DE3727901A1 - Zerstaeubungskathode nach dem magnetronprinzip - Google Patents
Zerstaeubungskathode nach dem magnetronprinzipInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Zerstäubungskathode nach
dem Magnetronprinzip mit einem aus mindestens einem
Teil bestehenden Target aus dem zu zerstäubenden Material,
mit einem hinter dem Target angeordneten
Magnetsystem mit Magneteinheiten abwechselnd unterschiedlicher
Polung, durch die mindestens ein in
sich geschlossener, magnetischer Tunnel aus bogenförmig
gekrümmten Feldlinien gebildet wird, wobei
die dem Target abgekehrten Pole der Magneteinheiten
über ein Magnetjoch aus weichmagnetischem Werkstoff
miteinander verbunden sind.
Durch die DE-OS 34 42 206 ist eine Zerstäubungskathode
der eingangs beschriebenen Gattung bekannt,
die für die Zerstäubung von Targets aus ferromagnetischen
Werkstoffen vorgesehen ist. Bei einem
der beiden Ausführungsbeispiele werden durch zwei
konzentrisch ineinanderliegende Magneteinheiten in
Verbindung mit zwei konzentrischen, in dem Target
angeordneten Luftspalte zwei in sich geschlossene,
ineinanderliegende magnetische Tunnels aus bogenförmig
gekrümmten Feldlinien gebildet. Da aber
hierbei die magnetischen Felder über die beiden
Luftspalte magnetisch in Reihe geschaltet sind,
lassen sich die Feldstärken der beiden Tunnels
nicht unabhängig voneinander beeinflussen. Dadurch
entstehen im Bereich der beiden magnetischen Tunnels
voneinander verschiedene Zerstäubungsraten
und im Bereich des dem Target gegenüberliegenden
Substrats auch sehr unterschiedliche Niederschlagsraten,
so daß die Schichtdickenverteilung sehr
ungleichförmig ist.
Durch die DE-OS 22 43 708 ist es bekannt, bei Stabkathoden
Magneteinheiten in axialer Richtung hintereinander
anzuordnen, um dadurch die Zerstäubung
des Targetmaterials zu vergleichmäßigen. Auch für
die dort beschriebenen planaren Targets wird angegeben,
daß man konzentrische, ineinanderliegende
magnetische Tunnels vorsehen kann. Auch hier sind
Möglichkeiten einer getrennten Einstellung eines
jeden magnetischen Tunnels, unabhängig vom jeweils
benachbarten Tunnel, nicht vorgesehen und auch
nicht möglich.
Durch eine unter der Bezeichnung "Con Mag" von der
Firma Varian vertriebene Zerstäubungskathode der
eingangs beschriebenen Gattung ist es weiterhin bekannt,
innerhalb einer kreisringförmigen Jochplatte
mit Abstand eine kreisscheibenförmige Jochplatte
vorzusehen und jeder Jochplatte zwei unabhängig
voneinander wirkende, entgegengesetzt gepolte Magneteinheiten
zuzuordnen, wobei über dem kreisringförmigen
Magnetsystem ein Target mit einer kegelförmigen
Zerstäubungsfläche und über dem kreisscheibenförmigen
Magnetsystem eine ebene Targetplatte
angeordnet ist. Mittel für die Beeinflussung
der Magnetfeldstärke der zwei gebildeten Tunnels,
unabhängig voneinander, sind nicht vorgesehen. Bei
dieser Zerstäubungskathode muß der Zerstäubungseffekt
so in Kauf genommen werden, wie er durch
die relative Lage der magnetischen Tunnels zu den
Zerstäubungsflächen vorgegeben ist.
Nun hat der Abstand des Magnetsystems bzw. der Magnetsysteme
von dem Target, insbesondere dann, wenn
es aus einem nichtferromagnetischen Werkstoff besteht,
einen erheblichen Einfluß auf die Feldlinienverteilung
über der Zerstäubungsfläche und damit auf
das sogenannte "Erosionsprofil". Um den zunehmenden
Verbrauch des Targetmaterials durch Ausbildung eines
Erosionsgrabens zu kompensieren, wird in der
DE-OS 30 47 113 angegeben, mit fortschreitendem Verbrauch
des Targetmaterials den Abstand des Magnetsystems
von der Targetrückseite zu verändern. Das
betreffende Magnetsystem besteht jedoch nur aus
zwei Magneteinheiten, die einen einzigen magnetischen
Tunnel erzeugen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine
Zerstäubungskathode sowohl für magnetische als
auch für nichtmagnetische Targetmaterialien anzugeben,
die zu Schichten mit sehr gleichmäßiger
Schichtdickenverteilung führt und die eine besonders
gute Ausnutzung der Targets ermöglicht.
Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der
eingangs beschriebenen Zerstäubungskathode erfindungsgemäß
dadurch, daß zumindest einer der Permanentmagnete
durch einen Elektromagneten beeinflußt
ist, wobei die Feldverteilung je nach der Beaufschlagung
des Elektromagneten veränderbar ist.
Vorzugsweise ist dazu das die Permanentmagnete tragende
Magnetjoch ringförmig ausgebildet, wobei der
Elektromagnet ein topfförmiges Joch aufweist, das
die zentrale Öffnung des Magnetjochs ausfüllt oder
in dieser angeordnet ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die
Wicklung der als Elektromagnet ausgebildeten Magneteinheit
einen Spulenkern auf, dessen dem Target
zugewandtes Ende einen Permanentmagneten trägt.
Um der von einem Wechselstrom durchflossenen Wicklung
des Elektromagneten einen festen Zusammenhalt
zu geben und um eine sichere Isolierung gegenüber
dem Magnetjoch zu gewährleisten, ist die im topfförmigen
Magnetjoch des Elektromagneten angeordnete,
kreisringförmig gewickelte Magnetspule zumindest
teilweise von einem Isolierstoffkörper
umschlossen.
Bei einer alternativen Ausführungsform der
Zerstäubungskathode ist das die Permanentmagnete
tragende Magnetjoch als ein langgestrecktes, im
wesentlichen schalenförmiges Teil und der das
Target haltende Grundkörper als U-förmiges Profilteil
ausgebildet, wobei die Wicklung des
Elektromagneten einerseits vom schalenförmigen
Magnetjoch und andererseits vom Bodenteil des
Grundkörpers umschlossen ist.
Zweckmäßigerweise ist dem Elektromagneten ein Verstärker
und/oder Oszillator vorgeschaltet, der
den Elektromagneten mit einem Wechselstrom versorgt,
dessen Amplitude, Frequenz und Impulsform
variierbar sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des
Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den übrigen
Unteransprüchen.
Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausführungsmöglichkeiten
zu; zwei davon sind in den anhängenden
Zeichnungen schematisch näher dargestellt, und
zwar zeigen:
Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine
Zerstäubungskathode mit einem
Elektromagneten mit einem
hohlzylindrischen Joch
Fig. 2 Darstellung des Feldverlaufs
der Hz-Komponente bei I 1 (x)
und Strom I 2 (O) am Elektromagneten
gemäß Fig. 1
Fig. 3 Darstellung des zeitlichen Verlaufs
des Spulenstroms am Elektromagneten
gemäß Fig. 1
Fig. 4 eine perspektivische Teildarstellung
einer Zerstäubungskathode
mit einem kastenförmig
ausgebildeten Joch
Fig. 5 ein Blockschaltbild der Stromversorgung
der Zerstäubungskathode
Fig. 6-11 Darstellungen verschiedener
Abtragsprofile, und zwar von
Targets herkömmlicher Kathoden
im Vergleich zu der Kathode
nach Fig. 1
In Fig. 1 ist eine Zerstäubungskathode 1 dargestellt,
deren tragender Teil ein topfförmiger,
hohler Grundkörper 2 ist, der wegen der thermischen
Belastung aus einem gut wärmeleitenden Werkstoff
(Kupfer) besteht und mittels eines umlaufenden
Flansches 3 unter Zwischenschaltung eines
Isolierstoffkörpers 4 in eine Wand 5 einer hier
nicht näher gezeigten Vakuumkammer eingesetzt ist.
Der Grundkörper 2 besitzt eine größtenteils ebene
Stirnplatte 6. Auf der Außenseite der Stirnplatte 6
ist durch Bonden ein Target 11 befestigt. In der
hinteren Öffnung des Grundkörpers 2 befindet sich
ein Magnetsystem mit mehreren Magneteinheiten 14,
15, 16, die in bezug auf die Achse A ineinanderliegen
und sämtlich aus permanentmagnetischem Material
bestehen und in axialer Richtung magnetisiert
sind. Die Magneteinheiten 15, 16 sind dabei aus
mehreren quaderförmigen Permanentmagneten zusammengesetzt,
deren Polflächen gleicher Polung im
wesentlichen in einer Kreisringfläche liegen.
Hierbei sei vernachlässigt, daß eine solche Aneinanderreihung
von Permanentmagneten in Wirklichkeit
zu einem vieleckigen Polygon führt. Die
dem Target 11 abgekehrten Pole der Magneteinheiten
14, 15, 16 sind über ein Magnetjoch 19 aus
weichmagnetischem Material in der in Fig. 1
gezeigten Weise miteinander verbunden. Das Magnetjoch
19 besteht dabei aus einem äußeren Jochteil,
dessen Grundfläche eine Kreisringfläche
ist, und aus einem inneren Jochteil, dessen Grundfläche
eine Kreisfläche ist.
Die Magneteinheiten 14, 15, 16 sind dabei abwechselnd
unterschiedlich gepolt, und zwar bilden
die dem Target 11 zugekehrten Polflächen bei
der Magneteinheit 14 einen Nordpol, bei der Magneteinheit
15 einen Südpol und bei der Magneteinheit
16 wieder einen Südpol. Dies führt im
Hinblick auf die zwischen dem Target 11 vorhandenen
Luftspalte zur Ausbildung eines magnetischen
Tunnels 20, dessen Feldlinien in der rechten
Hälfte von Fig. 1 gestrichelt dargestellt
sind. In Wirklichkeit folgt der Tunnel 20 dem
Verlauf des Luftspalts, ist also um die Achse A
umlaufend geschlossen.
Das Jochteil 19 ist etwa topfförmig ausgebildet
und mit einem sich zentral vom Bodenteil aus in
Richtung auf das Target 11 zu erstreckenden Kern
18 versehen.
Neben der zentralen Magneteinheit 14 ist zusätzlich
ein Elektromagnet 17 vorgesehen, dessen
Magnetspule 22 in dem topfförmigen Jochteil aus
weichmagnetischem Material angeordnet ist, wobei
die Wicklung bzw. Magnetspule 22 um den Kern 18
herumgewickelt ist.
Der besondere Vorteil der dargestellten Ausführungsform
einer Zerstäubungskathode 1 besteht
nun darin, daß ein zusätzliches Magnetfeld, das
durch den Elektromagneten 17 erzeugt wird, dem
Feld der Permanentmagnete 14, 15, 16 aus Co-Sm
oder Nd-Fe-B überlagert wird. Dadurch ändern
sich die Geometrie und der Betrag des Magnetfeldes
auf der Targetoberfläche. Diese Feldveränderung
bewirkt eine Verschiebung des Plasmarings
auf dem Target 11. Diese Verschiebung ist einmal
abhängig vom verwendeten Permanentmagnetsatz 14,
15, 16 und vom Strom, der durch den Elektromagneten
17 fließt. Bei durchgeführten Versuchen
hat diese Verschiebung, wie dies in Fig. 2
dargestellt ist, zwischen 5 und 8 mm betragen.
Den Strom zur Versorgung des Elektromagneten 17
liefert ein Verstärker 23, der über ein Oszillationsgerät
24 gesteuert wird. Die Art der Steuerung
ermöglicht es, den Strom in Frequenz, Amplitude
und Pulsform zu wählen. Es hat sich gezeigt,
daß ein Wechselstrom, der durch Rechtecke unterschiedlicher
Länge darstellbar ist (siehe Fig. 3),
zu der größten Ausnutzung führt. Das Strommodul 25
ist erforderlich, damit der Strom, den der Verstärker
23 liefern soll, direkt der Steuerspannung
des Oszillators 24 folgt. Das Modul 25 ist notwendig,
da der Verstärker 23 durch die relativ große
Induktivität des Magneten belastet ist.
Von Bedeutung für eine gute Arbeitsweise ist eine
gute elektrische Isolierung zwischen dem Elektromagneten
17, der geerdet ist, und dem Grundkörper 2,
der auf hohem Potential liegt. Die Funktionsfähigkeit
der Vorrichtung ist nur bei guter Isolierung 7
gewährleistet.
Die in Fig. 1 dargestellte Zerstäubungskathode 1
weist den Vorteil auf, daß durch eine Veränderung
des Magnetfeldes der gesamte Plasmaring veränderbar
ist. Je nach Polung des Magneten 17 wird er
größer oder kleiner.
Fig. 6 bis 11 zeigen verschiedene, mit der beschriebenen
Kathode 1 erzielbare Versuchsergebnisse
im Vergleich mit Targets, die mit einer
Kathode mit verschiebbaren Permanentmagneten
gesputtert wurden.
Fig. 6 und 7 zeigen die Abtragprofile für Cu-
Targets, wobei unterschiedliche Permanentmagnetsätze
verwendet wurden.
Fig. 8 zeigt ein Abtragprofil eines Cu-Targets,
das mit Standardmagnetsatz und Hebesystem gesputtert
wurde.
Die Fig. 9 bis 11 zeigen die Profile für Al-
Targets. Fig. 9 und 10 zeigen die Veränderung
des Sputtergrabens während der Versuchsdurchführung.
Fig. 11 stellt ein Profil eines Al-Targets dar,
das mit Standardmagnetsatz und Hebesystem gesputtert
wurde.
Aus den Versuchsergebnissen erkennt man, daß die
Sputtergräben durch die Verwendung des Elektromagneten
breiter werden und die Targetausnutzung gegenüber
Targets, die mit Hebesystem gesputtert werden,
etwa um 8-10% steigt. Es ist klar, daß die beschriebene
Kathode in Verbindung mit der Magnethebeeinrichtung
noch bessere Ergebnisse ermöglicht.
Bei der Ausführungsform der Zerstäubungskathode 37
nach Fig. 4 ist das Magnetjoch 33 ein langgestrecktes,
schalen- oder wannenförmiges Teil, das in
seinem mittleren Abschnitt einen rippenförmigen
Spulenkern 35 aufweist, um den der Draht der Spule
38 herumgewickelt ist, so daß das Spulenpaket einerseits
von den einander parallelen Seiten- und Endwänden
des Magnetjochs 30 und andererseits vom
Bodenteil 34 des U-förmigen Grundkörpers 32 umschlossen
ist. Die Permanentmagnete 27, 28, 29 sind
auf dem rippenförmigen Spulenkern 35 bzw. auf der
umlaufenden Randpartie 39 des schalenförmigen Magnetjochs
30 angeordnet. Oberhalb der sich während
des Beschichtungsvorganges ausbildenden Rennbahn
ist mit strichlierten Linien der durch die Magnetfeldkonfiguration
erzeugte magnetische Tunnel 40
angedeutet. Dieser Tunnel 40 bildet sich entsprechend
der ovalen Randpartie 39 des Magnetjochs 30
als geschlossene, endlose Rennbahn aus.
Auflistung der Einzelteile
1 Zerstäubungskathode
2 hohler Grundkörper
3 umlaufender Flansch
4 Isolierstoffkörper
5 Wand
6 ebene Stirnplatten
7 Isolierung, Isolierstoffkörper
11 Target
14 Magneteinheit
15 Magneteinheit
16 Magneteinheit
17 Elektromagnet
18 Kern, Spulenkern
19 Magnetjoch
20 Tunnel
22 Magnetspule, Wicklung
23 Verstärker
24 Oszillationsgerät
25 Strommodul
26 Stromversorgung
27 Permanentmagnet
28 Permanentmagnet
29 Permanentmagnet
30 Magnetjoch
31 Target
32 Grundkörper
33 Elektromagnet
34 Bodenteil
35 Spulenkern
36 Jochboden
37 Zerstäubungskathode
38 Wicklung
39 umlaufende Randpartie
40 Tunnel
3 umlaufender Flansch
4 Isolierstoffkörper
5 Wand
6 ebene Stirnplatten
7 Isolierung, Isolierstoffkörper
11 Target
14 Magneteinheit
15 Magneteinheit
16 Magneteinheit
17 Elektromagnet
18 Kern, Spulenkern
19 Magnetjoch
20 Tunnel
22 Magnetspule, Wicklung
23 Verstärker
24 Oszillationsgerät
25 Strommodul
26 Stromversorgung
27 Permanentmagnet
28 Permanentmagnet
29 Permanentmagnet
30 Magnetjoch
31 Target
32 Grundkörper
33 Elektromagnet
34 Bodenteil
35 Spulenkern
36 Jochboden
37 Zerstäubungskathode
38 Wicklung
39 umlaufende Randpartie
40 Tunnel
Claims (9)
1. Zerstäubungskathode (1, 37) nach dem Magnetronprinzip
mit einem aus mindestens einem Teil bestehenden Target (11, 31)
aus dem zu zerstäubenden Material, mit einem hinter dem Target
(11, 31) angeordneten Magnetsystem (14, 15, 16
bzw. 27, 28, 29) mit Magneteinheiten abwechselnd
unterschiedlicher Polung, durch die mindestens
ein in sich geschlossener magnetischer Tunnel
(20, 40) aus bogenförmig gekrümmten Feldlinien
gebildet wird, wobei die dem Target (11, 31)
abgekehrten Pole der Magneteinheiten (14, 15, 16
bzw. 27, 28, 29) über ein Magnetjoch (19 bzw. 30)
aus weichmagnetischem Werkstoff miteinander verbunden
sind, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest
einer der Permanentmagnete (14, 15, 16 bzw. 27,
28, 29) durch einen Elektromagneten (17 bzw. 33)
beeinflußt ist.
2. Zerstäubungskathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das die Permanentmagnete (15,
16) tragende Magnetjoch ringförmig nachgebildet
ist und der Elektromagnet (17) ein topfförmiges
Joch (19) aufweist, das die zentrale Öffnung
des Magnetjochs ausfüllt oder in dieser angeordnet
ist.
3. Zerstäubungskathode nach den Ansprüchen 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (22) der
als Elektromagnet (17) ausgebildeten Magneteinheit
einen Spulenkern (18) aufweist, dessen dem
Target (11) zugewandtes Ende einen Permanentmagneten
(14) trägt.
4. Zerstäubungskathode nach einem oder mehreren der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die im topfförmigen Magnetjoch (19) als
Elektromagneten (17) angeordnete, hohlzylindrisch
gewickelte Magnetspule (22) von einem Isolierstoffkörper
(7) zumindest teilweise umschlossen ist.
5. Zerstäubungskathode nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das die Permanentmagnete (27,
28, 29) tragende Magnetjoch (30) als ein langgestrecktes,
im wesentlichen schalen- oder wannenförmiges
Teil und der das Target (31) aufweisende
Grundkörper (32) als U-förmiges Profilteil ausgebildet
sind, wobei die Wicklung (33) des Elektromagneten
(33) einerseits vom schalenförmigen Magnetjoch
(30) und andererseits vom Bodenteil (34)
des Grundkörpers (32) umschlossen ist.
6. Zerstäubungskathode nach den Ansprüchen 1 und 5,
dadurch gekennzeichnet, daß das langgestreckte,
schalenförmige Magnetjoch (30) eine einen Spulenkern
(35) bildende Rippe aufweist, die sich parallel
der beiden Längswände des Magnetjochs (30)
erstreckt und die Teil des Jochbodens (36) ist.
7. Zerstäubungskathode nach einem oder mehreren der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß dem Elektromagneten (17, 33) ein Verstärker
(23) und/oder Oszillator (24) vorgeschaltet ist,
der den Elektromagneten mit einem Wechselstrom
versorgt, dessen Amplitude, Frequenz und Impulsform
variierbar sind.
8. Zerstäubungskathode nach einem oder mehreren der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Frequenz des elektromagnetischen Feldes
mit 0,1 Hz bis 10,0 Hz, vorzugsweise 0,1 bis
1,0 Hz, eingestellt ist.
9. Zerstäubungskathode nach einem oder mehreren der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die zeitliche Änderung des elektromagnetischen
Feldes eine Rechteckfunktion ist, wobei das Verhältnis
der Pulslängen zwischen 1 : 1 und 1 : 16,
vorzugsweise mit 1 : 3, wählbar ist.
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