DE3603646C2 - Haltevorrichtung für Targets für Kathodenzerstäubung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Haltevorrichtung für Targets für Kathodenzerstäubung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie findet insbesondere bei Magnetron- und anderen Hoch­ geschwindigkeits-Zerstäubungsquellen Anwendung.

Magnetron- und andere Hochgeschwindigkeits-Zerstäubungsquellen erfor­ dern wegen der hohen Betriebsleistung eine besonders intensive Kühlung der zu zerstäubenden Targetmaterialien. Hohe Zerstäubungsgeschwindig­ keiten sind für die Prozeßqualität sowie für die Wirtschaftlichkeit solcher Einrichtungen äußerst wichtig. Beispielsweise sind bei der Beschichtung von Silizium-Scheiben mit Aluminium in der Halbleiterindu­ strie hohe Dampfdichten bzw. hohe Zerstäubungsraten notwendig, um ein optimales Verhältnis zwischen Dampfteilchendichte und Restgasteilchen­ dichte in der Beschichtungskammer einstellen zu können. Eine Kontami­ nation bzw. Verunreinigung durch unerwünschte Komponenten, wie z. B. O₂, kann mit hohen Zerstäubungsgeschwindigkeiten verringert werden. Außer­ dem läßt eine hohe Schichtaufwachsgeschwindigkeit bei Zerstäubungsan­ lagen größere Durchsätze der zu beschichtenden Substrate zu, was zu einer Erhöhung der Wirtschaftlichkeit wesentlich beitragen kann.

Um sehr hohe Zerstäubungsgeschwindigkeiten erreichen zu können, müssen entsprechend hohe elektrische Leistungen angewendet werden, was bei der Kühlung der Targets bisher vielfach zu Problemen führte.

Eine gängige Lösung des Kühlproblems stellt die direkte Wasserkühlung dar. Bei dieser Methode wird das Kühlmedium Wasser direkt an die Rück­ seite des häufig als Platte ausgebildeten Targets geführt. Der Wärme­ kontakt zwischen Target und Kühlmedium ist dabei besonders gut und führt auch zu sehr guten Kühlleistungen. Ein schwerwiegender Nachteil ist aber die notwendige Dichtung, um das Kühlmedium vom Vakuum der Zerstäubungs­ kammer zu trennen. Dies führt in der Praxis zu Betriebsunsicherheiten wegen Leckgefahr und wegen der notwendigen großen Anzahl von Verschrau­ bungen zu einem größeren Arbeitsaufwand bei der Targetmontage bzw. Demontage.

Eine andere bekannte Lösung verwendet ein besonderes Kontaktmittel zwi­ schen einer Kühlplatte mit geschlossenen Wasserkanälen und dem Target.

Sehr verbreitet ist auch die Methode, das Target mit einer speziellen Weichlotlegierung auf eine gekühlte Unterlage aufzulöten. Diese Methode ist jedoch teuer und umständlich. Auch ist eine großflächige saubere Lötung nicht einfach zu beherrschen. Ab und zu werden als Kontaktmittel Kleber oder Pasten eingesetzt. In den meisten Fällen ist dies aber vakuum­ technisch - wegen Gasabgabe - nicht akzeptabel.

Eine weitere bekannte und oft verwendete Lösung - sie ist in Fig. 1 dar­ gestellt - ist das Aufklemmen eines Targets auf eine gekühlte Unterlage (siehe Balzers Fachbericht "Planar Magnetron Zerstäubungsquellen", 1981). Dabei wird das Target 1 mittels eines Klemmflansches 2 durch Schrauben 3 kräftig gegen die Kühlplatte 5 mit den Kühlkanälen 6 angedrückt. Diese Methode hat den Vorteil, daß das Target auf diese Weise leicht zu mon­ tieren und kostengünstig herzustellen ist, indem auf ein Festkleben oder Anlöten an eine gekühlte Unterlage verzichtet werden kann, und weil keine Dichtung zwischen Kühlwasser und Vakuum am Target nötig ist. Sie hat aber den grundlegenden Nachteil, daß durch den naturgemäß schlechten Wärmeübergang zwischen Target und Kühlplatte die abführbare Wärmemenge stark begrenzt ist. Dieser schlechte Wärmeübergang rührt davon her, daß auch bei einem festen Zusammenpressen von zwei Flächen nur punktuelle Kontaktstellen zustandekommen. Bei der Ausführung nach Fig. 1 sind diese Kontaktstellen auf die Verschraubungszonen im Randbereich zwischen Target und Kühlplatte beschränkt. Die Wärme, welche an der Targetoberfläche ent­ steht, muß also in der Targetplatte erst zu diesen Verschraubungszonen hin abfließen, um abgeführt werden zu können. Man hat versucht, die Kon­ taktflächen zu vergrößern, indem wie in Fig. 1 gezeichnet, Folien 4 aus geeigneten, weichen und leitenden Materialien, wie Zinn, zwischen Target und Kühlplatte gelegt wurden. Dies bringt zwar eine merkbare Ver­ besserung der Kühlleistung, das Einlegen der Folien ist aber kritisch und muß mit großer Sorgfalt vorgenommen werden; trotzdem ist die Größe der Wärmeabfuhr starken Schwankungen unterworfen und nicht sicher repro­ duzierbar.

Eine Targethalterung der eingangs genannten Art ist aus US 38 78 085 bekannt, wobei das Target mittels wärmeisolierter Klemmen in Anlage an einer Kühlplatte bzw. einem Kühlblock gehalten wird. Auch hier kann das Problem der ungenügenden und ungleichmäßigen Wärmeableitung an der Targetrückseite auftreten.

In L.I. Maissel, R. Glang: "Handbook of Thin Film Techno­ logyly", Mc Graw-Mill Book Company New York (1970), S. 4-36 ist schematisch eine Targethalterung dargestellt, bei der die Targetrückseite an einer wassergekühlten Kühlplatte durch nicht näher dargestellte Mittel in Anlage gehalten ist. Auch hier hängt die Kühlwirkung ausschließlich vom Wärmeübergang zwischen Targetrückseite und Kühlplatte ab.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Haltevor­ richtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine stärkere und gleichmäßigere Wärmeabführung vom Target erreicht und dadurch eine größere Zerstäubungsleistung er­ möglicht wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Haltevorrichtung der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Besonders einfach läßt sich die Erfindung anwenden bei Anordnungen, bei denen die Klemmen am Rande eines Targets angreifen, indem diese Klemmen direkt mit Kühleinrichtungen verbunden werden. Solche Klemmen werden vorzugsweise mit zwei ringförmigen Anpreßflanschen ausgebildet, die an die Ober- und Unterseite der Platte angepreßt werden können. Die Flansche können selbst einen Hohlraum zum Durchleiten eines Kühlmittels aufweisen und an besonderen, vor allem am Umfang eines Targets angebrachten Kühl­ fahnen oder Kühllippen angreifen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben

Fig. 1 zeigt, wie erwähnt, eine bekannte Targetplattenhalterung;

Fig. 2 ein erstes einfaches Ausführungsbeispiel der Erfindung, mit Kühlung einer Targetplatte mit an deren Umfang angeformter Schulter mittels eines an diese angepreßten, aktiv gekühlten Halte­ flansches;

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei das Target mit einer am Umfang durch zwei Schultern gebildeten Kühllippe ausgebildet ist, an welche beidseitig Kühlflansche angepreßt werden.

Fig. 4 zeigt eine Haltevorrichtung für Targetplatten mit zwei Kühllippen am Umfang;

Fig. 5 eine Halterung ebenfalls für ein Target mit einer Kühllippe am Um­ fang, sowie mit einer weiteren Kühlmöglichkeit mittels zusätzlicher gekühlter Ringklemmen an der Unterseite.

Fig. 6 schließlich zeigt die Möglichkeit, auch ein mit einer Unterlage ver­ lötetes sogenanntes "gebondetes" Target so zu gestalten, daß eine Haltevorrichtung nach der Erfindung mit Vorteil angewendet werden kann.

Die Halterung nach dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 besteht, wie ersicht­ lich, aus einer Kühlplatte 5, auf welche ein plattenförmiges Target 1, deren eine (in der Zeichnung obere) Seite zerstäubt werden soll, aufgelegt werden kann. Die Targetplatte weist eine Schulter auf, so daß entlang ihres Umfan­ ges eine Kühllippe 12 entsteht, die durch einen ringförmigen Kühlflansch 2 mittels Schrauben 3 gegen die Unterlage gedrückt wird. Dabei ergibt sich ein sehr gut wärmeleitender Kontakt zwischen dem Kühlflansch 2 und der Oberseite der Kühllippe. Die Fig. 2 zeigt ferner, daß die Kühlplatte 5 und der Kühl­ flansch 2 mit Kühlmittelkanälen 6 versehen sind, und daß in der Mitte der Platte eine weitere kühlbare Befestigung durch eine zusätzliche Ringklemme 13, die als Klemme im Sinne der vorliegenden Erfindungsbeschreibung anzusprechen ist, vorgesehen werden kann. Zwischen der Targetplatte 1 und der Kühlunter­ lage 5 können außerdem in an sich bekannter Weise wärmeleitende Folien 4 oder andere Kontaktmittel eingelegt werden, um die Kühlung zu verstärken.

Das Beispiel der Fig. 3 zeigt die Möglichkeit der Halterung einer Target­ platte mittels einer erfindungsgemäßen Haltevorrichtung ohne eine gekühlte Unterlage, wie sie in Fig. 2 verwendet wurde. Die Bezugsziffern haben die­ selbe Bedeutung wie in Fig. 2. In Fig. 3 ist die Targetplatte an ihrer Ober- und Unterseite mit je einer Schulter entlang des Umfanges ausgebildet, wodurch wiederum eine die Platte umfangende Kühllippe 12 gebildet wird, an die nun von oben und von unten je ein aktiv gekühlter Doppelflansch 2 der Haltevorrichtung mittels der Schrauben 3 angepreßt wird. Ähnlich wie in Fig. 2 sind auch in diesem Falle in der Plattenmitte beidseitig weitere Kühlklemmen 13 angebracht, mit der die Targetplatte 1 in gut wärmeleitendem Kontakt steht.

In Fig. 4 weist die Targetplatte im Vergleich zur Fig. 3 an ihrem Umfang zwei Kühllippen 12 auf, so daß insgesamt vier Kühlflächen vorhanden sind, gegen welche die vier Gegenflächen des Kühlflansches 2 mittels der Schrau­ ben 3 angepreßt werden.

Bei der Ausführungsform der Fig. 5 besitzt die Targetplatte in ihrem äuße­ ren Umfang wieder nur eine Kühllippe, der eine Haltevorrichtung ähnlich der­ jenigen, die in Fig. 3 dargestellt ist, zugeordnet werden kann. Zusätzlich sind weitere gekühlte Klemmringe 14 von kleinerem Durchmesser vorgesehen, deren Kühlflächen an einer Kühlrippe 15 an der Unterseite des in diesem Bereich thermisch am stärksten belasteten Targets anliegen, also dort, wo eine größere Wärmeabfuhr erwünscht ist.

Die Fig. 6 schließlich zeigt, wie schon erwähnt, den Fall eines soge­ nannten gebondeten Targets, d. h. eines Targets 1, das mit einer Unterlage 16 mit einer Kühllippe 17 durch Verschweißen oder Verlöten fest verbun­ den ist.

Der Fortschritt, der durch die Erfindung erreicht wurde, kann z. B. aus einem Vergleich der Betriebsdaten der bekannten Haltevorrichtung nach Fig. 1 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 2 ersehen werden. Eine Haltevorrichtung nach der Fig. 1 konnte mit einem Al-Si- Target vom 200 mm Durchmesser und 12 mm Dicke mit einer Leistung von 6 KW betrieben werden. Dabei erreichte das Target eine Temperatur - auf der Unterseite gemessen - von 200°C. Wenn dagegen das gleiche Target in eine Haltevorrichtung gemäß Fig. 2 eingespannt wurde, ließ sich eine Betriebsleistung von 11 KW anwenden, wodurch eine wesentliche Erhöhung der Zerstäubungsgeschwindigkeit erzielt wurde; trotzdem stieg dabei die Tem­ peratur auch nicht höher als 200°. Die Kühlung war also drastisch ver­ bessert worden.

Unter Zerstäubungsgeschwindigkeit im Sinne dieser Beschreibung ist die Men­ ge des pro Zeiteinheit von einer Zerstäubungsquelle abgestäubten Targetma­ terials zu verstehen; oft wird diese Größe in der Fachliteratur auch "Zerstäubungsrate" genannt.

Ferner wird unter "Target" jener Körper verstanden, von dessen Oberfläche (oder einem Teil der Oberfläche) durch den Zerstäubungsvorgang Material abgetragen wird, meistens zu dem Zweck, um auf anderen Körpern, den soge­ nannten Substraten deponiert zu werden.

Claims (6)

1. Haltevorrichtung für Targets für Kathodenzerstäubung, mit einer an der Rückseite des Targets (1) anliegenden Kühlplatte (5), einer Kühleinrichtung zum Kühlen der Kühl­ platte (5) mittels eines Kühlmittels, und am Target angrei­ fenden Klemmen (2, 13), durch die das Target (1) gegen die Kühlplatte (5) angepreßt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmen (2, 13) mit Kühleinrichtung zum Kühlen der Klemmen mittels ei­ nes Kühlmittels verbunden sind, wobei die Kühlleistung so bemessen ist, daß die gekühlten Klemmen mindestens 10% der beim Zerstäubungsbetrieb am Target erzeugten Wärmemenge ab­ führen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die gekühlten Klemmen (2) am Rand des Targets (1) angreifen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Klemmen (2) je zwei ring­ förmige Anpreßflansche aufweisen, die an der Ober- und Un­ terseite des Targets (1) angepreßt werden.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmen (2, 13) Kanäle (6) für das Durchleiten eines Kühlmittels aufweisen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmen (2) für die Aufnahme von Targets mit mehreren Kühlfahnen ausgebildet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmen (2) so ausge­ bildet sind, daß sie eine oder mehrere am Rand des Targets (1) ausgebildete Kühllippen (12) umgreifen.