DE4128340C2

DE4128340C2 - Zerstäubungskathodenanordnung nach dem Magnetron-Prinzip für die Beschichtung einer kreisringförmigen Beschichtungsfläche

Info

Publication number: DE4128340C2
Application number: DE4128340A
Authority: DE
Inventors: Guenter Braeuer; Eberhard Schultheis
Original assignee: Leybold AG; Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Current assignee: Oerlikon Deutschland Holding GmbH
Priority date: 1991-08-27
Filing date: 1991-08-27
Publication date: 1999-09-23
Anticipated expiration: 2011-08-28
Also published as: US5164063A; ITMI921969A1; DE4128340A1; IT1255815B; ITMI921969A0; JPH05209267A

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 0 365 249 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 Ratho 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

Claims

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.