DE2824289A1 - Target fuer sprueh-beschichtungsgeraete - Google Patents

Description

mit Oberflachentangenten, die sich unter einem Winkel treffen,
der die lokale Erosion an diesem Verbindungpunkt minimiert.

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft Vakuum-Sprüh-Beschichtungsgeräte und
insbesondere die Targetkonstruktion für ein solches Gerät.

Ein Besprühgerät weist eine Kathode mit offenen Enden und eine
Anodenstruktur in einem evakuierten Gehäuse auf. Ionen, die im
Interelektronenraum gebildet werden, treffen auf ein Target auf,
das auf der Kathodenoberfläche angeordnet ist, und schlagen Atome aus dem Target, aus dessen Oberfläche oder atomaren Schichten
desselben unmittelbar unterhalb der Oberfläche heraus. Diese herausgeschlagenen oder versprühten Atome schlagen sich auf Gegenständen oder Subtraten nieder, die in Sichtlinie vom Target angeordnet sind, so daß ein relativ gleichförmiger niedergeschlagener Film entsteht. Das Grundgerät wird durch Anwendung eines Magentfeldes verbessert, das das Target umgibt und dazu dient, die Plasmaentladung auf die Nähe der Elektroden einzuschränken und Elektronen daran zu hindern, die Substrate zu bonibadieren, wobei gleichzeitig die Elektronenwege in der Nähe der Elektroden verlängert werden. Damit wird die Anzahl der ionisierenden Kollisionen zwischen Elektronen und Gasmolekülen erhöht, so daß sich ein größerer Ionenstrom und höhere Sprühraten ergeben. Der Betrieb wird auch bei niederen Gasdrucken erleichtert, wo die Dichte der Gasmoleküle entsprechend niedriger ist.

Während der Lebensdauer des Kathoden-Targets versprüht Material von diesem und dementsprechend erodiert das Target. Es ist vorteilhaft, eine Targetgeometrie zu verwenden, mit der die gewünschte Sprührate

809851/0769

über eine längere Nutzperiode aufrechterhalten werden kann. Bekannte Targetgeometrien sind beispielsweise eine zylindrische Kathode, die eine axial montierte Anode umgibt. Die Innenfläche der Kathode war bei diesem Gerät parallel zur Achse und zur Außenfläche. Bei einer anderen Form der Kathode ist die Innenfläche sich verjüngend, so daß der radiale Querschnitt einer solchen Kathode eine deutliche Keilform hat. Noch ein bekanntes Target (Broschüre Vac 2436A der Fa. Varian Associates, Inc.) arbeitet mit einer Zusammensetzung von zwei unterschiedlichen Verjüngungsgraden in der Kathodeninnenwand mit einer dazwischen angeordneten flachen Stufe.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung ve wendet ein Target, das so konfiguriert ist, daß es einen Außenteil oder eine Lippe aufweist, die einen es umgebenden Targetkühlmantel gegen Sprühen schützt. Ein Mittelteil hat eine Oberfläche, die über die Lebensdauer des Targets eine mittlere parallele Beziehung zur mittleren Tangentialkomponente des die Entladung einschnürenden Magnetfeldes an der Targetoberfläche hält. Dieser Teil ist so konfiguriert, daß das Magnetfeld im Bereich der Entladung erhöht wird, so daß eine erheblich niedrigere Sprühspannung in den ersten Betriebsstufen möglich ist. Der übergang zwischen dem mittleren und dem äußeren Teil der Targetfläche ist glatt und nicht winklig, um irgendeine elektrostatische Fokussierung von aufprallenden Ionen in den Übergangsbereich zu minimieren, die den lonenfluß konzentrieren würde. Der Innenteil des Targets ist so konfiguiert, daß ein konvexer Übergangsbereich mit dem Mittelteil gebildet wird, um eine Konzentration des bombadierenden Ionenflusses zu vermeiden.

809851/0769

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Sprühtarget zu erhalten, das eine signifikant höhere Plasmastromdichte aushalten kann und eine größere Nutzlebensdauer hat.

Gemäß einem Merkmal der Erfinduno wird die Energieabfuhr in einer Plasmaentladung über die Nutzlebensdauer eines Targets nahezu konstant gehalten.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnungen näher erläutert werden; es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Gerät gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 ein Profil des Targets nach der Erfindung;

Fign. 3A, 3A' und 3A¹' Anfangsprofile von zwei bekannten Targets

und des Targets nach der Erfindung; und

Fign. 3B, 3B' und 3B'¹ bekannte Targets und das Target nach der

Erfindung am Ende der Nutzlebensdauer.

Die Erfindung wird in Verbindung mit der Sprühkanonenquelle nach Figur 1 beschrieben. Figur 1 zeigt einen Schnitt durch ein solches Gerät. Eine zylindrisch-symmetrische Geometrie wird bevorzugt, ist jedoch keinesfalls unabdingbar für die beschriebenen Prinzipien. Eine Anode 10 ist zentral und allgemein innerhalb, einer sie umgebenden Kathodenstruktur 12 mit offenem Ende angeordnet. Eine mechanische Ausfluchtung wird dadurch erhalten, daß die Kathode 12

809851/0769

auf einen unteren Magnetpolschuh 14 montiert wird und die Anode auf einen Anodenpfosten 16, vorzugsweise aus Kupfer, der elektrisch gegen den Polschuh 14 isoliert ist und durch einen Rinnraum 18 von der Kathode 12 getrennt ist, und der mit einem Flansch 27 auf eine Grundplatte 19 montiert ist. Der Anodenpfosten 16 hat einen inneren Kühlhohlraum 20, durch den ein Kühlmittel, vorzugsweise Wasser, mittels Leitungen 22 zirkuliert. Die Kathodenkiihlung wird durch ein Element 24, vorzugsweise aus Kupfer, ermöglicht, das einen Innenkanal 25 aufweist, durch den ein Kühlmittel, vorzugsweise Wasser, über Leitungen 26 zirkuliert, die elektrisch gegen die Grundplatte 19 isoliert sind, beispielsweise dadurch, daß die Leitungen 26 aus elektrischen nicht leitendem Material hergestellt sind. Die Leitungen 26 sind mit Flanschen 27' an der Platte 19 befestigt. Magnete 28 und 28' haben die angegebenen relativen Polaritäten und liefern ein Magnetfeld, das die allgemein angegebene Streufeldrichtung 29 an einem Punkt zentral zur Anode und zur Kathode hat und eine ähnliche Feldrichtung in Nähe der Kathodenfläche. Das magnetische Hauptfeld wird zwischen einem unteren Polschuh 14 und einem oberen Polschuh 30 aufrechterhalten. Eine Magnethaiterung 31 aus unmagnetischen Material definiert die äußere Grenze zur genauen Lokalisierung der Magnete 28 mit Bezug auf die Polschuhe 14 und 25. In einer zylindrischen Geometrie können diese Magnete ringförmig sein, oder stattdessen kann eine Anzahl Stabmagnete so angeordnet werden, daß das erforderliche Feld entsteht. Die Stärke des Magnetfeldes reicht aus, um Sekundärelektronen von der Kathode daran zu hindern, das nicht dargestellte Werkstück zu erreichen, das allgemein oberhalb des Gerätes angeordnet ist. Eine Erdabschirmung 32 definiert das elektrische Feld und die PlasRiadichte.

.../6 809851/0769

Die Anode 10 ist mit Schrauben (nicht dargestellt) am Montagepfosten 27 befestigt. Ein Haltering 33, der mit dem isolierenden Spalt 18 ebenfalls gegen den Anodenpfosten 27 isoliert ist, ist dazu verwendet, die Kathode 12 mit nicht dargestellten Schrauben am unteren Magnetpol schuh 14 zu befestigen. Wenn die Quelle gegenüber der Darstellung in Figur 1 umgekehrt wird, ist der Haltering 33 dazu erforderlich, die Kathode 12 zu befestigen. Die Verwendung des Halterings 33 ist wahlfrei, wenn die Quelle unterhalb der zu beschichtenden Gegenstände verwendet wird.

Im typischen Betrieb wird die Anode auf Erdpotential gehalten und die Kathode kann auf Potentialen zwischen minus 350 Volt und minus 1.000 Volt gehalten werden, je nach Kathodenmaterial. Wie in der Zeichnung dargestellt ist, liegt die Erdabschirmung 32 auf Erdpotential. Die Anode kann auf Erdpotential liegen oder geringfügig über Erde vorgespannt sein, um die zu beschichtenden Gegenstände gegen Sekundärelektronen zu schützen, die an der Anode erzeugt werden.

Ein Sprühgerät ist aus mehreren Gründen besonders empfindlich gegen die Targetform. Die Verteilung des elektrischen Feldes in der Nähe der Plasmaentladung wird durch die Targetform beeinflußt, da die Targetform eine Grenzbedingung auf das elektrische Feld entsprechend den bekannten Gesetzen der Elektrostatik erzwingt. Darüber hinaus ändert sich die Form während der Nutzlebensdauer des Targets,während das Targetmaterial wegerodiert wird. Es ist erwünscht, ein optimales Targetprofil so lang wie möglich beizubehalten, wodurch die Nutzlebensdauer des Targets verlängert würde. Entsprechend diesen Wünschen wurde eine Untersuchung von Details der Targetform durchgeführt, wobei das allgemeine

.../7 809851/0769

Profil mit offenen Enden zur Umgebung der zentral angeordneten Anode beibehalten wurde.

Das Target nach der Erfindung wird anhand von Figur 2 näher erläutert. Figur 2 zeigt einen radialen Querschnitt durch das Target, eine Schraffur ist jedoch vermieden worden, um eine Verhüllung der detaillierten Beschreibung der Form zu vermeiden. Ein innerer Flächenteil 50 ist durch den Winkel α charakterisiert, der durch die Oberflächentangente der zur Anode weisenden Oberfläche mit Bezug auf die Mittellinie 40 gebildet wird; ein Zwischenteil 52, dessen Oberflächentangente einen Winkel β mit der Mittellinie/bildet, und schließlich ist ein Außenteil 54 charakterisiert durch eine Oberflächentangente, die einen Winkel γ mit Bezug auf die Mittellinie 40 bildet. Der Winkel α ist von mittlerer Größe, während ßgrößer und γ kleiner ist. Der Absolutwert von β wird zunächst in Verbindung mit der Auslegung der Magnete 20 und 28' und den jeweiligen Polschuhen 14 und 30 gewählt, weil der größere Teil des Sprühens vom Teil 52 erfolgt und das Betriebsverhalten des Gerätes stark empfindlich für das Magnetfeld in der Nähe des Targetteils 52 ist, wie noch beschrieben wird. Das Magnetfeld kann so betrachtet werden, als ob es irgendeine mittlere Krümmung und Stärke relativ zur Oberfläche des Targets hat, wobei ein zeitlicher Mittelwert über die Nutzlebensdauer des Targets gebildet wird. Es ist erwünscht, den Teil 52 so zu konfigurieren, daß mit Bezug auf die Oberfläche dieses Teils der Kathode die Tangential komponente des Magnetfeldes über die Nutzlebensdauer des Targets maximiert ist.

Der Teil 54 geht glatt in den Teil 52 über. Die Glätte dieses Übergangs ist notv/endig, um eine lokalisierte Erosion des Targets zu eliminieren, die in einer vorzeitigen Beendigung der Nutzlebensdauer des Targets resultieren kann. Eine Diskontinuität an diesem Punkt

809851/0769

sorgt dafür, daß das elektrische Feld in oer Nachbarschaft die bombardierenden Ionen in den Bereich der Diskontinuität fokussiert, so daß die Targeterosion in diesem üereich beschleunigt wird. Dementsprechend ist die bevorzugte Ausführungsform in dieser Hinsicht durch einen Krümmungsradius r charakterisiert, der den allmählichen Obergang der die Teile und 54 begrenzenden Oberflächen beschreibt.

Der Teil 54 bildet eine Lippe und dient dazu, den Kühlmantel geometrisch gegen die Plasmaentladung abzuschirmen, so daß der Kühlmantel gegen Schaden durch Sprühen geschützt wird.

Die Kühlung der Kathode 12 ist eine empfindIiehe funktion der thermischen Leitfähigkeit zwischen Kathode 12 und Wassermantel Erfindungsgemäß wird eine Kathode verwendet, die so dimensioniert ist, daß sie lose in die Innenfläche des Wassermantels 24 passt: nach dem Aufheizen der Kathode gewährleistet die Expansion einen engen Kontakt mit dem Wassermantel 24, v/odurch eine ausreichende Wärmeübergangscharakteristik erreicht wird, um eine richtige Kühlung zu erreichen. Das Spiel zwischen diesen Elementen bei Raumtemperatur muß ausreichend groß sein, um ein leichtes Ausbauen zu ermöglichen, jedoch klein genug, um eine adäquate thermische Leitfähigkeit zum Wassermantel zu erhalten, um ein Schmelzen oder Verwerfen bei Betriebstemperatur zu verhindern.

In Figur 3 sind bekannte Kathodenprofil formen (Figuren 3A und 3A¹) mit der erfindungsgemäßen Form (Figur 3A") vor Gebrauch im Gegensatz zueinander dargestellt. Figuren 3B, 3B' und 3B" zeigen typische Profile der jeweiligen Targets am Ende der Nutzlebensdauer. Die Nutzlebensdauer wird schließlich gemäß einem Aspekt durch die Erosion des Targets begrenzt, durch die schließlich die Targetstruktur an

809851/0769

- Sr-

der Seitenwand durchbrochen werden kann, so daß der Wassermantel dem Sprühen ausgesetzt wird. Dieser Aspekt der Nutzlebensdauer hängt auch von dem Magnetfeld an der Kathodenoberfläche ab sowie von der Leistung, die zur Erregung der Entladung von der Strom-

~Bei

Versorgung gezogen wird./Tests mit einer speziellen, strombegrenzten Stromversorgung von 7 kW nomineller Abgabe wird die Nutzlebensdauer bei Gleichstrombetrieb mit einem speziellen Target so definiert, daß sie einem sicheren Stromversorgungs-Strombereich von 9 bis 12 Ampere bei 800 bis 500 Volt für ein bestimmtes Magnetfeld entspricht.

Repräsentative Parameter für ein Targetprofil nach der Erfindung werden erhalten, nachdem Stromversorgung und Magnetfeldbeschreibung als Entwurfs größen festgelegt sind. Die Strom- und Spannunos-Bereiche für die Stromversorgung werden unabhängig gewählt, beispielsweise wie oben angegeben. Das Magnetfeld wird mit Magneten und Pol schuhen realisiert, die ein Magnetfeld ausreichender Stärke in der Nähe der Entladung liefern, um die gewünschte Energie von der Stromquelle mit der Entladung zu koppeln. Bei Untersuchungen der Erosionsmuster bekannter Targets, wie es beispielsweise in Figur 3 A dargestellt ist, wurde beobachtet, daß zu einem mittleren Punkt des Lebens eines Targets die von der Stromquelle gezogene Leistunc stieg, scheinbar durch eine effektivere Kopplung der Stromquelle mit der Entladung. Wenn die Erosion der Oberfläche forschritt, wurde die Lage der Oberfläche näher zur Magneteinheit verschoben, so daß die Magnetfeldstärke in der Nähe der Entladung erhöht wurde und die relative Orientierung von Magnetfeld und Targetoberfläche geändert wurde. Es wird angenommen, daß das Magnetfeld an diesem Punkt des Betriebes den Elektronenfluß der Entladung effektiver einschnürt, so daß sich ein höherer effektiver Strom ergibt, mit entsprechend größerer Ionisationsdichte, die schließlich in einer proportional größeren Sprührate resultiert.

.../10

809851/0769

Wenn auch das entsprechende Profil am Ende der Lebensdauer für Figur 3Λ akzeptabel ist, so resultiert doch die Variation der von der Stromversorgung gezogenen Leistung in variablen Sprühraten. Die entsprechende Variation im Entladungspotential beeiflußtdie kinetische Energie des versprühten Materials und es ist bekannt, daß dadurch die Qualität der Beschichtung beeinflußt wird.

Um diese bessere Energiekopplung am Beginn der Targetbenutzung zu erreichen, wurde ein weiteres bekanntes Targetprofil (Fig. 3Λ¹) dadurch erhalten, daß eine flache Stufe in das Profil nach Fig. 3A in einem Bereich relativ hoher Plasmadichte eingeführt wurde. Untersuchungen dieser Modifikation deuten an, daß eine erhebliche Materialmenge, die aus der Nachbarschaft der Stufe versprüht wurde, wieder auf dem Target niedergeschlagen wurde, so daß sich am Ende der Lebensdauer ein Profil gemäß Figur 3B¹ ergab. Dieses Profil am Ende der Lebensdauer ist wegen der restlichen Materialmenge unverwünscht. Es wird angenommen, daß die Erosion aus der Nähe des Winkelanschlusses 61 der Stufe 60 mit der Lippe 62 durch elektrostatische Fokussierung von Ionen beschleunigt wurde, so daß das Ionenbombardement in diesem Bereich konzentriert wurde, und dadurch, daß Sekundärelektronen in diesem Bereich gefangen werden, wenn die Erosion fortgeschritten war. Die Einsenkung, wie bei 64 in Figur 3B' dargestellt, wurde auf diese Weise erzeugt.

Die Erfindung minimiert das selektive Bombardement des Bereiches und das folgende Elektronenfangen dadurch, daß die Fläche 60 mit einer Neigung versehen wird und der Anschluß von Flächen 60 und geglättet wird, so daß die scharfe Winkelverbindung eliminiert wird, die zu diesen Effekten führt. Die Winke!verbindung 66 wird in ähnlicher Weise durch Neigung der Fläche 60 minimiert. Das resultierende Profil

.../11

809851 /0769

gemäß Figur 3B" am Ende der Lebensdauer ist wieder akzeptabel, wobei die Variation der Energieabfuhr in der Entladung wesentlich reduziert ist.

Für die Darstellung in Figur 2 soll ein repräsentativer Satz Abmessungen für eine spezielle Konfiguration mit Zylindersymmetrie angegeben werden. Bei diesem Beispiel beträgt die axiale Länne L 0,88 Zoll (22,35 mm) und der Außenradius R 2,576 Zoll (65,4304 mm) mit einer Zentralöffnung R, von 1,06 Zoll (26,9240 mm). Der übergang vom inneren zum mittleren Teil 50/52 erfolnt bei L_? = 0,504 Zoll (12,8016 mm) und R₂ = 1,711 Zoll (43,4594 mm). Die jeweiligen Winkel α, β und γ sind 60°, 75° und 35°. Ein Obergangs radius r von im wesentlichen 0,250 Zoll (6,3500 mm) für diese Ausführunosform war zentriert an einem Punkt R₃ = 2,191 Zoll (55,6514 mm) und L₃ = 0,115 Zoll (2,9210 mm). Damit ist der zwischen die Oberflächentangenten des äußeren und mittleren Teils eingeschlossene Winkel 150°. Der zwischen den Oberflächentangenten des mittleren und inneren Teils eingeschlossene Winkel beträgt 195°. Für ein typisches Target aus Al-2%Si-4%Cu verträgt ein Target nach der Erfindung etwa 100 Kilowattstunden Sprühen bei Spannungen im Bereich von 400 bis 800 Volt unter Verwendung einer üblichen Stromquelle. Vergleichbare Targets bekannter Art (Fig. 3A¹) halten typischerweise nur etwa 75 Kilowattstunden unter Verwendung der gleichen Stromquelle aus. Targets nach Figur 3Λ zogen unzureichende Leistung von der gleichen üblichen Stromquelle bei Betriebsbeginn und verschlechterten damit die Qualität der Beschichtung.

Die bevorzugte Ausführungs form der Erfindung ist mit Bezug auf ein System mit kreissymmetrischer Form dargestellt und beschrieben worden, andere Konfigurationen liegen jedoch ebenfalls im Rahmen der Erfindung.

.../12

809851/0769

-writ

Beispielsweise können das Target und die zugehörigen Elemente, wie das Magnetsystem, eine offene Rechteckform haben, gesehen von oben. Die Anordnung kann auch die Form einer Streifenleitung haben, was so vorzustellen ist, daß nur eine Seite von Figur 1 verwendet wird und die Anode, das Target, die Magnete und die Polschuhe gerade Elemente sind, die in Richtung senkrecht zur Zeichenebene in Figur 1 länglich sind.

809851 /0769

Claims (7)

1. Vl P475 D

   Patentansprüche

   ( IJ Target für Sprüh-Beschichtunosgeräte bestehend aus einem Körper mit einer Querschnitts form, die eine Sprühfläche bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprühfläche einen mittleren Teil aufweist und zwei Extremteile auf beiden Seiten des mittleren Teils, wobei die Querschnittsform eine Unterfläche aufweist, die eine Seitenwand schneidet, und dadurch, daß der eine Extremteil sich vom oberen Teil der Seitenwand nach unten neigt und der mittlere Teil von diesem Anschluß zum einen Extremteil zum Anschluß an den zweiten Extremteil nach unten neigt.
2. 2. Target nach Anspruch 1 mit einem ringförmigen Körper mit einer Innenfläche, die die Mittelachse des Körpers umgibt und allgemein von dieser weg geneigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese Fläche einen Innenteil, einen Mittelteil und einen Außenteil aufweist, wobei die Fläche des Mittelteils einen ersten Winkel mit der Achse bildet, die Fläche des Innenteils einen zweiten Winkel mit der Achse einschließt und die Fläche des Außenteils einen dritten Winkel mit der Achse einschließt, von denen der erste Winkel ein spitzer ist und sich vom zweiten und dritten Winkel unterscheidet.
3. 3. Target nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Teil und der eine Extremteil bzw. der Außenteil allmählich ineinander übergehen.

   .../A2

   809851 /0769

   ORlGWAL INSrECTED
4. 4. Target nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite und dritte Winkel unterschiedlich sind.
5. 5. Target nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Winkel spitzer ist als der erste Winkel und der dritte Winkel spitzer als der zweite Winkel.
6. 6. Target nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den Tangenten an dem mittleren und dem äußeren Teil im wesentlichen in der Größenordnung von 150° liegt und der Winkel zwischen den Tangenten an dem mittleren Teil und dem Innenteil im wesentlichen in der Größenordnung von 195° liegt.
7. 7. Target nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche zylindrisch symmetrisch mit Bezug auf die Achse ist.

   809851/0769