WO2023274558A1 - Cooling device and cooling method for sputter targets - Google Patents

Cooling device and cooling method for sputter targets Download PDF

Info

Publication number
WO2023274558A1
WO2023274558A1 PCT/EP2021/068374 EP2021068374W WO2023274558A1 WO 2023274558 A1 WO2023274558 A1 WO 2023274558A1 EP 2021068374 W EP2021068374 W EP 2021068374W WO 2023274558 A1 WO2023274558 A1 WO 2023274558A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
target
sputtering
cooling
temperature
cooling device
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/068374
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Kurt Nattermann
Thorsten Damm
Giho Lee
James Marro
Kazuyuki Inoguchi
Original Assignee
Schott Ag
Schott Corporation
Schott Japan Corporation
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 Schott Ag, Schott Corporation, Schott Japan Corporation filed Critical Schott Ag
Priority to PCT/EP2021/068374 priority Critical patent/WO2023274558A1/en
Publication of WO2023274558A1 publication Critical patent/WO2023274558A1/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/34Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
    • H01J37/3488Constructional details of particle beam apparatus not otherwise provided for, e.g. arrangement, mounting, housing, environment; special provisions for cleaning or maintenance of the apparatus
    • H01J37/3497Temperature of target
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING 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
    • C23CCOATING 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
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34Sputtering
    • C23C14/3407Cathode assembly for sputtering apparatus, e.g. Target
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/34Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/34Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
    • H01J37/3411Constructional aspects of the reactor
    • H01J37/3414Targets
    • H01J37/3426Material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/34Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
    • H01J37/3411Constructional aspects of the reactor
    • H01J37/3435Target holders (includes backing plates and endblocks)

Definitions

  • the invention relates to a cooling device and a cooling method for sputtering targets.
  • sputtering which is often also referred to as cathode sputtering
  • atoms are detached from a solid body, referred to as a target or sputtering target, by bombarding it with high-energy particles.
  • this process takes place in a vacuum recipient in order to carry out coating processes with these atoms or clusters of atoms that have been detached from the sputtering target.
  • This method is based on the following mechanism, i.e. sputtering mechanism: Bombarding particles directed at the target, which usually include noble gas atoms or ions, transfer their momentum to atoms of the target, which trigger further collisions within the target in a collision cascade . After several collisions, some of the target atoms have an out-of-target momentum and leave the target.
  • sputtering mechanism Bombarding particles directed at the target, which usually include noble gas atoms or ions, transfer their momentum to atoms of the target, which trigger further collisions within the target in a collision cascade . After several collisions, some of the target atoms have an out-of-target momentum and leave the target.
  • the thickness of the target that is removed per unit of time during sputtering is also referred to as the sputtering rate and depends, among other things, on the kinetic energy of the bombarding ions.
  • the kinetic energy of the bombarding ions is typically more than 300eV each and the kinetic energy of the atoms leaving the target and thus referred to as sputtered atoms is typically less than 10eV, with the excess energy of the bombarding particles remaining in the target.
  • Conductive and non-conductive target materials can be sputtered.
  • DC sputtering In DC sputtering, a DC voltage of a few hundred volts relative to a reference anode is applied to the target. The bombarding ions are positive charged ions and essentially get their energy through acceleration in an electrical field generated by the DC voltage.
  • DC sputtering requires electrically conductive sputtering materials so that charges can flow off the target.
  • RF, ion beam, and atomic beam (neutral atom) sputtering are generally suitable for electrically non-conductive sputtering materials.
  • Non-conductive coatings which can include a variety of oxides or nitrides, for example, can also be produced by reactive sputtering.
  • a target is sputtered, with the sputtering atoms then reacting with a separately supplied process gas.
  • a sputtering rate of 1 pm/min for example, requires an ion current density of the order of 0.005 A/cm 2 . If an energy of, for example, 400eV is deposited in the target per ion, then the target is subjected to a surface heating density of the order of magnitude of 2W/cm 2 . A 40cm diameter, homogeneously irradiated target would be heated up with more than 2.5kW, which could cause it to melt.
  • the heating output is often not a problem, because even 5kW can be dissipated with water cooling, for example, with a heating of approx. 50°C with a throughput of approx. 25cm 3 /s.
  • transporting the heat from the target itself to the cooling medium can be difficult.
  • DE 3226717 A1 describes a movable target in the form of a strip or rod that moves in the bombarding particle beam in order to reduce local thermal stress.
  • Cooling channels are arranged in the heat sink of DE 112010002010 T5 in such a way that the target is cooled in the area currently being irradiated.
  • EP 1826811 A1 describes cooling methods in which cooling media with a flow temperature well below room temperature down to -100° C. are guided through meandering cooling channels. Gases, water, alcohols, hydrocarbons, fluorocarbons and mixtures of these are proposed as the cooling medium. Water mixed with antifreeze or anti-boiling agents, e.g. based on propylene glycol, is preferably used.
  • the flow temperature of the cooling medium is at room temperature, i.e. around 20°C, in order to avoid condensation and corrosion on the sputtering systems.
  • room temperature i.e. around 20°C
  • the inlet temperature of the coolant is significantly below room temperature or even below 0°C, because experience has shown that this leads to problems in the vacuum recipient.
  • the outlet temperature is rarely above 100°C.
  • cooling devices heat sinks, channels, lines, connection flanges should be permanently installed to reduce costs or at least be reusable for cost reasons.
  • Targets should be interchangeable in real operation, since the target materials are consumed as a matter of principle and a corresponding change of target materials is advantageous.
  • detachable clamping devices for targets can be used on the cooling devices.
  • Good heat transfer from targets to heat sinks is important.
  • DE 3148354 A1 describes screwing the target to the heat sink with additional, highly thermally conductive layers in the form of pastes, metal powders and metal foils between the target and the heat sink.
  • the heat conduction in the sputtering target itself often poses a problem.
  • the object of the invention is to improve the cooling of targets, in particular of sputtering targets, which comprise poorly thermally conductive materials or consist of poorly thermally conductive materials.
  • the invention thus discloses a cooling device for at least one sputtering target, comprising a target carrier (3) and at least one heat pump (4), in which a sputtering target (1) is held on the target carrier (3) and the at least one heat pump (4) is at least one Peltier element includes.
  • the invention further relates to a cooling device for at least one sputtering target, comprising a target carrier, in which a sputtering target is held on the target carrier and at least one heat pump cools the target carrier and in particular the sputtering target to a temperature below 0°C, without using a cooling body with cooling channels .
  • the invention further discloses a method for cooling at least one sputtering target, in which a sputtering target is held on a target carrier, and by means of at least one heat pump (4) which comprises at least one Peltier element, the sputtering target (1) having a target underside (1-2). , and wherein the target underside (1-2) is preferably cooled to a temperature below 0°C before sputtering.
  • FIG. 2 shows a vertical section through a target 1 and a heat sink 2 with cooling channels 2-3 at least partially integrated in the latter.
  • the heat is generated in a thin layer on the target surface 1-1 that is irradiated during sputtering or bombarded with the particles, which is also referred to as the upper side of the target for short, and is then generally distributed on the surface 1-2 that faces away from the beam, which is also known as the target surface Target underside is referred to, removed from the heat sink 2.
  • the heat must flow through the target 1 if you want to cool it down effectively, and this creates a temperature gradient in the target 1 itself.
  • the at least one heat pump advantageously includes or consists of a Peltier element.
  • the outer surfaces of the Peltier elements are preferably metallized.
  • the target carrier(s) comprise or consist of metals with good thermal conductivity, in particular aluminum, Al, or copper, Cu, this not only improves heat dissipation, but also the heat distribution within the sputtering target is more homogeneous and temperature-related stresses within the sputtering target are reduced.
  • the cooling device comprises segmented heat pumps, in particular tile-shaped Peltier elements.
  • the tile-shaped Peltier elements can be controlled in a defined manner individually or in groups.
  • the sputtering target comprises a glass, in particular a glass containing SiO 2 with low thermal expansion.
  • the sputtering target comprises a chalcogenide glass, in particular a chalcogenide glass IRG26 from Schott AG with the composition As4oSe6o or a chalcogenide glass of the same or similar composition.
  • the sputtering targets can each include or consist of a different sputtering material.
  • the temperature of the sputtering target compared to the temperature of the target carrier can be reduced particularly advantageously before the start of sputtering, so that the temperature of the sputtering target then rises more slowly during the subsequent sputtering compared to a target carrier without a heat pump attached to it and as a result usually longer lasting sputtering processes are made possible.
  • the lead time during which the sputtering target is cooled relative to the target carrier before sputtering begins can be up to 5 hours.
  • no significant further cooling of the sputtering target occurs after a lead time of approximately three hours.
  • heat can also continue to be withdrawn from the target by means of the heat pump during the sputtering.
  • the target material comprises SiO 2 -containing glass. In another embodiment disclosed herein, the target material comprises chalcogenide glass.
  • sputtering can be performed, for example, by means of DC, HF, magnetron, bias, or atomic beam sputtering.
  • Figure 1 is a vertical section through a
  • FIG. 2 shows a vertical section through a conventional cooling device for a sputtering target with a target 1 and a cooling body 2 with cooling channels 2-3 at least partially integrated therein;
  • Figure 4 shows an embodiment of components of a
  • FIG. 6 shows the temperature development over time during sputtering in the sputtering target with an active heat pump, and thus an active Peltier element or active Peltier cooler;
  • FIG. 7 shows the temperature development over time in the sputtering target with an active heat pump, thus an active Peltier element or active Peltier cooler, which was activated with a time advance before the sputtering process
  • Figure 8 shows a further exemplary embodiment of components of a cooling device for a sputtering target, in a partially sectioned three-dimensional view, in which a sector of a circle has been cut out of both the target, the target carrier, the heat pump and the heat sink and the target is a chalcogenide glass in this Example includes the IRG26 chalcogenide glass from Schott AG;
  • FIG. 9 shows the temperature development over time without an active heat pump, thus without an active Peltier element or without an active Peltier cooler on the top and bottom of the sputtering target shown in FIG. 8 for a fleece density of 0.26 W/cm 2 ;
  • FIG. 10 shows the temperature development over time with an active heat pump, thus with an active Peltier element or with an active Peltier cooler on the top and bottom of the sputtering target shown in FIG. 8 for a fleece density of 0.26 W/cm 2
  • Figure 11 shows yet another exemplary embodiment of components of a cooling device for a sputtering target, in a three-dimensional, partially sectioned view, in which a sector of a circle has been cut out of both the target, the target carrier, the heat pump and the heat sink, and the target is a chalcogenide glass, in in this example the chalcogenide glass IRG26 from Schott AG, and in which the heat pump and thus the Peltier element or the Peltier cooler are designed in two stages;
  • Figure 12 shows the temperature development over time with an active heat pump, i.e.
  • FIG. 13 shows a further exemplary embodiment of components of the cooling device for at least one sputtering target
  • FIG. 14 shows an embodiment in which a plurality of sputtering targets 1 are held on a target carrier 3.
  • the temperature increase DTt of the temperature Tt,o of the target top 1-1 relative to the temperature TT.U of the target bottom 1-2 during sputtering due to a heating density jth on the target top 1-1 can be calculated using a thermal resistance d-r/kt, where dT is the thickness of the target and KT denotes the thermal conductivity of the target, can be estimated as follows:
  • Metals usually withstand heating densities of more than 5W/cm 2 without any problems.
  • a maximum temperature increase or thus a maximum temperature rise ATT.max is often specified and a maximum heat flow density is then calculated from this
  • chalcogenide glass IRG26 see for example its data sheet “Infrared Chalcogenide Glass IRG 26” from Schott AG in Mainz, for example a * 21 ⁇ 10 6 K 1 , Et * 18GPa and KT * 0.24W/mK (at 20°C), it follows
  • the surface temperature should also remain below 135°C for these reasons.
  • Equation 3 also applies to other sputtering materials with the material data adapted in each case.
  • the irradiated target area can be increased. In practice, however, this leads to space problems in the recipient, particularly when different targets are to be used for a predetermined layer sequence. Opening recipients for target exchanges is hardly an option for economic reasons, because of the increased process time, in particular due to the need to pump out the recipient again.
  • a target carrier 3 and a heat pump 4 can advantageously be inserted between the sputtering target 1 (see, for example, FIG. 1 in this regard) and the heat sink 2 .
  • the heat pump then cools the target carrier 3 and the underside of the target 1-2 below the temperature of the heat sink 2. This increases the longitudinal temperature gradient in the target, increases the heat flow in the target 2 and thus enables a higher heat input and stronger irradiation during sputtering on the upper side of the target 1-1 .
  • the heat sink 2 can be replaced by the heat pump 4 .
  • FIG. 1 shows diagrammatically plate-shaped or shell-shaped structures, but the technical solution proposed here also applies analogously to more complicated structures. If, for the sake of linguistic simplicity, individual components are referred to in the present disclosure, it is considered to include that these can also be or include pluralities.
  • the target 1 and the heat pump 4 are located on opposite faces of the target support.
  • the target carrier 3 is a single-connected shell with a homogeneous thickness that completely covers the target 1 laterally.
  • the target carrier 3 should generally enable the target to be clamped with little effort in fixing and loosening and should be sufficiently soft to be able to nestle against the target 1 to reduce the thermal resistance.
  • Corresponding methods and devices for clamping are known to a person skilled in the present technical field.
  • target carrier 3 should be arranged laterally offset in those cases in which target 1 and heat pump 4 or several Target tiles or heat pump tiles are used, as shown for example in Figure 15, bring about a lateral heat equalization.
  • the heat should be able to flow off the respective target 1 or the respective target tile as homogeneously as possible.
  • a homogeneous temperature distribution in the target carrier 3 is favorable here, i.e. the highest possible thermal conductivity of the carrier 3. Copper with a thermal conductivity of approx. 400 W/mK) and aluminum with a thermal conductivity of approx. 200 W/mK) are well suited materials for this purpose.
  • the target carriers 3 should also be electrically conductive. It is generally advantageous if the target carrier 3 is thin in order to be able to adapt to the target 1 with low bending moments in the event of thermal warping.
  • target carriers 3 made of copper often prove to be slightly cheaper than those made of aluminum, with a modulus of elasticity of 110 instead of 70GPa, because thinner shells with lower flexural rigidity are possible due to the higher thermal conductivity.
  • the target 1 is therefore glued to the target carrier 3 with a thin layer of thermally conductive paste.
  • Vacuum-capable, temperature-resistant and electrically conductive heat-conducting pastes are known to the person skilled in this technical field.
  • Negligible thermal resistances dP/kR ⁇ 10-3K/(W/cm2) are achieved for corresponding thermal paste connections.
  • the target carrier 3 is connected to the heat pump or heat pump unit 4 with good thermal contact.
  • the connection is permanent, i.e. the target carrier 1 is a permanent part of a target table installed in a sputtering system. Since both sputter systems and target tables are known to those skilled in the art, these are not shown again in the figures.
  • the target carrier can be permanently electrically contacted.
  • the target carrier 3 is permanently connected to the sputtering target 1 and forms a jointly exchangeable unit with it.
  • the sputtering target 1 can then also be permanently connected to the target carrier 3.
  • Heat pumps can be implemented using Peltier coolers.
  • the mode of operation of Peltier coolers or Peltier elements is known to the person skilled in the art responsible here and is therefore not explained in more detail.
  • Inexpensive standard designs consist of parallel, mostly square, thin, thermally conductive, electrically insulating ceramic discs with an edge length of 2 to 10 cm and a distance of 3 to 6 mm between which fiber optic rods are soldered.
  • Typical semiconductors here are B Teß and PbO.
  • the temperature rise can be more than 70K for single-stage Peltier coolers and more than 110K for multi-stage Peltier coolers or Peltier elements with thermal Pump powers of more than 1W/cm 2 .
  • Peltier coolers are operated with direct current with nominal voltages in the 10V range and operating currents in the 10A range.
  • the ohmic losses in a Peltier cooler can be more than 100W and must be taken into account when designing the respective cooling.
  • the outer surfaces of the ceramic discs can be (galvanically) metallized to make soldering to other components easier, for example. These outer metal surfaces are electrically insulated from the internal wiring of the Peltier cooler.
  • the creation of Peltier coolers is not part of the present disclosure; since commercially available designs can often already be sufficient for the purposes of the invention.
  • FIGS. 3a to 3c show corresponding electrical wiring of the sputtering system and the device for cooling a sputtering target and the wiring of the heat pump comprising a Peltier element,
  • the target carrier 1 can be connected to the high-voltage circuit.
  • the heat sink 2 can be grounded, with the advantage of greater electrical safety, because the coolant circuit is then generally voltage-free.
  • the same procedure can be used for HF sputtering.
  • a thermal pumping power of 1 W/cm 2 at a temperature difference of 60K has proven advantageous for single-stage Peltier coolers. Multi-stage Peltier coolers should be used if higher pump capacities or larger temperature differences are desired. A thermal pump power of 2W/cm 2 at a temperature difference of 90K is realistic for two-stage Peltier coolers.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment in which a round disk-shaped body with a cut-out sector is shown in a perspective view.
  • a 400mm diameter and 10mm thick round 5 made of silica glass with a thermal conductivity of 1.4W/mK is joined as a sputtering target 1 to a 2mm thick target carrier 3 made of aluminum.
  • the body 5 in the form of a circular disc can also comprise a chalcogenide glass with a thermal conductivity of 1.6 W/nK or less and/or a glass transition temperature of less than 400°C.
  • the target carrier 3 is overdesigned.
  • the target carrier 3 is clamped on a cold surface 7 of a ring-shaped Peltier cooler 6 with an inner radius of 20 mm, an outer radius of 180 mm and a thickness of 6 mm.
  • the Peltier cooler 6 is mounted directly on a ring-shaped heat sink 2 made of copper or aluminum with an inner radius of 10 mm, an outer radius of 190 mm and a thickness of 12 mm.
  • In the heat sink 2 are 6mm diameter cooling channels 7, of which for the sake of clarity only one cooling channel with a reference number is provided. In some embodiments, the Peltier cooler 6 is used without a heat sink 2 or cooling channels 7 .
  • sensors for example for. Thickness and / or temperature measurement for monitoring the sputtering target 1 are performed.
  • FIG. 5 first shows the temperature development when the Peltier cooler 6 is switched off on the bottom 1-2 and on the top 1-1 of the sputtering target 1 designed as a glass disk 5 for a heating density on the top 1-1 of the sputtering target of 2.5 W/cm 2 .
  • the logarithmically divided time axis has the time unit minutes.
  • the starting temperature is 20°C.
  • the process is set to a constant sputtering rate of 3pm/min; the temperature of the sputtering target 1 should remain below 210° C. during sputtering.
  • the temperature on the upper side of the target 1-1 reaches 206°C after approx. 15 minutes and then drops again because the thermal resistance of the target 1 decreases due to material removal.
  • the underside of the target 1-2 heats up to approx. 27°C due to the thermal resistance of the heat sink 2 and Peltier cooler 6.
  • FIG. 6 shows the temperature development with the Peltier cooler 6 switched on on the underside 1-2 and the upper side 1-1 of the sputtering target 1 designed as a glass disk 5 for a heating density on the upper side 1-1 of 3.5 W/cm 2 .
  • the process is set to a constant sputtering rate of 4.5pm/min.
  • the temperature on the top of the target 1-1 reaches 205°C after approx. 15 minutes and then drops more quickly because of the greater material removal.
  • the underside 1-2 of the sputtering target 1 sinks to about -38° C. in the quasi-stationary range.
  • the cooling by means of the Peltier elements 6 allows the sputtering rate to be increased by approximately 50%.
  • FIG. 7 shows an advantageous temperature development on the target underside 1-2 and on the target upper side 1-1 for a heating density on the upper side 1-1 of 3.5 W/cm 2 .
  • FIG. 8 shows a further exemplary embodiment.
  • a 400 mm diameter and 10 mm thick blank 5 made of the aforementioned IRG26 chalcogenide glass with a thermal conductivity at room temperature of 0.26 W/mK forms the sputtering target 1 and is joined to a 2 mm thick copper target carrier 3 .
  • a 4mm thick copper mounting plate 8 is joined, the target carrier 3 is clamped onto the mounting plate 8.
  • Target carrier 3 and mounting plate 8 are preferably made of "similar base metals" to prevent electrocorrosion - however, Cu/Al pairings should be avoided.
  • the Peltier cooler 6 is soldered onto an annular heat sink 2 made of copper.
  • FIG. 9 shows the temperature development over time without Peltier cooling on the bottom 1-2 and on the top 1-1 for a heating density of 0.26W/cm2.
  • the sputtering process is set to a constant sputtering rate of 0.3pm/min; the temperature of the target should remain below 135°C during the entire sputtering process.
  • the temperature on the top of the target 1-1 reaches 133°C and drops again due to material removal during the sputtering process.
  • FIG. 10 shows the temperature development over time with Peltier cooling for a heating density of 0.42W/cm2 or a sputtering rate of 0.5pm/min:
  • the sputtering rate can already be increased by more than 50% with a single-stage Peltier cooling.
  • FIG. 11 shows yet another exemplary embodiment, in which a circular blank 5 made of IRG26 chalcogenide glass and forming the sputtering target 1 and measuring 400 mm in diameter and 10 mm thick is attached to a 2 mm thick target carrier 3 made of copper.
  • the target carrier 3 is on a 4mm thick, also made of copper mounting plate 8 and with this on a two-stage Peltier cooler 6 tensioned. In this case, the Peltier cooler 6 is soldered onto the heat sink 2 .
  • FIG. 12 shows the temperature development over time without Peltier cooling on the underside 1-2 and on the upper side 1-1 for a heating density of 0.53 W/cm 2 and a sputtering rate
  • the sputtering rate can be increased by more than 65% thanks to the two-stage Peltier cooling available here.
  • FIGS. 13 and 14 show further exemplary embodiments of components of the cooling device for at least one sputtering target 1, with a ring-shaped clamping device 9 being visible, by means of which the target carrier 3 and the target 1 fastened to it are held on the cooling body 2.
  • FIG. 14 shows an embodiment in which several sputtering targets 1 are held on a target carrier 3 .

Abstract

The invention relates to a method for cooling at least one sputter target (1), wherein a sputter target (1) is retained on a target carrier (3), heat is removed from the target carrier (3) and the target by means of a heat sink (2), and the target carrier (3) and in particular also the sputter target (1) are cooled in particular by a heat pump (4) to a temperature that is lower than the temperature of the heat sink (2). The invention also relates to a device for carrying out said method.

Description

Kühlvorrichtung und Kühlverfahren für S puttertargets Cooling device and method for cooling sputter targets
Beschreibung description
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung und ein Kühlverfahren für Sputtertargets. The invention relates to a cooling device and a cooling method for sputtering targets.
Beim Sputtern, welches häufig auch als Kathodenzerstäubung bezeichnet wird, werden Atome aus einem als Target oder Sputtertarget bezeichneten Festkörper durch Beschuss mit energiereichen Teilchen herausgelöst. In der Regel erfolgt dieser Vorgang in einem Unterdruck-Rezipienten, um mit diesen aus dem Sputtertarget herausgelösten Atomen oder Clustern von Atomen Beschichtungsvorgänge durchzuführen. During sputtering, which is often also referred to as cathode sputtering, atoms are detached from a solid body, referred to as a target or sputtering target, by bombarding it with high-energy particles. As a rule, this process takes place in a vacuum recipient in order to carry out coating processes with these atoms or clusters of atoms that have been detached from the sputtering target.
Diesem Verfahren liegt der folgende Mechanismus, somit Sputter- Mechanismus, zugrunde: Auf das Target gerichtete, bombardierende Teilchen, welche in der Regel Edelgasatome oder -ionen umfassen, übertragen ihren Impuls auf Atome des Targets, die in einer Stoßkaskade weitere Kollisionen innerhalb des Targets auslösen. Nach mehreren Kollisionen hat ein Teil der Targetatome einen aus dem Target herausweisenden Impuls und verlässt das Target. This method is based on the following mechanism, i.e. sputtering mechanism: Bombarding particles directed at the target, which usually include noble gas atoms or ions, transfer their momentum to atoms of the target, which trigger further collisions within the target in a collision cascade . After several collisions, some of the target atoms have an out-of-target momentum and leave the target.
Diejenige Dicke des Targets, welche pro Zeiteinheit während des Sputterns abgetragen wird, wird auch als Sputterrate bezeichnet und hängt unter anderem von der kinetischen Energie der bombardierenden Ionen ab. Die kinetische Energie der bombardierenden Ionen beträgt in typischer Weise jeweils mehr als 300eV und die kinetische Energie der das Target verlassenden und somit als gesputterte Atome bezeichneten Atome beträgt in typischerweise weniger als 10eV, wobei die überschüssige Energie der bombardierenden Teilchen im Target verbleibt. The thickness of the target that is removed per unit of time during sputtering is also referred to as the sputtering rate and depends, among other things, on the kinetic energy of the bombarding ions. The kinetic energy of the bombarding ions is typically more than 300eV each and the kinetic energy of the atoms leaving the target and thus referred to as sputtered atoms is typically less than 10eV, with the excess energy of the bombarding particles remaining in the target.
Es können leitende und nichtleitende Targetmaterialien gesputtert werden.Conductive and non-conductive target materials can be sputtered.
Beim DC-Sputtern liegt am Target eine Gleichspannung von einigen hundert Volt relativ zu einer Bezugsanode an. Die bombardierenden Ionen sind positiv geladene Ionen und erhalten ihre Energie im Wesentlichen durch Beschleunigung in einem durch die Gleichspannung erzeugten elektrischen Feld. DC-Sputtern setzt jedoch elektrisch leitende Sputtermaterialien voraus, damit Ladungen vom Target abfließen können. In DC sputtering, a DC voltage of a few hundred volts relative to a reference anode is applied to the target. The bombarding ions are positive charged ions and essentially get their energy through acceleration in an electrical field generated by the DC voltage. However, DC sputtering requires electrically conductive sputtering materials so that charges can flow off the target.
Beim HF-Sputtern beschleunigen hochfrequente elektrische Wechselfelder Elektronen in einem Plasma nahe am Target. Diese ionisieren Atome eines Prozessgases. Gelangen Elektronen zum elektrisch nichtleitenden Target, wird die Oberfläche des Targets negativ aufgeladen, da die elektrischen Ladungen nicht abfließen können. Durch die negative Oberflächenladung werden wiederum die positiv geladenen Edelgasionen in Richtung des Targets beschleunigt, wodurch ebenfalls der zuvor beschriebene Prozess des Herausschlagens von Atomen aus dem Festkörperverbund des Targets abläuft.In HF sputtering, high-frequency alternating electric fields accelerate electrons in a plasma close to the target. These ionize atoms of a process gas. If electrons reach the electrically non-conductive target, the surface of the target becomes negatively charged because the electrical charges cannot flow away. The negative surface charge in turn accelerates the positively charged noble gas ions in the direction of the target, as a result of which the previously described process of knocking out atoms from the solid-state compound of the target also takes place.
HF-, lonenstrahl- und Atomstrahl-Sputtern (mit neutralen Atomen) eignen sich generell für elektrisch nichtleitende Sputtermaterialien. RF, ion beam, and atomic beam (neutral atom) sputtering are generally suitable for electrically non-conductive sputtering materials.
Nichtleitende Beschichtungen, die beispielsweise eine Vielzahl von Oxiden oder Nitriden umfassen können, sind auch durch reaktives Sputtern herstellbar. Non-conductive coatings, which can include a variety of oxides or nitrides, for example, can also be produced by reactive sputtering.
Dabei wird ein Target zerstäubt, wobei die Sputteratome dann mit einem separat zugeführten Prozessgas reagieren. A target is sputtered, with the sputtering atoms then reacting with a separately supplied process gas.
Etwa 80-90% der in das Target eingebrachten Beschussenergie müssen jedoch mit einer oft aufwändigen, aktiven Kühlung aus dem Target wieder abgeführt werden, um dessen Zerstörung oder Überhitzung zu vermeiden. However, around 80-90% of the bombardment energy introduced into the target has to be dissipated from the target again using active cooling, which is often complex, in order to prevent it from being destroyed or overheated.
Ein effizientes Sputtern erfordert hohe Flußdichten der bombardierenden Teilchen: Eine Sputterrate von 1 pm/min erfordert z.B. eine lonen-Stromdichte von der Größenordnung 0.005A/cm2. Wird pro Ion eine Energie von bspw. 400eV im Target deponiert, dann wird das Target hierbei mit einer Flächenheizdichte von der Größenordnung 2W/cm2 beaufschlagt. Ein 40cm durchmessendes, homogen bestrahltes Target würde also dabei mit mehr als 2.5kW aufgeheizt werden, wodurch es aufschmelzen kann. Efficient sputtering requires high flux densities of the bombarding particles: a sputtering rate of 1 pm/min, for example, requires an ion current density of the order of 0.005 A/cm 2 . If an energy of, for example, 400eV is deposited in the target per ion, then the target is subjected to a surface heating density of the order of magnitude of 2W/cm 2 . A 40cm diameter, homogeneously irradiated target would be heated up with more than 2.5kW, which could cause it to melt.
Neben der Aufheizung des Targets durch bombardierende Ionen kann auch eine direkte Aufheizung durch die thermische Strahlung vom heißen Plasma eine erhebliche Rolle spielen. Deshalb sind in der Regel effiziente Maßnahmen zur Kühlung des Targets erforderlich oder zumindest erwünscht. In addition to the heating of the target by bombarding ions, direct heating by thermal radiation from the hot plasma can also occur play a significant role. Efficient measures for cooling the target are therefore generally necessary or at least desirable.
Dabei ist die Heizleistung häufig kein Problem, denn selbst 5kW lassen sich beispielsweise mit Wasserkühlung bei einer Aufwärmung von ca. 50°C mit einem Durchsatz von etwa 25cm3/s abführen. Die Wärme aus dem Target selbst zum Kühlmedium zu transportieren, kann dagegen schwierig werden.The heating output is often not a problem, because even 5kW can be dissipated with water cooling, for example, with a heating of approx. 50°C with a throughput of approx. 25cm 3 /s. On the other hand, transporting the heat from the target itself to the cooling medium can be difficult.
DE 3226717 A1 beschreibt ein bewegliches Target in Form eines Bandes oder Stabes, das sich im bombardierenden Teilchenstrahl bewegt, um die lokale thermische Belastung zu vermindern. DE 3226717 A1 describes a movable target in the form of a strip or rod that moves in the bombarding particle beam in order to reduce local thermal stress.
Meist werden jedoch platten- oder schalenförmige Targets flächig mit Kühlkörpern verbunden. DE 10056257 A1 , DE 19916938 A1 und EP 0614997 A1 beschreiben beispielhaft Kühlkörper mit Kühlkanälen für Kühlflüssigkeiten.In most cases, however, plate- or bowl-shaped targets are connected to heat sinks over a large area. DE 10056257 A1, DE 19916938 A1 and EP 0614997 A1 describe, by way of example, heat sinks with cooling channels for coolants.
Im Kühlkörper der DE 112010002010 T5 sind Kühlkanäle so angeordnet, dass das Target im momentan bestrahlten Bereich gekühlt wird. Cooling channels are arranged in the heat sink of DE 112010002010 T5 in such a way that the target is cooled in the area currently being irradiated.
EP 1826811 A1 beschreibt Kühlverfahren, bei welchen Kühlmedien mit Vorlauftemperatur deutlich unter Raumtemperatur bis -100°C durch mäanderförmige Kühlkanäle geführt werden. Als Kühlmedium werden Gase, Wasser, Alkohole, Kohlenwasserstoffe, Fluorkohlenwasserstoffe sowie Gemische von diesen vorgeschlagen. Bevorzugt wird Wasser, welches mit Frost- oder Siedeschutzmitteln z.B. auf Propylenglykolbasis gemischt ist, verwendet. EP 1826811 A1 describes cooling methods in which cooling media with a flow temperature well below room temperature down to -100° C. are guided through meandering cooling channels. Gases, water, alcohols, hydrocarbons, fluorocarbons and mixtures of these are proposed as the cooling medium. Water mixed with antifreeze or anti-boiling agents, e.g. based on propylene glycol, is preferably used.
In der Regel liegt die Vorlauftemperatur des Kühlmediums bei Raumtemperatur, somit bei etwa 20°C, um Kondensation und Korrosion an den Sputteranlagen zu vermeiden. Es kommt in der Praxis kaum vor, dass die Zulauftemperatur der Kühlflüssigkeit deutlich unter der Raumtemperatur oder gar unter 0°C liegt, weil dies erfahrungsgemäß zu Problemen am Vakuumrezipienten führt. As a rule, the flow temperature of the cooling medium is at room temperature, i.e. around 20°C, in order to avoid condensation and corrosion on the sputtering systems. In practice, it rarely happens that the inlet temperature of the coolant is significantly below room temperature or even below 0°C, because experience has shown that this leads to problems in the vacuum recipient.
Die Ablauftemperatur liegt selten über 100°C. The outlet temperature is rarely above 100°C.
Es ist technisch am einfachsten, mit Kühlflüssigkeiten auf Wasserbasis im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis zur Siedetemperatur bei Normaldruck zu kühlen. Die Kühlvorrichtungen, Kühlkörper, -kanäle, -leitungen, Anschlussflansche, sollen zur Aufwandsminderung fest installiert oder aus Kostengründen zumindest wiederverwendbar sein. It is technically easiest to cool with water-based coolants in the temperature range from room temperature to boiling point at normal pressure. The cooling devices, heat sinks, channels, lines, connection flanges should be permanently installed to reduce costs or at least be reusable for cost reasons.
Im realen Betrieb sollen Targets tauschbar sein, da prinzipbedingt ein Verbrauch der Targetmaterialien vorliegt und ein entsprechender Wechsel von Targetmaterialien vorteilhaft ist. Es sind hierzu lösbare Spannvorrichtungen für Targets auf den Kühlvorrichtungen einsetzbar. Wichtig ist dabei eine gute Wärmeübertragung von Targets auf Kühlkörper. DE 3148354 A1 beschreibt z.B. eine Verschraubung des Targets mit dem Kühlkörper mit zusätzlichen gut wärmeleitenden Schichten in Form von Pasten, Metallpulvern und -folien zwischen Target und Kühlkörper. Ein Problem stellt jedoch dabei häufig die Wärmeleitung im Sputtertarget selbst dar. Targets should be interchangeable in real operation, since the target materials are consumed as a matter of principle and a corresponding change of target materials is advantageous. For this purpose, detachable clamping devices for targets can be used on the cooling devices. Good heat transfer from targets to heat sinks is important. DE 3148354 A1, for example, describes screwing the target to the heat sink with additional, highly thermally conductive layers in the form of pastes, metal powders and metal foils between the target and the heat sink. However, the heat conduction in the sputtering target itself often poses a problem.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlung von Targets, insbesondere von Sputtertargets, welche schlecht-wärmeleitende Materialien umfassen oder aus schlecht-wärmeleitenden Materialien bestehen, zu verbessern. The object of the invention is to improve the cooling of targets, in particular of sputtering targets, which comprise poorly thermally conductive materials or consist of poorly thermally conductive materials.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche 1 und 10 gelöst, wobei bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen auch in der Beschreibung und den Zeichnungen offenbart sind. The object on which the invention is based is achieved with the subject matter of independent claims 1 and 10, with preferred and advantageous embodiments also being disclosed in the description and the drawings.
Die Erfindung offenbart somit eine Kühlvorrichtung für zumindest ein Sputtertarget, umfassend einen Targetträger (3) und mindestens eine Wärmepumpe (4), bei welcher ein Sputtertarget (1 ) an dem Targetträger (3) gehalten ist und die zumindest eine Wärmepumpe (4) mindestens ein Peltierelement umfasst. The invention thus discloses a cooling device for at least one sputtering target, comprising a target carrier (3) and at least one heat pump (4), in which a sputtering target (1) is held on the target carrier (3) and the at least one heat pump (4) is at least one Peltier element includes.
Die Erfindung betrifft weiter eine Kühlvorrichtung für mindestens ein Sputtertarget, umfassend einen Targetträger, in welcher ein Sputtertarget auf dem Targetträger gehalten wird und mindestens eine Wärmepumpe dem Targetträger und insbesondere das Sputtertarget auf eine Temperatur unter 0°C kühlt, ohne einen Kühlkörper mit Kühlkanälen zu verwenden. Die Erfindung offenbart weiter ein Verfahren zum Kühlen zumindest eines Sputtertargets, bei welchem ein Sputtertarget an einem Targetträger gehalten wird, und mittels mindestens einer Wärmepumpe (4) die mindestens ein Peltierelement umfasst, wobei das Sputtertarget (1 ) eine Targetunterseite (1-2) aufweist, und wobei die Targetunterseite (1-2) vorzugsweise vor dem Sputtern auf eine Temperatur unter 0°C gekühlt wird. The invention further relates to a cooling device for at least one sputtering target, comprising a target carrier, in which a sputtering target is held on the target carrier and at least one heat pump cools the target carrier and in particular the sputtering target to a temperature below 0°C, without using a cooling body with cooling channels . The invention further discloses a method for cooling at least one sputtering target, in which a sputtering target is held on a target carrier, and by means of at least one heat pump (4) which comprises at least one Peltier element, the sputtering target (1) having a target underside (1-2). , and wherein the target underside (1-2) is preferably cooled to a temperature below 0°C before sputtering.
Um die Erfindung besser zu verstehen, sei dieser Sachverhalt zunächst anhand der Fig. 2 skizziert, welche einen Vertikalschnitt durch ein Target 1 und einen Kühlkörper 2 mit in diesem zumindest teilweise integrierten Kühlkanälen 2-3 zeigt. In order to better understand the invention, this situation is first outlined with reference to FIG. 2, which shows a vertical section through a target 1 and a heat sink 2 with cooling channels 2-3 at least partially integrated in the latter.
Die Wärme entsteht während des Sputterns in einer dünnen Schicht an der beim Sputtern bestrahlten oder mit den Teilchen bombardierten Targetfläche 1- 1 , welche auch abkürzend als Targetoberseite bezeichnet wird, und wird in der Regel dann an der strahlabgewandten Fläche 1-2, welche auch als Targetunterseite bezeichnet wird, vom Kühlkörper 2 abgeführt. During sputtering, the heat is generated in a thin layer on the target surface 1-1 that is irradiated during sputtering or bombarded with the particles, which is also referred to as the upper side of the target for short, and is then generally distributed on the surface 1-2 that faces away from the beam, which is also known as the target surface Target underside is referred to, removed from the heat sink 2.
Die Wärme muss durch das Target 1 fließen, wenn man dieses wirksam abkühlen will, und erzeugt dabei einen Temperaturgradienten im Target 1 selbst. The heat must flow through the target 1 if you want to cool it down effectively, and this creates a temperature gradient in the target 1 itself.
Mit der vorstehend erwähnten Wärmepumpe ist es nun möglich, die Temperatur des Targetträgers noch stärker zu kühlen als mit dem Kühlkörper allein. Insbesondere ist es hierbei möglich, beispielsweise vor Beginn des Sputterns, den Targetträger und insbesondere auch das Sputtertarget auf eine Temperatur zu kühlen, welche niedriger ist. With the heat pump mentioned above, it is now possible to cool the temperature of the target carrier even more than with the heat sink alone. In particular, it is possible here, for example before the start of the sputtering, to cool the target carrier and in particular also the sputtering target to a lower temperature.
Vorteilhaft umfasst die zumindest eine Wärmepumpe ein Peltierelement oder besteht aus diesem. Bevorzugt sind dabei die Außenflächen der Peltierelemente metallisiert. The at least one heat pump advantageously includes or consists of a Peltier element. The outer surfaces of the Peltier elements are preferably metallized.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Kühlvorrichtung ein monolithisches Target, welches die Gefahr einer Partikelbildung vermindert.In a preferred embodiment, the cooling device comprises a monolithic target, which reduces the risk of particle formation.
Gemäß alternativer Ausführungsformen kann die Kühlvorrichtung aber auch segmentierte Sputtertargets umfassen, welche vorzugsweise kachelartig oder als Kacheln am Targetträger gehalten sind. Segmentierte Sputtertargets können hilfreich sein, um thermische Spannungen bei Temperaturwechsel gering zu halten. According to alternative embodiments, the cooling device can also include segmented sputtering targets, which are preferably tiled or are held as tiles on the target carrier. Segmented sputtering targets can be helpful in keeping thermal stresses low when the temperature changes.
Wenn der oder die Targetträger gut wärmeleitende Metalle, insbesondere Aluminium, AI, oder Kupfer, Cu, umfassen oder aus diesen bestehen, wird hierdurch neben einer besseren Wärmeabführung auch die Wärmeverteilung innerhalb des Sputtertargets homogener und werden temperaturbedingte Spannungen innerhalb des Sputtertargets gemildert. If the target carrier(s) comprise or consist of metals with good thermal conductivity, in particular aluminum, Al, or copper, Cu, this not only improves heat dissipation, but also the heat distribution within the sputtering target is more homogeneous and temperature-related stresses within the sputtering target are reduced.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Kühlvorrichtung segmentierte Wärmepumpen, insbesondere kachelförmige Peltierelemente. Hierbei können die kachelförmigen Peltierelemente einzeln oder in Gruppen definiert ansteuerbar sein. In a further embodiment, the cooling device comprises segmented heat pumps, in particular tile-shaped Peltier elements. In this case, the tile-shaped Peltier elements can be controlled in a defined manner individually or in groups.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Sputtertarget ein Glas, insbesondere ein Si02-haltiges Glas mit niedriger Wärmedehnung. Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst das Sputtertarget ein Chalcogenidglas, insbesondere ein Chalcogenidglas IRG26 der Schott AG mit der Zusammensetzung As4oSe6o oder ein Chalcogenidglas gleicher oder ähnlicher Zusammensetzung. In weiterer Ausgestaltung können die Sputtertargets jeweils ein verschiedenes Sputtermaterial umfassen oder aus diesem bestehen. In a preferred embodiment, the sputtering target comprises a glass, in particular a glass containing SiO 2 with low thermal expansion. In a further embodiment, the sputtering target comprises a chalcogenide glass, in particular a chalcogenide glass IRG26 from Schott AG with the composition As4oSe6o or a chalcogenide glass of the same or similar composition. In a further embodiment, the sputtering targets can each include or consist of a different sputtering material.
Bei dem Verfahren zum Kühlen eines Sputtertargets kann die Temperatur des Sputtertargets gegenüber der Temperatur des Targetträgers besonders vorteilhaft bereits vor Beginn des Sputterns erniedrigt werden, sodass dann während des nachfolgenden Sputterns die Temperatur des Sputtertargets im Vergleich zu einem Targetträger ohne daran angebrachte Wärmepumpe langsamer ansteigt und hierdurch in der Regel auch länger dauernde Sputtervorgänge ermöglicht werden. In the method for cooling a sputtering target, the temperature of the sputtering target compared to the temperature of the target carrier can be reduced particularly advantageously before the start of sputtering, so that the temperature of the sputtering target then rises more slowly during the subsequent sputtering compared to a target carrier without a heat pump attached to it and as a result usually longer lasting sputtering processes are made possible.
Hierbei kann die Vorlaufzeit, während welcher das Sputtertarget relativ zu dem Targetträger vor Beginn des Sputterns gekühlt wird, bis zu 5 Stunden betragen. Bei den Ausführungsbeispielen der Figur 7 und 10 abschätzen tritt ab etwa drei Stunden Vorlaufzeit keine signifikante weitere Abkühlung des Sputtertargets ein. Vorteilhaft kann aber auch während des Sputterns dem Target mittels der Wärmepumpe weiterhin Wärme entzogen werden. Here, the lead time during which the sputtering target is cooled relative to the target carrier before sputtering begins can be up to 5 hours. In the case of the exemplary embodiments in FIGS. 7 and 10, no significant further cooling of the sputtering target occurs after a lead time of approximately three hours. Advantageously, however, heat can also continue to be withdrawn from the target by means of the heat pump during the sputtering.
Bei einer vorliegend offenbarten Ausführungsform umfasst das Targetmaterial Si02-haltiges Glas. Bei einer weiteren vorliegend offenbarten Ausführungsform umfasst das Targetmaterial Chalcogenidglas. In one embodiment disclosed herein, the target material comprises SiO 2 -containing glass. In another embodiment disclosed herein, the target material comprises chalcogenide glass.
Generell können mit dem vorliegend offenbarten Verfahren und der vorliegend offenbarten Vorrichtung mittels Sputtern Beschichtungsvorgänge effektiver durchgeführt werden als mit Vorrichtungen und Verfahren, welche nicht über die vorliegend offenbarten Wärmepumpen verfügen. In general, with the presently disclosed method and the presently disclosed device, coating processes can be carried out more effectively by means of sputtering than with devices and methods that do not have the heat pumps disclosed here.
Bei den vorliegend offenbarten Verfahren kann das Sputtern beispielsweise mittels DC-, HF-, Magnetron-, Bias- oder Atomstrahl-Sputtern durchgeführt werden. In the methods disclosed herein, sputtering can be performed, for example, by means of DC, HF, magnetron, bias, or atomic beam sputtering.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben. Es zeigen: The invention is described in more detail below on the basis of preferred embodiments and with reference to the accompanying drawings. Show it:
Figur 1 einen Vertikalschnitt durch eine Figure 1 is a vertical section through a
Kühlvorrichtung für ein Sputtertarget mit einem Target 1 , welches an einem Targethalter 3 gehalten ist, und einem Kühlkörper 2 mit in diesem zumindest teilweise integrierten Kühlkanälen 2-3, bei welcher eine Wärmepumpe 4 zwischen dem Kühlkörper 2 und dem Targethalter 4 angeordnet ist; Cooling device for a sputtering target with a target 1, which is held on a target holder 3, and a heat sink 2 with cooling channels 2-3 at least partially integrated in this, in which a heat pump 4 is arranged between the heat sink 2 and the target holder 4;
Figur 2 einen Vertikalschnitt durch eine herkömmliche Kühlvorrichtung für ein Sputtertarget mit einem Target 1 und einem Kühlkörper 2 mit in diesem zumindest teilweise integrierten Kühlkanälen 2-3; FIG. 2 shows a vertical section through a conventional cooling device for a sputtering target with a target 1 and a cooling body 2 with cooling channels 2-3 at least partially integrated therein;
Figuren 3a bis 3c elektrische Beschaltungen der Sputteranlage sowie derFigures 3a to 3c electrical wiring of the sputtering system and the
Vorrichtung zur Kühlung eines Sputtertargets sowie jeweils die Beschaltung der ein Peltierelement umfassenden Wärmepumpe;Device for cooling a sputtering target and in each case the wiring of the heat pump comprising a Peltier element;
Figur 4 ein Ausführungsbeispiel von Bestandteilen einerFigure 4 shows an embodiment of components of a
Kühlvorrichtung für ein Sputtertarget, in einer teilweise geschnitten dargestellten dreidimensionalen Ansicht, bei welcher ein Kreissektor sowohl aus dem Target, dem Targetträger, der Wärmepumpe als auch dem Kühlkörper ausgeschnitten dargestellt wurde und das Target ein niedrigdehnendes Si02-haltiges Glas, in diesem Beispiel Quarzglas, umfasst; Figur 5 die zeitliche Temperaturentwicklung während des Sputterns im Sputtertarget bei inaktiver Wärmepumpe, somit inaktivem Peltierelement oder inaktivem Peltierkühler; Cooling device for a sputtering target, shown in a partially sectioned three-dimensional view, in which a Circular sector has been shown cut out of both the target, the target carrier, the heat pump and the heat sink and the target comprises a low-expansion glass containing SiO 2 , in this example quartz glass; FIG. 5 shows the temperature development over time during sputtering in the sputtering target with an inactive heat pump, and thus inactive Peltier element or inactive Peltier cooler;
Figur 6 die zeitliche Temperaturentwicklung während des Sputterns im Sputtertarget bei aktiver Wärmepumpe, somit aktivem Peltierelement oder aktivem Peltierkühler; FIG. 6 shows the temperature development over time during sputtering in the sputtering target with an active heat pump, and thus an active Peltier element or active Peltier cooler;
Figur 7 die zeitliche Temperaturentwicklung im Sputtertarget bei aktiver Wärmepumpe, somit aktivem Peltierelement oder aktivem Peltierkühler, welche mit einem zeitlichen Vorlauf vor dem S puttervorgang aktiviert wurde; Figur 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel von Bestandteilen einer Kühlvorrichtung für ein Sputtertarget, in einer teilweise geschnitten dargestellten dreidimensionalen Ansicht, bei welcher ein Kreissektor sowohl aus dem Target, dem Targetträger, der Wärmepumpe als auch dem Kühlkörper ausgeschnitten dargestellt wurde und das Target ein Chalcogenidglas, in diesem Beispiel das Chalcogenidglas IRG26 der Schott AG, umfasst; FIG. 7 shows the temperature development over time in the sputtering target with an active heat pump, thus an active Peltier element or active Peltier cooler, which was activated with a time advance before the sputtering process; Figure 8 shows a further exemplary embodiment of components of a cooling device for a sputtering target, in a partially sectioned three-dimensional view, in which a sector of a circle has been cut out of both the target, the target carrier, the heat pump and the heat sink and the target is a chalcogenide glass in this Example includes the IRG26 chalcogenide glass from Schott AG;
Figur 9 die zeitliche Temperaturentwicklung ohne aktive Wärmepumpe, somit ohne aktives Peltierelement oder ohne aktiven Peltierkühler an der Unter- und Oberseite des in Figur 8 dargestellten Sputtertargets für eine Fleizdichte von 0.26W/cm2; FIG. 9 shows the temperature development over time without an active heat pump, thus without an active Peltier element or without an active Peltier cooler on the top and bottom of the sputtering target shown in FIG. 8 for a fleece density of 0.26 W/cm 2 ;
Figur 10 die zeitliche Temperaturentwicklung mit aktiver Wärmepumpe, somit mit aktivem Peltierelement oder mit aktivem Peltierkühler an der Unter- und Oberseite des in Figur 8 dargestellten Sputtertargets für eine Fleizdichte von 0.26W/cm2; Figur 11 ein nochmals weiteres Ausführungsbeispiel von Bestandteilen einer Kühlvorrichtung für ein Sputtertarget, in einer teilweise geschnitten dargestellten dreidimensionalen Ansicht, bei welcher ein Kreissektor sowohl aus dem Target, dem Targetträger, der Wärmepumpe als auch dem Kühlkörper ausgeschnitten dargestellt wurde und das Target ein Chalcogenidglas, in diesem Beispiel das Chalcogenidglas IRG26 der Schott AG, umfasst, und bei welchem die Wärmepumpe und somit das Peltierelement oder der Peltierkühler zweistufig ausgeführt sind; Figur 12 die zeitliche Temperaturentwicklung mit aktiver Wärmepumpe, somit mit aktivem Peltierelement oder mit aktivem Peltierkühler an der Unter- und Oberseite des in Figur 11 dargestellten Sputtertargets für eine Heizdichte von 0.26W/cm2, bei dem in Figur 11 dargestellten Ausführungsbeispiel, bei welchem die Wärmepumpe und somit das Peltierelement oder der Peltierkühler zweistufig ausgeführt sind; FIG. 10 shows the temperature development over time with an active heat pump, thus with an active Peltier element or with an active Peltier cooler on the top and bottom of the sputtering target shown in FIG. 8 for a fleece density of 0.26 W/cm 2 ; Figure 11 shows yet another exemplary embodiment of components of a cooling device for a sputtering target, in a three-dimensional, partially sectioned view, in which a sector of a circle has been cut out of both the target, the target carrier, the heat pump and the heat sink, and the target is a chalcogenide glass, in in this example the chalcogenide glass IRG26 from Schott AG, and in which the heat pump and thus the Peltier element or the Peltier cooler are designed in two stages; Figure 12 shows the temperature development over time with an active heat pump, i.e. with an active Peltier element or with an active Peltier cooler on the bottom and top of the sputtering target shown in Figure 11 for a heating density of 0.26W/cm 2 , in the embodiment shown in Figure 11, in which the Heat pump and thus the Peltier element or the Peltier cooler are designed in two stages;
Figur 13 eine weitere beispielhafte Ausführungsform von Bestandteilen der Kühlvorrichtung für zumindest ein Sputtertarget; Figur 14 eine Ausführungsform, bei welcher mehrere Sputtertargets 1 an einem Targetträger 3 gehalten sind. FIG. 13 shows a further exemplary embodiment of components of the cooling device for at least one sputtering target; FIG. 14 shows an embodiment in which a plurality of sputtering targets 1 are held on a target carrier 3.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführunqsformen Detailed description of preferred embodiments
Bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sind um der Klarheit Willen nicht sämtliche Bestandteile maßstabsgerecht dargestellt. In den Figuren bezeichnen jedoch gleiche Bezugszeichen jeweils gleiche Bestandteile oder Baugruppen. In the following detailed description of preferred embodiments, not all components are drawn to scale for the sake of clarity. In the figures, however, the same reference symbols designate the same components or assemblies.
Zunächst sei jedoch um eines besseren Verständnis Willen auf die im Sputtertarget vor und während des Sputterns herrschenden Temperaturverhältnisse eingegangen. Wenn nachfolgend um der Kürze willen nicht von einem Sputtertarget, sondern nur von einem Target gesprochen wird, soll dies dennoch jeweils den Begriff des Sputtertargets mit offenbaren. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden somit die Begriffe des Sputtertargets sowie des Targets jeweils durchgehend für denselben Gegenstand verwendet. However, for the sake of better understanding, the temperature conditions prevailing in the sputtering target before and during sputtering should first be discussed. If, for the sake of brevity, only one target is spoken of instead of a sputtering target, this is intended to also reveal the term sputtering target in each case. Within the scope of the present disclosure, the terms sputtering target and target are used throughout for the same subject.
Die Temperaturerhöhung DTt der Temperatur Tt,o der Targetoberseite 1-1 relativ zur Temperatur TT.U der Targetunterseite 1-2 während des Sputterns durch eine Heizdichte jth an der Targetoberseite 1-1 lässt sich anhand eines Wärmewiderstands d-r/kt, wobei dT die Dicke des Targets darstellt und KT die Wärmeleitfähigkeit des Targets bezeichnet, wie folgt abschätzen: The temperature increase DTt of the temperature Tt,o of the target top 1-1 relative to the temperature TT.U of the target bottom 1-2 during sputtering due to a heating density jth on the target top 1-1 can be calculated using a thermal resistance d-r/kt, where dT is the thickness of the target and KT denotes the thermal conductivity of the target, can be estimated as follows:
(1)
Figure imgf000011_0001
wobei die Wärmeleitfähigkeit KT als temperaturunabhängig angenommen wird.
(1)
Figure imgf000011_0001
where the thermal conductivity KT is assumed to be temperature-independent.
Für eine vorgegebene Heizdichte jth und eine Targetdicke dT hängt die Temperaturerhöhung oder der Temperaturhub DTt auch von der Wärmeleitfähigkeit des Targetmaterials ab. For a given heating density jth and a target thickness dT, the temperature rise or temperature rise DTt also depends on the thermal conductivity of the target material.
Für ein erstes Beispiel mit jth = 2W/cm2, dT = 1cm und metallische Targets mit KT > 20W/mK folgt beispielsweise DTt < 10°C. For a first example with jth = 2W/cm 2 , dT = 1cm and metallic targets with KT > 20W/mK, DTt < 10°C follows, for example.
Metalle ertragen meist problemlos selbst Heizdichten von mehr als 5W/cm2.Metals usually withstand heating densities of more than 5W/cm 2 without any problems.
Für keramische Targets mit KT < 2W/mK ergibt sich bei jth = 2W/cm2, dT = 1cm jedoch DTt > 100°C, das ist oft inakzeptabel, da zu hoch, denn thermische Verformungen des Targets können dann gegebenenfalls den thermischen Kontakt zum Kühlkörper unterbrechen oder thermo-mechanische Spannungen können Sprödbrüche im Target auslösen. For ceramic targets with KT < 2W/mK, with jth = 2W/cm 2 , dT = 1cm, however, DTt > 100°C results, which is often unacceptable because it is too high, because thermal deformation of the target can then possibly damage the thermal contact with the Breaking the heat sink or thermo-mechanical stresses can cause brittle fractures in the target.
Alternativ gibt man zur Vermeidung derartiger Nachteile häufig eine maximale Temperaturerhöhung oder somit einen maximalen Temperaturhub ATT.max vor und berechnet aus diesem dann eine maximale Wärmeflußdichte Alternatively, in order to avoid such disadvantages, a maximum temperature increase or thus a maximum temperature rise ATT.max is often specified and a maximum heat flow density is then calculated from this
(2) Jth
Figure imgf000011_0002
Eine Abschätzung für AT-r.max basiert auf zulässigen thermo-mechanischen Verformungen und berücksichtigt den thermischen Ausdehnungskoeffizienten at und den Elastizitätsmodul ET des Targetmaterials:
(2) cent
Figure imgf000011_0002
An estimate for AT-r.max is based on allowable thermo-mechanical deformations and takes into account the thermal expansion coefficient at and the modulus of elasticity ET of the target material:
Für niedrigdehnendes Si02-Glas mit at < 1 ·10-6K-\ For low-expansion SiO2 glass with at < 1 · 10- 6 K-\
Et = 73GPa und Et = 73GPa and
KT * 1.4W/mK (bei 20°C) KT * 1.4W/mK (at 20°C)
Ist beispielsweise ein ATT.max = 390°C zulässig und hieraus ergibt sich der Wert jth < 6W/cm2. If, for example, an ATT.max = 390°C is permissible and this results in the value jth < 6W/cm 2 .
Für andere Glassysteme können diese Werte jedoch deutlich anders aussehen. Für das Chalkogenidglas IRG26, siehe beispielsweise dessen Datenblatt „Infrared Chalcogenide Glass IRG 26“ der Schott AG in Mainz, ist z.B. a * 21 ·106K 1, Et * 18GPa und KT * 0.24W/mK (bei 20°C), daraus folgtHowever, these values can be significantly different for other glass systems. For the chalcogenide glass IRG26, see for example its data sheet “Infrared Chalcogenide Glass IRG 26” from Schott AG in Mainz, for example a * 21 · 10 6 K 1 , Et * 18GPa and KT * 0.24W/mK (at 20°C), it follows
ATT.max = 300°C und es ergibt sich ein deutlich geringerer Wert von jth < ATT.max = 300°C and the result is a significantly lower value of jth <
0.7 W/cm2. 0.7W/ cm2 .
Es sind jedoch noch weitere Einschränkungen zu berücksichtigen, insbesondere bei Gläsern, eine Maximaltemperatur, denn Gläser neigen bei hoher Temperatur zu Abdampfungen, die die Stöchiometrie der Sputterpartikel stören können, neigen zur Pickel- und Nodulen-Bildung an der Oberfläche oder schlicht zum Aufschmelzen. However, there are other limitations to be considered, especially for glasses, a maximum temperature, because at high temperatures glasses tend to evaporate, which can disturb the stoichiometry of the sputter particles, tend to form pimples and nodules on the surface or simply melt.
Für das Chalcogenidglas IRG26 mit TG * 185°C sollte auch aus diesen Gründen die Oberflächentemperatur sicher unter 135°C bleiben. For the chalcogenide glass IRG26 with TG * 185°C, the surface temperature should also remain below 135°C for these reasons.
Eine bessere Abschätzung der zulässigen Fleizleistung für 1cm dicke z.B. IRG26-Targets ergibt sich deshalb wie folgt: A better estimate of the permissible heat output for 1cm thick e.g. IRG26 targets is therefore as follows:
(3) Jth = ^(TT.o.max - * 0.0024 w/cm2K · (l 35°C - TT u ) . aT Für eine Targetunterseite auf Raumtemperatur, TT,U = 20°C, beträgt die zulässige Heizdichte an der Targetoberseite 0.35W/cm2. Die daraus resultierende geringe Sputtereffizienz reduziert die Wirtschaftlichkeit: Es lassen sich kaum Sputterraten von über 0.5pm/min erreichen. (3) Jt h = ^(TT.o.max - * 0.0024 w/cm 2 K (l 35°C - T T u ) .aT For an underside of the target at room temperature, TT,U = 20°C, the permissible heating density on the upper side of the target is 0.35W/cm 2 . The resulting low sputtering efficiency reduces profitability: Sputtering rates of more than 0.5pm/min can hardly be achieved.
Die vorstehend angegebene Gleichung 3 gilt mit jeweils angepassten Materialdaten auch für andere Sputtermaterialien. Equation 3 given above also applies to other sputtering materials with the material data adapted in each case.
Zum besseren Verständnis wird die nachfolgende Nebenrechnung durchgeführt: For a better understanding, the following additional calculation is carried out:
(1 ) Ansatz am Beispiel des Aluminiums mit p ^ 2.7g/cm3, Atomgewicht 27, d.h. einer Atomdichte von: n = - 6.023 -1023 - A -tome/ - -mol 2.7g/ /cm 3 » e6 - ,10„22 Atome/ / cm 3 bzw. » 6 - ,10„22 cm -3
Figure imgf000013_0001
(1 ) Approach using the example of aluminum with p ^ 2.7g/cm3, atomic weight 27, ie an atomic density of: n = - 6.023 -10 23 - A -tome/ - -mol 2.7g/ /cm 3 » e 6 - , 10„22 atoms/ / cm 3 or » 6 - .10„22 cm -3
Figure imgf000013_0001
Auch für Silber, Ag, mit p « 10.5g/cm3, Atomgewicht 108, ist n « 6-1022cm-3 (Aluminium und Silber haben relativ kleine Atomradien). Für Si02-Glas (3 Atome): p « 2.2g/cm3, mittleres Atomgewicht (28+2-16)/3 = 20 ist n « Also for silver, Ag, with p « 10.5g/cm3, atomic weight 108, n « 6-1022cm-3 (aluminium and silver have relatively small atomic radii). For SiO2 glass (3 atoms): p « 2.2g/cm3, average atomic weight (28+2-16)/3 = 20 is n «
6.6-1022cm-3; für IRG26 (As2Se3 = 5 Atome): p « 4.3g/cm3, mittleres Atomgewicht (2-75+3-79)/5 « 77.4 ist n « 3.6-1022cm 3. 6.6-1022cm-3; for IRG26 (As2Se3 = 5 atoms): p « 4.3g/cm3, mean atomic weight (2-75+3-79)/5 « 77.4 is n « 3.6-1022cm 3 .
Deswegen wird für die vorliegend offenbarten Abschätzungen zunächst vereinfachend von einer Atomdichte im Sputtertarget von n « 4-1022 Atome/cm3 ausgegangen. For this reason, an atomic density in the sputtering target of n≦4−1022 atoms/cm 3 is initially assumed for the purposes of the estimates disclosed here.
(2) Es wird die Annahme getroffen, dass Elektronen nicht zum Sputtern beitragen. Die Ionen werden als einfach geladen angenommen und für jedes Ion sollen im Mittel hA/I Sputteratome emittiert werden. Um eine Schicht mit der Dicke d „abzusputtern“, bzw. die Sputterrate w zu erreichen, erfordert dies die elektrische Stromdichte von: jel = (l -6 -10_19As)·— tp n ' hA/i (2) It is assumed that electrons do not contribute to sputtering. The ions are assumed to be singly charged and an average of hA/I sputter atoms should be emitted for each ion. In order to "sputter off" a layer with the thickness d, or to achieve the sputtering rate w, this requires the electric current density of: j el = (l -6 -10 _19 As) · — tp n ' h A/i
(3) Es wird davon ausgegangen, dass wenigstens fίh = 300V erforderlich. Hieraus ergibt sich die Bestrahlungsleistungsdichte zu: Pin — Fίh Jei — Fίh (3) It is assumed that at least fίh = 300V is required. This results in the radiation power density: Pin — Fίh Jei — Fίh
(4) Von der beim Sputtern in das Sputtertarget eingetragenen Impaktenergie fließt ein Anteil als kinetische Energie der emittierten Atome ab: cpout = hA/I-fbGP. (4) A portion of the impact energy introduced into the sputtering target during sputtering is lost as kinetic energy of the emitted atoms: cpout = hA/I-fbGP.
Die resultierende (thermische) Beaufschlagung der Targetfläche beträgt also The resulting (thermal) impact on the target surface is therefore
P = (fίh - ^A/IFQGP ) Jel = (fίh
Figure imgf000014_0001
P = (fίh - ^A/IFQGP ) Jel = (fίh
Figure imgf000014_0001
Hierbei wird die folgende Abschätzung der Größenordnungen vorgenommen: w = 1 pm/min = 17-10-7cm/s, hA/I = 4, n = 4-1022cm-3 daraus ergibt sich eine lonenstromdichte von 0.0027A/cm2. The following order of magnitude is estimated: w = 1 pm/min = 17-10-7cm/s, hA/I = 4, n = 4-1022cm-3 This results in an ion current density of 0.0027A/cm2.
Es wird cpin = 200V als Untergrenze für die Impaktenergie angenommen; Bestrahlungsleistungsdichte pin = 0.54W/cm2. cpin = 200V is assumed as the lower limit for the impact energy; Irradiance pin = 0.54W/cm2.
Mit angenommenen cpem = 7.5V folgt dann für die Heizdichte der Targetoberfläche: p = 0.46W/cm2. Assuming cpem = 7.5V, the following then follows for the heating density of the target surface: p = 0.46W/cm2.
Für die vorliegenden Berechnungen wird somit von einer Heizdichte der Targetoberfläche von 0.5W/cm2 bei einer Sputterrate von 1 pm/min ausgegangen. For the present calculations, a heating density of the target surface of 0.5W/cm2 at a sputtering rate of 1 pm/min is assumed.
Der Ansatz „dünner Targets“, somit die Verwendung eines Targets mit einer geringeren Dicke und folglich einem kleineren dT mit geringerem Wärmewiderstand, könnte basierend auf den vorstehenden Überlegungen als interessant angesehen werden. Dieser reduziert jedoch wegen der dann häufiger notwendigen Austauschzyklen die Prozeßeffizienz merklich und ist somit nicht vorteilhaft. The “thin target” approach, thus using a target with a smaller thickness and consequently a smaller dT with lower thermal resistance, could be considered interesting based on the above considerations. However, this noticeably reduces the process efficiency because of the more frequent replacement cycles that are then required and is therefore not advantageous.
Um große Sputterpartikelströme zu erreichen, kann die bestrahlte Targetflächen vergrößert werden. In der Praxis führt das jedoch zu Platzproblemen im Rezipienten, insbesondere dann, wenn unterschiedliche Targets für eine vorbestimmte Schichtenfolge verwendet werden soll. Ein Öffnen von Rezipienten für Targettausche kommt aus Wirtschaftlichkeitsgründen, wegen der erhöhten Prozesszeit, insbesondere auch durch das nötige Wiederabpumpen des Rezipienten bedingt, kaum in Frage. In order to achieve large sputter particle streams, the irradiated target area can be increased. In practice, however, this leads to space problems in the recipient, particularly when different targets are to be used for a predetermined layer sequence. Opening recipients for target exchanges is hardly an option for economic reasons, because of the increased process time, in particular due to the need to pump out the recipient again.
Im Gegensatz zu diesen beiden vorstehend beschriebenen und eher nachteiligen Ansätzen kann jedoch vorteilhaft zwischen dem Sputtertarget 1 , siehe beispielsweise hierzu Figur 1 , und dem Kühlkörper 2 ein Targetträger 3 eine Wärmepumpe 4 eingefügt werden. Die Wärmepumpe kühlt den Targetträger 3 und die Targetunterseite 1-2 dann unter die Temperatur des Kühlkörpers 2. Das erhöht den longitudinalen Temperaturgradienten im Target, verstärkt den Wärmefluss im Target 2 und ermöglicht dadurch einen höheren Wärmeeintrag sowie eine stärkere Bestrahlung während des Sputterns an der Targetoberseite 1-1 . Alternativ kann der Kühlkörper 2 durch die Wärmepumpe 4 ersetzt sein. In contrast to these two above-described and rather disadvantageous approaches, however, a target carrier 3 and a heat pump 4 can advantageously be inserted between the sputtering target 1 (see, for example, FIG. 1 in this regard) and the heat sink 2 . The heat pump then cools the target carrier 3 and the underside of the target 1-2 below the temperature of the heat sink 2. This increases the longitudinal temperature gradient in the target, increases the heat flow in the target 2 and thus enables a higher heat input and stronger irradiation during sputtering on the upper side of the target 1-1 . Alternatively, the heat sink 2 can be replaced by the heat pump 4 .
In Figur 1 sind um der Einfachheit Willen schematisch platten- bzw. scha lenförmige Strukturen skizziert, die vorliegend vorgeschlagene technische Lösung gilt jedoch sinngemäß auch für kompliziertere Strukturen. Werden der sprachlichen Einfachheit halber bei vorliegender Offenbarung einzelne Komponenten bezeichnet, wird als einbezogen betrachtet, dass diese auch Vielfachheiten sein oder umfassen können. For the sake of simplicity, FIG. 1 shows diagrammatically plate-shaped or shell-shaped structures, but the technical solution proposed here also applies analogously to more complicated structures. If, for the sake of linguistic simplicity, individual components are referred to in the present disclosure, it is considered to include that these can also be or include pluralities.
Das Target 1 und die Wärmepumpe 4 befinden sich auf gegenüberliegenden Flächen des Targetträgers. In der einfachsten Ausführung ist der Targetträger 3 eine einfach-zusammenhängende Schale mit homogener Dicke, die das Target 1 lateral vollständig bedeckt. Die Targetträger 3 sollen generell ein Spannen des Targets mit geringem Fixier- und Löseaufwand ermöglichen und ausreichend weich sein, um sich dem Target 1 zur Verminderung des Wärmewiderstands anschmiegen zu können. Entsprechende Verfahren und Vorrichtungen zum Spannen sind einem Fachmann auf dem vorliegenden technischen Gebiet bekannt. The target 1 and the heat pump 4 are located on opposite faces of the target support. In the simplest embodiment, the target carrier 3 is a single-connected shell with a homogeneous thickness that completely covers the target 1 laterally. The target carrier 3 should generally enable the target to be clamped with little effort in fixing and loosening and should be sufficiently soft to be able to nestle against the target 1 to reduce the thermal resistance. Corresponding methods and devices for clamping are known to a person skilled in the present technical field.
Darüber hinaus sollen Targetträger 3 in denjenigen Fällen, in welchen Target 1 und Wärmepumpe 4 lateral versetzt angeordnet sind oder mehrere Targetkacheln oder Wärmepumpenkacheln verwendet werden, wie dies beispielsweise in Figur 15 dargestellt ist, einen lateralen Wärmeausgleich bewirken. Die Wärme soll hierbei möglichst homogen aus dem jeweiligen Target 1 oder der jeweiligen Targetkachel abfließen können. In addition, target carrier 3 should be arranged laterally offset in those cases in which target 1 and heat pump 4 or several Target tiles or heat pump tiles are used, as shown for example in Figure 15, bring about a lateral heat equalization. The heat should be able to flow off the respective target 1 or the respective target tile as homogeneously as possible.
Günstig ist hierbei eine homogene Temperaturverteilung im Targetträger 3, d.h. eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit des Trägers 3. Kupfer mit einer Wärmeleitfähigkeit von ca. 400W/mK) und Aluminium mit einer Wärmeleitfähigkeit von ca. 200W/mK) sind gut geeignete Materialien für diesen Zweck. A homogeneous temperature distribution in the target carrier 3 is favorable here, i.e. the highest possible thermal conductivity of the carrier 3. Copper with a thermal conductivity of approx. 400 W/mK) and aluminum with a thermal conductivity of approx. 200 W/mK) are well suited materials for this purpose.
Die Targetträger 3 sollen für einige Ausführungsformen darüber hinaus elektrisch leitend sein. Es ist i.d.R. von Vorteil, wenn der Targetträger 3 dünn ist, um sich bei thermischen Verwölbungen dem Target 1 mit geringen Biegemomenten anpassen zu können. For some embodiments, the target carriers 3 should also be electrically conductive. It is generally advantageous if the target carrier 3 is thin in order to be able to adapt to the target 1 with low bending moments in the event of thermal warping.
Dabei erweisen sich Targetträger 3 aus Kupfer trotz des höheren Elastizitätsmoduls oft als etwas günstiger als aus Aluminium, mit einem Elastizitätsmodul von 110 statt 70GPa, weil wegen der höheren Wärmeleitfähigkeit dünnere Schalen möglich sind mit geringerer Biegesteifigkeit. Despite the higher modulus of elasticity, target carriers 3 made of copper often prove to be slightly cheaper than those made of aluminum, with a modulus of elasticity of 110 instead of 70GPa, because thinner shells with lower flexural rigidity are possible due to the higher thermal conductivity.
Für die Targetträger 3 werden somit Schalen aus Kupfer und Aluminium bevorzugt, wobei bei Kupfer eine Dicke von ca. 1mm und bei AI eine Dicke von 2mm für den thermischen Ausgleich meistens schon ausreicht um eine ausrei chend hohe Wärmeleitfähigkeit und eine brauchbare Steifigkeit zu erzielen. Diese vorstehend erwähnten Dicken und werden im Sinne der vorliegenden Offenbarung als „dünn“ angesehen. Shells made of copper and aluminum are thus preferred for the target carrier 3, with a thickness of about 1mm for copper and a thickness of 2mm for Al being usually sufficient for thermal compensation in order to achieve a sufficiently high level of thermal conductivity and a usable rigidity. These aforementioned thicknesses and are considered “thin” for purposes of the present disclosure.
Alle Komponenten sollen in gutem thermischen Kontakt stehen. Das Target 1 wird deshalb in einer Ausführungsform mit einer dünnen Wärmeleitpastenschicht auf dem Targetträger 3 aufgeklebt. Vakuum-taugliche, Temperatur-belastbare und elektrisch leitfähige Wärmeleitpasten sind dem Fachmann auf diesem technischen Fachgebiet bekannt. All components should be in good thermal contact. In one embodiment, the target 1 is therefore glued to the target carrier 3 with a thin layer of thermally conductive paste. Vacuum-capable, temperature-resistant and electrically conductive heat-conducting pastes are known to the person skilled in this technical field.
Für entsprechende Wärmeleitpastenverbindungen werden vernachlässigbare Wärmewiderstände dP/kR < 10-3K/(W/cm2) erreicht. Negligible thermal resistances dP/kR < 10-3K/(W/cm2) are achieved for corresponding thermal paste connections.
Der Targetträger 3 wird mit gutem thermischen Kontakt mit der Wärmepumpe oder Wärmepumpeneinheit 4 verbunden. Bei einer Ausführungsform handelt es sich um eine dauerhafte Verbindung, d.h. der Targetträger 1 ist dauerhafter Bestandteil eines in einer Sputteranlage installierten Targettisches. Da dem Fachmann sowohl Sputteranlagen als auch Targettische bekannt sind, werden diese in den Figuren nicht nochmals dargestellt. In diesem Fall kann der Targetträger dauerhaft elektrisch kontaktiert werden. The target carrier 3 is connected to the heat pump or heat pump unit 4 with good thermal contact. In one embodiment, the connection is permanent, i.e. the target carrier 1 is a permanent part of a target table installed in a sputtering system. Since both sputter systems and target tables are known to those skilled in the art, these are not shown again in the figures. In this case, the target carrier can be permanently electrically contacted.
In einer anderen Ausführung ist der Targetträger 3 dauerhaft mit dem Sputtertarget 1 verbunden und bildet mit diesem eine gemeinsam austauschbare Einheit. Das Sputtertarget 1 kann dann auch unlösbar mit dem Targetträger3 verbunden sein. In another embodiment, the target carrier 3 is permanently connected to the sputtering target 1 and forms a jointly exchangeable unit with it. The sputtering target 1 can then also be permanently connected to the target carrier 3.
Dafür sind viele Verfahren bekannt, z.B. Auflöten. Das Spannen des (metallischen) Targetträgers auf die Wärmepumpeneinheit wird als bekannt vorausgesetzt, zur Verbesserung der thermischen Kopplung kann hierbei ebenfalls eine Wärmeleitpaste verwendet werden. Many methods are known for this, e.g. soldering. The clamping of the (metallic) target carrier onto the heat pump unit is assumed to be known; a thermally conductive paste can also be used here to improve the thermal coupling.
Wärmepumpen lassen sich durch Peltierkühler realisieren. Die Funktionsweise von Peltierkühlern oder Peltierelementen ist dem vorliegend zuständigen Fachmann bekannt und wird deshalb nicht detaillierter ausgeführt. Preiswerte Standardbauform bestehen aus parallelen, meist quadratischen, dünnen, gut wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Keramikscheiben mit 2 bis 10cm Kantenlänge im Abstand von 3 bis 6mm, zwischen welchen Flalbleiterstäbe eingelötet sind. Heat pumps can be implemented using Peltier coolers. The mode of operation of Peltier coolers or Peltier elements is known to the person skilled in the art responsible here and is therefore not explained in more detail. Inexpensive standard designs consist of parallel, mostly square, thin, thermally conductive, electrically insulating ceramic discs with an edge length of 2 to 10 cm and a distance of 3 to 6 mm between which fiber optic rods are soldered.
Typische Halbleiter sind hierbei B Teß und PbO. Der Temperaturhub kann bei einstufigen Peltierkühlern mehr als 70K betragen und bei mehrstufigen Peltierkühlern oder Peltierelementen mehr als 110K betragen mit thermischen Pumpleistungen von mehr als 1W/cm2. Peltierkühler werden mit Gleichstrom mit Nennspannungen im 10V- und Betriebsströmen im 10A-Bereich betrieben. Die ohmschen Verluste in einem Peltierkühler können mehr als 100W betragen und sind bei der Auslegung der jeweiligen Kühlung entsprechend zu berücksichtigen. Typical semiconductors here are B Teß and PbO. The temperature rise can be more than 70K for single-stage Peltier coolers and more than 110K for multi-stage Peltier coolers or Peltier elements with thermal Pump powers of more than 1W/cm 2 . Peltier coolers are operated with direct current with nominal voltages in the 10V range and operating currents in the 10A range. The ohmic losses in a Peltier cooler can be more than 100W and must be taken into account when designing the respective cooling.
Die Außenflächen der Keramikscheiben können (galvanisch) metallisiert werden, um z.B. ein Anlöten an andere Bauteile zu erleichtern. Diese äußeren Metallflächen sind von der inneren Beschaltung der Peltierkühler elektrisch isoliert. Die Schaffung von Peltierkühlern ist kein Gegenstand der vorliegenden Offenbarung; da oft handelsübliche Bauformen bereits für die Zwecke der Erfindung ausreichend sein können. The outer surfaces of the ceramic discs can be (galvanically) metallized to make soldering to other components easier, for example. These outer metal surfaces are electrically insulated from the internal wiring of the Peltier cooler. The creation of Peltier coolers is not part of the present disclosure; since commercially available designs can often already be sufficient for the purposes of the invention.
Die weitere beispielhafte Beschreibung der Erfindung geht jedoch von scheibenförmigen Peltierkühlern mit elektrisch isolierende Keramikscheiben aus. Dem Fachmann ist hierbei aber klar, wie auch andere Ausführungsformen verwendet werden können - diese werden deshalb als in die vorliegende Offenbarung einbezogen betrachtet. However, the further exemplary description of the invention is based on disk-shaped Peltier coolers with electrically insulating ceramic disks. However, it is clear to the person skilled in the art how other embodiments can also be used - these are therefore considered to be included in the present disclosure.
Beim HC- und DC-Sputtern entsteht das Problem, dass mit dem Peltierkühler ein inkompatibler elektrischer Stromkreis in den „Hochspannungskreis“ eingebracht wird. The problem with HC and DC sputtering is that the Peltier cooler introduces an incompatible electrical circuit into the "high-voltage circuit".
Die Figuren 3a bis 3c zeigen entsprechende elektrische Beschaltungen der Sputteranlage sowie der Vorrichtung zur Kühlung eines Sputtertargets und jeweils die Beschaltung der ein Peltierelement umfassenden Wärmepumpe,FIGS. 3a to 3c show corresponding electrical wiring of the sputtering system and the device for cooling a sputtering target and the wiring of the heat pump comprising a Peltier element,
Beim DC-Sputtern ist es beispielsweise vorteilhaft, die elektrisch isolierenden Keramikfolien der Peltierkühler auch zum Trennen der Stromkreise zu nutzen, dies bedeutet, dass in diesem Fall der Targetträger 1 am Hochspannungskreis angeschlossen sein kann. Der Kühlkörper 2 kann geerdet werden mit dem Vorteil einer höheren elektrischen Sicherheit, weil der Kühlflüssigkeitskreis dann generell spannungsfrei ist. In DC sputtering, for example, it is advantageous to also use the electrically insulating ceramic foils of the Peltier cooler to separate the circuits, which means that in this case the target carrier 1 can be connected to the high-voltage circuit. The heat sink 2 can be grounded, with the advantage of greater electrical safety, because the coolant circuit is then generally voltage-free.
Beim HF-Sputtern kann man im Prinzip genauso verfahren. Hier kann es aber günstig sein, eine Störung des Wechselfeldes durch DC-Einkopplungen zu verhindern, beispielsweise durch einen seriellen Kondensator C1 , und eine Störung des DC-Versorgungskreises für den Peltierkühler zu verhindern, beispielsweise durch einen Kondensator C2 parallel zum Peltierkühler. Es ist auch möglich, beim HF-Sputtern die AC-Spannung in den Kühlkörper 2 selbst einzuleiten, wenn der DC-Peltier-Kreis mit einem Kondensator C2 für AC- Spannungen kurzgeschlossen wird. In principle, the same procedure can be used for HF sputtering. Here, however, it can be beneficial to prevent the alternating field from being disturbed by DC couplings prevent, e.g. by a series capacitor C1, and to prevent disturbance of the DC supply circuit for the Peltier cooler, e.g. by a capacitor C2 in parallel with the Peltier cooler. It is also possible to introduce the AC voltage into the heat sink 2 itself during HF sputtering if the DC Peltier circuit is short-circuited with a capacitor C2 for AC voltages.
Bei der Auslegung von Peltierkühler sollte jedoch nicht von Maximalleistungen ausgegangen werden. However, maximum performance should not be assumed when designing Peltier coolers.
Als vorteilhaft hat sich für einstufige Peltierkühler eine thermische Pumpleitung von 1 W/cm2 bei einer Temperaturdifferenz von 60K erwiesen. Werden höhere Pumpleistungen oder größere Temperaturdifferenzen angestrebt, sollten mehrstufige Peltierkühler verwenden werden. Realistisch ist für zweistufige Peltierkühler eine thermische Pumpleitung von 2W/cm2 bei einer Temperaturdifferenz von 90K. A thermal pumping power of 1 W/cm 2 at a temperature difference of 60K has proven advantageous for single-stage Peltier coolers. Multi-stage Peltier coolers should be used if higher pump capacities or larger temperature differences are desired. A thermal pump power of 2W/cm 2 at a temperature difference of 90K is realistic for two-stage Peltier coolers.
Nachfolgend werden weitere Ausführungsbeispiele beschrieben. Further exemplary embodiments are described below.
In Figur 4 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem in perspektivischer Ansicht ein rundscheibenförmiger Körper mit einem ausgeschnittenen Sektor gezeigt ist. Eine 400mm durchmessende und 10mm dicke Ronde 5 aus Kieselglas mit einer Wärmeleitfähigkeit von 1.4W/mK ist als Sputtertarget 1 auf einen 2mm dicken Targetträger 3 aus Aluminium gefügt. Anstelle des Kieselglases kann der rundscheibenförmige Körper 5 auch ein Chalcogenidglas mit einer Wärmeleitfähigkeit von 1 ,6 W/nK oder weniger und/oder einer Glasübergangstemperatur von weniger als 400°C umfassen.FIG. 4 shows an exemplary embodiment in which a round disk-shaped body with a cut-out sector is shown in a perspective view. A 400mm diameter and 10mm thick round 5 made of silica glass with a thermal conductivity of 1.4W/mK is joined as a sputtering target 1 to a 2mm thick target carrier 3 made of aluminum. Instead of the silica glass, the body 5 in the form of a circular disc can also comprise a chalcogenide glass with a thermal conductivity of 1.6 W/nK or less and/or a glass transition temperature of less than 400°C.
Zum Schutz der Glaskanten ist Targetträger 3 jeweils übermäßig ausgebildet. Der Targetträger 3 ist auf einer Kaltfläche 7 eines ringförmigen Peltierkühlers 6 mit einem Innenradius von 20 mm, einem Außenradius von 180mm und einer Dicke von 6mm gespannt. Der Peltierkühler 6 ist mit der Fleißfläche direkt auf einen ringförmigen Kühlkörper 2 mit einem Innenradius von 10 mm, einem Außenradius von 190mm und einer Dicke von12mm aus Kupfer oder Aluminium montiert. Im Kühlkörper 2 sind 6mm durchmessende Kühlkanäle 7, von welchem um der Klarheit Willen nur ein Kühlkanal mit einem Bezugszeichen versehen ist. In manchen Ausführungsformen wird der Peltierkühler 6 ohne einen Kühlkörper 2 oder Kühlkanäle 7 verwendet. Durch das 20mm durchmessende Innenloch des Targetträgers 3 können Sensoren, beispielsweise zur. Dicken- und/oder Temperaturmessung zur Überwachung des Sputtertargets 1 geführt werden. To protect the edges of the glass, the target carrier 3 is overdesigned. The target carrier 3 is clamped on a cold surface 7 of a ring-shaped Peltier cooler 6 with an inner radius of 20 mm, an outer radius of 180 mm and a thickness of 6 mm. The Peltier cooler 6 is mounted directly on a ring-shaped heat sink 2 made of copper or aluminum with an inner radius of 10 mm, an outer radius of 190 mm and a thickness of 12 mm. In the heat sink 2 are 6mm diameter cooling channels 7, of which for the sake of clarity only one cooling channel with a reference number is provided. In some embodiments, the Peltier cooler 6 is used without a heat sink 2 or cooling channels 7 . Through the 20mm diameter inner hole of the target carrier 3, sensors, for example for. Thickness and / or temperature measurement for monitoring the sputtering target 1 are performed.
Figur 5 zeigt zunächst als Referenz die Temperaturentwicklung bei ausgeschalteten Peltierkühler 6 an der Unterseite 1-2 und an der Oberseite 1-1 des als Glasronde 5 ausgebildeten Sputtertargets 1 für eine Heizdichte an der Oberseite 1-1 des Sputtertargets von 2.5W/cm2. Die logarithmisch geteilte Zeitachse hat die Zeiteinheit Minuten. Die Starttemperatur beträgt 20°C. Der Prozess ist auf eine konstante Sputterrate von 3pm/min eingestellt; die Temperatur des Sputtertargets 1 soll während des Sputterns unter 210°C bleiben. Die Temperatur an der Targetoberseite 1-1 erreicht 206°C nach ca. 15min und fällt dann, weil der Wärmewiderstand des Targets 1 durch Materialabtrag abnimmt wieder ab. Die Targetunterseite 1-2 erwärmt sich trotz intensiver Kühlung auf ca. 27°C wegen des Wärmewiderstands des Kühlkörper 2 und Peltierkühlers 6. As a reference, FIG. 5 first shows the temperature development when the Peltier cooler 6 is switched off on the bottom 1-2 and on the top 1-1 of the sputtering target 1 designed as a glass disk 5 for a heating density on the top 1-1 of the sputtering target of 2.5 W/cm 2 . The logarithmically divided time axis has the time unit minutes. The starting temperature is 20°C. The process is set to a constant sputtering rate of 3pm/min; the temperature of the sputtering target 1 should remain below 210° C. during sputtering. The temperature on the upper side of the target 1-1 reaches 206°C after approx. 15 minutes and then drops again because the thermal resistance of the target 1 decreases due to material removal. Despite intensive cooling, the underside of the target 1-2 heats up to approx. 27°C due to the thermal resistance of the heat sink 2 and Peltier cooler 6.
Figur 6 zeigt die Temperaturentwicklung mit eingeschaltetem Peltierkühler 6 an der Unterseite 1-2 und der Oberseite 1-1 des als Glasronde 5 ausgebildeten Sputtertargets 1 für eine Heizdichte an der Oberseite 1-1 von 3.5W/cm2. Der Prozess ist hierbei auf eine konstante Sputterrate von 4.5pm/min eingestellt.FIG. 6 shows the temperature development with the Peltier cooler 6 switched on on the underside 1-2 and the upper side 1-1 of the sputtering target 1 designed as a glass disk 5 for a heating density on the upper side 1-1 of 3.5 W/cm 2 . The process is set to a constant sputtering rate of 4.5pm/min.
Die Temperatur an der Targetoberseite 1-1 erreicht 205°C nach ca. 15min und fällt dann wegen des stärkeren Materialabtrags schneller ab. The temperature on the top of the target 1-1 reaches 205°C after approx. 15 minutes and then drops more quickly because of the greater material removal.
Die Unterseite 1-2 des Sputtertargets 1 sinkt im quasistationären Bereich auf ca. -38°C ab. Durch die Kühlung mittels der Peltierelemente 6 lässt sich die Sputterrate hierbei um ca. 50% steigern. The underside 1-2 of the sputtering target 1 sinks to about -38° C. in the quasi-stationary range. The cooling by means of the Peltier elements 6 allows the sputtering rate to be increased by approximately 50%.
Bei Bestrahlungsbeginn mit dem Sputtertarget 1 auf Raumtemperatur entsteht an der Targetoberseite 1-1 oft ein zusätzlicher Temperaturhub, der verschwindet, wenn ein quasistationärer Bereich erreicht ist. Bevorzugt beginnt die Bestrahlung des Sputtervorgangs daher erst dann, wenn das Target 1 schon gekühlt ist. Figur 7 zeigt dazu eine vorteilhafte Temperaturentwicklung an der Targetunterseite 1-2 und an der Targetoberseite 1-1 für eine Heizdichte an der Oberseite 1-1 von 3.5W/cm2. At the start of irradiation with the sputtering target 1 at room temperature, an additional temperature rise often occurs on the upper side of the target 1-1, which disappears when a quasi-stationary range is reached. The irradiation of the sputtering process therefore preferably only begins when the target 1 has already been cooled. FIG. 7 shows an advantageous temperature development on the target underside 1-2 and on the target upper side 1-1 for a heating density on the upper side 1-1 of 3.5 W/cm 2 .
Figur 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Eine 400mm durchmessende und 10mm dicke Ronde 5 aus dem bereits vorstehend erwähnten Chalkogenidglas IRG26 mit einer Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur von 0.26W/mK bildet das Sputtertarget 1 und ist an einen 2mm dicken Targetträger 3 aus Kupfer gefügt. Auf einen einstufigen Peltierkühler 6 ist eine 4mm dicke Montageplatte 8 aus Kupfer gefügt, der Targetträger 3 wird auf die Montage platte 8 gespannt. Targetträger 3 und Montageplatte 8 bestehen vorzugsweise aus „ähnlich-unedlen Metallen“, um Elektrokorrosion vorzubeugen - Cu/Al- Paarungen sollten hierbei jedoch vermieden werden. Der Peltierkühler 6 ist auf einen ringförmigen Kühlkörper 2 aus Kupfer gelötet. FIG. 8 shows a further exemplary embodiment. A 400 mm diameter and 10 mm thick blank 5 made of the aforementioned IRG26 chalcogenide glass with a thermal conductivity at room temperature of 0.26 W/mK forms the sputtering target 1 and is joined to a 2 mm thick copper target carrier 3 . On a single-stage Peltier cooler 6, a 4mm thick copper mounting plate 8 is joined, the target carrier 3 is clamped onto the mounting plate 8. Target carrier 3 and mounting plate 8 are preferably made of "similar base metals" to prevent electrocorrosion - however, Cu/Al pairings should be avoided. The Peltier cooler 6 is soldered onto an annular heat sink 2 made of copper.
Figur 9 zeigt die zeitliche Temperaturentwicklung ohne Peltierkühlung an der Unterseite 1-2 und an der Oberseite 1-1 für eine Heizdichte von 0.26W/cm2.FIG. 9 shows the temperature development over time without Peltier cooling on the bottom 1-2 and on the top 1-1 for a heating density of 0.26W/cm2.
Der Sputterprozess ist auf eine konstante Sputterrate 0.3pm/min eingestellt; die Temperatur des Targets soll hierbei während des gesamten Sputtervorgangs unter 135°C bleiben. The sputtering process is set to a constant sputtering rate of 0.3pm/min; the temperature of the target should remain below 135°C during the entire sputtering process.
Die Temperatur an der Targetoberseite 1-1 erreicht 133°C und fällt durch Materialabtrag während des Sputtervorgangs wieder ab. The temperature on the top of the target 1-1 reaches 133°C and drops again due to material removal during the sputtering process.
Figur 10 zeigt die zeitliche Temperaturentwicklung mit Peltierkühlung für eine Heizdichte von 0.42W/cm2 bzw. eine Sputterrate 0.5pm/min: Durch eine einstufige Peltierkühlung läßt sich die Sputterrate bereits um mehr als 50% steigern. FIG. 10 shows the temperature development over time with Peltier cooling for a heating density of 0.42W/cm2 or a sputtering rate of 0.5pm/min: The sputtering rate can already be increased by more than 50% with a single-stage Peltier cooling.
Figur 11 zeigt ein nochmals weiteres Ausführungsbeispiel, bei welchen eine das Sputtertarget 1 bildende 400mm durchmessende, 10mm dicke Ronde 5 aus Chalcogenidglas IRG26 auf einem 2mm dicken aus Kupfer bestehenden Targetträger 3 angebracht ist. Der Targetträger 3 ist auf eine 4mm dicke, ebenfalls aus Kupfer bestehende Montageplatte 8 und mit dieser auf einen zweistufigen Peltierkühler 6 gespannt. Der Peltierkühler 6 ist hierbei auf den Kühlkörper 2 gelötet. FIG. 11 shows yet another exemplary embodiment, in which a circular blank 5 made of IRG26 chalcogenide glass and forming the sputtering target 1 and measuring 400 mm in diameter and 10 mm thick is attached to a 2 mm thick target carrier 3 made of copper. The target carrier 3 is on a 4mm thick, also made of copper mounting plate 8 and with this on a two-stage Peltier cooler 6 tensioned. In this case, the Peltier cooler 6 is soldered onto the heat sink 2 .
Figur 12 zeigt für diese nochmals weitere Ausführungsform die zeitliche Temperaturentwicklung ohne Peltierkühlung an der Unterseite 1-2 und an der Oberseite 1-1 für eine Heizdichte von 0.53W/cm2 und eine SputterrateFor this further embodiment, FIG. 12 shows the temperature development over time without Peltier cooling on the underside 1-2 and on the upper side 1-1 for a heating density of 0.53 W/cm 2 and a sputtering rate
0.62pm/min: Durch die hier vorliegende zweistufige Peltierkühlung lässt sich die Sputterrate um mehr als 65% steigern. 0.62pm/min: The sputtering rate can be increased by more than 65% thanks to the two-stage Peltier cooling available here.
In den Figuren 13 und 14 sind weitere beispielhafte Ausführungsformen von Bestandteilen der Kühlvorrichtung für zumindest ein Sputtertarget 1 dargestellt, wobei eine ringförmige Spannvorrichtung 9 zu erkennen ist, mittels welcher der Targetträger 3 und das an diesem befestigte Target 1 am Kühlkörper 2 gehalten sind. FIGS. 13 and 14 show further exemplary embodiments of components of the cooling device for at least one sputtering target 1, with a ring-shaped clamping device 9 being visible, by means of which the target carrier 3 and the target 1 fastened to it are held on the cooling body 2.
Figur 14 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher mehrere S puttertargets 1 an einem Targetträger 3 gehalten sind. FIG. 14 shows an embodiment in which several sputtering targets 1 are held on a target carrier 3 .
Bezugszeichenliste reference list
1 S puttertarget, abkürzend auch als Target bezeichnet, 1 sputter target, also referred to as target for short,
1-1 obere Targetfläche, welche auch als Targetoberseite bezeichnet ist 1-1 upper target surface, which is also referred to as the target top
1-2 strahlabgewandten Targetfläche, welche auch als Targetunterseite bezeichnet ist 1-2 target surface facing away from the beam, which is also referred to as the underside of the target
2 Kühlkörper 2 heatsinks
2-3 Kühlkanäle 2-3 cooling channels
3 Targetträger 3 target carriers
4 Wärmepumpe 4 heat pump
5 Ronde 5 rounds
6 Peltierelement oder Peltierkühler 6 Peltier element or Peltier cooler
7 Kühlkanal 7 cooling channel
8 Montageplatte 8 mounting plate
9 Ringförmige Spannvorrichtung 9 Ring clamping device

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Kühlvorrichtung für zumindest ein Sputtertarget (1 ), umfassend einen Targetträger (3) und mindestens eine Wärmepumpe (4), bei welcher ein Sputtertarget (1 ) an dem Targetträger (3) gehalten ist und die zumindest eine Wärmepumpe (4) mindestens ein Peltierelement (6) umfasst. 1. Cooling device for at least one sputtering target (1), comprising a target carrier (3) and at least one heat pump (4), in which a sputtering target (1) is held on the target carrier (3) and the at least one heat pump (4) has at least one Peltier element (6) includes.
2. Kühlvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Sputtertarget (1 ) ein Chalcogenidglasmaterial mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 1 ,6 W/mK oder weniger umfasst.2. Cooling device according to one of the preceding claims, wherein the at least one sputtering target (1) comprises a chalcogenide glass material with a thermal conductivity of at least 1.6 W/mK or less.
3. Kühlvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Sputtertarget (1 ) ein Chalcogenidglasmaterial mit einer Glasübergangstemperatur von weniger als 400°C umfasst. 3. Cooling device according to one of the preceding claims, wherein the at least one sputtering target (1) comprises a chalcogenide glass material with a glass transition temperature of less than 400°C.
4. Kühlvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiter umfassend einen Kühlkörper, wobei die mindestens eine Wärmepumpe (4) zwischen dem Targetträger (3) und dem Kühlkörper angeordnet ist. 4. Cooling device according to one of the preceding claims, further comprising a heat sink, wherein the at least one heat pump (4) is arranged between the target carrier (3) and the heat sink.
5. Kühlvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Peltierelement äußere Metalloberflächen aufweist, welche elektrisch sind von der inneren Beschaltung des Peltierelements isolisert sind. 5. Cooling device according to one of the preceding claims, wherein the Peltier element has outer metal surfaces which are electrically insulated from the internal wiring of the Peltier element.
6. Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher das Sputtertarget (1 ) ein Glas, insbesondere ein Si02-haltiges Glas, umfasst. 6. Cooling device according to one of the preceding claims, in which the sputtering target (1) comprises a glass, in particular a glass containing SiO 2 .
7. Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 6, bei welcher das Sputtertarget (1 ) ein Chalcogenidglas, insbesondere ein Chalcogenidglas IRG26, umfasst. 7. Cooling device according to one of the preceding claims 1 to 6, in which the sputtering target (1) comprises a chalcogenide glass, in particular a chalcogenide glass IRG26.
8. Verfahren zum Kühlen zumindest eines S puttertargets (1), bei welchem ein Sputtertarget (1) an einem Targetträger (3) gehalten wird, und mittels mindestens einer Wärmepumpe (4) die mindestens ein Peltierelement (6) umfasst, wobei das Sputtertarget (1) eine Targetunterseite (1-2) aufweist, und wobei die Targetunterseite (1-2) vorzugsweise vor dem8. A method for cooling at least one sputtering target (1), in which a sputtering target (1) is held on a target carrier (3), and by means of at least one heat pump (4) which comprises at least one Peltier element (6), the sputtering target ( 1) has a target underside (1-2), and wherein the target underside (1-2) preferably before
Sputtern auf eine Temperatur unter 0°C gekühlt wird. sputtering is cooled to a temperature below 0°C.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem das Targetmaterial S1O2- haltiges Glas umfasst. 9. The method according to claim 8, wherein the target material comprises glass containing SiO2.
10. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem das Targetmaterial ein Chalcogenidglas, insbesondere IRG26, umfasst. 10. The method as claimed in claim 8, in which the target material comprises a chalcogenide glass, in particular IRG26.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche von 8 bis 10, bei welchem mittels des Sputterns Beschichtungsvorgänge durchgeführt werden. 11. The method according to any one of claims 8 to 10, in which coating processes are carried out by means of sputtering.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche von 8 bis 11 , bei welchem das Sputtern mittels DC-, HF-, Magnetron-, Bias- oder Atomstrahl-Sputtern durchgeführt wird. 12. The method according to any one of claims 8 to 11, in which the sputtering is carried out by means of DC, HF, magnetron, bias or atomic beam sputtering.
PCT/EP2021/068374 2021-07-02 2021-07-02 Cooling device and cooling method for sputter targets WO2023274558A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/EP2021/068374 WO2023274558A1 (en) 2021-07-02 2021-07-02 Cooling device and cooling method for sputter targets

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/EP2021/068374 WO2023274558A1 (en) 2021-07-02 2021-07-02 Cooling device and cooling method for sputter targets

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023274558A1 true WO2023274558A1 (en) 2023-01-05

Family

ID=76891043

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2021/068374 WO2023274558A1 (en) 2021-07-02 2021-07-02 Cooling device and cooling method for sputter targets

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2023274558A1 (en)

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3226717A1 (en) 1981-07-16 1983-02-03 Ampex Corp., 94063 Redwood City, Calif. HIGH RATE SPUT SYSTEM AND METHOD
DE3148354A1 (en) 1981-12-07 1983-06-09 Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München DEVICE FOR SPRAYING A METAL
JPS6176674A (en) * 1984-09-21 1986-04-19 Hitachi Ltd Thin film forming device
EP0614997A1 (en) 1993-03-09 1994-09-14 Thyssen Industrie Ag High-power target and process for production of such a target
DE19916938A1 (en) 1999-04-15 2000-10-19 Leybold Systems Gmbh Cooling system, for e.g. a magnetron cathode target useful for CD coating, has a flat bearing ring with grooves for the limbs of an U-shaped piston to form a cooling channel between the ring and the piston interior
DE10056257A1 (en) 2000-10-13 2002-05-29 Promos Technologies Inc Sputtering process used for cleaning a substrate e.g. a wafer comprises using a platform made from a conducting metal placed into an outer shell of a vacuum chamber
EP1826811A1 (en) 2006-02-22 2007-08-29 Applied Materials GmbH & Co. KG Cooled target sputtering
DE112010002010T5 (en) 2009-05-15 2012-06-28 Tokyo Electron Ltd. Rotary magnet sputtering device
US20140144772A1 (en) * 2012-11-29 2014-05-29 Corning Incorporated High rate deposition systems and processes for forming hermetic barrier layers
US20150021173A1 (en) * 2013-07-19 2015-01-22 Nitto Denko Corporation Sputtering device
DE102017101867A1 (en) * 2017-01-31 2018-08-02 VON ARDENNE Asset GmbH & Co. KG Magnetron assembly, controlled magnet system and method

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3226717A1 (en) 1981-07-16 1983-02-03 Ampex Corp., 94063 Redwood City, Calif. HIGH RATE SPUT SYSTEM AND METHOD
DE3148354A1 (en) 1981-12-07 1983-06-09 Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München DEVICE FOR SPRAYING A METAL
JPS6176674A (en) * 1984-09-21 1986-04-19 Hitachi Ltd Thin film forming device
EP0614997A1 (en) 1993-03-09 1994-09-14 Thyssen Industrie Ag High-power target and process for production of such a target
DE19916938A1 (en) 1999-04-15 2000-10-19 Leybold Systems Gmbh Cooling system, for e.g. a magnetron cathode target useful for CD coating, has a flat bearing ring with grooves for the limbs of an U-shaped piston to form a cooling channel between the ring and the piston interior
DE10056257A1 (en) 2000-10-13 2002-05-29 Promos Technologies Inc Sputtering process used for cleaning a substrate e.g. a wafer comprises using a platform made from a conducting metal placed into an outer shell of a vacuum chamber
EP1826811A1 (en) 2006-02-22 2007-08-29 Applied Materials GmbH & Co. KG Cooled target sputtering
DE112010002010T5 (en) 2009-05-15 2012-06-28 Tokyo Electron Ltd. Rotary magnet sputtering device
US20140144772A1 (en) * 2012-11-29 2014-05-29 Corning Incorporated High rate deposition systems and processes for forming hermetic barrier layers
US20150021173A1 (en) * 2013-07-19 2015-01-22 Nitto Denko Corporation Sputtering device
DE102017101867A1 (en) * 2017-01-31 2018-08-02 VON ARDENNE Asset GmbH & Co. KG Magnetron assembly, controlled magnet system and method

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
STEVENS JOHN: "K575X & K575XD Turbo Pumped High Resolution Sputter Coaters automatic operation with 165mm chamber -for oxidising and non-oxidising metals", 28 February 2011 (2011-02-28), pages 1 - 1, XP055898671, Retrieved from the Internet <URL:http://www.fedelco.com/Archivos/k575x.pdf> [retrieved on 20220308] *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1826811A1 (en) Cooled target sputtering
DE3603646C2 (en) Holding device for targets for cathode sputtering
US4855033A (en) Cathode and target design for a sputter coating apparatus
EP1849887A1 (en) Mounting device for a sputter source
EP2984674B1 (en) Sputtering target having increased power compatibility
EP2191132B1 (en) Ion accelerator arrangement comprising a device for dissipating lost heat
EP0081176A1 (en) Apparatus for cathode sputtering of a metal
WO2023274558A1 (en) Cooling device and cooling method for sputter targets
DE102020100061A1 (en) Cooling device and cooling method for sputtering targets
EP3017082A1 (en) Target, adapted to an indirect cooling device, having a cooling plate
DE112013006746B4 (en) sputtering
EP2694697B1 (en) Tubular target with protection means
EP0002688B1 (en) Apparatus for irradiation of a target with ions
EP0240369B1 (en) Improved cathode and target design for a sputter coating apparatus
EP3729486A1 (en) System for electrically decoupled, homogeneous temperature control of an electrode by means of heat conduction tubes, and processing facility comprising such a system
DE19963571A1 (en) Cooler
DE102016114480B4 (en) Ion beam source and method for ion beam treatment
DE102015113962A1 (en) Substrate processing apparatus
EP3012856B1 (en) Method and device for generating an electrical discharge
DE7606084U1 (en) ARRANGEMENT FOR SPRAYING SOLIDS IN HIGH VACUUM, IN PARTICULAR DIELECTRIC MATERIALS IN AC CATHODE SPRAYING SYSTEMS
WO2004023515A1 (en) Sputtering cathode, production method and corresponding cathode
DE1242429B (en) Device for vacuum evaporation of metallic layers by means of electron bombardment
DE102014117766B4 (en) Substrate Cooling Apparatus, Tape Substrate Treatment Apparatus, and Use
Popov et al. Three-electrode production method of amorphous and nanocrystalline films and foils
EP2746424A1 (en) Evaporation source

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21740473

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE