DE4120690A1 - Targetvorrichtung aus ferromagnetischem material fuer eine magnetron-elektrode - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Targetvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Das Kathodenzerstäuben bzw. Sputtern ist schon seit langem als eine Erscheinung der Glimmentladung bekannt. Es beruht darauf, daß beim Auftreffen von Ionen mit einer Ener­ gie von mehr als 25 eV auf eine Festkörperoberfläche, das sogenannte Target, vorwiegend neutrale Atome bzw. Atomgruppen aus dem Target herausgeschlagen werden. Das Heraus­ schlagen dieser Atome bzw. Atomgruppen bewirkt eine Abtragung der Targetoberfläche, so daß man den Vorgang auch als Ionenätzen bezeichnet. Dieses Ionenätzen kann einer­ seits zum Reinigen und Bearbeiten von Festkörperoberflächen und andererseits zum Her­ stellen dünner Schichten durch Kondensation der gesputterten Teilchen auf andere Körner verwendet werden.

Beim Sputtern dient das Target als Kathode einer Gasentladung, wobei als Gas meistens ein Edelgas, vorzugsweise Argon, eingesetzt wird, damit die Ionen dieses Gases keine che­ mische Verbindung mit anderen Stoffen eingehen. Werden dem Edelgas andere Gase zu­ gemischt, so spricht man von reaktivem Ionenätzen, weil dann die zugemischten Gase che­ mische Reaktionen eingehen.

Zum Sputtern kann sowohl eine Glimmentladung als auch eine Hochfrequenz-Entladung genützt werden. Wegen der einfacheren und ungefährlicheren Handhabung wird im allge­ meinen der Hochfrequenz-Entladung der Vorzug gegeben. Außerdem ist es mit einer Hochfrequenz-Entladung möglich, elektrisch nicht-leitende Materialien zu zerstäuben, während bei der Gleichstrom-Glimmentladung nur metallische Materialien zerstäubt wer­ den können.

Eine besondere Art des Sputterns stellt das sogenannte Magnetron-Sputtern dar. Hierbei wird im Kathodenbereich ein geeignet dimensioniertes magnetisches Feld vorgesehen, das eine Lorentz-Kraft auf die Elektronen des Plasmas ausübt, so daß im Bereich vor dem Tar­ get eine verstärkte Ionisierung des Sputter-Gases eintritt. Durch die hohe Ionendichte tref­ fen weit mehr Gas-Ionen pro Zeiteinheit auf das Target.

Es ist bereits eine Kathode zum Magnetron-Sputtern bekannt, die einen rechteckförmigen magnetischen Nordpol und einen in dem Rechteck liegenden linearen magnetischen Südpol aufweist (H.-G. Severin, Sputtern, Physik in unserer Zeit, 17. Jahrgang, 1986, Seite 73, Abb. 3c). Diese Kathode, die an negativem elektrischem Potential liegt, bildet zusammen mit der Magnetanordnung das sogenannte Magnetron. Die magnetischen Feldlinien, wel­ che bogenförmig vom Südpol zum Nordpol verlaufen, schneiden die Linien des elektri­ schen Feldes zwischen Kathode und Anode im wesentlichen rechtwinklig und bewirken somit spiralförmige Bahnen der Elektronen. Eine besondere Anordnung eines Targets ist bei dieser bekannten Kathode nicht vorgesehen.

Es ist weiterhin eine Magnetronkathode zum Sputtern von ferromagnetischem Material be­ kannt, die ein aufgeteiltes Target aufweist (US-PS 45 72 776). Diese Aufteilung ist erfor­ derlich, weil ferromagnetisches Material für magnetische Felder nicht durchlässig ist. Erst dadurch, daß das Target unterteilt wird, können an den entstehenden Spalten die Magnet­ feldlinien austreten und auf die Elektronen des Plasmas einwirken. Das verwendete Target ist hierbei kreisrund und weist zwei seitliche Lücken auf, wobei über den Lücken Pol­ schuhe angeordnet sind.

Bei einer weiteren bekannten Magnetronkathode ist ebenfalls ein Target vorgesehen, das mit Durchbrechungen versehen ist. Das Target weist hierbei eine Scheibe mit einer kreis­ ringförmigen Öffnung auf, wobei in einem Abstand von dieser Scheibe und über der Öff­ nung weitere Targetstücke angeordnet sind (US-PS 46 01 806). Die Magnetfeldlinien tei­ len sich hierbei in vier Toroiden auf, weil das Gesamttarget aus fünf Einzeltargets besteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufbau eines aus ferromagnetischem Material bestehenden Targets zu vereinfachen und ohne fünf Einzeltargets auszukommen.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß ein einfacher Auf­ bau von Kathodenwanne und Target sowie ein schneller Targetwechsel ermöglicht wer­ den. Der einfache Targetwechsel beruht darauf, daß die Targetteile nicht angelötet, son­ dern angeschraubt werden. Außerdem ergibt sich eine große Betriebssicherheit und Lang­ zeitstabilität, weil sich die Plasmaströme nicht auf zwei verschiedene Plasmaringe vertei­ len können. Hierdurch ist es möglich, einen einzigen Plasmaring zu zünden, wobei auf einen Mittelmagnet verzichtet werden kann. Bei magnetischen Targets wird die Magnet­ feldstarke am Spalt nicht geschwächt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im fol­ genden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Magnetron-Kathode, bei welcher ein Magnetjoch das Ende eines Distanzstücks umfaßt;

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Magnetron-Kathode, bei welcher ein Magnetjoch mit einem eingelöteten Eisenstab versehen ist.

In der Fig. 1 ist schematisch eine Sputter-Kammer 1 dargestellt, die einen Behälter 2 auf­ weist, der über einen Stutzen 3 evakuiert wird. In diesem Behälter befindet sich ein Sub­ strattisch 4 mit einem Substrat 5. Der Behälter 2 und der mit ihm über eine elektrisch lei­ tende Verbindung 6 verbundene Substrattisch 4 liegen an Masse 7. Dagegen liegt eine Elektrodenwanne 8 über einem Anpassungsnetzwerk 9 an einem Hochfrequenzgenerator 10. Im oberen Bereich der Elektrodenwanne 8 ist ein Magnetjoch 11 angeordnet, mit dem zwei sich in die Zeichnungsebene erstreckende Magnete 12, 13 verbunden sind. Die beiden Magnete können auch durch einen einzigen (Hufeisen-)Magneten realisiert sein, dessen Nordpol auf der einen Seite und dessen Südpol auf der anderen Seite angeordnet ist. In das Magnetjoch 11 ist der Kopf 14 eines hohlen Distanzstücks 15 eingepaßt, das mit seinem anderen Ende mit einer Elektrodenplatte 16 in Verbindung steht. Diese Elektrodenplatte 16 liegt auf einem eingestülpten Teil 17 der Elektrodenwanne 8, wobei dieser Teil 17 drei parallele Auflagen 18, 19, 20 für die Elektrodenplatte 16 aufweist. Der eingestülpte Teil 17 ist außerdem mit einer Aussparung 21 versehen, in welche ein Targetteil 22 einge­ führt werden kann. Dieses Targetteil 22 ist mit einer zentralen Bohrung 23 für eine Schrau­ be versehen, die in ein Schraubgewinde 24 im eingestülpten Teil 17 der Elektrodenwanne 8 eingeschraubt werden kann. Unterhalb des Targetteils 22 sind noch zwei sich linear in die Zeichenebene erstreckende Targetteile 25, 26 angeordnet, die jeweils wenigstens eine Bohrung 27, 28 aufweisen, durch welche nicht dargestellte Schrauben gesteckt werden könne, die in entsprechende Gewindebohrungen 29, 30 in der Elektrodenwanne 8 ein­ schraubbar sind.

Die beiden äußeren Targetteile 25, 26 führen die Feldlinien der Dauermagnete 13, 12 - so­ bald diese in Mischen 31, 32 der Elektrodenwanne 8 herabgelassen sind - zum mittleren Targetteil 22; sie werden jedoch während des Sputterbetriebs nur wenig abgesputtert.

Die von den Magneten 12, 13 in das mittlere Targetteil 22 eintretenden Magnetfeldlinien zünden einen Plasmaring von den Böden 33, 34 der Mischen 31, 32 zu dem Targetteil 22. Der Rückschluß der Magnetfeldlinien von den Magneten 12, 13 zu dem Joch 11 erfolgt über das Distanzstück 15, so daß ein Mittelmagnet nicht erforderlich ist.

Die Kathode ist vorzugsweise als Längskathode ausgebildet; sie kann jedoch auch als Rundkathode ausgebildet sein. Der Abstand zwischen den Magneten 12, 13 und dem Tar­ get 25, 26 ist möglichst klein, um Verluste zu vermeiden. Deshalb ist die Kathodenwanne 8 mit Nuten 31, 32 versehen, in welche die Magnete 12, 13 eingeführt werden. Die mecha­ nische Festigkeit der Kathode bestimmt den minimalen Abstand dieser Nuten 31,32.

In der Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem dieje­ nigen Bauteile, welche Bauteilen des ersten Ausführungsbeispiels entsprechen, dieselben Bezugszahlen wie diese erhalten haben.

Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel weist das Joch 11 einen angelöteten Eisenstab 37 auf, der als Polschuh dient und die Feldlinien zwischen den Magneten 12, 13 und zwei Elektrodenplatten 38, 39 führt. Diese Elektrodenplatten 38, 39 liegen auf dem eingestülp­ ten Teil 17 auf. Der eingestülpte Teil 17 ist beidseitig mit Ausnehmungen versehen, in de­ nen sich jeweils ein Eisenstab 40, 41 mit einem Bohrung 42, 43 befindet. In dieser Boh­ rung 42, 43 ist eine Schraube eingeschraubt, die jeweils ein Targetteil 44, 45 hält. Unter­ halb der Elektrodenplatten 38, 39 ist ein weiteres Targetteil 46 vorgesehen, das mit einer Schraube in einem Schraubgewinde 47 des Teils 17 verschraubt ist.

Die Targetvorrichtungen der Fig. 1 und 2 weisen somit wenigstens einen Dauermagneten und eine Dachtarget- bzw. Zwischenpoltargetkonstruktion mit zwei äußeren dünnen Dach­ teilen und einem dickeren zentralen Targetteil auf. Die aus den Dachteilen in das dickere Targetteil eintretenden Magnetfeldlinien zünden einen Plasmaring entlang der inneren Kante der Dachteile. Der Plasmaring ist dabei so ausgedehnt, daß bis zu 40 % des Targets abgesputtert werden. Der Rückschluß der Magnetfeldlinien in den Dauermagneten erfolgt ohne Feldverluste und ohne Mittelmagnet.

Der Minimalabstand zwischen Polschuh und Magnet 12, 13 kann bei der Variante der Fig. 2 kleiner sein als bei der Variante der Fig. 1. Beide Varianten unterscheiden sich hinsicht­ lich der Einkopplung der Feldlinie vom Magneten in das Target.

Die Vorrichtungen gemäß Fig. 1, 2 zeigen jeweils eine HF-Sputteranlage. Die Erfindung ist aber selbstverständlich und sogar überwiegend auf Gleichstrom-Sputteranlagen an­ wendbar. In diesem Fall liegt die Kathode der Gleichstromquelle an der Elektrodenwanne 8, während die Anode an den Substrattisch 4 angeschlossen ist. Als Target wird ein ferto­ magnetisches Target verwendet, das vorzugsweise aus Fe, Co oder Ni besteht.

Die Darstellungen der Fig. 1 und 2 beziehen sich auf Längskathoden, wobei die Dauer­ magnete sich in die Zeichenebene hinein erstrecken. Die Erfindung kann jedoch auch bei rotationssymmetrischen Targetvorrichtungen Verwendung finden. In diesem Fall sind die Magnete Ringmagnete.

Claims (14)

1. Targetvorrichtung aus ferromagnetischem Material für eine Magnetron-Elektrode, mit einem ersten und einem zweiten Targetteil und mit wenigstens einem Dauermagneten, da­ durch gekennzeichnet, daß der erste Targetteil (22, 46) zwischen dem Nord- und Südpol des Dauermagneten (12, 13) angeordnet ist, während der zweite Targetteil (25,26; 44, 45) dem Nord- bzw. Südpol des Dauermagneten gegenüberliegt und die äußeren Randbereiche des ersten Targetteils (22, 46) überlappt.

2. Targetvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dauermagnet (12, 13) einen Nordpol (13) und einen in einem Abstand von diesem Nordpol (13) ange­ ordneten Südpol (12) aufweist, wobei Nordpol (13) und Südpol (12) auf das zweite Target­ teil (25, 26) gerichtet sind.

3. Targetvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dauermagnet (12, 13) auf einem Joch (11) angeordnet ist.

4. Targetvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch (11) eine Aussparung aufweist, in welche der Kopf (14) eines Distanzstückes (15) ragt.

5. Targetvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch (11) einen Polschuh (37) aufweist.

6. Targetvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch (11) inner­ halb einer Elektrodenwanne (8) bewegbar ist.

7. Targetvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden­ wanne (8) durch eine Auflage (17) abgeschlossen ist, auf der eine Elektrodenplatte (16) liegt, wobei diese Elektrodenplatte (16) ein Distanzstück (15) trägt.

8. Targetvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflage (17) topfförmig ausgebildet ist, wobei die Topföffnung nach unten gerichtet ist und an der Seitenwand des Topfs Befestigungsmittel (29, 30) für das zweite Targetteil (25, 26) vorge­ sehen sind.

9. Targetvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Topföffnung den ersten Teil (22) des Targets umfaßt.

10. Targetvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden­ platte (38, 39) eine Öffnung aufweist, durch die ein Dom der Auflage (20) greift.

11. Targetvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Targetteile (22, 46; 44, 45, 25, 26) und der Dauermagnet (12, 13) rotationssymmetrisch ausgebildet sind.

12. Targetvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Targetteile (44, 45, 46) einen Abstand entlang der Langsachse der Elektrodenwan­ ne (8) haben.

13. Targetvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetron- Elektrode eine Linearelektrode ist und zwei Dauermagnete (12, 13) vorgesehen sind, die sich an entgegengesetzten Enden eines Jochs (11) befinden.

14. Targetvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Auflage (17) und Elektrodenwanne (8) Nuten (31, 32) für die Aufnahme von Dauermagneten (12, 13) vorgesehen sind.