DE3229969A1 - Device for high-rate atomization using the plasmatron principle - Google Patents
Device for high-rate atomization using the plasmatron principleInfo
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Abstract
Description
Einrichtung zum IIochratezerstauben nach dem PlasmatrenprinzipDevice for Iochrate atomization according to the plasma principle
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Hochratezerstäuben nach dem Plasmatronprinzip, Solche Einrichtungen dienen als Teilchenquelle für Vakuumbeschichtungsanlagen zur Abscheidung von Schichten, die auf den verschiedensten Gebieten der Technik, insbesondere der Elektronik, Optik und Werkstoffveredelung, angewendet werden.The invention relates to a device for high-rate atomizing the plasmatron principle, such devices serve as a particle source for vacuum coating systems for the deposition of layers, which are used in the most diverse fields of technology, in particular in electronics, optics and material refinement.
Von den Plasmatronquellen unterschiedlicher Bauart haben sich vor allem solche mit ebenen Targets aus dem zu zerstäubenden Material und mit langgestrecktem Ringspalt für die Beschichtung großer Substratflächen durchgesetzt. Im technischen Einsatz solcher Quellen wirkt sich der begrenzte, relativ niedrige Ausnutzungsgrad des Targetmaterials, der meist um oder unter 30 % liegt, nachteilig aus. Daraus resultiert eine zu geringe Standzeit der Quellen infolge dem notwendigen Targetwechseis und damit eine Unterbrechung der Vakuumbeschichtung. Die Kosten für das Targetmaterial und die Konfektionierung des Targets bis zur notwendigen geometrischen Porm und Montage stellen einen erheblichen Teil der Beschichtungskosten dar. Deshalb wurden verschiedene Wege zur Verbesserung des Ausnutzungsgrades der Targets vorgeschlagen, wie z. B. die Anordnung von Hilfsmagneten (DE-OS 30 04 546). Alle Lösungen führen allgemein zu einem wesentlich kompllzierteren Aufbau der Plasmatronquellen ohne eine wesentliche Verbesserung des Ausnutzungsgrades des Targetmaterials.From the plasmatron sources of different types have before especially those with flat targets made of the material to be sputtered and with elongated targets Annular gap enforced for the coating of large substrate surfaces. In the technical Use of such sources affects the limited, relatively low degree of utilization of the target material, which is usually around or below 30%, is disadvantageous. From it This results in a too short service life of the sources as a result of the necessary target change and thus an interruption of the vacuum coating. The cost of the target material and the assembly of the target up to the necessary geometrical shape and Assembly represent a significant part of the coating costs. Therefore, various ways to improve the degree of utilization of the targets proposed, such as B. the arrangement of auxiliary magnets (DE-OS 30 04 546). Lead all solutions generally to a much more complex structure of the plasmatron sources without a significant improvement in the degree of utilization of the target material.
Neben diesen Quellen mit ebenen Targete (Planar-Plasmatron-Quellen) wurden auch sogenannte Eorus-Plasmatron-Quellen vorgeschlagen, die sich durch einen hohen Ausnutzungsgrad des Targetmateriale auszeichnen (DD-PS 123 952)* Diese sind aber nur für die allseitige Beschichtung in zylindrischen konzentrischen Beschichtungsanordnungen geeignet. Für die einseitige Beschichtung ebener Substratanordnungen ist ihr Einsatz unzweckmäßig und ebenfalls mit einem niedrigen Ausnutzungsgred des Terge-tmaterials verbunden.In addition to these sources with flat Targete (planar plasmatron sources) So-called Eorus Plasmatron sources have also been suggested, which are separated by a characterize high degree of utilization of the target material (DD-PS 123 952) * These are but only for all-round coating in cylindrical concentric coating arrangements suitable. They are used for the one-sided coating of planar substrate arrangements inexpedient and also with a low utilization factor of the terge-t material tied together.
Ein weiterer Mandel der bekannten Plasmatron-Quellen mit ebenem Target besteht darin, daß die Leistungsdichte und damit die Beschichtungsrate durch die physikalisch-technischen Grenzen der Targetkühlung eingeschränkt ist, Die Erfindung hat das Ziel, Mängel des Standes der Technik zu überwinden, den Aufwand für die Targetherstellung beim Hochratezerstäuben zu senken und die Beschichtungskosten zu verringern, Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Hochratezerstäuben nach dem Plasmatronprinzip mit langgestrecktem Ringspalt zu schaffen, welche sich durch'einen hohen Ausnutzungsgrad für das Targetmateriel, eine lange Targetstandzeit und die Möglichkeit zur Erreichung einer ho-hen ßesohichtungsrate auszeichnet und für die Beschichtung ebener Substratanordnungen geeignet ist.Another almond from the well-known Plasmatron sources with a flat target is that the power density and thus the coating rate by the physical-technical limits of target cooling is limited, the invention has the goal of overcoming deficiencies in the prior art, the effort for the Reduce target production with high-rate sputtering and reduce coating costs The object of the invention is to provide a device for high-rate atomization according to the plasmatron principle with an elongated annular gap to create which through a high degree of utilization of the target material, a long target service life and the possibility of achieving a high destruction rate and is suitable for coating flat substrate arrangements.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Einrichtung, bestehend aus einer magnetfelderzeugenden Einrichtung mit Ringspalt, einer Anode und einem gekühlten Target aus dem zu zerstäubenden Material, dadurch gelöst, daß das Target die Form eines Rohres hat, in dessen Innerem sich eine oder mehrere magnetfelderzeugende Einrichtungen mit in sich geschlossenen, langgestreckten Ringspalten, deren Feldlinien durch das Rohr greifen, derart befinden, daß ihre große Achse parallel zur Rohrachse liegt. Der Durchmesser des Rohres beträgt zweckmäßigerweise mehr als das Dreifache der mittleren Ringspaltenbreite, die durch den Abstand der Polschuhe der magnetfelderzeugenden Einrichtung gegeben ist. Die Einrichtung enthält einen Antrieb zur Erzeugung einer Relativbewegung des Rohres gegenüber der beziehungsweise den magnetfelderzeugenden Einrichtungen, vorzugsweise einer gleich förmigen Rotation um die Rohrachse. Weiterhin enthält die Einrichtung eine Vorrichtung (Exzenter) zur Veranderung des Abstandes zwischen der Innenwand des Rohres und der magnetfelderzeugenden Einrichtung. Die Anode umgibt das Rohr allseitig, mit Ausnahme des Ringspaltbereiches, in dem das Abstäuben dei Targetmaterials erfolgt. Ihr Abstand zur wirksamen Targetoberfläche kann durch eine Verstelleinrichtung diskontinuierlich oder kontinuierlich auf einen festen Wert von z, B. 4 mm eingestellt werden.According to the invention, the object is achieved with a device from a magnetic field generating device with an annular gap, an anode and a cooled target from the material to be sputtered, solved in that the target has the shape of a tube, inside of which there are one or more magnetic fields generating Devices with self-contained, elongated annular gaps, whose Field lines grip through the pipe, located in such a way that their major axis is parallel to the pipe axis. The diameter of the tube is expediently more than three times the mean annular gap width, which is determined by the distance between the pole pieces the magnetic field generating device is given. The facility includes a Drive for generating a relative movement of the pipe with respect to the or the magnetic field generating devices, preferably a uniform rotation around the pipe axis. The device also contains a device (eccentric) to change the distance between the inner wall of the pipe and the magnetic field generating Furnishings. The anode surrounds the pipe on all sides, with the exception of the annular gap area, in which the target material is dusted. Your distance to the effective target surface can be discontinuously or continuously on one by means of an adjustment device fixed value of e.g. 4 mm can be set.
Wird beim Betrieb der erfindungsgemäßen Einrichtung in einer Zeretäubungselnrichtung an das rohrförmige Target eine negative Spannung gelegt, so bildet sich auf der Oberflache des Rohres im Bereich der magnetfelderzeugenden Einrichtung eine Plasmatron-Gasentladung, aus. Der Bereich hoher Plasmadichte entspricht der geometrischen Form des Ringspaltes. Bei gleichförmiger Ro-@ation des Rohres führt diese Gasentladung zu einer Zerstäubung der gesamten Mantelfläche-des Rohres und damit zu einem gleichmäßigen Abtrag des Materials.When the device according to the invention is operated in a stunning direction When a negative voltage is applied to the tubular target, it forms on the Surface of the tube in the area of the magnetic field generating device a plasmatron gas discharge, the end. The area of high plasma density corresponds to the geometric shape of the annular gap. If the tube rotates uniformly, this gas discharge leads to atomization the entire outer surface of the pipe and thus to a uniform removal of the Materials.
Bedingt durch die geometrische Form des Ringspaltes ergäbe sich bci konstanter Breite im gekrümmten Teil des Ringspaltes ein im Vergleich um nicht gekrümmten Teil höherer Abtrag an Targetmaterial, der dazu führen würde, daß die Standzeit wie'auch der Ausnutzungsgrad des Targets durch die technisch notwendige Restdicke des Targete an der Stelle maximalen Abtrags begrenzt würden. Es ist daher vorteilbaft, den Ringspalt im gekrümmten Bereich bei konstanter magnetischer Feldstärke zu verbreitern.Due to the geometric shape of the annular gap, bci would result constant width in the curved part of the annular gap in comparison to not curved Part of higher removal of target material, which would lead to the service life like'auch the degree of utilization of the target due to the technically necessary residual thickness of the target would be limited at the point of maximum removal. It is therefore advantageous to widen the annular gap in the curved area with constant magnetic field strength.
Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung wird eine extrem hohe Materialauenutzung erreicht (ca. 80 %), Die Targetstandzeit wird wesentlich erhöht. Die Kosten für die Targetkonfektionierung sind gering, da ein rohrförmiges Halbzeug mit geringem Bearbeitungsaufwand verwendet wird Der gleichmäßige Abtrag der Targeteberfläche und die durch die Einrichtung gegebene Möglichkeit zur Veränderung des Abstandes zwischen dem Rohr und der Magnetfelderzeugenden Einrichtung wirken sich derart aus, daß im gesamten Verlauf des Zerstäuben2 des Targets die Plasmafokusierung konstant ist und damit die Betriebsparameter des Plasmatrons wie Brennspannung und Entladungsstrom konstant bleiben. Durch die Vorrichtung zur Einstellung des Abstandes zwischen Anode und wirksamer Targetoberfläche wird der überschlagefreie Betrieb unabhängig vom Erosionszustand des Targets erreicht.With the device according to the invention, an extremely high level of material utilization is achieved reached (approx. 80%), the target service life is increased significantly. The price for the target assembly are low, since a tubular semi-finished product with low Processing effort is used The uniform removal of the target surface and the possibility of changing the distance provided by the device between the pipe and the device generating the magnetic field have such an effect that throughout the course of the sputtering2 of the target, the plasma focus is constant and thus the operating parameters of the plasmatron such as the operating voltage and discharge current stay constant. By the device for adjusting the distance between anode and effective target surface, rollover-free operation is independent of the Erosion of the target reached.
Durch die Einrichtung> insbesondere bei gleichförmiger Rotation des Targets, wird im Zeitmittel die Leistungedichte auf dem Target bei gegebener Gesamtleistung um mehr als eine Größenordnung reduziert. Dadurch kann die Gesamtleistung und damit die Beschichtungsrate gegenüber Quellen entsprechend dem bisherigen Stand der Technik um diesen Faktor erhöh-t werden. Die Richtcharakteristik ist, bedingt durch die Krümmung der Targetoberfläche, besondere der gleichmäßigen Beschichtung ebener Substrat anordnungen angepaßt.By the device> especially with uniform rotation of the target, the time average is the power density on the target at a given Overall output reduced by more than an order of magnitude. This can increase the overall performance and thus the coating rate against sources according to the previous status technology can be increased by this factor. The directional characteristic is conditional due to the curvature of the target surface, especially the uniform coating flat substrate arrangements adapted.
In den zugehören Zeichnungen zeigen: Fig. 1: einen Querschnitt durch die Einrichtung.The accompanying drawings show: FIG. 1: a cross section through the establishment.
Fig. 2: einen Längsschnitt der Einrichtung.Fig. 2: a longitudinal section of the device.
Die Einrichtung zum Ilochratezerstäuben nach dem Plasmatronprizip mit langgestrecktem Ringspalt besitzt ein rohrförmiges Target 1 aus dem zu zerstäubenden Material (Aluminium), Im Inneren dieses Target 1 befindet sich die magnetielderzeugewde Einrichtung 2 mit einem langgestreckten, in sich geschlossenen Ringspalt 3, Die magnetfelderzeugene Einrichtung 2 kann sowohl.The device for Ilochrate atomization according to the plasmatron principle with an elongated annular gap has a tubular target 1 from the to be sputtered Material (aluminum), inside this target 1 is the magnetielderzeugewde Device 2 with an elongated, self-contained annular gap 3, The Magnetic field-generated device 2 can both.
ein Permanentmagnet als auch ein Elektromagnet sein. Die große Achse (Längsachse) des Ringspaltes 3 liegt dabei parallel zur Rohrachse. Der äußere Rohrdurchmesser des Targete 1 beträgt mehr als das Dreifache der mittleren Ringspaltbreite (im Beispiel das Sechsfache) Die mittlere Ringspaltbreite ist dabei das arit;hmetische Mittel aus der Ringspaltbreite im gekrümmten Bereich und im garaden Bereich Das Target 1 rotiert ständig, an seinem Umfang angetrieben, wobei die magnetfelderzeugende Einrichtung 2 mit der Achse verbunden fest steht, Ein Antrieb 4, bestehend aus einem Zahnrad und einem AAtriebsritzel außerhalb des Vakuums, sowie ein Antriebamotor erzeugen die gleiohförmige Rotationsbewegung des Targets 1 um die Achse, vorzugsweise eine Umdrehung je Minute.be a permanent magnet as well as an electromagnet. The big axis (Longitudinal axis) of the annular gap 3 lies parallel to the pipe axis. The outer pipe diameter of Targete 1 is more than three times the mean annular gap width (in the example six times) The mean annular gap width is the arithmetic mean from the annular gap width in the curved area and in the straight area The target 1 rotates constantly, driven on its periphery, the magnetic field generating Device 2 is fixedly connected to the axis, a drive 4, consisting of a Gear and a drive pinion outside the vacuum, as well as a drive motor generate the smooth rotational movement of the target 1 around the axis, preferably one revolution per minute.
Zum konstanten Betrieb der Einrichtung muß der Abstand der Targetaußenfläche und der magnetfelderzeugenden Einrichtung 2 konstant gehalten werden. Die äußere Fläche des Targets 1 wird jedoch ständig abgetragen, wodurch sich der Abstand vergrößer, Eine Exzentervorrichtung 5, die von außen in Anpassung an die Abtragung nachstellbar ist, sorgt dafür, daß durch Verschieben der Achse der Abstand konstant bleibt. Eine Anode 6 umgibt das Target 1 allseitig, mit Ausnahme des Bereiches in der Nähe des Ringspaltes 3, durch den sich die abgestäubten Reilchen in Richtung auf das unter der Einrichtung im entsprechenden Abstand angeordnete Substrat (nicht gezeichnet) bewegen. Der Abstand zwischen der Anode 6 und der Targetoberfläche muß ebenfalls annähernd konstant bleiben. Dazu dient eine Verstelleinrichtung 7, die zweckmäßig als Exzenter aus geDuhrt ist. Zum Nachstellen dieses Abstandes ist die Anode 6 mechanisch oben geteilt, und beide Teile besitzen dort; ihren Drehpunkt. Der Exzenter verstellt. somi-t seitlich den Abstand, der zweckmäßig 4 mm sein soll. (In Fig. 1 ist nur eine Hälfte der Anode dargestellt.) Die Zerstäubungseinrichtung ist einseitig vakuumdicht in einer Arbeitskammer der gesamten Zerstäubungsanlage angeordneL.For constant operation of the device, the distance from the target outer surface must and the magnetic field generating device 2 are kept constant. The outer However, the surface of the target 1 is constantly being eroded, which increases the distance, An eccentric device 5, which can be readjusted from the outside to adapt to the removal ensures that the distance remains constant by moving the axis. One The anode 6 surrounds the target 1 on all sides, with the exception of the area in the vicinity of the Annular gap 3, through which the dusted Reilchen in the direction of the below the device at the appropriate distance arranged substrate (not shown) move. The distance between the anode 6 and the target surface must also remain approximately constant. An adjusting device 7, which is expedient, is used for this purpose is clocked out as an eccentric. The anode 6 is used to readjust this distance mechanically divided above, and both parts own there; their fulcrum. The eccentric adjusted. somi-t laterally the distance, which should be 4 mm appropriately. (In Fig. 1 there is only one Half of the anode shown.) The atomizing device is vacuum-tight on one side arranged in a working chamber of the entire atomization system.
Das Plasmatron ist. mit einem Kühlsystem für Wasserkühlung ausgerüstet. Die feststehende Achse des Targets 1 ist hohl åusgeführt und besitzt ein Eintrittsrohr 8 für das Kühlwasser. Im Target 1 sind Strömungsleitbleche 9 angeordnet,' um die Strömung des Kühlwassers an dessen Innenwandung zu intensivieren. Um die Achse ist mit Abstand eine feststehende Buchse angeordnet, i.n welcher ein Austrittsrohr 10 zur Ableitung des Kühlwasaers angeordnet ist. Auf der Buchse rotiert das Target 1. Mit dieser Anordnung ist eine örtliche Leistungsdichte von 200 W cm 2 und eine momentane Beschichtungsrate von 10 µm mm 1 bei Aluminium realisierbar.The plasmatron is. equipped with a cooling system for water cooling. The fixed axis of the target 1 is hollow and has an inlet tube 8 for the cooling water. In the target 1 flow baffles 9 are arranged 'around the To intensify the flow of the cooling water on its inner wall. Around the axis is at a distance a fixed socket arranged in which an outlet pipe 10 is arranged to discharge the Kühlwasaers. The target rotates on the socket 1. With this arrangement, a local power density of 200 W is cm 2 and one current coating rate of 10 µm mm 1 can be achieved with aluminum.
Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen 1 Target 2 magnetfelderzeugende Einrichtung 3 Ringspalt 4 Antrieb 5 Exzentervorrichtung Anode 7 Verstelleinrichtung 8 Eintrittsrohr 9 Strömungsleitblech 10 Austrittsrohr Leerseite List of the reference symbols used 1 target 2 magnetic field generating Device 3 Annular gap 4 Drive 5 Eccentric device anode 7 Adjusting device 8 Inlet pipe 9 Flow baffle 10 Outlet pipe Blank page
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