung zur Kathodenzerstäubung für die Beschichtung von Substraten, wie ein eine Kunststoffoberfläche auf weisendes Substrat, mittels eines Plasmas in einer Vakuum-Prozeßkammer derart auszubilden, daß eine ein wandfreie Haftung der Metallschicht auf der Oberfläche des Substrats oder des PMMA ohne große thermische Be lastung sichergestellt wird.

Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß der äußere und der innere Ringmagnet derart geschaltet sind, daß sich die Polung der Ringmagnete auf der zum Joch hin zeigenden Seite und der zum Substrat hin ge richteten Seite oder umgekehrt befindet. Hierdurch wird erreicht, daß die Struktur der Oberfläche des Sub strats, insbesondere des PMMA, nicht oder fast nicht verändert oder derart beeinflußt wird, daß z. B. Farb veränderungen an der Oberfläche des Substrats oder an dere nicht gewünschte Strukturveränderungen, z. B. eine nicht gewünschte Oberflächenrauheit, wie sie bei einer CD nicht erwünscht ist, auftreten, wenn die Schicht auf der Oberfläche aufgebracht bzw. aufgesputtert ist.

Dazu ist es vorteilhaft, daß neben der gleichen Polung der Ringmagnete und nach gleicher Abstimmung der Ring magnete konzentrisch zum Target ein einziger theoreti scher Südpol bzw. Gesamt-Südpol gebildet wird.

Eine zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiterbil dung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, daß der theore tische Südpol des Gesamtmagnetfelds koaxial zur Mittel achse der Vorrichtung bzw. des Targets ausgerichtet ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteil haft, daß gegenüber dem Substrat ein einziger wirksamer Magnetfeldpol gebildet wird. Hierdurch wird verhindert, daß die Elektronen auf die Oberfläche des Substrats auftreffen, so daß sie direkt zur Anode hin abgelenkt werden. So wird keine zusätzliche Energie auf das Sub strat geleitet und eine haftfähige Metallschicht auf dem Substrat ohne thermische Belastung aufgebracht und somit eine Zerstörung der Oberfläche des Substrats ver mieden.

Ferner ist es vorteilhaft, daß koaxial zur Mittelachse des Substrats oder der gesamten Vorrichtung eine Metallplatte vorgesehen ist.

Von besonderer Bedeutung ist für die vorliegende Erfin dung, daß koaxial zur Mittelachse des Substrats oder der gesamten Vorrichtung eine magnetische Metallplatte vorgesehen ist, die aus Fe oder Ni bzw. aus einer Fe- Legierung oder einer Fe-Ni-Legierung besteht und die von innenliegenden Stegen begrenzt wird, oder daß der Durchmesser gleich oder kleiner ist als der Durchmes ser, auf dem die innenliegenden Stege des Ringmagneten verlaufen. Hierdurch wird sichergestellt, daß der zu sätzliche, sich normalerweise in der Mitte bildende Pol unterdrückt wird.

Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung ist es von Vorteil, daß die magnetische Platte mit ihrer in Richtung des Substrats zeigenden äußeren Oberfläche oder Targetoberfläche auf einer gleichen Querebene liegt wie Stirnseitenenden der Pol schuhe. Dadurch wird erreicht, daß der Magnetfeldein schluß um das Target konzentrisch ausgerichtet werden kann, wobei durch entsprechende Auslegung der beiden Ringmagnete die konzentrische Lage des einzigen theore tischen Südpols bestimmt wird.

Vorteilhaft ist es ferner, daß die Oberfläche der magnetischen Platte auf der einen Seite plan und auf der anderen, in Richtung des Substrats zeigenden Seite plan oder konvex bzw. pyramidenförmig ausgebildet ist.

Außerdem ist es vorteilhaft, daß zumindest zwei Plasma ringeinschlüsse auf der Oberfläche einer einzigen Kathode gebildet sind, wobei jeder Plasmaringeinschluß einen in Richtung dem Substrats zeigenden theoretischen Südpol aufweist. Diese bilden einen gemeinsamen einzi gen Südpol.

Hierzu ist es vorteilhaft, daß der äußere Ringmagnet stärker ausgelegt ist als der innere Ringmagnet. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß der theoretische Südpol, der koaxial zur Mittelachse der Vorrichtung ausgerichtet ist, konzentrisch auf der Targetoberfläche liegt.

Ferner ist es vorteilhaft, daß zur Bildung eines einzi gen Magnetpols die einzelnen Ringmagnete auf der Unter seite der Jochplatte vorgesehen sind.

Eine zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiterbil dung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, daß die einzel nen Ringmagnete aus mehreren Einzelmagneten gebildet sind und mit Bezug auf die Targetgröße und die konzen trische Ausrichtung des Südpols abgeglichen bzw. ent sprechend der Anzahl oder der Größe der Ringmagneten variiert werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteil haft, daß für den Sputtervorgang Argongas in die Pro zeßkammer eingelassen wird.

Wie zuvor beschrieben, ist es besonders vorteilhaft, daß die Anlagenmasse nicht auf eine Anode aufgeschaltet bzw. die Anode potentialfrei geschaltet ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es ferner vorteilhaft, daß der Abstand zwischen der Kathodenober fläche, dem Substrat und der Größe der Targetoberfläche 1 : 2, insbesondere 1 : 3 beträgt.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt, wobei bemerkt wird, daß alle Einzelmerkmale und alle Kombinationen von Einzel merkmalen erfindungswesentlich sind. Es zeigt:

Fig. 1 eine Zerstäubungskathode bzw. ein Dop pelring-Magnetron mit Anode, Substrat und Teilen der Kammerwand in Schnitt darstellung,

Fig. 2 eine ähnliche, jedoch schematische Dar stellung wie in Fig. 1, jedoch mit den beiden Plasmaringeinschlüssen und dem theoretischen Südpol S, wobei Teile der Zerstäubungskathode zur besseren Übersicht weggelassen wurden.

In der Zeichnung ist in Fig. 1 eine Vorrichtung 1 zur Kathodenzerstäubung dargestellt, die zur Beschichtung von Kunststoffoberflächen wie PMMA (Polymethylmethra crylat) bzw. zur Beschichtung von Compact Disks (CD) eingesetzt wird. Die CD erweist sich für digitale Informationen als Speichermedium mit hervorragenden Eigenschaften und ist im wesentlichen aus PMMA gebil det. Weil die mechanisch eingeprägte Information berührungslos mit einem Laser gelesen wird, ist eine dauerhafte Speicherung ohne Qualitätsverlust gegeben.

Technologische Basis für derartige CD′s ist die Dünn schicht-Technik. In einem Sputterprozeß werden die ge prägten Kunststoffscheiben mit einer Metallschicht, in vorteilhafter Weise mit einer sehr dünnen Aluminium schicht, überzogen. Die starke Reflexion dieser Schicht gewährleistet die einwandfreie optische Abtastung. Zur einwandfreien Aufbringung der Aluminiumschicht auf der PMMA-Oberfläche der CD bzw. des Substrats dient die vorteilhafte Ausbildung der nachstehend beschriebenen Vorrichtung.

In der Zeichnung ist mit 21 eine Kathodenwand einer ortsfesten Vakuumprozeßkammer für die Zerstäubungs kathode 1 bezeichnet. In einer ringförmigen Nut auf der Oberseite der Kammerwand 21 ist ein Vakuumdichtring 23 vorgesehen und in eine ringförmige Ausnehmung in der Kammerwand 21 eine Anode 17 eingelegt.

Eine Kathode 15 der Vorrichtung 1 zur Kathodenzerstäu bung besteht aus einem scheibenförmigen ferromagneti schen Joch 4 und einer Kühlplatte 18. Vor der Kühl platte 18 befindet sich das zu zerstäubende Target 8, während auf der Rückseite der Kühlplatte 18 ein Isola tor 22 vorgesehen ist, der an das Joch 4 anschließt. Vor der Kühlplatte 18 befindet sich das ringförmig aus gebildete Target 8. Das Target 8 ist koaxial zu einer Mittelachse 7 ausgerichtet.

Das Joch 4, der Isolator 22 und die Kühlplatte 18 wer den durch Schrauben 19 zusammengehalten, wobei jedoch die Schrauben 19 gegen das Joch 4 durch einen Isola tor 22 isoliert sind und die Schraube 19 durch ein Ka bel 20 mit einer nicht gezeigten Sputterstromversorgung verbunden ist.

An der Unterseite des Jochs 4 befindet sich ein äußerer Ringmagnet 5 und ein innerer Ringmagnet 6, die eben falls konzentrisch zur Mittelachse 7 ausgerichtet sind.

Auf demselben Kreisdurchmesser wie die beiden Ring magneten 5 und 6 liegen auch die Verlängerung bzw. die Polschuhe 14. Der Polschuh 14 ist als äußerer Ringpol schuh ausgebildet und ein Polschuh 14′ als innerer Ringpolschuh.

An der Stirnseite der Polschuhe 14 und 14′ befindet sich ein Kühlring 24, der einen ringförmigen Kühlwas serkanal 25 aufweist und mittels Schrauben 26 mit den Polschuhen 14, 14′ verbunden ist. Ein Kühlwasser anschluß 27 versorgt den Kühlwasserkanal 25 mit der er forderlichen Kühlflüssigkeit. Auf der Rückseite des Jochs 4 kann ein zweiter Kühlwasserringanschluß 28 vor gesehen sein, der zur Versorgung der Kühlplatte 18 dient.

Im radial innenliegenden Bereich der Kathode 15 kann eine in der Zeichnung nicht dargestellte Axialbohrung vorgesehen sein, welche von der Rückseite des Jochs 4 bis zur Vorderseite des Targets 8 durchgehend ausge führt ist. In diese durchgehende Axialbohrung ist von der Targetseite her eine in der Zeichnung nicht darge stellte Schraube eingesetzt, welche mit der Unterseite ihres Schraubenkopfes auf einer kreisringförmigen Anla gefläche des Targets 8 aufliegt und mit der Kühl platte 18 verschraubt ist. An der Unterseite der in der Zeichnung nicht dargestellten Schraube kann ein Sub strat 2 angeordnet werden.

Das Substrat 2 liegt gegen die unteren Enden der An ode 17 an.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, besteht die erfindungs gemäße Vorrichtung aus dem äußeren und dem inneren Ringmagneten 5 und 6, die derart geschaltet sind, daß sich die Polung der Ringmagnete 5 und 6 auf der zum Joch 4 hin zeigenden Seite N (Nordpol) und der zum Sub strat hin gerichteten Seite S (Südpol) oder umgekehrt befindet. Hierdurch erhält man zwei getrennte Plasma ringeinschlüsse, die in Fig. 2 mit 16 gekennzeichnet sind. Durch die beiden konzentrisch zu den Targets 8 angeordneten Plasmaringeinschlüsse 16 wird verhindert, daß die Elektronen auf die Oberfläche des Substrats 2 auftreffen, und es wird sichergestellt, daß sie direkt zur Anode 17 abgelenkt werden. So wird keine zusätz liche Energie auf das Substrat 2 geleitet, und beim Aufsputtern der Metallschicht, beispielsweise der Alu miniumschicht, auf das Substrat 2 werden die Elektronen zur Anode 17 hin abgelenkt. Dadurch wird die Metall schicht ohne große thermische Belastung auf die Ober fläche des Substrats 2 bzw. der PMMA-Schicht aufge bracht.

Die beiden Ringmagneten 5 und 6 können aus einzelnen Ringmagnetelementen gebildet sein, so daß sie mit Bezug auf die Targetgröße und die konzentrische Ausrichtung des einzigen Südpols S abgeglichen werden können. Hierzu kann die Anzahl der Ringmagneten entsprechend variiert werden.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist koaxial zur Mittel achse 7 auf den unteren Enden des Ringmagneten 6 bzw. der Polschuhe 14, 14′ eine Metallplatte 10 vorgesehen. Die Metallplatte 10 kann aus Fe oder Ni oder aus einer Fe-Ni-Legierung bestehen. Durch die Metallplatte 10 wird sichergestellt, daß der sich normalerweise zusätz lich in der Mitte befindende Pol unterdrückt wird und ein einziger theoretischer Südpol S mit Bezug auf die Substratoberfläche gebildet wird.

Die magnetische Platte 10 kann mit ihrer in Richtung des Substrats 2 zeigenden äußeren Oberfläche 11 oder Targetoberfläche auf einem gleichen Querebene 9 liegen wie Stirnenden 32 der Polschuhe 14, 14′.

Weiter ist es möglich, daß eine Seite der magnetischen Platte 10 plan und die andere in Richtung des Sub strats 2 zeigende Seite plan, konvex bzw. pyramidenför mig ausgebildet ist.

Die beiden Plasmaringeinschlüsse 16 sind auf der einzi gen Oberfläche der Kathode gebildet, wobei ein jeder Plasmaringeinschluß 16 einen in Richtung des Substrats zeigenden theoretischen Südpol S₁ und S₂ aufweist. Diese Südpole S₁ und S₂ bilden den theoretischen Süd pol S. Um dies zu erreichen, ist der äußere Ringma gnet 5 stärker ausgelegt als der innere Ringmagnet 6, so daß die Plasmaringeinschlüsse 16 mit Bezug auf die Mittelachse 7 nicht hin und her wandern.

Ferner ist es vorteilhaft, daß zur Bildung eines einzi gen Magnetpols S die einzelnen Ringmagnete 5 und 6 auf der Unterseite der Jochplatte 4 vorgesehen sind. Durch die vorteilhafte Anordnung der einzelnen Ringmagnete des Doppelring-Magnetrons läßt sich für den Sputtervor gang Argongas einsetzen. Dadurch wird der Prozeßablauf wesentlich verbessert und auch eine zu hohe thermische Belastung des Substrats 2 vermieden.

Vorteilhaft ist es auch, daß die Anlagenmasse der Vor richtung nicht auf die Anode 17 geschaltet ist, d. h. die Anode ist potentialfrei geschaltet.

Der Abstand zwischen der Kathodenoberfläche des Sub strats 2 und der Größe der Targetoberfläche kann das Verhältnis 1 : 3 aufweisen.

Das Prozeßgas bzw. das Argon wird in eine Vakuumprozeß kammer 3 über eine in der Zeichnung nicht dargestellte Öffnung eingelassen.

Bezugszeichenliste

1 Vorrichtung zur Kathodenzerstäubung, Zerstäubungskathode
2 Substrat, Kunststoffoberfläche aufweisendes Substrat, optische, magnetoptische Datenspeicher CD, Kunststoff wie PMMA =Polymethylmethracrylat, (Plexiglas)
3 Vakuum-Prozeßkammer
4 Joch, Jochplatte
5 äußerer Ringmagnet
6 innerer Ringmagnet
7 Mittelachse
8 Target
9 Querebene
10 magnetische Platte
11 Oberfläche
12 Stirnseitenende
13 Targetoberfläche
14 Polschuh
14′ innerer Polschuh
15 Kathode
16 Plasmaringeinschluß
17 Anode
18 Kühlplatte
19 Schraube
20 Kabel
21 Kammerwand, Kathodenwand
22 Isolator
23 Vakuumdichtring
24 Kühlring
25 Kühlwasserkanal
26 Schraube
27 Kühlwasseranschluß
28 Kühlwasserringanschluß
29 Steg
32 Stirnende Polschuhe
A Abstand zwischen Target und Substrat
D Durchmesser der Platte 10

Claims

1. Vorrichtung zur Kathodenzerstäubung für die Beschichtung von Substraten (2), wie ein eine Kunststoffoberfläche aufweisendes Substrat (2), mittels eines Plasmas in einer Vakuum-Prozeßkam mer (3) mit einer Zerstäubungskathode (1), die mit einem Joch (4) und einem Doppel-Ringmagne ten (5, 6) ausgestattet ist, demgegenüber das Substrat (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeich net, daß der äußere und der innere Ringmagnet (5, 6) derart geschaltet sind, daß sich die Polung der Ringmagnete (5, 6) auf der zum Joch (4) hin zeigenden Seite (N) und der zum Substrat hin ge richteten Seite (S) oder umgekehrt befindet.

2. Vorrichtung zur Kathodenzerstäubung nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben der gleichen Polung der Ringmagnete (5, 6) und nach gleicher Abstimmung der Ringmagnete (5, 6) kon zentrisch zum Target ein einziger theoretischer Südpol (S) bzw. Gesamt-Südpol gebildet wird.

3. Vorrichtung zur Kathodenzerstäubung nach An spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der theoretische Südpol (S) des Gesamtmagnetfelds koaxial zur Mittelachse (7) der Vorrichtung bzw. des Targets (8) ausgerichtet ist.

4. Vorrichtung zur Kathodenzerstäubung nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gegenüber dem Substrat (2) ein einziger wirksamer Magnet feldpol (S) gebildet wird.

5. Vorrichtung zur Kathodenzerstäubung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß koaxial zur Mittel achse (7) des Substrats (2) oder der gesamten Vorrichtung (1) eine Metallplatte (10) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung zur Kathodenzerstäubung nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß koaxial zur Mittelachse (7) des Substrats (2) oder der ge samten Vorrichtung (1) eine magnetische Metall platte (10) vorgesehen ist, die aus Fe oder Ni bzw. aus einer Fe-Legierung oder einer Fe-Ni- Legierung besteht und die von innenliegenden Ste gen (29) begrenzt wird, oder daß der Durchmes ser (D) gleich oder kleiner ist als der Durchmes ser, auf dem die innenliegenden Stege (29) des Ringmagneten (6) verlaufen.

7. Vorrichtung zur Kathodenzerstäubung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die magnetische Platte (10) mit ihrer in Richtung des Sub strats (2) zeigenden äußeren Oberfläche (11) oder Targetoberfläche auf einer gleichen Querebene (9) liegt wie Stirnseitenenden (32) der Pol schuhe (14).

8. Vorrichtung zur Kathodenzerstäubung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der ma gnetischen Platte (10) auf der einen Seite plan und auf der anderen, in Richtung des Sub strats (2) zeigenden Seite plan oder konvex bzw. pyramidenförmig ausgebildet ist.

9. Vorrichtung zur Kathodenzerstäubung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß zumindest zwei Plasma ringeinschlüsse (16) auf der Oberfläche einer einzigen Kathode (15) gebildet sind, wobei jeder Plasmaringeinschluß einen in Richtung des Sub strats (2) zeigenden theoretischen Südpol (S₁ und S₂) aufweist.

10. Vorrichtung zur Kathodenzerstäubung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der äußere Ring magnet (5) stärker ausgelegt ist als der innere Ringmagnet (6).

11. Vorrichtung zur Kathodenzerstäubung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines ein zigen Magnetpols (S) die einzelnen Ringma gnete (5, 6) auf der Unterseite der Joch platte (4) vorgesehen sind.

12. Vorrichtung zur Kathodenzerstäubung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die einzelnen Ringma gnete (5, 6) aus mehreren Einzelmagneten gebildet sind und mit Bezug auf die Targetgröße und die konzentrische Ausrichtung des Südpols (S) abge glichen bzw. entsprechend der Anzahl oder der Größe der Ringmagneten variiert werden.

13. Vorrichtung zur Kathodenzerstäubung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß für den Sputtervorgang Argongas in die Prozeßkammer eingelassen wird.

14. Vorrichtung zur Kathodenzerstäubung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Anlagenmasse nicht auf eine Anode (17) aufgeschaltet bzw. die Anode potentialfrei geschaltet ist.

15. Vorrichtung zur Kathodenzerstäubung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Abstand (A) zwi schen der Kathodenoberfläche, dem Substrat (2) und der Größe der Targetoberfläche 1 : 3 beträgt.