DE4137462C1 - Sputtering target cooling means - has target mounted on cooling plate with cooling channels contg. temp. sensor, with 2-way coolant supply line of good and poor thermally conductive media - Google Patents

Sputtering target cooling means - has target mounted on cooling plate with cooling channels contg. temp. sensor, with 2-way coolant supply line of good and poor thermally conductive media

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Abstract

In sputtering equipment, the target is mounted on a cooling plate with cooling channels, contg. a temp. sensor. Coolant supply line is divided into two lines, one for a poor thermal conducting medium and the other for a good conducting medium (II), both lines having a control valve. A control unit is produced to control the temp. of the target material as a function of deviations from a setpoint value. If deviations occur, medium (II) e.g. water, is admitted into the cooling channels. ADVANTAGE - Good control, partic. in liquid sputtering.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur geregelten Kühlung von Zerstäubungsquellen (Magnetrons) und Verdampfungsquellen, d. h. des zu zerstäubenden Targets, welches durch den Sputterprozeß stark erhitzt wird, vorzugsweise beim Flüssigsputtern, jedoch auch von Verdampfungsquellen, die mittels Elektronenstrahl beaufschlagt werden.The invention relates to a method for the controlled cooling of atomization sources (Magnetrons) and evaporation sources, i.e. H. of the target to be atomized, which is strongly heated by the sputtering process, preferably in liquid sputtering, however also from evaporation sources that are exposed to an electron beam.

Es ist bekannt, beim Hochratezerstäuben die Targets der Zerstäubungsquellen (Magnetrons) mit Wasser zu kühlen. Die Kühlung erfolgt dabei direkt oder indirekt. Das Target ist in den meisten Fällen auf einer Kühlplatte aufgebracht, welche vom Kühlwasser durchflossen ist. Beim Hochratezerstäuben werden 95% der dem Targetmaterial zugeführten Energie mit dem Kühlwasser wieder abgeführt. Das bedeutet, daß der Temperaturunterschied zwischen der Targetoberfläche und dem Kühlwasser durch die Wärmeleitfähigkeit des Targetmaterials und einer evtl. vorhandenen Kühlplatte bestimmt ist und somit nicht zu große Werte annimmt. Bei Sputterleistungen bis zu 70 kW sind Wasserdurchflußmengen bis zu 20 l/min erforderlich und es ergeben sich Temperaturunterschiede von einigen 10 K. Die Kühlwassertemperaturen liegen aber in jedem Fall unter 100°C.It is known, in the case of high-rate atomization, that the targets of the atomization sources (magnetrons) to cool with water. The cooling takes place directly or indirectly. The target is in most cases applied to a cooling plate, which is from the cooling water is flowed through. With high rate atomization, 95% of the target material supplied energy dissipated with the cooling water. That means that the Temperature difference between the target surface and the cooling water through the Thermal conductivity of the target material and any existing cooling plate determined is and therefore does not assume too large values. With sputtering powers up to 70 kW Water flow rates of up to 20 l / min are required and there are temperature differences of some 10 K. However, the cooling water temperatures are always lower 100 ° C.

Wird der Sputterprozeß so geführt, daß das Target im Leitbahnbereich den flüssigen Aggregatzustand stabil annimmt, so werden an den Wärmeübergang bzw. an die Kühlung erhöhte Forderungen gestellt. Bei diesem sogenannten Flüssigsputtern, wo das Targetmaterial Temperaturen über seinem Schmelzpunkt annimmt, erfolgt gleichzeitig eine Verdampfung von Targetmaterial. Hierbei läßt sich die bereits beschriebene Kühlung nicht mehr anwenden, weil damit der erforderliche Temperaturgradient nicht erreichbar ist. Bei derartigen Temperaturen des Targetmaterials und des Tiegels, denn beim Flüssigsputtern ist ein solcher erforderlich, ist zwischen dem Tiegel und der Kühlplatte die mit dem Magnetsystem eine Einheit bildet, ein Wärmestau zu erzeugen. Das erfolgt derart, daß ein Abstand zwischen beiden erzeugt wird, indem Abstandshalter, in Form von Stäben oder Waben, dazwischen angeordnet sind.If the sputtering process is carried out in such a way that the target in the interconnect area is the liquid Assumes physical state stable, so the heat transfer or cooling increased demands. With this so-called liquid sputtering, where the target material Assumes temperatures above its melting point, one occurs simultaneously Evaporation of target material. The cooling already described cannot be carried out here use more because the required temperature gradient cannot be reached. At such temperatures of the target material and the crucible, because in liquid sputtering if such is required, the one with the Magnet system forms a unit to generate heat accumulation. This is done in such a way that a Distance between the two is generated by spacers, in the form of rods or Honeycomb, are arranged in between.

Die bekannten Verfahren der direkten und indirekten Kühlung der Targets haben gemeinsam die Nachteile, daß der erforderliche Durchfluß, d. h. die Menge an Kühlwasser, sehr hoch ist und daß die Regelung der Kühlung über den Kühlwasserfluß kaum, wenn überhaupt möglich ist. Die Kühlung hat für eine konstante Rate während dem Beschichtungsprozeß eine große Bedeutung, da die Temperatur des Targets entscheidend Einfluß nimmt.The known methods of direct and indirect cooling of the targets have together the disadvantages that the required flow, d. H. the amount of cooling water, is very high and that the regulation of cooling via the cooling water flow hardly if is even possible. The cooling has a constant rate during the coating process  of great importance since the temperature of the target has a decisive influence takes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kühlung von Zerstäubungsquellen, vorzugsweise zum Flüssigsputtern, zu schaffen, wobei die Kühlung gut regelbar sein soll und eine geringe Menge Kühlwasser erfordert.The invention is based on the object of a method for cooling atomization sources, preferably for liquid sputtering, with the cooling being easily regulated should be and requires a small amount of cooling water.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß als Kühlmittel ein Gemisch aus mehreren Komponenten, jedoch wenigstens aus zwei Medien bestehend, verwendet wird. Das Mischungsverhältnis der Medien ist einstellbar oder regelbar. Ein Medium I als eine Komponente ist schlecht wärmeleitend und ein zweites Medium II als weitere Komponente ist gut wärmeleitend. Die beiden Medien werden über getrennte Leitungen in das zu kühlende Target bzw. die Kühlplatte, auf welcher das Target aufgebracht ist, geleitet und verbinden sich in dem Kühlkanal. Mittels einer Temperaturmeßsonde, die in dem vom Kühlmittel durchströmten Kanal, vorzugsweise auf der zu kühlenden Seite, d. h. der dem Target zugewandten Seite, angeordnet ist, wird die Temperatur erfaßt und mit einem Sollwert verglichen. Zu Beginn des Sputterprozesses, d. h. vor der Zündung der Magnetronentladung, wird das Medium I (schlecht wärmeleitend) dem Kühlsystem zugeführt. Der Sollwert der Temperatur ist vorgegeben und wird durch die Temperaturmeßsonde überwacht. Wird der Sollwert überschritten, öffnet über einen bekannten Regelkreis ein Ventil für das Medium II (gut wärmeleitend), bis die Solltemperatur erreicht ist und regelt diesen Fluß während des gesamten Prozesses.According to the invention the object is achieved in that a mixture of coolants several components, but consisting of at least two media, is used. The mixing ratio of the media can be adjusted or regulated. A medium I as one Component is poorly heat-conducting and a second medium II as a further component is good heat conductor. The two media are fed into the via separate lines cooling target or the cooling plate on which the target is applied, passed and connect in the cooling channel. By means of a temperature probe, which in the from Coolant flowing through channel, preferably on the side to be cooled, d. H. who the Target-facing side, is arranged, the temperature is detected and with a Setpoint compared. At the beginning of the sputtering process, i.e. H. before the ignition of the Magnetron discharge, the medium I (poor heat conduction) the cooling system fed. The setpoint temperature is specified and is determined by the temperature probe supervised. If the setpoint is exceeded, a known one opens Control circuit a valve for the medium II (good thermal conductivity) until the target temperature is reached and regulates this flow throughout the process.

Das schlecht wärmeleitende Medium I ist vorzugsweise Luft und das gut wärmeleitende Medium II ist Wasser, Wasserdampf oder Öl.The poorly heat-conducting medium I is preferably air and the good heat-conducting medium Medium II is water, water vapor or oil.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß die Temperatur sehr gut ohne hohen apparativen Aufwand regelbar ist. Auch für hohe Temperaturen, wie beispielsweise beim Flüssigsputtern, ist das Verfahren anwendbar. Das Verfahren hat große Auswirkungen auf die Konstanthaltung der Beschichtungsrate, denn diese wird in hohem Maße durch die Targettemperatur beeinflußt.The invention has the advantage that the temperature is very good without high apparatus Effort can be regulated. Also for high temperatures, such as at Liquid sputtering, the procedure is applicable. The process has a big impact on keeping the coating rate constant, because this is largely due to the Target temperature affected.

Der Anwendungsbereich ist nicht nur auf das Hochratezerstäuben begrenzt, sondern auch für andere thermische Prozesse, z. B. in der Chemie.The area of application is not only limited to high-rate atomization, but also for other thermal processes, e.g. B. in chemistry.

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention is explained in more detail using an exemplary embodiment. The associated one Drawing shows a device for performing the method.

Auf einer Kühlplatte 1 mit Kühlkanälen 2 ist das zu zerstäubende Target 3 befestigt. In dem Kühlkanal 2 ist auf der dem Target 3 zugewandten Seite eine Temperaturmeßsonde 4 angebracht. Die Zuführungsleitung 5 für das Kühlmittel teilt sich in zwei Leitungen 5.1 und 5.2 auf. Die Leitung 5.1 ist für das schlecht wärmeleitende Medium I und die Leitung 5.2 für das wärmeleitende Medium II. In beiden Leitungen 5.1; 5.2 befindet sich ein Regelventil 6; 7. Das Regelventil 7 in der Leitung für das Medium II ist antriebsmäßig über eine an sich bekannte Regeleinheit 8 mit einem Temperaturwandler 9 verbunden, an den die Temperaturmeßsonde 4 angeschlossen ist.The target 3 to be atomized is attached to a cooling plate 1 with cooling channels 2 . A temperature measuring probe 4 is mounted in the cooling duct 2 on the side facing the target 3 . The supply line 5 for the coolant is divided into two lines 5.1 and 5.2 . The line 5.1 is for the poorly heat-conducting medium I and the line 5.2 for the heat-conducting medium II. In both lines 5.1 ; 5.2 there is a control valve 6; 7 . The control valve 7 in the line for the medium II is connected in terms of drive via a control unit 8 known per se to a temperature converter 9 to which the temperature measuring probe 4 is connected.

Vor dem Zünden der Entladung des Magnetrons wird Preßluft als Medium I durch Öffnen des Regelventils 6 in die Kühlkanäle 2 der Kühlplatte 1 mit konstantem Fluß eingelassen. Der Sollwert der Temperatur steht abhängig vom zu sputternden Material fest und ist in der Regeleinheit 8 eingestellt. Wird durch die Temperaturmeßsonde 4 eine abweichende Temperatur von diesem Sollwert festgestellt, wird über den Temperaturwandler 9 und die Regeleinheit 8 das Regelventil 7 geöffnet und Wasser als Medium II in einer entsprechenden Menge den Kühlkanälen 2 zugeführt. Die beiden Medien I und II vermischen sich in den Kühlkanälen 2. Wenn der Sollwert der Temperatur erreicht ist, schließt das Regelventil 7 bzw. bleibt so weit geöffnet, daß die Temperatur gehalten wird.Before igniting the discharge of the magnetron, compressed air is introduced as medium I by opening the control valve 6 into the cooling channels 2 of the cooling plate 1 with a constant flow. The setpoint value of the temperature depends on the material to be sputtered and is set in the control unit 8 . If the temperature measuring probe 4 detects a temperature deviating from this target value, the control valve 7 is opened via the temperature converter 9 and the control unit 8 and water as medium II is supplied to the cooling channels 2 in a corresponding amount. The two media I and II mix in the cooling channels 2 . When the setpoint temperature is reached, the control valve 7 closes or remains so wide open that the temperature is maintained.

Bei einer konventionell arbeitenden Sputterquelle mit einer Leistung von 10 kW erwärmt sich das Kühlwasser um den Betrag von ca. 36 K, wenn die Durchflußmenge 41 min-1 beträgt. Für den Wärmeübergang dieser Anordnung ergibt sich damit ein α-Wert von 1,85 W K-1 cm-2. Dieser Wert entspricht dem aus der Literatur bekannten Wert und liegt um 3 Größenordnungen höher als der α-Wert für eine entsprechende Luftkühlung.In the case of a conventionally operating sputter source with an output of 10 kW, the cooling water heats up by the amount of approximately 36 K when the flow rate is 41 min -1 . This results in an α value of 1.85 WK -1 cm -2 for the heat transfer of this arrangement. This value corresponds to the value known from the literature and is 3 orders of magnitude higher than the α value for a corresponding air cooling.

Beim Flüssigsputtern mit Leistungen von 2 kW und einer Temperatur des Targetmaterials von ca. 1400 K liegt die Wärmeübergangszahl α im Bereich von 5×10-2 W K-1 cm-2. Mittels der erfindungsgemäßen geregelten Zweikomponentenkühlung läßt sich jeder Wert einstellen. Der prozentuale Anteil der Preßluft (Medium I) zum Wasser (Medium II) beträgt in diesem Beispiel ca. 4%With liquid sputtering with powers of 2 kW and a temperature of the target material of approx. 1400 K, the heat transfer coefficient α is in the range of 5 × 10 -2 WK -1 cm -2 . Any value can be set by means of the regulated two-component cooling system according to the invention. The percentage of compressed air (medium I) to water (medium II) is approx. 4% in this example

Der entstehende Wasserdampf wird über die Leitung 10 mit der Preßluft abgeführt. Der Querschnitt der Leitung 10 muß sehr viel größer als der der Leitung 5 sein. The resulting water vapor is discharged via line 10 with the compressed air. The cross section of line 10 must be much larger than that of line 5 .

Die Kanäle 11 sind zur Erzeugung eines Wärmestaues vom Target 3 zur Kühlplatte 1 eingebracht.The channels 11 are introduced to generate a heat build-up from the target 3 to the cooling plate 1 .

Claims (3)

1. Verfahren zur Kühlung von Zerstäubungsquellen, dessen Target, das mit einer Kühlplatte verbunden ist, die von einem Kühlmittel durchflossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das aus zwei Medien, wovon ein Medium I schlecht wärmeleitend und ein Medium II gut wärmeleitend ist, bestehende Kühlmittel derart durch die Kühlkanäle geleitet wird, daß zuerst das Medium I mit konstantem Fluß zugeführt wird, daß dabei die Temperatur im Kühlsystem gemessen und mit einem vom Prozeß und dem zu zerstäubenden Material abhängigen Sollwert verglichen wird und daß bei Abweichung der momentanen Temperatur vom Sollwert über einen Regelkreis das Medium II in einer von der Temperaturdifferenz abhängigen Menge bis zum Erreichen des Sollwertes der Temperatur zugeführt wird.1. A method for cooling atomization sources, the target, which is connected to a cooling plate through which a coolant flows, characterized in that the coolant consisting of two media, of which one medium I is poorly thermally conductive and one medium II is highly thermally conductive is passed through the cooling channels in such a way that first the medium I is supplied with a constant flow, that the temperature in the cooling system is measured and compared with a setpoint dependent on the process and the material to be atomized, and that if the instantaneous temperature deviates from the setpoint via a Control loop, the medium II is supplied in a quantity dependent on the temperature difference until the setpoint temperature is reached. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur mittels Temperaturmeßsonde unmittelbar an der zu kühlenden Fläche des Targets oder Tiegels für das zu zerstäubende Material gemessen wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the temperature means Temperature measuring probe directly on the surface of the target to be cooled or Tiegel is measured for the material to be atomized. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Medium I Luft und als Medium II Wasser, Wasserdampf oder Öl verwendet werden.3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the medium I air and water, steam or oil can be used as medium II.
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