DE4426751A1

DE4426751A1 - Schwimmende Zentralbefestigung, insbesondere für großflächige Sputterkatoden

Info

Publication number: DE4426751A1
Application number: DE4426751A
Authority: DE
Inventors: Reiner Dipl Ing Hinterschuster; Bertold Dipl Phys Ocker
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1994-07-28
Filing date: 1994-07-28
Publication date: 1996-02-01
Also published as: KR960005742A; US5536380A; JPH0853758A; NL9500630A

Description

Die Erfindung betrifft eine Befestigungsvorrichtung gemäß den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Katodeneinrichtungen zum Einsatz in Beschichtungsanlagen sind bekannt. Solche Katodeneinrichtungen bestehen im wesentlichen aus dem während des Katodenzerstäubungsprozesses abgetragenen Sputtertarget, welches mit einer Targetrückplatte fest verbunden ist. Mittels von an der Targetrückplatte vorgesehenen Befestigungsvorrichtungen ist die Targetrückplatte zusammen mit dem Sputtertarget auf einer als Katodenkörper ausgebildeten mit einer Kühlvorrichtung versehenen Befestigungsplatte arretiert. Übliche, mittels der Katodenzerstäubungstechnik zu beschichtende Substratflächen besitzen eine Flächengröße von bis zu 400 × 300 mm², was Sputterkatodenflächen entsprechender Größe erfordert.

Ein Nachteil der bekannten Sputterkonstruktionen ist, daß diese bei einem Targetwechsel, z. B. nach Verbrauch des Sputtertargets spezielle Werkzeuge, wie z. B. Hebewerkzeuge, erfordern bzw. ein Sputtertargetwechsel nicht von einer einzigen Person allein durchführbar ist. Weiterhin sind die gewünschten graßflächigen Sputtertargets mit dem Nachteil behaftet, daß während des Zerstäubungsprozesses das Sputtertarget sowie die Targetrückplatte durch Energieeintrag des Plasmas durch Strahlung und durch die, von dem auf das Target beschleunigten Ionen abgegebene kinetische Energie erwärmt wird und das Sputtertarget in Abhängigkeit von dem Wärmeübergang von der Targetrückplatte zum Katodenkörper sowie in Abhängigkeit von der Auslegung der im Katodenkörper vorgesehenen Kühleinrichtung sich ausdehnt. Durch diese Erwärmung, dehnen sich sowohl das Sputtertarget selbst als auch die Targetrückplatte (Katodenkörper) aus. Da üblicherweise das Sputtertarget mit dem Katodenkörper verbondet ist, ist es zur Vermeidung einer unterschiedlichen Längenänderung - bzw. Flächenänderung, analog einem Bimetallstreifen, notwendig, daß das Sputtertarget sowie die Targetrückplatte aus einem Material mit gleichem oder ähnlichem thermischen Ausdehnungskoeffizienten bestehen. Dies schränkt die Wahl der Materialien stark ein.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, einen Sputtertargetwechsel zu vereinfachen und gleichzeitig die Beschränkung in der Auswahl der für das Sputtertarget und die Targetrückplatte zu verwendenden Materialien aufzuheben.

Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Lösung des gestellten Problems erfolgt bei der eingangs beschriebenen Zerstäubungskatode erfindungsgemäß dadurch, daß das Sputtertarget aus einzelnen Segmentkörpern zusammengesetzt ist, wobei die einzelnen Segmentkörper aus einer ersten, eine Sputterkatode (Sputtertarget) bildenden Schichtlage und einer mit der Sputterkatode verbondeten zweiten Schichtlage (Targetrückplatte) besteht. Im nicht erwärmten Zustand sind die einzelnen Segmentkörper zu einer eine Gesamtkatode bildenden Plattenanordnung zusammengesetzt. Im nicht erwärmten Zustand befinden sich die einzelnen Segmentkörper in einem definierten kontaktfreien Abstand zueinander, wohingegen während des Zerstäubungsprozesses die einzelnen Segmentkörper eine Flächenausdehnung erfahren und sich in ihren Seitenbereichen berühren. Da die Schichtlage der Targetrückplatte erfindungsgemäß einen größeren Umfang aufweist als der Umfang des Sputtertargets, stoßen die erwärmten Segmentkörper lediglich mit den Seitenflächen der Targetrückplatten aneinander. Eine Beschädigung des Sputtertargets an den durch die thermische Ausdehnung bedingten Stoßstellen wird vorteilhaft vermieden. Da der gesamte Plattenanordnung zudem aus einzelnen segmentierten Plattenkörpern besteht, sind besondere für den Targetwechsel notwendige Werkzeuge nicht erforderlich. Vorteilhaft kann somit ein Targetwechsel auch von einer einzigen Person allein durchgeführt werden.

Zum Befestigen der Segmentkörper weist der Katodenkörper Durchgangslöcher unterschiedlichen Öffnungsquerschnitts auf. Die im Schnittpunktbereich der Katodenkörperflächensymmetrielinien angeordneten Befestigungslöcher besitzen einen kreisförmigen und in ihrem Durchmesser einen dem Außendurchmesser der einzusetzenden Aufnahmebolzen angepaßten Durchmesser, wodurch die mittels dieser Öffnung befestigten Segmentkörper sich im wesentlichen nur in radialer Richtung in Bezug auf diese Fixierungslöcher ausdehnen können. Die entlang der zueinander senkrecht verlaufenden Symmetrielinien angeordneten Befestigungslöcher besitzen einen Langlochquerschnitt, wobei die Ausrichtung der Langlochlängsachsen in Bezug auf den Schnittpunkt der Symmetrielinien in radialer Richtung liegt. Durch eine derartige Ausrichtung werden thermisch bedingte Längsausdehnungen der Segmentkörper über die einzelnen Langlochquerschnitte vollständig aufgefangen. Die in den übrigen radialen Richtungen (Diagonalrichtungen) auftretenden Längenänderungen werden durch die übrigen in den Katodenkörper eingebrachten Durchgangslöcher aufgenommen, wobei diese Durchgangslöcher einen Kreisquerschnitt mit einem der Längsausdehnung der Langlöcher entsprechenden Kreisdurchmesser besitzen.

Die Befestigung der einzelnen Segmentkörper erfolgt mittels mit diesen fest verbundenen, vorzugsweise verschweißten Aufnahmebolzen mit Innengewinde. Diese Aufnahmebolzen greifen in die Durchgangslöcher des Katodenkörpers ein und werden mittels einer auf der Rückseite des Katodenkörpers in die positionierten Aufnahmebolzen einschraubbaren Schraube arretiert. Als Vakuumabschluß ist in einer in der Auflageseite des Schraubenkopfes umlaufend eingebrachten Nut ein Dichtring eingesetzt. Dieser Dichtring bewirkt jeweils einen vakuumdichten Abschluß zwischen der, der Sputterkatode zugewandten Fläche des Katodenkörpers und der Rückseite des Katodenkörpers. Da die Aufnahmebolzen einen geringeren Außendurchmesser als die entsprechenden Durchgangslöcher aufweisen, ist das Sputtertarget zusammen mit der Targetrückplatte auf dem Katodenkörper "schwimmend", d. h. parallel zur Sputtertargetfläche, verschiebbar gelagert. Vorteilhaft werden somit die infolge thermischer Ausdehnung sich gegeneinander verschiebenden Segmentkörper im wesentlichen frei von thermischer Spannung gehalten.

Gemäß dem kennzeichnenden Merkmal des Unteranspruchs 5 besteht die Sputterkatode aus einer Indium-Zinn-Legierung und die Targetrückplatte aus Molybdän und/oder Titan. Der Überlapp zwischen der Targetrückplatte und dem Sputtertarget beträgt dabei vorteilhaft 0,05 mm-0,2 mm, vorzugsweise 0,1 mm. Größere Überlappbereiche sind weniger vorteilhaft, da es sonst durch das Zerstäuben der Targetrückplatte zu Verunreinigungen bei der sputterkatodeninduzierten Beschichtung kommen kann.

Ein besonders varteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Befestigungsplatte mit angedeuteten Segmentpositionen A-F,

Fig. 2 einen Schnitt durch zwei benachbart liegende Segmentkörper,

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt des Zentralbereichs der in Fig. 1 dargestellten Aufsicht auf eine Befestigungsplatte,

Fig. 4 einen Schnitt durch den Katodenkörper entlang der Linie J-K in Fig. 3 und

Fig. 5 einen Schnitt durch ein mit einer Rückplatte auf der Befestigungsplatte aufgeschraubtem Sputtertarget im Bereich einer Schraubverbindung.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße als Katodenkörper 8 ausgebildete Befestigungsplatte 8 dargestellt. In dem äußeren umlaufenden Randbereich des im wesentlich quadratischen Katodenkörpers 8 sind Durchgangslöcher 19, 19′, 19′′, . . . eingelassen, die zur Befestigung des Katodenkörpers 8 dienen. Mittels der übrigen in Fig. 1 dargestellten Durchgangslöcher z. B. 15′, 15′′, 15′′′, 24a, 24b, 28a, 28b, 38, 38′, 38′′, 38′′′ sind einzelne eine Gesamtkatodenfläche bildende Segmentkörper A-F auf dem Katodenkörper 8 befestigt. Dabei sind die einzelnen Segmentkörper A-F derartig aneinander gelegt, daß sie eine im wesentlichen quadratische Gesamtkatodenfläche bilden. Zur Befestigung der einzelnen Segmentkörper, insbesondere der mittig gelegenen Segmentkörper B und E weisen die Befestigungslöcher 24a, 24b, 28a, 28b, 38, 38′′′ unterschiedliche Öffnungsquerschnitte auf. Die im engeren Zentralbereich der Gesamtkatodensputtertargetfläche gelegenen Durchgangslöcher 28a und 28b haben einen kreisförmigen Öffnungsquerschnitt (siehe Fig. 3), in die ein Aufnahmebolzen 20 (siehe Fig. 5) paßgenau einsetzbar ist. Diese Befestigungslöcher 28a und 28b dienen als Fixierungslöcher, da sich bei einer Erwärmung der Segmentkörper A-F die relative Lage der Segmentkörper B und E zum Katodenkörper 8 im Bereich um die Befestigungslöcher 28a und 28b nur unwesentlich ändert. Mit wachsendem radialem Abstand von dem Schnittpunkt der Symmetrielinien h und v nimmt die Flächenausdehnung der Segmentkörper A-F kontinuierlich zu. Um diesen Längenzuwachs und die dadurch zum Katodenkörper 8 bedingte relative Lageänderung der Segmentkörper A-F abzufangen, sind die im wesentlichen parallel zu den Symmetrielinien h und f angeordneten Durchgangslöcher 24a bzw. 24b jeweils als Langloch ausgebildet. Dabei sind diese Langlöcher 24a und 24b mit ihren Längsachsen parallel zur Ausdehnungsrichtung der Segmentkörper A-F angeordnet. Die entlang den Diagonalrichtungen zu den Symmetrielinien h und v angeordneten Befestigungslöcher 38, 38′, 38′′, 38′′′, . . . besitzen einen kreisförmigen Öffnungsquerschnitt d (siehe Fig. 3), wobei der Öffnungsdurchmesser im wesentlichen der Längsachsenausdehnung der Langlöcher 24a und 24b entspricht.

Die auf dem Katodenkörper 8 zu befestigenden Segmentkörper A-F bestehen im wesentlichen aus zwei Schichtlagen, nämlich wie in Fig. 2 dargestellt, einer Targetrückplatte 10a, 10b und einer auf der Targetrückplatte 10a, 10b aufgebondeten Sputterkatode 12a bzw. 12b, wobei die Sputterkatode z. B. aus einer Indium-Zinn-Legierung und die Targetrückplatte aus Titan oder Molybdän hergestellt ist. Die, die Sputterkatode 12a bzw. 12b tragende Targetrückplatte 10a bzw. 10b überlappt die Sputterkatode 12a bzw. 12 seitlich um einen Bereich der Breite a, wodurch bei thermisch bedingter Längenausdehnung der Segmentkörper A-F ausschließlich die Seitenflächen 34, 17a, 17b miteinander in Druckkontakt treten können.

Zur Befestigung der Segmentkörper A-F sind auf der Targetrückplatte 10, 10a, 10b (siehe Fig. 5) Aufnahmebolzen 20 mit einer Schweißverbindung 31 fest aufgebracht. Die Rückplatte 10 ist derartig auf dem Katodenkörper 8 positioniert, daß die Aufnahmebolzen 20 in die entsprechenden Befestigungslöcher (siehe Fig. 4) hineinragen, und sind mittels in die Aufnahmebolzen 20 eindrehbarer Schrauben 22 mit dem Katodenkörper 8 lösbar verbunden. Zur Abdichtung des auf Seiten der Sputterkatodenfläche herrschenden Vakuumdrucks gegenüber dem auf der Katodenkörper-Rückseite herrschenden Atmosphärendruck ist in den Schraubenkopf 23 eine umlaufende Nut 30 eingelassen, in welche ein Dichtring 18 gelagert ist und der bei angezogener Schraube 22 auf dem Katodenkörper 8 vakuumdichtend aufliegt. Der effektive Öffnungsdurchmesser des Befestigungsloches 32 ist im Bereich des Schraubenkopfes 23 wie auch im Bereich des Aufnahmebolzens 20 so derartig ausgebildet, daß die Targetrückplatte 10 mit dem auf ihr befestigten Sputtertarget 12 um einen Abstand c jeweils in einer Richtung oder innerhalb eines Flächenbereichs, wie z. B. bei den Durchgangslöchern 38, 38′, 38′′, . . . vorgesehen, verschiebbar ist.

Bezugszeichenliste

6 Plattenanordnung
7a, 7b Umfangslinie
8 Katodenkörper, Kühlplatten, Targetkühlkörper
9, 9a, 9b Befestigungsplatte
10, 10a, 10b Targetrückplatte
11 Targetkörper
12, 12a, 12b Target, Sputterkatode, Sputterschicht, Sputtertarget
13 Targetsegment
14 Targetrand
15, 15′, 15′′, . . . Befestigungsloch, Durchgangsloch
16 Dunkelraum
17a, 17b Seitenfläche
18 Dichtring
19, 19′, 19′′, . . . Befestigungsloch
20 Aufnahmebolzen
22 Schraube
23 Schraubenkopf
24a, 24b Langloch
25, 25a, 25b Fläche
26 Zentrierung
28a, 28b Durchgangsloch, Fixierungsloch
30 Nut
31 Schweißverbindung
32 Befestigungsloch
33a, 33b Randbereich
34 Seitenfläche
36 Targetfläche
38, 38′, 38′′ Durchgangsloch
A-F Segmentkörper
v, h Symmetrielinie
a Targetkatodenabstand
b Öffnungsdurchmesser
c Abstand
d Öffnungsquerschnitt

Claims

1. Vorrichtung zum Befestigen einer erwärmbaren, mindestens zwei miteinander fest verbundene Schichtlagen aufweisende und vorzugsweise zum Einsatz als großflächiges Katodenzerstäubungstarget dienende Plattenanordnung, gekennzeichnet dadurch, daß die Plattenanordnung (6) aus mindestens zwei Segmentkörpern (13, A-F) besteht, wobei die, die Schichtlagenkontaktflächen begrenzende Umfangslinie (7a, 7b) einer ersten Schicht (12a, 12b) vollständig innerhalb der Umfangslinie (9a, 9b) der Schichtlagenkontaktfläche der zweiten Schichtlage (10a, 10b) verläuft und wobei die einzelnen Segmentkörper (A-F) mit ihren Seitenflächen (17a, 17b) der ersten Schichtlage (10a, 10b) derartig zueinander angeordnet sind, daß im nicht erwärmten Zustand die Seitenflächen (17a, 17b) berührungsfrei sind und daß im erwärmten Zustand ausschließlich die Seitenflächen (17a, 17b) der jeweils ersten Schichtlage (12a, 12b) in, vorzugsweise flächigem Kontakt, miteinander stehen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Segmentkörper (A-F) auf einer vorzugsweise als Targetkühlkörper (8) ausgebildeten Befestigungsplatte (8) lösbar aufmontiert sind, wobei die Befestigungsplatte (8) Durchgangslöcher (15, 28a, 38) mit Kreisquerschnitten unterschiedlicher Größe (28a, 15′) bzw. Langlochquerschnitte (24a, 24b) mit unterschiedlicher Ausrichtung aufweist, wobei die Öffnungsquerschnitte der, der Flächenmitte des Plattenanordnungs (6) benachbart angeordneten Durchgangslöcher (28a, 28b) paßgenau, entsprechend der in diesen einzusetzenden Aufnahmebolzen (20) ausgebildet sind und wobei die als Langloch ausgebildeten Durchgangslöcher (24a, 24b) parallel zu bzw. auf den die als Fixierungsbefestigung dienenden Durchgangslöchern (28a, 28b) verbindenden und im wesentlichen senkrecht zueinander verlaufenden Symmetrielinien (v, h) und mit ihren Längsachsen in radialer Richtung weisend angeordnet sind, und wobei die übrigen Durchgangslöcher (38, 38′, 38′′, . . . ) einen effektiven Öffnungsdurchmesser (d) aufweisen, der im wesentlichen dem maximalen Querschnittsdurchmesser der Langlöcher (24a, 24b) entspricht, wodurch die thermische Ausdehnung der im erwärmten Zustand im flächigen Seitenkontakt befindlichen Segmentkörper (A-F) in Bezug auf die Position der Fixierungslöcher (28a, 28b) in radialer Richtung erfolgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmentkörper (A-F) aus jeweils zwei Schichtlagen (10, 12; 10a, 12a; 10b, 12b) bestehen, wobei die der Befestigungsplatte (8) zugewandten Schichtlagen (10, 10a, 10b) jeweils eine Targetrückplatte (10a, 10b) bilden und daß die zweite Schichtlage (12, 12a, 12b) eine Sputterkatode (12, 12a, 12b) ist, wobei die Sputterkatode (12, 12a, 12b) mit der Targetrückplatte (10, 10a, 10b) fest verbunden, vorzugsweise aufgebondet, ist.

4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Targetrückplatte (10a, 10b) die Sputterkatode (12a, 12b) in ihrem umlaufenden Randbereich (33a, 33b) um 0,05 mm-0,2 mm, vorzugsweise um 0,1 mm, überlappt.

5. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sputterkatode (12, 12a, 12b) aus einer Indium-Zinn-Legierung und die Targetrückplatte (10, 10a, 10b) aus Molybdän bzw. Titan besteht.

6. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf der, der Sputterkatode (12, 12a, 12b) abgewandten Fläche (25, 25a, 25b) der Targetrückplatte (10, 10a, 10b) Aufnahmebolzen (20) mit einem Innengewinde angeordnet sind, welche mit der Targetrückplatte (10, 10a, 10b) fest verbunden, vorzugsweise verschweißt sind.

7. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Targetrückplatte (10) derartig auf der als Katodenkörper (8) ausgebildeten Befestigungsplatte (8) positioniert ist, daß die Aufnahmebolzen (20) mit den Durchführungslöchern (15, 24a, 24b, 28a, 28b, 38, 38′, 38′′ derartig in Eingriff stehen, daß die Targetrückplatte (10, 10a, 10b) flächig auf dem Katodenkörper (8) aufliegt und daß die Rückplatte (10, 10a, 10b) mittels einer in den Aufnahmebolzen (20) eingedrehten Schraube (22), welche mit einem in ihrem Schraubenkopf (23) in einer umlaufenden Nut (30) gelagerten Dichtring (18) auf dem Katodenkörper (8) anliegt, parallel zur Katodenflächenausdehnung verschiebbar gehaltert ist, wobei die maximale Verschiebung dem zwischen dem maximalen Außendurchmesser des Aufnahmebolzens und dem minimalen Innendurchmesser des Durchgangslochs (15, 28a, 28b, 24a, 24b, 38, 38′, 38′′, . . . ) definierten Abstand (c) entspricht.