WO2000016373A1 - Targetanordnung für eine arc-verdampfungs-kammer - Google Patents

Targetanordnung für eine arc-verdampfungs-kammer Download PDF

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    • C23C14/56—Apparatus specially adapted for continuous coating; Arrangements for maintaining the vacuum, e.g. vacuum locks
    • C23C14/564—Means for minimising impurities in the coating chamber such as dust, moisture, residual gases

Definitions

  • the present invention relates to an Are evaporator source according to the preamble of claim 1 and target plates therefor.
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • the present invention is therefore based on the object of specifying an Are evaporator source in which the formation of droplets is eliminated or at least greatly reduced. This object is achieved by the measures specified in the characterizing part of claim 1.
  • Advantageous embodiments of the invention and target plates for a source according to the invention are specified in further claims.
  • the invention has the following advantages: by having a central region of the surface of the target plate made of a material which has a lower secondary electron emission rate (SEER) and a lower surface energy compared to the material to be evaporated, it is surprisingly possible to to achieve at least a substantial reduction or complete elimination of the formation of droplets. This is all the more astonishing since it contradicts the previous doctrine. So far, it has been assumed that the more the substrates to be coated are arranged over the central region of the target surface, the easier it is to avoid droplets. Engin Ertk teaches in "Wear protection through TiN coating using the ION-BOND process" (VDI-Z Vol. 129, 1987, No. 1) that droplets Learn occur at an angle between 20 ° and 30 ° with respect to the surface of the target surface to be evaporated.
  • SEER secondary electron emission rate
  • FIG. 1 is a schematic side view of a source according to the invention with a target plate according to the invention
  • Fig. 2 shows the evaporation profile on the target plate of a conventional Are evaporator source
  • FIG 3 shows an evaporation profile on the target plate according to the invention of a source according to the invention.
  • FIG. 1 shows an are evaporator source according to the invention, as is used in an are evaporation chamber for coating substrates. It usually comprises an ignition device 20 - as shown purely schematically - for igniting the ares. Furthermore, an electrical high current - I H -, low voltage - U L - DC source 23 is connected between target plate 1 and an anode 21, again shown purely schematically.
  • the source comprises the target plate 1 with the surface 2 to be evaporated, optionally a frame 4 and a cover 3, which according to the invention is arranged in a central region 6 and consists of a material which has a lower secondary electron emission rate and compared to the material of the target plate 1 has a smaller surface energy.
  • the frame 4 closes the target plate 1 and preferably consists of a material which - corresponding to the material of the cover 3 - has a low secondary electron emission rate and a low compared to the material of the target plate 1 Has surface energy. If the frame 4 surrounds the target plate 1 in a form-fitting manner, the arc can not be jumped from the material plate 1 to other parts of the chamber.
  • Preferred materials for the frame 4 and for the cover are, for example, boron nitride and / or hexagonal boron nitride and / or titanium nitride.
  • a preferred embodiment of the invention provides for a magnet system 5 to be arranged below the target plate 1, the individual magnets, be they electromagnets with an adjustable magnetic field or permanent magnets, can be at least partially displaceable.
  • the target arrangement according to the invention is thus used in combination with a “steered-arc” method, which provides even better droplet protection for the substrate surfaces to be coated.
  • the target plate 1 is preferably circular, likewise the cover 3 is preferably also possible.
  • the central region of the target plate can essentially be understood as its center of gravity.
  • the target plate 1 instead of a cover 3, has a central, continuous or non-continuous recess at the location of the cover 3 in FIG. 1.
  • An insert made of a material or at least with a surface which is made of the material specified for cover 3 is embedded in this recess. So that the target plate 1, as in 1, is designed as a flat plate throughout and has the cover 3 for forming the central surface according to the invention.
  • the surface of the target plate 1 has an indentation in the central region, in which, like a pill, the insert forming the surface is inserted.
  • the plate 2 has a continuous central opening, and the surface area mentioned is formed by an insert in this opening, be it mushroom-shaped or a pin, for example.
  • the surface area mentioned is the target surface. plate created from the material mentioned.
  • FIG. 3 finally shows an arc evaporation removal profile on a source or target plate according to the invention.
  • the covering or the insert 3 in the area of the removal maximum 12 'shown in FIG. 2 results in an increased evaporation removal in the areas of removal maxima 12 "with simultaneous reduction or complete elimination of the formation of undesired droplets.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Arc-Verdampfer-Quelle mit einer Targetplatte zur Beschichtung eines Substrates. Die Targetplatte umfasst eine Werkstoffplatte (1), wobei in einem zentralen Bereich der Targetplatte (1) mindestens ein Bereich (3) im und/oder über der Werkstoffplatte (1) vorgesehen ist, der aus einem Material besteht, das im Vergleich zu einem Material der Werkstoffplatte (1) eine geringe Sekundärelektronenemissionsrate und eine geringe Oberflächenenergie aufweist.

Description

Targetanordnung für eine Are- erdampfungs-Kammer
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Are-Verdampfer-Quelle nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie Targetplatten hierfür.
Eines der bekannten PVD- (Physical Vapour Deposition) -Verfahren besteht darin, dass ein Plasma in Form einer Hochstrom- Niederspannungs-Lichtbogenentladung auf einer Werkstoffquelle, dem Target, erzeugt wird. Der zu verdampfende Werkstoff wird bei diesem Prozess als Kathode (Target) an den negativen Pol einer Spannungsquelle gelegt. Mittels einer Zündeinrichtung, z.B. einem Zündfinger, wird der Lichtbogen gezündet. Der Lichtbogen schmilzt die Kathode an einem oder mehreren Kathodenflek- ken, in denen sich der Stromübergang konzentriert, wobei der Lichtbogen, im weiteren Are genannt, sich mehr oder weniger stochastisch auf der Kathodenfläche bewegt, wenn nicht zusätzliche Massnahmen getroffen werden, diese Bewegung zu führen. Es kommt zu einem extrem schnellen Aufheizen kleiner Target- oberflächenbereiche, wodurch lokal Material verdampft wird und makroskopische Spritzer der Schmelze ausgeschleudert werden und sich als unerwünschte Schichtdefekte auf den zu beschichtenden Flächen als "Droplets" niederschlagen. Die Bewegung der Ares und damit der Kathodenflecken, wie sie insbesondere beim sogenannten "Random-Are" -Verfahren eintritt, hängt insbesondere vom Targetmaterial und vom Druck ab. Sie kann - beim sogenann- ten "Steered-Arc" -Verfahren - u.a. durch magnetische Felder be- einflusst und gesteuert werden, um zum Beispiel den Lichtbogen auf einer bestimmten Bahn auf der Targetoberfläche zu führen.
Aufgrund der hohen Stromdichten (106 bis 108 A/cm2) im Bereich des Kathodenflecks kommt es zu der erwähnten Spritzerbildung von Droplets . Diese sind umso grösser, je langsamer sich der Lichtbogen über die Oberfläche bewegt und je grösser sich der betrachtete Kathodenfleck ausbildet.
Die bis anhin bekannten Massnahmen zur Vermeidung von Droplets sind mit unterschiedlichen Nachteilen behaftet:
Ein Führen des Lichtbogens auf der Targetoberfläche, wie dies beim "Steered-Arc" -Verfahren vorgesehen ist, wird beispielsweise in den Aufsätzen von Engin Ertürk et al . mit den Titeln "Verschleissschutz durch TiN-Beschichtung nach dem ION BOND- Verfahren" (VDI-Z Bd. 129, 1987, Nr. 1) und "Verschleissschutz für Werkzeuge" (Industrieanzeiger 21, 1989) und in der internationalen Patentanmeldung WO 89/01699 beschrieben. Mit diesen bekannten Verfahren wird das Auftreten von Droplets zwar vermindert, allerdings ist hierzu ein hoher technischer Aufwand für ein für die Steuerung des Lichtbogens notwendiges Magnetsystem erforderlich.
In der US-4 929 321 wird das Entstehen von Droplets weitgehend dadurch vermieden, dass das zu beschichtende Substrat ausser- halb der Sichtverbindung zu den Targets angeordnet wird. Aller- dings muss bei dieser bekannten Anordnung in Kauf genommen werden, dass die Beschichtungsrate ungünstig klein wird.
Zur Reduktion der Entstehung von Droplets wurde ferner gemass der US-4 919 968 eine Anordnung mit mehreren Targets vorgeschlagen, die ein gegenseitiges Bedampfen ermöglichen. Diese bekannte Anordnung verwendet eine Doppelquelle, womit grundsätzlich höhere Investitionen erforderlich sind.
Der Vollständigkeit halber wird schliesslich auf weitere Lehren zur Vermeidung von Droplets hingewiesen. Diese bekannten Lehren sind in den Aufsätzen von Vasin et al . mit dem Titel "Vacuum Are with a Distributed Discharge on an Expendable Cathode" (Sov. Techn. Phys. Lett . 5, 1979, Nr. 12, S. 634 bis 636) und von Aksenov et al . mit dem Titel "Transport of Plasma Streams in a Curvilinear Plasma-Optics System" (Sov. J. Plasma Phys. 4, 1978, Nr. 4, Seiten 425 bis 428) beschrieben und zeichnen sich besonders dadurch aus, dass sie technisch äusserst aufwendig sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Are-Verdampfer-Quelle anzugeben, bei der die Entstehung von Droplets eliminiert oder zumindest stark reduziert ist . Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Massnahmen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie Targetplatten für eine erfin- dungsgemässe Quelle sind in weiteren Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung weist folgende Vorteile auf: Indem ein zentraler Bereich der Oberfläche der Targetplatte aus einem Material besteht, das im Vergleich zu dem zu verdampfenden Material eine geringere Sekundärelektronenemissionsrate (SEER - Secondary Electron Emission Rate) und eine geringere Oberflächenenergie aufweist, ist es erstaunlicherweise möglich, zumindest eine wesentliche Reduktion bzw. eine vollständige Elimination der Entstehung von Droplets zu erreichen. Dies ist umso erstaunlicher, als dies im Widerspruch zur bisherigen Lehrmeinung steht . Bis anhin ist man nämlich davon ausgegangen, dass ein Vermeiden von Droplets umso leichter erreicht werden kann, je mehr die zu beschichtenden Substrate über dem Zentralbereich der Targetoberfläche angeordnet werden. So lehrt Engin Ertürk in "Verschleissschutz durch TiN-Beschichtung nach dem ION-BOND- Verfahren" (VDI-Z Bd. 129, 1987, Nr. 1), dass Droplets vor al- lern in einem Winkel zwischen 20° und 30° in bezug auf die Oberfläche der zu verdampfenden Targetfläche auftreten.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemässe Quelle mit erfindungsgemässer Targetplatte in schematischer Seitenansicht,
Fig. 2 das Verdampfungsprofil an der Targetplatte einer herkömmlichen Are-Verdampfer-Quelle und
Fig. 3 ein Verdampfungsprofil an der erfindungsgemässen Tar- getplatte einer erfindungsgemässen Quelle.
In Fig. 1 ist eine erfindungsgemässe Are-Verdampferquelle dargestellt, wie sie in einer Are-Verdampfungs-Kammer zur Beschichtung von Substraten verwendet wird. Sie umfasst üblicherweise eine Zündeinrichtung 20 - wie rein schematisch darge- stellt - zum Zünden des Ares. Im weiteren ist zwischen Targetplatte 1 und einer Anode 21, wieder rein schematisch dargestellt, eine elektrische Hochstrom - IH - , Niederspannungs- - UL - DC-Quelle 23 geschaltet. Die Quelle umfasst die Targetplatte 1 mit zu verdampfender Oberfläche 2, gegebenenfalls ei- nen Rahmen 4 und eine Abdeckung 3, die erfindungsgemäss in einem zentralen Bereich 6 angeordnet ist und aus einem Material besteht, das im Vergleich zum Material der Targetplatte 1 eine kleinere Sekundärelektronenemissionsrate und eine kleinere Oberflächenenergie aufweist.
Der Rahmen 4 uraschliesst die Targetplatte 1 und besteht vorzugsweise aus einem Material, das - entsprechend dem Material der Abdeckung 3 - im Vergleich zum Material der Targetplatte 1 eine geringe Sekundärelektronene issionsrate und eine geringe Oberflächenenergie aufweist. Umgibt der Rahmen 4 die Target- platte 1 formschlüssig, so kann ein Überspringen des Lichtbogens von der Werkstoffplatte 1 auf andere Teile der Kammer verhindert werden. Bevorzugte Materialien für den Rahmen 4 und für die Abdeckung sind beispielsweise Bornitrid und/oder hexagona- les Bornitrid und/oder Titannitrid.
Um die Entstehung von Droplets weiter zu reduzieren bzw. ganz zu eliminieren, ist in einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen, ein Magnetsystem 5 unterhalb der Tar- getplatte 1 anzuordnen, wobei die einzelnen Magnete, seien dies Elektromagnete mit einstellbarem Magnetfeld oder seien dies Permanentmagnete, mindestens teilweise verschiebbar sein können. Die erfindungsgemässe Targetanordnung wird damit mit einem erwähnten "Steered-Arc" -Verfahren kombiniert eingesetzt, womit ein noch besserer Droplet-Schutz für die zu beschichtenden Substratoberflächen erreicht wird.
Die Targetplatte 1 ist vorzugsweise kreisförmig ausgebildet, desgleichen vorzugsweise auch die Abdeckung 3. Möglich ist jedoch auch eine elliptische, vieleckige, wie z.B. sechseckige, rechteckige oder quadratische Form der Targetplatte 1 und/oder der Abdeckung 3. Als Zentralbereich der Targetplatte kann im wesentlichen deren Schwerpunktsbereich verstanden werden.
In einer weiteren Ausführungsvariante der erfindungsgemässen Quelle weist die Targetplatte 1 anstelle einer Abdeckung 3 eine zentrale, durchgehende oder nichtdurchgehende Ausnehmung am Ort der Abdeckung 3 von Fig. 1 auf. In diese Ausnehmung ist ein Einsatz aus einem Material oder mindestens mit einer Oberfläche eingelassen, das bzw. die aus dem für Abdeckung 3 spezifizierten Material besteht. Damit kann die Targetplatte 1, wie in Fig. 1 dargestellt, als Platte durchgehend eben ausgebildet sein und weist zur Bildung der erfindungsgemässen, zentralen Oberfläche die Abdeckung 3 auf. In einer anderen Ausführungsform weist die Oberfläche der Targetplatte 1 eine Einformung im genannten Zentralbereich auf, worin, wie eine Pille, der die genannte Oberfläche bildenden Einsatz eingelegt ist. In einer weiteren Ausführungsform weist die Platte 2 eine durchgehende zentrale Öffnung auf, und der erwähnte Oberflächenbereich wird durch einen Einsatz in diese Öffnung ausgebildet, sei er z.B. pilzförmig oder als Stift ausgebildet: Jedenfalls ist, im Einsatz der Quelle, der erwähnte Oberflächenbereich der Target- platte aus dem genannten Material erstellt .
Fig. 2 zeigt ein Are-Verdampfungsabtragsprofil an der Target- platte einer bekannten Arc-Verdampfer-Quelle . Deutlich sichtbar sind drei Verdampfungsabtragsmaxima bei 12 und 12 ' , wobei im Bereich des Abtragsmaximums 12 ' , trotz des geringen Abtrages der Targetplatte, wesentlich mehr Droplets emittiert werden als etwa im Bereich des Abtragsmaximums 12.
In Fig. 3 ist schliesslich ein Arc-Verdampfungsabtragsprofil an einer erfindungsgemässen Quelle bzw. Targetplatte dargestellt. Durch die Abdeckung bzw. den Einsatz 3 im Bereich des in Fig. 2 dargestellten Abtragsmaximums 12 ' erfolgt ein verstärkter Verdampfungsabtrag in den Bereichen von Abtragsmaxima 12" unter gleichzeitiger Verminderung bzw. vollständiger Eliminierung der Bildung unerwünschter Droplets.

Claims

Patentansprüche :
1. Arc-Verdampfer-Quelle, umfassend eine zu verdampfende Targetplatte (1), dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Oberflächenbereich der Platte verdampfungsflächenseitig aus einem Material besteht, das im Vergleich zum übrigen Material der Targetplatte (1) eine geringe Sekundärelektronenemissionsrate und eine geringe Oberflächenenergie aufweist.
2. Quelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Oberflächenbereich durch eine lösbare Abdeckung (3) gebildet ist.
3. Quelle nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet , dass die Targetplatte (1) eine vorzugsweise durchgehende Ausnehmung im zentralen Bereich aufweist und darin ein Einsatz vorgesehen ist, der den genannten Oberflächenbereich bildet.
4. Quelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Oberflächenbereiches aus Bornitrid und/oder hexagonalem Bornitrid und/oder TiN besteht .
5. Quelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Bereich kreisscheibenförmig ist.
6. Quelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass unter der Targetplatte ein Magnetsystem (5) vorgesehen ist .
7. Quelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Targetplatte von einem Rahmen umgeben ist, dessen Oberfläche aus einem Material besteht, das im Vergleich zum Material der Targetplatte eine geringere Sekundär- elektronenemissionsrate und eine geringe Oberflächenenergie aufweist, dass vorzugsweise das Material des Rahmens das gleiche ist, wie dasjenige des Oberflächenbereiches und/oder die Rahmenoberfläche aus Bornitrid und/oder hexagonalem Bornitrid und/oder TiN besteht.
8. Quelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zündvorrichtung zur Zündung eines Lichtbogens vorgesehen ist .
9. Quelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , dass die Targetplatte ringförmig ist .
10. Targetplatte für eine Quelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Oberflächenbereich der Platte verdampfungsflächenseitig aus einem Material besteht, das im Vergleich zum übrigen Material der Targetplatte eine geringe Sekundärelektronenemissionsrate und eine geringe Oberflächenenergie aufweist.
11. Targetplatte für eine Quelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine durchgehende oder nicht durchgehende, zentrale Einformung an ihrer Verdampfungs- flache aufweist .
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