WO2004023515A1 - Zerstäubungskatode, herstellverfahren sowie katode hierzu - Google Patents

Zerstäubungskatode, herstellverfahren sowie katode hierzu Download PDF

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Klaus Leitner
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    • H01J37/3497—Temperature of target

Definitions

  • the invention relates to a sputtering cathode, in particular according to the magnetron principle, according to claim 1, a method for manufacturing according to claim 9, a target according to claim 17 and a vacuum coating system according to claim 22.
  • Vacuum coating systems for plasma applications consisting essentially of a vacuum recipient which receives substrates to be coated and one or more sputtering cathodes. These cathodes in turn are composed essentially of a target consisting of the material to be sputtered, a cooling contact body arranged behind it and a cathode base body which a cooling device, for. B. has a cooling circuit and to which the cooling contact body and the target are attached.
  • target is understood to mean both one-piece targets (monoblock target) and composite targets (compound targets), in which the actual atomizing material is attached (bonded) to a back plate, eg. B. by soldering, gluing, welding, pouring or another known type.
  • a sputtering cathode further comprises a magnet system, which is responsible for guiding the plasma on the target surface, and further devices and (electrical) equipment, which, however, are not relevant for further consideration.
  • a magnet system which is responsible for guiding the plasma on the target surface
  • further devices and (electrical) equipment which, however, are not relevant for further consideration.
  • metal foils or thin metal sheets as cooling contact bodies which, on the one hand, closes off a cavity in the cathode main body which is designed as a trough or channel and which, on the other hand, contacts the rear of the target.
  • the pressure of the cooling medium presses the metal foil against the back of the target and ensures even heat transfer.
  • the cooling circuit is relaxed (kept depressurized).
  • DE 40 15 388 AI shows an example of such a device.
  • a layer of material with a low sputtering rate is applied between the back of the target and the cooling contact body, which is intended to prevent sputtering.
  • the problem of the different thermal expansion coefficients of the cooling plate / metal foil (e.g. copper) compared to the target (e.g. aluminum) remains unsolved in the prior art. These cause the two metal surfaces to rub against one another during operation. These cyclical lateral relative movements are most noticeable at the edge of the cooling plate / film and target, while they are minimal in the middle of the surface. Friction welding (cold welding) can occur, particularly in the areas of the strongest movement.
  • the heat flow from the target to the cooling circuit may only be slightly impaired, in particular the surface homogeneity of the heat conduction.
  • the friction-reducing layer must be abrasion-resistant, evenly thin and hard.
  • the layer should ideally not mean any contamination for the operation of the recipient, i.e. there must be no outgassing and long-term changes to the layer.
  • an atomizing cathode on the contact surface between the cooling contact body and the target, a friction-reducing layer is applied.
  • this can consist of refractory metals, whereby “refractory” in the technically known sense means insensitive, heat-resistant, fire-resistant (definition see, for example, Römpps Chemie Lexikon, Frankhsche Verlag Stuttgart). These include examples, but not conclusively Cr, Mo, Ta, Nb, W or their alloys, hard-material layers based on the metals of the Build groups 4a to 6a of the periodic table.
  • the third group of friction-reducing layers also includes the group of amorphous diamond-like carbon layers (DLC, diamond-like carbon). Depending on the application, these can be pure DLC layers or metal-containing DLC layers.
  • DLC amorphous diamond-like carbon layers
  • the thickness of the friction-reducing layer is 0.1 to 5 ⁇ m, preferably 0.5 to 2.5 ⁇ m.
  • One method according to the invention is to provide the contact surface between the cooling contact body and the target of an atomizing cathode with a friction-reducing layer.
  • a friction-reducing layer can consist of refractory metals, preferably Cr, Mo, Ta, Nb, W or their alloys.
  • the coating methods include PVD processes (physical vapor deposit), including sputtering, in particular magnetron sputtering, as a reactive process with corresponding nitrogen, carbon or oxygen-containing gas compounds. Vapor deposition processes, also reactive, are also considered, as are cathodic are processes.
  • CVD chemical vapor deposition
  • plasma support also with plasma support.
  • the back of the target is subjected to a plasma-assisted pretreatment step, preferably a plasma cleaning or plasma etching step, before the friction-reducing layer is applied. This results in further advantages, particularly with regard to the adhesiveness and durability of the layer.
  • the friction-reducing layer is applied to the back of the target.
  • the cooling contact body can alternatively or additionally be equipped with such a friction-reducing layer.
  • the advantage of a target coated according to the invention is that all of the above requirements are met and, furthermore, compatibility with non-coated targets is ensured, that is to say that no changes to the cathode configurations are necessary when used in a coating system.
  • the invention is subsequently explained for example and with reference to the schematic figure 1.
  • This shows a preferred variant with a coated target.
  • the basic cathode body 1 is shown schematically in section. It is trough-shaped and comprises an area 2 which is filled with coolant which is circulated during operation.
  • the trough is closed in a fluid-tight and vacuum-tight manner by the cooling contact body 3, which can be designed as a rigid or semi-rigid plate or metal foil.
  • the target 4 is shown spaced from the cooling contact body, which corresponds to an assembly situation.
  • the layer 5 according to the invention is applied on the side facing the cooling contact body.
  • the target 4 is releasably connected to the layer 5 on the cathode base body 1 by suitable fastening means (not shown) such that the target held in position against the cooling contact body has an intimate heat-conducting connection to the cooling contact body 3.

Abstract

Eine Zerstäubungskatode nach dem Magnetronprinzip weist im wesentlichen einen Katodengrundkörper (1), einen Kühlkontaktkörper (3) und ein Target (4) auf. Zur Vermeidung von Kaltverschweissungen zwischen Target und Kühlkontaktkörper im Betrieb wird vorgeschlagen, eine reibmindernde Schicht (5) auf die Kontaktfläche zwischen Target (4) und Kühlkontaktkörper (3) aufzubringen. Diese kann bestehen aus Refraktärmetallen oder deren Legierungen, Hartstoffschichten bestehend aud den Karbiden, Nitriden der 4a bis 6a Metalle oder amorphen diamatähnlichen Kohlenstoffschichten.

Description

Zerstäubungskatode, Herstellverfahren sowie Katode hierzu
Die Erfindung betrifft eine Zerstäubungskatode, insbesonde- re nach dem Magnetronprinzip, gemäss Anspruch 1, ein Verfahren zur Herstellung gemäss Anspruch 9, ein Target gemäss Anspruch 17 sowie eine Vakuumbeschichtungsanlage gemäss Anspruch 22.
Allgemein bekannt sind Vakuumbeschichtungsanlagen für Pläs- maanwendungen, bestehend im wesentlichen aus einem Vakuum- rezipienten, der zu beschichtende Substrate aufnimmt und einer oder mehreren Zerstäubungskatoden. Diese Katoden wiederum setzen sich im wesentlichen zusammen aus einem Target bestehend aus dem zu sputternden Material, einem dahinter angeordneten Kühlkontaktkörper sowie einem Katodengrundkör- per, der eine Kühlvorrichtung, z. B. einen Kühlkreislauf aufweist und an dem der Kühlkontaktkörper sowie das Target befestigt sind. Unter Target versteht man hier und im fol- genden sowohl einstückige Targets (Monoblocktarget) als auch zusammengesetzte Targets (Verbundtargets) , bei denen das eigentliche Zerstäubungsmaterial auf einer Rückplatte befestigt (gebondet) ist, z. B. durch Löten, Kleben, Auf- schweissen, Aufgiessen oder eine andere bekannte Art.
Üblicherweise umfasst eine Zerstäubungskatode ferner ein Magnetsystem, welches für die Führung des Plasmas an der Targetoberfläche zuständig ist sowie weitere Vorrichtungen und (elektrische) Betriebsmittel, die für die weitere Be- trachtung jedoch nicht von Belang sind. Beim Betrieb solcher Zerstäubungskatoden, speziell mit hoher Zerstäubungsleistung, erwärmt sich das Target stark, so dass für angemessene Kühlung zu sorgen ist. Da zugleich das Target als Verbrauchsmaterial häufig ausgetauscht werden muss, sind im Stand der Technik vielfältige Lösungen bekannt, die beide Vorgaben ermöglichen sollen.
So ist z. B. bekannt, das Target auf einem als starre Kühlplatte ausgebildeten Kühlkontaktkörper lösbar zu befesti- gen, der wiederum durch einen Flüssigkeitskühlkreislauf gekühlt wird. Bei Austausch des Targets bleibt der Kühlkreislauf geschlossen. Nachteilig ist hierbei, dass ein grossflächiger Kontakt von Target und Kühlplatte Vorraussetzung für eine gleichmässige Wärmeableitung ist, was mechanisch schwierig zu realisieren ist.
Alternativ wurde die Verwendung von Metallfolien bzw. dünnen Metallblechen als Kühlkontaktkörper vorgeschlagen, die einerseits einen als Trog oder Kanal ausgebildeten, mit Kühlmedium gefüllten Hohlraum im Katodengrundkörper ab- schliessen und andererseits die Targetrückseite kontaktieren. Der Druck des Kühlmediums presst die Metallfolie an die Targetrückseite und gewährleistet einen gleichmässigen Wärmeübergang. Zum Targetwechsel wird der Kühlkreislauf entspannt (drucklos gehalten) .
Beispielhaft zeigt DE 40 15 388 AI eine solche Vorrichtung. Zusätzlich wird dort zwischen Targetrückseite und Kühlkontaktkörper eine Schicht von Material niedriger Sputterrate aufgebracht, die das Durchsputtern verhindern soll. Ungelöst bleibt im Stand der Technik das Problem der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Kühlplatte/Metallfolie (z. B. Kupfer) gegenüber dem Target (z. B. Aluminium) . Diese führen dazu, dass im Betrieb die beiden Metallflächen aneinander reiben. Diese zyklischen lateralen Relativbewegungen machen sich am stärksten bemerkbar am Rand von Kühlplatte/-folie und Target, während sie in der Flächenmitte minimal sind. Insbesondere in den Bereichen der stärksten Bewegung kann es zu Reibverschweissung (Kalt- verschweissung) kommen. Im Bereich dieser Schweisstellen kommt es in Folge zyklischer thermischer Ausdehnungen zu irreversiblen Verspannungen, evtl. Rissen in der Kühlplat- te/-folie. Diese vermindern die Kühleffizienz und führt dazu, dass die Kühlplatte/-folie irreparabel geschädigt wird. Im Betrieb wird so der Wärmeübergang lokal unterschiedlich und nicht reproduzierbar; dadurch kann auch die Qualität der beschichteten Substrate negativ beeinflusst werden. Zudem wird durch die kaltverschweisste Verbindung der Targetaustausch behindert, bei der Demontage kann es zur Beschä- digung der Kühlplatte kommen, was eine Reparatur/Austausch nach sich zieht, höhere Standzeiten erfordert und somit die Wirtschaftlichkeit reduziert.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Nachteile des Stand der Technik zu beseitigen. Es ist insbesondere die Aufgabe, die Lebensdauer der Kühlplatte/-folie von Zerstäubungskatoden in Vakuumbeschichtungsanlagen zu erhöhen und die Kaltverschweissung von Target und Kühlplatte/-folie zu verhindern und einen reproduzierbar guten Wärmeübergang zu gewährleisten. Die erfindungsgemässe reibmindernde Schicht muss darüberhi- naus eine Reihe von weiteren Kriterien erfüllen:
- Der Wärmeabfluss vom Target zum Kühlkreislauf darf nur wenig beeinträchtigt werden, insbesondere die Flächenho- mogenität der Wärmeleitung.
- Die reibmindende Schicht muss abrasionsstabil sein, gleichmässig dünn und hart.
- Sie muss elektrisch wie thermisch leitfähig sein, ungiftig, unproblematisch in der Handhabung und erneuerbar. - Die Schicht darf idealerweise keine Kontamination für den Betrieb des Rezipienten bedeuten, sprich es dürfen keine Ausgasungen und Langzeitveränderungen der Schicht stattfinden.
- Sie darf bei Temperaturen über 200°C sowie bei den zwi- sehen Betrieb und Stillstand auftretenden Temperaturdifferenzen nicht rissig werden oder abblättern.
- Sie muss chemisch inert sein gegenüber den Betriebsbedingungen der Vakuumanlage .
- Sie muss kostengünstig und einfach in der Herstellung sein.
Erfindungsgemäss werden die oben genannten Vorgaben erfüllt von einer Zerstäubungskatode, auf deren Kontaktfläche zwischen Kühlkontaktkörper und Target eine reibmindernde Schicht aufgebracht ist. Diese kann zum einen aus Refrak- tärmetallen bestehen, wobei unter „refraktär" im technisch bekannten Sinne unempfindlich, hitzebeständig, feuerfest verstanden wird (Defintion s. z. B. Römpps Chemie Lexikon, Frankhsche Verlagshandlung) . Dazu zählen beispielhaft, je- doch nicht abschliessend Cr, Mo, Ta, Nb, W oder deren Legierungen. Ebenfalls als reibmindernde Schichten kommen Hartstoffschichten in Betracht, die auf den Metallen der Gruppen 4a bis 6a des Periodensystems aufbauen, so z. B. Ti, Zr, Hf der Gruppe 4a, V, Nb, Ta der Gruppe 5a und Cr, Mo, W der Gruppe 6a. Die Karbide, Nitride und Karbonitride dieser Metalle werden als reibmindernde Schicht eingesetzt. Als dritte Gruppe reibmindernde Schichten kommen darüberhi- naus die Gruppe der amorphen diamantähnlichen Kohlenstoffschichten (DLC, diamond like carbon) in -Betracht. Je nach Anwendung können dies reine DLC Schichten sein oder metallhaltige DLC-Schichten.
Als Dicke der reibmindernden Schicht benutzt man 0.1 bis 5 μ , bevorzugt 0,5 bis 2.5 μm.
Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf jeweils vorteάl- hafte weitere Ausgestaltungen.
Ein erfindungsgemässes Verfahren besteht darin, die Kontaktfläche zwischen Kühlkontaktkörper und Target einer Zerstäubungskatode mit einer reibmindernden Schicht auszustatten. Diese können aus Refraktärmetallen, bevorzugt aus Cr, Mo, Ta, Nb, W oder deren Legierungen bestehen. Ferner kommen die Karbide, Nitride oder Karbonitride der Metalle der Gruppen 4a bis 6a in Betracht oder amorphe diamantähnliche Kohlenstoffschichten in reiner oder metallhaltiger Ausbildung. Die Beschichtungsmethoden umfassen dabei je nach Einsatzmöglichkeit PVD-Verfahren (physical vapour depositi- on) , darunter Sputtern, insbesondere Magnetronsputtern, auch als reaktive Verfahren mit entsprechenden Stickstoff-, kohlenstoff- oder Sauerstoffhaltigen Gasverbindungen. Ebenso kommen Aufdampfverfahren, auch reaktiv, in Betracht so- wie katodische Are-Verf hren. Ferner sind CVD-Verf hren (chemical vapour deposition) möglich, ebenfalls mit Plasma- Unterstützung . In einer weiteren Ausführung wird vor Aufbringen der reibmindernden Schicht die Targetrückseite einem plasmaunterstützten Vorbehandlungsschritt unterzogen, bevorzugt ei- ne Plasmareinigungs- bzw. Plasmaätzschritt. Dadurch ergeben sich weitere Vorteile insbesondere in Bezug auf die Haftfähigkeit und Haltbarkeit der Schicht.
In einer erfindungsgemäss stark bevorzugten Variante wird die reibmindernde Schicht auf der Rückseite des Targets aufgebracht. Darüberhinaus kann je nach Einsatzzweck alternativ oder zusätzlich auch der Kühlkontaktkörper mit einer solchen reibmindernden Schicht ausgestattet sein.
Vorteil eines erfindungsgemäss beschichteten Targets ist, dass die obigen Vorgaben alle erfüllt werden und darüberhinaus die Kompatibilität zu nicht beschichteten Targets gewährleistet bleibt, sprich beim Einsatz in einer Beschich- tungsanlage keine Änderungen der Katodenkonfigurationen notwendig sind.
Darüberhinaus ist aus dem oben gesagten ableitbar, dass der Einsatz der Erfindung in Katoden mit nicht-sputternden Targets, wie sie bei plasmachemischen Ätz- und Reingungspro- zessen eingesetzt werden, möglich ist und die geschilderten Vorteile ebenso bietet.
Die Erfindung wird anschließend beispielsweise und anhand der schematischen Figur 1 erläutert. Diese zeigt eine be- vorzugte Ausführungsvariante mit beschichtetem Target. Schematisch ist der Katodengrundkörper 1 im Schnitt gezeigt. Er ist trogförmig ausgebildet und umfasst einen Bereich 2, der mit Kühlmittel gefüllt ist, das während des Betriebs umgewälzt wird. Der Trog wird durch den Kühlkon- taktkorper 3 fluiddicht und vakuumdicht abgeschlossen, dieser kann als starre oder halbstarre Platte oder Metallfolie ausgebildet sein. Das Target 4 ist beabstandet vom Kühlkontaktkörper gezeigt, was einer Montagesituation enstpricht. Auf der dem Kühlkontaktkörper zugewandten Seite ist die er- findungsgemässe Schicht 5 aufgebracht. Im Betrieb ist durch geeignete Befestigungsmittel (nicht gezeigt) das Target 4 mit Schicht 5 auf dem Katodengrundkörper 1 so lösbar verbunden, dass das Target gegen den Kühlkontaktkörper in Position gehalten eine innige wärmeleitende Verbindung zu Kühlkontaktkörper 3 besteht.

Claims

Patentansprüche
1. Zerstäubungskatode, insbesondere nach dem Magnetronprinzip, im wesentlichen bestehend aus einem
Katodengrundkörper (1) mit Kühlvorrichtung (2), einem Kühlkontaktkörper (3), der zwischen der Kühlvorrichtung (2) und einem Target (4) wärmeleitend angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche zwischen Kühlkontaktkörper (3) und dem Target (4) mit einer reibmindernden Schicht (5) ausgestattet ist.
2. Zerstäubungskatode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die reibmindernde Schicht (5) aus Re- fraktärmetall oder refraktärmetallhaltigen Legierung gebildet ist.
3. Zerstäubungskatode nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die reibmindernde Schicht (5) aus Cr, Mo, Ta, Nb, W oder Legierungen hiervon gebildet wird.
4. Zerstäubungskatode nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die reibmindernde Schicht als Hart- stoffschicht aus Karbiden, Nitriden oder Karbonitriden von Metallen der Gruppe 4a, 5a oder 6a ausgebildet wird.
5. Zerstäubunskatode nach Anspruch 1 bis 2, dadurch ge- kennzeichnet, dass die reibmindernde Schicht als amorphe diamantähnliche KohlenstoffSchicht ausgebildet ist, insbesondere als reine DLC Schicht oder metallhaltige DLC Schicht.
6. Zerstäubungskatode nach Anspruch 1 bis 5, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Dicke der reibmindernden Schicht
(5) 0.1 bis 5 μm, bevorzugt 0.5 bis 2.5 μm beträgt.
7. Zerstäubungskatode nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die reibmindernde Schicht (5) auf der Rückseite des Targets (4) aufgebracht ist.
8. Zerstäubungskatode nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die reibmindernde Schicht (5) auf dem Kühlkontaktkörper (3) aufgebracht ist.
9. Verfahren zur Herstellung von Zerstäubungskatoden, bestehend im wesentlichen aus einem Katodengrundkörper (1), einem Kühlkontaktkörper (3) und einem Target (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche zwischen Kühlkontaktkörper (3) und Target (4) mit einer reibmindernden Schicht (5) ausgestattet wird.
10. erfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass für die reibmindernde Schicht (5) Refraktärmetall oder eine refraktärmetallhaltige Legierung verwendet wird.
11. erfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass für die reibmindernde Schicht (5) Cr, Mo, Ta, Nb, W oder Legierungen hiervon verwendet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (5) mittels eines PVD Verfahrens, vozugsweise Magnetronsputtern aufgebracht wird.
13. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass für die reibmindernde Schicht Karbide, Nitride oder
Karbonitride der 4a, 5a oder 6a Metalle eingesetzt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass für die reibmindernde Schicht amorphe diamantähnliche Kohlenstoffschichten ausgewählt werden, insbesondere reine oder metallhaltige DLC Schichten.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Beschichtungsmethoden Magnetronsputtern, reaktives Magnetronsputtern, katodisches Arc- Verdampfen, Aufdamfen, reaktives Aufdampfen sowie plasmaunterstütztes CVD zum Einsatz kommen.
16. Verfahren nach Anspruch 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der reibmindernden Schicht (5) ein plasmaunterstützter Vorbehandlungsschritt der Targetrückseite durchgeführt wird, bevorzugt ein Plas- maätzschritt .
17. arget für eine Zerstäubungskatode mit Kühlvorrichtung (2) und Kühlkontaktkörper (3), dadurch gekennzeichnet, dass die dem Kühlkontaktkörper (3) zugewandte Tar- getrückseite mit einer reibmindernden Schicht (5) ausgestattet ist.
18. Target nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die reibmindernde Schicht (5) aus Refraktär etall oder einer refraktärmetallhaltigen Legierung besteht.
19. Target nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die reibmindernde Schicht (5) aus Cr, Mo, Ta, Nb, W o- der Legierungen hiervon gebildet wird.
2O.Target nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die reibmindernde Schicht aus Karbiden, Nitriden oder Karbonitriden der 4a, 5a oder 6a Metalle besteht.
21. arget nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die reibmindernde Schicht aus amorphen diamantähnlichen Kohlenstoffschichten besteht, insbesondere reinen oder metallhaltigen DLC Schichten.
22. Vakuumbeschichtungsanlage für Plasmaanwendungen, bestehend im wesentlichen aus einem Vakuumrezipienten zur Substrataufnähme, Mitteln zur Evakuierung des Rezipien- ten sowie einer oder mehreren Zerstäubungskatode (n) gemäss den Ansprüchen 1 bis 6.
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