DE3211229C2

DE3211229C2 -

Info

Publication number: DE3211229C2
Application number: DE3211229A
Authority: DE
Inventors: Kyuzo Nakamura; Yoshifumi Ohta; Taiki Inba Chiba Jp Yamada
Original assignee: Nihon Shinku Gijutsu KK
Current assignee: Nihon Shinku Gijutsu KK
Priority date: 1981-03-27
Filing date: 1982-03-26
Publication date: 1993-02-11
Also published as: US4401546A; DE3211229A1; CH649578A5

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbe griff des Anspruchs 1, bei welcher ein Target ferromagne tischen Materials verwendet wird, beispielsweise Fe, Co, Fe-Ni, Co-Cr, Cr-R, Fe₃O₄, BaO-Fe₂O₃ und dgl.

Eine Vorrichtung dieser Art ist in der JP-DS Sho 55-1 48 769 beschrieben und dargestellt. Bei dieser bekannten Vorrichtung ist in einer evakuierten Kammer ein Target aus ferromagnetischem Material wie Fe oder dgl. vorge sehen, und es ist hinter dem Target eine Magnetfeld-Er zeugungseinrichtung angeordnet, wodurch an der Oberfläche des Targets ein magnetisches Streufeld erzeugt wird, so daß die Plasmadichte erhöht werden kann.

Diese bekannte Vorrichtung neigt zu dem Nachteil, daß es für eine Schnell- oder Hochgeschwindigkeitszer stäubung der Erzeugung eines parallelen Magnetfeldes einer Stärke von etwa 2 × 10^-2 T an der Oberfläche des Targets bedarf und deshalb erforderlich ist, das Target dünn auszugestalten, und außerdem dem Target mit der Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung ein Magnetfeld zu erteilen, dessen Stärke oberhalb des magnetischen Sättigungswertes des Targets liegt. Infolgedessen wird der Verschleiß und der Verbrauch des Targets beschleunigt und seine Lebensdauer gemindert. Wenn beispielsweise ein Bariumferrit-Magnet als Magnetfeld- Erzeugungseinrichtung verwendet wird sowie ein Fe-Target in Gestalt einer Platte als ferromagnetisches Target verwendet wird und diese beiden in gegenseitige Berührung miteinander gebracht werden, muß die Dicke des Fe-Targets geringer als 1,4 mm sein, um ein magnetisches Streufeld von etwa 2 × 10^-2 T an der Oberfläche des Targets zu erhalten.

Wenn in diesem Fall eine Stützplatte aus Kupfer an der Rückseite des Fe-Targets zu dessen Verstärkung vorgesehen ist, muß die Dicke des Fe-Targets kleiner als 0,7 mm bemessen sein. Dies führt zu einem noch ungünstigeren Ergebnis, nämlich zu einer sehr kurzen Nutzungsdauer des Targets.

Es ist aus der DE-PS 23 50 322 an sich bekannt, Spalten in einem Target vorzusehen, jedoch erfolgt bei dieser bekannten Ausgestaltung die Zerstäubung ohne magnetische Verstärkung, und es sind in den Spalten Erdungsstege mit dem Zweck angeordnet, Entladungen zwischen den Targetteilen zu verhindern.

Es ist außerdem aus der DE-OS 30 12 935 bekannt, die Target in der Form eines Ringes vorzusehen (Fig. 11A und 11B), jedoch ergibt sich hierdurch keine Ausgestaltung des Targets in Form von wenigstens zwei Segmenten. Es ist der Zweck dieser bekannten Ausgestaltung, das Target durch den ringförmigen Freiraum zwischen vorhan denen Magnetringen führen zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art so auszugestalten, daß sich eine längere Lebensdauer für das Target erreichen läßt.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird an der Vorderseite des Targets ein magnetisches Streufeld erzeugt, wodurch die Plasmadichte und die Leistungsfähig keit der Vorrichtung vergrößert wird. Außerdem ermöglicht die erfindungsgemäße Ausgestaltung eine dickere Bemessung des Targets, wodurch die Lebensdauer des Targets ver längert wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung einer Vorrichtung zur ferromagnetischen Schnellzerstäubung im Schnitt;

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht eines wesentlichen Teils der Vorrichtung;

Fig. 3 eine perspektivische Teilansicht der Vorrich tung;

Fig. 4 ein Diagramm der Kennlinien eines magnetischen Streufeldes;

Fig. 5 ein Diagramm, das die Beziehungen zwischen ei nem schmalen Spalt zwischen zwei Targetsegmenten und einem eindringenden Plasma zeigt;

Fig. 6 ein Diagramm der Kennlinien eines elektrischen Entladestromes;

Fig. 7 und 8 abgewandelte Ausführungsformen für ein Target in der Draufsicht;

Fig. 9 ein weitere Abwandlung im Schnitt;

Fig. 10 eine weitere Abwandlung in perspektivischer Darstellung;

Fig. 11 ein Diagramm der Kennlinien eines magnetischen Streufeldes der Vorrichtung gemäß Fig. 10;

Fig. 12 ein Diagramm der Kennlinien eines Entladestro mes der Vorrichtung gemäß Fig. 10;

Fig. 13 ein Diagramm, das die Eintrittsbedingungen für Plasma in einen kleinen Spalt zeigt.

In den Fig. 1 und 3 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein Target aus ferromagnetischem Material wie Fe oder dgl., welches so in einer evakuierbaren Kammer 17 angeordnet ist, daß es mit seiner Vorderseite zu einem Substrat 18 hinweist. Das Bezugszeichen 2 bezeichnet eine Stützplatte aus nichtferromagnetischem Ma terial, die an der Rückseite des Targets 1 angeordnet ist. Mit 3 ist eine Magnetfeld-Erzeugungsein richtung bezeichnet, die aus einem Bariumferrit-Magnet oder dgl. be steht und an der Rückseite der Stützplatte 2 vorgesehen ist. Bezugszeichen 4 bezeichnet einen Kühlwasserbehälter aus nichtferromagnetischem Material, der Kühlwasser enthält, und Bezugszeichen 3 a bezeichnet ein Joch. Wenn an das Target 1 in diesem Zustand ein Kathodenpotential angelegt wird, wird es zerstäubt, wobei feine Partikel desselben auf dem Substrat 18 niedergeschlagen werden. Das Bezugszeichen 19 bezeichnet eine Anode, und das Bezugszeichen 20 eine Gleichspannungs quelle. Soweit unterscheidet sich der Aufbau nicht besonders von einer herkömmlichen Zerstäubungsvorrichtung.

Das Target 1 ist aus einer Vielzahl von Segmenten 1 a aus ferromagnetischem Material aufgebaut, welche so angeordnet sind, daß die einander be nachbarten Segmente 1 a durch einen kleinen Spalt 5 voneinander beabstandet sind.

Bei dem in den Fig. 1 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist jedes Seg ment 1 a aus ferromagnetischem Material zu einem ringförmi gen Körper geformt, welcher einen rechteckigen Querschnitt und eine Breite b von 5 mm aufweist. Die Segmente 1 a sind an der Stützplatte 2 derart angeordnet, daß ein kleiner Spalt 5 von 1 mm zwischen jeweils benachbarten Segmenten 1 a bleibt. Hinter dem Fe-Target 1 dieser Größe und Gestalt ist eine Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung 3 vorgesehen, die einen Bariumferrit-Magneten 3 umfaßt. Als Ergebnis von Intensi tätsmessungen des Magnetfeldes in der Horizontalrichtung an einem Punkt c, welcher in der Mitte zwischen den Magnet polen und in einem Abstand von 3 mm von der Vorderseite des Targets 1 liegt, wobei die Dicke t des Targets 1 verändert wird, wird die in Fig. 4 gezeigte Kurve A erhalten. Da gegen ist das Ergebnis der Intensitätsmessung des Magnet feldes im Fall eines herkömmlichen Targets, das aus Fe besteht und die Gestalt einer Platte mit durchgehender Oberfläche besitzt, wobei deren Dicke verändert wird, durch die Kurve B in Fig. 4 gezeigt. Hinsichtlich der Intensi tät G des Magnetfeldes ist die Kurve B niedriger als die Kurve A, ausgenommen der Fall, in dem die Dicke des Targets 0 mm beträgt, das heißt, in welchen nur die Stützplatte allein vorhanden ist. Um ein magnetisches Streufeld einer Intensität von mehr als 2 × 10^-2 T zu erzeugen, das für eine Schnell- oder Hochgeschwindigkeitszerstäubung erforderlich ist, muß die Dicke eines Targets 0,7 mm oder weniger betragen, und wenn das Target 1 stärker als 2 mm ist, kann seine magnetische Sättigung nicht erreicht werden, so daß kein magnetisches Streufeld erzeugt werden kann, das an der Oberfläche des Targets streut. Hier kann jedoch, selbst wenn die Dicke des Targets 1 etwas we niger als 5 mm beträgt, ein magnetisches Streufeld von etwa 2 × 10^-2 T erhalten werden. Ein entsprechend dickes Target 1 ist für eine vergleichsweise lange Zer stäubungszeit haltbar, und es kann auch eine Magnetfeld- Erzeugungseinrichtung 3 verwendet werden, deren Magnetfeld stärke niedriger ist als ihr magnetischer Sättigungswert.

Wenn der zwischen den Segmenten 1 a gebildete kleine Spalt 5 zu groß ist, tritt Plasma in ihn ein, mit dem Er gebnis, daß die Stützplatte 2 durch das Plasma zerstäubt wird und die zerstäubten Partikel auf dem Substrat 18 als Fremdmaterial niedergeschlagen werden, was ungünstig ist. Wenn jedoch, wie durch den Bereich C in Fig. 5 gezeigt, der kleine Spalt 5 kleiner als etwa 3 mm aus gelegt wird, kann das Plasma ohne Rücksicht auf die Argon- Druckwerte nicht in den kleinen Spalt 5 eintreten, und folg lich kann die Stützplatte 2 nicht durch das Plasma zer stäubt werden. Ein in der gleichen Figur gezeigter Bereich D bezeichnet den Bereich, innerhalb welchem ein Eintreten von Plasma stattfindet.

Elektrische Entladungs-Kennlinien für den Fall eines ferro magnetischen Segments 1 a von quadratischer Gestalt, welches 5 mm dick und 5 mm breit ist, werden durch die Kurven E-J in Fig. 6 dargestellt. Daraus ist erkennbar, daß eine einer Schnellzerstäubung eigene hohe Entladung mit einem solchen Target erhältlich ist.

In Fig. 6 wird die Kurve E im Fall eines Argon-Gasdrucks von etwa 1,3 × 10^-2 mbar erhalten, die Kurve G bei etwa 6,5 × 10^-3 mbar, die Kurve H bei etwa 3,9 × 10^-3 mbar, die Kurve I bei etwa 1,3 × 10^-3 mbar und die Kurve J bei etwa 6,5 × 10^-4 mbar. Im Fall der Kurve G wird mit 630 V und 8 A eine Niederschlagsgeschwindigkeit von 6100 Å/min erhalten.

Als andere Maßnahme zur Bildung des kleinen Spaltes 5 kann in Betracht gezogen werden, nach dem Verbinden des flachen plattenförmigen Targets aus ferromagnetischem Material mit der Stützplatte das Target 1 an seiner Vorderseite auf zuschneiden, so daß eine große Zahl kleiner Spalte in einer Gitterformation gebildet wird, wie in Fig. 7 und Fig. 8 gezeigt. Das Target 1 ist dann so aufgebaut, daß es eine große Zahl kleiner quadratischer Segmente 1 a aus ferromagneti schem Material aufweist. Im Fall der Anordnung gemäß Fig. 8 befinden sich die schmalen Spalte 5 nicht unter rechtem Winkel zu dem Magnetfeld in der Richtung X-X und der Rich tung Y-Y, sondern es wird ein Magnetfeld erzeugt in den Richtungen, die einer Zusammensetzung von Linienvektoren des magnetischen Streufeldes entsprechen, das von den kleinen Spalten 5 gestreut wird, die das von dem Target 1 ent wickelte Magnetfeld kreuzen, und daher treten mit einem solchen Target 1 in der praktischen Anwendung als Ganzes keine Schwierigkeiten auf.

Ferner kann die Vorrichtung so abgewandelt werden, daß mehrere Magnete, welche die Magnetfeld-Erzeugungseinrich tung 3 bilden, in axialer vertikaler Richtung angeordnet sind und mehrere ringförmige Segmente 1 a aus ferromagneti schem Material so angeordnet sind, daß zwischen ihnen kleine Spalte 5 verbleiben und daß sie die Erzeugungseinrich tung 3 derart umgeben, daß ein Target 1 mit einem rohr förmigen Körper gebildet wird, welches sich zur Verwendung in einer koaxialen Zerstäubungsvorrichtung eignet.

Außerdem kann die Vorrichtung so ausgebildet sein, daß ein Vorsprung bzw. bergförmiger Abschnitt 7 mit Schrägflächen 6 an der Vorderseite jedes der kleinen Segmente 1 a aus ferromagnetischem Material vorgesehen wird, so daß die Schrägflächen 6 als Zerstäubungsflächen zum allmählichen Zerstäuben und Ver brauch dienen. Eine Ausführung dieser Art ist in Fig. 10 gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht die Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung 3 aus Barium ferrit-Magneten. Jedes der kleinen Segmente 1 a aus ferromag netischem Material ist so bemessen, daß die Höhe L seines Basisabschnitts 8 5 mm und die Höhe M des bergför migen Abschnitts 7 20 mm beträgt. Ferner sind die jeweiligen ferromagnetischen Segmente 1 a so an der Stützplatte 2 ange ordnet, daß der Abstand N zwischen den benachbarten bergför migen Abschnitten 7 20 mm beträgt.

Wenn bei dieser Vorrichtung unter Veränderung des Spaltes 5 zwischen den benachbarten Basisabschnitten 8 die Intensität des Magnetfeldes oberhalb des Spaltes 5 an Punkten O, P, Q und R ermittelt wird, die im jeweiligen Abstand von 5 mm voneinander im Zwischenraum zwischen den Schrägflächen 6 einander benachbarter bergförmiger Abschnitte 7 liegen werden die Kurven 9, 10, 11, 12 erhalten, die in Fig. 11 gezeigt sind.

Die Kurve 9 zeigt die Magnetfeldstärke an dem Meßpunkt O, und die Kurven 10, 11, 12 zeigen die Magnetfeldstärken an den jeweiligen Meßpunkten P, Q, R. Daraus geht hervor:
Wenn der Abstand des schmalen Spaltes 5 Null ist, das heißt, wenn die Basisabschnitte 8 in Kontakt miteinander gebracht werden und ineinander übergehen, werden die Magnetfeld stärken an sämtlichen Meßpunkten kleiner als 2 × 10^-4 T, die jenseits der Meßbarkeit liegen, und in diesem Kontaktzustand erreicht das Segment 1 a aus ferromagnetischem Material seine magnetische Sättigung nicht. Aus Fig. 11 geht auch hervor, daß bei allmählicher Verbreiterung des kleinen Spaltes 5 die Magnetfeldstärken an sämtlichen Meßpunkten abrupt an steigen und danach allmählich weiter steigen, und selbst in dem Fall, in dem der Spalt 5 sehr klein ist und nur etwa 0,5 mm beträgt, können solche starke magnetische Streufeldkräfte wie 1,7 × 10^-2 T am Punkt O und 6 × 10^-2 T am Punkt R erhalten werden. Also ist selbst bei einem Magnetfeld, welches unterhalb des magnetischen Sättigungs wertes liegt, ein ausreichend starkes magnetisches Streufeld zu erhalten.

Ferner ist bei der Breite des Spaltes 5 von 1 mm die elektrische Entladungskennlinie ermittelt worden, und die Ergebnisse sind in Fig. 12 gezeigt. In diesem Fall wird die Messung unter der Bedingung durchgeführt, daß die Größe des Targets 1 5 × 8 Zoll beträgt und eine Gleichstromzerstäubung durchgeführt wird.

Gemäß Fig. 12 wird die Kurve 13 im Fall eines Argon-Gasdrucks von etwa 1,3 × 10^-2 mbar erhalten, und die Kurven 14, 15 und 16 werden in den entsprechenden Fällen der gleichen Gasdrucke von etwa 9,1 × 10^-2, 6,5 × 10^-3 und 1,3 × 10^-3 mbar erhalten. Daraus ist erkennbar, daß in den entsprechenden Fällen hohe elektri sche Entladeströme erhalten werden können, die für die Schnellzerstäubung eigentümlich sind. Auch im Fall der Kurve 14 wird bei 500 V und 9 A die Niederschlagsgeschwindigkeit auf dem Substrat 4500 Å/min, was mehr ist als das Zehnfache der Niederschlagsgeschwindigkeit bei einer gewöhnlichen RF- Zerstäubung.

Mit Zunahme der Breite des Spaltes 5 wird das mag netische Streufeld an der Oberfläche des Targets 1 vergrö ßert. Aber wenn die Breite zu groß wird, tritt das Plasma in den Spalt 5 ein und zerstäubt die Stützplatte 2, was zur Ursache des Einschlusses von Verunreinigungen in einem Niederschlagsprodukt wird. Wenn aber der Spalt 5 so eingestellt wird, daß er kleiner als etwa 3 mm ist, kann das Plasma nicht in den Spalt 5 eintreten, so daß die Stütz platte 2 nicht zerstäubt wird, wie durch einen Bereich V ge zeigt. Das Symbol U in der gleichen Fig. 13 markiert einen Bereich, innerhalb welchem das Eintreten von Plasma möglich ist.

Die Vorrichtung arbeitet folgendermaßen:

Das Magnetfeld, das von der Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung 3 erzeugt wird, welche auf das Target 1 aus ferromagneti schem Material von hinten wirkt, stellt sich an der Vorderseite des Targets 1 als verhältnismäßig starkes magnetisches Streufeld dar, da das Target 1 aus einer Vielzahl voneinander beabstandeter Segmente 1 a aufgebaut ist, und wenn das Target 1 durch Anlegen des Kathodenpotentials zerstäubt wird, wird durch das magnetische Streufeld die Plasmadichte vergrößert, so daß eine Hochgeschwindigkeits- oder Schnell zerstäubung des ferromagnetischen Segments 1 a des Targets 1 erfolgt.

Bei der Ausgestaltung eines Targets mit Segmenten 1 a in Form von bergförmigen Abschnitten 7 mit Schrägfläche 6 wird ferner die Zerstäubungsfläche vergrößert, und gleichzeitig wird das Volumen jedes Segments 1 a durch den bergförmigen Abschnitt 7 vergrößert. Es wird somit ein Target 1 längerer Lebensdauer geschaffen.

Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann selbst dann, wenn die Magnetfeldstärke einer Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung, die hinter dem Target angeordnet ist, unterhalb eines magne tischen Sättigungswertes liegt, ein vergleichsweise starkes magnetisches Streufeld an der Oberfläche des Targets 1 erzeugt werden, und dementsprechend kann eine Magnetfeld-Erzeugungs einrichtung verwendet werden, welche ein vergleichsweise schwaches Magnetfeld entwickelt und nicht teuer ist, und außerdem kann die Dicke des Targets auf das 5-7fache der Dicke eines herkömmlichen Targets in einer durchgehenden Plattengestalt vergrößert werden, so daß die Haltbarkeit des Targets 1 verbessert wird und das Zerstäuben des Targets 1 aus ferromagnetischem Material kontinuierlich und mit gutem Wirkungsgrad durchgeführt werden kann. Ferner wird durch die Anordnung eines bergförmigen Abschnitts 7 an der Vorderseite jedes ferromagnetischen Segments 1 a eine lange Lebensdauer erzielt.

Claims

1. Vorrichtung zur ferromagnetischen Schnellzerstäubung, bei welcher in einer evakuierbaren Kammer ein Target aus ferromagnetischem Material, das als Kathode dient, sowie ein Substrat angeordnet sind und rücksei tig vom Target eine Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (1) aus wenigstens zwei Segmenten (1 a) aus ferromagnetischem Material besteht, die durch einen kleinen Spalt (5) voneinander getrennt angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Segment (1 a) an seiner Vorderseite mit einem bergförmigen Abschnitt (7) versehen ist, der wenigstens eine Schrägfläche (6) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (1 a) ringförmig ausgebildet und koaxial zueinander angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (1 a) mit ihrer Rückseite an einer Stützplatte (2) abgestützt sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Spalte (5) kleiner als etwa 3 mm ist bzw. sind.