DE4039101A1 - Ortsfeste magnetron-zerstaeubungskathode fuer vakuumbeschichtungsanlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine ortsfeste Magnetron-Zerstäu­ bungskathode für Vakuumbeschichtungsanlagen für sich vor der Kathode auf einer Kreisbahn vorbeibewegenden, auf einem drehbaren Substrathalter angeordnete Substrate mit einer Targetplatte und einer zu dieser in einer paralle­ len Ebene angeordneten Tragplatte und mit einem hinter der Targetplatte vorgesehenen Magnetsystem, das aus einer Vielzahl von Permanentmagneten gebildet ist, von denen eine erste Gruppe oder Reihe von Magneten jeweils die gleiche und eine zweite Gruppe oder Reihe von Magneten eine entgegengesetzte Pollage aufweist, derart, daß über der Targetplatte ein in sich geschlossener Tunnel aus von der ersten Gruppe oder Reihe ausgehender und zur zweiten Gruppe oder Reihe zurückkehrender magnetischer Feldlinien gebildet wird.

Magnetron-Zerstäubungskathoden zeichnen sich durch eine um den Faktor 10 bis 30 höhere Zerstäubungsrate gegenüber Zerstäubungssystemen ohne Magnetfeldunterstützung aus. Dieser Vorteil wird jedoch mit dem Nachteil einer äußerst ungleichförmigen Zerstäubung der Targetplatte erkauft, denn die bei Magnetrons durch den magnetischen Tunnel erzwungene Einschnürung des Plasmas äußert sich in einer entsprechenden räumlichen Begrenzung des Zerstäubungs­ effekts. Durch Ausbildung eines tiefen Erosionsgrabens, dessen tiefste Stelle unter den Kulminationspunkten der magnetischen Feldlinien liegt, muß der Zerstäubungsvor­ gang beendet werden, nachdem nur etwa 25 bis 30% des Targetmaterials zerstäubt sind. Bei stationären Beschich­ tungssystemen, d. h. bei solchen ohne Relativbewegung zwischen Kathode und den Substraten, hat dies sehr un­ gleichmäßige Schichtdickenverteilungen zur Folge. Im Prinzip würde der Erosionsgraben quasi fotografisch auf den Substraten abgebildet.

Diese Problematik sowie eine Reihe von Lösungsversuchen werden in der DE-OS 27 07 144 und der DE-OS 36 19 194 angesprochen. Zu den Lösungsversuchen gehört insbesondere eine Magnetron-Zerstäubungskathode, bei der jeweils ein einziges, in sich geschlossenes Magnetsystem in exzentri­ scher Lage hinter einer kreisförmigen Targetplatte rotiert (Fig. 22 bis 25 der DE-OS 27 07 144), wobei die Magnete jeweils zwei ineinanderliegende, in sich ge­ schlossene Reihen von Magneten bilden.

Durch die EP 03 85 249 A2 ist es weiterhin bekannt (Fig. 6), bei einer rotierenden Sputterkathode mit einer kreisscheibenförmigen Targetplatte einen Teil der Magnete hinter dieser Platte so in einer Reihe anzuordnen, daß die Magnete einen unsymmetrischen Ring bilden und den anderen Teil der Magnete etwa inselförmig und zusammen­ hängend im Zentrum der Targetplatte vorzusehen, wobei die den Ring bildende Reihe von Magneten alle mit ihrem Süd­ pol und die zu einer Insel zusammengefügten Magnete sämt­ lich mit ihrem Nordpol auf die Targetplatte ausgerichtet sind.

Weiterhin ist es bekannt ("Vakuum-Information" der VEB Hochvakuum Dresden, 31. Okt. 1983, Seite 444, Bild 1), die Targetplatte einer Sputterkathode als ein etwa gleichseitiges Dreieck auszubilden und die Magnete auf ihrer Rückseite in einer Reihe anzuordnen, wobei diese Reihe von Magneten etwa parallel zweier Kanten dieser dreikantigen Platte und im Bereich der dritten Kante in einer nach innen zu geschlungenen Bucht verläuft. Diese als Dreieck-Plasmatron bezeichnete Kathode ermöglicht infolge ihrer besonderen Konfiguration bereits eine recht gute Schichtdickenverteilung bei einem vor der Target­ platte auf einem Kreisbogen vorbeibewegten Substrat.

Schließlich ist es durch die US-Patentschrift 48 31 108 bekannt (Fig. 7), hinter einer kreisscheibenförmigen, sich drehenden Jochplatte in zwei spiralförmigen Reihen eine Vielzahl von Magneten so zu plazieren, daß der einen Reihe von Magneten mit gleicher Polung eine parallele Reihe von Magneten entgegengesetzter Polung gegenüber­ steht.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Magne­ tron-Zerstäubungskathode der eingangs angegebenen Gattung dahingehend zu verbessern, daß die Schichtdickenvertei­ lung auf den zu beschichtenden Substraten weiter ver­ gleichmäßigt und gleichzeitig das Targetmaterial besser ausgenutzt wird.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der ein­ gangs angegebenen Magnetron-Zerstäubungskathode erfin­ dungsgemäß dadurch, daß die Targetplatte kreisscheiben­ förmig ausgebildet ist und die erste Gruppe oder Reihe von Magneten - im wesentlichen einen geschlossenen Kreis­ ring bildend - im Randbereich der Targetplatte und die zweite Gruppe oder Reihe von Magneten - eine regellose, jedoch symmetrische Konfiguration bildend - im zentralen Bereich der Targetplatte vorgesehen ist, wobei der Ab­ schnitt des magnetischen Tunnels, der im Bereich der von der Drehachse des Substrathalters abgewandten Hälfte der Targetplatte verläuft, eine insgesamt größere Länge auf­ weist als der Tunnelabschnitt, der auf der der Drehachse zugewandten Hälfte der Targetplatte vorgesehen ist.

Weitere Einzelheiten und Merkmale sind in den Patentan­ sprüchen beschrieben und gekennzeichnet.

Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausführungsmög­ lichkeiten zu; einige davon sind in den anhängenden Zeichnungen näher dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 das bloße Schema einer Vakuumbeschich­ tungsanlage in der Draufsicht,

Fig. 2 die stark vereinfachte Darstellung einer Vakuumbeschichtungsanlage in der Seiten­ ansicht und im Schnitt und

Fig. 3-6 verschiedene Tragplatten mit jeweils unterschiedlichen Magnetanordnungen in der Draufsicht und in vergrößerter Dar­ stellung.

Die Vakuumbeschichtungsanlage besteht im wesentlichen aus der kreiszylindrischen Prozeßkammer 3, dem Substratteller 4, dessen Drehachse 5 durch das Bodenteil 8 hindurchge­ führt ist und über ein Getriebe 6 von einem Elektromotor 7 angetrieben wird, der in einer Öffnung des Deckelteils 9 angeordneten Kathode 10, die mit Hilfe eines Isolier­ rings 11 auf dem Rand der Öffnung 12 abgestützt und ge­ halten ist und die ein Target 13 mit dem zu zerstäubenden Material aufweist, wobei hinter dem Target 13 eine Viel­ zahl von Permanentmagneten 14 angeordnet sind, die über eine kreisscheibenförmige Jochplatte 15 miteinander ver­ bunden sind, wobei das Target 13, die Magnete 14 und die Jochplatte 15 mit einem Kathodengrundkörper oder Trag­ platte 16 verbunden sind, die ihrerseits mit ihrem kreis­ ringförmigen Kragenteil auf dem Isolierring 11 gelagert ist.

Während des Beschichtungsprozesses herrscht in der Pro­ zeßkammer 3 ein Vakuum, wobei das Gehäuse selbst die Anode und die Teile 13 bis 16 die Kathode bilden, von der aus das Targetmaterial auf die Substrate 17, 17′, .. fließt, die auf dem Substratteller 4 liegen und (wie Fig. 1 zeigt) auf einer Kreisbahn K langsam vor der Kathode 10 vorbeibewegt werden, und zwar mit Hilfe des Motors 7, der über das Getriebe 6 und die im unteren Kammerteil 8 gelagerte Achse 5 den Substratteller 4 an­ treibt.

Da nun die Kathode 10 eine kreisscheibenförmige Quer­ schnitts- bzw. Projektionsfläche aufweist, würde das sich auf der Kreisbahn K unter ihr vorbeibewegende Substrat 17 eine ungleichförmige Beschichtung aufweisen, wenn auch der übrige Aufbau der Kathode 10, insbesondere die Anord­ nung der Magnete 14, vollständig gleichmäßig und symme­ trisch wäre, d. h. wenn der sich unterhalb des Targets 13 ausformende Plasmaschlauch einen Kreisring bilden würde. Diese ungleichförmige Beschichtung ist insbesondere die Folge unterschiedlich langer Verweilzeiten einzelner Partien des Substrats 17 im Wirkungsfeld der Kathode 10 während seiner Vorbeibewegung auf der Kreisbahn K.

Bei der vorliegenden Erfindung ist die Anordnung (siehe Fig. 3 bis 6) der Magnete 14a, 14b, .. auf der Joch­ platte 15, 15′, .. jeweils so gewählt, daß der sich ausbildende, geschlossene magnetische Tunnel t auf der einen Partie IV der Jochplatte 15 (auf der Zeichnung Fig. 3 ist es die obere Partie) länger bemessen ist als der auf der anderen Partie I (der gleich großen Partie I am unteren Rand der Zeichnung Fig. 3). Der vom magneti­ schen Tunnel t bestimmte Plasmaschlauch ist also auf der oberen Hälfte (der radial äußeren Hälfte III + IV) der Kathode 10 wirksamer als auf der unteren Hälfte (was man besonders gut bei der in Fig. 4 dargestellten Magnetan­ ordnung 14a′, 14b′ erkennen kann), so daß die mit höherer Geschwindigkeit unter der Kathode 10 durchlaufende, ra­ dial außenliegende Hälfte a des Substrats 17 mit der gleichen Schichtdicke besputtert wird wie die untere Hälfte b des Substrats 17.

Bei der Darstellung der Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 5 und 6 wurde auf ein Einzeichnen der verschie­ denen Partien bzw. Zonen verzichtet: es ist aber klar er­ kennbar, daß auch bei diesen Magnetanordnungen 14a′′, 14b′′ und 14a′′′, 14b′′′ die vorstehend geschilderte Bedingung erfüllt ist, daß nämlich die Plasmaschläuche auf der einen Hälfte des Targets bzw. der Jochplatte 15 sich jeweils länger ausbilden als auf der anderen Hälfte. Die entsprechenden Verläufe der magnetischen Tunnels t′′ bzw. t′′′ sind aber auch in dieser Darstellung als strichlierte Linien angedeutet.

Wie Fig. 3 deutlich zeigt, weist jeweils die erste Grup­ pe oder Reihe von Magneten, z. B. die in einem Halbkreis angeordneten Magnete 14a, gegenüber der zweiten Reihe von Magneten 14b, die einen geschlossenen Kreis bilden, an den sich eine weitere gerade Reihe von Magneten an­ schließt, eine verschiedene Polung auf. Bei der ersten (innenliegenden) Reihe 14a sind jeweils die Südpole S dem Substrat 17 zugekehrt, während bei der zweiten Reihe die Nordpole N dem Substrat 17 zugekehrt sind. Selbstver­ ständlich sind die einzelnen Magnete bei den Ausführungs­ formen gemäß den Fig. 4 bis 6 in der gleichen Weise, d. h. mit gegensinniger Polung angeordnet.

Wie insbesondere aus Fig. 5 zu ersehen ist, können die einzelnen Magnete einer Magnetreihe oder -gruppe (14a′′ bzw. 14b′′) auch verschieden groß bzw. leistungsfähig dimensioniert sein, was natürlich den Verlauf des Plasma­ schlauchs bzw. seine Leistung beeinflußt.

Während bei der Magnetron-Rundkathode nach dem Stand der Technik die Anordnung der Permanentmagnete auf der Joch­ platte rotationssymmetrisch ist, ist bei der Rundkathode nach der vorliegenden Erfindung eine Anordnung von Permanentmagneten auf der Jochplatte vorgesehen, die entweder spiegelsymmetrisch in bezug auf einen Radial­ strahl Z des Substrathalters ist oder aber ohne eine definierte Symmetrie auskommt.

Ziel ist es in jedem Fall, einen Verlauf des Plasmaein­ schlusses (race-track) zu erzeugen, der die gewünschte Verteilung im Substratbereich ermöglicht. In Abhängigkeit vom verwendeten Targetmaterial, von der verwendeten Sput­ termethode (DC-Sputtern, RF-Sputtern) und von den spezi­ ellen Anlagen und deren Konfigurationen sind unterschied­ liche Magnetanordnungen erforderlich.

Darüber hinaus ist es erforderlich, bei einer einzelnen Anordnung einige "Kalibrier-Magnete" in ihrer Lage und/oder ihrer Größe in gewissem Rahmen unbestimmt zu be­ lassen, um eine Feinkalibrierung der Schichtdickenhomo­ genität zu ermöglichen (siehe z. B. den Magneten 18 bei der Ausführung gemäß Fig. 3).

Bisher wird bei Magnetron-Rundkathoden die Schichtdicken­ homogenität durch den Einbau sogenannter Aperturblenden ermöglicht. Dabei wird aus dem von der Kathode kommenden Materialstrahl ein Teil so ausgeblendet, daß die ge­ wünschte Schichtdickengleichmäßigkeit erreicht wird. Nachteilig ist dabei die Verringerung der effektiven Sputterrate durch die Blenden und die auf den Blenden aufwachsenden Schichten. Diese Probleme werden durch die oben beschriebene Rundkathode nach der vorliegenden Er­ findung vermieden.

Im Vergleich zu Segment- bzw. Trapezkathoden ist die Rundkathode nach der Erfindung auch wesentlich einfacher und damit billiger zu fertigen, wobei der Einbau dieser Kathoden in bereits vorhandene Anlagen in der Regel pro­ blemlos möglich ist, was ebenfalls einen beachtlichen Vorteil darstellt.

Bezugszeichenliste

 3 Prozeßkammer
 4 Substratteller
 5 Drehachse
 6 Getriebe
 7 Elektromotor
 8 Bodenteil
 9 Deckelteil
10 Kathode
11 Isolierung
12 Öffnung
13 Target
14a, 14b, 14a′, 14b′, . . . Magnetgruppe oder -reihe 15 Jochplatte
16 Kathodengrundkörper, Tragplatte
17 Substrat
18 zylindrisch ausgeformter Magnet
19 zusätzliche Magnetreihe

Claims (5)

1. Ortsfeste Magnetron-Zerstäubungskathode für Vakuum­ beschichtungsanlagen für sich vor der Kathode (10) auf einer Kreisbahn (K) vorbeibewegende, auf einem drehbaren Substrathalter (4) angeordnete Substrate (17), mit einer Targetplatte (13) und einer zu die­ ser in einer parallelen Ebene angeordneten Trag­ oder Jochplatte (15) und mit einem hinter der Tar­ getplatte (13) vorgesehenen Magnetsystem, das aus einer Vielzahl von Permanentmagneten (14a, 14b) gebildet ist, von denen eine erste Gruppe oder Reihe von Magneten (14b, 14b′, ..) jeweils die gleiche und eine zweite Gruppe oder Reihe von Magneten (14a, 14a′, ..) eine entgegengesetzte Pollage aufweist, derart, daß über der Targetplatte (13) ein in sich geschlossener Tunnel aus von der ersten Gruppe oder Reihe ausgehender und zur zweiten Gruppe oder Reihe zurückkehrender magnetischer Feldlinien gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Jochplatte (15) kreisscheibenförmig ausgebildet ist und die erste Gruppe oder Reihe von Magneten (14b, 14b′, . . .) - im wesentlichen einen geschlossenen Kreisring bildend - im Randbereich der Jochplatte (15) und die zweite Gruppe oder Reihe von Magneten (14a, 14a′, . . .) - eine regellose, jedoch im wesentlichen symme­ trische Konfiguration bildend - im zentralen Bereich der Jochplatte (15) vorgesehen ist, wobei der Ab­ schnitt des magnetischen Tunnels, der im Bereich (III + IV) der von der Drehachse (5) des Substrat­ halters (4) abgewandten Hälfte der Jochplatte (15) verläuft, eine insgesamt größere Länge aufweist als der Tunnelabschnitt, der auf der der Drechachse (5) zugewandten Hälfte (I + II) der Jochplatte (15) vorgesehen ist.

2. Ortsfeste Magnetron-Zerstäubungskathode nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Magnete der ersten Gruppe oder Reihe (14b, 14b′, . . .) unterschiedliche Konfiguration und Größe auf­ weisen als auch die Magnete der zweiten Gruppe oder Reihe (14a, 14a′, ..).

3. Ortsfeste Magnetron-Zerstäubungskathode nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Zentrum der Trag- oder Jochplatte (15) ein zylin­ drisch ausgeformter Magnet (18) vorgesehen ist, von dem aus sich eine erste Reihe von hintereinanderlie­ gend angeordneten Magneten (14b) in radialer Rich­ tung bis an eine kreisringförmig angeordnete äußere Reihe von Magneten gleicher Pollage erstreckt, wobei der zentrale Magnet (18) von einer zweiten, einen offenen Kreisring bildenden Reihe von Magneten (14a) umschlossen ist, und der Abstand (c) vom zentralen Magneten (18) zur zweiten Reihe (14a) etwa dem Ab­ stand (d) von dieser zweiten Reihe (14a) zur äußeren Reihe (14b) entspricht.

4. Ortsfeste Magnetron-Zerstäubungskathode nach den Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der zentralen Partie der Trag- oder Jochplatte (15) eine zweite Gruppe oder Reihe von Magneten (14a′, 14a′′) angeordnet ist, die zusammen eine etwa X- oder I-förmige, im wesentlichen aber symmetrische Konfiguration aufweisen, wobei sich die Symmetrie­ achse (Z) in etwa parallel einer Geraden, die von der Drehachse (5) aus durch das Zentrum der Joch­ platte (15) verläuft, erstreckt und wobei die erste Gruppe oder Reihe von Magneten (14b′, 14b′′) die zweite Gruppe oder Reihe (14a′, 14a′′) ringförmig umschließt.

5. Ortsfeste Magnetron-Zerstäubungskathode nach den Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der zentralen Partie der Trag- oder Jochplatte (15) eine zweite Gruppe oder Reihe von Magneten (14a′′′) in einer etwa U-förmigen Konfiguration angeordnet ist und eine erste Gruppe oder Reihe von Magneten (14b′′′) diese ringförmig umschließt, wobei eine an diese ringförmige Anordnung sich anschlie­ ßende Reihe von zusätzlichen Magneten (19) vorgese­ hen ist, die sich in der Form eines gebogenen Fin­ gers radial bis etwa in das Zentrum der Jochplatte (15) hinein erstreckt und wobei die U-förmig ange­ ordneten Magnete (14a′′′) so ausgerichtet sind, daß die beiden Schenkel dieser U-Form etwa parallel einer Gerade verlaufen, die rechtwinklig zur Symme­ trieachse (Z) ausgerichtet ist.