EP1341948A1 - Target comprising thickness profiling for an rf magnetron - Google Patents

Target comprising thickness profiling for an rf magnetron

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Publication number
EP1341948A1
EP1341948A1 EP01980095A EP01980095A EP1341948A1 EP 1341948 A1 EP1341948 A1 EP 1341948A1 EP 01980095 A EP01980095 A EP 01980095A EP 01980095 A EP01980095 A EP 01980095A EP 1341948 A1 EP1341948 A1 EP 1341948A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
target
atomization
profiled
profiling
dielectric
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01980095A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Stephan Voser
Eduard Karl Lorenz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Oerlikon Surface Solutions AG Pfaeffikon
Original Assignee
Unaxis Trading AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Unaxis Trading AG filed Critical Unaxis Trading AG
Publication of EP1341948A1 publication Critical patent/EP1341948A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/34—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
    • H01J37/3411—Constructional aspects of the reactor
    • H01J37/3414—Targets
    • H01J37/3423—Shape
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/3407—Cathode assembly for sputtering apparatus, e.g. Target
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/34—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
    • H01J37/3402—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering using supplementary magnetic fields
    • H01J37/3405—Magnetron sputtering
    • H01J37/3408—Planar magnetron sputtering

Definitions

  • the present invention relates to a method for sputtering a dielectric target in a vacuum chamber with a high-frequency gas discharge according to the preamble of claim 1, as well as a sputtering target according to the preamble of claim 8 and a magnetron sputtering source with the corresponding sputtering target.
  • the dielectric layer is deposited on the workpiece, in particular the plastic workpiece, in a vacuum chamber using the known high-frequency cathode sputtering method, in particular with magnetron sputtering. Such layers are used in particular in the production of storage disks.
  • optical recording methods where the information is embossed in the disc itself and provided with a highly reflective layer, a laser beam being able to scan the information accordingly.
  • both metallic and non-conductive dielectric layers are deposited on a substrate, the data carrier, and the conductive metallic layers are relatively easy to coat.
  • two processes are in the foreground.
  • One method is the so-called reactive sputtering from a conductive target.
  • the atomized material in the process space or when it hits the substrate is oxidized to the non-conductive layer with the aid of the reactive gas fed into the process space.
  • the other method for sputtering non-conductive substrate material is high frequency sputtering. Since the target does not conduct in this case, it can not be atomized with a DC voltage, because of the formation of a Surface charge the entire applied voltage drops across the target, and not as desired in the plasma room. This means that no current can flow through the target into the plasma space.
  • the frequencies required for this are in the high-frequency range, that is in the range> 1 MHz, with the industrial frequency in the 13 MHz range being practical for practical reasons.
  • the target is eroded over a larger radial area.
  • the desired erosion profile can be generated, for example, by means of a rotating magnet system, by suitably arranged magnets and pole shoes, or by correction influences, for example additional magnetic fields that change over the target lifetime or briefly.
  • the disks are fed in at intervals and coated in front of the target at a defined distance, the coating time generally being a few seconds to a few minutes.
  • the coating time generally being a few seconds to a few minutes.
  • the present invention has set itself the task of eliminating the disadvantages of the prior art, in particular to realize a coating method for dielectric materials with which a predefinable distribution profile can be achieved with high economy, and which also creates the possibility of distribution changes over the To compensate for the target lifetime of an atomization source.
  • This object is achieved according to the invention by the method according to the wording of claim 1.
  • the independent claims relate to advantageous further refinements.
  • the dielectric and thus non-conductive sputtering target material is fastened or bonded to a so-called carrier plate or backplate for the high-frequency sputtering, this having to be done in such a way that good thermal contact arises.
  • the carrier plate is necessary on the one hand to hold the brittle material and on the other hand to achieve good heat distribution.
  • the carrier plate is cooled and thus indirectly the target bonded to it.
  • an important application here is the deposition of dielectric layers for optical storage disks, in particular for phase change disks.
  • the coating with a target material, which consists of ZnS and SiO 2 .
  • targets are usually sintered during manufacture. Maintaining the highest possible layer uniformity over the process times is particularly important in this application.
  • the capacitance that forms between the metallic conductive bond plate and the plasma that forms in the front area of the targets is different if the dielectric target is of different thickness compared to the bond plate in partial areas of the target. This makes it possible to influence the discharge or the discharge density locally.
  • the atomization distribution can be influenced by this procedure if the target thickness is varied over the target area in the desired areas.
  • the capacity between the plasma and the target carrier plate is increased in the thinner area, which means that the atomization rate also increases in these areas.
  • the distribution can be influenced to the desired extent by appropriate profiling of the target.
  • This type of correction option is particularly favorable when using magnetron sputtering sources, which inherently form different erosion profiles due to the magnetic field-assisted plasma generation, and which cause erosion profiles generated by the magnetic field over the target service life to shift the distribution profile. For example, in areas of strong erosion caused by the magnetic field, this pronounced erosion can be compensated for by thickening the target via the capacitive effect. In areas of weaker erosion caused by the magnetic field, thinning the target increases the dusting rate. This also makes it possible to compensate for the effect.
  • the target can be profiled, for example, on the front side facing the plasma, in which case the target carrier plate on the back is designed as a flat plate.
  • Another possibility is to make the target flat on the front and to profile it on the back, the target carrier plate then following the profile.
  • a further possibility is also to profile the carrier plate and to arrange a further dielectric with good thermal conductivity between a flat target plate and the profiled carrier plate, which dielectric is easier to process than the target material itself and thus represents a compensating dielectric with the advantage that that the brittle target material itself can be formed as simply as possible, for example as a flat plate.
  • the aforementioned profiling options can also be combined. For reasons of simple manufacturability, however, those solutions are preferred which allow the simplest possible contours or even allow a purely plate-shaped target, which makes the manufacturing process economically feasible.
  • profiling In addition to simple recesses or elevations, other forms of profiling also have an effect, such as trapezoidal, spherical, toroidal ribs or grooves.
  • Profiling can thus stabilize the erosion rate, but in particular the radial distribution of the erosion rate in the case of round targets, over the entire lifetime of the target. This effect does not occur when sputtering conductive target materials with RF or DC sputtering.
  • Figure 1 shows schematically and in cross section a basic arrangement of a vacuum system with high-frequency atomization device
  • Figure 3 is a target with an erosion profile bonded to a support plate in a round design with profiling in the center and on the front
  • Figure 4 in cross section a profiled target bonded to a carrier plate with profiling in the center on the back of the target
  • FIG. 5 shows in cross section a planar target with an erosion profile bonded to a profiled carrier plate with a compensating dielectric as an intermediate layer
  • Figure 6 is a diagram showing the erosion rate, depending on the target life in different radii measured with a flat round target according to the prior art
  • FIG. 7 shows a diagram which shows the erosion rate as a function of the target life, measured at different radii of a profiled round target according to the invention
  • Figure 8 is an electrical equivalent scheme for the operation of a profiled dielectric target in a high frequency discharge
  • FIG. 9 different distributions measured on a disk coated with RF sputtering over the diameter at different stages of the target life for a planar target according to the prior art
  • FIG. 11 cross section through a target with different target service lives for a planar target according to the prior art
  • FIG. 12 cross section through a profiled target according to the invention with different erosion profiles with different target service lives
  • High frequency sputtering sources for vacuum coating processes are used in a variety of ways.
  • the magnetron sputtering technology with magnetic field-assisted plasma generation is preferred because of the high rates that can be achieved and because of the possibility of influencing the sputtering characteristics via the magnetic field.
  • Atomization sources of this type can be designed in various geometries, for example tubular with rotating target tubes, planar with planar targets, such as rectangular cathodes, or round cathode arrangements, or also as curved ones or hollow cathodes.
  • the workpieces to be coated, the substrates can be moved relative to the sputtering target in order to achieve a good distribution of the deposited layer.
  • FIG. 1 A typical stationary arrangement is shown schematically in FIG. 1.
  • a vacuum chamber (2) is evacuated via valves (6) with a vacuum pump (5).
  • the gases necessary for generating the plasma can be introduced via the gas inlet devices (7, 8) and a corresponding working pressure is set.
  • the working gases used for the atomization are mainly heavy noble gases such as argon and, in the case of reactive processes, additionally reactive gases, such as oxygen, nitrogen, etc.
  • the vacuum chamber (2) accommodates a substrate holder (3), which is shown here schematically as a kind of lock is formed in that it can be lowered in order to be able to equip the substrate holder (3) with a workpiece (4).
  • a substrate holder (3) which is shown here schematically as a kind of lock is formed in that it can be lowered in order to be able to equip the substrate holder (3) with a workpiece (4).
  • separate lock arrangements are used, so that the process space is separated from the insertion chamber and the vacuum conditions in the process area, where the atomization source (1) is also arranged, are separated.
  • the atomization source (1) which receives the target (9) to be atomized, is generally arranged at a distance (d) of a few centimeters, for example 4 to 5 cm, from the workpiece (4).
  • High frequency power is fed in between the target (9) and the substrate (4) or substrate holder (3) with a high frequency generator (20) to generate a plasma discharge between the target (9) and the substrate (4).
  • the vacuum chamber (2) is grounded during this type of sputtering process, and the high-frequency connection on the substrate side as well, as shown in dashed lines in the figure.
  • the atomization source (1) receives the target (9), which is shown in cross section in FIG.
  • the figure shows a typical structure of a target arrangement (9, 10), as used in the preferred magnetron sputtering sources, according to the prior art.
  • a planar, dielectric target plate (9) with a flat new target surface (13) is bonded to a carrier plate (10), which is not shown here.
  • a magnet system (11), which forms the electron trap configuration for the plasma discharge, is arranged on the back of the target arrangement (9, 10).
  • the magnet system (11) is preferably moved around the central axis (12) during operation in order to produce a suitable form of erosion on the target surface by eccentrically arranging the magnetic field configuration. Similar techniques are also used by linear movements, for example in the case of rectangular target arrangements.
  • an erosion profile (14) is shown, which has a typical design for a magnetron sputtering source, the erosion profile essentially already representing a spent or atomized target.
  • FIG. 3 again shows a cross section through a round target, as in FIG. 2 with an atomization target (9) which has a target profiling (15) on the front in the center.
  • the profiling (15) is step-shaped, so that the target thickness is reduced in the center and, according to the invention, the rate is increased there by the capacitive effects of the high-frequency discharge, in order to compensate for the effect of severe erosion on the outer edge in this area.
  • FIG. 4 shows how a target (9) can be profiled on the back, and how the metallic carrier plate (10) is fitted into this recess in the profiling (16) in order to achieve the inventive effect.
  • FIG. 5 Another possibility of realizing different dielectric thicknesses on the target is shown in FIG. 5.
  • a planar target (9) which is particularly simple and therefore economical to manufacture
  • the profiling (18) in the carrier plate ' (10) and between the target (9) and the carrier plate (10) a further dielectric layer (17), which acts as a compensation layer, is provided.
  • the advantage of this embodiment is that a material can be selected for the compensating dielectric (17) that can be shaped more easily than the atomizing target material (9) and thus the target production can be made considerably cheaper.
  • Materials with an ⁇ between 2 to 50, for example plastics or also ceramic materials, with good thermal conductivity, such as aluminum oxide, Al 2 O 3, are suitable as compensating dielectric (17).
  • the compensating dielectric (17) can be left on the carrier plate (10) and the flat neutar target (9) can be glued directly to the flat intermediate surface without the profiling itself having to be created anew each time must become.
  • FIG. 6 shows how the erosion rate ER behaves as a function of the atomization energy SE (target lifetime) in kWh, measured in the three erosion zones with radius rO, r36 and r72 measured in mm from the center of the round target. It is clearly evident that the erosion rates diverge, which leads to a shift in the distribution profile on the substrate over the target lifetime (see FIG. 9).
  • FIG. 7 shows the behavior of a target formation according to the invention shown in FIG. 2 in the same representation. It can be seen here that the erosion rates run uniformly over the target lifetime, which leads to a stabilization of the distribution profile on the substrate.
  • the conditions were measured in both cases with a 6 mm thick target made of ZnS and SiO 2 with a diameter of 200 mm and a target substrate spacing of 40 mm, the substrate diameter being 120 mm and the frequency of the RF generator being 13 MHz.
  • a flat aluminum target with the same dimensions was also atomized with the same atomization arrangement. The experiments show that the effect occurs especially with high-frequency sputtering of non-conductive materials, but not with high-frequency sputtering of conductive materials.
  • FIG. 8 For a qualitative description of the effect, a very simplified electrical circuit diagram of an RF sputtering arrangement with insulating target material is shown in FIG. 8.
  • the radial sputter erosion rate is represented by specific variable, depending on the radius, plasma and target impedances Zp (r) and Zt (r).
  • the losses in the target determined by the loss angle delta of the dielectric target, are also important.
  • the positive effect of the invention is shown again on the basis of distribution measurements on the substrate.
  • a planar dielectric target according to the state of the Technology was atomized under the conditions, as already mentioned, and the distribution characteristic over the disk diameter was measured at different target service lives.
  • the results can be seen in FIG. 9, where the relative layer thickness S is shown in% depending on the substrate position or distance from the center of the substrate in mm at the various operating times tll to tl5 over the target service life.
  • For typical optical storage disks only the range of ⁇ 25 to 60 mm has been measured because there is a hole in the center of the plastic disc.
  • the curve tll was measured at the beginning of the target life, the curve tl2 after 80 kWh, the curve tl3 after 200 kWh, the curve tl4 after 270 kWh and the curve tl5 after 385 kWh, that is to say at the end of the target life. It can be seen from the illustration that there are strong shifts and tilts in the distribution curves over the target life, with the result that the layer thickness distribution over the target life on the storage disk varies in an impermissible manner.
  • the associated target is shown in cross section in FIG. 11. The different erosion profiles are shown over the target life, i.e. the target thickness in percent depending on the target radius R in mm.
  • the target surface that has not yet been dusted is shown with the profile eO, el shows the erosion profile, which arises after 80 kWh operating time, e2 after 200 kWh operating time and e3 after 385 kWh operating time, that is to say at the end of the target service life.
  • FIG. 12 again shows a cross section of the target, that is to say the target thickness in percent depending on the radius in mm of the target disk.
  • the new condition of the profiled target surface is designated E0, El after an operating time of 60 kWh and E2 after an operating time of 121 kWh. It can be seen from the two FIGS.
  • the distribution profiles Tll to T15 differ very little from one another over the entire target life. From this the stabilizing effect of the target profiling is over the target life is immediately apparent.
  • a further advantage of target profiling results from the fact that the material utilization of the target increases, particularly when high requirements are placed on the layer thickness accuracy on the substrate, because the entire target thickness can be better utilized. On the one hand, this leads to better material utilization and, on the other hand, to a longer service life of the target and thus to higher throughputs per target used, which significantly increases the economy.
  • a slightly higher rate can also be determined by reducing the target impedance in the zones of the reduced target thickness. The process can also be carried out more simply because hardly any more effort is required in terms of external control or readjustment of the atomization process in order to achieve a good distribution. Overall, this also simplifies the construction of the cathode and the entire arrangement.

Abstract

The invention relates to a vacuum sputter method for producing dielectric layers. The aim of said invention is to obtain a good distribution of said layers over the substrate to be coated, in a reproducible manner over the entire service life of the target (9) to be sputter-coated. To achieve this, the thickness of the dielectric target (9), which is sputter-coated using a high frequency, is profiled. Said profiles are chosen in such a way that the target thickness is greater in the area of increased erosion rates and/or smaller in the area of lower erosion rates.

Description

Target mit Dickenprofϊlierung für RF MagnetronTarget with thickness profile for RF magnetron
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zerstäubung von einem dielektrischen Target in einer Vakuumkammer mit einer Hochfrequenzgasentladung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, sowie ein Zerstäubungstarget nach Oberbegriff des Anspruches 8 und eine Magnetronzerstäubungsquelle mit dem entsprechenden Zerstäubungstarget. Die dielektrische Schicht wird mit Hilfe des bekannten Hochfrequenzkathodenzerstäubungsverfahrens, insbesondere mit Magnetronzerstäuben in einer Vakuumkammer auf das Werkstück, insbesondere das Kunststoffwerkstück, abgeschieden. Solche Schichten finden insbesondere Anwendung bei der Herstellung von Speicherplatten. Darunter fallen beispielsweise optische Aufzeichnungsverfahren, wo die Information in der Platte selbst eingeprägt und mit einer hochreflektierenden Schicht versehen ist, wobei ein Laserstrahl die Information entsprechend abtasten kann. Insbesondere bei der Vakuumbeschichtung von optischen Disks mit Hilfe des statischen Zerstäubungsverfahrens mit Rundkathodenanordnungen mit nicht leitenden Materialien, und vor allem bei der Beschichtung von wiederbeschreibbaren Disks sind gute Schichtdickenverteilungen über die Disk notwendig und auch über die Prozesszeit, respektive die Targetstandzeit, aufrechtzuerhalten.The present invention relates to a method for sputtering a dielectric target in a vacuum chamber with a high-frequency gas discharge according to the preamble of claim 1, as well as a sputtering target according to the preamble of claim 8 and a magnetron sputtering source with the corresponding sputtering target. The dielectric layer is deposited on the workpiece, in particular the plastic workpiece, in a vacuum chamber using the known high-frequency cathode sputtering method, in particular with magnetron sputtering. Such layers are used in particular in the production of storage disks. This includes, for example, optical recording methods, where the information is embossed in the disc itself and provided with a highly reflective layer, a laser beam being able to scan the information accordingly. In particular when vacuum coating optical discs using the static sputtering process with round cathode arrangements with non-conductive materials, and especially when coating rewritable discs, good layer thickness distributions over the disc are necessary and also to be maintained over the process time or the target service life.
Zur Beschichtung von optischen Speicherscheiben werden sowohl metallische, als auch nicht leitende dielektrische Schichten auf einem Substrat, dem Datenträger abgeschieden, die leitenden metallischen Schichten sind relativ einfach zu beschichten. Zur Beschichtung mit dielektrischen Schichten stehen zwei Verfahren im Vordergrund. Das eine Verfahren ist das sogenannte reaktive Zerstäuben von einem leitenden Target. Hierbei wird das zerstäubte Material im Prozessraum oder beim Auftreffen auf das Substrat zur nicht leitenden Schicht oxidiert mit Hilfe des in den Prozessraum zugeführten Reaktivgases.To coat optical storage disks, both metallic and non-conductive dielectric layers are deposited on a substrate, the data carrier, and the conductive metallic layers are relatively easy to coat. For the coating with dielectric layers two processes are in the foreground. One method is the so-called reactive sputtering from a conductive target. Here, the atomized material in the process space or when it hits the substrate is oxidized to the non-conductive layer with the aid of the reactive gas fed into the process space.
Das andere Verfahren, um nicht leitendes Substrat Material zu zerstäuben ist das Hochfrequenzzerstäubungssputtern. Da das Target in diesem Fall nicht leitet, kann nicht mit einer Gleichspannung zerstäubt werden, da durch die Ausbildung einer Oberflächenladuhg die ganze angelegte Spannung über das Target abfällt, und nicht wie gewünscht im Plasmaraum. Somit kann durch das Target kein Strom in den Plasmaraum fliessen. Durch Anlegen einer Radiofrequenzwechselspannung können die Oberflächenladungen jeweils während der positiven Halbwelle vom Target abgeleitet werden, das Target wirkt wie ein Kondensator mit der Impedanz Z=l/iωC und bewirkt, dass ein dielektrischer Verschiebungsstrom fliessen kann. Die hierzu benötigten Frequenzen liegen im Hochfrequenzbereich, das bedeutet im Bereich > 1 MHz, wobei sich die Industriefrequenz im Bereich 13 MHz aus praktischen Gründen anbietet.The other method for sputtering non-conductive substrate material is high frequency sputtering. Since the target does not conduct in this case, it can not be atomized with a DC voltage, because of the formation of a Surface charge the entire applied voltage drops across the target, and not as desired in the plasma room. This means that no current can flow through the target into the plasma space. By applying a radio frequency alternating voltage, the surface charges can be derived from the target during the positive half-wave, the target acts like a capacitor with the impedance Z = 1 / iωC and causes a dielectric displacement current to flow. The frequencies required for this are in the high-frequency range, that is in the range> 1 MHz, with the industrial frequency in the 13 MHz range being practical for practical reasons.
Zur Erhöhung der Targetausnutzung und zur Verbesserung der Schichtuniformität auf dem Substrat wird das Target über einen grösseren radialen Bereich erodiert. Dabei besteht ein enger Zusammenhang zwischen Erosionsprofil und Schichtdickenverteilung auf dem Substrat. Das gewünschte Erosionsprofil kann beispielsweise durch ein rotierendes Magnetsystem, durch geeignet angeordnete Magnete und Polschuhe oder durch Korrektureinflüsse, beispielsweise zusätzliche über die Targetlebensdauer oder kurzzeitig veränderliche Magnetfelder erzeugt werden. Vor allem bei statisch angeordnete Substraten, wie den Speicherdisks, die in einigen Zentimetern Abstand gegenüber einem flachen Target stationär angeordnet werden, spielen diese Verhältnisse eine besondere Rolle. Bei solchen Vakuumbeschichtungssystemen werden die Disks im Takt eingeschleust und vor dem Target in definiertem Abstand beschichtet, wobei die Beschichtungszeit in der Regel einige Sekunden bis einige Minuten beträgt. Mit einem solchen Zerstäubungstarget werden Tausende von Disks beschichtet, bis dieses ersetzt werden muss, wenn das Target soweit abgetragen ist, respektive wenn das Erosionsprofil zu tief ist und das Target ersetzt werden muss. Durch das Erosionsprofil, welches sich über die Targetlebensdauer verändert, verändern sich auch die Verteilungsbedingungen am Substrat, wobei dies vor allem bei den Magnetronzerstäubungsquellen, die besonders hohe Zerstäubungsraten aufweisen und deshalb heute besonders bevorzugt verwendet werden, negative Auswirkungen auf die Verteilung hat.In order to increase the target utilization and to improve the layer uniformity on the substrate, the target is eroded over a larger radial area. There is a close relationship between the erosion profile and the layer thickness distribution on the substrate. The desired erosion profile can be generated, for example, by means of a rotating magnet system, by suitably arranged magnets and pole shoes, or by correction influences, for example additional magnetic fields that change over the target lifetime or briefly. These conditions play a particularly important role in the case of statically arranged substrates, such as the storage disks, which are arranged stationary at a distance of a few centimeters from a flat target. In such vacuum coating systems, the disks are fed in at intervals and coated in front of the target at a defined distance, the coating time generally being a few seconds to a few minutes. With such an atomization target, thousands of discs are coated until they have to be replaced when the target has been worn away, or when the erosion profile is too deep and the target has to be replaced. Due to the erosion profile, which changes over the lifetime of the target, the distribution conditions on the substrate also change, whereby this has negative effects on the distribution, especially in the case of magnetron atomization sources, which have particularly high atomization rates and are therefore used with particular preference today.
Zur Erzeugung des geeigneten Erosionsprofils beim DC-Sputtern werden verschiedene Methoden angewandt. So können durch geeignete Anordnung der Magnete, welche im Bereich der Rückseite des Targets rotieren, die verschiedensten Erosionsprofile erzeugt werden. Bei geeigneter Wahl der Magnetanordnung kann das Profil der Erosionsrate auch über die ganze Targetlebensdauer im wesentlichen konstant gehalten werden kann. Es hat sich nun aber gezeigt, dass dies beim Hochfrequenzzerstäuben (RF-Sputtern) nicht in gleicher Weise durchgeführt werden kann. Aus diesem Grund wird beispielsweise versucht mit zusätzlichen Steuermagneten, oder mit mehrteiliger Anordnung der Kathoden die Abweichungen über die Targetlebensdauer durch geeignete Ansteuerung zu kompensieren. Diese Methoden sind seit längerer Zeit bekannt, haben aber den Nachteil, dass sie aufwendig zu realisieren sind und sehr komplexe Verhältnisse vorliegen. Die Komplexität der Vorgänge erhöht die Wahrscheinlichkeit von Fehlbedienungen, insbesondere im industriellen Einsatz.Various methods are used to generate the appropriate erosion profile for DC sputtering. So by suitable arrangement of the magnets, which in Rotate the area of the back of the target to create a wide variety of erosion profiles. With a suitable choice of the magnet arrangement, the profile of the erosion rate can also be kept essentially constant over the entire lifetime of the target. However, it has now been shown that this cannot be carried out in the same way in high-frequency sputtering (RF sputtering). For this reason, attempts are made, for example, to compensate for the deviations over the target service life by suitable control using additional control magnets or a multi-part arrangement of the cathodes. These methods have been known for a long time, but they have the disadvantage that they are difficult to implement and very complex conditions are present. The complexity of the processes increases the likelihood of incorrect operation, particularly in industrial use.
Die vorliegende Erfindung hat sich nun zur Aufgabe gemacht, die Nachteile des Stands der Technik zu beseitigen, insbesondere ein Beschichtungs verfahren für dielektrische Materialien zu realisieren mit welchem bei hoher Wirtschaftlichkeit ein vorgebbares Verteilungsprofil erzielt werden kann, und das ausserdem die Möglichkeit schafft, Verteilungsänderungen über die Targetlebensdauer einer Zerstäubungsquelle zu kompensieren. Diese Aufgabe wird erfindungsgemass nach dem Verfahren gemäss Wortlaut des Anspruches 1 gelöst. Die unabhängigen Patentansprüche beziehen sich auf vorteilhafte weitere Ausgestaltungen.The present invention has set itself the task of eliminating the disadvantages of the prior art, in particular to realize a coating method for dielectric materials with which a predefinable distribution profile can be achieved with high economy, and which also creates the possibility of distribution changes over the To compensate for the target lifetime of an atomization source. This object is achieved according to the invention by the method according to the wording of claim 1. The independent claims relate to advantageous further refinements.
Das dielektrische und somit nicht leitende Zerstäubungstargetmaterial ist für die hochfrequente Zerstäubung auf einer sogenannten Trägerplatte oder Rückplatte befestigt, beziehungsweise gebondet, wobei dies so zu geschehen hat, dass ein guter Wärmekontakt entsteht. Die Trägerplatte ist bei dielektrischen Materialien notwendig, einerseits um das spröde Material zu halten, und andererseits um eine gute Wärmeverteilung zu erreichen. Die Trägerplatte wird gekühlt und somit indirekt auch das darauf gebondete Target.The dielectric and thus non-conductive sputtering target material is fastened or bonded to a so-called carrier plate or backplate for the high-frequency sputtering, this having to be done in such a way that good thermal contact arises. With dielectric materials, the carrier plate is necessary on the one hand to hold the brittle material and on the other hand to achieve good heat distribution. The carrier plate is cooled and thus indirectly the target bonded to it.
Eine wichtige Anwendung hierbei ist wie erwähnt die Abscheidung von dielektrischen Schichten für optische Speicherplatten, wie insbesondere für Phase Change Disks. Hierbei ist eine wichtige Applikation, die Beschichtung mit einen Targetmaterial, welches aus ZnS und SiO2 besteht. Solche Targets werden in der Regel bei der Herstellung gesintert. Die Einhaltung einer möglichst hohen Schichtuniformität über die Prozesszeiten sind bei dieser Anwendung besonders wichtig.As mentioned, an important application here is the deposition of dielectric layers for optical storage disks, in particular for phase change disks. Here is an important application, the coating with a target material, which consists of ZnS and SiO 2 . Such targets are usually sintered during manufacture. Maintaining the highest possible layer uniformity over the process times is particularly important in this application.
Es hat sich nun gezeigt, dass die sich ausbildende Kapazität zwischen metallischer leitender Bondplatte und dem sich ausbildenden Plasma im Frontbereich der Targets unterschiedlich ist, wenn das dielektrische Target unterschiedlich dick ausgebildet ist gegenüber der Bondplatte in Teilbereichen des Targets. Dadurch ist eine Beeinflussung der Entladung, beziehungsweise der Entladungsdichte örtlich möglich. Durch dieses Vorgehen kann die Zerstäubungsverteilung beeinflusst werden, wenn in den gewünschten Bereichen die Targetdicke über die Targetfläche variiert wird. Im dünneren Bereich ist die Kapazität zwischen Plasma und Target Trägerplatte erhöht, was dazu führt, dass in diesen Bereichen die Zerstäubungsrate sich ebenfalls erhöht. Durch entsprechende Profilierung des Targets kann somit die Verteilung in gewünschtem Mass beeinflusst werden. Besonders günstig ist diese Art der Korrekturmöglichkeit bei Verwendung von Magnetronzerstäubungsquellen, welche durch die magnetfeldunterstützte Plasmaerzeugung inhärent verschiedene Erosionsprofile ausbilden, und diese durch das Magnetfeld erzeugten Erosionsprofile über die Targetlebensdauer Verteilungsprofilverschiebungen bewirken. Beispielsweise kann in Bereichen der starken Erosion durch das Magnetfeld durch ein Verdicken des Targets über die kapazitive Wirkung diese ausgeprägte Erosion kompensiert werden. In Bereichen der schwächeren durch das Magnetfeld bewirkten Erosion wird durch eine Verdünnung des Targets eine Erhöhung der Abstäubrate bewirkt. Somit ist ebenfalls eine Kompensation des Effektes möglich. Die Profilierung des Targets kann beispielsweise auf der dem Plasma zugewandten vorderen Seite erfolgen, wobei dann die Targetträgerplatte auf der Rückseite als plane Platte ausgebildet ist. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Target auf der Vorderseite plan auszubilden und auf der Rückseite zu profilieren, wobei dann die Target Trägerplatte der Profilierung folgt. Eine weitere Möglichkeit besteht auch darin, die Trägerplatte zu profilieren und zwischen einer flachen Targetplatte und der profilierten Trägerplatte ein weiteres Dielektrikum mit guter Wärmeleitfähigkeit anzuordnen, welches leichter zu bearbeiten ist, als das Targetmaterial selbst und damit ein Ausgleichsdielektrikum darstellt mit dem Vorteil, dass das spröde Targetmaterial selbst möglichst einfach, beispielsweise als plane Platte ausgebildet werden kann. Die vorerwähnten Profilierungsmöglichkeiten können auch kombiniert werden. Aus Gründen der einfachen Herstellbarkeit werden aber diejenigen Lösungen bevorzugt, die möglichst einfache Konturen erlauben oder sogar ein rein plattenförmiges Target ermöglichen, womit der Herstellprozess wirtschaftlich durchführbar ist. Neben einfachen Ausnehmungen oder Erhebungen zeigen auch andere Formen der Profilierung ebenfalls Wirkung, wie beispielsweise trapezförmige, sphärische, toroidförmige Rippen oder Rillen. Mit dem Profilieren kann also die Erosionsrate, insbesondere aber die radiale Verteilung der Erosionsrate bei runden Targets über die gesamte Targetlebensdauer stabilisiert werden. Beim Sputtern von leitenden Targetmaterialien mit RF oder DC Sputtern, tritt dieser Effekt nicht auf.It has now been shown that the capacitance that forms between the metallic conductive bond plate and the plasma that forms in the front area of the targets is different if the dielectric target is of different thickness compared to the bond plate in partial areas of the target. This makes it possible to influence the discharge or the discharge density locally. The atomization distribution can be influenced by this procedure if the target thickness is varied over the target area in the desired areas. The capacity between the plasma and the target carrier plate is increased in the thinner area, which means that the atomization rate also increases in these areas. The distribution can be influenced to the desired extent by appropriate profiling of the target. This type of correction option is particularly favorable when using magnetron sputtering sources, which inherently form different erosion profiles due to the magnetic field-assisted plasma generation, and which cause erosion profiles generated by the magnetic field over the target service life to shift the distribution profile. For example, in areas of strong erosion caused by the magnetic field, this pronounced erosion can be compensated for by thickening the target via the capacitive effect. In areas of weaker erosion caused by the magnetic field, thinning the target increases the dusting rate. This also makes it possible to compensate for the effect. The target can be profiled, for example, on the front side facing the plasma, in which case the target carrier plate on the back is designed as a flat plate. Another possibility is to make the target flat on the front and to profile it on the back, the target carrier plate then following the profile. A further possibility is also to profile the carrier plate and to arrange a further dielectric with good thermal conductivity between a flat target plate and the profiled carrier plate, which dielectric is easier to process than the target material itself and thus represents a compensating dielectric with the advantage that that the brittle target material itself can be formed as simply as possible, for example as a flat plate. The aforementioned profiling options can also be combined. For reasons of simple manufacturability, however, those solutions are preferred which allow the simplest possible contours or even allow a purely plate-shaped target, which makes the manufacturing process economically feasible. In addition to simple recesses or elevations, other forms of profiling also have an effect, such as trapezoidal, spherical, toroidal ribs or grooves. Profiling can thus stabilize the erosion rate, but in particular the radial distribution of the erosion rate in the case of round targets, over the entire lifetime of the target. This effect does not occur when sputtering conductive target materials with RF or DC sputtering.
Die Erfindung wird nun anhand von schematischen Figuren, beispielsweise näher erläutert. Die Figuren zeigen:The invention will now be explained, for example, with reference to schematic figures. The figures show:
Figur 1 schematisch und im Querschnitt eine prinzipielle Anordnung einer Vakuumanlage mit HochfrequenzzerstäubungseinrichtungFigure 1 shows schematically and in cross section a basic arrangement of a vacuum system with high-frequency atomization device
Figur 2 ein auf eine Trägerplatte gebondetes Target mit Erosionsprofil, gemäss Stand der Technik2 shows a target bonded to a carrier plate with an erosion profile, according to the prior art
Figur 3 ein Target mit Erosionsprofil gebondet auf eine Trägerplatte in runder Ausführung mit Profilierung im Zentrum und auf der VorderseiteFigure 3 is a target with an erosion profile bonded to a support plate in a round design with profiling in the center and on the front
Figur 4 im Querschnitt ein profiliertes Target gebondet auf eine Trägerplatte mit Profilierung im Zentrum auf der Target RückseiteFigure 4 in cross section a profiled target bonded to a carrier plate with profiling in the center on the back of the target
Figur 5 im Querschnitt ein planes Target mit Erosionsprofil gebondet auf eine profilierte Trägerplatte mit Ausgleichsdielektrikum als Zwischenlage Figur 6 ein Diagramm, welches die Erosionsrate darstellt, abhängig von der Targetlebensdauer in verschiedenen Radien gemessen bei einem flachen runden Target gemäss Stand der Technik5 shows in cross section a planar target with an erosion profile bonded to a profiled carrier plate with a compensating dielectric as an intermediate layer Figure 6 is a diagram showing the erosion rate, depending on the target life in different radii measured with a flat round target according to the prior art
Figur 7 ein Diagramm, welches die Erosionsrate abhängig von der Targetlebensdauer zeigt, gemessen bei verschiedenen Radien eines profilierten Rundtargets gemäss ErfindungFIG. 7 shows a diagram which shows the erosion rate as a function of the target life, measured at different radii of a profiled round target according to the invention
Figur 8 ein elektrisches Ersatzschema zur Funktionsweise eines profilierten dielektrischen Target in einer HochfrequenzentladungFigure 8 is an electrical equivalent scheme for the operation of a profiled dielectric target in a high frequency discharge
Figur 9 verschiedene Verteilungen gemessen an einer mit RF-Zerstäuben beschichteten Disk über den Durchmesser bei verschiedenen Stadien der Targetlebensdauer für ein planes Target gemäss Stand der TechnikFIG. 9 different distributions measured on a disk coated with RF sputtering over the diameter at different stages of the target life for a planar target according to the prior art
Figur 10 Verteilungsmessung entsprechend der vorhergehenden Figur 9 für ein erfindungsgemässes profiliertes TargetFigure 10 distribution measurement corresponding to the previous Figure 9 for a profiled target according to the invention
Figur 11 Querschnitt durch ein Target bei verschiedenen Targetstandzeiten für ein planares Target gemäss Stand der TechnikFIG. 11 cross section through a target with different target service lives for a planar target according to the prior art
Figur 12 Querschnitt durch ein erfindungsgemässes profiliertes Target mit verschiedenen Erosionsprofilen bei verschiedenen TargetstandzeitenFIG. 12 cross section through a profiled target according to the invention with different erosion profiles with different target service lives
Hochfrequenzzerstäubungsquellen für Vakuumbeschichtungsprozesse werden auf verschiedenste Art und Weise eingesetzt. Vor allem die Magnetronzerstäubungstechnik mit magnetfeldunterstützter Plasmaerzeugung wird wegen der hohen zu erzielenden Raten und wegen der Möglichkeit der Beeinflussung der Zerstäubungscharakteristik über das Magnetfeld bevorzugt eingesetzt. Zerstäubungsquellen dieser Art können in verschiedenen Geometrien ausgebildet werden, beispielsweise rohrförmig mit auch rotierenden Targetrohren, planar mit flächenförmig angeordneten Targets, wie Rechteckkathoden, oder auch runde Kathodenanordnungen, oder aber auch als gewölbte oder hohl ausgebildete Kathoden. Die zu beschichtenden Werkstücke, die Substrate, können, um eine gute Verteilung der abgeschiedenen Schicht zu erreichen, relativ gegenüber dem Zerstäubungstarget bewegt werden. Oft werden aber für voll automatisierte Anlagen sogenannte statische Beschichtungsanordnungen verwendet, bei denen das Werkstück in einigen Zentimetern Abstand gegenüber einer Kathode mit Zerstäubungstarget stationär angeordnet wird, womit die Anlagen kompakter und einfacher werden. Eine typische stationäre Anordnung ist schematisch in Figur 1 dargestellt. Eine Vakuumkammer (2) wird über Ventile (6) mit einer Vakuumpumpe (5) evakuiert. Über die Gaseinlassvorrichtungen (7, 8) können die für die Erzeugung des Plasmas notwendige Gase eingeführt werden, und es wird ein entsprechender Arbeitsdruck eingestellt. Als Arbeitsgase kommen für die Zerstäubung vorwiegend schwere Edelgase wie Argon in Betracht und bei Reaktiv-Prozessen zusätzlich reaktive Gase, wie beispielsweise Sauerstoff, Stickstoff, etc. Die Vakuumkammer (2) nimmt einen Substrathalter (3) auf, der hier wie schematisch gezeigt, als eine Art Schleuse ausgebildet ist, indem dieser abgesenkt werden kann, um den Substrathalter (3) mit einem Werkstück (4) bestücken zu können. Selbstverständlich gibt es hierzu verschiedenste Möglichkeiten solche Ladestationen auszubilden. In der Regel werden separate Schleusenanordnungen verwendet, so dass der Prozessraum von der Einschleuskammer getrennt ist, und die Vakuumbedingungen im Prozessbereich, wo auch die Zerstäubungsquelle (1) angeordnet ist, getrennt sind. Gegenüber dem Werkstück (4) ist im Abstand (d) in der Regel von einigen Zentimetern, wie beispielsweise 4 bis 5 cm, die Zerstäubungsquelle (1) angeordnet, welche das zu zerstäubende Target (9) aufnimmt. Zwischen dem Target (9) und dem Substrat (4), beziehungsweise Substrathalter (3), wird mit einem Hochfrequenzgenerator (20) Hochfrequenzleistung eingespeist zum Erzeugen einer Plasmaentladung zwischen Target (9) und dem Substrat (4). Üblicherweise wird die Vakuumkammer (2) bei dieser Art von Zerstäubungsvorgängen geerdet, und der substratseitige Hochfrequenzanschluss ebenfalls, wie dies in der Figur gestrichelt dargestellt ist. Es ist aber auch möglich in bekannter Art und Weise, sowohl die Zerstäubungsquelle (1), wie das Werkstück und/oder auch den Rezipienten mit überlagerten Spannungen zu speisen mit sogenannten Bias-Spannungen, um bestimmte Effekte zu erreichen. Die Zerstäubungsquelle (1) nimmt das Target (9) auf, welches in Figur 2 im Querschnitt dargestellt ist. Die Figur zeigt einen typischen Aufbau einer Targetanordnung (9, 10), wie diese im bevorzugten Magnetronzerstäubungsquellen verwendet wird, entsprechend dem Stand der Technik. Hierbei wird eine planare, dielektrische Targetplatte (9) mit einer ebenen Targetneufläche (13) auf eine Trägerplatte (10) gebondet, welche hier nicht dargestellt gekühlt wird. Auf der Rückseite der Targetanordnung (9, 10) ist ein Magnetsystem (11) angeordnet, welches die Elektronenfallenkonfiguration für die Plasmaentladung ausbildet. Bevorzugterweise wird bei solch einer Magnetronzerstäubungsquelle mit runder Targetanordnung (9, 10) das Magnetsystem (11) um die Zentralachse (12) im Betrieb bewegt, um durch exzentrische Anordnung der Magnetfeldkonfiguration eine geeignete Form der Erosion an der Targetoberfläche zu erzeugen. Ähnliche Techniken werden auch durch lineare Bewegungen, beispielsweise bei rechteckigen Targetanordnungen genutzt. Im weiteren ist ein Erosionsprofil (14) gezeigt, welches eine typische Ausbildung aufweist für eine Magnetronzerstäubungsquelle, wobei das Erosionsprofil im wesentlichen bereits ein verbrauchtes, beziehungsweise zerstäubtes Target darstellt.High frequency sputtering sources for vacuum coating processes are used in a variety of ways. In particular, the magnetron sputtering technology with magnetic field-assisted plasma generation is preferred because of the high rates that can be achieved and because of the possibility of influencing the sputtering characteristics via the magnetic field. Atomization sources of this type can be designed in various geometries, for example tubular with rotating target tubes, planar with planar targets, such as rectangular cathodes, or round cathode arrangements, or also as curved ones or hollow cathodes. The workpieces to be coated, the substrates, can be moved relative to the sputtering target in order to achieve a good distribution of the deposited layer. However, so-called static coating arrangements are often used for fully automated systems, in which the workpiece is arranged stationary a few centimeters from a cathode with a sputtering target, which makes the systems more compact and simpler. A typical stationary arrangement is shown schematically in FIG. 1. A vacuum chamber (2) is evacuated via valves (6) with a vacuum pump (5). The gases necessary for generating the plasma can be introduced via the gas inlet devices (7, 8) and a corresponding working pressure is set. The working gases used for the atomization are mainly heavy noble gases such as argon and, in the case of reactive processes, additionally reactive gases, such as oxygen, nitrogen, etc. The vacuum chamber (2) accommodates a substrate holder (3), which is shown here schematically as a kind of lock is formed in that it can be lowered in order to be able to equip the substrate holder (3) with a workpiece (4). Of course, there are various ways to design such charging stations. As a rule, separate lock arrangements are used, so that the process space is separated from the insertion chamber and the vacuum conditions in the process area, where the atomization source (1) is also arranged, are separated. The atomization source (1), which receives the target (9) to be atomized, is generally arranged at a distance (d) of a few centimeters, for example 4 to 5 cm, from the workpiece (4). High frequency power is fed in between the target (9) and the substrate (4) or substrate holder (3) with a high frequency generator (20) to generate a plasma discharge between the target (9) and the substrate (4). Usually, the vacuum chamber (2) is grounded during this type of sputtering process, and the high-frequency connection on the substrate side as well, as shown in dashed lines in the figure. However, it is also possible in a known manner to feed both the atomization source (1) and the workpiece and / or the recipient with superimposed voltages with so-called bias voltages in order to achieve certain effects. The atomization source (1) receives the target (9), which is shown in cross section in FIG. The figure shows a typical structure of a target arrangement (9, 10), as used in the preferred magnetron sputtering sources, according to the prior art. A planar, dielectric target plate (9) with a flat new target surface (13) is bonded to a carrier plate (10), which is not shown here. A magnet system (11), which forms the electron trap configuration for the plasma discharge, is arranged on the back of the target arrangement (9, 10). In such a magnetron sputtering source with a round target arrangement (9, 10), the magnet system (11) is preferably moved around the central axis (12) during operation in order to produce a suitable form of erosion on the target surface by eccentrically arranging the magnetic field configuration. Similar techniques are also used by linear movements, for example in the case of rectangular target arrangements. Furthermore, an erosion profile (14) is shown, which has a typical design for a magnetron sputtering source, the erosion profile essentially already representing a spent or atomized target.
In Figur 3 ist wiederum ein Querschnitt durch ein rundes Target dargestellt, wie in Figur 2 mit einem Zerstäubungstarget (9), welches an der Vorderseite im Zentrum eine Targetpro filierung (15) aufweist. Die Profilierung (15) ist stufenförmig ausgebildet, so dass im Zentrum die Targetdicke verringert ist und dort erfindungsgemass die Rate durch die kapazitiven Effekte der Hochfrequenzentladung erhöht wird, um in diesem Bereich den Effekt der starken Erosion am äusseren Rand zu kompensieren.FIG. 3 again shows a cross section through a round target, as in FIG. 2 with an atomization target (9) which has a target profiling (15) on the front in the center. The profiling (15) is step-shaped, so that the target thickness is reduced in the center and, according to the invention, the rate is increased there by the capacitive effects of the high-frequency discharge, in order to compensate for the effect of severe erosion on the outer edge in this area.
In einer weiteren Ausbildungsform ist in Figur 4 gezeigt, wie ein Target (9) auf dessen Rückseite profiliert werden kann, und die metallische Trägerplatte (10) in diese Vertiefung der Profilierung (16) eingepasst ist, um den erfinderischen Effekt zu erreichen.In a further embodiment, FIG. 4 shows how a target (9) can be profiled on the back, and how the metallic carrier plate (10) is fitted into this recess in the profiling (16) in order to achieve the inventive effect.
Eine weitere Möglichkeit unterschiedliche Dielektrizitätsdicken am Target zu realisieren, ist in Figur 5 gezeigt. Ausgehend von einem planen Target (9), welches besonders einfach und somit wirtschaftlich herzustellen ist, wird die Profilierung (18) in der Trägerplatte '(10) erzeugt und zwischen dem Target (9) und der Trägerplatte (10) eine weitere Dielektrikumslage (17), welche als Ausgleichslage wirkt, vorgesehen. Der Vorteil bei dieser Ausführung besteht darin, dass für das Ausgleichsdielektrikum (17) ein Material gewählt werden kann, dass einfacher geformt werden kann, als das Zerstäubungstarget-Material (9) und somit die Targetherstellung wesentlich verbilligt werden kann. Als Ausgleichsdielektrikum (17) eignen sich Materialien mit einem ε zwischen 2 bis 50, beispielsweise Kunststoffe oder auch keramische Materialien, mit guter Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise Aluminiumoxid, Al2O3. Ein wesentlicher Vorteil besteht ausserdem bei dieser Anordnung darin, dass das Ausgleichsdielektrikum (17) auf der Trägerplatte (10) gelassen werden kann, und das plane Neutarget (9) direkt auf die plane Zwischenfläche verklebt werden kann, ohne dass die Profilierung selbst jedesmal neu erzeugt werden muss.Another possibility of realizing different dielectric thicknesses on the target is shown in FIG. 5. Starting from a planar target (9), which is particularly simple and therefore economical to manufacture, the profiling (18) in the carrier plate ' (10) and between the target (9) and the carrier plate (10) a further dielectric layer (17), which acts as a compensation layer, is provided. The advantage of this embodiment is that a material can be selected for the compensating dielectric (17) that can be shaped more easily than the atomizing target material (9) and thus the target production can be made considerably cheaper. Materials with an ε between 2 to 50, for example plastics or also ceramic materials, with good thermal conductivity, such as aluminum oxide, Al 2 O 3, are suitable as compensating dielectric (17). Another significant advantage of this arrangement is that the compensating dielectric (17) can be left on the carrier plate (10) and the flat neutar target (9) can be glued directly to the flat intermediate surface without the profiling itself having to be created anew each time must become.
In Figur 6 ist für ein planares Zerstäubungstarget gemäss Stand der Technik und der Ausführung nach Figur 2 dargestellt, wie sich die Erosionsrate ER abhängig von der Zerstäubungsenergie SE (Targetlebensdauer) in kWh verhält messen bei den drei Erosionszonen mit Radius rO, r36 und r72 gemessen in mm vom Zentrum des runden Targets. Es ist klar ersichtlich, dass die Erosionsraten auseinander laufen, was über die Targetlebensdauer zu einer Verschiebung des Verteilungsprofils am Substrat führt (siehe Figur 9).For a planar atomization target according to the prior art and the embodiment according to FIG. 2, FIG. 6 shows how the erosion rate ER behaves as a function of the atomization energy SE (target lifetime) in kWh, measured in the three erosion zones with radius rO, r36 and r72 measured in mm from the center of the round target. It is clearly evident that the erosion rates diverge, which leads to a shift in the distribution profile on the substrate over the target lifetime (see FIG. 9).
In Figur 7 ist in gleicher Darstellung das Verhalten einer erfindungsgemässen Targetausbildung gemäss Figur 2 gezeigt. Hierbei ist ersichtlich, dass die Erosionsraten gleichförmig verlaufen über die Targetlebensdauer, was zu einer Stabilisierung des Verteilungsprofils am Substrat führt. Gemessen wurden die Verhältnisse in beiden Fällen mit einem 6 mm dicken Target aus ZnS und SiO2 mit einem Durchmesser von 200 mm und einem Targetsubstratabstand von 40 mm, wobei der Substratdurchmesser 120 mm betrug, die Frequenz des RF-Generators betrug 13 MHz. Um den Effekt zu bestätigen, wurde mit der gleichen Zerstäubungsanordnung auch ein flaches Aluminiumtarget mit gleichen Abmessungen zerstäubt. Die Versuche zeigen, dass der Effekt speziell beim Hochfrequenzsputtern von nicht leitenden Materialien auftritt, hingegen nicht beim Hochfrequenzsputtern von leitenden Materialien. Zur qualitativen Beschreibung des Effekts wird ein sehr vereinfachtes elektrisches Schaltbild einer RF-Zerstäubungsanordnung mit isolierendem Targetmaterial in Figur 8 dargestellt. Die radiale Sputtererosionsrate wird durch spezifische variable, vom Radius abhängige Plasma- und Targetimpedanzen Zp(r) und Zt(r) dargestellt. Neben der Targetkapazität Ct sind auch die Verluste im Target, bestimmt durch den Verlustwinkel Delta des dielektrischen Targets von Bedeutung. Der Tangens des Verlustwinkels ist definiert als tan (Delta) = Im(Z)/Re(Z) der Impedanz des Targets gemessen bei der Arbeitsfrequenz von typisch 13 MHz und beschreibt die Abweichung vom rein kapazitiven Verhalten und somit auch die Energieverluste im Dielektrikum. Werte unter 0,05 für tan (Delta) sind bei handelsüblichen Targets erreichbar. Typische Werte für die gesamte Targetkapazität sind Ct=200 pF und die Targetimpedanz IZtl = 60 Ohm, für die Plasmakapazität Cp = 300 pF und die Plasmaimpedanz Im(Zt) = 40 Ohm. Der Realteil der Impedanz Rp = Re (Zp) ist etwa 20 Ohm. Die Grössenordnungen der Werte sind vergleichbar, insbesondere beeinflusst die Targetkapazität wesentlich die Plasmaentladung. Bei zunehmender Erosion wird das Target dünner, und die Targetkapazität Ct = Aε/d vergrössert sich. Dadurch wird die Leistungsaufteilung über Target und Plasma verändert, die Verluste in den Zuleitungen schematisch dargestellt durch Z (inklusive Speiseimpedanz) werden reduziert und die Rate steigt bei konstanter Leistungsansteuerung, wie aus Abbildung 7 ersichtlich. Für die Leistungsaufteilung massgeblich sind die differentiellen Impedanzen dU/dl im Plamsa, welche wegen der flachen Kennlinie im verwendeten Spannungsbereich sehr niedrig sind. Erfolgt die Dickenänderung des Targets selektiv, zum Beispiel bevorzugt auf einem äusseren Radius des Targets, so steigt dort die Rate überproportional an, da dort die Stromdichte wegen der kleiner werdenden Targetimpedanz ansteigt. Um dies zu verhindern, wird durch eine Dickenänderung des Targets eine Zusatzimpedanz mit IZI proportional zur Dicke in Serie hinzugefügt, welche die Beschleunigung der Erosionsrate reduziert. Der gleiche Effekt wird durch eine Reduzierung der Targetdicke an den Stellen tieferer Erosionsrate erzielt.FIG. 7 shows the behavior of a target formation according to the invention shown in FIG. 2 in the same representation. It can be seen here that the erosion rates run uniformly over the target lifetime, which leads to a stabilization of the distribution profile on the substrate. The conditions were measured in both cases with a 6 mm thick target made of ZnS and SiO 2 with a diameter of 200 mm and a target substrate spacing of 40 mm, the substrate diameter being 120 mm and the frequency of the RF generator being 13 MHz. To confirm the effect, a flat aluminum target with the same dimensions was also atomized with the same atomization arrangement. The experiments show that the effect occurs especially with high-frequency sputtering of non-conductive materials, but not with high-frequency sputtering of conductive materials. For a qualitative description of the effect, a very simplified electrical circuit diagram of an RF sputtering arrangement with insulating target material is shown in FIG. 8. The radial sputter erosion rate is represented by specific variable, depending on the radius, plasma and target impedances Zp (r) and Zt (r). In addition to the target capacitance Ct, the losses in the target, determined by the loss angle delta of the dielectric target, are also important. The tangent of the loss angle is defined as tan (delta) = Im (Z) / Re (Z) the impedance of the target measured at the operating frequency of typically 13 MHz and describes the deviation from the purely capacitive behavior and thus also the energy losses in the dielectric. Values below 0.05 for tan (delta) can be achieved with commercially available targets. Typical values for the total target capacitance are Ct = 200 pF and the target impedance IZtl = 60 ohms, for the plasma capacitance Cp = 300 pF and the plasma impedance Im (Zt) = 40 ohms. The real part of the impedance Rp = Re (Zp) is about 20 ohms. The orders of magnitude of the values are comparable, in particular the target capacity significantly influences the plasma discharge. With increasing erosion, the target becomes thinner and the target capacity Ct = Aε / d increases. This changes the power distribution via target and plasma, the losses in the supply lines represented schematically by Z (including feed impedance) are reduced and the rate increases with constant power control, as shown in Figure 7. The differential impedances dU / dl in Plamsa are decisive for the power distribution, which are very low due to the flat characteristic curve in the voltage range used. If the change in thickness of the target takes place selectively, for example preferably on an outer radius of the target, the rate increases disproportionately there, since the current density rises there because of the decreasing target impedance. To prevent this, a change in thickness of the target adds an additional impedance with IZI proportional to the thickness in series, which reduces the acceleration of the erosion rate. The same effect is achieved by reducing the target thickness at the points of lower erosion rates.
Der positive Effekt der Erfindung wird nochmals auf Grund von Verteilungsmessungen am Substrat dargestellt. Ein planares dielektrisches Target entsprechend dem Stand der Technik wurde zerstäubt unter den Bedingungen, wie bereits erwähnt und die Verteilungscharakteristik über den Diskdurchmesser bei verschiedenen Targetstandzeiten gemessen. Die Ergebnisse sind aus Figur 9 ersichtlich, wo die relative Schichtdicke S in % abhängig von der Substratposition, beziehungsweise Abstand vom Substratzentrum in mm dargestellt ist bei den verschiedenen Betriebszeiten tll bis tl5 über die Targetlebensdauer. Für typische optische Speicherplatten ist nur der Bereich von ± 25 bis 60 mm gemessen worden, da sich im Zentrum der Kunststoffscheibe ein Loch befindet. Die Kurve tll wurde zu Beginn der Targetlebensdauer gemessen, die Kurve tl2 nach 80 kWh, die Kurve tl3 nach 200 kWh, die Kurve tl4 nach 270 kWh und die Kurve tl5 nach 385 kWh, das heisst etwa am Ende der Targetlebensdauer. Aus der Darstellung ist ersichtlich, dass über die Targetlebensdauer starke Verschiebungen und Verkippungen der Verteilungskurven auftreten, womit die Schichtdicken- Verteilung über die Targetlebensdauer an der Speicherplatte in unzulässiger Weise variiert. Das dazu gehörige Target ist im Querschnitt in Figur 11 dargestellt. Dargestellt sind die verschiedenen Erosionsprofile über die Targetlebensdauer, dass heisst die Targetdicke in Prozent abhängig vom Targetradius R in mm. Die noch nicht abgestäubte Targetoberfläche ist mit dem Profil eO dargestellt, el zeigt das Erosionsprofil, welches entsteht nach 80 kWh Betriebszeit, e2 nach 200 kWh Betriebszeit und e3 nach 385 kWh Betriebszeit, dass heisst etwa am Ende der Targetlebensdauer.The positive effect of the invention is shown again on the basis of distribution measurements on the substrate. A planar dielectric target according to the state of the Technology was atomized under the conditions, as already mentioned, and the distribution characteristic over the disk diameter was measured at different target service lives. The results can be seen in FIG. 9, where the relative layer thickness S is shown in% depending on the substrate position or distance from the center of the substrate in mm at the various operating times tll to tl5 over the target service life. For typical optical storage disks, only the range of ± 25 to 60 mm has been measured because there is a hole in the center of the plastic disc. The curve tll was measured at the beginning of the target life, the curve tl2 after 80 kWh, the curve tl3 after 200 kWh, the curve tl4 after 270 kWh and the curve tl5 after 385 kWh, that is to say at the end of the target life. It can be seen from the illustration that there are strong shifts and tilts in the distribution curves over the target life, with the result that the layer thickness distribution over the target life on the storage disk varies in an impermissible manner. The associated target is shown in cross section in FIG. 11. The different erosion profiles are shown over the target life, i.e. the target thickness in percent depending on the target radius R in mm. The target surface that has not yet been dusted is shown with the profile eO, el shows the erosion profile, which arises after 80 kWh operating time, e2 after 200 kWh operating time and e3 after 385 kWh operating time, that is to say at the end of the target service life.
Zum Vergleich wurden die gleichen Messungen unter den gleichen Bedingungen mit einem erfinderischen profilierten Target, entsprechend einer Targetprofilierug nach Figur 3 in den Diagrammen der Figuren 10 und 12 dargestellt. Tll zeigt die Verteilung zu Beginn der Targetlebensdauer, T12 nach 60 kWh, T13 nach 121 kWh, T14 nach 253 kWh und T15 nach307 kWh zu Ende der Targetlebesdauer. In Figur 12 ist wiederum ein Querschnitt des Targets dargestellt, das heisst die Targetdicke in Prozent abhängig vom Radius in mm der Targetscheibe. Der Neuzustand der profilierten Targetoberfläche ist mit E0 bezeichnet, El nach einer Betriebszeit von 60 kWh und E2 nach einer Betriebszeit von 121 kWh. Aus den beiden Figuren 10 und 12 ist ersichtlich, wie sich die erfindungsgemässe Profilierung des dielektrischen Targets positiv auswirkt. Die Verteilungsprofile Tll bis T15 weichen sehr wenig von einander ab über die gesamte Targetlebensdauer. Daraus ist die stabilisierende Wirkung der Targetprofilierung über die Targetlebeήsdauer unmittelbar ersichtlich. Ein weiterer Vorteil der Targetprofilierung ergibt sich daraus, dass insbesondere bei hohen Anforderungen an die Schichtdickengenauigkeit am Substrat die Materialausnutzung des Targets sich erhöht, weil die ganze Targetdicke besser ausgenutzt werden kann. Dies führt einerseits zu einer besseren Materialausnutzung und andererseits zu einer höheren Standzeit des Targets und somit zu grösseren Durchsätzen pro eingesetztem Target, was die Wirtschaftlichkeit wesentlich erhöht. Insgesamt ist auch eine leicht höhere Rate durch die Verringerung der Targetimpedanz in den Zonen der reduzierten Targetdicke feststellbar. Der Prozess kann ausserdem einfacher geführt werden, weil kaum mehr Aufwendungen in bezug auf die externe Steuerung oder Nachregelung des Zerstäubungsprozesses zur Erzielung einer guten Verteilung notwendig ist. Insgesamt vereinfacht sich dadurch auch der Aufbau der Kathode und der ganzen Anordnung. For comparison, the same measurements were shown under the same conditions with an inventive profiled target, corresponding to a target profiling according to FIG. 3, in the diagrams of FIGS. 10 and 12. Tll shows the distribution at the beginning of the target life, T12 after 60 kWh, T13 after 121 kWh, T14 after 253 kWh and T15 after 307 kWh at the end of the target life. FIG. 12 again shows a cross section of the target, that is to say the target thickness in percent depending on the radius in mm of the target disk. The new condition of the profiled target surface is designated E0, El after an operating time of 60 kWh and E2 after an operating time of 121 kWh. It can be seen from the two FIGS. 10 and 12 how the profiling of the dielectric target according to the invention has a positive effect. The distribution profiles Tll to T15 differ very little from one another over the entire target life. From this the stabilizing effect of the target profiling is over the target life is immediately apparent. A further advantage of target profiling results from the fact that the material utilization of the target increases, particularly when high requirements are placed on the layer thickness accuracy on the substrate, because the entire target thickness can be better utilized. On the one hand, this leads to better material utilization and, on the other hand, to a longer service life of the target and thus to higher throughputs per target used, which significantly increases the economy. Overall, a slightly higher rate can also be determined by reducing the target impedance in the zones of the reduced target thickness. The process can also be carried out more simply because hardly any more effort is required in terms of external control or readjustment of the atomization process in order to achieve a good distribution. Overall, this also simplifies the construction of the cathode and the entire arrangement.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Zerstäubung von einem dielektrischen Target (9) in einer Vakuumkammer (2) mit einer Hochfrequenzgasentladung, wobei das Target (9) auf eine gekühlte metallische Rückplatte (10) montiert ist und diese Rückplatte eine mit Hochfrequenz gespeiste Elektrode (10) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Targetdicke (Td) über die Fläche unterschiedlich dick profiliert (15) wird, derart, dass in Bereichen einer gewünschten Verringerung der Zerstäubungsrate die Targetdicke (Td) grösser gewählt wird als in den übrigen Bereichen.1. A method for atomizing a dielectric target (9) in a vacuum chamber (2) with a high-frequency gas discharge, the target (9) being mounted on a cooled metallic backplate (10) and this backplate forming an electrode (10) fed with high frequency , characterized in that the target thickness (Td) is profiled (15) with different thicknesses over the surface, in such a way that the target thickness (Td) is chosen to be larger in areas of a desired reduction in the atomization rate than in the other areas.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die2. The method according to claim 1, characterized in that the
Hochfrequenzgasentladung magnetfeldunterstützt (11) ist, insbesondere als Magnetronmagnetfeld (11) ausgebildet ist, wobei das magnetfelderzeugende Magnetsystem (11) vorzugsweise mindestens teilweise im Bereich der Target- Rückseite angeordnet ist.High-frequency gas discharge is supported by a magnetic field (11), in particular in the form of a magnetron magnetic field (11), the magnetic system (11) generating the magnetic field preferably being arranged at least partially in the region of the target rear side.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld relativ zum Target bewegt wird, vorzugsweise um eine Zentralachse (12) rotiert wird.3. The method according to claim 2, characterized in that the magnetic field is moved relative to the target, preferably rotated about a central axis (12).
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Targetprofilierung (15) die Erosionsprofilierung (14) des Magnetfeldes kompensiert, derart, dass über die Targetlebensdauer die Schichtdickenverteilung nachgeführt wird, welche sich im Laufe des Targetabtrages und durch den stärker werdenden Magnetfeldeinfluss ändert.4. The method according to any one of claims 2 or 3, characterized in that the target profiling (15) compensates for the erosion profiling (14) of the magnetic field, in such a way that the layer thickness distribution is tracked over the target lifetime, which changes during the target removal and by the stronger magnetic field influence changes.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Targetprofilierung (15) derart vorgesehen wird, dass eine gewünschte Schichtdickenverteilung am Substrat eintritt.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the target profiling (15) is provided such that a desired layer thickness distribution occurs on the substrate.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Targetmaterial auf der Vorder- und/oder insbesondere auf der Rückseite profiliert ist, wobei bei Rückseitenprofilierung des Targets (9) die Rückplatte (10) der Targetprofilierung folgt.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the target material on the front and / or in particular on the back is profiled, the rear plate (10) following the target profiling when the target (9) is profiled on the rear side.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Target (9) und der Rückplatte (10) ein im Wärmekontakt stehendes profiliertes Ausgleichsdielektrikum (17) angeordnet ist und die Rückplatte (10) dieser Profilierung im wesentlichen folgt.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that between the target (9) and the back plate (10) is a profiled compensating dielectric (17) in thermal contact and the back plate (10) essentially follows this profile.
8. Zerstäubungstarget aus dielektrischem Material (9) gebondet auf einen Träger (10) aus Metall, dadurch gekennzeichnet, dass das Target (10) an der Frontseite und/oder an der Rückseite eine profilierte Struktur (15, 16) aufweist.8. sputtering target made of dielectric material (9) bonded to a carrier (10) made of metal, characterized in that the target (10) has a profiled structure (15, 16) on the front and / or on the back.
9. Zerstäubungstarget nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei rückseitig profiliertem Target (9) der Träger (10) der Profilierung (16) folgt, wobei insbesondere sowohl das Target (9), wie auch der Träger (10) im wesentlichen plattenförmig ausgebildet ist.9. The atomization target according to claim 8, characterized in that when the target (9) is profiled on the rear side, the carrier (10) follows the profiling (16), in particular both the target (9) and the carrier (10) being essentially plate-shaped is.
10. Zerstäubungstarget nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilierung (15, 16) im Bereich der stärksten Targeterosion dicker ausgebildet ist als in den übrigen Bereichen.10. Atomization target according to one of claims 8 to 9, characterized in that the profiling (15, 16) is thicker in the region of the strongest target erosion than in the other regions.
11. Zerstäubungstarget nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dielektrischem Target (9) und dem profilierten Träger ein Ausgleichsdielektrikum (17) angeordnet ist.11. Sputtering target according to one of the preceding claims 8 to 10, characterized in that a compensating dielectric (17) is arranged between the dielectric target (9) and the profiled carrier.
12. Zerstäubungstarget nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichsdielektrikum ein ε aufweist von 2 bis 50 und bevorzugt aus Keramik mit guter Wärmeleitfähigkeit, zum Beispiel Al O3 besteht.12. Atomization target according to claim 11, characterized in that the compensating dielectric has an ε of 2 to 50 and preferably consists of ceramic with good thermal conductivity, for example Al O 3 .
13. Zerstäubungstarget nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Target (9) ein Magnetronzerstäubungstarget ist. 13. Atomization target according to one of the preceding claims 8 to 12, characterized in that the target (9) is a magnetron atomization target.
14. Zerstäubungstarget nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Target ZnS und SiO2 enthält, und dass bei 13,5 MHz der Wert für den Verlustwinkel Delta die Bedingung tan (Delta) < 0,05 erfüllt.14. Atomization target according to one of the preceding claims 8 to 13, characterized in that the target contains ZnS and SiO 2 , and that at 13.5 MHz the value for the loss angle delta fulfills the condition tan (delta) <0.05.
15. Hochfrequenz-Magnetronzertäubungsquelle (1), dadurch gekennzeichnet, dass diese ein Target (9) nach einem der Ansprüche 8 bis 14 enthält.15. High-frequency magnetron sputtering source (1), characterized in that it contains a target (9) according to one of claims 8 to 14.
16. Magnetronzerstäubunsquelle nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein16. Magnetron atomization source according to claim 15, characterized in that a
Hochfrequenzgenerator (20) mit dem Targetträger (10) verbunden ist und der Hochfrequenzgenerator (20) vorzugsweise Frequenzen > 1 MHz erzeugt. High-frequency generator (20) is connected to the target carrier (10) and the high-frequency generator (20) preferably generates frequencies> 1 MHz.
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