DE3619194A1

DE3619194A1 - Magnetron-zerstaeubungskatode fuer vakuum-beschichtungsanlagen

Info

Publication number: DE3619194A1
Application number: DE19863619194
Authority: DE
Inventors: Dagmar Dipl Ing Ferenbach; Gerhard Dipl Phys Steiniger; Juergen Dipl Phys Dr Mueller
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1986-06-06
Filing date: 1986-06-06
Publication date: 1987-12-10
Also published as: DE3761406D1; US4746417A; EP0248244A1; JPS63259078A; EP0248244B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Magnetron-Zerstäubungskatode für Vakuum-Beschichtungsanlagen mit einer kreisförmigen Target platte aus dem zu zerstäubenden Material und mit mindestens einem hinter der Targetplatte angeordneten Magnetsystem, das aus jeweils zwei ineinanderliegenden in sich geschlossenen Reihen von Permanentmagneten besteht, wobei die Magnete einer jeden Reihe die gleiche Pollage, die Magnete beider Reihen aber zueinander eine entgegengesetzte Pollage aufweisen, derart, daß über der Targetplatte mindestens ein in sich geschlossener Tunnel aus von der einen Magnet reihe ausgehenden und zur anderen Magnetreihe zurück kehrenden magnetischen Feldlinien gebildet wird, und mit einer Antriebseinrichtung für die kontinuierliche Drehung des Magnetsystems um die Mittenachse der Targetplatte.

Magnetron-Zerstäubungskatoden zeichnen sich durch eine um den Faktor 10 bis 30 höhere Zerstäubungsrate gegen über Zerstäubungsystemen ohne Magnetfeldunterstützung aus. Dieser Vorteil wird jedoch mit dem Nachteil einer äußerst ungleichförmigen Zerstäubung der Targetplatte erkauft, denn die bei Magnetrons durch den magnetischen Tunnel erzwungene Einschnürung des Plasmas äußert sich in einer entsprechenden räumlichen Begrenzung des Zer stäubungseffekts. Durch Ausbildung eines tiefen Erosionsgrabens, dessen tiefste Stelle unter den Kulminationspunkten der magnetischen Feldlinien liegt, muß der Zerstäubungsvorgang beendet werden, nachdem nur etwa 25 bis 30% des Targetmaterials zerstäubt sind. Bei stationären Beschichtungssystemen, d.h. bei solchen ohne Relativbewegung zwischen Katode und den Substraten hat dies sehr ungleichmäßige Schichtdickenverteilungen zur Folge. Im Prinzip würde der Erosionsgraben quasi fotografisch auf den Substraten abgebildet.

Diese Problematik sowie eine Reihe von Lösungsver suchen werden in der DE-DS 27 07 144 angesprochen. Zu den Lösungsversuchen gehört auch eine Magnetron- Zerstäubungskatode der eingangs angegebenen Gattung, bei der jeweils ein einziges in sich geschlossenes Magnetsystem in exzentrischer Lage hinter einer kreis förmigen Targetplatte rotiert (Fig. 22 bis 25). Abgesehen davon, daß hierbei nur ein winziger Teil der Targetoberfläche gleichzeitig der Zerstäubung ausgesetzt wird (womit ein Teil des Magnetron-Effekts wieder zunichte gemacht wird) ist die Zerstäubungs rate auf der Targetoberfläche auch sehr ungleichmäßig, weil einmal die Verweilzeiten unter dem rotierenden magnetischen Tunnel ungleichmäßig sind und weil zum andern das Produkt aus der Intensität des Plasmas, der soge nannten Plasmadichte, und der Verweilzeit in radialer Richtung unterschiedlich sind. Eine ungleich förmige Zerstäubungsrate führt aber nicht nur zu einer ungleichförmigen Abtragung des Targetmaterials, sondern auch zu einer ungleichförmigen Niederschlagsrate auf den der Targetoberfläche gegenüberliegenden und zu beschichtenden Substraten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Magnetron-Zerstäubungskatode der eingangs angegebenen Gattung dahingehend zu verbessern, daß die Schicht dickenverteilung auf den zu beschichtenden Substraten ver gleichmäßigt wird.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der eingangs angegebenen Magnetron-Zerstäubungskatode er findungsgemäß dadurch, daß

a) im Randbereich der Targetplatte ein erstes Magnet system für die Erzeugung eines ersten, zur Drehachse im wesentlichen konzentrischen magnetischen Tunnels angeordnet ist, und daß
b) zwischen der Drehachse und dem ersten Magnetsystem ein exzentrisch versetztes zweites Magnetsystem an geordnet ist, das einen zweiten magnetischen Tunnel erzeugt, der sich nur über einen Sektor der Target platte erstreckt,

derart, daß bei einer gemeinsamen Drehung beider Magnet systeme die Flächenelemente der Targetplatte dem Produkt aus Verweilzeit und Intensität dergestalt ausgesetzt sind, daß die Targetplatte im mittleren Bereich gleich mäßiger und am Rande stärker abgetragen wird, so daß ein gegenüber der Targetplatte angebrachtes Substrat feld gleichförmig beschichtet wird.

Unter "Substratfeld" wird entweder die von einer kreis förmigen Umrißlinie eines einzelnen Substrats oder einer Anzahl kleinerer Substrate umschriebene Fläche verstanden.

Durch das Merkmal a) wird die ansonsten im Randbereich des Substratfeldes zu beobachtende Verminderung der Nieder schlagsrate kompensiert. Hierbei ist nämlich zu berück sichtigen, daß Flächenelemente auf den Substraten im Rand bereich des Substratfeldes ohne besondere Maßnahmen weniger Schichtmaterial erhalten, weil die zerstäubten Partikel sich in verschiedenen, von der Normalen zur Targetober fläche abweichenden Richtungen bewegen und ein im Randbereich des Substratfeldes liegendes Flächenelement des Substrats einfach weniger Targetfläche "sieht" als ein in der Mitte liegendes Substrat.

Durch das Merkmal b) wird erreicht, daß auch der innerhalb des Randbereichs liegende Bereich des Substratfeldes gleich mäßig beschichtet wird. Man hat es durch die Gestaltung der Ausdehnung des Sektors und des Verlaufs des zweiten magnetischen Tunnels in diesem Senktor in der Hand, eine außerordentlich gleichmäßige Beschichtung über das gesamte Substratfeld herbeizuführen.

Eine Optimierung des Systems kann durch Verschieben der magnetischen Tunnel auf der Jochplatte der Magnete er folgen, wenn der Fachmann Abweichungen von der idealen Schichtdickenverteilung beobachten sollte.

Es hat sich in praktischen Versuchen herausgestellt, daß durch die Verknüpfung der Merkmale a) und b) auf den Sub straten bis in den Randbereich des Substratfeldes eine sehr gleichmäßige Schichtdickenverteilung erzielt werden konnte.

Es ist dabei nicht erforderlich, daß der erste magnetische Tunnel gemäß Merkmal a) konzentrisch zur Drehachse verläuft, so daß das Plasma ohne Querver schiebung "auf der Stelle" rotiert, sondern es ist zur Regulierung der Verteilung der Niederschlagsrate mit besonderem Vorteil möglich, den ersten magnetischen Tunnel von der Kreisform abweichend zu gestalten, beispielsweise durch eine Abflachung oder sogar Einbuchtung an einer oder mehreren Stellen, oder den ersten magnetischen Tunnel leicht exzentrisch rotieren zu lassen. Es ist lediglich erforderlich, daß der erste magnetische Tunnel im wesentlichen kon zentrisch zur Drehachse verläuft.

Es ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung besonders vorteilhaft, wenn das zweite Magnetsystem eine äußere Reihe von Permanentmagneten aufweist, welche Reihe sich über einen Dreiviertelkreis erstreckt, dessen vierter Quadrant durch Permanentmagnete der inneren Reihe von Permanentmagneten des ersten Magnetsystems er gänzt wird, und daß die innere Reihe von Permanentmagneten des zweiten Magnetsystems mit im wesentlichen gleichen Abständen zu den Permanentmagneten entgegengesetzter Pollage verläuft.

Auf diese Weise können die Plasmaentladungen beider Magnetsysteme in unmittelbare Nachbarschaft zueinander gebracht werden, und es wird fernerhin ein Teil der teuren Permanentmagnete eingespart, worauf in der Detail beschreibung noch näher hingewiesen wird.

Es ist schließlich gemäß einer wiederum weiteren Ausge staltung der Erfindung besonders vorteilhaft, wenn sämtliche Permanentmagnete auf einer drehbaren, zur Targetplatte koaxialen ferromagnetischen Jochplatte an geordnet sind, die auf einer Hohlwelle befestigt ist, und wenn die beiden Magnetreihen des zweiten, inneren Magnetsystems beiderseits der Öffnung der Hohlwelle ver laufen.

Zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden nachstehend anhand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf die Magnetsysteme einer Magnetron-Zerstäubungskatode nach der Er findung,

Fig. 2 einen Axialschnitt durch eine Magnetron-Zer stäubungskatode mit den Magnetsystemen nach Fig. 1 und

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Variante des Gegen standes nach Fig. 1, bei der der äußere magnetische Tunnel auf einem Teilumfang der Targetplatte geringfügig radial einwärts zurückgesetzt ist.

In Fig. 1 ist eine kreisringförmige Jochplatte 1 darge stellt, die in ihrem Zentrum eine Öffnung 2 aufweist, die mit einer Hohlwelle 3 kommuniziert, an der die Jochplatte 1 befestigt ist. Mittels dieser Hohlwelle 3 ist die Jochplatte 1 um eine gemeinsame konzentrische Achse A drehbar. Diese Jochplatte ist nahezu so groß wie die in Fig. 2 dargestellte Targetplatte, so daß die für die Jochplatte geltenden geometrischen Ver hältnisse sehr weitgehend auch für die Targetplatte gelten. Der Rand der Targetplatte 4 ist in Fig. 1 strichpunktiert dargestellt.

Es ist zu erkennen, daß im Randbereich der Targetplatte 4 ein erstes Magnetsystem M 1 angeordnet ist, das aus zwei konzentrisch ineinanderliegenden, in sich geschlossenen Reihen von Permanentmagneten 5 und 6 besteht, wobei die Magnete 5 der äußeren Reihe untereinander die gleiche Pollage aufweisen (z.B. "N"), gegenüber der inneren Magnetreihe 6 die entgegengesetzte Pollage auf weisen. Die Magnete 6 der inneren Reihe haben beispielsweise die Pollage "S". Dadurch wird in an sich bekannter Weise über der Targetplatte 4 ein in sich geschlossener Tunnel aus von der Magnetreihe 5 ausgehenden und zur Magnetreihe 6 zurückkehrenden magnetischen Feldlinien gebildet. Das erste Magnetsystem M 1 erzeugt im Fall von Fig. 1 einen zur Drehachse A konzentrischen magnetischen Tunnel.

Zwischen der Drehachse A und dem ersten Magnetsystem M 1 befindet sich ein exzentrisch versetztes zweites Magnet system M 2, das gleichfalls aus zwei ineinanderliegenden, in sich geschlossenen Reihen von Permanentmagneten 7 und 8 besteht, wobei die Magnete der äußeren Magnete 7 untereinander die gleiche Pollage (z.B. "S"), gegenüber der inneren Reihe von Magneten 8, jedoch die entgegenge setzte Pollage einnimmt. Die innere Reihe von Magneten 8 besitzt in sich wiederum die gleiche Pollage (z.B. "N"). Dadurch wird erreicht, daß über der Targetplatte 4 ein zweiter, in sich geschlossener Tunnel aus magnetischen Feldlinien aufgebaut wird, die von der einen Magnet reihe (7) ausgehen und zur anderen Magnetreihe (8) zurückkehren. Es ist weiterhin zu erkennen, daß das Magnetsystem M 2 bzw. der dadurch gebildete magnetische Tunnel sich nur über einen Sektor der Targetplatte er streckt, und zwar etwa über einen Quadranten der Target platte 4.

Aus Fig. 1 geht weiterhin hervor, daß die äußere Reihe von Permanentmagneten 7 des zweiten Magnetsystems M 2 sich über einen Dreiviertelkreis erstreckt, also einen vierten Quadranten freiläßt, der durch die beiden strichpunktierten Linien angedeutet ist. Innerhalb des vierten Quadranten wird die Reihe der Permanentmagnete 7 durch Permanentmagnete 6 a der inneren Reihe von Permanent magneten 6 des ersten Magnetsystems M 1 ergänzt, so daß in diesem Quadranten die unmittelbar benachbarte Parallel anordnung von Magneten gleicher Pollage vermieden und diese Magnete eingespart werden.

Dabei verläuft die innere Reihe von Permanentmagneten 8 des zweiten Magnetsystems M 2 mit im wesentlichen den gleichen Abständen zu den Permanentmagneten 7 entgegen gesetzter Pollage.

Bei einer Drehung des Magnetsystems gemäß Fig. 1 relativ zur Targetplatte 4 stellt sich der Effekt ein, daß jedes Flächenelement der Targetplatte 4 etwa dem gleichen Produkt aus Verweilzeit und Intensität des Plasmas dergestalt ausgesetzt ist, daß der mittlere Bereich gleichmäßiger und am Rande stärker abetragen wird, so daß ein gegenüber der Targetplatte angebrachtes Substratfeld gleichmäßig beschichtet wird.

In Fig. 2 wird gezeigt, daß die Targetplatte 4, die bereits einen deutlichen Materialverbrauch erkennen läßt, auf einem Katodengrundkörper 9 befestigt ist (beispielsweise durch Löten oder Bonden), der aus einer kreisscheibenförmigen Kupferwanne besteht. Der Katodengrundkörper 9 ist an einer Tragplatte 10 befestigt, die ihrerseits über nicht gezeigte Isolatoren mit der gleichfalls nicht ge zeigten Vakuumkammer verbunden ist. Zwischen dem Katoden grundkörper 9 und der Tragplatte 10 wird ein flacher zylindrischer Hohlraum 11 gebildet, in dem die Joch platte 1 mit den hier nicht näher bezeichneten Permanent magneten (schwarze Flächen) konzentrisch und drehbar angeordnet ist. Zum Zwecke einer Drehung der Jochplatte 1 ist sie an der Hohlwelle 3 befestigt, die sich über eine Drehlagerung 12 an der Tragplatte 10 abstützt. Die Hohl welle 3 dient zur Einleitung und Ableitung von Kühlwasser, wobei die Kühlwasserführungen der Einfachheit halber fortgelassen sind. Die Hohlwelle 3 wird über eine Zahnscheibe 13 und einen Zahnriemen 14 in Drehung ver setzt.

Fig. 3 zeigt die maßstäbliche Anordnung der einzelnen Permanentmagnete in weitgehender Übereinstimmung mit Fig. 1, so daß auf eine Bezifferung verzichtet wurde. Es ist jedoch zu erkennen, daß die beiden Reihen von Permanentmagneten des ersten bzw. äußeren Magnetsystems M 1 auf einem Teilumfang der Jochplatte 1 etwas radial einwärts versetzt angeordnet sind, so daß auch der äußere magnetische Tunnel bei seiner Drehung relativ zur Targetplatte eine Art Wobbelbewegung aus führt. Dieser Wobbelbewegung des magnetischen Tunnels folgt naturgemäß das von dem magnetischen Tunnel ein geschlossene Plasma. Ähnliche Überlegungen gelten auch für das durch das zweite, innere Magnetsystem M 2 eingeschlossene Plasma, allerdings in sehr verstärktem Maße. Die beiden Plasmaräume und ihre rotierende Be wegung ergänzen sich in vorteilhafter Weise und be wirken eine gleichförmige bzw. flächige Beschichtung des Substrats bzw. der Substrate innerhalb des Substrat feldes.

Claims

1. Magnetron-Zerstäubungskatode für Vakuum-Beschichtungs anlagen mit einer kreisförmigen Targetplatte aus dem zu zerstäubenden Material und mit mindestens einem hinter der Targetplatte angeordneten Magnetsystem, das aus jeweils zwei ineinanderliegenden in sich ge schlossenen Reihen von Permanentmagneten besteht, wobei die Magnete einer jeden Reihe die gleiche Pol lage, die Magnete beider Reihen aber zueinander eine entgegengesetzte Pollage aufweisen, derart, daß über der Targetplatte mindestens ein in sich geschlossener Tunnel aus von der einen Magnetreihe ausgehenden und zur anderen Magnetreihe zurückkehrenden magnetischen Feldlinien gebildet wird, und mit einer Antriebs einrichtung für die kontinuierliche Drehung des Magnet systems um die Mittenachse der Targetplatte, dadurch gekennzeichnet, daß

a) im Randbereich der Targetplatte (4) ein erstes Magnetsystem (M 1) für die Erzeugung eines ersten, zur Drehachse (A) im wesentlichen konzentrischen magnetischen Tunnels angeordnet ist, und daß
b) zwischen der Drehachse (A) und dem ersten Magnet system (M 1) ein exzentrisch versetztes zweites Magnetsystem (M 2) angeordnet ist, das einen zweiten magnetischen Tunnel erzeugt, der sich nur über einen Sektor der Targetplatte (4) erstreckt,

2. Magnetron-Zerstäubungskatode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Magnetsystem (M 2) eine äußere Reihe von Permanentmagneten (7) auf weist, welche Reihe sich über einen Dreiviertel kreis erstreckt, dessen vierter Quadrant durch Permanentmagnete (6 a) der inneren Reihe von Permanentmagneten (6) des ersten Magnetsystems (M 1) ergänzt wird, und daß die innere Reihe von Perma nentmagneten (8) des zweiten Magnetsystems (M 2) mit im wesentlichen gleichen Abständen zu den Permanent magneten (7) entgegengesetzter Pollage verläuft.

3. Magnetron-Zerstäubungskatode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Permanent magnete (5, 6, 6 a, 7, 8) auf einer drehbaren, zur Targetplatte (4) koaxialen ferromagnetischen Joch platte (1) angeordnet sind, die auf einer Hohl welle (3) befestigt ist, und daß die beiden Magnet reihen des zweiten, inneren Magnetsystems (M 2) beiderseits der Öffnung (2) der Hohlwelle verlaufen.