DE2735525A1

DE2735525A1 - Katodenanordnung mit target fuer zerstaeubungsanlagen zum aufstaeuben dielektrischer oder amagnetischer schichten auf substrate

Info

Publication number: DE2735525A1
Application number: DE19772735525
Authority: DE
Inventors: Walter Greve; Dieter Groene; Edgar Kaiser; Ulrich Dr Ing Patz
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1977-08-06
Filing date: 1977-08-06
Publication date: 1979-02-22
Also published as: US4247383A; GB2002036A; JPS5448689A; FR2399732B3; FR2399732A1

Description

D-6050 Offenbach 4 Postfach 532 Kaiserstraße 9 Dipl.-Ing. Hans Zapte Telefon 0611/882721

Q Offenbach, den

18. Juni 1977 Zap/Han

Akte: 77507

LEYBOLD-HERAEUS GmbH & Co. KG
Bonner Straße 504

5000 Köln - 51

Katodenanordnung mit Target fllr Zersta'ubungs·
anlagen zum Aufstäuben dielektrischer oder
amagnetischer Schichten auf Substrate "

909808/0014 - 2 -

Bankkonto Dresdner Bank Olfenbach (Bankleitzahl 50580006) Kontonummer 5078192 · Postscheckkonto Frankfurt (Main) 533933-603

Die Erfindung betrifft eine Katodenanordnung mit flächigem Target für Zerstäubungsanlagen zum Aufstäuben dielektrischer oder amagnetischer Schichten auf Substrate, sowie mit einem von den Substraten aus gesehen hinter dem Target angeordneten, vom Target isolierten Magnetfelderzeuger.

Im Gegensatz zu Vakuum-Aufdampfverfahren ist die Niederschlagsrate, d.h. die pro Zeiteinheit niedergeschlagene Menge des Beschichtungsmaterials bei Katodenzerstäubungsverfahren relativ gering. Es ist daher eine Vielzahl von Lösungen bekannt geworden, mit denen die Niederschlagsrate des Beschichtungsmaterials erhöht werden soll. Dies kann beispielsweise durch Anhebung des Temperaturniveaus der Katode bzw. des Targets geschehen, durch Erhöhung des in der Vorrichtung herrschenden Drucks, durch die Anordnung von Magnetfeldern und/oder durch die Erzeugung von Hochfreqüenzentladungen innerhalb der Zerstäubungsvorrichtung. Eine hohe Niederschlagsrate ist in vielen Fällen die Voraussetzung für eine wirtschaftlich tragbare Produktion.

Durch die DT-PS 737 613 ist es bekannt, die Niederschlagsrate bei Verwendung einer als Flachspule ausgebildeten Katode dadurch zu erhöhen, daß man die Katode durch direkten Stromfluß auf ein höheres Temperaturniveau bringt. Hierbei findet jedoch unvermeidbar eine Wärmebelastung der Substrate statt, die in vielen Fällen unerwünscht ist. Ein an sich gleichfalls die Niederschlagsrate begünstigendes Magnetfeld soll durch die Beaufschlagung der Katode mit Wechselstrom als Heizstrom und mit pulsierender Gleichspannung von gleicher Frequenz bei bestimmter Phasenlage verhindert werden.

Durch die DT-OS 15 15 296 ist es bekannt, die Zerstäubungsrate dadurch zu erhöhen, daß man aus dem niederzuschlagenden Material beispielsweise eine Flachspule herstellt und diese mit Hochfrequenz beaufschlagt. Eine solche Maßnahme ist jedoch auf die

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Herstellung von Schichten aus elektrisch leitfähigem Material beschränkt. Außerdem kann auch hiermit die Niederschlagsrate nicht in wünschenswerter Weise erhöht werden.

Durch die DT-OS 16 90 651 in Verbindung mit.der DT-PS 15 15 ist es weiterhin bekannt, eine Vielzahl von stabförmigen Einzelkatoden parallel zueinander in einer Ebene anzuordnen und abwechselnd auf unterschiedliche Wechselspannungspotentiale zu bringen, wobei die einzelnen Stäbe gleichzeitig von einem Gleich- oder Wechselstrom durchflossen werden, durch welchen ein Magnetfeld erzeugt wird, welches die Ionisierungswahrscheinlichkeit erhöht. Eine solche Vorrichtung macht jedoch eine galvanische Trennung der einzelnen Katodenstäbe erforderlich, was eine große Anzahl von Spannungs- und Stromdurchführungen sowie getrennte Stromversorgungen für die Beaufschlagung der

Katodenstäbe mit dem Strom für die Magnetfelderzeugung mit

sich bringt. Falls eine solche Vorrichtung für das Aufstäuben von dielektrischen Schichten verwendet werden soll, bleibt nur die Möglichkeit, die einzelnen Katodenstäbe mit Rohren aus dem dielektrischen Material zu Überziehen. Die wünschenswerte Gleichförmigkeit der niedergeschlagenen Schichten läßt sich auf diese Weise nicht erreichen.

Durch die US-PS 3 878 085 ist es weiterhin bekannt, auf der den Substraten abgekehrten Seite des Targetmaterials ein ovales oder kreisförmiges Polschuhsystem anzuordnen, welches ein Magnetfeld erzeugt, dessen Feldlinien durch die Targetfläche aus- und nach Durchlaufen von bogenförmigen Bahnen wieder eintreten. Hiermit ist es möglich,«eine wünschenswert hohe Zerstäubungs- und Niederschlagsrate zu erhalten. Auch die Gleichförmigkeit der Schichtdickenverteilung ist befriedigend, solange die Substrate innerhalb einer Fläche liegen, die merklich kleiner als die Targetfläche ist. Ein

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wesentlicher Nachteil hierbei ist jedoch dte der örtlichen Feldstärke entsprechende, sehr unterschiedliche Zersteubungsrate des Targetmaterials, so daß im Verlaufe des Zerstäubungsvorganges im Target tiefe rrllenförmige Ausnehmungen entstehen, die der Form des Magnetfeldes entsprechen. Auf diese Weise ist nur eine etwa 30%ige Ausnutzung des teueren Targetmaterials möglich.

Es ist schließlich auch bereits bekannt, die bei Anordnung eines Magnetfeldes örtlich sehr unterschiedlichen Zerstäubungsraten dadurch zu vergleichmäßigen, daß man das Magnetsystem gegenüber dem Targetmaterial in ständiger Bewegung hält. Abgesehen davon, daß mit einer solchen Maßnahme ein erheblicher mechanischer Aufwand getrieben werden muß, läßt sich die Ausnutzung des Targetmaterials nicht wesentlich verbessern, d.h. nicht wesentlich über etwa 50 bis 60% hinaus steigern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Katodenanordnung der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, die unter Anwendung von Magnetfeldern eine hohe Zerstäubungsund Niederschlagsrate ermöglicht, ohne daß im Targetmaterial tiefe, rillenförmige Ausnehmungen entstehen, die das Target vorzeitig unbrauchbar werden lassen.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß der Magnetfelderzeuger als Flachspule ausgebildet ist, die parallel zum Target angeordnet ist und eine Fläche aufweist, die im wesentlichen der Targetfläche entspricht, und daß die Flachspule mit einer an sich bekannten Kühleinrichtung versehen ist.

Eine derartige, durchgehende Flachspule benötigt im Prinzip

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nur zwei Strojnanschllisse an ihren hetden Enden, durch die sie mit einem relativ hohen Gleich.-*· oder Wechselstrom für die Erzeugung des gewünschten Magnetfeldes beaufschlagt wird. Die erforderliche Potentialdifferenz zwischen den Anschluß^ stellen der Flachspule beträgt im allgemeinen nur wenige Volt. Die Stromstärke kann hingegen bis zu 1.000 Ampere betragen. Je nach dem Material, aus dem das Target besteht, kann dieses entweder an Gleichspannung oder an Hochfrequenz gelegt werden. Es ist also nicht erforderlich, die Flachspule auf relativ hohe Gleichspannung bis zu 1.200 Volt zu legen oder an einen Hochfrequenzgenerator anzuschliessen. Durch entsprechende Gestaltung der Flachspule ist die Erzeugung eines ebenen Magnetfeldes praktisch beliebiger Form und Ausdehnung. Die Magnetfelddichteverteilung ist durch Veränderung der Abstände zwischen den einzelnen Stromleitern, der Stromrichtung und der Form der Flachspule veränderbar. Dadurch, daß die Maonetspule eine Fläche aufweist, die im wesentlichen der Taroet^läche der Flachspule entspricht, sowie durch eine genaue Abstimmung der Magnetfelddichteverteilung wird die Schichtdickenverteilung der aufgestäubten Schichten sowohl ohne Bewegung der Substrate als auch ohne Bewegung der Magnetfelder verbessert. Die geringe Anzahl erforderlicher StromanschlUsse und Durchführungen durch die Wandung der Zerstäubungsanlage ermöglichen eine einfache, störungssichere Konstruktion.

Der Erfindungsgegenstand läßt sich gemäß den Merkmalen in den Unteransprüchen vorteilhaft weiter ausgestalten. Die hiermit verbundenen Vorteile sind in der Detailbeschreibung näher erläutert.

Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes seien nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 8 näher erläutert.

«0S808/00H

Es zeigen; Ftgur 1

Figur 2

Figur 3

etne perspektivische Darstellung einer erf indungs-gemäßen Keitodenanordming innerhalb einer nur schem&tisch dargestellten Vakuumkammer,

einen Längsschnitt durch die Katodenanordnung gemäß Figur 1,

eine Variante des Gegenstandes nach Figur 2, bei der der Isolator zwischen Flachspule und Target als: Isol ierstoffumhüllung der einzelnen Windungen der Flachspule ausgeführt ist,

Figur 4

eine wiederum andere Variante des Gegenstandes nach Figur 2, bei der die Flachspule in einen durchgehenden Isolierstoffkörper eingebettet ist,

Figuren 5a bis 5d

Figur 6

Figur 7

verschiedene Querschnitte des Leiters der Flachspule,

eine perspektivische Darstellung des Gegenstandes nach. Figur 4,

einen Querschnitt durch eine Flachspule, die massiv ausgebildet und im Innern eines Kühlgehäuses angeordnet ist, dessen eine Seite durch eine Platte aus dem Targetmaterial verschlossen ist,

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Figuren 8a bis 8d Draufsichten auf verschiedene Flachspulenanordnungen in schematischer Darstellung.

In den Figuren 1 und 2 ist mit 10 eine Basisplatte bezeichnet, auf die eine glockenförmige Vakuumkammer 11 aufgesetzt ist. Die

Vakuumkammer ist durch eine in der Basisplatte 10 angeordnete

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Saugleitung 12 von einigen 10 bis einigen 10 mbar evakuierbar. In der Vakuumkammer ist eine durchgehende Flachspule 13 angeordnet, die aus mehreren ineinanderllegenden, etwa rechteckigen Windungen besteht. Die Flachspule besitzt Anschlußenden 14 und 15, an die Anschlußklemmen 16 und 17 angeschlossen sind, die zu einer nicht dargestellten Stromquelle führen. Der die Flachspule bildende Leiter ist als Hohlleiter mit einem Querschnitt gemäß Figur 5a ausgebildet und wird während des Betriebes der Anordnung von einem Kühlmittel (Wasser) durchströmt. Die Anschlußenden 14 und 15 sind in einem Durchführungsisolator 13a befestigt, der vakuumdicht in der Basisplatte 10 angeordnet ist.

Die jeweils oberen und unteren Mantellinien der einzelnen Windungen der Flachspule 13 liegen in je einer ebenen Hü 11-fläche. Auf der Oberseite der Flachspule 13 liegt eine ebene Isolierstoffplatte 18 auf, die aus Glas, einem keramischen Werkstoff oder einem anderen Isolierstoff bestehen kann und einen hochstehenden Rand 18a besitzt. Auf der Isolierstoffplatte 18 befindet sich eine Katode 19a, die als scheibenförmiger Hohlkörper ausgebildet und mit Kühlmittelanschlüssen 19b versehen ist. Durch den hierdurch gebildeten- Hohlraum 19c wird ein Kühlmedium geführt, welches die beim Betrieb der Vorrichtung entstehende Wärme abführt. Die Katode 19a besteht aus einem amagnetischen, metallischen Werkstoff, welches das Magnetfeld der Flachspule 13 nicht beeinträchtigt. Ober eine Anschlußleitung 20 wird der Katode die zum Zerstäuben benötigte Spannung zugeführt. Auf der Katode liegt ein Target 19 aus einem Material, welches dem Material der durch den Katodenzerstäubungsvorgang niederzuschlagenden Schicht entspricht und aus dielektrischem oder amagnetischem Werkstoff bestehen kann. Parallel zum

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Target 19 ist oberhalb diesem ein nur schematisch dargestelltes Substrat 21 angeordnet, das als Anode geschaltet ist.

Beim Betrieb der Anordnung gemäß Figur 1 wird die Flach* spule 13 von einem relativ hohen Strom durchflossen, der in der Regel größer als etwa 150 bis 200 Ampere ist. Die hierbei etwa entstehende Stromwärme wird durch das Kühlmedium, welches durch die Flachspule strömt, abgeführt. Aufgrund des Stromes bildet sich an der Flachspule 13 ein Magnetfeld aus, welches um so homooener ist, je dünner die einzelnen Windungen der Flachspule sind und je enger sie beieinander liegen. Das magnetische Feld durchsetzt die Isolierstoffplatte 18, die Katode 19a und das Target 19 und unterstützt den Zerstäubungsvorgang. Aufgrund der gewählten Anordnung ist nicht nur die Schichtdickenverteilung der auf dem Substrat 21 niedergeschlagenen Schicht außerordentlich gleichmäßig, sondern auch die Zerstäubungsrate auf der gesamten Oberfläche des Targets 19, das infolge-dessen bis auf einen äußerst geringen Rest von etwa 10 bis 2OX zerstäubt werden kann. Die Durchführung von Relativbewegungen zwischen den einzelnen Teilen ist völlig überflüssig. .

Bei dem Gegenstand nach Figur 3 wird auf eine durchgehende Isolierstoffplatte 18 gemäß Figur 2 verzichtet. Statt dessen ist jede Windung der Flachspule 13 mit einer Isolierstoffumhüllung 22 versehen, die vorzugsweise auch aus einem keramischen Werkstoff wie beispielsweise Aluminiumoxidkeramik bestehen kann. Das Target 19 liegt in diesem Falle auf den oberen Mantellinien der IsolierstoffumhUllung 22 auf, die gleichfalls in einer ebenen Hüllfläche liegen. Zwischen dem Target 19 und der Flachspule 13 bzw. der IsolierstoffümhUllung 22 wird zweckmäßigerweise gleichfalls.eine gekühlte Katode 19a gemäß Figur 2 vorgesehen.

In Figur 4 ist die Flachspule 13 in einen durchgehenden Isolier-

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Stoffkörper 23 eingebettet, der beispielsweise aus Aluminiumoxidkeramik besteht. Auf dem Isolierstoffkörper 23 liegt das Target 19 auf.

In Figur 5 sind verschiedene Ausführungsformen von Leitern dargestellt, die für die Herstellung der Flachspule 13 verwendet werden können. Figur 5a zeigt einen Hohlleiter, der als kreisringförmiges Rohr für die Durchleitung eines Kühlmediums ausgebildet ist. Figur 5c zeigt eine analoge Ausbildung eines Rohres mit einem Rechteckquerschnitt. Figur 5b zeigt einen Leiter mit einem runden Vollquerschnitt, Figur 5d einen Leiter mit einem rechteckigen Vollquerschnitt. Leiter gemäß Figur 5b und 5d werden zweckmäßig in Verbindung mit einer Vorrichtung gemäß Figur 7 eingesetzt.

Figur 6 zeigt eine Flachspule 13, die nach Art einer archimedischen Spirale ausgebildet ist, wobei lediglich die beiden Enden 14 und 15 nach unten abgewinkelt sind. Die Spule ist gleichfalls in einen Isolierstoffkörper 23 eingebettet, der die Form einer Kreisscheibe hat.

Figur 7 zeigt ein Gehäuse 24, welches mit Kühlmittelanschlüssen 25 und 26 versehen ist. Das Gehäuse 24 ist als flacher Zylinder ausgeführt und umschließt eine Flachspule 13, die gleichfalls als archimedische Spirale ausgeführt ist. Die nach oben weisende Wandung des Gehäuses 24 ist f1Ussigkeitsdicht durch das Target 19 verschlossen. Die Wirkungsweise der Flachspule 13 stimmt mit derjenigen in den anderen Figuren überein.

Verschiedene Ausführungsformen der Flachspule 13 werden anhand von Figur 8 näher erläutert. Figur 8a zeigt eine archmedische Spirale, wie sie auch beim Gegenstand nach Figur 6 vorhanden ist. Es ist auch möglich, die archimedische Spirale bifilar zu wickeln, wie dies anhand von Figur 8b dargestellt ist. Die

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Spulenformen gemäß den Figuren 8a und 8b sind dann zweckmäßig, wenn der Substratquerschnitt oder die Substratanordnung im wesentlichen kreisförmig gewählt wird. Sollen rechteckige Substrate oder rechteckige Substratanördnungen beschichtet werden, so empfiehlt sich eine Ausbildung .der Flachspule gemäß den Figuren 8c oder 8d. Bei Figur 8c handelt es sich um eine rechtwinklig abgewinkelte Flachspule nach Art einer archimedischen Spirale. Die Flachspule 13 gemäß Figur 8d ist nach Art eines Mäanders hin und her geführt. Durch Variation der Formen der Flachspule und der gegenseitigen Abstände der einzelnen Windungen kann die Ausbildung des Magnetfeldes in weiten Grenzen beeinflußt werden. Durch Regelung der Stromstärke ist es möglich, die Zerstäubungsrate in weiten Grenzen stufenlos zu verändern.

Für den Fall, daß als Target dielektrisches Material, also ein Isolator verwendet werden soll, kann auf die Isolierstoffplatte 18 in den Figuren 1 und 2 bzw. auf die Isolierstoff umhiil lung 22 in Figur 3 bzw. auf die Einbettung in einem Isolierstoffkörper 23 gemäß den Figuren 4 und 6 verziehtet werden, d.h. die Bedingung einer Isolation der Flachspule vom Target ist auch in diesen Fällen erfüllt.

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Claims

Ansprüche:

O Katodenanordnung mit flächigem Target für Zerstäubungsanlagen zum Aufstäuben dielektrischer oder amagnetischer Schichten auf Substrate, sowie mit einem von den Substraten aus gesehen hinter dem Target angeordneten, vom Target isolierten Magnetfelderzeuger, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfelderzeuger als Flachspule (13) ausgebildet ist, die parallel zum Target angeordnet ist und eine Fläche aufweist, die im wesentlichen der Targetfläche entspricht, und daß die Flachspule mit einer an sich bekannten Kühleinrichtung versehen ist.
2. Katodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Flachspule (13) eine Isolierplatte (18) aufliegt, auf der das Target (19) angeordnet ist,
3. Katodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen der Flachspule (13) mit einer Isolierstoffumhüllung (22) versehen sind.
4. Katodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachspule (13) in einen durchgehenden Isolierstoffkörper (23) eingebettet ist.
5. Katodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachspule (13) In einem mit Klihlmittelanschlüssen (25, 26) versehenen Gehäuse (24) angeordnet ist, dessen den Substraten zugekehrte Handung das Target (19) ist.

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