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Die Erfindung betrifft eine großflächige Kathode, die Bestandteil einer Vorrichtung zum Magnetron-Sputtern ist und mittels der insbesondere auch Plasmaprozesse mit hohem Ionisierungsgrad durchführbar sind.
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Stand der Technik
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Das Magnetron-Sputtern gehört zu den mit am weitesten verbreiteten Verfahren der Vakuumbeschichtung, um dünne Schichten aus Metallen, Legierungen und chemischen Verbindungen abzuscheiden. Im Falle der Zerstäubung elektrisch leitfähiger Materialien wird dazu oftmals eine Gleichstromentladung erzeugt, wobei über einer Magnetron-Targetoberfläche Leistungsdichten von maximal 50 W/cm2 erzielt werden. Bei dielektrischen Materialien wird durch RF-Entladungen das Zerstäuben des Materials, das in Form eines sog. Targets vorliegt, erreicht. Hierbei werden über einer Magnetron-Targetoberfläche Leistungsdichten um die 10 bis 20 W/cm2 erzielt. Besonders hohe Abscheideraten für das Beschichten von Substraten mit chemischen Verbindungen werden durch reaktives Sputtern eines elektrisch leitfähigen Targets in einem Inertgas-Reaktivgas-Gemisch erreicht. Um auch elektrisch nichtleitende Materialien mit hoher Abscheiderate auf Substrate aufzubringen, wurde das reaktive Sputtern mit mittelfrequent gepulsten Entladungen in die Beschichtungstechnik eingeführt. [S. Schiller, K. Goedicke, J. Reschke, V. Kirchhoff, S. Schneider, F. Milde: Pulsed magnetron sputter technology, Surf. Coat. Technol. 61 (1993) 331–337].
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Es gibt Vakuumbeschichtungsverfahren, wie z. B. das Vakuumbogenverdampfen (arc evaporation) oder das Laser-Beschichten (laser ablation deposition), die verfahrensimmanent einen hohen Ionisierungsgrad und damit eine wirkungsvolle Steuerbarkeit des Kondensationsprozesses durch ionengestützte Prozessführung ermöglichen. Beim Magnetron-Sputtern ist dagegen der Ionisierungsgrad und damit das Potential zur Verbesserung von Schichteigenschaften begrenzt. Die Begründung liegt im Mechanismus der Magnetron-Entladung selbst, der eine hohe Plasmadichte in unmittelbarer Nähe der Kathode, d. h. des Targets, durch ein speziell geformtes Magnetfeld beinhaltet. Dabei ist die hinter dem als Kathode geschalteten Target angeordnete Magnetfeld erzeugende Einrichtung meist derart ausgebildet, dass sich auf der Targetoberfläche ein in sich geschlossenes (also ringförmiges) und tunnelförmiges Magnetfeld ausbildet. Die Ladungsträgerdichte im Bereich des zu beschichtenden Substrates ist dagegen größenordnungsmäßig geringer und liegt maximal im Prozentbereich, bezogen auf die Ladungsträgerdichte vor der Kathode. Es ist meist nicht möglich, angestrebte Verbesserungen der Schichteigenschaften bei zu geringer Plasmadichte im Bereich des Substrates dadurch zu erreichen, dass die Vorspannung am Substrat gegenüber dem Plasmapotential vergrößert wird. Die höhere Teilchenenergie führt zu veränderten Elementarprozessen während des Kondensationsprozesses, zum Beispiel zur Besetzung von Zwischengitterplätzen, massiven Strukturdefekten oder Änderung der Schichtzusammensetzung im Falle von Schichten aus chemischen Verbindungen.
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Es sind deshalb unterschiedliche Methoden und Einrichtungen zum Zerstäuben vorgeschlagen worden, um eine Verbesserung des plasmaaktivierten Sputterns zu erreichen. So ist es bekannt, für Zerstäubungseinrichtungen entsprechend dem Magnetron-Prinzip zusätzliche magnetfelderzeugende Spulen oder Permanentmagnete zu verwenden, die ein Magnetfeld erzeugen, welches dem Magnetron-Magnetfeld überlagert wird und Feldlinien in Richtung der Verbindungslinie vom Target zum Substrat aufweist. Aus der großen Zahl derartiger Anordnungen sei beispielhaft Wang [J. Wang, Y.-H. Yu, S. C. Lee, Y.-W. Chung: Tribological and optical properties of crystalline and amorphous alumina thin films grown by low-temperature reactive magnetron sputtering, Surf. Coat. Technol. 146–147 (2001) 189–194] genannt. Die Zusatz-Magnetfelder haben die Form eines Helmholtz-Feldes oder wirken als Solenoid-Spulen in Substratnähe und gegebenenfalls zusätzlich im Bereich des Targets.
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Andere Anordnungen von Magnetpolen oder Spulen sollen auf der gesamten Wand des Rezipienten eine Region höherer Plasmadichte erzeugen. Beispielhaft hierfür sind sog. Closed-Field-Anordnungen [D. G. Teer: A Magnetron Sputter Ion Plating System, Surf. Coat. Technol. 36 (1988) 901–907]. Trotz eines teilweise hohen apparativen Aufwandes sind die erreichbaren Werte für die Plasmadichte in Substratnähe und somit der extrahierbare Ladungsträgerstrom am Substrat auf wenige Prozent des Entladungsstromes begrenzt.
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Um den Ionisierungsgrad zu erhöhen, kann einem Plasma auch induktiv eingekoppelte Energie zugeführt werden. Dazu dienen z. B. Induktionsspulen außerhalb des Rezipienten oder im Inneren des Rezipienten im Bereich der Wandungen und Hochfrequenz-Generatoren mit den erforderlichen Anpass-Netzwerken. Auch solche Einrichtungen, wie sie z. B. in
US 6,187,151 und
US 6,350,353 vorgeschlagen werden, sind technisch aufwändig und stellen für größere Substratausdehnungen und hohe Leistungen eine erhebliche Komplizierung und Verteuerung der Zerstäubungseinrichtung dar.
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Das gepulste Einspeisen von Energie in eine Magnetron-Entladung (
DD 252 205 ;
DE 37 00 633 C1 ) mit einer Pulsfrequenz im Bereich von 10 bis 200 kHz, was an sich zum Verhindern des Umschlagens der Magnetron-Entladung in eine Bogenentladung beim reaktiven Abscheiden von Verbindungsschichten eingeführt worden ist, ist ebenfalls mit einer Erhöhung des Ladungsträgerbombardements und der Aktivierung des Kondensationsprozesses einer aufwachsenden Schicht verbunden.
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Eine Weiterentwicklung einer gepulsten Magnetron-Entladung ist aus
DE 103 03 428 A1 bekannt. Hier wird vorgeschlagen die Stärke eines Magnetron-Magnetfeldes periodisch oder aperiodisch zu verringern. Auf diese Weise kann in den Phasen der verringerten Magnetfeldstärke der Ionisierungsgrad des Plasmas erhöht werden. Allerdings ist auch bei dieser Vorgehensweise die Erhöhung des Ionisierungsgrades nur sehr gering, wobei der erzielbare Ionisierungsgrad immer noch im einstelligen Prozentbereich angesiedelt ist. So bleibt auch die dabei über der Magnetron-Targetoberfläche erzielte Leistungsdichte nur in einem Bereich von maximal 500 W/cm
2, wie es von anderen Magnetron-Sputterprozessen bekannt ist.
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Den Ionisierungsgrad beim Magnetron-Sputtern entscheidend zu erhöhen gelang mit dem so genannten „Hochleistungs-Puls-Magnetronzerstäuben” [englisch „High Power (Im)Puls Magnetron Sputtering”], wofür die Kürzel HIPIMS oder HPPMS verwendet werden. Bei diesem Verfahren wird ein Plasma durch einzelne Pulse hoher Leistungsdichte angeregt, wobei das Plasma durch periodisches Entladen einer Kondensatorbank generiert wird. Mit den speziell für HIPIMS konfigurierten Stromversorgungsgeräten werden Leistungsdichten auf der Targetoberfläche von über 1 kW/cm2 erzielt. Der Ionisierungsgrad der abgestäubten Targetpartikel liegt in einem Bereich von bis zu 80%.
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Die während eines Pulses zugeführte elektrische Leistung kann bis in den Megawattbereich gehen und die dem Target zugeführte Leistung mehre kW/cm2 betragen, woraus eine enorme thermische Belastung für das Magnetron resultiert.
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Seitens der für HIPIMS-Verfahren konzipierten Stromversorgungseinrichtungen ist es zwar möglich, hohe elektrische Ströme zu generieren, diese hohen Ströme in einen Puls zu treiben ist jedoch nur begrenzt umsetzbar, denn die Stromanstiegsgeschwindigkeit bei HIPIMS-Pulsen ist nicht wesentlich höher als beim konventionellen Magnetron-Sputtern. Die Pulsdauer muss deshalb meist deutlich größer gewählt werden als beim konventionellen Puls-Magnetron-Sputtern, was die technische Anwendbarkeit durch die damit verbundene starke Zunahme von parasitären Bogenentladungen (Arcing) empfindlich einschränkt. Dies wird umso problematischer, je größer die Fläche eines hierbei verwendeten Targets wird.
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Bei einem Arc wird ein Großteil der in das Target eingespeisten elektrischen Energie über den Arc in einen punktförmigen Flächenbereich eines mittels Magnetron-Sputtern zu beschichtenden Substrates eingetragen. In Abhängigkeit von der Zeit führt der akkumulierte Energieeintrag des Arcs zu Verpuffungen des Schichtmaterials in diesem punktförmigen Flächenbereich und somit zur Spritzerbildung, was sich negativ auf die Homogenität der abgeschiedenen Schicht auswirkt. Im schlimmsten Fall kann ein sich ausbildender Arc auch zur Beschädigung des Substrates führen.
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Es ist daher zweckmäßig, das Entstehen eines Arcs mittels einer geeigneten Einrichtung schnell zu erkennen und die Energiezufuhr am Target und somit den Arc zu unterbrechen, noch bevor die akkumulierte Arc-Energie zu negativen Auswirkungen hinsichtlich der Schichteigenschaften auf dem Substrat führt. Je größer die Fläche eines Targets bei gleichbleibender Leistung pro Flächeneinheit wird, umso größer wird die gesamte in das Target eingespeiste Energie und umso größer wird demzufolge auch die Energie, die durch einen Arc in die abgeschiedene Schicht bzw. in das Substrat pro Zeiteinheit eingetragen wird. Je größer die Arc-Energie pro Zeiteinheit wird, umso schneller muss demzufolge eine Arc-Abschaltung reagieren, um negative Auswirkungen an der abgeschiedenen Schicht bzw. am Substrat zu vermeiden. Ein Arc hat aber nicht nur deshalb negative Auswirkungen auf die Schichthomogenität, weil der punktförmige Energieeintrag zu Spritzern führen kann. Negativ auf die Schichthomogenität wirkt sich ebenfalls aus, dass das Abschalten eines Arcs durch eine temporäre Unterbrechung der Energiezufuhr am Target realisiert wird, wodurch in dieser Zeit keine Partikel vom gesamten Target abgestäubt werden können.
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Aktuelle Arc-Handling-Systeme können einen Arc innerhalb von etwa 1 bis 5 μs erkennen und abschalten. In Abhängigkeit von der in ein Target eingespeisten Leistung pro Flächeneinheit können damit heutzutage HIPIMS-Prozesse, die ein hochgradig ionisiertes Plasma bewirken, mit Targetflächen von etwa 500 bis 750 cm2 derart gehandhabt werden, dass Arcs noch rechtzeitig durch einen Stopp der Energiezufuhr am Target unterbunden werden können, bevor die Schichteigenschaften einen Toleranzbereich verlassen. Targets mit noch größeren Flächen bei gleichbleibender Leistung pro Flächeneinheit sind hingegen nicht verwendbar, weil hierfür Arc-Handling-Systeme mit Arc-Erkennungs- und Arc-Abschaltzeiten im Nanosekundenbereich erforderlich wären, die aber nicht verfügbar sind.
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Insbesondere bei der Beschichtung von Architekturglas oder beim Herstellen von Displays und Solarzellen ist es jedoch wünschenswert, noch größere Substratflächen mittels HIPIMS-Prozessen zu beschichten. Zur Lösung dieses Problems wäre es beispielsweise möglich, mehrere bekannte HIPIMS-Magnetrons nebeneinander über die Breite eines zu beschichtenden Substrats anzuordnen. Dies führt jedoch zu unterschiedlichen Schichteigenschaften über die Substratbreite betrachtet, weil an den Enden eines Magnetrons und somit an den Stoßstellen zweier benachbarter Magnetrons Schichten mit anderen Eigenschaften abgeschieden werden als in der Mitte eines Magnetrons.
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Aufgabenstellung
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Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine großflächige Kathode als Bestandteil einer Vorrichtung zum Magnetron-Sputtern zu schaffen, mittels der die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden können. Insbesondere soll die Vorrichtung eine größere Targetfläche als im Stand der Technik aufweisen und trotzdem homogene Abstäubergebnisse über die Targetfläche hinweg ermöglichen. Desweiteren sollen damit insbesondere auch Sputterprozesse mit hohem Ionisierungsgrad (HIPIMS-Prozesse) durchführbar sein.
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Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Eine erfindungsgemäße großflächige Kathode umfasst ein Target sowie eine hinter dem Target angeordnete Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetron-Magnetfeldes, welches das Target durchdringt und über der Targetoberfläche tunnelförmig ausgebildet ist und wobei der gebildete Tunnel ringförmig in sich geschlossen ist. Das Target selbst, von dem während eines Sputtervorgangs Materialpartikel abgestäubt werden, besteht aus mindestens zwei Teiltargets, die voneinander elektrisch isoliert ausgebildet sind. Mittels mindestens einer Stromversorgungseinrichtung werden die Teiltargets separat voneinander mit elektrischer Energie versorgt. Ein weiteres Merkmal einer erfindungsgemäßen Kathode besteht darin, dass sich auf der Oberfläche jedes Teiltargets ein Abschnitt des ringförmigen Magnetfeldtunnels erstreckt.
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Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung können Targetflächen von nahezu beliebiger Größe realisiert werden, denn das Arc-Handling braucht hierbei nicht bezogen auf die Gesamttargetfläche und somit auf die Gesamtflächenleistung betrieben werden, sondern dadurch, dass jedes Teiltarget separat mit elektrischer Energie versorgt wird, braucht das Arc-Handling auch nur bezogen auf jeweils ein einzelnes Teiltarget betrieben werden. Die Flächen der einzelnen Teiltargets sind dabei nur so groß zu dimensionieren, dass die in ein Teiltarget eingespeiste elektrische Energie mit einer bekannten Einrichtung zum Erkennen und Abschalten von Arcs gehandhabt werden kann.
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Dadurch, dass sich hinter allen Teiltargets nur eine Magnetfeld erzeugende Vorrichtung befindet, die nur ein einziges für das Magnetron-Sputtern charakteristisches tunnelförmiges und in sich geschlossenes Magnetfeld erzeugt, dessen Tunnelring sich über alle Teiltargets hinweg erstreckt, wird auch über alle Teiltargetflächen hinweg ein durchgehend homogener Sputterertrag erzielt, der wiederum zu homogenen Eigenschaften einer auf einem Substrat abgeschiedenen Schicht führt. Während eines Sputtervorgangs werden die das Magnetfeld charakterisierenden Parameter üblicherweise nicht aktiv verändert.
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Ist eine erfindungsgemäße Kathode beispielsweise Bestandteil eines Planarmagnetrons (auch Rechteckmagnetron genannt), wird die Targetfläche des Magnetrons zweckmäßigerweise in der Längsausdehnung in Teiltargetflächen untergliedert. Auf diese Weise lässt sich durch das Aneinanderreihen von Teiltargets ein Planarmagnetron mit einer nahezu beliebigen Länge realisieren, da ein entsprechendes Aufskalieren der Magnetfeld erzeugenden Einrichtung keine größeren technischen Probleme bereitet. Eine erfindungsgemäße Kathode kann aber nicht nur Bestandteil eines Planarmagnetrons sein, sondern es können auch Magnetrons mit kreisförmigen oder ringförmigen Targets erfindungsgemäß konfiguriert sein. Weist eine erfindungsgemäße Kathode ein kreisförmiges oder ein ringförmiges Target auf, so können deren Teiltargetflächen beispielsweise als Kreissegmente bzw. Ringsegmente ausgebildet sein.
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Wie bereits zuvor beschrieben ist es wesentlich, dass benachbarte Teiltargets voneinander elektrisch isoliert ausgebildet sind. Dies kann beispielsweise realisiert werden, indem ein elektrisch isolierendes Material zwischen die Teiltargets eingebracht wird oder indem benachbarte Teiltargets einfach mit einem Luftspalt voneinander beabstandet werden. An dieser Stelle sei angemerkt, dass der hier als Luftspalt bezeichnete Spalt während des Einsatzes in einer Vakuumkammer natürlich nicht mehr mit Luft, sondern mit dem in der Vakuumkammer vorherrschenden Vakuum ausgefüllt ist. Der Luftspalt sollte jedoch nicht zu groß sein, weil im Bereich des Spaltes kein Targetmaterial abgestäubt werden kann. Ist der Spalt zu groß, wirkt sich dies wieder negativ auf die Homogenität der abgeschiedenen Schicht aus. Ist der Spalt jedoch zu gering, kann dies zu elektrischen Überschlägen von einem Teiltarget zum benachbarten Teiltarget führen. Der Spalt zwischen zwei benachbarten Teiltargets sollte daher eine Breite von 0,1 mm bis 50 mm aufweisen. Vorzugsweise ist der Spalt mit einer Breite von 0,5 mm bis 10 mm ausgebildet. In diesem Spaltbreitenbereich sind sehr gute Resultate hinsichtlich der Schichthomogenität erzielbar.
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Sind zwei benachbarte Teiltargets mit einem senkrecht zur Targetoberfläche verlaufenden Spalt voneinander beabstandet, so können auf die Targetoberfläche hin beschleunigte Teilchen, die im Wesentlichen senkrecht auf die Targetoberfläche auftreffen, den Spalt durchqueren und die darunter liegende Magnetfeld erzeugende Einrichtung beschädigen. Bei einer Ausführungsform ist der Spalt zwischen zwei benachbarten Teiltargets deshalb als sogenannter „verdeckter Spalt” ausgebildet. Unter dem Begriff „verdeckter Spalt” sind derartige Spaltgeometrien zu verstehen, die ein ungehindertes Durchqueren des Spaltes, von den im Wesentlichen senkrecht auf die Targetoberfläche auftreffenden Partikeln, verhindern. Ein verdeckter Spalt kann beispielsweise mit einem Winkel zur Oberflächensenkrechten des Targets, also schräg durch die Targetdicke hindurch verlaufen. Alternativ kann sich ein verdeckter Spalt beispielsweise auch wellenförmig oder stufenförmig durch die Targetdicke hindurch erstrecken.
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Mindestens zwei Teiltargets einer erfindungsgemäßen Kathode werden separat voneinander mit elektrischer Energie versorgt. Dies kann erfolgen, indem zumindest diese beiden Teiltargets einer Magnetron-Kathode jeweils mit einer separaten Stromversorgungseinrichtung elektrisch verbunden sind. Die Teiltargets, die von einer separaten Stromversorgungseinrichtung gespeist werden, können im DC-Betrieb oder auch im Pulsbetrieb und im Pulsbetrieb auch gleichzeitig oder aber zeitversetzt mit elektrischer Energie versorgt werden. Jedes Teiltarget mit einer separaten Stromversorgungseinrichtung zu verbinden erfordert jedoch bei einer Vielzahl von Teiltargets eine dementsprechende Vielzahl von Stromversorgungseinrichtungen und führt somit zu einem hohen materiellen Aufwand.
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Als gegenteiliges Extrem können aber auch alle Teiltargets einer erfindungsgemäßen Kathode mit nur einer Stromversorgungseinrichtung elektrisch verbunden sein und von der Stromversorgungseinrichtung beispielsweise im Pulsbetrieb nacheinander mit elektrischer Energie versorgt werden, so dass immer nur ein Teiltarget von der Stromversorgungseinrichtung gespeist wird. In Abhängigkeit von der Flächengröße der Teiltargets und somit in Abhängigkeit von der in ein Teiltarget eingespeisten Energie können aber auch mehrere Teiltargets gleichzeitig von einer Stromversorgungseinrichtung mit elektrischer Energie gespeist werden. Die Summe der von einer Stromversorgungseinrichtung gleichzeitig in mehrere Teiltargets eingespeisten Energie darf nur nicht größer werden, als sie mit verfügbaren Einrichtungen zur Arc-Abschaltung gehandhabt werden kann.
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Zwischen den beiden Extremen, entweder alle Teiltargets mit nur einer Stromversorgungseinrichtung zu verbinden oder allen Teiltargets jeweils eine separate Stromversorgungseinrichtung zuzuordnen, können bei einer erfindungsgemäßen Kathode auch alle anderen zahlenmäßig möglichen Anzahlen von Stromversorgungseinrichtungen verwendet werden, die dann entweder ein Teiltarget oder mehrere Teiltargets mit elektrischer Energie versorgen.
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Es ist hauptsächlich vom Substratmaterial und vom Schichtmaterial, welches auf dem Substrat durch Magnetron-Sputtern aufgestäubt werden soll, und natürlich auch von den gewährbaren Toleranzen bei den Schichteigenschaften abhängig, welche Gesamtenergiewerte bei einem Arc während eines Beschichtungsvorgangs durch Magnetron-Sputtern zugelassen werden können. Als grober Richtwert kann jedoch angenommen werden, dass die Gesamtenergie eines Arcs bis zu einem Wert von etwa 0,5 J zu Beeinträchtigungen des Abscheideprozesses führen, die noch im Toleranzbereich liegen. Ausgehend von diesem Energiewert, der Zeitspanne, innerhalb der ein Arc erkannt und abgeschaltet werden kann und von der maximal in ein Target eingespeisten Leistung pro Flächeneinheit, kann somit die maximal verwendbare Flächengröße eines Teiltargets bzw. die Gesamtfläche der gleichzeitig von einer Stromversorgungseinrichtung gespeisten Teiltargets ermittelt werden. Bei einer maximal zulässigen Arc-Gesamtenergie von 0,5 J, einer Abschaltzeit eines Arcs von 1 μs und einer eingespeisten maximalen Leistung von 1 kW/cm2 ergibt sich so beispielsweise eine maximale Targetfläche von 500 cm2, die gleichzeitig von einer Stromversorgungseinrichtung gespeist und von der zugehörigen Arc-Überwachungseinrichtung gehandhabt werden kann.
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In Abhängigkeit von der eingespeisten Leistung pro Flächeneinheit und vom Substratmaterial weisen die Teiltargets einer erfindungsgemäßen Kathode daher Flächen von 10 cm2 bis 2000 cm2 auf. Je kleiner die Teiltargetflächen innerhalb dieses Bereichs angesiedelt sind, umso mehr Stromversorgungseinrichtungen müssen gegebenenfalls eingesetzt werden. Je größer die Teiltargetflächen innerhalb dieses Bereichs sind, umso geringere Flächenleistungen können in die Teiltargets eingespeist werden. Vorzugsweise haben die Teiltargets einer erfindungsgemäßen Kathode daher eine Fläche von 200 cm2 bis 1000 cm2.
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Wie schon beim Stand der Technik, so kann auch bei einer erfindungsgemäßen Kathode das Target nur aus dem abzustäubenden Targetmaterial bestehen oder aber das Targetmaterial kann mittels Bond-, Schraub- oder Klemmverbindungen auf einer Kühlplatte (auch Bondplatte genannt) befestigt sein. Gleiches trifft demzufolge auch auf die Teiltargets einer erfindungsgemäßen Kathode zu. Diese bestehen dann analog ebenfalls nur aus dem Targetmaterial oder sind auf einer Kühlplatte befestigt. Ist das Kühlplattenmaterial dielektrisch, so können benachbarte Teiltargets auf einer gemeinsamen Kühlplatte befestigt sein, anderenfalls ist auch die Kühlplatte eines Teiltargets gegenüber der Kühlplatte eines benachbarten Teiltargets elektrisch isoliert auszuführen.
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Ausführungsbeispiel
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Fig. zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen großflächigen Kathode;
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2 eine schematische Darstellung des Targets der Kathode aus 1;
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3 eine schematische Darstellung der Magnetfeld erzeugenden Einrichtung der Kathode aus 1;
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4a bis 4f Spaltgeometrien zwischen zwei benachbarten Teiltargets;
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5 eine schematische Darstellung einer alternativen erfindungsgemäßen großflächigen Kathode.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße großflächige Kathode 1, die auch zum HIPIMS-Magnetron-Sputtern verwendet werden kann, schematisch dargestellt. Die Kathode 1 umfasst eine Einrichtung 2 zum Erzeugen eines für das Magnetron-Sputtern charakteristischen in sich geschlossenen Magnetfeldes, welches auf der Oberfläche des zur Kathode 1 gehörenden Targets 3 tunnelförmig ausgebildet ist. Das Target 3 besteht aus drei, jeweils 10 cm breiten und 50 cm langen Teiltargets 3a, 3b, 3c, die wiederum jeweils eine Kühlplatte 4a, 4b, 4c und das darauf gebondete Targetmaterial 5a, 5b, 5c umfassen. Die Kathode 1 weist somit eine Gesamttargetfläche von 1500 cm2 auf. Die drei Teiltargets 3a, 3b, 3c sind vom jeweils benachbarten Teiltarget mit einem Luftspalt von 2 mm beabstandet und somit voneinander elektrisch isoliert ausgebildet.
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Mittels einer HIPIMS-Stromversorgungseinrichtung 6 werden die drei Teiltargets 3a, 3b, 3c über eine Umschalteinrichtung 7 separat mit elektrischer Energie versorgt. Dabei beträgt die von der Stromversorgungseinrichtung 6 gespeiste Puls-Peak-Leistung 1 kW/cm2. In der Stromversorgungseinrichtung 6 integriert ist eine nicht dargestellte Einrichtung zum Erfassen und Abschalten eines Arcs, welche einen Arc spätestens nach 1 μs erfassen und abschalten kann. Die Umschalteinrichtung 7 stellt sicher, dass immer nur eines der Teiltargets 3a, 3b, 3c elektrisch mit der Stromversorgungseinrichtung 6 verbunden ist. Bei einer Puls-Peak-Leistung von 1 kW/cm2, einer Teiltargetfläche von 500 cm2 und einer maximalen Arc-Abschaltzeit von 1 μs ergibt sich im Spot eines Arcs somit eine maximale Arc-Gesamtenergie von 0,5 J, die bei vielen Anwendungsfällen nur Schichteigenschaftsschwankungen bewirkt, die sich noch im Toleranzbereich befinden. Wäre die Gesamttargetfläche der Kathode 1 als ein einziges durchgängiges Target ausgebildet, würden sich bei sonst gleichbleibenden Parametern Arc-Gesamtenergien von bis zu 1,5 J ergeben, was zumindest zu einer nichttolerablen Schädigung einer abgeschiedenen Schicht, wenn nicht gar zur Schädigung des Substrates, auf dem die Schicht abgeschieden wird, führen würde.
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In 2 ist das in die drei Teiltargets 3a, 3b, 3c unterteilte Target 3 von Kathode 1 aus 1 schematisch in einer Draufsicht dargestellt. In dieser Ansicht ist auch der für das Magnetronsputtern mit einem Planarmagnetron typische ringförmige Erosionsgraben 8 abgebildet, dessen Form sich infolge der Wirkung des von Einrichtung 2 erzeugten Magnetfeldes ergibt. Trotz der beiden Luftspalte zwischen den Teiltargtes 3a, 3b, 3c, in deren Bereichen der Erosionsgraben zwangsläufig unterbrochen ist, lassen sich über die Länge der Kathode 1 betrachtet in dem Bereich, in dem Erosionsgrabenabschnitte parallel zueinander verlaufen, ein homogener Sputterabtrag und somit auch homogene Schichteigenschaften während des Sputterns erzielen.
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Die sich unter allen drei Teiltargets hinweg erstreckende Einrichtung 2 aus 1 zum Erzeugen des ringförmigen und tunnelförmigen Magnetron-Magnetfeldes ist in 3 schematisch in einer Draufsicht dargestellt. Es ist zu sehen, dass die Einrichtung 2 aus einer Vielzahl von einzelnen aneinandergereihten Permanentmagneten 9 besteht und dass durch das Aneinanderreihen von zusätzlichen Permanentmagneten 9 die Einrichtung 2 in der Längsausdehnung beliebig vergrößert werden kann, so dass sich die Einrichtung 2 auch unter noch mehr als nur 3 Teiltargets hinweg erstrecken kann, wodurch sich die Länge der Kathode 1 und somit die Beschichtungsbreite eines Substrates bei homogenem Sputterabtrag nahezu beliebig verlängern lassen.
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Die 4a bis 4f veranschaulichen verschiedene Luftspaltgeometrien zwischen zwei benachbarten Teiltargets, die jeweils in einer Seitenansicht schematisch dargestellt sind, also in der gleichen Perspektive, wie die Teiltargets 3a, 3b, 3c in 1. Nur in der 4a umfassen die beiden Teiltargets jeweils eine mit gepunktetem Muster dargestellte Kühlplatte, auf der jeweils das Targetmaterial befestigt ist. Alle anderen in den 4b bis 4f dargestellten Teiltargets bestehen nur aus dem Targetmaterial. Die Spalte zwischen den Teiltargets der 4a und 4b verlaufen senkrecht zur Targetoberfläche durch das Target. Die meist im Wesentlichen senkrecht zur Targetoberfläche auf das Target auftreffenden Partikel können durch solch einen senkrecht verlaufenden Spalt ungehindert hindurchdringen und die darunter befindliche Magnetfeld erzeugende Einrichtung beschädigen. Der Spalt in 4c verläuft hingegen wellenförmig, der in 4d winklig, der in 4e schräg zur Oberflächensenkrechten und der in 4f stufenförmig durch die Dicke des jeweiligen Targets. Die in den 4c bis 4f dargestellten Spalte zwischen den benachbarten Teiltargets sind als sogenannte verdeckte Spalte ausgebildet, was bedeutet, dass die auf die Targetoberfläche auftreffenden Partikel nicht ungehindert durch solch einen Spalt durch das Target hindurch gelangen können.
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In 5 ist eine großflächige Kathode 10 schematisch dargestellt, die sich gegenüber der in 1 dargestellten Kathode 1 lediglich dadurch unterscheidet, dass bei der Kathode 10 jedem der Teiltargets 3a, 3b, 3c eine separate Stromversorgungseinrichtung 6a, 6b, 6c zugeordnet ist. Während bei der Kathode 1 aus 1 immer nur eines der Teiltargets 3a, 3b, 3c mit elektrischer Energie versorgt werden kann, ist es bei der Kathode 10 aus 5 möglich, die Teiltargets 3a, 3b, 3c sowohl in jeder beliebigen Kombination nacheinander als auch alle drei Teiltargets gleichzeitig mit elektrischer Energie zu versorgen. Damit stehen mehr Möglichkeiten zur Verfügung, den Sputterabtrag und somit auch den Schichtaufwuchs über die Gesamtfläche des Targets 3 hinweg zu variieren. Bei gleichzeitiger Speisung aller drei Teiltargets mit elektrischer Energie kann zudem ein noch homogenerer Schichtaufwuchs realisiert werden, als wenn die drei Teiltargets immer nur abwechselnd nacheinander mit elektrischer Energie versorgt werden können.
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Der Vollständigkeit halber sei noch einmal explizit erwähnt, dass die Kathodenbestandteile aus den 1 bis 5 mit denselben Bezugszeichen ach dieselben Komponenten mit demselben Aufbau darstellen.
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Auch wenn die Erfindung nur in Bezug auf das HIPIMS-Sputtern hin beschrieben wurde, sei an dieser Stelle angemerkt, dass eine erfindungsgemäße Kathode auch bei allen anderen bekannten Anwendungen eines Magnetrons, wie beispielsweise dem herkömmlichen Magnetron-Sputtern (d. h. ohne HIPIMS), beim Magnetron-Sputterätzen oder auch bei magnetrongestützten PECVD-Prozessen eingesetzt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6187151 [0006]
- US 6350353 [0006]
- DD 252205 [0007]
- DE 3700633 C1 [0007]
- DE 10303428 A1 [0008]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- S. Schiller, K. Goedicke, J. Reschke, V. Kirchhoff, S. Schneider, F. Milde: Pulsed magnetron sputter technology, Surf. Coat. Technol. 61 (1993) 331–337 [0002]
- J. Wang, Y.-H. Yu, S. C. Lee, Y.-W. Chung: Tribological and optical properties of crystalline and amorphous alumina thin films grown by low-temperature reactive magnetron sputtering, Surf. Coat. Technol. 146–147 (2001) 189–194 [0004]
- D. G. Teer: A Magnetron Sputter Ion Plating System, Surf. Coat. Technol. 36 (1988) 901–907 [0005]