DE4128340A1 - Zerstaeubungskathodenanordnung nach dem magnetron-prinzip fuer die beschichtung einer kreisringfoermigen beschichtungsflaeche - Google Patents
Zerstaeubungskathodenanordnung nach dem magnetron-prinzip fuer die beschichtung einer kreisringfoermigen beschichtungsflaecheInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Zerstäubungskathodenanord
nung nach dem Magnetron-Prinzip für die Beschichtung
einer kreisringförmigen Beschichtungsfläche eines kreis
scheibenförmigen Substrats, mit einem kreisringförmigen
Target und je einer zwischen dem Target und dem Substrat
angeordneten Außenmaske und Innenmaske mit jeweils einem
kreisförmigen Rand für die Abdeckung der außerhalb und
innerhalb der zum Substrat konzentrischen Beschichtungs
fläche liegenden Substratoberflächen, wobei hinter dem
Target ein Magnetsystem mit einer Jochplatte für die
Erzeugung des Magnetron-Effekts angeordnet ist.
Magnetron-Zerstäubungskathoden zeichnen sich durch eine
um den Faktor 10 bis 30 höhere Zerstäubungsrate gegen
über 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 Zer
stäubungseffekts. Durch Ausbildung eines tiefen Ero
sionsgrabens, dessen tiefste Stelle unter den Kulmina
tionspunkten der magnetischen Feldlinien liegt, muß der
Zerstäubungsvorgang beendet werden, nachdem nur etwa
25 bis 30% des Targetmaterials zerstäubt sind. Bei
stationären Beschichtungssystemen, d. h. bei solchen
ohne Relativbewegung zwischen Kathode und den Substra
ten, hat dies sehr ungleichmäßige Schichtdickenvertei
lungen 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 insbeson
dere eine Magnetron-Zerstäubungskathode, bei der jeweils
ein einziges, in sich geschlossenes Magnetsystem in ex
zentrischer Lage hinter einer kreisförmigen Targetplatte
rotiert (Fig. 22 bis 25 der DE-OS 27 07 144), wobei
die Magnete jeweils zwei ineinanderliegende, in sich
geschlossene Reihen von Magneten bilden.
Durch die EP 03 65 249 A2 ist es weiterhin bekannt (Fig. 6),
bei einer rotierenden Sputterkathode mit einer
kreisscheibenförmigen Targetplatte einen Teil der Magne
te hinter dieser Platte so in einer Reihe anzuordnen,
daß die Magnete einen unsymmetrischen Ring bilden und
den anderen Teil der Magnete etwa inselförmig und zusam
menhängend im Zentrum der Targetplatte vorzusehen, wobei
die den Ring bildende Reihe von Magneten alle mit ihrem
Südpol und die zu einer Insel zusammengefügten Magnete
sämtlich mit ihrem Nordpol auf die Targetplatte ausge
richtet sind.
Schließlich hat man eine ortsfeste Magnetron-Zerstäu
bungskathode für Vakuumbeschichtungsanlagen für sich vor
der Kathode auf einer Kreisbahn vorbeibewegende, auf
einem drehbaren Substrathalter angeordnete Substrate
vorgeschlagen (P 40 39 101.9), die mit einer Targetplat
te und einer zu dieser in einer parallelen Ebene ange
ordneten Trag- oder Jochplatte ausgerüstet ist 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 geschlos
sener Tunnel aus von der ersten Gruppe oder Reihe ausge
hender und zur zweiten Gruppe oder Reihe zurückkehrender
magnetischer Feldlinien gebildet wird, wobei die Joch
platte kreisscheibenförmig ausgebildet ist und die erste
Gruppe oder Reihe von Magneten - im wesentlichen einen
geschlossenen Kreisring bildend - im Randbereich der
Jochplatte und die zweite Gruppe oder Reihe von Magneten - eine
regellose, jedoch im wesentlichen symmetrische
Konfiguration bildend - im zentralen Bereich der Joch
platte vorgesehen ist, wobei der Abschnitt des magneti
schen Tunnels, der im Bereich der von der Drehachse des
Substrathalters abgewandten Hälfte der Jochplatte ver
läuft, eine insgesamt größere Länge aufweist als der
Tunnelabschnitt, der auf der der Drehachse zugewandten
Hälfte der Jochplatte vorgesehen ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrun
de, eine Zerstäubungskathodenanordnung zu schaffen, die
zur Herstellung von magnetooptischen Datenspeichern
geeignet ist. Die Rundkathode soll geeignet sein für das
Aufsputtern von Schichten mit einer Schichtdickengleich
mäßigkeit von besser als ± 2%, und zwar sowohl für
reaktive (z. B. Si3N4) als auch metallische (z. B. Fe
Tb Co Al) Sputterverfahren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
- a) die Innenmaske an einem Maskenhalter befestigt ist, der durch das Zentrum des Targets hindurchgeführt ist,
- b) das Magnetsystem mit der Jochplatte um eine durch das Zentrum des Targets gehende Drehachse drehbar angeordnet ist und aus mindestens zwei jeweils ein Magnetron bildenden, zu der besagten Drehachse exzentrischen Magnetanordnung besteht, von denen jede einen in sich geschlossenen Tunnel aus magne tischen Feldlinien erzeugt, die aus dem Target austreten und nach dem Durchlaufen bogenförmiger Bahnen wieder in das Target eintreten, und wobei jeder Tunnel außerhalb der Drehachse liegt, und daß
- c) die Exzentrizitäten der mindestens zwei Magnetan ordnungen gegenüber der Drehachse so gewählt sind, daß die Summe der auf dem Substrat niedergeschlage nen Ratenbeiträge aller Magnetrons innerhalb der kreisringförmigen Beschichtungsfläche über dem Radius möglichst gleichförmig ist.
Weitere Einzelheiten und Merkmale sind in den Patentan
sprüchen näher beschrieben und gekennzeichnet.
Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausführungsmög
lichkeiten zu; zwei davon sind in den anhängenden Zeich
nungen schematisch näher dargestellt, und zwar zeigen:
Fig. 1 den Längsschnitt durch die Zerstäubungs
kathode mit Motor zum Antrieb der Mag
netanordnung mit der Maskenanordnung und
der Halterung für das Substrat,
Fig. 2 die Draufsicht auf eine Jochplatte mit
einem Magnetsatz nach der Erfindung,
Fig. 3 die Draufsicht auf eine Jochplatte mit
einem alternativen Magnetsatz,
Fig. 4 den Schnitt quer durch das Target mit
einem Erosionsgraben bzw. einem Erosi
onsprofil, wie er sich bei Verwendung
eines Magnetsatzes nach Fig. 3 ergibt
(wobei die Dicke "a" in einem anderen
Maßstab gezeichnet ist als der Durch
messer "d"), und
Fig. 5 eine diagrammatische Darstellung der Dic
kenverteilung der aufgesputterten Schicht
(SiNx) bei verschiedenen Prozeßgasdrücken
(bei drei verschiedenen Drücken), und
zwar für einen magnetooptischen Datenträ
ger mit 5¼′′ Durchmesser und einer Spei
cherbereichsbreite r = 29-61 mm, wobei
die größte Rate mit 1,00 angesetzt ist.
Die Zerstäubungskathodenanordnung nach Fig. 1 besteht
im wesentlichen aus dem mit dem Kathodenhalterahmen 4 - unter
Zwischenschaltung eines Isolierrings 15 - fest
verbundenen Targethaltetopf 14, einer mit dem Target
haltetopf 14 verschraubten Kathodenrückplatte 20, einem
in einer Ausnehmung 24 gelagerten Getriebe 6 eines An
triebsmotors 5 mit Antriebsritzel 7, einem vertikal
angeordneten, in einer mittigen Bohrung in der Katho
denrückplatte 20 gehaltenen Kühlrohr 23 mit Lagerhülse
25 und mit einer mit der Lagerhülse 25 verschraubten
Jochplatte 8 mit Antriebsritzel 26 und mit auf der Joch
platte 8 fest angeordneten Magneten oder Magnetgruppen
9, 9′, . . ., 10, 10′, 10′′, . . ., dem auf dem Targethalte
topf befestigten kreisringförmigen Target 16, der mit
dem Kathodenhalterahmen 4 fest verschraubten Dunkelraum
abschirmung 13, der mit dem Kühlrohr 23 verbundenen
Innenmaske 12 und dem von Zapfen 27, 28 der Dunkelraum
abschirmung 13 gehaltenen Maskenhalter 29 mit Außenmaske
17 und Maskenkragen 30.
Wie aus der Fig. 1 ohne weiteres ersichtlich ist, sind
einige Teile der Kathodenanordnung von Kühlbohrungen
bzw. Kühlleitungen durchzogen, wozu Kühlwasser-Zu- und
Ablaufanschlüsse 18, 19, 21, 31 vorgesehen sind.
Wie Fig. 2 zeigt, sind bei einem bevorzugten Ausfüh
rungsbeispiel (Magnetanordnung für Si3N4) zwei Gruppen
von Magneten 9, 9′ bzw. 10, 10′, 10′′ auf der rotieren
den Jochplatte 8 angebracht, wobei die eine Gruppe von
Magneten zusammen zwei konzentrische Kreise bilden, die
beide außerhalb der Rotationsachse M angeordnet sind und
wobei die zweite Gruppe von Magneten aus einer Reihe von
Magneten 10 besteht, die zusammen etwa ein nicht ganz
geschlossenes Oval bilden, dessen beide Enden an der
Peripherie des äußeren Rings der von den Magneten 9
gebildeten Reihe anliegen, wobei zwei weitere Reihen von
Magneten 10′ und 10′′ vorgesehen sind, die insgesamt vom
Oval umschlossen sind und die parallel zueinander ange
ordnet sind. Die Polung aller Reihen von Magneten ist
dabei so gewählt, daß beide Magnetgruppen unter Prozeß
bedingungen zwei Plasmaringe 32, 33 bilden.
Bei dem Ausführungsbeispiel für eine Magnetanordnung
nach Fig. 3 (Magnetanordnung für Fe Tb Co) sind beide
Gruppen von Magneten 9, 9′ bzw. 10, 10′ etwa gleichartig
konfiguriert und auf der rotierenden Jochplatte 8 grup
piert, wobei jeweils eine geschlossene Reihe von Magne
ten 9 bzw. 10 vorgesehen ist, die jeweils etwa rechteck
förmig oder kreisringförmig konfiguriert sind, wobei
jede dieser beiden Konfigurationen jeweils eine im
Inneren jeder Konfiguration vorgesehene, etwa gerade
bzw. leicht gebogene Reihe von Magneten 9′ bzw. 10′ um
schließt, so daß sich wiederum unter Prozeßbedingungen
zwei Plasmaringe 32, 33 ausbilden.
Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch das Target 16, und
zwar wie es sich typischerweise nach längerer Betriebs
zeit ausbildet. Es hat sich unter dem Einfluß zweier
exzentrischer, auf dem rotierenden Joch 8 vorgesehener
Magnetanordnungen, von denen jede einen in sich
geschlossenen Tunnel aus magnetischen Feldlinien er
zeugt, die aus dem im Schnitt dargestellten Target 16
austreten und nach dem Durchlaufen bogenförmiger Bahnen
wieder in das Target 16 eintreten, ein Erosionsprofil
ausgebildet, daß insgesamt einen gleichmäßigen Targetab
trag zeigt. Das Erosionsprofil 34 ist das Ergebnis der
Verwendung einer Magnetanordnung, wie sie in Fig. 2
dargestellt ist.
Fig. 5 zeigt, daß bei drei verschiedenen Gasdrücken
(Argon) im Bereich der nutzbaren, kreisringförmigen Zone
eines Substrats von 5¼′′ Durchmesser (r = 29 mm bis
61 mm) die geforderten ± 2% Schichtdickenabweichung
eingehalten wird. (Als größter Niederschlag wird hier im
Diagramm 1,00 angenommen.)
Bezugszeichenliste
4 Kathodenhalterahmen
5 Antriebsmotor
6 Getriebe
7 Antriebsritzel
8 rotierende Jochplatte
9, 9′, . . . Magnet, Permanentmagnet
10, 10′, . . . Magnet, Permanentmagnet
11 Substrat, Disk
12 Innenmaske
13 Dunkelraumabschirmung
14 Targethaltetopf, Wanne
15 Isolator, Isolierung
16 Target
17 Außenmaske
18 Kühlwasserzulauf
19 Kühlwasserablauf
20 Kathodenrückplatte
21 Maskenkühlleitung
22 Maskenhalter
23 Kühlrohr
24 Ausnehmung
25 Lagerhülse
26 Antriebsritzel
27 Zapfen
28 Zapfen
29 Maskenhalter
30 Maskenkragen
31 Kühlwasseranschluß
32 Plasmaring
33 Plasmaring
34 Erosionsgraben
5 Antriebsmotor
6 Getriebe
7 Antriebsritzel
8 rotierende Jochplatte
9, 9′, . . . Magnet, Permanentmagnet
10, 10′, . . . Magnet, Permanentmagnet
11 Substrat, Disk
12 Innenmaske
13 Dunkelraumabschirmung
14 Targethaltetopf, Wanne
15 Isolator, Isolierung
16 Target
17 Außenmaske
18 Kühlwasserzulauf
19 Kühlwasserablauf
20 Kathodenrückplatte
21 Maskenkühlleitung
22 Maskenhalter
23 Kühlrohr
24 Ausnehmung
25 Lagerhülse
26 Antriebsritzel
27 Zapfen
28 Zapfen
29 Maskenhalter
30 Maskenkragen
31 Kühlwasseranschluß
32 Plasmaring
33 Plasmaring
34 Erosionsgraben
Claims (4)
1. Zerstäubungskathodenanordnung nach dem Magnetron-
Prinzip für die Beschichtung einer kreisringförmi
gen Beschichtungsfläche eines kreisscheibenförmigen
Substrats (11), mit einem kreisringförmigen Target
(16) und je einer zwischen dem Target (16) und dem
Substrat (11) angeordneten Außenmaske (17) und
Innenmaske (12) mit jeweils einem kreisförmigen
Rand für die Abdeckung der außerhalb und innerhalb
der zum Substrat (11) konzentrischen Beschichtungs
fläche liegenden Substratoberflächen, wobei hinter
dem Target (16) ein Magnetsystem (9, 9′, . . ., 10,
10′, . . .) mit einer Jochplatte (8) für die Erzeu
gung des Magnetron-Effekts angeordnet ist, dadurch
gekennzeichnet, daß
- a) die Innenmaske (12) an einem Maskenhalter (22) befestigt ist, der durch das Zentrum (M) des Targets (16) hindurchgeführt ist,
- b) das Magnetsystem (9, 9′, . . .; 10, 10′, 10′′, . . .) mit der Jochplatte (8) um eine durch das Zentrum des Targets (16) gehende Drehachse (M) drehbar angeordnet ist, und aus mindestens zwei jeweils ein Magnetron bildenden, zu der besagten Drehachse (M) exzentrischen Magnetan ordnung (9, 9′, . . .; 10, 10′, . . .) besteht, von denen jede einen in sich geschlossenen Tunnel aus magnetischen Feldlinien erzeugt, die aus dem Target (16) austreten und nach dem Durchlaufen bogenförmiger Bahnen wieder in das Target (16) eintreten und wobei jeder Tunnel außerhalb der Drehachse (M) liegt, und daß
- c) die Exzentrizitäten der mindestens zwei Mag netanordnungen (9, 9′, . . ., 10, 10′, 10′′,...) gegenüber der Drehachse (M) so gewählt sind, daß die Summe der auf dem Substrat (11) niedergeschlagenen Ratenbeiträge aller Magne trons innerhalb der kreisringförmigen Be schichtungsfläche (F) über dem Radius mög lichst gleichförmig ist.
2. Zerstäubungskathodenanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Mag
netanordnungen jeweils mindestens zwei Reihen von
Magneten (9, 9′ bzw. 10, 10′, 10′′) aufweist, von
denen mindestens eine Reihe von Magneten (9 bzw.
10) jeweils allein oder im Zusammenwirken mit der
einen Reihe der anderen Magnetanordnung einen
geschlossenen Kreisring bildet und die jeweils
zweite Reihe von Magneten entweder eine flächige
Gruppe von nahe zusammenliegenden Magneten oder
ebenfalls einen geschlossenen Ring bildet.
3. Zerstäubungskathodenanordnung nach den Ansprüchen 1
und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polung
jeweils der einen Reihe von Magneten entgegenge
setzt der Polung der anderen von der ersten Reihe
umschlossenen Gruppe oder Reihe von Magneten ist.
4. Zerstäubungskathodenanordnung nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch mindestens zwei auf der dreh
baren Jochplatte (8) angeordnete Magnetanordnungen,
von denen jede aus zwei Gruppen oder Reihen (9, 9′,
bzw. 10, 10′, 10′′) von Einzelmagneten besteht,
wobei jeweils die Einzelmagnete der ersten Gruppe
oder Reihe (9 bzw. 10) zusammen eine ringförmige
Konfiguration bilden und die Einzelmagnete der
jeweils zweiten Gruppe oder Reihe (9′ bzw. 10′,
10′′) zusammen entweder eine von der ersten Reihe
umschlossene zweite ringförmige Konfiguration oder
aber eine regellose, jedoch eng zusammengestellte
Ansammlung von Einzelmagneten bilden, wobei sich
jeweils zwischen der ersten und der zweiten Gruppe
oder Reihe (9 bzw. 10 und 9′ bzw. 10′, 10′′) von
Magneten ein geschlossener magnetischer Tunnel (32,
33) ausbildet, da die Polung der Einzelmagnete der
ersten Gruppe oder Reihe jeweils zu derjenigen der
zweiten Gruppe oder Reihe entgegengesetzt ist, und
wobei die Flächenschwerpunkte der von den Magnetan
ordnungen jeweils gebildeten Konfigurationen außer
mittig, jedoch auf einer lotrecht zur Drehachse (M)
der Jochplatte (8) verlaufenden geraden Linie (D)
vorgesehen sind.
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