DE3727901C2

DE3727901C2 -

Info

Publication number: DE3727901C2
Application number: DE3727901A
Authority: DE
Inventors: Bernd 6450 Hanau De Wolf; Peter Dipl.-Phys. Dr. 6296 Waldernbach De Wirz
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1987-08-21
Filing date: 1987-08-21
Publication date: 1992-11-26
Also published as: DE3727901A1; US4810346A

Description

Die Erfindung betrifft eine Zerstäubungskathode nach dem Magnetronprinzip mit einem Target aus dem zu zerstäubenden Material, mit einem hinter dem Target angeordneten, ein ringförmiges Magnetjoch aufweisendes Permanentmagnetsystem mit Magneteinheiten wechselnder Polung, durch die minde stens ein in sich geschlossener magnetischer Tunnel aus bogenförmig gekrümmten Feldlinien gebildet wird, wobei die dem Traget abgekehrten Pole der Permanentmagneteinheiten über ein topfförmiges Magnetjoch miteinander verbunden sind und zumindest einer der Permanentmagnete durch einen Elektromagneten beeinflußt ist und das die Permanentmagne te tragende Magnetjoch ringförmig ausgebildet ist.

Durch die DE-OS 34 42 206 ist eine Zerstäubungskathode der eingangs beschriebenen Gattung bekannt, die für die Zer stäubung von Targets aus ferromagnetischen Werkstoffen vorgesehen ist. Bei einem der beiden Ausführungsbeispiele werden durch zwei konzentrisch ineinanderliegende Magnet einheiten in Verbindung mit zwei konzentrischen, in dem Target angeordneten Luftspalte zwei in sich geschlossene, ineinanderliegende magnetische Tunnels aus bogenförmig gekrümmten Feldlinien gebildet. Da aber hierbei die magne tischen Felder über die beiden Luftspalte magnetisch in Reihe geschaltet sind, lassen sich die Feldstärken der beiden Tunnels nicht unabhängig voneinander beeinflussen. Dadurch entstehen im Bereich der beiden magnetischen Tun nels voneinander verschiedene Zerstäubungsraten und im Bereich des dem Target gegenüberliegenden Substrats auch sehr unterschiedliche Niederschlagsraten, so daß die Schichtdickenverteilung sehr ungleichförmig ist.

Durch die DE-OS 22 43 708 ist es bekannt, bei Stabkathoden Magneteinheiten in axialer Richtung hintereinander anzu ordnen, um dadurch die Zerstäubung des Targetmaterials zu vergleichmäßigen. Auch für die dort beschriebenen planaren Targets wird angegeben, daß man konzentrische, ineinander liegende magnetische Tunnels vorsehen kann. Auch hier sind Möglichkeiten einer getrennten Einstellung eines jeden magnetischen Tunnels, unabhängig vom jeweils benachbarten Tunnel, nicht vorgesehen und auch nicht möglich.

Durch eine unter der Bezeichnung "Con Mag" von der Firma Varian vertriebene Zerstäubungskathode der eingangs beschriebenen Gattung ist es weiterhin bekannt, innerhalb einer kreisringförmigen Jochplatte mit Abstand eine kreis scheibenförmige Jochplatte vorzusehen und jeder Jochplatte zwei unabhängig voneinander wirkende, entgegengesetzt gepolte Magneteinheiten zuzuordnen, wobei über dem kreis ringförmigen Magnetsystem ein Target mit einer kegelförmi gen Zerstäubungsfläche und über dem kreisscheibenförmigen Magnetsystem eine ebene Targetplatte angeordnet ist. Mittel für die Beeinflussung der Magnetfeldstärke der zwei gebildeten Tunnels, unabhängig voneinander, sind nicht vorgesehen. Bei dieser Zerstäubungskathode muß der Zer stäubungseffekt so in Kauf genommen werden, wie er durch die relative Lage der magnetischen Tunnels zu den Zerstäu bungsflächen vorgegeben ist.

Nun hat der Abstand des Magnetsystems bzw. der Magnet systeme von dem Target, insbesondere dann, wenn es aus einem nichtferromagnetischen Werkstoff besteht, einen erheblichen Einfluß auf die Feldlinienverteilung über der Zerstäubungsfläche und damit auf das sogenannte "Erosions profil". Um den zunehmenden Verbrauch des Targetmaterials durch Ausbildung eines Erosionsgrabens zu kompensieren, wird in der DE-OS 30 47 113 angegeben, mit fortschreiten dem Verbrauch des Targetmaterials den Abstand des Magnet systems von der Targetrückseite zu verändern. Das betref fende Magnetsystem besteht jedoch nur aus zwei Magnetein heiten, die einen einzigen magnetischen Tunnel erzeugen.

In den Ansprüchen der DD-PS 2 00 042 wird eine Kathode nach dem Magnetronprinzip beschrieben, die ein einteiliges Target, ein hinter dem Target angeordnetes, in bekannter Weise eine Magnetronentladung erzeugendes Magnetsystem mit topfförmiger Struktur und Permanentmagnetpolen und einen im Topf angeordneten, regelbaren Elektromagneten aufweist. Das variable Magnetfeld wird mit steuerbarer Gleichstrom versorgung erzeugt.

In den Ansprüchen der US-PS 44 01 539 wird ebenfalls eine Kathodenanordnung nach dem Magnetronprinzip beschrieben, die ein Planartarget und das übliche topfförmige Magne tronmagnetsystem mit Permanentmagneten, Jochen aus hoch permeablem Magnetmaterial sowie Elektromagnetspulen in den Topfhohlräumen aufweist, um damit das erzeugte Magnetfeld zu beeinflussen. Die Stromversorgung der Spulen kann mit Strom verschiedener Wellenformen, d.h. auch mit Rechteck impulsen von beispielsweise 10 s Dauer (=0,1 Hz), erfol gen, wobei die Steuerung mittels EDV-Prozeßregelung durch geführt werden kann. Außerdem kann das Planartarget aus magnetischem Material bestehen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Zer stäubungskathode sowohl für magnetische als auch für nichtmagnetische Targetmaterialien anzugeben, die zu Schichten mit sehr gleichmäßiger Schichtdickenverteilung führt und die eine besonders gute Ausnutzung der Targets ermöglicht.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der eingangs beschriebenen Zerstäubungskathode erfindungsgemäß dadurch, daß die Wicklung der als Elektromagnet ausgebildeten Ma gneteinheit einen Spulenkern aufweist, dessen dem Target zugewandtes Ende einen Permanentmagneten trägt.

Um der von einem Wechselstrom durchflossenen Wicklung des Elektromagneten einen festen Zusammenhalt zu geben und um eine sichere Isolierung gegenüber dem Magnetjoch zu gewährleisten, ist mit Vorteil die im topfförmigen Magnet joch des Elektromagneten angeordnete, kreisringförmig gewickelte Magnetspule zumindest teilweise von einem Iso lierstoffkörper umschlossen.

Bei einer alternativen Ausführungsform der Zerstäubungs kathode ist das die Permanentmagnete tragende Magnetjoch als ein langgestrecktes, im wesentlichen schalenförmiges Teil und der das Target haltende Grundkörper als U-förmi ges Profilteil ausgebildet, wobei zweckmäßigerweise die Wicklung des Elektromagneten einerseits vom schalenförmi gen Magnetjoch und andererseits vom Bodenteil des Grund körpers umschlossen ist.

Des weiteren weist das langgestreckte schalenförmige Ma gnetjoch eine einen Spulenkern bildende Rippe auf, die sich parallel der beiden Längswände des Magnetjochs er streckt und die Teil des Jochbodens ist.

Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausführungs möglichkeiten zu; zwei davon sind in den anhängen den Zeichnungen schematisch näher dargestellt, und zwar zeigt

Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine Zerstäubungskathode mit einem Elektromagneten mit einem hohlzylindrischen Joch

Fig. 2 Darstellung des Feldverlaufs der Hz-Komponente bei I₁ (x) und Strom I₂ (O) am Elektromagneten gemäß Fig. 1

Fig. 3 Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Spulenstroms am Elektromagneten gemäß Fig. 1

Fig. 4 eine perspektivische Teildarstellung einer Zerstäubungskathode mit einem kastenförmig ausgebildeten Joch

Fig. 5 ein Blockschaltbild der Stromversorgung der Zerstäubungskathode

Fig. 6-11 Darstellungen verschiedener Abtragsprofile, und zwar von Targets herkömmlicher Kathoden im Vergleich zu der Kathode nach Fig. 1

In Fig. 1 ist eine Zerstäubungskathode 1 dargestellt, deren tragender Teil ein topfförmiger, hohler Grundkörper 2 ist, der wegen der thermischen Belastung aus einem gut wärmeleitenden Werkstoff (Kupfer) besteht und mittels eines umlaufenden Flansches 3 unter Zwischenschaltung eines Isolierstoffkörpers 4 in eine Wand 5 einer hier nicht näher gezeigten Vakuumkammer eingesetzt ist.

Der Grundkörper 2 besitzt eine größtenteils ebene Stirnplatte 6. Auf der Außenseite der Stirnplatte 6 ist durch Bonden ein Target 11 befestigt. In der hinteren Öffnung des Grundkörpers 2 befindet sich ein Magnetsystem mit mehreren Magneteinheiten 14, 15, 16, die in bezug auf die Achse A ineinanderliegen und sämtlich aus permanentmagnetischem Material bestehen und in axialer Richtung magnetisiert sind. Die Magneteinheiten 15, 16 sind dabei aus mehreren quaderförmigen Permanentmagneten zusammengesetzt, deren Polflächen gleicher Polung im wesentlichen in einer Kreisringfläche liegen. Hierbei sei vernachlässigt, daß eine solche Aneinanderreihung von Permanentmagneten in Wirklichkeit zu einem vieleckigen Polygon führt. Die dem Target 11 abgekehrten Pole der Magneteinheiten 14, 15, 16 sind über ein Magnetjoch 19 aus weichmagnetischem Material in der in Fig. 1 gezeigten Weise miteinander verbunden. Das Magnetjoch 19 besteht dabei aus einem äußeren Jochteil, dessen Grundfläche eine Kreisringfläche ist, und aus einem inneren Jochteil, dessen Grundfläche eine Kreisfläche ist.

Die Magneteinheiten 14, 15, 16 sind dabei abwechselnd unterschiedlich gepolt, und zwar bilden die dem Target 11 zugekehrten Polflächen bei der Magneteinheit 14 einen Nordpol, bei der Magneteinheit 15 einen Südpol und bei der Magneteinheit 16 wieder einen Südpol. Dies führt im Hinblick auf die zwischen dem Target 11 vorhandenen Luftspalte zur Ausbildung eines magnetischen Tunnels 20, dessen Feldlinien in der rechten Hälfte von Fig. 1 gestrichelt dargestellt sind. In Wirklichkeit folgt der Tunnel 20 dem Verlauf des Luftspalts, ist also um die Achse A umlaufend geschlossen.

Das Jochteil 19 ist etwa topfförmig ausgebildet und mit einem sich zentral vom Bodenteil aus in Richtung auf das Target 11 zu erstreckenden Kern 18 versehen.

Neben der zentralen Magneteinheit 14 ist zusätzlich ein Elektromagnet 17 vorgesehen, dessen Magnetspule 22 in dem topfförmigen Jochteil aus weichmagnetischem Material angeordnet ist, wobei die Wicklung bzw. Magnetspule 22 um den Kern 18 herumgewickelt ist.

Der besondere Vorteil der dargestellten Ausführungsform einer Zerstäubungskathode 1 besteht nun darin, daß ein zusätzliches Magnetfeld, das durch den Elektromagneten 17 erzeugt wird, dem Feld der Permanentmagnete 14, 15, 16 aus Co-Sm oder Nd-Fe-B überlagert wird. Dadurch ändern sich die Geometrie und der Betrag des Magnetfeldes auf der Targetoberfläche. Diese Feldveränderung bewirkt eine Verschiebung des Plasmarings auf dem Target 11. Diese Verschiebung ist einmal abhängig vom verwendeten Permanentmagnetsatz 14, 15, 16 und vom Strom, der durch den Elektromagneten 17 fließt. Bei durchgeführten Versuchen hat diese Verschiebung, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, zwischen 5 und 8 mm betragen.

Den Strom zur Versorgung des Elektromagneten 17 liefert ein Verstärker 23, der über ein Oszillationsgerät 24 gesteuert wird. Die Art der Steuerung ermöglicht es, den Strom in Frequenz, Amplitude und Pulsform zu wählen. Es hat sich gezeigt, daß ein Wechselstrom, der durch Rechtecke unterschiedlicher Länge darstellbar ist (siehe Fig. 3), zu der größten Ausnutzung führt. Das Strommodul 25 ist erforderlich, damit der Strom, den der Verstärker 23 liefern soll, direkt der Steuerspannung des Oszillators 24 folgt. Das Modul 25 ist notwendig, da der Verstärker 23 durch die relativ große Induktivität des Magneten belastet ist.

Von Bedeutung für eine gute Arbeitsweise ist eine gute elektrische Isolierung zwischen dem Elektromagneten 17, der geerdet ist, und dem Grundkörper 2, der auf hohem Potential liegt. Die Funktionsfähigkeit der Vorrichtung ist nur bei guter Isolierung 7 gewährleistet.

Die in Fig. 1 dargestellte Zerstäubungskathode 1 weist den Vorteil auf, daß durch eine Veränderung des Magnetfeldes der gesamte Plasmaring veränderbar ist. Je nach Polung des Magneten 17 wird er größer oder kleiner.

Fig. 6 bis 11 zeigen verschiedene, mit der beschriebenen Kathode 1 erzielbare Versuchsergebnisse im Vergleich mit Targets, die mit einer Kathode mit verschiebbaren Permanentmagneten gesputtert wurden.

Fig. 6 und 7 zeigen die Abtragprofile für Cu- Targets, wobei unterschiedliche Permanentmagnetsätze verwendet wurden.

Fig. 8 zeigt ein Abtragprofil eines Cu-Targets, das mit Standardmagnetsatz und Hebesystem gesputtert wurde.

Die Fig. 9 bis 11 zeigen die Profile für Al- Targets. Fig. 9 und 10 zeigen die Veränderung des Sputtergrabens während der Versuchsdurchführung. Fig. 11 stellt ein Profil eines Al-Targets dar, das mit Standardmagnetsatz und Hebesystem gesputtert wurde.

Aus den Versuchsergebnissen erkennt man, daß die Sputtergräben durch die Verwendung des Elektromagneten breiter werden und die Targetausnutzung gegenüber Targets, die mit Hebesystem gesputtert werden, etwa um 8-10% steigt. Es ist klar, daß die beschriebene Kathode in Verbindung mit der Magnethebeeinrichtung noch bessere Ergebnisse ermöglicht.

Bei der Ausführungsform der Zerstäubungskathode 37 nach Fig. 4 ist das Magnetjoch 33 ein langgestrecktes, schalen- oder wannenförmiges Teil, das in seinem mittleren Abschnitt einen rippenförmigen Spulenkern 35 aufweist, um den der Draht der Spule 38 herumgewickelt ist, so daß das Spulenpaket einerseits von den einander parallelen Seiten- und Endwänden des Magnetjochs 30 und andererseits vom Bodenteil 34 des U-förmigen Grundkörpers 32 umschlossen ist. Die Permanentmagnete 27, 28, 29 sind auf dem rippenförmigen Spulenkern 35 bzw. auf der umlaufenden Randpartie 39 des schalenförmigen Magnetjochs 30 angeordnet. Oberhalb der sich während des Beschichtungsvorganges ausbildenden Rennbahn ist mit strichlierten Linien der durch die Magnetfeldkonfiguration erzeugte magnetische Tunnel 40 angedeutet. Dieser Tunnel 40 bildet sich entsprechend der ovalen Randpartie 39 des Magnetjochs 30 als geschlossene, endlose Rennbahn aus.

Auflistung der Einzelteile

1 Zerstäubungskathode 2 hohler Grundkörper
3 umlaufender Flansch
4 Isolierstoffkörper
5 Wand
6 ebene Stirnplatten
7 Isolierung, Isolierstoffkörper
11 Target
14 Magneteinheit
15 Magneteinheit
16 Magneteinheit
17 Elektromagnet
18 Kern, Spulenkern
19 Magnetjoch
20 Tunnel
22 Magnetspule, Wicklung
23 Verstärker
24 Oszillationsgerät
25 Strommodul
26 Stromversorgung
27 Permanentmagnet
28 Permanentmagnet
29 Permanentmagnet
30 Magnetjoch
31 Target
32 Grundkörper
33 Elektromagnet
34 Bodenteil
35 Spulenkern
36 Jochboden
37 Zerstäubungskathode
38 Wicklung
39 umlaufende Randpartie
40 Tunnel

Claims

1. Zerstäubungskathode (1, 37) nach dem Magnetronprin zip mit einem Target (11, 31) aus dem zu zerstäu benden Material, mit einem hinter dem Target (11, 31) angeordneten, ein ringförmiges Magnetjoch auf weisendes Permanentmagnetsystem (14, 15, 16 bzw. 27, 28, 29) mit Magneteinheiten wechselnder Polung, durch die mindestens ein in sich geschlossener magnetischer Tunnel (20, 40) aus bogenförmig gekrümmten Feldlinien gebildet wird, wobei die dem Target (11, 31) abgekehrten Pole der Permanent magneteinheiten (14, 15, 16 bzw. 27, 28, 29) über ein topfförmiges Magnetjoch (19 bzw. 30) miteinan der verbunden sind und zumindest einer der Perma nentmagnete (14, 15, 16 bzw. 27, 28, 29) durch einen Elektromagneten (17 bzw. 33) beeinflußt ist und das die Permanentmagnete (15, 16) tragende Magnetjoch ringförmig ausgebildet ist, dadurch ge kennzeichnet, daß die Wicklung (22) der als Elek tromagnet (17) ausgebildeten Magneteinheit einen Spulenkern (18) aufweist, dessen dem Target (11) zugewandtes Ende einen Permanentmagneten (14) trägt.

2. Zerstäubungskathode nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die im topfförmigen Magnetjoch (19) als Elektromagneten (17) angeordnete, hohl zylindrisch gewickelte Magnetspule (22) von einem Isolierstoffkörper (7) zumindest teilweise umschlossen ist.

3. Zerstäubungskathode nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die Permanentmagne te (27, 28, 29) tragende Magnetjoch (30) als ein langgestrecktes, im wesentlichen schalen- oder wannenförmiges Teil und der das Target (31) auf weisende Grundkörper (32) als U-förmiges Profilteil ausgebildet sind, wobei die Wicklung (33) des Elek tromagneten (33) einerseits vom schalenförmigen Magnetjoch (30) und andererseits vom Bodenteil (34) des Grundkörpers (32) umschlossen ist.

4. Zerstäubungskathode nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das langgestreckte, schalenförmige Magnetjoch (30) eine einen Spulen kern (35) bildende Rippe aufweist, die sich paral lel der beiden Längswände des Magnetjochs (30) erstreckt und die Teil des Jochbodens (36) ist.