DE4243757A1 - Target für eine Kathodenzerstäubungsanlage aus einer ferromagnetischen Legierung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Target für eine Kathodenzer­ stäubungsanlage aus einer ferromagnetischen Legierung, deren Phasendiagramm bei Betriebstemperatur eine hexa­ gonale Phase aufweist und der Mengenanteil der hexago­ nalen Phase größer ist als der aller weiteren Phasen und dieser hexagonale Phasenanteil mit den hexagonalen Prismenachsen (0001) bevorzugt senkrecht zur Target­ ebene ausgerichtet ist.

Beim Kathodenzerstäuben werden zur Optimierung des Zerstäubungsprozesses Permanentmagnete hinter dem Tar­ get (Kathode) so angeordnet, daß sich vor dem Target im Entladungsraum ein Magnetfeld ausbildet, durch das das Entladungsplasma lokalisiert wird. Der Bereich der Targetoberfläche über dem das Plasma lokalisiert ist, wird bevorzugt zerstäubt, wodurch sich ein Erosionsgra­ ben bildet.

Bei ferromagnetischen Targets treten dabei hauptsäch­ lich zwei Probleme auf:
Erstens wird der magnetische Fluß der Permanentmagnete im Target gebündelt, so daß nur ein geringer Fluß in den Entladungsraum austreten kann. Dieses Problem er­ fordert daher die Verwendung sehr dünner ferromagne­ tischer Targets.

Zweitens bewirkt die lokale Querschnittsabnahme des Targets während der Kathodenzerstäubung (Erosionsgra­ ben) bei ferromagnetischen Targets einen zunehmenden Magnetfluß direkt über dem Erosionsgraben. Dadurch tritt lokal eine höhere Ionisierungswahrscheinlichkeit des Zerstäubergases und lokal eine höhere Zerstäubungs­ rate auf, mit der Folge, daß der Erosionsgraben sehr eng wird, verbunden mit einer nur geringen Materialaus­ beute des Targets.

Verbesserte Magnetfeldgeometrien und ein höherer Magnet­ felddurchgriff können durch aufwendige Targetkonstrukti­ onen erreicht werden. Durch Schlitze im Target, senk­ recht zur Richtung des Magnetfeldes, kann der magne­ tische Widerstand im Target erhöht werden und ein grö­ ßeres Feld im Entladungsraum erreicht werden (K. Naka­ mura et al IEEE Transactions on Magnetics, Band MAG-18, 1982, S. 1080-1082).

Kukla et al (IEEE Transactions on Magnetics, Band MAG-23, 1987, S. 137-139) beschreiben eine Kathode für ferromagnetische Materialien, die aus mehreren Einzel­ targets besteht, die in zwei Ebenen übereinander ange­ ordnet sind, um ein höheres Magnetron-Magnetfeld zu erreichen. Diese Konstruktionen sind jedoch teuer und erschweren die Magnetron-Kathodenzerstäubung.

In der DE 38 19 906 ist ein Target zum Einsatz in Magne­ tron-Kathodenzerstäubungsanlagen beschrieben, bei dem der magnetische Felddurchgriff durch das Einstellen einer hexagonalen (0001) - Fasertextur senkrecht zur Targetfläche erreicht werden kann und bei dem man mit einer größeren Ausgangsdicke einen besseren Ausnutzungs­ grad des Targets erzielt. Nach der DE 38 19 906 wird diese (0001) - Fasertextur durch eine Kaltumformung bei Temperaturen unter 400°C erreicht. Es zeigte sich, daß diese Kaltumformung für manche der üblicherweise in der magnetischen Datenspeicherung eingesetzten Legierungen nur schwer durchzuführen ist, da diese Legierungen zur Rißbildung bei der Kaltverformung neigen und da durch diese Kaltverformung starke Spannungen in das Material eingebracht werden, so daß die Herstellung planparal­ leler Platten erschwert wird. Insbesondere bei den neuerdings eingesetzten CoPtCr-Legierungen ist eine Einstellung der (0001) - Fasertextur durch Kaltverfor­ mung praktisch unmöglich.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Target für Kathodenzerstäubungsanlagen zu ent­ wickeln, bei dem die hexagonale (0001) - Fasertextur ohne die oben beschrieben Kaltumformung erreicht werden kann und daß die bevorzugte Ausrichtung der hexagonalen Prismenachsen senkrecht zur Targetoberfläche auch bei jenen Legierungen erreicht wird, bei denen eine Kaltum­ formung aus technischen oder wirtschaftlichen Gründen nicht möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem Target eine gezielte säulenförmige Gußkornstruk­ tur eingestellt wird, wobei die Längsachsen der Gußkör­ ner senkrecht zur Ebene des Targets, d. h. in Sputter­ richtung ausgerichtet ist, und das durchschnittliche Säulenlänge- zu Säulenbreiteverhältnis mindestens 2 zu 1 beträgt. Für diese Targets verwendet man vorzugsweise Legierungen mit mehr als 60% Gewichtsanteil Kobalt.

Die Ausrichtung der Gußkörner senkrecht zur Ebene des Sputtertargets wird dadurch erreicht, daß eine metal­ lische Gießform benutzt wird, mit der aufrechtstehende Platten mit einem Höhe- zu Dickeverhältnis von min­ destens 5 zu 1 und einem Breite- zu Dickeverhältnis von ebenso mindestens 5 zu 1 gegossen werden können. Dabei ist für eine bevorzugte Wärmeabführung in Richtung der Plattenebene zu sorgen, so daß die Erstarrung der Schmel­ ze beginnend von den Oberflächen der Platte in Richtung Plattenmitte erfolgt. Anschließend werden die Targets so aus den Gußplatten herausgeschnitten, daß die Plat­ tenebene der Gußteile senkrecht zur Sputterrichtung liegt.

Überraschenderweise zeigte sich, daß Targets mit der oben beschriebenen Gußstruktur im Vergleich zu heißge­ walzten oder rekristallisierten Targets, bei denen keine bevorzugte Kornorientierung vorliegt, einen deut­ lich höheren Magnetfelddurchgriff beim Einsatz in der Magnetronkathodenzerstäubungsanlage aufweisen. Aller­ dings ist bei jenen Legierungen, bei denen eine Kalt­ umformung möglich ist, die höchste Verbesserung des Magnetfelddurchgriffs durch die Kaltumformung erreich­ bar.

Die folgenden Beispiele sowie die in Tabelle 1 und 2 gezeigten Daten sollen die erfindungsgemäßen Targets und deren Herstellung näher erläutern:

• 1.a) Eine Legierung der Zusammensetzung Co83Cr17 [atom%] wurde im Vakuum-Induktionsofen erschmolzen und in eine Stahlgießform der Größe 400×200×24 mm abgegossen. Die Seitenwände der Gießform hatten eine Dicke von 40 mm, die stirnseitigen Wände eine Dicke von 20 mm. Die Gußplatte wurde so geschnit­ ten, daß 3 Platten der Größe 400×200 mm entstan­ den. Anschließend wurden die Platten spanabhebend bearbeitet, so daß 3 Probetargets mit den Dicken 3,2 , 5,2 und 9,8 mm entstanden.
• Zur Charakterisierung der magnetischen Targeteigen­ schaften wurde die Magnetfeldkomponente parallel zur Targetfläche gemessen, die man an einer Katho­ de mit Permanentmagneten unmittelbar über der Targetoberfläche erhält (Feldstärke der Permanent­ magnete 240 kA/m).
• Als Referenzproben wurden 2 Gruppen Co83Cr17 Proben gleicher Größe hergestellt, wobei folgende Herstellverfahren angewandt wurden:
• b) VIM-Guß, Schmieden, Heißwalzen, Rekristallisieren.
• c) VIM-Guß, Schmieden, Heißwalzen, Kaltwalzen (Target entsprechend DE 38 19 906).
• Die Referenztargets wurden analog zu dem erfin­ dungsgemäßen Target magnetisch vermessen.
• 2.a) Eine Legierung der Zusammensetzung Co75Cr13Pt12[atom%] wurde im Vakuum-Induktionsofen geschmolzen und in eine Stahlgießform der oben genannten Größe 400×200×24 mm abgegossen. Die Gießplatte wurde anschließend so zerschnitten, daß Platten der Größe 400×200 mm vorlagen. Aus die­ sen Platten wurden dann spanabhebend Probetargets mit den Dicken 4, bzw. 6 mm hergestellt.
• Zur Charakterisierung der magnetischen Targeteigen­ schaften wurden diese Targets wie bereits oben beschrieben vermessen. Die Meßergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengefaßt.
• b) Als Referenzprobe wurden 2 Stück Co75Cr13Pt12 Proben gleicher Größe hergestellt, wobei folgendes Herstellverfahren angewandt wurde:
  VIM-Guß, Heißwalzen, Rekristallisieren. Die Refe­ renztargets wurden analog zu den erfindungsgemäßen Targets magnetisch vermessen. Die Meßergebnisse sind ebenso in Tabelle 2 zusammengefaßt.

• c) Die Herstellung kaltgewalzter Targets gemäß DE 38 19 906 war für diese Legierung nicht mehr möglich.

Beim Vergleich der ermittelten Werte für den maximalen Magnetfelddurchgriff in Tabelle 1 fällt auf, daß bei der hier eingesetzten Legierung Co83Cr17 kein wesent­ licher Vorteil durch die Anwendung der erfindungsge­ mäßen säulenförmigen Gefügestruktur erzielbar ist. Die besten Werte für den maximalen Magnetfelddurchgriff erzielen die Proben der Gruppe c), die geringfügig über denen der erfindungsgemäßen Gruppe a) liegen. Beide Gruppen a) und c) liegen jedoch deutlich über den er­ mittelten Werten der Gruppe b) mit isotroper Kornver­ teilung.

Bei den Proben der in Tabelle 2 eingesetzten Legierung Co75Cr13Pt12 ist durch das extrem harte und spröde Targetmaterial eine Kaltverformung gemäß DE 38 19 906 nicht mehr möglich. Bei Werkstoffen dieser Zusammen­ setzung zeigt sich ganz deutlich der Vorteil einer säulenförmigen Gefügestruktur wie in der Gruppe a) dar­ gestellt. Die Werte für den maximalen Magnetfelddurch­ griff parallel zur Targetebene sind hier ganz erheblich verbessert gegenüber den Proben der Gruppe b) mit iso­ troper Kornverteilung.

Tabelle 1

Tabelle 2

Claims (8)

1. Target für eine Kathodenzerstäubungsanlage aus einer ferromagnetischen Legierung, deren Phasen­ diagramm bei Betriebstemperatur des Targets eine hexagonale Phase aufweist mit einem Mengenanteil , der größer ist als die Summe aller weiteren Phasen und dieser hexagonale Phasenanteil mit den hexa­ gonalen Prismenachsen (0001) bevorzugt senkrecht zur Targetebene ausgerichtet ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gefüge des Targets eine im we­ sentlichen säulenförmige Gußkornstruktur aufweist mit einem Säulenlänge- zu Säulenbreiteverhältnis von mindestens 2 zu 1 und die Längsachsen der säulenförmigen Gußkörner senkrecht zur Targetebene ausgerichtet sind.

2. Target nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Target aus einem Gußstück hergestellt ist.

3. Target nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Herstellung des Gußstücks eine metallische Gießform verwendet wird, die eine im wesentlichen parallelepipede Form hat.

4. Target nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gießform ein Höhe- zu Dicke­ verhältnis von mindestens 5 zu 1 und eine Breite­ zu Dickeverhältnis von mindestens 5 zu 1 aufweist.

5. Target nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der metallischen Gießform eine kontrollierte Wärme­ abführung der erstarrenden Schmelze ermöglicht, beginnend von den Oberflächen der plattenförmigen Gußstücke zur Mitte der Gußstücke hin.

6. Target nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Target im wesentlichen eben und plattenförmig ausgebildet ist.

7. Target nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Target aus den plattenförmigen Gußstücken so herausge­ trennt ist, daß die Hauptebenen von Target und Gußstück parallel verlaufen.

8. Target nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Target aus einer Kobalt-Legierung mit mindestens 60 Ge­ wichtsprozenten Kobalt besteht.