DE3331406A1

DE3331406A1 - Zerstaeubungskatode

Info

Publication number: DE3331406A1
Application number: DE19833331406
Authority: DE
Inventors: Gerd Ing.(grad.) 8750 Aschaffenburg Deppisch; Klaus Dr.-Phys. 6450 Hanau Röll; Karl-Heinz Ing.(grad.) 6054 Obertshausen Schuller
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1983-08-31
Filing date: 1983-08-31
Publication date: 1985-03-14
Also published as: GB2147916B; US4652358A; FR2551459A1; GB8421845D0; JPS60155672A; GB2147916A

Description

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LEYBOLD-HERAEUS GmbH
Bonner Straße 504

D-5000 Köln - 51

Zerstäubungskatode

Die Erfindung betrifft eine !Catodenanordnung für Katodenzerstäubungsanlagen 9 enthaltend eine Targetplatte aus dem zu zerstäubenden Materials ein hinter der Targetplatte befindliches Magnetsystem mit entgegengesetzten Polen_s die in einer derartigen relativen Lage zur Targetplatte angeordnet sind,, daß mindestens ein Teil der von den Polen ausgehenden Feldlinien durch die Targetplatte aus- und in diese wieder eintritt_s wobei die Targetplatte lösbarer Teil eines te/annenförmi gen Hohlkörpers ist, in dem das Magnetsystem untergebracht ist.

Eine derartige Katodenanordnung ist durch die DE-OS 30 47 113 bekannt. Der Hohlkörper besteht aus einem .amagnetischem Werkstoff wie Kupfer und hat die Form einer rechteckigen Wanne mit einem quaderförmigen Hohlraum, der durch einen mit der Wanne einstückigen Boden nach unten hin abgeschlossen ist. Auf der Unterseite des Bodens ist unter flächiger Auflage eine Targetplatte befestigt, die aus dem zu zerstäubenden Material besteht. Die Polflächen reichen dabei bis in unmittelbare Nähe des Wannenbodens, so daß die Magnetfeldlinien den Wannenboden, der eine Dicke von einigen Millimetern hat, und die Targetplatte durchdringen müssen, bis sie auf der freien Targetoberfläche einen geschlossenen Tunnel aus magnetischen Feldlinien bilden. Auf diesen geschlossenen Tunnel, der die Glimmentladung weitgehend auf den Bereich der Targetoberfläche beschränkt und dadurch die Zerstäubungsrate um den Faktor 10 bis 30 erhöht, kommt es aber ganz besonders an. Katodenanordnungen dieses Typs werden auch als Magnetron-Katoden bezeichnet.

Es ergibt sich, daß bei gleicher Geometrie des Magnetsystems und bei gleicher Feldstärke derjenige Teil der Feldlinien unbrauchbar ist, der im Innern des Wannenbodens verläuft. Zur Kompensation dieses Effekts muß also bereits bei Targetplatten aus amagnetischen Werkstoffen ein entsprechend stärker dimensioniertes Magnetsystem verwendet werden. Die hierfür in Frage kommenden Magnetwerkstoffe sind aber extrem teuer. Hinzu kommt bei Targetplatten aus Magnetwerkstoffen, wie sie beispielsweise für die Herstellung von

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magnetischen Aufzeichnungsbändern verwendet werden müssen., noch erheblich gravierendere Probleme hinzukommen.

Bei ferromagnetischen Targetplatten wird der magnetische Fluß durch das Targetmaterial weitgehend kurzgeschlossen, so daß mit den bisherigen Anordnungen kein Magnetfeld von ausreichender Feldstärke vor der Targetoberfläche ■ aufgebaut werden kann. Es ist zwar grundsätzlich möglich, diesem Problem teilweise dadurch auszuweichen, daß man entweder äußere Magnete vor oder neben der Targetplatte anbringt, Polflächen an der Targetplatte selbst ausbildeta beispielsweise durch Rillen oder Stufen,, oder die Targetplatte über ihren Curiepunkt hinaus erhitzt=

Die Anordnung außenliegender Magnetpole allein führt jedoch zu tiefen und schmalen Zerstäubungszonen (sogenannten Erosionsgräben) und damit zu einer schlechten Materialausnutzung. Weiterhin wird das Magnetsystem selbst zu einem mehr oder weniger großen Anteil zerstäubtj ein Vorgang der äußerst unerwünscht ist, da er die Schichteigenschaften beeinflußt und zu einem allmählichen "Verbrauch" der Katodenanordnung führt. Rillen, Schlitze oder Stufen in ferromagnetischen Targetplatten führen gleichfalls zu räumlich stark begrenzten Erosionsgräben_s und damit gleichfalls zu einer schlechten Materialausnutzung= Hinzu kommt ein unerwünscht hoher Bearbeitungsaufwand für die Targetherstellung» Die Erhitzung der Targetplatten über den Curiepunkt hinaus führt zu einer hohen thermischen Belastung der Substrate einerseits und bedingt aufwendige Katodenkonstruktionen, um die thermischen Probleme beherrschen zu können.

Eine weitere Möglichkeit zum Zerstäuben ferromagnetischer Materialien besteht in der Herbeiführung einer magnetischen Sättigung der Targetplatten. Die erforderliche Magnetmasse hängt dabei sowohl von der Dicke als auch von der Magnetisierung der Targetplatten sowie von der Optimierung des magnetischen Kreises ab. Technisch realisierbare Magnetsysteme erzwingen dabei Targetplatten von nur geringer Dicke, die beispielsweise bei stark eisenhaltigem Targetmaterial geringer ist als etwa 2 bis 3 mm und bei stark nickel hai ti gern Targetmaterial geringer ist als etwa 5 mm. Hierbei wird von der Überlegung ausgegangen, daß die Magnetfeldstärke an der Targetoberfläche mindestens etwa 400 Oe betragen sollte.

Während einerseits das Prinzip der magnetischen Sättigung als der einfachste Weg zum Zerstäuben ferromagnetischer Materialien "angesehen werden kann, führt diese Maßnahme bei Verwendung herkömmlicher Magnetronkonstruktionen zum Einsatz entsprechend dünner Targetplatten und damit zu einem häufigen Auswechseln der Targetplatten und lanqe Stillstandszeiten der gesamten Vakuumanlage, wodurch hohe Investitionen blockiert werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Katodenanordnung der eingangs beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, daß mit ihr auch Targetplatten aus ferromagnetischen Werkstoffen mit größerer Dicke und damit mit größerem Ausnutzungsgrad als bisher mit

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hoher Zerstäubungsrate zerstäubt werden können.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß ferromagnetische Teile im Polbereich des Magnetsystems bis unmittelbar an die Rückseite der Targetplatte herangeführt sind.

Diese Lehre besagt, daß zwischen den Polflächen und der Rückseite der Targetfläche keine Luftspalte oder Teile aus amagnetischen Werkstoffen angeordnet sind.

Die Realisierung dieser Lehre laßt sich durch zwei grundsätzliche Bauprinzipien erreichen:

Bei einer ersten vorteilhaften Ausführungsform weist der Hohlkörper einen Boden zum Auflegen der Targetplatte auf₅ wobei in dem Boden im Polbereich des Magnetsystems Leisten aus ferrornagnetischem Werkstoff eingesetzt sind, die den magnetischen Kreis zwischen Magnetsystem und Targetplatte sch1iessen_s und wobei der übrige Teil des Bodens aus amagnetischem Werkstoff (z.B. Kupfer) besteht.

Bei einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform ist die Targetplatte gas- und flUssigkeitsdicht auf einen Rahmen aufgesetzt und bildet zusammen mit diesem den genannten Hohlkörper,, wobei das Magnetsystem

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selbst bis an die Rückseite der Targetplatte heranreicht.

Durch die genannten Maßnahmen wird eine unmittelbare magnetische Ankopplung des von dem Magnetsystem erzeugten magnetischen Flusses erreicht, und der magnetische Fluß wird in geschlossenen magnetischen Kreisen geführt, die aus dem Magnetsystem, der Targetplatte und gegebenenfalls magnetischen Teilen oder Leisten (erste Ausführungsform) bestehen. Die magnetischen Kreise werden dabei so dimensioniert, daß der magnetische Fluß im Bereich des Targets teilweise aus der Targetplatte heraustritt. Die notwendige Bedingung hierfür ist

Φ,_ >M_S · d (1)

Dabei bedeuten:

(Φ, : magnetischer Fluß pro Längeneinheit) M : Sättigungsmagnetisierung des Targetmaterials,

d : Targetdicke.

Bei vorgegebenem Targetmaterial müssen die Dicke der Targetplatten und das Magnetsystem gemäß der Gleichung (1) dimensioniert werden. Die übrigen Bereiche des Magnetkreises müssen so dimensioniert werden, daß dort nur ein möglichst geringer Teil der von dem Magnetsystem erzeugten magnetischen Spannung abfällt und nur geringe Verluste des magnetischen Flusses auftreten. Dies wird

im Falle der ersten Ausführungsform durch den Einsatz hochpermeabler Materialien wie z.B. Permalloy, Mu-Metall., Weicheisen, etc. in den Wannenboden erreicht,, sowie durch ausreichende Querschnitte und durch die Vermeidung von Spalten quer zum magnetischen Fluß. Im Falle der zweiten Ausführungsform wird dies erreicht durch die unmittelbare Berührung der Magnetpole und der Targetplatte. Dadurch fällt die von dem Magnetsystem erzeugte Spannung hauptsächlich im Bereich der Targetplatte ab, so daß das Target gesättigt werden kann.

Wenn gleichzeitig die Bedingung gemäß der Gleichung (1) erfüllt ist» wird durch den Oberschuß des magnetischen Flusses vor der Targetoberfläche der bekannte magnetische Tunnel aufgebaut_s der zum Zerstäuben der Targetplatte mit hoher Zerstäubungsrate ausreicht.

Bei den derzeit bekannten Magnetronkatoden fällt hingegen nwr ein sehr geringer Teil der magnetischen Spannung an der Targetplatte ab_s während der größte Teil, an den Spalten zwischen den Polflächen und der Targetplatte abfällt und damit für den Aufbauces magnetischen Tunnels auf der Targetoberfläche wirkungslos ist.

Es ist dabei besonders vorteilhaft₃ die Verbindung der ferromagnetischen Leisten mit dem amagnetischen Werkstoff der Wanne durch Elektronenstrahlschweißen auszuführen, weil durch diese Maßnahme nur sehr geringe mechanische Spannungen in der Wanne erzeugt werden, wobei es außerdem noch möglich istj auch Werkstoffe, die mit anderen Schweißverfahren als nicht verschweißbar gelten, mit-

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einander gas- und flüssigkeitsdicht zu verbinden.

Der Erfindungsgegenstand kann sowohl bei rotationssymmetrischen Katodenanordnungen angewandt werden, bei denen der Hohlkörper als eine Art kreisförmiger Topf ausgeführt ist, als auch bei Katodenanordnungen mit Rechtecksymmetrie, bei denen der Hohlkörper einen quaderförmigen Innenraum aufweist, wie beispielsweise beim Gegenstand der DE-OS 30 47 113.

Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 6 näher erläutert, die in stark schematisierter Darstellung nur die funktionswesentlichen Teile der Katodenanordnung zeigen.

Es zeigen:

Figur 1 einen Querschnitt durch eine Katodenanordnung mit einem Hohlkörper, der einen Boden aufweist, auf den die Targetplatte aufgesetzt ist,

Figur 2 einen Querschnitt durch eine Katodenan-Ordnung analog Figur 1, bei der jedoch

der Boden des Hohlkörpers durch die Targetplatte selbst gebildet wird,

Figur 3 eine Unteransicht des Gegenstandes nach

Figur 1,

Figuren 4 bis 6 verschiedene Ausführungsformen des

Magnetsystems.

In Figur 1 ist eine Katodenanordnung 1 gezeigt, die einen wannenförmigen Hohlkörper 2 aufweist» der aus einer Zarge und einem Boden 4 besteht, die beide einen etwa quaderförmigen Hohlraum 5 umschliessen.

Der Hohlkörper 2 ist an einer nicht gezeigten Tragplatte befestigt,, über die die Katodenanordnung ihrerseits mit einer gleichfalls nicht gezeigten Vakuumkammer verbunden ist. Einzelheiten einer solchen Anordnung können der DE-OS 30 47 113 entnommen werden.

Im Hohlraum 5 befindet sich ein Magnetsystem 6, das aus zahlreichen Permanentmagneten 7 und 8 besteht. Die Permanentmagneten 7 sind linear aneinander gereiht und in der Mitte angeordnet, während eine geschlossene Reihe von Permanentmagneten 8 die Permanentmagnete 7 mit Abstand umgibt. Dabei haben die Permanentmagnete eine durch die eingezeichneten Pfeile definierte Pollage, doh. bei den mittleren Permanentmagneten 7 liegen beispielsweise sämtliche Nordpole oben_s während bei den äußeren Permanentmagneten 8 sämtliche Südpole oben liegen.

Sämtliche Permanentmagnete stehen mit ihren oberen Polflächen mit einer ferromagnetisehen Jochplatte 9 in Berührung, während die entgegengesetzten Polflächen bzw. 11 auf dem Boden 4 aufliegen. Mit diesem Boden ist

unter flächiger Auflage eine Targetplatte 12 verbunden, beispielsweise durch flächiges Auflöten.

Im Bereich der Polflachen 10 und 11 sind in den Boden 4 des Hohlkörpers 2 Leisten 13 und 14 aus ferromagnetischem Werkstoff eingesetzt,, die die gleiche Dicke wie der Boden 4 haben, wobei die unteren und oberen Begrenzungsflächen der Leisten einerseits und des Bodens andererseits jeweils in einer gemeinsamen Ebene liegen, also bündig abschliessen. Die in Figur 1 sichtbaren vertikalen Trennfugen wurden durch Elektronenstrahlschweissen verbunden, so daß der Hohlkörper 2 mit den Leisten 13 und 14 nunmehr unlösbar ein einstückiges Bauteil darstellt. Auf die angegebene Weise sind keinerlei Luftspalte zwischen den Permanentmagneten 7 bzw. 8 und der Targetplatte 12 vorhanden, vielmehr ist der gesamte Abstand im Polbereich des Magnetsystems durch ferromagnetische Teile bzw. die genannten ferromagnetischen Leisten überbrückt.

Infolgedessen bildet sich über der Targetplatte 12 auch dann ein geschlossener magnetischer Tunnel im Sinne der gestrichelt eingezeichneten magnetischen Feldlinien aus, wenn die Targetplatte 12 aus einem ferromagnetischen Werkstoff besteht, die Einhaltung der weiter oben angegebenen Beziehung vorausgesetzt.

In Figur 2 sind gleiche Teile wie in Figur 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen, so daß sich Wiederholungen erübrigen. In diesem Fall ist jedoch die Zarge nicht mit

einem speziellen Boden ausgestattet, sondern sie bildet einen Rahmen 3a_s auf dem die Targetplatte unmittelbar gas- und flüssigkeitsdicht aufgesetzt ist. Sie bildet also mit dem Rahmen 3a zusammen gemeinsam einen Hohlkörper, und das Magnetsystem 6 ist bis an die Rückseite der Targetplatte 12 unmittelbar herangeführt. In diesem Falle werden also die ferromagnetischen Teile durch die Permanentmagnete 7 und 8 selbst bzw. durch deren Polflächen 10 und 11 gebildetj, wodurch der magnetische FIuB in ähnlicher Weise geschlossen ist, wie beim Gegenstand von Fi gur 1.

In Figur 3 ist eine Unteransicht des Gegenstandes von Figur 1 dargestellt, jedoch ohne die Targetplatte 12. Sichtbar ist der Boden 4 mit den eingesetzten ferromagnetischen Leisten 13 und 14„ Die innere ferromagnetische Leiste 13 hat einen linearen Verlauf; die äußeren ferromagnetischen Leisten 14 umgeben die innere ferromagnetische Leiste 13 nach Art eines rechteckigen Rahmens. Der Rahmen kann einstückig ausgeführt sein, er kann jedoch auch aus mehreren leistenförmigen Teilen bestehen, die gleichfalls flüssigkeitsdicht, bevorzugt durch Elektronenstrahlschweissen, miteinander verbunden sind. Es versteht sich_s daß die Ecken des Rahmens der äußeren Leisten 14 auch abgerundet sein können. Die Länge der Katodenanordnung ist praktisch unbegrenzt, was durch die Unterbrechungslinien angedeutet worden ist. Die Polflächen 10 bzw. 11 des Magnetsystems

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entsprechen dabei in ihrer Lage kongruent der Lage der Leisten 13 und 14 in Figur 3. Auch die Lage der Polflächen und 11 bei dem Gegenstand von Figur 2 würde in der Projektion mit dem Gegenstand von Figur 3 Ubereinstimmen.

In Figur 4 ist ein Magnetsystem 6 gezeichnet, wie es demjenigen der Figuren 1 und 2 entspricht.

Bei dem Magnetsystem 6a gemäß Figur 5 ist nur der äußere Kranz aus Permanentmagneten 8 vorhanden, während der innere Permanentmagnet durch einen Polschuh 7a an der Jochplatte 9 ersetzt ist.

Bei dem Magnetsystem 6b gemäß Figur 6 sind die Verhältnisse gerade umgekehrt wie bei Figur 5. Hier ist der innere Permanentmagnet 7 vorhanden, während der Kranz der äußeren Permanentmagneten durch einen ringförmig geschlossenen Polschuh 8a ersetzt ist.

Es ergibt sich aus den Figuren 5 und 6, daß die Magnetmasse beträchtlich verringert werden kann, wobei ein Minimum an Magnetmasse bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6 erzielt werden Rann. Dennoch sind auch die Magnetsysteme gemäß den Figuren 5 und 6 mit Vorteil beim Erfindungsgegenstand anwendbar, weil die Verringerung der magnetischen Verluste auf ein Minimum den Einsatz einer entsprechend kleineren Magnetmasse erlaubt.

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Es ist erkennbar, daß bei allen Ausführungsformen die Magnetsysteme entweder direkt oder mit Hilfe von ferromagnetischen bzw. weichmagnetischen Übergangsstücken magnetisch an die Targetplatte angekoppelt werden. Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 5 und 6 sind es die Polschuhe 7a bzw. 8a₅ die bis unmittelbar an die ferromagnetischen Leisten 13 und 14 (Figur 1) oder an die Targetplatte 12 (Figur 2) heranreichen. Die ferromagnetischen Leisten 13 bzw. 14 in Figur 1 stellen auf diese Weise eine Verlängerung der Polschuhe 7a bzw. 8a dar.

Claims

ANSPRÜCHE:

Katodenanordnung für Katodenzerstäubungsanlagen_s enthaltend eine Targetplatte aus dem zu zerstäubenden Materials ein hinter der Targetplatte befindliches Magnetsystem mit entgegengesetzten Polen,, die in einer derartigen relativen Lage zur Targetplatte angeordnet sind., daß mindestens ein Teil der von den Polen ausgehenden Feldlinien durch die Targetplatte aus- und in diese wieder eintritt, wobei die Targetplatte lösbarer Teil eines wannenförmigen Hohlkörpers ist₃ in dem das Magnetsystem untergebracht ist₅ dadurch gekennzeichnet;, daß ferromagnetische Teile im Polbereich des Magnetsystems (6_S 6a, 5b) bis unmittelbar an die Rückseite der Targetplatte (12) herangeführt sind.

2« Katodenanordnung nach Anspruch 1₉ dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (2) einen Boden (4) zum Auflegen der Targetplatte (12) aufweist, daß in dem Boden im Pol bereich des Magnetsystems (6) Leisten (13., 14) aus ferromagnetischem Werkstoff eingesetzt sind«, die den magnetischen Kreis zwischen Magnetsystem und Targetplatte schliessen und daß der übrige Teil des Bodens aus amagnetischem Werkstoff besteht.

3. Katodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Targetplatte (12) gas- und flüssigkeitsdicht auf einen Rahmen (3a) aufgesetzt ist und zusammen mit diesem den Hohlkörper (2) bildet und daß das Magnetsystem (6) selbst bis an die Rückseite der Targetplatte heranreicht.

4. Verfahren zum Herstellen eines Hohlkörpers nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der ferromagnetisehen Leisten (13, 14) mit dem amagnetischen Werkstoff des Bodens (4) durch Elektronenstrahlschweißen erfolgt.