DE19546900C1

DE19546900C1 - Tin@ cathode in magnetron sputtering apparatus

Info

Publication number: DE19546900C1
Application number: DE1995146900
Authority: DE
Inventors: Adolf Brasch
Original assignee: CLEARO COATING GLASS INH ADOLF
Current assignee: CLEARO COATING GLASS INH ADOLF
Priority date: 1995-12-15
Filing date: 1995-12-15
Publication date: 1997-04-24
Anticipated expiration: 2015-12-16

Abstract

The tin cathode (14) of a magnetron sputtering apparatus is fixed to a copper base plate (16) by a bolt (20) which passes through the cathode and screws into a socket (32) made of a non-ferromagnetic material.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zinn-Kathode einer Magnetron sputteranlage zur großflächigen Beschichtung von tafel-för migen Werkstücken, z. B. Flachglas, bestehend aus einer Zinnplatte, die auf eine Kupfer-Grundplatte aufgelötet ist, in welche zu Transportzwecken Gewindebuchsen aus einem Me tall höherer Festigkeit als das der Kupfer-Grundplatte ein gesetzt sind.The invention relates to a tin cathode of a magnetron sputtering system for large-area coating of table för workpieces, e.g. B. flat glass, consisting of a Tin plate, which is soldered to a copper base plate, into which threaded bushings from one me tall higher strength than that of the copper base plate are set.

Magnetronsputteranlagen arbeiten nach dem bekannten Prinzip der Hochvakuum-Kathodenzerstäubung, wobei das gebildete Plasma durch ein Permanentmagnetsystem beeinflußt wird. Wenn SnO₂-Schichten auf großflächige Werkstücke, z. B. Glastafeln mit Maßen von 6,20 × 3,20 m, aufgetragen werden sollen, muß als sog. Target am Kathodengehäuse der Sputter anlage eine Zinnplatte befestigt werden, die länger ist als das kleinere Kantenmaß der Glastafeln. Im Beispielsfall ha ben die Zinnplatten eine Fläche von 3,45 × 0,40 m und sind 14 mm dick. Im Gegensatz zu als Target benutzten Platten aus anderen Werkstoffen hat Zinn eine so geringe Festigkeit, daß die verhältnismäßig große Platte sich zu stark biegen würde, wenn man sie nicht versteifte. Zu diesem Zweck ist die Zinnplatte rückseitig mit einer z. B. 6 mm starken Grundplatte aus Kupfer verlötet. Die beiden auf diese Weise zu einer Einheit verbundenen Platten werden oberhalb der Förderbahn für die Glastafeln mit dem Kathodengehäuse ver schraubt, welches die Permanentmagnete und Kühlkörper zur Kühlung des Targets aufnimmt. Die Verschraubung erfolgt un ter Zuhilfenahme von am Rand der Kupfer-Grundplatte angreifenden Leisten und einer Vielzahl von Stahlschrauben, die im wesentlichen entlang der Längsmittellinie der Zinn platte angeordnet sind, sich durch Löcher in dieser sowie in der Kupfergrundplatte erstrecken und in passende Gewin debohrungen im Kathodengehäuse bzw. einem mit diesem ver bundenen Teil eingeschraubt sind. Während des Betriebs wird infolge der Kathodenzerstäubung Material von der nach unten weisenden Fläche der Zinnplatte abgetragen, und zwar in zwei parallelen Bereichen, die an den Enden der Zinnplatte ineinander übergehen und zwischen denen, entlang der Längs mittellinie, sich ein Bereich befindet, in dem kein Materi alabtrag erfolgt.Magnetron sputtering systems work on the well-known principle the high vacuum sputtering, which is formed Plasma is influenced by a permanent magnet system. If SnO₂ layers on large workpieces, eg. B. Glass panels measuring 6.20 × 3.20 m can be applied should be the so-called target on the cathode housing of the sputter a tin plate that is longer than the smaller edge dimension of the glass panels. In the example case ha ben the tin plates have an area of 3.45 × 0.40 m and are 14 mm thick. In contrast to plates used as a target other materials, tin has such a low strength, that the relatively large plate bend too much if you didn't stiffen them. For this purpose the tin plate on the back with a z. B. 6 mm thick Base plate made of copper soldered. The two this way plates connected to a unit are above the Ver conveyor track for the glass panels with the cathode housing ver screws, which the permanent magnets and heat sinks Cooling of the target. The screwing is done un ter using the edge of the copper base plate attacking strips and a variety of steel screws, which is essentially along the longitudinal centerline of the tin plate are arranged, through holes in this as well extend in the copper base plate and in matching thread d-holes in the cathode housing or a ver with this bound part are screwed. During operation due to the sputtering material from the down facing surface of the tin plate, namely in two parallel areas at the ends of the tin plate merge and between them, along the longitudinal center line, there is an area where there is no matter abrasion takes place.

Da sich das Target bei der Kathodenzerstäubung verbraucht, müssen die miteinander verlöteten Zinn- und Kupferplatten nach einer bestimmten Arbeitszeit vom Kathodengehäuse abge schraubt, abtransportiert und durch neue ersetzt werden. Der Transport erfolgt normalerweise hängend in einer zur Betriebsstellung umgekehrten Lage, in der sich die Zinn platte oben befindet. Um die verhältnismäßig schweren Plat ten an Transportorganen aufhängen zu können, sind entlang der Längmittellinie einige, und zwar im Verhältnis zur Zahl der Befestigungsschrauben wenige Gewindebuchsen in die Kup fer-Grundplatte eingesetzt. Bei den oben bespielhaft ge nannten Plattenmaßen genügen sieben derartige Haltebuchsen, die beispielsweise über ein Außengewinde M18 mit der Kup fer-Grundplatte verschraubt sind und ein Innengewinde M12 haben, in das z. B. tragende Gewindebolzen eingeschraubt werden können. Die Gewindebuchsen sind notwendig, weil es wegen unzureichender Festigkeit des Werkstoffs der Kupfer grundplatte nicht möglich ist, die für den Transport be nutzten Tragbolzen unmittelbar in Gewindebohrungen der Kup fer-Grundplatte einzuschrauben. Die Gewindebuchsen bestehen ebenso wie die zur Befestigung entlang der Längsmittellinie der Kathodenplatte verwendeten Befestigungsschrauben aus Edelstahl, z. B V2A oder ähnlichen Stahllegierungen. Since the target is consumed during sputtering, the tin and copper plates soldered together after a certain working time from the cathode housing screws, removed and replaced with new ones. The transport is usually hanging in a to Reverse position, in which the tin plate located above. To the relatively heavy plat to be able to hang up on transport organs are along the longitudinal center line a few, in relation to the number the fastening screws a few threaded bushes in the cup fer base plate used. In the above example named plate dimensions, seven such holding bushes are sufficient, which, for example, has an external thread M18 with the Kup fer base plate are screwed and an internal thread M12 have in the z. B. screwed carrying bolts can be. The threaded bushings are necessary because of it due to insufficient strength of the copper material base plate is not possible, be for transport used support bolts directly in tapped holes in the cup screw in the fer base plate. The threaded bushes exist as well as the one for fastening along the longitudinal center line fixing screws used on the cathode plate Stainless steel, e.g. B V2A or similar steel alloys.

Während des Betriebs der Anlage bildet sich unter der Zinn platte, und zwar unterhalb der beiden parallelen an den En den etwa halbringförmig ineinander übergehenden Abtragsbe reiche, jeweils mit Abstand von der Längsmittellinie, wo sich die Befestigungsschrauben befinden, eine Plasmawolke aus, die durch elektrische Felder zum horizontalen Umlauf längs der genannten Abtragsbereiche gebracht wird.During the operation of the plant, tin forms under it plate, below the two parallel ones on the En the ablation beings that merge into each other in a semi-ring shape rich, each at a distance from the longitudinal center line, where there are the mounting screws, a plasma cloud made by electric fields for horizontal circulation is brought along the ablation areas mentioned.

Trotz der Zirkulation des aus Metallionen und bestimmten Gasionen bestehenden Plasmas hat sich herausgestellt, daß die Beschichtung der unter der Kathode quer zu deren Längs richtung hindurchgeführten Glastafeln streifenförmig un gleichmäßig ist. Die Beschichtungscharakteristik weist ty pische Zackungen und Profilbildungen auf, die sich vor al lem in den Farbwerten der Schichten dokumentieren, die spektralphotometrisch gewonnen und als Funktion des Meßwegs über die Breite der Glastafeln aufgezeichnet werden. Dabei zeigen sich deutlich unerwünschte Abweichungen von den Ide alfarbwerten. Die Ungleichmäßigkeiten des Plasmas lassen sich auch optisch mittels Langzeitfotographie nachweisen.Despite the circulation of metal ions and certain Existing plasma plasma has been found to the coating of the under the cathode transverse to its longitudinal Direction of glass plates passed through in a strip shape is even. The coating characteristic shows ty pischen serrations and profile formations that occur before al lem document in the color values of the layers that obtained spectrophotometrically and as a function of the measuring path across the width of the glass panels. Here there are clearly undesirable deviations from the ide al color values. Let the non-uniformity of the plasma prove themselves optically using long-term photography.

Neben dem aus der bisherigen Praxis bekannten, vorstehend beschriebenen Stand der Technik ist aus der DD-PS 1 47 554 eine Magnetronkathode zur Aufstäubung wärmestrahlenreflek tierender Schichten auf Glasscheiben mit einem Magnetsystem mit Wasserkühlung, einer darauf aufliegenden Wasser-Grund platte und auf dieser liegenden Targetplatte bekannt. In ihrem Zentrum ist eine Bohrung angebracht, durch die hin durch eine Hohlschraube aus nichtmagnetischem Material, wie Edelstahl, in eine Feingewindebohrung in der Wasser-Grund platte einschraubbar ist. Sie erlaubt optische Messungen durch die Bohrung und gleichzeitig ein lösbares, vakuum dichtes Verklemmen der beiden Platten in ihrer Mitte bei nur geringer Störung des Magnetfelds. Die Wasser-Grundplat te könnte, weil sie gut wärmeleitend sein muß, aus Kupfer bestehen. Über das Material der Targetplatte ist nichts ausgesagt. Wie im Falle einer großen Platte der Transport bewerkstelligt werden kann, ist ebenfalls nicht beschrie ben. Da sie von der Wasser-Grundplatte lösbar ist und letz tere nicht mit hoch belastbaren Einsätzen in Form von Ge windebuchsen versehen ist, wird bei dieser Konstruktion offenbar allein die Targetplatte ausgewechselt.In addition to what is known from previous practice, above The prior art described is from DD-PS 1 47 554 a magnetron cathode for sputtering heat radiation reflections animal layers on glass panes with a magnet system with water cooling, a water bed resting on it plate and known lying on this target plate. In At its center there is a hole through which through a banjo bolt made of non-magnetic material, such as Stainless steel, in a fine threaded hole in the water bottom plate can be screwed in. It allows optical measurements through the hole and at the same time a releasable, vacuum tight jamming of the two plates in the middle only slight disturbance of the magnetic field. The water base te could be made of copper because it has to be a good heat conductor consist. There is nothing about the material of the target plate testified. As in the case of a large plate, the transport can be accomplished is also not described ben. Since it is detachable from the water base plate and last Do not use heavy-duty inserts in the form of Ge is provided with this construction apparently replaced the target plate alone.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zinnkathode der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der sich eine gleichmäßigere Beschichtung der Werkstücke erzielen läßt.The invention has for its object a tin cathode to create the kind mentioned at the beginning, with which a can achieve more uniform coating of the workpieces.

Vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gewindebuchsen aus einem nicht-ferromagnetischen Werkstoff bestehen, vorzugsweise aus einer harten Kupferle gierung, die etwa denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten hat wie die Kupfer-Grundplatte. Beispielhaft sei als Werk stoff für die Gewindebuchsen Cu 58 Te genannt.The above object is achieved according to the invention by that the threaded bushings from a non-ferromagnetic Material consist, preferably of a hard copper gation, which have approximately the same coefficient of thermal expansion has like the copper base plate. As a work as an example called material for the threaded bushes Cu 58 Te.

Die Gewindebuchsen können mit einem Außengewinde in die Kupfer-Grundplatte eingeschraubt und/oder mit einem äußeren Konus oder Flansch ausgebildet sein und sich mit der Konus- bzw. Stufenfläche an der Grundplatte axial abstützen.The threaded bushes can be threaded into the Copper base plate screwed in and / or with an outer Be cone or flange and be in contact with the cone or Support the step surface axially on the base plate.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die bisher verwendeten Gewindebuchsen einen gewissen Grad von Ferroma gnetismus haben und die dadurch bewirkte Beeinflussung des Magnetfelds zu einer unerwünschten Deformation des Plasmas führt, die sich trotz der zirkulierenden Strömung des Plas mas bemerkbar macht. Neben den Gewindebuchsen erstrecken sich zwar auch noch auf der Längsmittellinie der Kathode Befestigungsschrauben aus Edelstahl durch die Targetplatte, aber diese Schrauben haben einen viel geringeren Einfluß auf die Beschichtungsqualität, da ihre Zahl wesentlich grö ßer ist als die Zahl der Haltebuchsen. Außerdem ist der Ab stand zu den Permanentmagneten größer.The invention is based on the knowledge that the previously used threaded bushings a certain degree of ferroma have gnetism and the resulting influence on the Magnetic field to an undesirable deformation of the plasma which leads despite the circulating flow of the plas mas noticeable. Extend next to the threaded bushings indeed also on the longitudinal center line of the cathode Stainless steel mounting screws through the target plate, but these screws have much less influence on the coating quality, since their number is significantly larger is greater than the number of retaining bushes. In addition, the Ab stood taller to the permanent magnets.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an hand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:An embodiment of the invention is shown below hand explained in more detail in the accompanying drawing. Show it:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch den Kathodenraum einer Magnetronbe schichtungsanlage; Figure 1 is a schematic cross section through the cathode chamber of a Magnetronbe coating system.

Fig. 2 eine Teildraufsicht auf die Target platte der Beschichtungsanlage nach Fig. 1; Fig. 2 is a partial plan view of the target plate of the coating system according to Fig. 1;

Fig. 3 einen Teillängsschnitt der Targetplatte in Verbindung mit einer Transport schiene, wobei diese und die Target platte nicht schraffiert sind; Figure 3 is a partial longitudinal section of the target plate in connection with a transport rail, said plate and the target are not hatched.

Fig. 4 Seitenansicht und Axialschnitt einer in die Kupfer-Grundplatte der Targetplatte nach Fig. 1 bis 3 eingesetzten Gewinde buchse zur Verbindung mit der Trans portschiene nach Fig. 3; Fig. 4 side view and axial section of a threaded socket used in the copper base plate of the target plate according to Figures 1 to 3 for connection to the trans port rail according to Fig. 3;

Fig. 5 eine Farbwertkurve, aufgetragen über der Breite einer beschichteten Glasta fel, bei Verwendung einer herkömmli chen Kathode mit Gewindebuchsen aus Stahl; Fig. 5 is a color value curve plotted versus the width of a coated Glasta fel, when using a cathode herkömmli chen with threaded bushes made of steel;

Fig. 6 eine Farbwertkurve entsprechend Fig. 5 einer Beschichtung, die mit einer er findungsgemäßen Kathode mit Haltebuch sen aus nicht-ferromagnetischem Mate rial erzeugt wurde. Fig. 6 is a color value curve corresponding to FIG. 5 of a coating that was produced with a cathode according to the invention with retaining bushes made of non-ferromagnetic material.

Um Wärmeschutzglas zu erhalten, werden auf Flachglas nach einander mehrerer Metall- und Metalloxydschichten aufgetra gen, z. B. zunächst eine SnO₂-Schicht, dann eine Silber schicht, anschließend eine Metalloxydschicht und zum Schluß wieder eine SnO₂-Schicht. Die Beschichtung erfolgt in Ma gnetronsputteranlagen. Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch den Kathodenraum einer Station, in der eine SnO₂-Schicht auf Glasscheiben 10 aufgetragen wird, die mittels Trans portrollen 12 unter einer Zinn-Kathode 14 hindurchgeführt werden. Wegen ihrer geringen Festigkeit ist die als Target bezeichnete Zinnplatte 14 mit einer Kupfer-Grundplatte 16 verlötet, und die Einheit dieser beiden Platten 14, 16 ist über Randleisten 18 und mittels zentral angeordneter Befe stigungsschrauben 20 an der Unterseite des Kathodengehäuses 22 befestigt, welches u. a. Kühlkörper 24 und Permanentma gnete aufnimmt. Die Anodenbleche mit Gaseinlässen für die Sputtergase sind mit 26 bezeichnet. Während des Betriebs bildet sich durch Kathodenzerstäubung eine Plasmawolke 28 rechts und links von der Mittellängslinie der Kathode 14. Die Plasmawolke 28 hat in Draufsicht insgesamt die Form ei nes gestreckten, in sich geschlossenen Rings (vgl. Fig. 2). Sie wird mittels unterhalb der Transportebene der Glasta feln 10 angeordneter Spulenwicklungen 30 zur Zirkulation gebracht, wobei das Plasma auf der einen Seite der Längs mittellinie der Kathode in der einen und auf der anderen Seite in der entgegengesetzten Längsrichtung strömt. Dabei lagert sich ein Teil des Materials der Plasmawolke auf der Oberfläche der Glasscheiben ab.In order to obtain heat-insulating glass, several metal and metal oxide layers are applied to flat glass in succession, for. B. first a SnO₂ layer, then a silver layer, then a metal oxide layer and finally another SnO₂ layer. Coating takes place in magneton sputtering systems. Fig. 1 shows a cross section through the cathode compartment of a station in which an SnO₂ layer is applied to glass panes 10 , which are carried out by means of trans port rollers 12 under a tin cathode 14 . Because of their low strength, the tin plate 14 referred to as target is soldered to a copper base plate 16 , and the unit of these two plates 14 , 16 is attached via edge strips 18 and by means of centrally arranged fastening screws 20 to the underside of the cathode housing 22 , which, among other things, heatsink 24 and picks up permanent magnet. The anode sheets with gas inlets for the sputter gases are designated by 26 . During operation, a plasma cloud 28 is formed by sputtering to the right and left of the central longitudinal line of the cathode 14 . The top view of the plasma cloud 28 has the overall shape of an elongated, self-contained ring (see FIG. 2). It is brought to circulation by means of coil windings 30 arranged beneath the transport plane of the glass plates 10 , the plasma flowing on one side of the longitudinal center line of the cathode in one direction and on the other side in the opposite longitudinal direction. Part of the material of the plasma cloud is deposited on the surface of the glass panes.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist die Targetplatte 14 mit ei ner großen Zahl von Befestigungsschrauben 20 aus Edelstahl, die sich durch Bohrungen in der Kupfer-Grundplatte 16 er strecken, mit dem Kathodengehäuse 22 verschraubt. Über die gesamte Länge der Kathode verteilt sind in einer Reihe mit den Befestigungsschrauben Gewindebuchsen 32 in die Kupfer-Grundplatte eingesetzt, insgesamt z. B. sieben Stück bei der eingangs genannten Länge der Kathode. Die Gewindebuch sen 32, deren Lage in Fig. 2 eingezeichnet ist, obgleich sie in dieser Ansicht nicht sichtbar wären, haben gemäß Fig. 3 und 4 eine durchgehende Bohrung mit einem Innenge winde M12 und ein Außengewinde M18. Sie bestehen bei der gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungsform aus der Kupfer legierung Cu 58 Te. Es könnte auch ein anderer Werkstoff verwendet werden, wesentlich ist jedoch, daß dieser nicht ferromagnetisch ist. Die axiale Länge der Gewindebuchse kann gleich der Dicke der Kupfer-Grundplatte 16 sein. Im montierten Zustand nach Fig. 1 erstreckt sich jeweils eine Befestigungsschraube 20 frei durch die Gewindebohrung jeder Gewindebuchse 32.As is apparent from Fig. 2, the target plate 14 with a large number of fastening screws 20 made of stainless steel, which extend through bores in the copper base plate 16, he screwed to the cathode housing 22 . Distributed over the entire length of the cathode in a row with the mounting screws threaded bushings 32 are used in the copper base plate, a total of z. B. seven pieces in the aforementioned length of the cathode. The threaded bushing 32 , the position of which is shown in FIG. 2, although they would not be visible in this view, have a through bore with an internal thread M12 and an external thread M18 according to FIGS. 3 and 4. In the embodiment according to the invention shown, they consist of the copper alloy Cu 58 Te. Another material could be used, but it is essential that it is not ferromagnetic. The axial length of the threaded bushing can be equal to the thickness of the copper base plate 16 . In the assembled state according to FIG. 1, a fastening screw 20 extends freely through the threaded bore of each threaded bushing 32 .

Wenn eine Kathodenplatte 14 verbraucht ist, werden die Be festigungsschrauben 20 und die Befestigungen an den Leisten 18 gelöst, die alte Kathodenplatte entfernt und eine neue herantransportiert und an der Unterseite des Kathodengehäu ses 22 befestigt. Der Transport der Kathodenplatten erfolgt jeweils mit Hilfe einer in Fig. 3 gezeigten Transport schiene 34, die auf der Zinnplatte 14 aufliegt und durch Schraubenbolzen 36, welche in die Gewindebohrungen M12 der Gewindebuchsen 32 eingeschraubt sind, mit der Plattenein heit 14, 16 verbunden ist.When a cathode plate 14 is used up, the fastening screws 20 and the fastenings on the strips 18 are loosened, the old cathode plate is removed and a new one is brought in and fastened to the underside of the cathode housing 22 . The transport of the cathode plates is carried out in each case with the aid of a transport rail 34 shown in FIG. 3, which rests on the tin plate 14 and is connected to the plate unit 14 , 16 by means of screw bolts 36 which are screwed into the threaded holes M12 of the threaded bushings 32 .

Die Verbesserung des Arbeitsergebnisses, die mit Kathoden platten mit Gewindebuchsen 32 aus nicht-ferromagnetischem Material erzielt wird, geht aus einem Vergleich der Fig. 5 und 6 hervor. Dort sind über den Meßweg quer zur Glas durchlaufrichtung Farbwerte aufgetragen, die bei UV-VIS-Re flexionsmessungen gemessen wurden. Die nach Beschichtung mittels einer Kathodenplatte mit herkömmlichen Gewindebuch sen aus Edelstahl aufgenommene Farbwertkurve nach Fig. 5 zeigt ausgeprägte Spitzen und Minima im Abstand der Gewin debuchsen, während die Farbwertkurve gemäß Fig. 6 einer Be schichtung mittels einer Kathodenplatte mit Gewindebuchsen aus nicht-ferromagnetischem Material wesentlich geringere Farbabweichungen ausweist.The improvement in the work result, which is achieved with cathode plates with threaded bushings 32 made of non-ferromagnetic material, can be seen from a comparison of FIGS. 5 and 6. There, color values are plotted across the measuring path transverse to the direction of glass travel, which were measured during UV-VIS reflection measurements. The color value curve according to FIG. 5 recorded after coating by means of a cathode plate with conventional threaded bushings made of stainless steel shows pronounced peaks and minima in the distance of the gains, while the color value curve according to FIG shows lower color deviations.

Claims

1. Tin cathode of a magnetron sputtering system for large-area coating of tabular workpieces, for. B. flat glass, consisting of a tin plate ( 14 ), which is soldered onto a copper base plate ( 16 ), in which threaded bushings ( 32 ) made of egg nem higher strength metal than that of the copper base plate ( 16 ) are used for transport purposes , characterized in that the threaded bushings ( 32 ) consist of a non-ferromagnetic material.

2. Tin cathode according to claim 1, characterized in that the material of the threaded bushings ( 32 ) has approximately the same coefficient of thermal expansion as the copper base plate.

3. Tin cathode according to claim 1 or 2, characterized in that the threaded bushings ( 32 ) consist of a copper alloy.

4. Tin cathode according to one of claims 1 to 3, characterized in that the threaded bushings ( 32 ) are screwed into the copper base plate with an external thread.

5. Tin cathode according to one of claims 1 to 4, characterized in that at least one threaded bush 32 is formed with an outer cone or flange and is supported axially with a cone or step surface on the copper base plate.