DE4025077A1 - Magnetronkathode - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Magnetronkathode für eine Kathodenzerstäubungsanlage mit einer Tar­ gethalterung zur Aufnahme eines Targets, dessen Ero­ sionszone ein Substrat gegenübersteht und mit einem einen Pohlschuh und ein Joch aufweisenden Magnetsystem, wobei die magnetischen Feldlinien das Target durch­ dringen und im Entladungsraum von den elektrischen Feldlinien überlagert werden, so daß die Elektronen sich unmittelbar vor dem Target konzentrieren.

Es ist bereits eine Magnetronkathode der eingangs auf­ geführten Art für eine Kathodenzerstäubungsanlage mit einer Targethalterung zur Aufnahme eines Targets be­ kannt, dessen Erosionszone einem Substrat gegenüber­ liegt. Das zugehörige Magnetsystem weist einen Pol­ schuh und ein Joch auf, wobei die magnetischen Feldli­ nien das Target durchdringen und im Entladungsraum von den elektrischen Feldlinien überlagert werden, so daß die Elektronen sich unmittelbar vor dem Target kon­ entrieren. Beim Reaktivsputtern mit aggressiven Reaktivgasen können Arcing-Probleme auftreten, so daß nichtsputternde Targetflächen durch Reaktion langsam mit einer dielektrischen Schicht überzogen werden. Insbesondere bei ZPT-Kathoden kann das dazu führen, daß sich die Targetoberfläche umwandelt, insbesondere an den Flächenteilen, die der floatenden Magnet­ abschirmung gegenüberliegen.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Targetoberfläche an den kritischen Stellen derart auszubilden, daß die dielektrische Schichtbildung ver­ mieden wird.

Diese Aufgabe ist dadurch gelöst worden, daß die nicht sputternden Targetoberflächen mit einer Barriere­ schicht bzw. einer Schutzschicht überzogen sind. In vorteilhafter Weise liegt die nicht sputternde Target­ oberfläche mit der Schutzschicht der floatenden Ma­ gnetabschirmung gegenüber. Hierzu ist es vorteilhaft, daß die nicht sputternde Targetoberfläche mit einer nicht leitenden, insbesondere mit einer metallischen Schutzschicht überzogen ist. Überzieht man diese Flä­ chen mit einer metallischen Schicht, die schwer oder gar nicht mit dem Reaktivgas reagiert oder trotz Reak­ tion weiterhin leitfähig bleibt, können die Arcing- Probleme verhindert bzw. sehr stark reduziert werden. Da diese Targetflächen nicht mitsputtern, werden auch keine Fremdatome in der Schicht auf dem Substrat er­ halten.

Besonders vorteilhaft ist es, daß die auf der nicht sputternden Targetoberfläche aufgebrachte Metallschicht aus Kupferoxyd oder aus Zinkoxyd besteht und daß die Schutzschicht nur an den Außenseiten des Targets vorgesehen ist. Die Barriereschicht kann also entweder leitend oder auch als nicht oxydierende Schicht aus­ gebildet sein; in beiden Fällen erfüllt sie auf einfache Weise ihre Aufgabe und verhindert, daß sich die nicht sputternde Targetoberfläche mit einer dielektrischen Schicht überzieht. Hierdurch wird auch verhindert, daß der Ladungsträger die Schicht durch­ schlägt. Das Durchschlagen der Schicht hängt unter an­ derem auch vom elektrischen Feld und von der Schicht­ dichte ab. Das elektrische Feld kann bei der beschrie­ benen Anordnung ca. 10¹¹ Volt/m aufweisen. Derartige Feldstärken aufrechtzuerhalten, ist nicht einfach, wenn die Schicht nicht leitend wird.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in der Beschreibung der Figuren dargestellt, wobei bemerkt wird, daß alle Einzelmerkmale und alle Kombinationen von Einzelmerk­ malen erfindungswesentlich sind.

In den Figuren ist die Erfindung an einer Ausführungs­ form beispielsweise dargestellt, ohne auf diese Aus­ führungsform beschränkt zu sein. Es zeigt:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Rund­ magnetrons,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Tar­ gets in einer Ausnehmung,

Fig. 3 eine Draufsicht der Magnetronkathode gemäß Fig. 1,

Fig. 4 eine Unteransicht der Magnetronkathode gemäß Fig. 1,

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung des Magnetrons gemäß Fig. 1,

Fig. 6 Verlauf der Magnetfeldlinien in einer Magnetronanordnung.

In Fig. 1 ist eine Stromzuführungsplatte 1 darge­ stellt, die über einen in der Zeichnung dargestellten Stützisolator 2 mit einer Vakuumkammer 3 verbunden ist, die ihrerseits an Masse 4 liegt. Mit der Stromzufüh­ rungsplatte 1 ist ein Magnetjoch 5 isoliert aber fest verbunden, das im wesentlichen gleichfalls platten­ förmig ausgebildet ist. Das Magnetjoch 5 besitzt auf seiner Oberseite eine ebene Fläche 6, in der ringförmig geschlossene Auflageflächen 6a und 6b für eine Magnet­ anordnung 7 liegen. Das Magnetsystem 7 besteht aus einem inneren Ringmagneten 7a und einer geschlossenen äußeren Reihe von Stabmagneten 7b, die sämtlich in Bezug auf die Achse A des Systems axial magnetisiert sind, und zwar derart, daß die Polungsrichtung des inneren Ringmagneten 7a umgekehrt zu derjenigen der äußeren Stabmagneten 7b verläuft. Die Pollage ist in Fig. 1 ausdrücklich eingezeichnet. Das Magetsystem 7 besitzt auf der dem Magnetjoch 5 abgekehrten Seite Polflächen 7c und 7d, die in einer gemeinsamen Ebene liegen.

Das Prinzip und der Verlauf der Magnetfeldlinien ist in Fig. 5 im Prinzip dargestellt.

Fig. 6 zeigt einen Schnitt durch eine Magnetanordnung mit dem idealisierten Verlauf der Magnetfeldlinien und der Richtung des elektrischen Feldes. In der Fig. 6 sind verschiedene Zonen des Feldlinienverlaufs durch einen Rahmen gekennzeichnet. Diese Bereiche sind für die Bewegung geladener Teilchen und ganz besonders für die Bewegung von Elektronen in der Anordnung von In­ teresse. Es wird im weiteren in diesen Zonen nur auf die Bewegung der Elektronen eingegangen, da nur sie auf die Ionisierung des Inertgases und somit auf den Betrieb des Magnetrons einen Einfluß haben.

In Zone 1 gilt EB, das heißt, die Feldlinien des elektrischen und des magnetischen Feldes besitzen nur Komponenten, die entgegengesetzt parallel gerichtet sind. Ein Elektron, das in diesen Bereich von der Ka­ thode aus startet, wird eine Schraubenlinie um die Magnetfeldlinie herum beschreiben. Der Einfluß des elektrischen Feldes wird durch eine zunehmende Ganghöhe der Schraubenlinie bemerkbar. In einigem Abstand zur Kathode beginnen sich die Magnetfeldlinien zu biegen, es entsteht eine Horizontalkomponente, die senkrecht zur elektrischen Feldkomponente verläuft. Aufgrund der Horizontalkomponente wird es zu einer E×B-Drift des Elektrons kommen. Gleichzeitig wirkt auf das Elektron durch die Krümmung der Magnetfeldlinie eine Krüm­ mungsdrift ein.

Für ein Elektron sind die Richtungen der Krümmungs­ driften gleich, sie summieren sich zu einer Gesamt­ drift. Starten Teilchen in der Zone 1 auf der rechten Targethälfte, geht die Driftrichtung in die Papierebene hinein. Auf der linken Targethälfte in der Zone 1 geht sie aus der Papierebene heraus. Die Bahn, die das Elektron beschreibt, ist eine Überlagerung der Schrau­ benlinien und der Drift. Das Elektron folgt bei seiner Bewegung der Biegung der Magnetfeldlinien. Die Schrau­ benlinie beschreibt dabei einen ständig größer werden­ den Radius und geht mit zunehmender Horizontalkompo­ nente in eine Zykloide über. Wird die Vertikalkompo­ nente des Magnetfeldes null, folgt das Elektron einer reinen Zykloide, es befindet sich in Zone 2. Elektro­ nen, die von Magnetfeldlinien beeinflußt werden, die vom Magnetron wegführen, driften aus der Anordnung heraus und fließen zur Anode ab.

In Zone 2 gilt E^⟂B, das heißt, die elektrischen Feld­ linien stehen senkrecht auf den Magnetfeldlinien. In diesem Bereich ist die elektrische Drift (E×B) maxi­ mal. Startet das Elektron aus der Ruhelage, ergibt sich eine gestreckte Zykloide. Die Aufenthaltsdauer der Elektronen in diesem Bereich ist aufgrund der Zyklo­ idenbahnen sehr groß, wodurch auch die Ionisinations­ wahrscheinlichkeit der Inertgasatome steigt. Infolge der erhöhten Ionisation kommt es in diesem Bereich zu einer verstärkten Zerstäubung der Kathode, der Erosionszone.

In Zone 3 gilt EB, das heißt, die Komponenten der Feldlinien des elektrischen und magnetischen Feldes sind gleichsinnig parallel orientiert. Es existieren in diesem Bereich nahe der Kathode nur Komponenten, die senkrecht zur Oberfläche verlaufen. Elektronen, die in Zone 3 starten, werden eine Bewegungslinie beschreiben, die mit der Bahn von Elektronen, die in Zone 1 starten, identisch ist. Aufgrund der Tatsache, daß die Magnet­ feldlinien in diesem Bereich gleichsinnig zu den elek­ trischen Feldlinien, und nicht wie in Zone 1 gegen­ sinnig orientiert sind, wird sich die Drehrichtung der Schraubenlinien umkehren.

Zwischen den Auflageflächen 6a und 6b bzw. zwischen den Polflächen 7c und 7d liegt eine ringförmig geschlos­ sene, trogförmige Ausnehmung 8, die in das Magnetjoch 5 hineinragt und einen im wesentlichen rechteckigen Quer­ schnitt aufweist. In dieser Ausnehmung ist ein kreis­ ringförmiges Target 9 untergebracht, dessen Target­ fläche 9a eben ist und mit den Polflächen 7c und 7d in einer gemeinsamen Ebene liegt. Es ist jedoch sehr vor­ teilhaft, durch entsprechende Wahl der Dicke der Isolierkörper 11 die Polfächen 7c und 7d oberhalb der Targetfläche 9a anzuordnen.

Die Ausnehmung 8 besitzt einen ebenen Grund 8a, auf dem ein plattenförmiger Isolierkörper 11 aufliegt, der im wesentlichen die gesamte Breite der Ausnehmung 8 ausfüllt.

Die Rückseite des aus ferromagnetischem Werkstoff be­ stehenden Targets 9 ist mit einer umlaufenden Rippe 9b versehen, in die, auf den Umfang verteilt, Gewinde für mehrere Zugschrauben 10 eingeschnitten sind. Durch diese Zugschrauben läßt sich das Target 9 gegen das Magnetjoch 5 und die Stromzuführungsplatte 1 verspan­ nen.

Zwischen dem Target 9 und dem Isolierkörper 11 befindet sich ein Targetkühlsystem 12, welches in Form eines auf zwei verschiedenen Radien liegenden, bifilar gewickel­ ten Rohres ausgeführt sein kann, das einen quadrati­ schen oder rechteckigen Querschnitt aufweist und bei dem die Achsen der einzelnen Windungen in einer gemein­ samen Ebene liegen. Die beiden Windungen sind durch ein radial verlaufendes, auf Gehrung geschnittenes Rohr­ stück 12a miteinander verbunden (Fig. 3). Die entge­ gengesetzt liegenden Enden 12b und 12c sind senkrecht abgewinkelt und mit ausreichenden Isolierabständen durch nicht näher bezeichnete Bohrungen im Magnetjoch 5 bzw. durch eine radiale Ausnehmung 1a in der Strom­ zuführungsplatte 1 hindurchgeführt.

Beim Anziehen der Zugschrauben 10 stützt sich das Tar­ get 9 auf dem Targetkühlsystem 12 und dieses wiederum auf dem Isolierkörper 11 bzw. dem Grund 8a der Ausneh­ mung 8 ab.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, verläuft vom Grund 8a der trogförmigen Ausnehmung 8 eine Bohrung 13 bis zur ge­ genüberliegenden ebenen Fläche 14 des Magnetjochs 5. Die in Fig. 1 dargestellte Bohrung 13 steht stellver­ tretend für insgesamt sechs solcher Bohrungen, durch die insgesamt sechs Zugschrauben 10 hindurchgeführt sind, die sämtlich einerseits leitend mit dem Target 9 und andererseits leitend mit der Stromzuführungs­ platte 1 verbunden sind.

Um zu verhindern, daß es zwischen der Stromzuführungs­ platte 1 bzw. den Zugschrauben 10 und dem Magnetjoch 5 zu einem Kurzschluß kommt, ist in der Bohrung 13 ein hülsenförmiger Isolierkörper 15 angeordnet, der außer­ halb der Bohrung 13 und auf der ebenen Fläche 14 auf­ liegend einen Kragen 15a aufweist. Auf diesem Kragen stützt sich die Stromzuführungsplatte 1 unter der Kraft der Zugschraube 10 ab.

Es ist erkennbar, daß auf diese Weise die Stromzufüh­ rungsplatte 1 mit dem Target 9 sowohl gegenüber dem Magnetjoch 5 mit der Magnetanordnung 7 als auch gegen­ über der Vakuumkammer 3 bzw. der Masse 4 elektrisch isoliert ist. Während das Target 9 über die Stromzu­ führungsplatte 1 auf ein definiertes negatives Poten­ tial gebracht werden kann und auch die Masse 4 ein de­ finiertes Potential (Null-Potential) darstellt, ist die Magnetanordnung 7 mit dem Magnetjoch 5 frei und kann sich auf ein durch die Betriebsbedingung vorgegebenes Zwischenpotential einstellen, bei dessen Erreichen sich innerhalb kürzester Zeit selbsttätig der Effekt ein­ stellt, daß eine Zerstäubung der Magnetanordnung 7 unterbleibt.

Die Zugschrauben 10 können im vorliegenden Fall als Targethalterung bezeichnet werden. Während es möglich ist, die Zugschrauben 10 in dem metallischen Werkstoff des Targets 9 unmittelbar zu verankern, kann beim Zer­ stäuben von nicht metallischen Targets, beispielsweise von weichmetellischen Targets, so vorgegangen werden, daß in der Ausnehmung 8 ein metallischer Ring ange­ ordnet wird, auf dem das weichmetallische Targetmate­ rial befestigt ist. Dieser metallische Ring stellt dann eine gut wärmeleitende Verbindung mit dem Targetkühl­ system 12 her und fängt außerdem die mechanischen Kräfte auf, die ein sprödes, dielektrisches Target nicht aufnehmen könnte.

Es ist aus Fig. 1 ferner zu entnehmen, daß die Magnet­ anordnung 7 in einem Gehäuse 16 untergebracht ist, das aus einem nicht ferromagnetischen Werkstoff besteht. Das Gehäuse 16 besteht aus zwei rotationssymmetrischen Teilen, nämlich aus einem topfförmigen zentralen Gehäuseteil 16a, das den Ringmagneten 7a einschließt und mittels einer Schraube 17 mit dem Magnetjoch 5 verspannt ist, sowie aus einem ringförmigen äußeren Gehäuseteil 16b, welches - im Querschnitt gesehen - die Stabmagnete 7b in einer endlosen, d. h. geschlossenen Reihe umschließt. Mittels mehrerer Schrauben 18, von denen nur eine gezeigt ist, wird das Magnetjoch 5 gesichert.

Es ist weiterhin zu erkennen, daß die beiden Gehäuse­ teile 16a und 16b, von der Ebene ausgehend, in der die Polflächen 7c und 7d liegen, in die Ausnehmung 8 hin­ eingezogen ausgebildet sind und in Form zweier zylin­ drischer Zargen die zylindrische Innenfläche und die zylindrische Außenfläche des Targets 9 unter Belassung zweier kreisringförmiger Luftspalte 19 und 20 über­ greifen. Die betreffenden zargenförmigen Teile des Ge­ häuses 16 können dabei ohne weiteres als Teile der Luftspalte 19 und 20 angesehen werden, da sie aus nicht ferromagnetischem Werkstoff bestehen.

Die beiden Gehäuseteile 16a und 16b sind im Bereich ihrer inneren Ränder mit je einem zur Targetfläche 9a bzw. zu deren Ebene parallelen, flanschförmigen Vor­ sprung 16c bzw. 16d versehen. Jeder dieser flanschför­ migen Vorsprünge überdeckt den plattenförmigen Iso­ lierkörper 1 im Bereich seines inneren bzw. äußeren Randes so weit, daß der Isolierkörper durch die Luft­ spalte 19 und 20 zwischen Target 9 und den Gehäuse­ hälften 16a und 16b nicht sichtbar ist. Dadurch wird wirksam verhindert, daß sich im Falle eines Rücksput­ terns leitendes Material auf dem Isolierkörper nieder­ schlägt und dabei dessen Isolationseigenschaften be­ einträchtigt. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß die verfügbaren Abstände relativ klein sind, so daß die Isolationseigenschaften weitgehend auch über längere Betriebszeiten erhalten bleiben müssen.

Beim Reaktivsputtern mit aggressiven Reaktivgasen kön­ nen jedoch Arcing-Probleme auftreten, so daß nicht sputternde Targetflächen durch Reaktion langsam mit einer dielektrischen Schicht überzogen werden. Insbe­ sondere bei ZPT-Kathoden kann das dazu führen, daß sich die Targetoberfläche umwandelt, vor allem an den Flächenteilen, die der floatenden Magnetabschirmung gegenüberliegen. Hierzu ist es besonders vorteilhaft, wenn die nicht sputternden Targetoberflächen 22 mit ei­ ner Barriereschicht bzw. einer Schutzschicht 21 über­ zogen sind. Die Schutzschicht 21 kann gegenüber der floatenden Magnetabschirmung liegen. Es ist beispiels­ weise möglich die Schutzschicht 21 nicht leitend auszu­ bilden oder derart zu gestalten, daß sie während des Sputtervorganges ihre Leitfähigkeit nicht verliert. Ferner besteht die Möglichkeit, die auf der nicht sputternden Targetoberfläche 22 aufgebrachte Schutz­ schicht 21 als Kupferoxyd oder aus Zinkoxyd auszubil­ den. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist die Schutzschicht nur an den kritischen Stellen, und zwar an den nicht sputternden Seiten, d. h. an den Außenseiten des Tar­ gets 9, vorgesehen.

Der besondere Vorteil des Gehäuses 16 besteht auch darin, daß seine beiden Gehäuseteile 16a und b einen sauberen Abschluß der Verbindungsteile der Magnetan­ ordnung 7 mit dem Magnetjoch 5 darstellen, und die Ma­ gnete 7a und 7b auch ohne Verwendung von Klebern zu­ verlässig festhalten. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die Anordnung der außenliegenden Stabmagnete 7b von Bedeutung, die gemäß Fig. 3 durch ihre ringförmige Anordnung notwendigerweise keilförmige Spalte zwischen sich einschließen.

Überzieht man die Flächen 22 mit einer metallischen Schicht 21, die schwer oder gar nicht mit dem Reaktiv­ gas reagiert oder trotz Reaktion weiterhin leitfähig bleibt, können die Arcing-Probleme verhindert bzw. sehr stark reduziert werden. Da diese Targetflächen nicht mitsputtern, werden auch keine Fremdatome in der Schicht auf dem Substrat auftreten.

Der Erfindungsgegenstand ist keineswegs auf die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte, weitgehend rotationssym­ metrische Anordnung beschränkt, sondern kann auch, und mit besonderem Vorteil, Verwendung finden bei langge­ streckten in der Zeichnung jedoch nicht dargestellten Rechteckkathoden, wie sie beispielsweise für die Be­ schichtung von großen Fensterscheiben verwendet werden. Derartige Kathoden können bei einer Breite von etwa 30 bis 40 cm ohne weiteres Baulängen von etwa 4 m erreichen. Auch sind alle Formen zwischen der Kreisform und der Rechteckform denkbar. In Fig. 5 ist ein Rundmagnetron 23 dargestellt.

Bezugzeichenliste

 1 Stromzuführungsplatte
 1a Ausnehmung
 2 Stützisolator
 3 Vakuumkammer
 4 Masse
 5 Magnetjoch
 6 Fläche
 6a Auflagefläche
 6b Auflagefläche
 7 Magnetsystem
 7a Ringmagnet
 7b Stabmagnet
 7c Polfläche
 7d Polfläche
 8 Ausnehmung
 8a Grund
 9 Target
 9a Targetoberfläche
 9b Rippe
10 Zugschrauben
11 Isolierkörper
12 Targetkühlsystem
12a Rohrstück
12b Ende
12c Ende
13 Bohrung
14 Fläche
15 Isolierkörper
15a Kragen
16 Gehäuse
16a Gehäuseteil
16b Gehäuseteil
16c Vorsprung
16d Vorsprung
17 Schraube
18 Schraube
19 Luftspalt
20 Luftspalt
21 Barriereschicht, Schutzschicht
22 Targetoberfläche
23 Rundmagnetron

Claims (7)

1. Magnetronkathode für eine Kathodenzerstäubungs­ anlage mit einer Targethalterung zur Aufnahme eines Targets (9) dessen Erosionszone ein Sub­ strat gegenübersteht steht, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die nicht sputternden Target­ oberflächen (22) mit einer Barriereschicht bzw. einer Schutzschicht (21) überzogen sind.

2. Magnetronkathode nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die nicht sputternde Target­ oberfläche (22) mit der Schutzschicht (21) ge­ genüber der floatenden Magnetabschirmung liegt.

3. Magnetronkathode nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die nicht sputternde Target­ oberfläche (22) mit einer nicht leitenden Schutzschicht (21) überzogen ist.

4. Magnetronkathode nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die nicht sputternde Target­ oberfläche (22) mit einer Metallschicht über­ zogen ist, die während des Sputtervorgangs ihre Leitfähigkeit nicht verliert.

5. Magnetronkathode nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die auf der nicht sputternden Targetoberfläche (22) aufgebrachte Schutz­ schicht (21) aus Kupferoxyd oder aus Zinkoxyd besteht.

6. Magnetronkathode nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schutzschicht (21) nur an den Außenseiten des Targets (9) vorgesehen ist.

7. Magnetronkathode nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schutzschicht (21) zwischen der Magnetanordnung (7) und dem Target (9) im Bereich eines Luftspalts (19, 20) angeordnet ist.