DE3135208C2

DE3135208C2 -

Info

Publication number: DE3135208C2
Application number: DE3135208A
Authority: DE
Inventors: Urs Balzers Li Wegmann
Original assignee: Balzers Hochvakuum 6200 Wiesbaden De GmbH
Current assignee: OC Oerlikon Balzers AG
Priority date: 1980-10-14
Filing date: 1981-09-05
Publication date: 1988-12-08
Also published as: GB2090872B; CH648690A5; GB2090872A; JPS5926665B2; DE3135208A1; FR2492163B1; FR2492163A1; NL8104332A; JPS57131365A; US4448653A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kathodenanordnung zur Abstäu bung von Material von einem Target in einer Kathodenzerstäubungsan lage gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Anordnungen dieser Art sind zwar bekannt z. B. aus der US-PS 41 66 018, wobei zur Erzielung einer möglichst hohen Plasmadichte vor der zu zerstäuben den Fläche die Magnetanordnung derart ausgestaltet wurde, daß ein mög lichst großer Teil der magnetischen Kraftlinien durch die Targetplatte hindurch aus der Vorderseite derselben austrat und wieder in diese zu rückkehrte. Jede Kraftlinie bildete also einen Bogen vor der zu zerstäu benden Fläche, und die Anordnung wurde ferner so getroffen, daß die Gesamtheit der bogenförmigen Kraftlinien einen in sich geschlossenen Tunnel darstellte, in welchem beim Zerstäubungsbetrieb das Plasma ein geschlossen war. Die Abstäubung kam vor allem im Bereich der von diesem Tunnel bedeckten Fläche des Targets zustande. Der Wirkungsgrad der Zer stäubung konnte auf diese Weise ganz wesentlich gesteigert werden, aber es bleibt immer noch ein Nachteil, daß die Abstäubung ungleichmäßig erfolgte und daß deshalb die Targetplatten schon ersetzt werden mußten, bevor sie vollständig verbraucht waren. Bei den hohen Preisen vieler Targetmaterialien bedeutete das einen ziemlichen Verlust.

Um eine bessere Ausnützung zu erreichen, wurde schon vorgeschlagen, mehrere verschiedene Magnetsätze hinter der Targetplatte so anzuordnen, daß die zur Fläche derselben parallele Magnetfeldkomponente über einem möglichst großen Teil der Targetfläche möglichst groß war; es hat sich nämlich gezeigt, daß die Abstäubungsrate hautpsächlich von dieser Parallelkom ponente des magnetischen Feldes abhängt.

Aus der US-PS 41 80 450 ist bekannt, auf der Rückseite der Targetplatte außer einem ersten Magnet oder Magnetsatz weitere Magnete so anzuordnen, daß deren Magnetisierungsrichtung zur Magnetisierungsrichtung der ersten Ma gnete einen Winkel zwischen 45° und 90° einschließt. Damit konnte zwar eine gleichmäßigere Abtragung bei den meisten Targetmaterialien erzielt werden, doch hat sich gezeigt, daß es auch mit dieser, sowie mit anderen bekannten Anordnungen kaum möglich ist, magnetisierbare Materialien, z. B. Nickel oder gar Eisen zu zerstäuben. Dies ist deshalb so schwierig, weil das magnetisierbare Target die magnetischen Kraftlinien weitgehend kurz schließt und im Entladungsbereich vor dem Target das magnetische Feld dann fehlt, so daß keine genügend starke Entladung in diesem Bereich un terhalten werden kann. Die Dicke der Targets aus magnetisierbaren Mate rialien nach bekanntem Stand der Technik ist im besten Falle auf einige Zehntel mm begrenzt.

Diese Begrenzung ergibt sich durch die zur Verfügung stehende magnetische Energie in wirksamen Bereich. Für die Zerstäubung ferromagnetischer Ma terialien muß diese nämlich so hoch sein, daß das Target magnetisch gesättigt werden kann, um genügend Feldlinien hindurchtreten zu lassen; die durchtretenden Feldlinien sollten in einem Abstand von einigen Milli metern vor der zu zerstäubenden Fläche eine zu dieser parallele Magnet feldkomponente von mindestens 100 Gauss ergeben.

Es ist naheliegend und schon vorgeschlagen worden, dieses Problem durch eine entsprechende Verstärkung der Magnete zu lösen. Nach dem heutigen Stand der Technik kommt dafür nur Permanentmagnetmaterial aus teuren Speziallegierungen in Frage. Bauteile aus solchen Materialien sind des halb aufwendig, sind auch nicht leicht zu bearbeiten und wegen der äußerst großen Kraftwirkungen schwierig zu einem System zusammenzu bauen und zu haltern.

Eine weitere Unzulänglichkeit zeigen bekannte magnetfeldunterstützte Zerstäubungseinrichtungen hinsichtlich dickerer Targets und zwar auch dann, wenn die Targets nicht aus magnetischen Materialien bestehen. Auch in diesem Falle resultiert wegen der größeren Dicke eine nur un genügende magnetische Parallelfeldstärke auf der Target-Vorderseite, wodurch höhere Zünd- und Brennspannungen notwendig werden, um genügend hohe Plasmadichten und damit hohe Zerstäubungsraten zu erreichen. Es wurde versucht, das Problem unter Beibehaltung der geometrischen Kon figuration der Magnetanordnung der Feldverteilung wiederum dadurch zu lösen, daß alle Magnete der Anordnung einfach ent sprechend verstärkt wurden, was im Prinzip zwar möglich ist, aber, wie gesagt, einen wesentlich höheren Aufwand bedeutet.

Die DE-OS 29 20 780 zeigt eine Kathodenanordnung für die Abstäu bung von Material von einem Target in einer Kathodenzerstäu bungsanlage mit einem auf der von der zu zerstäubenden Fläche abgewandten Seite des Targets rahmenförmig angeordneten Perma nentmagneten und mit einem innerhalb des rahmenförmigen Magne ten befindlichen weiteren Permanentmagneten, dessen Magneti sierungseinrichtung zur Magnetisierungsrichtung des rahmenförmi gen Magneten einen Winkel zwischen 45 und 90° einschließt. Zum Beispiel werden hierbei zur Verstärkung des Magnetfeldes oberhalb der Kathodenfläche zu dieser senkrecht ausgerichtete Magnete und zur Verstärkung der Erosion unter einem bestimmten Winkel angestellte Magnete vorgesehen. Mit diesen und ähnlichen ma gnetischen Strukturen soll durch entsprechende Formung des Magnetfeldes eine bessere Ausnutzung des oft teuren Targetma terials erreicht werden. Diese Anordnung benötigt aber im all gemeinen immer noch zu ihrem Aufbau ziemlich viel teure Magnet werkstoffe; kostspielig wird dies, wie gesagt, vor allem dann, wenn zur Zerstäubung von ferromagnetischem Material für die Zerstäubungsanordnung Magnete besonders hoher Energiedichte verwendet werden müssen.

Die DE-PS 30 04 546 zeigt weiter eine sogenannte Penning-Zer stäubungsquelle, die eine Anode, eine von der Anode getrennte und ein Target bildende Kathode, einen permanentmagnetischen Erregungsmagneten und einen mit ihm gekoppelten magnetischen Leiter aufweist, wobei der magnetische Leiter gefäßförmig um den Erregungsmagneten herum angeordnet ist. Die Frage, welche magnetischen Werkstoffe für den Aufbau eines solchen Systems zu verwenden sind, wird dabei offengelassen und eine Lehre für die Einsparung an magnetischem Baumaterial oder für die Zer stäubung ferromagnetischer Targets geht daraus nicht hervor.

Die Erfindung stellt sich nun die Aufgabe, bei einer Anordnung zur kathodischen Abstäubung von Materialien, insbesondere auch ferromagnetischer Materialien, die Targetdicke und damit die zur Verfügung stehende Menge des in einem Arbeitsgang ab stäubbaren Targetmaterials wesentlich zu vergrößern.

Die Erfindungsaufgabe wird durch die spezielle Kathodenanord nung gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 gelöst.

Man erreicht hierdurch eine wesentliche Erhöhung der zur Targetfläche parallelen, für den Wirkungsgrad der Zer stäubung maßgebenden Komponente des magnetischen Feldes bei gleichzeitig guter Ausnützung des Targets, und zwar erreicht man dies überraschenderweise nicht durch eine gleichmäßige Verstärkung aller Magnete der Anordnung sondern durch eine entsprechende Verteilung magnetischen Materials von verschiede nem Energiegehalt. Weil dabei die Hälfte oder mehr des benötig ten Magnetwerkstoffes niederenergetisch sein kann und daher wesentlich billiger zu stehen kommt, wird mit der neuen Anord nung eine außerordentliche Einsparung erzielt.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 schematisch ein einfaches Ausführungsbeispiel, bei dem ledig lich ein äußerer Rahmen aus hochenergetischem Magnetwerkstoff vorge sehen ist und die Magnetisierungsrichtung des innerhalb dieses Rahmens untergebrachten niederenergetischen Werkstoffes mit derjenigen des äußeren Magneten einen Winkel von 90° einschließt;

Fig. 2 eine ähnliche Anordnung, die jedoch zusätzlich noch einen zen tralen weiteren Magneten aus hochenergetischem Werkstoff aufweist;

Fig. 3 ein Diagramm zum Vergleich der Erfindung mit dem bekannten Stand der Technik;

Fig. 4 das Schema eines weiteren Ausführungsbeispiels, bei dem die Feldrichtungen des hochenergetischen und des niederenerge tischen Materials miteinander einen Winkel von 45° einschließen;

Fig. 5 eine Anordnung zur Abstäubung von der Außenseite eines Rohres aus Targetmaterial;

Fig. 6 eine Anordnung zur Abstäubung von der Innenseite eines Rohres aus Targetmaterial und schließlich

Fig. 7 eine detailliertere konstruktive Ausführung eines sogenannten pla naren Magnetrons mit einer ebenen gekühlten Targetplatte.

In den Fig. 1 und 2 bezeichnet 1 eine Platte aus dem zu zerstäubenden Material z. B. eine 6 mm dicke Nickelplatte, wobei von einer (in der Zeichnung oberen) Seite derselben eine möglichst gleichmäßige Abstäu bung in einer Kathodenzerstäubungsanlage erreicht werden soll. Zu diesem Zweck sind auf der anderen (in der Zeichnungen unteren) Seite der Platte 1 zwei Magnete bzw. Sätze von Magneten angeordnet und zwar ein erster Ma gnet oder Magnetsatz 2, welcher einen äußeren Rahmen bildet, dessen Ma gnetisierungsrichtung zu der zu zerstäubenden Fläche senkrecht steht, wie durch Pfeile und die Polbezeichnungen N + S in den Figuren angedeu tet ist; die Magnetisierungsrichtungen können auch umgekehrt werden. Der bzw. die den äußeren Rahmen bildenden Magnete bestehen aus permanent magnetischem Material mit einer remanenten Energiedichte von wenigstens 40 kJ pro m³. Solche Materialien sind kommerziell erhältlich; z. B. be sitzt eine bekannte Magnetlegierung bestehend aus seltenen Erden und Kobalt, mit einem Kunststoffbindemittel gepreßt, eine remanente Ener giedichte von 50 kJ pro m³, und der gleiche Magnetwerkstoff in massiver Form ohne Kunststoffbindemittel weist sogar eine remanente Energiedichte von über 100 kJ pro m³ auf. Der Rahmen 2 kann z. B. ringförmig, oval oder rechteckig sein und er kann aus einem einzigen Stück bestehen oder aus mehreren Einzelmagneten zusammengefügt sein. Innerhalb des Rahmens 2 ist der zweite Magnet bzw. Magnetsatz 3 angeordnet, der eine Platte (Fig. 1) bzw. einen Ring (Fig. 2) bildet und aus niederenergetischem Magnetmaterial besteht, dessen Magnetisierungsrichtung, wie die Figuren durch die Pfeile und die Polbezeichnungen andeuten, mit der Magnetisie rungsrichtung des äußeren Rahmens einen Winkel von 90° einschließt und wobei die am äußeren Rand der Innenmagnete 3 liegenden Pole (N) und die dem Target zugewandten Pole der den Rahmen bildenden Außenma gnete 2 gleichnamig sind, in der Zeichnung also beide Nordpole. Die Ma gnetisierungsrichtungen könnten auch umgekehrt werden, so daß beide Süd pole sind.

Durch diese Anordnung wird erreicht, daß der magnetische Kraftfluß im Außenraum sich im wesentlichen im Bereich der Targetscheibe schließt; die magnetischen Streuverluste also gering bleiben. Auch wenn das Target aus magnetisierbarem Material wie z. B. Nickel besteht und also ein Teil des magnetischen Flusses dadurch kurzgeschlossen wird, bildet der rest liche, durch die Targetplatte hindurchgreifende Teil des magnetischen Flusses vor der zu zerstäubenden Targetfläche ein Feld mit einer ge nügend starken Parallelkomponente aus.

Die in den Fig. 1 und 2 schematisch dargestellten Anordnungen können in einer üblichen Kathodenzerstäubungsanlage angeordnet werden, wobei eine negative Hochspannung von einigen Hundert Volt an die bei der Zer stäubung als Kathode zu betreibende Targetplatte anzulegen ist und die positive Seite der Spannungsquelle in bekannter Weise entweder an einer separaten z. B. stab- oder ringförmigen Anode liegt, oder auch einfach mit der Wand der Zerstäubungskammer verbunden wird.

In Fig. 2 ist im Zentrum der Targetscheibe noch ein weiterer Hochener giemagnet 6 vorgesehen, dessen Magnetisierungsrichtung derjenigen der äußeren Magneten 1 entgegengesetzt ist. Durch diesen zusätzlichen Hochenergiemagneten erreicht man eine weitere Vergrößerung des magne tischen Flusses, so daß noch dickere Targets als mit der Vorrichtung nach Fig. 1 zerstäubt werden können.

In dem Diagramm der Fig. 3 gibt die Ordinate die magnetische Induk tion parallel zur Targetfläche in ca. 16 mm Abstand vom Magnetsystem in Gauss an und zwar in Abhängigkeit vom Abstand des Meßpunktes von einer durch das Zentrum der Targetplatte gedachten Achse. Die Kurve 7 bezieht sich dabei auf eine bekannte Anordnung, wie sie eingangs er wähnt wurde. Damit wurde, wie aus dem Diagramm ersichtlich, in einer Zone von ca. 2 bis 3,5 cm Abstand von der Plattenmitte eine parallele Magnetfeldstärke von 250 Gauss erzielt. Wurden bei dieser Anordnung dann anstelle der bisher üblichen niederenergetischen Magnete Hoch energiemagnete 2 eingesetzt, dann ergab sich eine etwas stärkere Pa rallelkomponente von ca. 300 Gauss. Dagegen konnte mit einer Anordnung, die entsprechend der Fig. 2 aufgebaut war, eine wesentlich höhere Parallelfeldstärke von 600 Gauss erreicht werden. Die Anordnung nach Fig. 2 ermöglicht daher wesentlich dickere Targets zu zerstäuben.

Weitere Untersuchungen haben gezeigt, daß je nach Material und Dicke der Targetplatte eine von 90° abweichende gegenseitige Orientierung der magnetischen Richtungen der niederenergetischen Innen- gegenüber den hochenergetischen Außenmagneten vorteilhaft sein, um eine noch bessere Ausnutzung des Targetmaterials zu erzielen.

In Fig. 4 ist der Fall einer 45°-Orientierung schematisch dargestellt, mit Magnetisierungsrichtungen , wie die Pfeile anzeigen.

In den Fig. 5 und 6 sind zwei Fälle dargestellt, die zeigen, wie eine Abstäubung von zylindrischen Flächen möglich ist. In diesen beiden Figuren bezeichnet 11 ein rohrförmiges Target dessen Außenseite (Fig. 5) bzw. Innenseite (Fig. 6) einer Zerstäubung unterworfen werden soll. Hierzu sind auf der jeweils nicht zu zerstäubenden anderen Seite des Targets, also innerhalb (Fig. 5) bzw. außerhalb (Fig. 6) des Rohres ringförmige niederenergetische Magnete 12 und hochenergetische radial magnetisierte Magnete 13 angeordnet, wobei die Magnetisierungs richtungen der beiden Magnetsysteme miteinander einen Winkel zwischen 45° und 90° einschließen; in den Fig. 5 und 6 ist der Fall für 90° gezeichnet. Im übrigen kann eine derartig aufgebaute zylindrische Katho denanordnung in analoger Weise in einer Zerstäubungsanlage betrieben werden wie obenstehend für den Fall einer ebenen Targetplatte beschrie ben.

Fig. 7 zeigt wieder eine Anordnung mit ebener Targetplatte. Dabei be zeichnet 20 eine Haltevorrichtung für eine Magnetanordnung ähnlich der jenigen der Fig. 2 die aus den hochenergetischen äußeren Magneten 21 und den niederenergetischen Innenmagneten 22 aufgebaut ist. Die Ma gnete sind durch eine Kühlplatte 23 abgedeckt, welche ihrerseits die Tar getplatte 24 trägt. Zur Kühlung der letzteren weist die Platte 23 Kanäle 25 auf, durch welche beim Betrieb ein Kühlmittel hindurchgeleitet werden kann. An ihrem Umfang wird die Targetplatte von einem Ring 27 um faßt, der zusammen mit der Platte 23 auf der Halterung 20 aufgeschraubt ist. Für den Betrieb ist eine nichtgezeichnete Spannungszuführung zur Tar getplatte 24 vorzusehen. Die Halterung 20 ist von dem Gehäuse umgeben, welches mit seiner Öffnung 29 lediglich die Vorderseite der Targetfläche für eine Abstäubung freigibt. Der Abstand zwischen den Innenwänden des Gehäuses 28 und der Außenseite der Halterung 20 muß in bekannter Weise kleiner als die mittlere freie Weglänge der Elektroden beim Entladungs druck bemessen werden.

Claims

1. Kathodenanordnung zur Abstäubung von Material von einem Target in einer Kathodenzerstäubungsanlage mit einem auf der von der zu zerstäubenden Fläche abgewandten Seite des Targets rahmenförmig angeordneten Permanentmagneten und mit einem innerhalb des rahmenförmigen Magneten befind lichen weiteren Permanentmagneten, dessen Magnetisie rungsrichtung zur Magnetisierungsrichtung des rahmenförmi gen Magneten einen Winkel zwischen 45° und 90° ein schließt, dadurch gekennzeichnet, daß der rahmenförmige Magnet (2, 13, 21) aus einem per manentmagnetischen Material mit einer Energiedichte von wenigstens 40 kJ pro m³ und der weitere Magnet (3, 12, 22) aus einem solchen mit einer Energiedichte von weniger als 40 kJ pro m³ besteht.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterschied des Energieinhaltes der beiden magnetischen Materialien wenigstens 10 kJ/m³ beträgt.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des rahmenförmigen Magneten (2, 21) zusätzlich zu dem Magneten (3, 22) aus niederenergetischem Material ein weiterer, zentral angeordneter Magnet (6, 21) mit einer Energiedichte von mehr als 40 kJ/m³ angeordnet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierungsrichtung des Magneten aus dem hochenergetischen Material mit der Magnetisierungsrichtung der Magnete aus dem nieder energetischen Material einen Winkel von 90° einschließt.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Magnetanordnung und Target (1, 11, 24) relativ zueinander beweg bar sind.