DE2824289C2

DE2824289C2 - Target für Sprüh-Beschichtungsgeräte

Info

Publication number: DE2824289C2
Application number: DE2824289A
Authority: DE
Inventors: Robert Milton Ben Lomond Calif. Rainey
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1977-06-10
Filing date: 1978-06-02
Publication date: 1985-06-20
Also published as: DE2824289A1; JPS5416385A; JPS5810989B2; US4100055A

Description

Die Erfindung betrifft ein Target für Sprüh-Beschichtungsgeräte nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Solche Targets sind bekannt (Broschüre Vac 2436A der Fa. Varian Associates, Inc.).

Sprüh-Beschichtungsgeräte haben eine deutlich andere Arbeitsweise als die nach dem gleichen physikalischen Prinzip arbeitenden Geräte zur Durchführung von Verfahren zur Herstellung geätzter Strukturen durch ätzenden Ionenbeschuß mittels Kathodenzerstäubung. Bei diesem, kurz als »Ionenätzen« bezeichneten Verfahren werden Atome durch einen Ionenstrahl aus dem Werkstück, das hier die Rolle eines Targets hat, herausgeschlagen, und es ist bekannt, daß sich die Abtragungsrate eines Targets dadurch beeinflussen läßt, daß der auftreffende Ionenstrahl unter /erschiedenen Winkeln zur Flächennormalen auf die abzutragende Oberfläche fällt (DE-AS 22 58 297).

Ein Sprüh-Beschichtungsgerät weist eine Kathode mit offenen Enden und eine Anodenstruktur in einem evakuierten Gehäuse auf. Ionen, die im Interelektrodenraum gebildet werder, bilden ein Plasma und treffen deshalb aus ganz unterschiedlichen Richtungen auf ein Target auf, das auf der Kathodenoberfläche angeordnet ist. Dort schlagen sie Atome aus dem Target, aus dessen Oberfläche oder atomaren Schichten desselben unmittelbar unterhalb der Oberfläche heraus. Diese herausgeschlagenen oder versprühten Atome schlagen sich auf Gegenständen oder Substraten nieder, die in Sichtlinie vom Target angeordnet sind, so daß dort ein relativ gleichförmiger niedergeschlagener Film entsteht. Das Grundgerät wird durch Anwendung eines Magnetfeldes verbessert, das das Target umgibt und dazu dient, die Plasmaentladung auf die Nähe der Elektroden einzuschränken und Elektronen daran zu hindarn, die Substrate zu bombardieren, wobei gleichzeitig die Elektronenwege in der Nähe der Elektroden verlängert werden. Damit wird die Anzahl der ionisierenden Kollisionen zwischen Elektronen und Gasmolekülen erhöht, so daß sich ein größerer Ionenstrom und höhere Sprühraten ergeben. Der Betrieb wird auch bei niederen Gasdrucken erleichtert, wo die Dichte der Gasmoleküle entsprechend niedriger ist.

Während der Lebensdauer des Kathoden-Targets versprüht Material von diesem und dementsprechend erodiert das Target. Es ist vorteilhaft, eine Targetgeometrie zu verwenden, mit der die gewünschte Sprührate über eine längere Nutzperiode aufrechterhalten werden kann. Bekannte Targetgeometrien sind beispielsweise eine zylindrische Kathode, die eine axial montierte Anode umgibt. Die Innenfläche der Kathode war bei diesem Gerät parallel zur Achse und zur Außenfläche. Bei einer anderen Form der Kathode ist die Innenfläche sich ■verjüngend, so daß der radiale Querschnitt einer solchen Kathode eine deutliche Keilform hat (DE-OS 24 07 924).

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Target der eingangs genannten Art derart auszugestalten, da3 es eine signifikant höhere Plasmastromdichte aushalten kann und eine größere Nutzlebensdauer hat. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Innenfläche auf die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 definierte Weise gestaltet wird.

Dadurch ist es vorteilhafterweise möglich, die Energieabfuhr in einer Plasmaentladung über die Nui/.lebensdauer eines Targets nahezu konstant zu halten.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Sprüh-Beschichtungsgerät,
F i g. 2 ein Profil des hier beschriebenen Targets;

Fig. 3A, 3A' und 3A" Anfangsprofile von zwei bekannten Targets und des hier beschriebenen Targets; und

F i g. 3B, 3B' und 3B" bekannte Targets und das hier beschriebene Target am Ende der Nutzlebensdauer.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Sprüh-Beschichtungsgerät. Eine zylindrisch-symmetrische Geometrie wird bevorzugt, ist jedoch hier keinesfalls unabdingbar. Eine Anode 10 ist zentral und allgemein innerhalb einer sie umgebenden Kathodenstruktur 12 mit offenem Ende angeordnet. Eine mechanische Ausfluchtung wird dadurch erhalten, daß die Kathode 12 auf einem unteren Magnetpolschuh 14 montiert wird und die Anode 10 auf einen Anodenpfosten 16, vorzugsweise aus Kupfer, der elektrisch gegen den Polschuh 14 isoliert ist und durch einen Ringraum 18 von der Kathode 12 getrennt ist, und der mit einem Flansch 27 auf eine Grundplatte 19 montiert ist. Der Anodenpfosten 16 hat einen inneren Kühlhohlraum 20, durch den ein Kühlmittel, vorzugsweise Wasser, mittels Leitungen 22 zirkuliert. Die Kathoden-

bo kühlung wird durch ein Element 24, vorzugsweise aus Kupfer, ermöglicht, das einen Innenkanal 25 aufweist, durch den ein Kühlmittel, vorzugsweise Wasser, über Leitungen 26 zirkuliert, die elektrisch gegen die Grundplatte 19 isoliert sind, beispielsweise dadurch, daß die Leitungen 26 aus elektrischem nicht leitendem Material hergestellt sind. Die Leitungen 26 sind mit Flanschen 27' an der Platte 19 befestigt. Magnete 28 und 28' haben die angegebenen relativen Polaritäten und liefern ein Ma-

.gnelfekl, d;is die allgemein angegebene Streufeldrichtung 29 an einem Punkl zentral zur Anode und zur Kathode hat und eine ähnliche Feldrichtung in Nähe der Kathodenfläche. Das magnetische Hauptfeld wird zwischen einem unteren Polschuh 14 und einem oberen Polschuh 30 aufrechterhalten. Eine M?jjnethalterung 31 aus unmagnetischem Material definiert die äußere Grenze zur genauen Lokalisierung der Magnete 28 mit Bezug auf die Polschuhe 14 und 25. In einer zylin Irischen Geonstrie können diese Magnete ringförmig sein, oder stattdessen kann eine Anzahl Stabmagnete so angeordnet werden, daß das erforderliche Feld entsteht Die Stärke des Magnetfeldes reicht aus, um Sekundärelektronen von der Kathode daran zu hindern, das nicht dargestellte Werkstück zu erreichen, das allgemein oberhalb des Gerätes angeordnet ist. Eine Erdabschirmung 32 definiert das elektrische Feld und die Plasmadichte.

Die Anode 10 ist mit Schrauben (nicht dai gestellt) am Montagepfosten 27 befestigt. Ein Haltering 33. der mit dem isolierenden Spalt 18 ebenfalls gegen den Anodenpfosten 27 isoliert ist, ist dazu verwendet, die Kathode 12 mit nicht dargestellten Schrauben am unteren Magnetpolschuh 14 zu befestigen. Wenn die Quelle gegenüber der Darstellung in F i g. 1 umgekehrt wird, ist der Haltering 33 dazu erforderlich, die Kathode 12 zu befestigen. Die Verwendung des Halterings 33 ist wahlfrei, wenn die Quelle unterhalb der zu beschichtenden Gegenstände verwendet wird.

Im typischen Betrieb wird die Anode auf Erdpotent^al gehalten und die Kathode kann auf Potentialen zwischen minus 350 Volt und minus 1000 Volt gehalten werden, je nach Kathodenmaterial. Wie in der Zeichnung dargestellt ist, liegt die Erdabschirmung 32 auf Erdpotential. Die Anode kann auf Erdpotential liegen oder geringfügig über Erde vorgespannt sein, um die zu beschichtenden Gegenstände gegen Sekundärelektronen zu schützen, die an der Anode erzeugt werden.

Ein Sprühgerät ist aus mehreren Gründen besonders empfindlich gegen die Targetform. Die Verteilung des elektrischen Feldes in der Nähe der Plasmaentladung wird durch die Targetform beeinflußt, da die Targetform eine Grenzbedingung auf das elektrische Feld entsprechend den bekannten Gesetzen der Elektrostatik erzwingt. Darüber hinaus ändert sich die Form während der Nutzlebensdauer des Targets, während das Targetmaterial wegerodiert wird. Es ist erwünscht, ein optimales Targetprofil so lang wie möglich beizubehalten, wodurch die Nutzlebensdauer des Targets verlängert würde. Entsprechend diesen Wünschen wurde eine Untersuchung von Details der Targetform durchgeführt, wobei das allgemeine Profil mit offenen Enden zur Umgebung der zentral angeordneten Anode beibehalten wurde.

Das hier beschriebene Target wird anhand von F i g. 2 näher erläutert. F i g. 2 zeigt einen radialen Querschnitt durch das Target, eine Schraffur ist jedoch vermieden worden, um eine Verhüllung der detaillierten Beschreibung der Form zu vermeiden. Ein innerer Flächenteil 50 ist durch den Winkel λ charakterisiert, der durch die Oberflächentangente der zur Anode weisenden Oberfläche mit Bezug auf die Mittellinie 40 gebildet wird; ein Zwischenteil 52, dessen Oberflächentangente "einen Winkel β mit der Mittellinie 40 bildet, und schließlich ist ein Außtenteil 54 charakterisiert durch eine Oberflächentangente, die einen Winkel γ mit Bezug auf die Mittellinie 40 bildet. Der Winkel <x ist von mittlerer Größe, während/?größer und/kleiner ist. Der Absolutwert von // wird /uiuichsi in Verbindung mil tier Auslegung der Magnete 20 und 28' und den jeweiligen Polschuhen 14 und 30 gewählt, weil der größere Teil des Sprühens vom Teil 52 erfolgt und das Beiriebsverhalten des Gerätes stark empfindlich für das Magnetfeld in der Nähe des Targetteils 52 ist, wie noch beschrieben wird. Das Magnetfeld kann so betrachtet werden, als ob es irgendeine mittlere Krümmung und Stärke relativ zur Oberfläche des Targets hat. wobei ein zeitlicher Mittelwert über die Nutzlebensdauer des Targets gebildet wird. Es ist erwünscht, den Teil 52 so zu konfigurieren, daß mit Bezug auf die Oberfläche dieses Teiles der Kathode die Tangentialkomponente des Magnetfeldes über die Nutzlebensdauer des Targets maximiert ist.
Der Teil 54 geht glatt in den Teil 52 über. Die Glätte dieses Übergangs ist notwendig, um eine lokalisierte Erosion des Targets zu eliminieren, die in einer vorzeitigen Beendigung der Nuizlebendauer des Targets resultieren kann. Eine Diskontinuität an diesem Punkt sorgt dafür, daß das elektrische Feld in der Nachbarschaft die bombardierenden Ionen in den Bereich der Diskontinuität fokussiert, so daß die Targeterosion in diesem Bereich beschleunigt wird. Dementsprechend ist die bevorzugte Ausführungsform in dieser Hinsicht durch einen Krümmungsradius n, charakterisiert, der den allmählichen Übergang der die Teile 52 und 54 begrenzenden Oberflächen beschreibt.

Der Teil 54 bildet eine Lippe und dient dazu, den Kühlmantel 24 geometrisch gegen die Plasmaentladung abzuschirmen, so daß der Kühlmantel gegen Schaden durch Sprühen geschützt wird.

Die Kühlung der Kathode 12 ist eine empfindliche Funktion der thermischen Leitfähigkeit zwischen Kathode 12 und Wassermantel 24. Hier wird eine Kathode verwendet, die so dimensioniert ist, daß sie lose in die Innenfläche des Wassermantels 24 paßt: nach dem Aufheizen der Kathode gewährleistet die Expansion einen engen Kontakt mit dem Wassermantel 24, wodurch eine ausreichende Wärmeübergangscharakteristik erreicht wird, um eine richtige Kühlung zu erreichen. Das Spiel zwischen diesen Elementen bei Raumtemperatur muß ausreichend groß sein, um ein leichtes Ausbauen zu ermöglichen, jedoch klein genug, um eine adäquate thermische Leitfähigkeit zum Wassermantel zu erhalten, um ein Schmelzen oder Verwerfen bei Betriebstemperatur zu verhindern.

In Fig. 3 sind bekannte Kathodenprofilformen (Fig. 3A und 3A') mit der hier beschriebenen Form (F i g. 3A") vor Gebrauch im Gegensatz zueinander dargestellt. F i g. 3B, 3B' und 3B" zeigen typische Profile der jeweiligen Targets am Ende der Nutzlebensdauer. Die Nutzlebensdauer wird schließlich gemäß einem Aspekt durch die Erosion des Targets begrenzt, durch die schließlich die Targetstruktur an der Seitenwand durchbrachen werden kann, so daß der Wassermantel dem Sprühen ausgesetzt wird. Dieser Aspekt der Nutzlebensdauer hängt auch von dem Magnetfeld an der Kathodenoberfläche ab sowie von der Leistung, die zur Erregung der Entladung von der Stromversorgung gezogen wird. Bei Tests mit einer speziellen, strombegrenzten Stromversorgung von 7 kW nomineller Abgabe wird die Nutzlebensdauer bei Gleichstrombetrieb mit einem speziellen Target so definiert, daß sie einem sicheren Stromversorgungs-Strombereich von 9 bis 12 Ampere bei 800 bis 500 Volt für ein bestimmtes Magnetfeld entspricht.

Repräsentative Parameter für ein Targetprofil der hier beschriebenen Art werden erhalten, nachdem

10

!5

20

25

Stromversorgung und Magnetfeldbeschreibung als Entwurfsgrößen festgelegt sind. Die Strom- und Spannungs-Bereiche für die Stromversorgung werden unabhängig gewählt, beispielsweise wie oben angegeben. Das Magnetfeld wird mit Magneten und Polschuhert realisiert, die ein Magnetfeld ausreichender Stärke in der Nähe der Entladung liefern, um die gewünschte Energie von der Stromquelle mit der Entladung zu koppeln. Bei Untersuchungen der Erosionsmuster bekannter Targets, wie es beispielsweise in Fig.3A dargestellt ist, wurde beobachtet, daß zu einem mittleren Punkt des Lebens eines Targets die von der Stromquelle gezogene Leistung stieg, scheinbar durch eine effektivere Kopplung der Stromquelle mit der Entladung. Wenn die Erosion der Oberfläche fortschritt, wurde die Lage der Oberfläche näher zur Magneteinheit verschobert, so daß die Magnetfeldstärke in der Nähe der Entladung erhöht wurde und die relative Orientierung von Magnetfeld und Targetoberfläche geändert wurde. Es wird angenommen, daß das Magnetfeld an diesem Punkt des Betriebes den Elektronenfluß der Entladung effektiver einschnürt, so daß sich ein höherer effektiver Strom ergibt, mit entsprechend größerer lonisationsdichte, die schließlich in einer proportional größeren Sprührate resultiert.

Wenn auch das entsprechende Profil am Ende der Lebensdauer für F i g. 3A akzeptabel ist. so resultiert doch die Variation der von der Stromversorgung gezogenen Leistung in variablen Sprühraten. Die entsprechende Variation im Entladungspotential beeinflußt die kinetische Energie des versprühten Materials und es ist bekannt, daß dadurch die Qualität der Beschichtung beeinfluß wird.

Um diese bessere Energiekopplung am Beginn der Targetbenutzung zu erreichen, wurde ein weiteres bekanntes Targetprofil (Fig.3A') dadurch erhalten, daß eine flache Stufe in das Profil nach Fig.3A in einem Bereich relativ hoher Plasmadichte eingeführt wurde. Untersuchungen dieser Modifikation deuten an, daß eine erhebliche Materialmenge, die aus der Nachbarschaft der Stufe versprüht wurde, wieder auf dem Target niedergeschlagen wurde, so daß sich am Ende der Lebensdauer ein Profil gemäß F i g. 3B' ergab. Dieses Profil am Ende der Lebensdauer ist wegen der restlichen Materiaimenge unverwünscht. Es wird angenommen. daß die Erosion aus der Nähe des Winkelanschlusses 61 der Stufe 60 mit der Lippe 62 durch elektrostatische Fokussierung von Ionen beschleunigt wurde, so daß das Ionenbombardement in diesem Bereich konzentriert wurde, und dadurch, daß Sekundärelektronen in diesem Bereich gefangen werden, wenn die Erosion fortgeschritten war. Die Einsenkung, wie bei 64 in F i g. 3B' dargestellt, wurde auf diese Weise erzeugt.

Das Target der hier beschriebenen Art minimiert das selektive Bombardement des Bereiches 61 und das folgende Elektronenfangen dadurch, daß die Fläche 60 mit einer Neigung versehen wird und der Anschluß von Flächen 60 und 62 geglättet wird, so daß die scharfe Winkelverbindung eliminiert wird, die zu diesen Effekten führt Die Winkelverbindung 66 wird in ähnlicher Weise durch Neigung der Fläche 60 minimiert. Das resultierende Profil gemäß F i g. 3B" am Ende der Lebensdauer ist wieder akzeptabel, wobei die Variation der Energieabfuhr in der Entladung wesentlich reduziert ist.

Für die Darstellung in F i g. 2 soll ein repräsentativer bs .Sat/ Abmessungen für eine spezielle Konfiguralion mit /ylindcrsymmetne angegeben werden. Bei diesem Beispiel beträgt die axiale Länge /. 22.35 mm und der Außenradius R 65,4304 mm mit einer Zentralöffnung R\ von 26,9240 mm. Der Übergang vom inneren zum mittleren Teil 50/52 erfolgt bei L₂= 12,8016 mm und /?2 = 43,4594 mm. Die jeweiligen Winkel α, β und ν sind 60°, 75° und 35°. Ein Übergangsradius ro von im wesentlichen 6,3500 mm für diese Ausführungsform war zentriert an einem Punkt Ri = 55,6514 mm und Li = 2,9210 mm. Damit ist der zwischen die Oberflächentangenten des äußeren und mittleren Teils eingeschlossene Winkel 150°. Der zwischen den Obcrflächentangenten des mittleren und inneren Teils eingeschlossene Winkel beträgt 195°. Für ein typisches Target aus Al-2%Si-4%Cu verträgt ein Target der hier beschriebenen Art etwa 100 Kilowattstunden Sprühen bei Spannungen im Bereich von 400 bis 800 Voll unter Verwendung einer üblichen Stromquelle. Vergleichbare Targets bekannter Art (F i g. 3A') halten typischerweise nur etwa 75 Kilowattstunden unter Verwendung der gleichen Stromquelle aus. Targets nach Fi g. 3A zogen unzureichende Leistung von der gleichen üblichen Stromquelle bei Betriebsbeginn und verschlechterten damit die Qualität der Beschichtung.

Die bevorzugte Ausführungsform des hier beschriebenen Targets ist mit Bezug auf ein System mit kreissymmetrischer Form dargestellt und erläutert worden, andere Konfigurationen sind jedoch ebenfalls möglich. Beispielsweise können das Target und die zugehörigen Elemente, wie das Magnetsystem, eine offene Rechteckform haben, gesehen von oben. Die Anordnung kann auch die Form einer Streifenleitung haben, was so vorzustellen ist, daß nur eine Seite von Fig. 1 verwendet wird und die Anode, das Target, die Magnete und die Polschuhe gerade Elemente sind, die in Richtung senkrecht zur Zeichenebene in F i g. 1 länglich sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

I.Target für Sprüh-Beschichtungsgeräte mit einer Magneteinrichtung, deren Feldlinien über der Sprühfläche des Targets verlaufen, bestehend aus einem ringförmigen Körper mit einer äußeren Seitenfläche, einer Grundfläche und einer Innenfläche, die wenigstens zwei hohlkegelige Teile aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche aus drei hohlkegeligen Teilen (50,52,54) besteht, von denen der mittlere (52) einen stumpferen Kegel· winkel (2/?) hat als die beiden anderen (50,54).
2. Target nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der halbe Kegelwinkel (v) des äußeren Teils (54) ein spitzer Winkel ist.
3. Target nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kegelwinkel (2λ, 2/) von äußerem (54) und innerem (50) Teil verschieden sind.
4. Target nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelwinkel (2λ) des inneren Teils (50) stumpfer ist als der (2;<) des äußeren Teils (54).
5. Target nach einem der Ansprüche 1 —4, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere (52) und der äußere (54) Teil allmählich (mit r_u) ineinander übergehen.
6. Target nach einem der Ansprüche 1—5, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen den Tangenten an den mittleren und den äußeren Teil im wesentlichen in der Größenordnung von 150° liegt und der Winkel zwischen den Tangenten an den mittleren Teil und den Innenteil im wesentlichen in der Größenordnung von 135° liegt.