DE3686640T2

DE3686640T2 - Magnetron-kathodenzerstaeubungsvorrichtung, versehen mit separaten magnetischen einschlussfeldern zur targettrennung und mit einer durch radiofrequenz verstaerkten polarisierung.

Info

Publication number: DE3686640T2
Application number: DE8686309903T
Authority: DE
Inventors: Donald M Mintz
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1985-12-19
Filing date: 1986-12-18
Publication date: 1993-04-08
Anticipated expiration: 2006-12-19
Also published as: EP0227438B1; EP0227438A3; DE3686640D1; JPS62228463A; EP0227438A2; KR870006231A; US4627904A

Description

Die Anmeldung steht in Beziehung mit der EP A1 0 163 446 und enthält gemeinsame Materie.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Magnetronzerstäubungseinrichtungen und speziell auf Magnetronzerstäubungseinrichtungen mit einer Mehrzahl von Targets, die auf mehrere getrennte Entladungen anspricht, welche durch getrennte magnetische Schaltungen eingegrenzt sind, wobei die Impedanzen und/oder die Leistungen der Entladungen im Maße geregelt werden, wie das Target erodiert.
Magnetronzerstäubungseinrichtungen sind durch sich kreuzende elektrische und magnetische Felder in einer evakuierten Kammer gekennzeichnet, in die ein inertes, ionisierbares Gas, beispielsweise Argon, eingeführt wird. Das Gas wird von Elektronen ionisiert, die von dem elektrischen Feld beschleunigt werden. Das magnetische Feld begrenzt das ionisierte Gas, welches ein Plasma in der Nähe einer Targetstruktur bildet. Die Gasionen treffen auf die Targetstruktur auf und verursachen die Emission von Atomen, die auf ein Werkstück auftreffen, typischerweise ein Substrat in einem Beschichtungsverfahren. Im allgemeinen wird das magnetische Feld von einer Dauermagnetstruktur erzeugt, obzwar auch elektromagnetische Einrichtungen zunehmend für diesen Zweck verwendet werden. Bei Beschichtungsanwendungen werden die Magnetronbeschichtungsvorrichtungen häufig dazu verwendet, Metalle in der Herstellung von elektronischen Vorrichtungen vom Typ integrierte Schaltung niederzuschlagen. Es ist auch bekannt, magnetische Materialien bei der Herstellung von magnetischen Scheiben hoher Dichte der für magnetische Scheibenspeicher verwendeten Art niederzuschlagen.
Bei bekannten Magnetronzerstäubungseinrichtungen wurde die gleichförmige Beschichtungsdicke über ein Substrat dadurch erzielt, daß dieses während der Beschichtung bewegt wird. Die Bewegung der Substrate ist auch bei der Überdeckung von Stufen behilflich, d. h. dem angepaßten Beschichten von stufenartigen Übergängen. Es gibt natürlich mancherlei Probleme bei der Bewegung eines Substrats während des Betriebs einer Zerstäubungseinrichtung. In einigen Fällen ist es auch wünschenswert, unterschiedliche Materialien gemeinsam niederzuschlagen, insbesondere solche Materialien, die schwierig oder unmöglich sich miteinander legieren, d. h. Materialien, die sich nicht eignen, auf einem einzelnen Target zugegen zu sein. In allen Fällen ist es wünschenswert, die Zerstäubungseinrichtung mit einer so hohen Rate wie möglich zu betreiben.
Zerstäubungsquellen, die nur Permanentmagnete enthalten, die typische Anordnung des Standes der Technik, ermöglichen es nicht, daß sich das das Plasma einschließende magnetische Feld über die Lebensdauer des Targets ändert. Infolge dessen nimmt die Impedanz der Zerstäubungseinrichtung, d. h. das Verhältnis der Entladungsspannung, welche das elektrische Feld aufbaut, zu dem in dem Plasma fließenden Entladungsstrom, ständig ab, wie das Target im Gebrauch erodiert. Die für die Schaffung des elektrischen Feldes benötigten Stromversorgungseinrichtungen sind deshalb relativ kompliziert und teuer im Versuch, der sich ändernden Impedanz der Zerstäubungseinrichtung über die Lebenszeit des Targets anzupassen.
In dem Maße, wie die Targetoberfläche während des Gebrauchs erodiert, weist das Target eine Tendenz zur Bildung eines Schattens für von der Quelle emittiertes Material auf. Dabei nimmt der Gesamtwirkungsgrad der Zerstäubungseinrichtung in dem Maße ab, wie das Target während des Gebrauchs erodiert. Wegen des Beschattungseffekts nimmt die Rate, mit der Material auf einem Substrat niedergeschlagen wird, gewöhnlich in dem Maße, wie das Target erodiert, in nichtlinearer Weise ab.
Ein Versuch, die reduzierte Niederschlagsrate infolge des Beschattungseffekts zu minimieren, beruht auf der Drehung einer Anordnung einschließlich des Permanentmagneten um eine Achse der Zerstäubungseinrichtung. Drehen der Magnetanordnung führt zu einer wesentlichen Verbesserung in dem Wirkungsgrad des Zerstäubungsverfahrens nahe des Endes der Lebensdauer des Targets, jedoch wurde eine Abnahme der Impedanz der Vorrichtung immer noch beobachtet, wenn das Target erodiert. Zusätzlich nimmt die Rate, mit der das Material von dem Target zerstäubt wird, auch bei diesem Lösungsversuch ab, in dem Maße, wie das Target erodiert. Natürlich ist die Drehung der Permanentmagnetstruktur mechanisch kompliziert.
Während viele der mit Permanentmagnetanordnungen angetroffenen Probleme durch die Verwendung von Elektromagneten vermieden worden sind, hatten die Elektromagnetvorrichtungen generell den Nachteil der Verwendung einzelner Targets mit relativ schmaler Breite von ungefähr 1 Zoll. Es sind neuerlich Systeme entwickelt worden, worin die Targets als Anordnungen mit mehreren Targetelementen, im allgemeinen konzentrisch zueinander, ausgebildet worden sind. In einer Konfiguration sind die Targets beide planare Elemente; in einer zweiten Konfiguration sind ein inneres Target planar und ein äußeres Target konkav ausgebildet und weisen eine emittierende Oberfläche auf, die durch eine Seitenwandung eines Kegelstumpfes definiert wird. Diese Vorrichtungen des Standes der Technik sind dahingehend wirksam, daß Material gleichmäßig über ein Werkstück großer Fläche abgeschieden werden kann, beispielsweise ein zu beschichtendes Substrat.
Es ist beobachtet worden, daß der relative Beitrag der beiden Targets auf dem Werkstück sich unterschiedlich ändert, wenn die Targets während des Gebrauchs erodieren. Mit anderen Worten, der vom ersten Target das Werkstück erreichende Materialbetrag ändert sich relativ zu dem von dem zweiten Target auf das Werkstück gelangenden Materialbetrag, wenn die Targets verbraucht sind oder erodiert werden. Daher ist die Konstruktion einer Regeleinrichtung für Targetanordnungen mit Vielfachelementen zur Erzielung eines gleichförmigen Auftreffens von Material auf dem Werkstück während der nützlichen Lebensdauer der Targetanordnungen komplex und nicht unkompliziert. Dies trifft insbesondere für die gleichförmige Niederschlagung auf relativ großflächigen Werkstücken zu, beispielsweise einem sechszölligen Wafer für integrierte Schaltungen oder eine Computerfestplatte bzw. magnetische Speicherscheiben. Das System ist auch wegen der Notwendigkeit und des Wunsches zur Regelung der Impedanzen der Plasmaentladungen während der sich ändernden Bedingungen komplex, die vorkommen, wenn die Targets erodieren.
EP-A-0 163 446 offenbart eine Vakuumzerstäubungseinrichtung zum Auftreffenlassen von Material auf ein Werkstück mit einer Targeteinrichtung zum Zerstäuben des Materials, wobei die Targeteinrichtung ein erstes Target mit einer ebenen, das Material emittierenden Oberfläche und einem kreisförmigen äußeren Umfang sowie ein zweites Target aufweist, welches ein Kreisring ist und das erste Target umgibt, mit einer Zuführeinrichtung für ionisierbares Gas in einem evakuierbaren Raum, der zwischen dem Target und dem Werkstück liegt, mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines ionisierenden elektrischen Feldes für das Gas in dem Raum, und mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines einschließenden magnetischen Feldes in der Nähe der emittierenden Oberflächen des ersten und zweiten Targets.
Wir haben entdeckt, daß durch Anlage einer Radiofrequenzvorspannung an das Substrat zusätzlich zur Erhitzung des Substrats die Qualität der Beschichtung verbessert wird. Während im allgemeinen eine Radiofrequenzvorspannung niedriger Leistung die Qualität der Beschichtung verbessert, kann eine Radiofrequenzvorspannung hoher Leistung das Substrat beschädigen, und zwar wegen der Berührung des Plasmas mit dem Substrat. Ein magnetischer Spiegel in der Nähe des Substrats, der die Form einer Spule um das Substrat einnehmen kann, kann zur Bewegung des Plasmas weg von dem Substrat verwendet werden, wobei die Radiofrequenzvorspannungsleistungspegel, die ohne Beschädigung des Substrats annehmbar sind, vergrößert werden können.
Die vorliegende Erfindung ist gegenüber dem zuvor dargestellten Stand der Technik dadurch gekennzeichnet, daß eine magnetische Spiegeleinrichtung benachbart dem Werkstück angeordnet ist, um das Plasma des ionisierten Gases vom Werkstück fernzuhalten, und daß eine Einrichtung zur Verbindung einer Radiofrequenzvorspannungsquelle mit dem Werkstück vorgesehen ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Zerstäubungseinrichtung mit zwei Targetelementen in Kombination mit einem Regler und stellt eine Modifikation der Fig. 1 der EP-A-0 163 446 dar, die einen zusätzlichen magnetischen Spiegel zeigt;
Fig. 2 ist ein Querschnitt durch die schematisch in Fig. 1 dargestellte Targetanordnung entlang der Linien 2-2 in Fig. 3;
Fig. 3 und 4 sind Ansichten von oben und unten auf die in Fig. 2 dargestellte Anordnung;
Fig. 5 ist ein Blockschaltbild der Einzelheiten des Reglers nach Fig. 1;
Fig. 6 ist eine Blockschaltung der Einzelheiten des Reglers nach Fig. 5 (wobei die Fig. 2 bis 6 auch in EP-A-0 163 446 erscheinen);
Fig. 7 ist ein Querschnitt durch eine Kühlringanordnung für die innere Kathode zur Darstellung einer Bajonettaussparung;
Fig. 8 ist ein Querschnitt einer Kühlringanordnung für die äußere Kathode zur Darstellung der bajonettförmigen Aussparung;
Fig. 9 ist ein Querschnitt durch ein Teil der inneren Kathode, und
Fig. 10 ist ein Querschnitt durch ein Teil der äußeren Kathode.
In Fig. 1 ist die Magnetronzerstäubungseinrichtung 11 dargestellt, einschließlich einer Vakuumkammer 12, die einen abgeschlossenen Zerstäubungsbeschichtungsdurchführungs- oder -abscheidungsraum 13 enthält, in welchem ein Werkstück 14 an einem beheizten Futter 15 befestigt ist. Eine magnetische Spiegelspule 17 ist hinter dem Substrat so montiert, daß die magnetischen Feldlinien senkrecht zum Substrat verlaufen. Typischerweise ist das Substrat 14 ein Teil eines Wafers für eine integrierte Schaltung mit relativ großem Durchmesser, beispielsweise 4 bis 6 Zoll, auf welchem Material abgeschieden wird, um elektrische Verbindungen durch nachfolgendes Entfernen ausgewählter Bereiche des abgeschiedenen Materials zu schaffen. Unter derartigen Bedingungen wird gewöhnlich nichtmagnetisches Material auf dem Substrat niedergeschlagen.
Es versteht sich aber auch, daß die Erfindung zur Abscheidung magnetischen Materials auf dem Substrat 14 anwendbar ist, um Vorrichtungen, wie magnetische Scheibenspeicher, zu schaffen. Gewisse Modifikationen der in Verbindung mit Fig. 2 bis 4 beschriebenen spezifischen Struktur sind im allgemeinen notwendig, um optimale Ergebnisse zum Abscheiden von magnetischen Materialien zu erzielen. Jedes Target zum Sprühen magnetischen Materials umfaßt ein relativ dünnes magnetisches Band, das auf einem nichtmagnetischen, metallischen Halter montiert ist. Die magnetischen Bänder sind relativ dünn, zwischen 1/4 und 1/2 Zoll, so daß magnetische Feldlinien durch diese nicht im wesentlichen beeinträchtigt werden. Das magnetische Material wird gesättigt, um den Effekt auf den magnetischen Fluß, der durch dieses fließt, klein zu halten. Schichten unterschiedlichen Materials können auf dem Substrat 14 durch das in Fig. 1 dargestellte Gerät abgeschieden werden, und zwar durch geeignete Wahl des Targetmaterials für die Kathodenanordnung 15.
Die Kammer umfaßt ein metallisches, elektrisch leitendes und geerdetes äußeres Gehäuse 16 aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit. Das Gehäuse 16 stellt einen Teil einer Anodenanordnung dar und wird im allgemeinen als Zylinder mit einer Achse konzentrisch zum Substrat 14 ausgebildet, welches wiederum koaxial zur Targetkathodenanordnung 15 ausgerichtet ist. Die Targets in der Kathodenanordnung 15 werden auf negativen Hochspannungspotentialen relativ zu Erde durch die Gleichspannungsversorgung 18 gehalten.
Um ein Plasma in dem Bearbeitungsraum 13 in der Nähe der Kathodenanordnung 15 zu erzeugen, wird ein inertes Gas, typischerweise Argon, von der unter Druck stehenden, inerten Gasquelle 19 in den Verarbeitungsraum eingeführt. Der Verarbeitungsraum wird durch eine Vakuumpumpe 20 evakuiert. Die Kombination der Gasquelle 19 und der Vakuumpumpe 20 hält den Verarbeitungsraum 13 auf einem relativ niedrigen Druck, beispielsweise 1 Pa (7 Millitorr).
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt die Kathodenanordnung 15 zwei Targetelemente 22 und 23, die jeweils eine ebene, ringförmige und atomemittierende Oberfläche 24 und eine konkave atomemittierende Oberfläche 25 besitzen, letztere als Seitenwandung eines Kegelstumpfes mit einer Basis 47 im rechten Winkel zur Längsachse des scheibenförmig gestalteten Targetelements 22 ausgebildet. Die Oberfläche 25 ist über ihre gesamte Länge mit einem Winkel von 45º relativ zur Basis 47 geneigt. Die Targetelemente 22 und 23 sind konzentrisch zueinander angeordnet und haben mit der Längsachse 27 des Substrats 14 zusammenfallende Achsen. Die spezielle Konfiguration der Targetelemente 11 und 23 ist nachfolgend im einzelnen in Verbindung mit den Fig. 2 bis 4 beschrieben.
Getrennte Plasmaentladungen werden über den Targetelementen 22 und 23 erzeugt und begrenzt. Die einzelnen Entladungen werden durch getrennte, variable magnetische Felder begrenzt, die an die Targetelemente 22 und 23 durch magnetische (vorzugsweise aus Eisen bestehende) Polstückanordnungen 28 angekoppelt werden, und zwar in Abhängigkeit von den von den Elektromagneten 29 und 30 abgeleiteten Magnetfeldern. Die Polstückanordnung 28 und die Spulen 29 und 30 sind axial symmetrisch und konzentrisch zur Achse 27 angeordnet, wobei die Spule 30 außerhalb der Spule 29 liegt.
Die Polstückanordnung 28 umfaßt eine scheibenförmige Basis 32, die im rechten Winkel zur Achse 27 angeordnet ist, in Kombination mit einem mittigen Stutzen 33 und Ringen 34 und 35. Der Stutzen 33 erstreckt sich entlang der Achse 27, während die Ringe 34 und 35 zur Achse 27 konzentrisch sind, wobei der Stutzen und der jeweilige Ring sich längs von der Basis 32 zum Substrat 14 erstrecken. Der Stutzen 33 liegt zentral in einem zylindrischen Raum innerhalb der Spule 29, während der Ring 34 sich zwischen den Spulen 29 und 30 erstreckt. Der Ring 35 ist außerhalb der Spule 30 und des Targetelements 23. Der Ring 35 umfaßt einen nach innen gerichteten Flansch 36 im rechten Winkel zur Achse 27. Der Ring 34 ist nahe des äußeren Durchmessers des ringförmigen Targetelements 22 und der Unterseite des Targetelements 23 angeordnet, während der zentrale Stutzen 33 benachbart des Innendurchmessers des Targetelements 22 liegt.
Getrennte und unabhängig voneinander geregelte Ströme werden den Elektromagnetspulen 29 und 30 durch die jeweiligen Gleichstromleistungsquellen 37 bzw. 38 zugeführt. Die Stromquellen 37 und 38 werden getrennt in Abhängigkeit von Signalen geregelt, die von dem Regler 39 abgeleitet sind, so daß in dem Maße, wie die Targetelemente 22 und 23 während des Gebrauchs erodieren, die den Spulen 29 und 30 zugeführten Ströme sich ändern, um die Entladungsimpedanzen relativ konstant zu halten.
Um die getrennten Entladungen zu erzeugen, hält die Gleichspannungsquelle 18 die Targetelemente 22 und 23 auf unterschiedlichen negativen Hochspannungspegeln -Ea bzw. -Eb. Die einzelnen Strukturen der Polstückanordnung 28 und der Gleichspannungszufuhr zu den Targetelementen 22 und 23 werden nachfolgend in Verbindung mit Fig. 2 bis 4 beschrieben.
Der Regler 39 spricht auf die Anzeichen der Erosion der Targetanordnung einschließlich der Targetelemente 22 und 23 und auf die Impedanz der Plasmaentladung an, die einem der Targetelemente zugeordnet ist, um die Leistung und die Impedanz der Entladungen in dem Maße zu regeln, wie die Targetelemente erodieren. Die Targeterosion kann durch die Gesamtenergie bestimmt werden, die den Targetelementen 22 und 23 zugeführt wird, oder durch Ableiten eines elektrischen Signals proportional zu dem den Spulen 29 und 30 zugeführten Strom, oder durch eine On-Line-Messung der Abscheidungsgleichförmigkeit unter Verwendung von kommerziell verfügbaren Meßvorrichtungen, die auf Messung von Wirbelstromverlusten beruhen. Die Entladungsimpedanz wird in Abhängigkeit von der Spannung und dem Strom der Entladung gemessen. In der beschriebenen Ausführungsform wird die dem Targetelement 23 zugeführte Gesamtenergie errechnet, um die Anzeige der Targeterosion abzuleiten.
Zu diesen Zwecken weist die Gleichspannungsquelle 18 bekannte Vorrichtungen zur Überwachung der Spannungspegel -Ea und -Eb und der Ströme Ia und Ib auf, die von der Quelle 18 zu den die Spannungen -Ea und -Eb führenden Leitungen zugeführt werden. Der Regler 39 spricht auf die Meßsignale der Quelle 18 an, d. h. der Signale Eam, Ebm, Iam und Ibm und auf ein Signal entsprechend der Gesamtzeit der Benutzung einer Targetanordnung an, um die der Targetanordnung zugeführte und von dieser abgeführten Energie sowie die Impedanz der Entladung für die Targetkathode 23 zu errechnen. In Abhängigkeit von den errechneten Signalen liefert der Regler 39 Sollwertsignale If1s und If2s an die Stromquellen 37 und 38 für die Spulen. Zusätzlich gibt der Regler 39 Signale für die Leistungssollwerte Pas und Pbs der Stromquelle 18 ab. Die Stromquelle 18 ist so ausgebildet, daß sie eine Vorrichtung konstanter Leistung ist, wobei die von ihr zu einem Targetelement 24 und 25 zugeführte Leistung konstant als Funktion der Entladungsspannung und des den Elementen zugeführten Stromes ist. Dabei ändern sich die Ströme und Spannungen, die von den Quellen 18 zu den Targetelementen 22 und 23 gekoppelt werden, als Funktion der Werte von Pas und Pbs. In dem Maße, wie die Targetanordnung einschließlich der Elemente 22 und 23 erodiert, ändert sich das Verhältnis der Leistung der den Elementen zugeordneten Entladungen. Zunächst ist das Verhältnis der Leistung der Entladung für die Elemente 22 und 23 relativ klein; das Leistungsverhältnis der Entladungen für die Elemente 22 und 23 nimmt zu, wenn die Targetelemente erodieren. Beispielsweise ist in einer aktuellen Konfiguration das Ursprungsverhältnis der den Entladungen für die Targetelemente 22 und 23 zugeführten Leistung gleich 1:5, während das Endverhältnis 1:12 beträgt; die dem Targetelement 23 zugeführte Leistung Pb übersteigt die dem Targetelement 22 zugeführte Leistung Pa.
Die den Spulen 29 und 30 zugeführten Gleichströme und die Konstruktion der Polstückanordnung 28 erzeugen Flußlinien in den Targetelementen 22 und 23, welche die emittierende Oberfläche 24 schneiden und in einer ersten, im großen und ganzen vertikalen Richtung, d. h. nach oben, durch die Grenze der ringförmigen Emissionsoberfläche 24 in der Nähe des äußeren Durchmessers dieser Emissionsoberfläche hindurchgehen. Die gleichen Flußlinien laufen in einer zweiten, im allgemeinen vertikalen Richtung, d. h. nach unten durch die Emissionsoberfläche 24 in der Nähe des inneren Radius der Emissionsoberfläche. In ähnlicher Weise gelangen die Flußlinien, welche durch die Emissionsoberfläche 25 zur Achse 27 in der Nähe des äußeren Radius der Emissionsoberfläche austreten, auch zurück in das Targetelement 23 an dessen inneren Radius. Dabei werden getrennte Plasmaentladungen oberhalb der Emissionsoberflächen 24 und 25 erhalten, und die Erosionsprofile der Targetelemente 22 und 23 sind auf die Emissionsoberflächen der Targets zentriert. Der Winkel zwischen den Magnetfeldlinien, welche die von den Oberflächen 24 und 25 definierten Grenzen durchqueren, wird durch die magnetische Polanordnung 28 sehr klein gehalten, so daß das Magnetfeld sehr gleichförmig über die Emissionsoberflächen 24 und 25 ist. Es ist wichtig, die Plasmadichte so gleichförmig wie möglich unmittelbar über den Emissionsoberflächen 24 und 25 zu halten, um eine gleichförmige Erosion von den Emissionsoberflächen zu erzielen und dabei die Tendenz für ein V-förmiges Erosionsprofil klein zu halten, welches eine Targetselbstbeschattung durch emittiertes Material induziert. Selbstbeschattung ist ein Phänomen, wobei von dem Target emittiertes oder zerstäubtes Material sich am Target sammelt und die Tendenz zeigt, den Austritt weiteren Materials vom Target zu dem Substrat zu verhindern.
Das von der Spule 29 zur Polstückanordnung 28 angekoppelte Magnetfeld bringt den magnetischen Fluß dazu, durch einen ersten Magnetkreis zu fließen. Der Fluß im ersten Magnetkreis fließt axial entlang des Rings 34, danach radial nach innen durch das Targetelement 22 und leicht oberhalb der Emissionsoberfläche 24. Vom Targetelement 22 und dem Raum unmittelbar oberhalb der Emissionsoberfläche 24 fließt der magnetische Fluß radial nach innen zum Stutzen 33 und danach axial entlang des Stutzens 33 zur Basis 32. In der Basis 32 wird der erste magnetische Kreis durch den Fluß vervollständigt, der radial zurück zum Ring 34 fließt.
Der von dem Elektromagneten 30 erzeugte magnetische Fluß fließt durch einen zweiten magnetischen Kreis. Der Fluß des zweiten magnetischen Kreises fließt axial durch den Ring 34 in das Targetelement 23. Der magnetische Fluß fließt im Targetelement 23 und leicht oberhalb der Emissionsoberfläche 25 und danach in den Ring 35 durch den Flansch 36. Im Ring 35 fließt der magnetische Fluß axial zurück zur Basis 32, wo er radial nach innen zum Ring 34 zur Vervollständigung des zweiten magnetischen Flusses fließt. Die Richtung der Windungen der Elektromagnete 29 und 30 und die Polaritäten der den Elektromagneten von den Stromquellen 37 und 38 zugeführten Ströme sind derart, daß die ersten und zweiten magnetischen Kreisflüsse im Ring 34 in der gleichen Richtung fließen. Der Flußpegel im Ring 34 wird unterhalb der Sättigung gehalten; aus diesem Grund ist der Ring 34 merklich dicker als der Ring 35.
Wenn die Targetelemente 22 und 23 magnetisch sind, wird genügend Strom von den Stromquellen 37 und 38 den Elektromagneten 29 und 30 zugeführt, um die magnetischen Targets zu sättigen, so daß ausfransende Felder oberhalb der Targets bestehen, um das Plasma unmittelbar oberhalb der Emissionsoberflächen 22 und 23 zu beschränken.
Die Targets 22 und 23 sind relativ zueinander und von dem Substrat in solchem Abstand angeordnet, daß das Material die Oberfläche des Substrats gleichförmig beschichten kann.
Die relativen Zerstäubungsraten von den Oberflächen 24 und 25 werden während der Lebensdauer der Vorrichtung 11 durch die Einstellung der Leistungssollwerte Pas und Ph& eingestellt, welche jeweils die Stromquelle 18 dazu bringen, die Leistungen Pa und Pb an die Targets 22 und 23 zu liefern. Die Werte von Pas und Pbs halten eine gleichförmige Abscheidung auf unterschiedlichen Substraten 14 aufrecht, wenn die Emissionsoberflächen 24 und 25 der Targets 22 und 23 erodieren.
Die Targetelemente 22 und 23 sowie die Polstückanordnung 28 werden gekühlt, und zwar in einer weiter unten in Verbindung mit Fig. 2 bis 4 im einzelnen beschriebenen Weise. Die gleiche Struktur, welche die Targetelemente 22 und 23 kühlt, liefert Betriebsgleichspannungen von der Quelle 18 zu diesen. Die Strukturen, welche Kühlflüssigkeit zu der Polstückanordnung 28 liefern, dienen auch zum Halten der Polstückanordnung.
Nunmehr wird Bezug auf Fig. 2 bis 4 der Zeichnungen genommen, die ins einzelne gehende Ansichten der Kathodenanordnung 15 darstellen. Wie aus einem Vergleich der Fig. 2 und 3 zu bemerken ist, läuft der Schnitt nach Fig. 2 entlang eines ziemlich weitschweifigen Weges, der durch die unterbrochene Linie 2-2 in Fig. 3 angedeutet ist; dieser Querschnitt ermöglicht die Darstellung der bedeutendsten Merkmale der Kathodenanordnung 15.
Das scheibenförmige Targetelement 22 weist zusätzlich zu der ebenen, ringförmigen Emissionsoberfläche 24 eine konische innere Fläche 41 auf, die sich nach außen von der Achse 27 erweitert, wie sie sich in einer generellen Längsrichtung des Targets 22 zur ebenen Fläche 42 erstreckt, die parallel und entgegengerichtet zur Emissionsfläche 24 steht. Am äußeren Umriß des Targets 22 ist ein axial sich erstreckendes Segment 43 vorgesehen, welches die Fläche 42 schneidet, ferner ein radial sich erstreckender Rand 44, der parallel zu den Oberflächen 24 und 42 angeordnet ist. Eine äußere Umrißfläche einschließlich einer sich verjüngenden Oberfläche 45 erstreckt sich im großen und ganzen axial zwischen der Oberfläche 24 und dem Rand 44. Auf dem axial sich erstreckenden Wandsegment 43 sind zwei sich gegenüberstehende Bohrungen 46 angebracht, die jeweils einen (vorzugsweise) nichtmagnetischen Stift enthalten, um das Targetelement 22 an Ort und Stelle zu halten; die Stifte in den ausgeschnittenen Segmenten 46 sind vorzugsweise aus einer Berrylium-Kupfer- Legierung hergestellt.
Das Targetelement 23 ist als Ring mit einer konkaven Emissionsoberfläche 25 und in Kombination mit einer Basisseite 47 und zylindrischen Wandseiten 48 ausgebildet. Die Basisseite 47 und die Wandseite 48 sind parallel bzw. senkrecht zur Achse 27 ausgerichtet. Die konkave Emissionsoberfläche 25 ist als Wandung eines Kegelstumpfes ausgebildet, der mit 45º zur Basiswand 47 und zur Zylinderwand 48 entlang der gesamten Oberflächenlänge geneigt ist. Sich gegenüberstehende Bohrungen 49 in der Seitenwandung 48 nehmen nichtmagnetische Stifte aus Berrylium-Kupfer-Legierung auf, um das Targetelement 23 an Ort und Stelle zu halten.
Die Targetelemente 22 und 23 sind so angeordnet, daß der äußere Radius der ebenen, ringförmigen Emissionsoberfläche 24 mit einem Radius R2 kleiner als der innere Radius R3 der geneigten Emissionsoberfläche 25 ist. Natürlich ist der äußere Radius R4 der Emissionsoberfläche 25 größer als der Radius R3, und der innere Radius R1 der Oberfläche 24 ist kleiner als der Radius R2.
Am Targetelement 22 ist eine 0,08 cm große Abflachung 419 parallel zur Achse 27 an dem Schnitt der Emissionsoberfläche 24 mit der sich verjüngenden Innenfläche 41 vorgesehen (Fig. 9). Der Innenradius R1 bei der Emissionsoberfläche 24 wird so zu 1,24 cm groß gemacht. Der innere Radius R5 bei der ringförmigen, rückwärtigen Oberfläche 42 beträgt 1,82 cm. Eine weitere, 0,08 cm große Abflachung 421 parallel zur Achse 27 ist am Schnitt der Emissionsoberfläche 24 mit der sich verjüngenden Oberfläche 45 vorgesehen.
Der so an der Emissionsoberfläche 24 gebildete äußere Radius R2 beträgt 7,94 cm. Die Konusfläche 45 verjüngt sich mit einem Winkel von 34º zur Achse 27 oder mit einem Winkel A von 56º zur Emissionsoberfläche 24. Der Radius R6 zum axial sich erstreckenden Wandsegment 43 beträgt 6,91 cm, und die Dicke T3 des axial sich erstreckenden Wandsegments 43 beträgt 0,95 cm. Die Gesamtdicke T4 des Targetelements beträgt 1,52 cm. Die Stiftbohrung 46 liegt in einem Abstand H von 0,41 cm oberhalb der ringförmigen, rückwärtigen Fläche 42.
Eine erste, 0,08 cm große Abflachung 427 ist am Targetelement 23 parallel zur Achse 27 am Schnitt der Emissionsoberfläche 25 mit der Basisseite 47 gebildet und eine zweite, 0,08 cm große Abflachung 429 parallel zur Basisseite 47 ist am Schnitt der Seitenwandung 48 mit der Emissionsoberfläche 25 gebildet. Der innere Radius R3 des so geformten Rings beträgt 3,38 Zoll (8,58 cm), der äußere Radius R4 beträgt 12,29 cm, und die Dicke T2 von der zweiten Abflachung 429 zur Basisseite 47 beträgt 3,73 cm. Die Mitte der Bohrung 49 hat einen Abstand D von 0,894 cm oberhalb der Basisseite 47. Der Winkel B zwischen der Emissionsoberfläche 25 und der Basisseite 47 beträgt 45º.
Wie in Fig. 2 dargestellt, umfaßt die Polstückanordnung 28 mehrere einzelne Strukturen, wobei der zentrale Polstückstutzen 33, der dazwischen liegende Polstückring 34 und der äußere Polstückring 35 an der Basis 32 über Schrauben 51 befestigt sind. Die Spulen 29 und 30 sind auf der Basis 32 montiert, wobei der den Spulen zugeführte Strom von den Quellen 37 und 38 über identische Durchführungsanordnungen 52 zugeführt wird.
Wie in Fig. 2 dargestellt, weist eine der Anordnungen 52 eine elektrisch isolierende Hülse 53 mit einer relativ dicken metallischen Beschichtung 54 auf ihrer Innenseite auf, in welche eine Metallschraube 55 eingedreht ist, die gegen einen flachen Metallring 56 drückt. Eine nicht gezeigte Klemmenfahne ist mit einer Leitung zwischen dem Kopf der Schraube 55 und dem Ring 56 mit einer Leitung zu der Klemme der Stromzuführung 37 verbunden. Um die Anschlußfahne vom Rest der Zerstäubungsvorrichtung elektrisch zu isolieren, ist ein dielektrischer Ring 47 zwischen dem Ring 56 und der Oberseite der Hülse 53 eingefügt.
Um die gewünschte Gestalt des Magnetfeldes zu erzielen, ist der zentrale Polstückstutzen 33 zylindrisch mit einem oberen, nach innen geneigten Segment gestaltet, welches durch einen magnetischen, metallischen Polstückeinsatz 69 (vorzugsweise aus ferromagnetischen, rostfreiem Stahl) abgedeckt ist. Der obere Teil 58 des Stutzens 33 und des Einsatzes 69 sind beide mit Bezug auf die Achse 27 um den gleichen Winkel geneigt, wie der Neigungswinkel der Innenoberfläche 41 des Targets 22. Demgemäß gibt es einen konstanten Abstand zwischen dem Teil 58 und dem Einsatz 69, was zur Verhinderung des Eindringens von Plasma und zerstäubtem Metall auf die Unterseite der Quelle behilflich ist. Die Kappe 58 wird an Ort und Stelle auf dem Stutzen 33 durch eine nichtmagnetische, vorzugsweise aus austenitischem, rostfreiem Stahl bestehende Schraube 59 gehalten.
Der Ring 34 umfaßt obere und untere Segmente mit Wandungen parallel zur Achse 27 und ein zentrales Segment mit einer inneren Wandung, die mit Bezug zur Achse 27 nach außen geneigt ist. Die magnetische Feldsättigung im unteren Teil des Rings 34 wird infolge der relativ großen Querschnittsfläche vermieden, die dem hindurchfließenden Magnetfluß geboten wird.
Der Ring 35 besitzt Wandungen konstanter Dicke durch im wesentlichen die gesamte Länge. Am oberen Ende des Ringes 35 befindet sich ein nach innen sich erstreckender Flansch 36, der aus zwei aneinanderliegenden metallischen Elementen besteht, nämlich einem äußeren Magnetpolstückeinsatz 61 und einer Abschirmung 62, die von der äußeren Wandung 48 des Targets 23 Abstand halten, wobei ein Spalt konstanten Querschnitts zwischen dem Target und den Polstücken erzeugt wird.
Um den magnetischen Fluß von dem Zwischenring 34 an beide Targets 22 und 23 zu koppeln, ist der mittlere Polstückeinsatz 34 durch metallische, nichtmagnetische, vorzugsweise aus austenitischem, rostfreiem Stahl bestehende Schrauben 65 auf der Oberseite des Zwischenrings befestigt. Polstück 64 ist so konfiguriert, daß ein konstanter Spalt zwischen dem Polstück und den gegenüberliegenden Flächen 45 und 47 der Targets 22 und 23 entsteht. Zu diesem Zweck weist der Polstückeinsatz 64 eine sich nach außen erweiternde, innere, zylinderartige Wandung 365 auf, die sich von einer Ebene unterhalb der Ebene der Targetfläche 24 zur Oberseite des Polstückeinsatzes erstreckt. Die Oberseite des Polstücks 64 wird durch eine ebene Ringfläche 66 bestimmt, die parallel zur Bodenfläche 47 des Targets 23 angeordnet ist. Die Fläche 66 erstreckt sich radial auswärts zur Achse 27 von einer Stelle gerade außerhalb der Schnittlinie der Emissionsoberfläche 25 mit der ebenen Oberfläche 47 des Targets 23 bis zu einer Stelle ungefähr ein Viertel der Länge der Fläche 47 in der radialen Richtung. Die Geometrie sorgt für einen konstanten Spalt zwischen dem Polstückeinsatz 64 und jedem der Targets 22 und 23.
Die Targetkathoden 22 und 23 werden auf unterschiedlich hohen, negativen Spannungspotentialen relativ zu der geerdeten Polstückanordnung 28 gehalten, wobei das Target 22 auf einer Spannung von -Ea und das Target 23 auf einem Potential von -Eb gehalten werden. Bei der Anwesenheit von Plasma existieren elektrische Kraftlinien entlang der Oberflächen 24 und 25 der Targets 22 bzw. 23 sowie in den zuvor erwähnten Spalten zwischen den Targets 22 und 23 und benachbart den Polstückelementen, nämlich dem zentralen Polstückeinsatz 69 am zentralen Polstück 33, dem mittleren Polstückeinsatz 64 und dem äußeren Polstückeinsatz 61 und der Abschirmung 62.
Das Target 22 wird mit einer Spannung von -Ea über ein sich axial erstreckendes, metallisches, nichtmagnetisches (vorzugsweise aus Kupfer bestehendes) Rohr 71 versorgt, welches mechanisch und elektrisch mit einem metallischen, nichtmagnetischen (vorzugsweise aus Kupfer bestehenden) Ring 72 verbunden ist, dessen Achse mit der Achse 27 zusammenfällt. Der Ring 72 stützt auch die Unterseite des Targets 22, indem die sich Schneidenden, horizontal und vertikal sich erstreckenden Flächen 42 und 43 des Targets dort anliegen. Kleine, im Ring 72 vorgesehene Aussparungen wirken als Bajonettbefestigung, welche das Target 22 an Ort und Stelle unter Verwendung von Stiften hält, die in den Bohrungen 46 montiert sind. Der Ring 72 und die Fläche 42 liegen aneinander an über einen Abstand von ungefähr ein Viertel des Radius der Fläche 42, zwischen der äußeren Kante des Targets 22 zu dessen Mitte hin.
Das Rohr 71 ist durch den Basisring 32 hindurchgeführt, aber elektrisch von diesem über eine sich axial erstreckende, dielektrische Hülse 73 getrennt. Das Ende des Rohres 71, benachbart dem Ring 72, wird von einem hülsenartigen dielektrischen Abstandshalter 74 gestützt, der wiederum von einem metallischen, nichtmagnetischen, vorzugsweise aus rostfreiem Stahl bestehenden, massiven Kopf 75 gestützt wird, der sich radial zwischen dem mittigen Polstück 33 und dem Zwischenpolstück 34 erstreckt und mit diesem verbunden ist. Eine nicht gezeigte Klammer paßt über das Kupferrohr 71 und ist mit einer Leitung verbunden, die wiederum mit einer Spannungsklemme Ea der Gleichspannungsquelle 18 in Verbindung steht.
Ein Teil des Targets 22 auf der entgegengesetzten Seite der Achse 27 wird von einem dielektrischen Stutzen 275 mit axialer Bohrung gestützt, in welche eine nichtmagnetische, metallische Schraube 76 eingedreht ist; die Schraube 76 erstreckt sich in eine Schraubbohrung im massiven Kopf 75, um den Stutzen 275 an Ort und Stelle zu halten. Der Stutzen 275 ist mit radial sich erstreckenden, in axialem Abstand voneinander angeordneten Schlitzen 77 versehen, welche behilflich sind, einen elektrischen Kurzschluß zwischen dem Stutzen und den benachbarten metallischen Teilen zu verhindern. Die Schlitze 77 weisen einen hohen Stromwiderstand für von den Targets 22 und 23 stammenden, metallischen Partikeln auf, um die Wanderung des Metalls in die Schlitze zu verhindern und so die elektrischen Isoliereigenschaften des Stutzens zu bewahren. Der Stutzen 275 umfaßt einen weiteren, sich radial erstreckenden Schlitz 78, in welchen eine sich horizontal erstreckende Stützschulter 79 von der Bodenseite des Rings 72 eingreift. Aus dem Vorgehenden ist das Target 22 mechanisch gestützt und elektrisch auf einem Potential von -Ea gehalten und elektrisch von Erde und dem Target 23 durch die gleiche Struktur isoliert.
Die Trägerstruktur des Targets 22 ermöglicht auch die Kühlung des Targets. Zu diesem Zweck ist der Ring 72 mit zwei ringförmigen, sich axial erstreckenden Schlitzen 81 und 82 versehen, die in Strömungsverbindung mit dem Inneren des Rohres 71 stehen. Eine Kühlflüssigkeit, vorzugsweise Wasser, wird zum Innenumfang des Rings 72 geleitet. Die Schlitze 81 und 82 erstrecken sich um wirklich das gesamte Ausmaß des Ringes 72. Das Wasser in den Schlitzen 81 und 82 fließt aus den Schlitzen durch das Kupferrohr 70 (Fig. 3) benachbart dem Rohr 71. Eine ringförmige Abdichtung 74 ist auf der Bodenfläche des Kupferrings 72 angebracht und deckt die Schlitze 81 und 82 ab, ausgenommen wo die Schlitze mit den Rohren 71 und 70 verbunden sind, um eine dichte Fluidabdichtung zwischen den Schlitzen und dem Rest der Vorrichtung zu schaffen. Das Rohr 70 erstreckt sich durch den Basisring 32 in der gleichen Weise wie das Rohr 71 und ist elektrisch von dem Basisring über eine Hülse identisch zur Hülse 73 isoliert. Der Ring 72 umfaßt kleine bajonettförmige Aussparungen 413 (wie in Fig. 7 gezeigt), um die gleichen nichtmetallischen Stifte aufzunehmen, die in den Bohrungen 46 eingreifen, um das Target 22 an Ort und Stelle zu halten.
Beim Stand der Technik wurden Targets an eine Kühloberfläche über Schrauben oder Befestigungseinrichtungen montiert, wobei die Befestigungseinrichtungen die Kraft zur Herstellung eines guten thermischen Kontakts zwischen dem Target und der Kühloberfläche liefern. Hier ermöglicht die Anwendung der Bajonettbefestigung, daß die Targets schnell in die Kühlringe bei Raumtemperatur eingefügt werden. Keine Federn oder Spannvorrichtungen werden hier in der Bajonett- Stift-Anordnung benötigt. Der thermische Kontakt in dieser Erfindung wird dadurch geschaffen, daß man auf die enge Passung zwischen dem Target und dem Ring zählt. Das Target erhitzt sich mehr als der Kühlring, daher wird sich das Target thermisch stärker ausdehnen als der Kühlring. Wenn sich das Target ausdehnt, wird es noch enger an dem Kühlring gehalten, und der thermische Kontakt nimmt zu. Um guten thermischen Kontakt aufrechtzuerhalten, müssen die oben angegebenen Dimensionen R4 und R6 auf einer Toleranz von ungefähr 1,3·10&supmin;² cm gehalten werden.
Die Stifte sind vorzugsweise aus einem nichtmetallischen Material hergestellt, um die Verzerrung des Feldes zu vermeiden. Die Stiftlöcher müssen an einer Stelle jedes Targets angebracht sein, die nicht vor dem Ende der Lebensdauer des Targets erodiert werden, um die Zerstäubung von Fremdmaterial zu vermeiden.
Die Targets können aus einem einzelnen Stück (mit Ausnahme der Stifte) hergestellt sein, oder jedes Target kann als eine zusammengesetzte Struktur bestehen, wie es durch ein spezielles Material erforderlich ist. Beispielsweise können Silicide auf einem Befestigungsring aus Kupfer gebildet werden, oder Platinblech kann über einer Basis aus Aluminium geformt werden. Im Falle von solchen zusammengesetzten Strukturen werden die Gesamtabmessungen des Targets die gleichen wie zuvor sein. Die Anwendung eines Befestigungsmetalls mit niedrigem thermischem Expansionskoeffizenten, wie Kupfer, macht noch engere Toleranzen erforderlich, wie zuvor angegeben.
Das Target 23, elektrisch mit der Versorgungsspannungsquelle -Eb verbunden, wird in ähnlicher Weise mechanisch gestützt und gekühlt, wie für das Target 22 beschrieben. Im einzelnen ist das Target 23 elektrisch mit den sich axial erstreckenden Kupferrohren 85 und 86 verbunden, die sich durch den Basisring 32 erstrecken und elektrisch von dem Basisring über dielektrische Hülsen 87 identisch zur Hülse 73 isoliert sind. Strom von den Kupferrohren 85 fließt in den Ring 88, der an der sich schneidenden zylindrischen Wandung 48 und der ebenen Fläche 47 des Targets 23 anliegt und diese hält. Der Ring 88 umfaßt kleine Bajonettausschnitte 411 (wie in Fig. 8 gezeigt), um die gleichen nichtmagnetischen Stifte aufzunehmen, die in den Bohrungen 48 eingreifen, um das Target 23 an Ort und Stelle zu halten. Der Ring 88 wird mechanisch gestützt und elektrisch isoliert von dem Rest der Vorrichtung durch eine sich axial erstreckende, dielektrische Hülse 91 und einen Stutzen 92.
Die Hülse 91 besitzt eine zentrale Bohrung, durch welche sich das Kupferrohr 85 erstreckt. Die Hülse 91 umfaßt Schultern, die nach unten gegen einen metallischen, nichtmagnetischen, vorzugsweise aus rostfreiem Stahl bestehenden, massiven Kopf 83 anliegen, der sich radial zwischen dem Zwischenpolstück 34 und dem äußeren Polstück 35 erstreckt und mit diesem mechanisch verbunden ist.
Entlang der Innenwandung des massiven Kopfs 93 befindet sich ein ringförmiger Kanal 94, durch welchen Kühlflüssigkeit umläuft, wie weiter unten beschrieben. Der Ringträgerstutzen 92 umfaßt einen radialen Schlitz 95, der einen sich nach innen erstreckenden Flansch 96 des Kupferrings 88 aufnimmt und diesen trägt. Der Stutzen 92 umfaßt auch sich radial erstreckende Schlitze 97, welche die gleiche Funktion wie die entsprechenden Schlitze 77 auf dem Stutzen 275 erfüllen.
Um das Target 23 zu kühlen, ist der Ring 88 mit zwei ringförmigen, sich axial erstreckenden Schlitzen 98 und 99 versehen, die in Strömungsverbindung mit dem Inneren der Rohre 85 und 86 stehen. Die Schlitze 98 und 99 erstrecken sich wirklich um das gesamte Ausmaß des Rings 88 in der gleichen Weise wie für die Schlitze 81 und 82 im Ring 72 beschrieben. Eine Fluidabdichtung ist für die Schlitze 98 und 99 durch die Ringdichtung 101 geschaffen, die an der Unterseite des Rings 88 anliegt und sich entlang dieser erstreckt, mit Ausnahme des Bereichs, wo die Schlitze 98 und 99 mit dem Inneren der Rohre 85 und 86 verbunden sind.
Um Plasma und zerstäubtes Material daran zu hindern, in den Spalt zwischen den Hochspannungstargets 22 und 23 sowie die umgebenden, elektrisch geerdeten Teile der Kathodenanordnung 15 einzudringen, sind metallische, nichtmagnetische, vorzugsweise aus Aluminium bestehende, ringförmige Abstandshalter 103 und 104 vorgesehen. Der innere Abstandshalter 103 ist am massiven Kopf 75 über metallische, nichtmagnetische Schrauben 304 befestigt. Der Abstandshalter 103 erstreckt sich radial von einem Bereich leicht außerhalb des zentralen Polstücks 33 zu einem Bereich leicht innerhalb des Zwischenpolstücks 34. Der Abstandshalter 104 ist am massiven Kopf 93 über Schrauben 105 befestigt. Der Abstandshalter 104 erstreckt sich radial von einer Stelle fluchtend zur äußeren Wandung des Zwischenpolstücks 34 bis zu einer Stelle gerade innerhalb der Innenwandung des Polstücks 35. Ein konstanter Spalt existiert zwischen den Abstandshaltern 103 und 104 und den benachbarten Metallteilen, um Hochspannungsentladungen klein zu halten und so die Lebensdauer der Einheit zu verlängern.
Um den Wirkungsgrad möglichst hoch zu halten, werden die Polstückanordnung 28 und die Targetanordnung einschließlich der Targetelemente 22 und 23 gekühlt. Um die Polstückanordnung 28 zu kühlen, umfaßt das zentrale Polstück 33 axial und radial sich erstreckende Bohrungen 107, 108 und 109. Die radial sich erstreckende Bohrung 109 liegt in der Nähe der Oberseite des Polstücks 33, benachbart dem Target 22. Die Bohrungen 107 und 108 sind mit einer Wasserzuführung und einem Wassersumpf über Rohre 111 und 112 verbunden, die sich durch den Basisring 32 erstrecken. Um das Polstück 34 zu kühlen, umfaßt es axial sich erstreckende Bohrungen 113 und 114, die jeweils mit Rohren 115 und 116 verbunden sind, die sich durch den Basisring 32 zu der Wasserzuführung und dem Wassersumpf erstrecken. Am Ende der Bohrung 113, benachbart dem massiven Kopf 93, ist ein sich nach außen erstreckender Kanal 117 vorgesehen, durch welchen Kühlmittel zwischen der Bohrung 113 und dem ringförmigen Fluidkanal 94 strömt. Dabei strömt Kühlmittel in Umfangsrichtung um den Umfang der Polstücke 34, um diese zu kühlen. Es wurde festgestellt, daß es nicht notwendig ist, das äußere Polstück 35 zu kühlen, da dies eine größere, exponierte Fläche aufweist und weil es weiter vom Mittelpunkt der Kathodenanordnung 15 entfernt angeordnet ist.
Im Betrieb dehnen sich die Targets 22 und 23 infolge Erhitzung durch die Entladungsleistung aus, die sich verteilt, wenn das Material zerstäubt wird. Die Ausdehnung der Targets 22 und 23 führt zu einem innigeren Kontakt zwischen den Targets und den Trägerringen 72 und 88. Dabei wird ein dichter Kontakt zwischen den Targets 22 und 23 und den Ringen 72 und 88 geschaffen, um eine bessere Wärmeübertragung zwischen den Targets und den Ringen zu bieten und dabei den Kühlungswirkungsgrad bei der Übertragung von Wärme von den Targets zu den Ringen zu vergrößern.
Unversehrtes Vakuum wird im Raum oberhalb der Targets 22 und 23 sowie in der Region aufrecht erhalten, wo die Plasmaentladung zwischen der Kathodenanordnung 15 und dem Substrat 14 mit den massiven Köpfen 75 und 93 umgrenzt ist. Alle Elemente, die durch die massiven Köpfe hindurchpassen, werden gegenüber den Wandungen innerhalb der massiven Köpfe über O-Ringe 121 abgedichtet; beispielsweise werden die isolierenden Hülsen 74 und 71 jeweils mit den massiven Köpfen 75 und 93 über O-Ringe 121 abgedichtet.
Die Kathodenanordnung 15 ist an der Kammer 16 über einen axial verschobenen, radial sich erstreckenden Montageflansch 211 befestigt, der an der Außenseitenwandung des Polstücks 35 montiert ist. Um die richtige Abdichtung zu schaffen, umfaßt der Flansch 211 einen Schlitz, um einen O- Ring 213 zu tragen. Eine Radiofrequenzabschirmung 214 ist in einem weiteren Schlitz im Flansch 211 angeordnet.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 5 der Zeichnungen, die ein Blockschaltbild des Reglers 39 nach Fig. 1 darstellt. Der Regler 39 spricht auf Analogsignale Ebm und Ibm an, die von der Stromquelle 18 abgeleitet sind und jeweils den gemessenen Werten für die an das Targetelement 23 angelegte Spannung bzw. dem Strom, der dem Targetelement 23 in der Entladung zugeordnet ist, kennzeichnend sind. Signale Ebm und Ibm werden einem analogen Multiplizierer 301 und einem analogen Dividierer 303 zugeführt. Die Leistung in der Entladung für das Target 23 wird durch Multiplizieren der Signale Ebm und Ibm im Multiplizierer 301 bestimmt. Der Ausgang des Multiplizierers 301 Pb, ein Analogsignal, welches die gesamte, von dem äußeren Targetelement 23 verbrauchte, augenblickliche Leistung anzeigt, wird in ein Digitalsignal mittels des Analog-Digitalwandlers 305 umgewandelt.
Das die Leistung anzeigende Ausgangssignal des Umsetzers 305 wird über das Intervall integriert, während welchem die Targetelemente 22 und 23 betrieben werden. Zu diesem Zweck spricht der Sammler 306 auf das augenblickliche Ausgangssignal des Umsetzers 305 an und wird in Abhängigkeit von dem Start-Stopp-Schalter 307 eingeschaltet, der in einem geschlossenen Zustand ist, der dann gegeben ist, wenn das Material von den Targetelementen 22 und 23 zerstäubt wird. Wenn neue Targetelemente in die Zerstäubungseinrichtung 11 eingefügt werden, wird der Sammler 306 auf Null rückgesetzt. Dabei leitet der Sammler 306 eine Ausgangsanzeige der von dem Targetelement 23 abgegebenen Energie ab; der Betrag der Abgabe vom Targetelement 23 ist um einen Maßstabsfaktor im Sammler 306 zur Erosion des Targets korreliert.
Das die Erosion anzeigende digitale Ausgangssignal des Sammlers 306 wird den ROM-Speichern 308 und 309 zugeführt. Die ROM-Speicher 308 und 309 sind gemäß dem vorbestimmten, gewünschten Verhältnis der Leistungsabgabe in den Targetelementen 22 und 23 als Funktion der Targeterosion programmiert. Weil die Gleichstromquelle 18 konstante Leistungspegel an die Targetelemente 22 und 23 liefert, speichern die ROM-Speicher 308 bzw. 309 jeweils digitale Signale, die für die Sollwerte Pas und Pbs für die an die Targetelemente 22 und 23 zu liefernde Leistung kennzeichnend sind. Die digitalen Signale, welche kontinuierlich aus den ROM-Speichern 308 und 309 ausgelesen werden und die Signale Pas und Pbs repräsentieren, werden jeweils den Digital- Analogwandlern 311 und 312 zugeführt, welche Analogsignale zur Darstellung von Pas und Pbs ableiten. Die Analogsignale, welche PAS und PBS darstellen und von den Digital- Analogwandlern 311 und 312 abgegeben werden, werden der Gleichspannungsquelle 18 zugeführt.
Die Impedanzen der den Targetelementen 22 und 23 zugeordneten Entladungen werden gesteuert, wie die Targetelemente erodieren, so daß die dem Targetelement 23 zugeordnete Entladeimpedanz in Abhängigkeit von der gemessenen Impedanz des Targetelements 23 konstant gehalten wird. Die dem Target 22 zugeordnete Entladeimpedanz muß nicht gesteuert werden und wird nicht gesteuert. Die dem Target 23 zugeordnete Entladeimpedanz wird durch Messen der Impedanz der dem Target 23 zugeordneten Entladung und Vergleich der gemessenen Impedanz mit einem hierfür vorgesehenen Sollwert gesteuert. Ein sich ergebendes Fehlersignal wird zur Steuerung des Stromes der Spulenerregungsquelle 38 abgeleitet und dabei die Impedanz der dem Targetelement 23 zugeordneten Entladung geregelt. Der Strom, welcher zur Leistungsversorgung 37 für die Spule 29 zugeführt wird, wird so geändert, daß er immer in einer festgelegten Proportion zu dem Strom steht, der von der Quelle 28 und die Spule 30 abgegeben wird.
Zu diesen Zwecken werden die Signale Ebm und Ibm, die jeweils für die Spannung des Targets 23 und den Strom in der dem Target 23 zugeordneten Entladung kennzeichnend sind, im digitalen Teilungsnetzwerk oder Dividierer 303 nichtlinear kombiniert. Das teilende Netzwerk 303 leitet ein analoges Ausgangssignal ab, welches Eea/Iam = Zb darstellt, die gemessene Impedanz der dem Target 23 zugeordneten Entladung. Der gemessene Wert der Impedanz der dem Target 23 zugeordneten Entladung wird mit einem hierfür vorgesehenen Sollwert (Zbs) in dem Stromregler 313 für die elektromagnetische Spule verglichen. Der Regler 313 spricht auf das Fehlersignal zwischen den Werten Zb und Zbs an und leitet ein Signal If2s ab, welches an die Leistungsquelle 38 des konstanten Stroms für die Spule 30 angelegt wird. Das Verhältnis zwischen den Sollwerten für die Ströme, welche von den Quellen 37 und 38 an die Spulen 29 und 30 geliefert werden, ist konstant.
Es wird nunmehr Bezug auf Fig. 6 der Zeichnung genommen, die ein detailliertes Blockschaltbild von in dem Regler 313 enthaltener Schaltung darstellt. Der Spulenstromregler 313 spricht auf die gemessene Impedanz der dem Targetelement 23 zugeordneten Entladung an und gibt ein Fehlersignal ab, welches für die Abweichung zwischen dem überwachten Wert und dem Sollwert Zbs hierfür kennzeichnend ist. Der Sollwert Zbs ist tatsächlich ein Bereich von Werten, welche ein Fenster für akzeptable Werte für Zb definieren. In Abhängigkeit von dem gemessenen Wert von Zb, ob dieser jeweils oberhalb oder unterhalb des annehmbaren Bereichs hierfür liegt, wird ein Zähler vorlaufen oder rücklaufen lassen. In den Zähler wird ursprünglich der Wert des Stroms eingegeben, der an ein ungebrauchtes Target 23 zur Erzielung der gewünschten Impedanz für die Entladung eines solchen Targets zugeführt wird.
Zu diesen Zwecken wird das analoge Ausgangssignal des Dividierers 303 in Fig. 5, welches kennzeichnend für Zc ist, den Amplitudendiskrimatoren 314 und 315 parallel zugeführt. Die Diskriminatoren 314 und 315 sind so eingestellt, daß in Abhängigkeit von den Eingangssignalen, wenn diese oberhalb oder unterhalb des akzeptablen Bereichs von Werten sind, binäre Eins-Pegel jeweils abgegeben werden. Die von den Diskriminatoren 314 und 315 abgegebenen binären Eins-Pegel werden an ein Flip-Flop 316 einschließlich von kreuzgekoppelten NAND-Gliedern 317 und 318 angelegt, deren entsprechende Eingänge auf die Ausgangssignale der Diskriminatoren 314 und 315 ansprechen. Das Ausgangssignal des NAND-Gitters 318 ist mit dem Auf-Ab-Zähleingang 333 des Zählers 319 verbunden. Der Zähler 319 weist einen Takteingangsanschluß 334 auf, der auf ein Ausgangssignal eines monostabilen Kippgliedes 321 anspricht. Das monostabile Kippglied 321 wird in Abhängigkeit von einer binären Eins eingeschaltet, die von einem der Diskriminatoren 314 oder 315 abgegeben wird; zu diesem Zweck sind die Ausgangsanschlüsse der Diskriminatoren 314 und 315 im ODER-Glied 322 kombiniert, dessen Ausgang mit einem Eingangsanschluß der monostabilen Kippstufe 321 in Verbindung steht.
Der Zähler 319 umfaßt Vielfachstufen, die ursprünglich von einer parallelen, digitalen Vielbit-Quelle 327 auf einen binären Wert eingestellt werden, der mit dem gewünschten oder Soll-Wert für den Strom vergleichbar ist, um den Impedanzwert Zbs der Entladung zu erzielen, die einem unerodierten Targetelement 23 zugeordnet ist. Der Zähler 319 umfaßt einen parallelen Vielbit-Ausgang, an welchem ein Signal abgegeben wird, welches kennzeichnend für einen Steuerwert für den von der Quelle 38 an den Elektromagneten 30 angekoppelten Strom ist. In Abhängigkeit von dem gemessenen Impedanzwert Zb für die dem Target 23 zugeordnete Entladung, wenn dieser außerhalb des von den Diskriminatoren 314 und 315 gebildeten Fensters liegt, wird das vom Zähler 319 abgegebene Ausgangssignal vergrößert oder verkleinert. Die Takteingabe für den Zähler 319 wird vom Ausgangssignal der monostabilen Kippstufe 321 geliefert.
Wenn die monostabile Kippstufe 321 eine binäre Eins vom Ausgang des ODER-Gliedes 321 empfängt, liefert sie periodische Impulse zum Takteingang des Zählers 319. Die Impulse werden selektiv unter Steuerung des Ausgangs der Verzögerungsschaltung 323 verzögert. In einer dem Stand der Technik bekannten Art verzögert die Verzögerungsschaltung 323 selektiv die Anlage der Ausgangspegeländerungen vom ODER-Glied 322 an den Eingang der monostabilen Kippstufe 321 für eine Periode, die so groß sein kann, wie ein signifikanter Bruchteil einer Sekunde. Die Verzögerung ermöglicht es, daß sich der vom Zähler 319 abgegebene Wert nur langsam ändert, um so unerwünschte Schwankungen der den Spulen 29 und 30 zugeführten Ströme zu vermeiden. Wenn keiner der Diskriminatoren 314 und 315 eine binäre Eins abgibt, gibt die monostabile Kippstufe 321 keinen Impuls an den Zähler 319 ab.
Das Ausgangssignal des Zählers 319, kennzeichnend für einen Sollwert If2s für den Ausgangsstrom der Stromquelle 38 wird selektiv über den Multiplexer 323 mit dem Digital-Analog- Wandler 325 verbunden. Wenn eine Entladung eingeleitet wird, beispielsweise weil ein neues Werkstück 14 eingelegt oder eine neue Targetanordnung installiert worden ist, liefert der Multiplexer 324 einen vielbitigen Anfangseinstellwert an den Digital-Analogwandler 325. Der Anfangsvoreinstellwert erzeugt einen höheren Wert von If2s als während des normalen Betriebs, um ein höheres magnetisches Feld zu erzeugen, das zur Anfachung einer elektrischen Entladung für die Targets 22 und 23 notwendig ist. Der Anfangswert von If2s wird von der digitalen Signalquelle 326 geliefert und an einen Eingangsbus des Multiplexers 324 getrennt von dem Eingangsbus gekoppelt, für den der Zähler 319 verantwortlich ist. Gleichzeitig mit der anfänglichen Aktivierung des Multiplexers 324 zum Ansprechen auf die digitale Quelle 326 wird anstelle des Ausgangs des Zählers 319 der Zähler 319 in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal der digitalen Signalquelle 327 auf einen Stromwert voreingestellt, der den gewünschten Anfangsstrom erzeugt.
Der Digital-Analogumsetzer 325 spricht auf die vom Multiplexer 324 gelieferten Eingangssignale an und gibt ein analoges Gleichspannungssignal ab, das von einem Gleichstrom- Operationsverstärker 328 invertiert und auf richtigen Maßstab gebracht wird. Das Ausgangssignal des Verstärkers 328 ist mit einem Pufferverstärker 329 verbunden, der ein Eingangssignal If2s, zur Stromquelle 28 für die Spule 30 liefert. Das Ausgangssignal des Verstärkers 329 wird einem Verstärker 331 mit einem von Eins abweichenden Verstärkungsfaktor zugeführt. Das Gleichspannungsausgangssignal des Verstärkers 331 wird der Stromquelle 37 für die Spule 29 zugeführt. Der von der Quelle 38 dem Elektromagneten 30 zugeführte Strom steht somit in einem festen Verhältnis zu dem von der Quelle 37 zum Elektromagneten 29 gelieferten Strom. Deshalb verbleibt das Verhältnis der den Elektromagneten 29 und 30 zugeführten magnetischen Feldströme über die Betriebslebensdauer der Targetanordnung einschließlich der Elemente 22 und 23 konstant. Die Gestalt des magnetischen Feldes, resultierend aus den Aktivierungen der Elektromagnete 29 und 30, verbleibt somit festgelegt, auch wenn sich die Stärken der den Elektromagneten 29 und 30 zugeordneten Felder ändern. Die von den Quellen 37 und 38 den Elektromagneten 29 und 30 zugeführten Ströme werden durch die beschriebene Rückkopplungsschleife eingestellt, um festgelegte, effektive Impedanzen für die dem Targetelement 23 zugeordneten Entladungen aufrechtzuerhalten. Die Leistungsverwendung der Quelle 18 wird dabei vergrößert.
Es ist bekannt, daß eine Radiofrequenz-Vorspannung niedriger Leistung die Gleichförmigkeit von Filmen über Substrattopographien in Geräten mit niedriger Abscheidungsrate verbessert. In dem Gerät gemäß Erfindung mit hoher Abscheidungsrate würde eine hohe Radiofrequenzleistung wegen des Wirkungsgrades notwendig sein. Hohe Radiofrequenzleistung kann jedoch lokalisierte Trübung und Aufschmelzung von abgeschiedenen Filmen bewirken. Es ist ein wichtiger Aspekt der Erfindung, daß die Anordnung eines magnetischen Spiegels in der Nähe des Substrats das Plasma genügend weit von dem Substrat weghält, um die Anwendung einer hohen Radiofrequenzleistung zu ermöglichen. Der magnetische Spiegel kann die Form einer Spule 7 einnehmen, die hinter der Vorderseite des Substrats angeordnet ist, welche die magnetische Feldlinien senkrecht zum Substrat ausrichtet. Die Spule 7 kann auch außerhalb des Vakuumsystems gelegen sein. Die Richtung des Stroms in der magnetischen Spiegel-Spule ist so, daß das Plasma weg von dem Substrat bewegt wird und dem vorherrschenden magnetischen Feld von der Quelle entgegengerichtet ist. Bei einem Aluminiumzerstäubungsverfahren wird der Wafer auf ungefähr 500ºC aufgeheizt. Ein Gerät zur Aufheizung des Substrats während der Abscheidung ist in den US-Patenten 4 261 762 (King) und 4 512 391 (Harra) offenbart, die hier einbezogen sein sollen. Die Radiofrequenzvorspannung in der Größenordnung von 1,5 W/cm² für einen Wafer von 150 mm Durchmesser kann dabei an den Wafer in Kombination mit der Aufheizung des Wafers gelegt werden, und eine hohe Abscheidungsrate der Zerstäubungsquelle gemäß Erfindung führt zu einem Film mit großer Gleichförmigkeit auf der Oberfläche des Substrats. Diese Leistungsdichte entspricht 350 bis 400 V der Gleichstromselbstvorspannung an dem Substrat.
Die Anwendung der magnetischen Spiegelspule 7 hat zwar den Vorteil, Radiofrequenzvorspannungen hoher Leistung zu ermöglichen, jedoch den Nachteil der Abnahme der Lebensdauer des Targets, wenn zu viel magnetisches Feld an der magnetischen Spiegelspule erzeugt wird. Eine Steuerschaltung, welche den Strom an die magnetische Spiegelspule proportional zu dem Strom zu den Zerstäubungsquellenspulen macht, hält dieses Problem klein. In der bevorzugten Ausführungsform nimmt der Strom Y zu den Spiegelspulen die Form Y = A + BX an, wobei A und B Konstanten und X der Strom zu den Magnetronspulen der Zerstäubungsquelle bedeutet.
Während eine spezifische Ausführungsform der Erfindung beschrieben und illustriert worden ist, ist es klar, daß Abweichungen in den Details des speziell illustrierten und beschriebenen Ausführungsbeispiels gemacht werden können, ohne von dem wahren Geist und dem Umfang der Erfindung abzuweichen, wie diese in den angefügten Ansprüchen definiert ist. Beispielsweise ist die Erfindung für Vielfach-Targetelemente anwendbar, die koplanar oder nicht notwendigerweise planar sind, sowie auch auf Radiofrequenzentladungen.

Claims

1. Vakuumzerstäubungseinrichtung zum Auftreffenlassen von Material auf einem Werkstück (14) mit folgenden Merkmalen:

eine Targeteinrichtung (15) zum Zerstäuben des Materials, die ein erstes Target (22) mit einer ebenen, das Material emittierenden Oberfläche (24) und einem kreisförmigen äußeren Umfang sowie ein zweites Target (23) aufweist, welches ein Kreisring ist und das erste Target umgibt;

eine Zuführeinrichtung (19) für ionisierbares Gas in einen evakuierbaren Raum, der zwischen dem Target und dem Werkstück liegt;

eine Einrichtung (18) zur Erzeugung eines ionisierenden elektrischen Feldes für das Gas in dem Raum, und

eine Einrichtung (39) zur Erzeugung eines einschließenden magnetischen Feldes in der Nähe der emittierenden Oberflächen des ersten und zweiten Targets, gekennzeichnet durch eine magnetische Spiegeleinrichtung (7), die benachbart dem Werkstück angeordnet ist, um das Plasma des ionisierten Gases vom Werkstück fernzuhalten, und durch eine Einrichtung zur Verbindung einer Hochfrequenzvorspannungsquelle mit dem Werkstück.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Target eine gegenüber der ebenen Emissionsfläche geneigte Emissionsfläche aufweist und am äußeren Umfang eine axiale Dicke aufweist, die größer als die axiale Dicke am inneren Umfang ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die geneigte Oberfläche im Winkel von 45º zu der ebenen Emissionsoberfläche geneigt ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Spiegeleinrichtung eine Solenoidspule umfaßt, die sich zur Seite der Position des Werkstücks entfernt von der Targeteinrichtung erstreckt.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Heizen des Werkstücks von der vom Target abgewandten Seite während des Zerstäubens.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die das elektrische Feld erzeugende Einrichtung und die das magnetische Feld begrenzende Einrichtung Mittel zur Erzeugung getrennter erster und zweiter Entladungen in dem ionisierten Gas unmittelbar oberhalb der emittierenden Oberflächen der ersten und zweiten Targets umfaßt, wobei diese getrennte Entladungserzeugungseinrichtung Mittel zur Erzeugung getrennter erster und zweiter ionisierender elektrischer Felder für das Gas oberhalb des ersten bzw. zweiten Targets und Mittel zur Erzeugung unterschiedlicher magnetischer Begrenzungsfelder für das Gas umfaßt, welches durch die magnetischen Felder in der Nähe der emittierenden Oberflächen der ersten und zweiten Targets ionisiert wird, daß die Begrenzungseinrichtung des magnetischen Feldes erste bzw. zweite Targets umfaßt, und daß die ersten und zweiten magnetischen Schaltkreise jeweils erste und zweite Magnetfeldquellen und Polstücke zur Ankopplung von Magnetfluß der ersten und zweiten Magnetfeldquellen an die erste und zweiten Targets umfassen.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldquellen Elektromagnete sind, die auf unterschiedlich einstellbare Stromquellen ansprechen.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die emittierende Oberfläche des ersten Targets eine ringförmige Gestalt mit inneren und äußeren Radien von R&sub1; bzw. R&sub2; aufweist, daß die emittierende Oberfläche des zweiten Targets symmetrisch um eine Längsachse der emittierenden Oberfläche des ersten Targets angeordnet ist und jeweils innere und äußere Radien von R&sub3; und R&sub4; aufweist, wobei R&sub1;< R&sub2;< R&sub3;< R&sub4; ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Magnetkreis ein erstes Polstück aufweist, das sich zur Kopplung von Magnetfluß zum Radiums R&sub1; des ersten Targets axial entlang der Achse erstreckt, daß der zweite Magnetkreis ein zweites ringförmiges Polstück umfaßt, das zur Kopplung von Magnetfluß zum Radius R&sub4; des zweiten Targets dient und konzentrisch zur Achse angeordnet ist, daß der erste Magnetkreis eine erste Polstückeinrichtung zur Kopplung von Magnetfluß zum Radius R&sub1; des ersten Targets umfaßt und daß der zweite Magnetkreis eine zweite Polstückeinrichtung zur Kopplung von Magnetfluß zum Radius R&sub3; des zweiten Targets umfaßt.