DE19750270A1 - Sputterkathode - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sputterkathode mit ei­ nem aus mindestens einem Teil gebildeten ebenen, plattenförmigen Target und mit einem hinter dem Target angeordneten wannen- oder topfförmigen Joch mit Mittelzapfen oder Mittelsteg und mit Magneten zur Erzeugung in sich geschlossener Tunnel aus bo­ genförmig gekrümmten Feldlinien vor der Targetflä­ che sowie mit in die Ebene zwischen dem Target und den dem Target zugekehrten Stirnflächen des Wan­ nen- oder Topfrandes des Jochs eingelegten Blech­ zuschnitten oder Gruppen von Teilzuschnitten aus magnetisch leitfähigem Material, wobei zwei dieser Blechzuschnitte oder Teilzuschnittgruppen den Be­ reich oberhalb der Stirnflächen des Wannen- oder Topfrandes und des Mittelzapfens oder Mittelstegs und weitere Blechzuschnitte oder die dritte Gruppe von Blechzuschnitten einen Teil des Bereichs zwi­ schen der Stirnfläche des Mittelzapfens oder Mit­ telstegs und der Stirnfläche des Wannenrandes ab­ decken.

Es ist eine Sputterkathode des in Frage stehenden Typs bekannt (US 4,865,708), bei der zwischen dem Target einerseits und dem Magnetjoch andererseits in der Ebene der Magnetreihen, und zwar unterhalb der Ebene der dem Target zugewandten vorderen Ma­ gnetflächen, ein Segment aus permeablem Werkstoff angeordnet ist, um den sich vor dem Target ausbil­ denden Tunnel aus gekrümmten Feldlinien konkav ab­ zulenken, um so einen breiteren Erosionsgraben am Target und damit eine höhere Targetstandzeit zu ermöglichen.

Weiterhin ist eine Sputterkathode vorgeschlagen worden (DE 196 22 606.6) mit einem Kathodengrund­ körper mit einem plattenförmigen Target sowie mit einem hinter dem Target angeordneten Magnetjoch mit zwei in oval er oder rechteckiger Konfiguration und koaxial zueinander in einer zur Target ebene parallelen Ebene angeordneten, geschlossenen Reihe von Magneten unterschiedlicher Polung, wobei in die Ebene zwischen dem Target und den dem Target zugekehrten Stirnflächen der Magnete Blechzu­ schnitte oder entsprechend konfigurierte Teilzu­ schnitte aus magnetisch leitfähigem Material ein­ gelegt sind, wobei zwei der Blechzuschnitt oder Teilzuschnitte eine rahmenförmige Konfiguration aufweisen, wobei jeweils die die zwei geraden Längspartien miteinander verbindenden, bogenförmi­ gen Abschnitte der Blechzuschnitte einen vom Kreisbogen abweichenden, beispielsweise einen el­ liptischen, parabelförmigen oder auch unregelmä­ ßig-bogenförmigen Kantenverlaufaufweisen, so daß jeweils der von zwei benachbarten, bogenförmigen Abschnitten gebildete Spalt einen unregelmäßigen Breitenverlauf aufweist.

Darüber hinaus ist eine Sputterkathode vorgeschla­ gen worden (DE 196 22 607.4) mit einem hinter dem Target angeordneten Magnetjoch mit zwei in ovaler oder in rechteckiger Konfiguration und koaxial zu­ einander in einer zur Target ebene parallelen Ebene angeordneten Reihe von Magneten mit drei in die Ebene zwischen dem Target und den dem Target zuge­ kehrten Stirnflächen der Magnete eingelegten Blechzuschnitten oder Gruppen von Teilzuschnitten, wobei zwei dieser Blechzuschnitte oder Teilzu­ schnittgruppen den Bereich oberhalb der Magnete und der dritte Blechzuschnitt oder die dritte Gruppe einen Teil des Bereichs zwischen den Magne­ treihen abdecken und alle Blechzuschnitte zusammen zwei sich etwa parallel der Magnetreihen erstrec­ kende Spalte bilden.

Schließlich ist eine Vorrichtung zur ferromagneti­ schen Schnellzerstäubung bekannt (DE 32 11 229), bei welcher in einer evakuierbaren Kammer ein Tar­ get aus ferromagnetischem Material, das als Katho­ de dient, sowie ein Substrat angeordnet sind und rückseitig vom Target eine Magnetfeld-Erzeugungs­ einrichtung vorgesehen ist, wobei das Target aus wenigstens zwei Segmenten aus ferromagnetischem Material besteht, die durch einen kleinen Spalt voneinander getrennt angeordnet sind. Diese be­ kannte Vorrichtung hat den Vorteil, daß an der Vorderseite des Targets ein magnetisches Streufeld erzeugt wird, durch das die Plasmadichte und die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung vergrößert wird. Außerdem ermöglicht die vorbekannte Vorrich­ tung eine dickere Bemessung des Targets, wodurch die Lebensdauer des Targets verlängert wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu­ grunde, die Magnete und die Segmente bzw. Blechzu­ schnitte so anzuordnen, daß sich zum einen flache und besonders breite Erosionsgräben während des Sputterbetriebs ausbilden und ein möglichst opti­ maler Targetabtrag erfolgt, und daß sich zum ande­ ren der Bereich zwischen den sich parallel er­ streckenden magnetischen Tunneln möglichst schmal ausbildet. Insbesondere aber soll die Erfindung den Aufbau eines großflächigen Targets mit beson­ ders hoher Standzeit ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei dieser Blechzuschnitte oder Teilzu­ schnittgruppen den Bereich oberhalb der Stirnflä­ chen des Wannen- oder Topfrandes und des Mittel­ zapfens oder Mittelstegs und weitere Blechzu­ schnitte oder die dritte Gruppe Teile des Bereichs zwischen der Stirnfläche des Mittelstegs oder Mit­ telzapfens und der Stirnfläche des Wannen- oder Topfrandes abdecken und alle Blechzuschnitte zu­ sammen sich etwa parallel der Stirnfläche des Wan­ nen- oder Topfrandes erstreckende, ring- oder rah­ menförmige Spalte miteinander bilden und die Ma­ gnete jeweils in den Jochboden einbezogen oder eingefügt sind, wobei die dem Target zu- und abge­ wandten Seitenflächen der Magnete etwa bündig mit dem Jochboden abschließen.

Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfin­ dung mit einem hinter dem Target angeordneten wan­ nen- oder topfförmigen Joch mit Mittelzapfen oder Mittelsteg und mit weiteren, den Mittelzapfen oder Mittelsteg umschließenden ring- oder rahmenförmi­ gen, am Boden des Jochs angeordneten Zwischenste­ gen und mit Magneten zur Erzeugung in sich ge­ schlossener Tunnel aus bogenförmig gekrümmten Feldlinien vor der Targetfläche sowie mit in die Ebene zwischen dem Target und der dem Target zuge­ kehrten Stirnfläche des Wannen- oder Topfrandes des Jochs eingelegten Blechzuschnitten oder Grup­ pen von Teilzuschnitten aus magnetisch leitfähigem Material decken Blechzuschnitte oder Teilzu­ schnittgruppen den Bereich oberhalb der Stirnflä­ chen des Wannen- oder Topfrandes, des Mittelzap­ fens oder Mittelstegs und der Zwischenstege weite­ re Blechzuschnitte oder weitere Gruppen Teile des Bereichs zwischen der Stirnfläche des Mittelstegs oder Mittelzapfens und der Stirnfläche des Wannen- oder Topfrandes und den Zwischenstegen ab, wobei alle Blechzuschnitte zusammen sich etwa parallel der Stirnfläche des Wannen- oder Topfrandes er­ streckende ring- oder rahmenförmige Spalte mit­ einander bilden und die Magnete jeweils in den Jochboden einbezogen oder eingefügt sind, wobei die dem Target zu- und abgewandten Seitenflächen der Magnete etwa bündig mit dem Jochboden ab­ schließen.

Weitere Merkmale und Einzelheiten sind in den Pa­ tentansprüchen näher beschrieben und gekennzeich­ net.

Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausfüh­ rungsmöglichkeiten zu; eine davon ist in den an­ hängenden Zeichnungen rein schematisch näher dar­ gestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 die eine Hälfte eine Kathode in perspek­ tivischer Ansicht, wobei das Target und die Blechzuschnitte nur als Fragmente dargestellt sind,

Fig. 2 die Draufsicht auf eine Kathode, bei der mehrere Reihen von Magneten in den Boden des wannenförmigen Jochs eingelassen sind, wobei jeweils unterhalb jedes Blechzuschnittes ein Steg bzw. Rahmen an­ geordnet ist und

Fig. 3 den Schnitt quer durch die Kathode gemäß Fig. 2, wobei das oberhalb des wannenför­ migen Jochs angeordnete Target nicht nä­ her dargestellt ist.

Die Sputterkathode gemäß Fig. 1 besteht aus einem wannenförmigen Kathodengrundkörper 2, in den ein ebenfalls wannenförmiges Joch 3 eingelegt ist, wo­ bei das Joch 3 einen die Vertiefung 4 im Joch in Längsrichtung aufteilenden Steg 5 aufweist, dessen Länge so bemessen ist, daß ein ovaler Kühlkanal 6 mit rechteckiger Querschnittsfläche gebildet wird, einer geschlossenen Reihe von würfelförmigen Per­ manentmagneten 7, . . ., die so in das Bodenteil 22 des Jochs 3 eingelassen sind, daß ihre jeweils dem oberhalb des Jochs 3 angeordneten Target 8 zu- und abgewandten Seitenflächen bündig mit der Bodenflä­ che 22 der Vertiefung 4 bzw. der Rückenfläche des Jochs 3 abschließen und vier zwischen dem Target 8 und dem Joch 3 eingelegten Blechzuschnitten 9, 10, 11, 12, von denen die drei konzentrisch zueinander vorgesehenen Blechzuschnitte 9, 10 und 11 als ovale Ringe und der mittlere als ein von den ringförmi­ gen Blechzuschnitten 9, 10, 11 umschlossener strei­ fenförmiger Blechzuschnitt 12 ausgebildet ist.

Oberhalb des Magnetjochs 3 mit seiner geschlosse­ nen Reihe von Magneten 7 ist das Target 8 angeord­ net, das üblicherweise auf seiner der Magnetreihe 7 zugekehrten Unterseite noch fest mit einer Tar­ getgrundplatte versehen ist (nicht näher darge­ stellt). Die zwischen der Targetunterseite bzw. der Targetgrundplatte einerseits und den oberen Seitenflächen des Wannenrandes 14 bzw. des Steges 5 andererseits eingelegten Blechzuschnitte 9, 10, 11, 12 können auch jeweils aus mehreren einzelnen Teilzuschnitten zusammengesetzt sein.

Die vier Blechzuschnitte 9, 10, 11, 12 schließen drei Spalte a, b, c zwischen sich ein, die auf ihrer ge­ samten Länge gleich breit bemessen oder aber sich verengend oder erweitert ausgebildet sein können. Je nach Spaltbreite a, b bzw. c werden die Feldli­ nien der Magnete 7, . . . mehr oder weniger stark abge­ lenkt, so daß geschlossene Tunnel aus Feldlinien gebildet werden, die abgeflacht sind und damit die Sputterrate insgesamt ausgleichen und die Target­ ausnutzung verbessern.

Standard-Magnetronkathoden, bestehend aus einer einfachen Magnetanordnung (zwei Magnetreihen, de­ ren Polarität gegenläufig ist), erzeugen in ihrem Target im allgemeinen einen spitz zulaufenden Sputtergraben. Dieser ist in der Regel um so schmaler, je tiefer er wird. Ein Vorteil der Er­ findung besteht darin, daß ein Magnetfeld geformt wird, das oberhalb der Targetoberfläche und im Target unterschiedlich ist. Das Feld oberhalb der Targetoberfläche entspricht dem der Standard- Magnetronkathoden. Es verläuft annähernd parallel zur Targetoberfläche und tritt an den beiden Sei­ ten des Targets aus bzw. ein. Es entsteht ein so­ genanntes Dachfeld.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Kathoden ohne zwi­ schen Target und Joch eingelegten Blechen wird bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform im Target 8 ein Feld erzeugt, das mindestens aus drei solchen Dachfeldern besteht. Damit teilt sich das Plasma auf der Targetoberfläche in mehrere nebeneinander liegende Teilplasmen auf, wodurch verstärkt nicht mehr der Mittelbereich jeder Targethälfte, sondern deren Randbereiche abgetragen werden, was zu einer erheblichen Erhöhung der Targetausnutzung führt, da die Sputtergräben vergleichsweise breiter aus­ fallen.

Beim Aufbau einer Sputterkathode der in Frage ste­ henden Art werden größere magnetische Erregungen benötigt als bei herkömmlich aufgebauten Sputter­ kathoden, da ein größerer Anteil des magnetischen Flusses im Joch und den Blechzuschnitten und daher nicht über die Targetoberfläche geführt wird. Die gesamte magnetische Flußdichte muß also erhöht werden.

Wenn die erforderlichen Magnete innen und außen (d. h. am Steg 5 und am Wannenrand 14) positio­ niert werden, ist der verfügbare Raum für die Ma­ gnete durch den Außendurchmesser (Einbaumaß) in der Regel limitiert. Es kann nur - je nach geome­ trischen Gegebenheiten - ein begrenztes Volumen zum Einbau der notwendigen Magnetmasse verwendet werden. Da die magnetische Feldverteilung bei der Verwendung des in Frage stehenden Prinzips wesent­ lich durch den Feldaustritt an den Spalten a, b, c definiert wird, ist die tatsächliche Position der Magnete hier jedoch relativ unwichtig. Damit ist es möglich, die Magnete 7, . . . in den Boden 22 des magnetischen Jochs 3 zu integrieren, ohne den re­ lativen Feldverlauf stark zu verändern. Im Boden des Jochs 3 steht vergleichsweise viel Platz für den Einbau von Magneten zur Verfügung. Die Magnete 7, . . . werden deshalb horizontal in den Jochboden eingebaut.

Eine weitere Erhöhung der Magnetmasse kann durch die Kombination von Magneten erzeugt werden, die sowohl horizontal als auch vertikal im Joch 3 in­ tegriert sind bzw. auf dieses aufgesetzt werden.

Zusätzlich zu den im Boden 22 eingelassenen Hori­ zontalmagneten 7, . . . werden dann weitere Magnete auf den umlaufenden Rand 14 des Jochs 3 aufgesetzt.

Da insbesondere auf dem Rand 14 des wannenförmigen Jochs 3 und auf dem Mittelsteg 5 bei der Kathode gemäß der vorliegenden Erfindung keine Magnete notwendig sind, können diese Bereiche besonders schmal ausgebildet werden, was zu einer besseren Targetausnutzung führt.

Die Kathode nach den Fig. 2 und 3 besteht aus einem wannenförmigen Joch 15 mit Wannenrand 21, einem Mittelsteg 16 und einem den Mittelsteg 16 umschließenden rahmenförmigen Steg 18, wobei das oberhalb des wannenförmigen Jochs 15 angeordnete Target der Einfachheit halber nicht dargestellt ist. In den Partien des Bodenteils der Jochwanne 15, die zusammen mit dem Steg 16 und dem Rahmen 18 zwei ovale, im Querschnitt rechteckige Kanäle 19, 20 bilden, sind zwei endlose Reihen von Magne­ ten 23, . . .; 24, . . . eingefügt. Oberhalb der Stirnflä­ chen des Wannenrandes 21 des Mittelstegs 16 und des Rahmenstegs 18 sind Blechzuschnitte 25 bis 29 angeordnet, von denen der den Mittelsteg 16 über­ deckende Zuschnitt 25 streifenförmig und die um­ schließenden Zuschnitte 26 bis 29 rahmenförmig konfiguriert sind.

Die Anordnung von Segmenten bzw. Blechzuschnitten auf der dem Substrat abgekehrten Seite des Fargets bei einer Sputterkathode läßt sich durch die Er­ weiterung auf eine Vielzahl von Spalten, die in­ einander geschachtelt bzw. koaxial zueinander an­ geordnet sind, auf beliebig große Sputterflächen erweitern. Es können sowohl runde Kathoden als auch rechteck- bzw. rennbahnförmige Kathoden auf­ gebaut werden. Die Spalte (a. . .g) sind dabei so an­ geordnet, daß sich jeweils ein geschlossener Ring- bzw. Rahmenspalt ergibt. Mehrere von diesen Spal­ ten sind dann konzentrisch zueinander bzw. inein­ ander geschachtelt angeordnet. In Fig. 2 ist ein Beispiel für einen vierfachen Spalt (d. . .g) darge­ stellt. Denkbar sind aber Konfigurationen, die noch mehr Spalten umfassen.

Das Magnetfeld oberhalb der Spalte, z. B. auf der Targetfläche, muß pro Doppelspalt mindestens drei Vorzeichenwechsel in der Senkrechtkomponente auf­ weisen oder diese Senkrechtkomponente muß zwischen den Spalten nahezu Null sein. Dies kann durch die geeignete Wahl der Lage und Breite der Spalte re­ lativ einfach optimiert werden.

Zur Erzeugung des magnetischen Flusses können Ma­ gnete, wie in Fig. 3 gezeigt, horizontal eingebaut werden (siehe die Pfeile in Fig. 3). Die Magnete können aber auch senkrecht in die Stege 5 bzw. 16, 18, 21 bzw. Zapfen integriert werden. Auch ist eine Kombination von beidem denkbar, d. h. von Ma­ gnetreihen, die im Jochboden angeordnet sind und Magnetreihen, die in die Stege integriert oder auf diese aufgesetzt sind.

Bezugszeichenliste

2

Kathodengrundkörper

3

Joch

4

Wanne

5

Steg

6

Kühlkanal

7

, . . . Permanentmagnet

8

Target

9

Blechzuschnitt

10

Blechzuschnitt

11

Blechzuschnitt

12

Blechzuschnitt

13

Stirnfläche

14

Wannenrand

15

Joch

16

Mittelsteg

17

, . . . Feldlinien-Tunnel

18

Rahmen, rahmenförmiger Steg

19

Kanal

20

Kanal

21

Wannenrand

22

Bodenteil, Jochboden

23

, . . . Magnet

24

, . . . Magnet

25

Blechzuschnitt

26

Blechzuschnitt

27

Blechzuschnitt

28

Blechzuschnitt

29

Blechzuschnitt

30

Jochboden

Claims (2)

1. Sputterkathode mit einem aus mindestens einem Teil gebildeten ebenen, plattenförmigen Tar­ get (8) und mit einem hinter dem Target (8) angeordneten wannen- oder topfförmigen Joch (3) mit auf dem Jochboden (22) angeordneten Mittelzapfen oder Mittelsteg (5) und mit Ma­ gneten (7, . . .) zur Erzeugung in sich geschlos­ sener Tunnel aus bogenförmig gekrümmten Feld­ linien vor der Targetfläche sowie mit in die Ebene zwischen dem Target (8) und der dem Target (8) zugekehrten Stirnfläche (14) des Wannen- oder Topfrandes des Jochs (3) einge­ legten Blechzuschnitten (9, 10, 11, 12) oder Gruppen von Teilzuschnitten aus magnetisch leitfähigem Material, wobei zwei dieser Blechzuschnitte (9, 11) oder Teilzuschnitt­ gruppen den Bereich oberhalb der Stirnflächen (13, 14) des Wannen- oder Topfrandes und des Mittelzapfens oder Mittelstegs (5) und weite­ re Blechzuschnitte (10, 11) oder die dritte Gruppe Teile des Bereichs zwischen der Stirn­ fläche (14) des Mittelstegs oder Mittelzap­ fens (5) und der Stirnfläche (12) des Wannen- oder Topfrandes abdecken und alle rahmenför­ migen Blechzuschnitte (9, 10, 11) zusammen mit dem streifenförmigen Blechzuschnitt (12) sich etwa parallel der Stirnfläche des Wannen- oder Topfrandes erstreckende, ring- oder rah­ menförmige Spalte (a, b, c) miteinander bilden und die Magnete (7, . . .) jeweils in den Jochbo­ den (22) einbezogen oder eingefügt sind, wo­ bei die dem Target (8) zu- und abgewandten Seitenflächen der Magnete (7, . . .) etwa bündig mit dem Jochboden (22) abschließen.

2. Sputterkathode mit einem aus mindestens einem Teil gebildeten ebenen, plattenförmigen Tar­ get und mit einem hinter dem Target angeord­ neten wannen- oder topfförmigen Joch (15) mit einem am Jochboden (30) angeordneten Mittel­ zapfen oder Mittelsteg (16) und mit weiteren, den Mittelzapfen oder Mittelsteg (16) um­ schließenden, ring- oder rahmenförmigen, am Boden des Jochs (15) angeordneten Zwischen­ stegen (18, . . .) und mit Magneten (23, . . .; 24, . . .) zur Erzeugung in sich geschlossener Tunnel (17, . . .) aus bogenförmig gekrümmten Feldlinien (17, . . .) vor der Targetfläche sowie mit in die Ebene zwischen dem Target und der dem Target zugekehrten Stirnfläche des Wannen- oder Topfrandes (21) des Jochs (15) eingelegten Blechzuschnitten (25 bis 29) oder Gruppen von Teilzuschnitten aus magnetisch leitfähigem Material, wobei die beiden Blechzuschnitte (25, 29) oder Teilzuschnittgruppen den Bereich oberhalb der Stirnflächen des Wannen- oder Topfrandes (21) und des Mittelzapfens oder Mittelstegs (16) und weitere rahmenförmige Blechzuschnitte (26, 27, 28) oder weitere Zu­ schnittgruppen Teile des Bereichs zwischen der Stirnfläche des Mittelstegs oder Mittel­ zapfens (16) und der Stirnfläche des Wannen- oder Topfrandes (21) und über den Zwischen­ stegen (18) abdecken und alle rahmenförmigen Blechzuschnitte (26 bis 29) zusammen sich et­ wa parallel der Stirnfläche des Wannen- oder Topfrandes (21) erstreckende, ring- oder rah­ menförmige Spalte (d, e, f, g) miteinander bil­ den und die Magnete oder Magnetreihen (23, . . .; 24, . . .) jeweils in den Jochboden (30) einbezo­ gen oder eingefügt sind, wobei die dem Target zu- und abgewandten Seitenflächen der Magnete (23, . . .; 24, . . .) jeweils bündig mit dem Jochboden (30) abschließen.