DE69320151T2

DE69320151T2 - Flachen magnetronzerstäubungsanlage

Info

Publication number: DE69320151T2
Application number: DE69320151T
Authority: DE
Inventors: Barry W. Boulder Colorado 80301 Manley
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-06-01
Filing date: 1993-05-25
Publication date: 1999-01-14
Anticipated expiration: 2013-05-26
Also published as: JPH07507360A; EP0600070A1; WO1993024674A1; US5262028A; DK0600070T3; EP0600070A4; ATE169349T1; JP3473954B2; AU4388293A; DE69320151D1; EP0600070B1; ES2122024T3

Description

1. Technischer Bereich

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen den Bereich des Sputterns bzw. Zerstäubens in einem Magnetron bzw. einer Magnetfeldröhre und insbesondere eine planare Vorrichtungen zum Sputtern in einem Magnetron mit verbesserten Plasma umschließenden Magnetfeldern, um die Sputterwirksamkeit von Targets mit geringem Längenverhältnis zu verbessern.

2. Stand der Technik

Die Glimm- bzw. Glühentladung ist ein wohlbekanntes Verfahren und wird weit verbreitet verwendet, um dünne Filme verschiedener Arten von keramischen und metallischen Materialien auf den Oberflächen von Gegenständen oder Substraten abzuscheiden. Das Glimmentladung-Sputterverfahren wird gewöhnlich in einer Vakuumkammer und in Gegenwart eines Sputtergases durchgeführt, das unter relativ niedrigem Druck gehalten wird. Das Material, das zerstäubt und auf dem Substrat abzuscheiden ist, wird gewöhnlich als Target bezeichnet und ist auf einer Kathode innerhalb der Vakuumkammer angeordnet, wo es durch ein Plasma oder eine Glimmentladung abgetragen bzw. erodiert wird, das bzw. die auf der Oberfläche des Targetmateriales eingerichtet ist. Die Kathode und das Target werden bei einem starken negativen Potential gehalten, so daß positive Ionen aus der Glimmentladung das Targetmaterial bombardieren und Targetatome auswerfen, welche dann auf der Oberfläche des Substrates kondensieren, wobei ein dünner Film oder eine Schicht des Targetmateriales auf dem Substrat ausgebildet wird. Weitere Partikel bzw. Teilchen und Ausströmungen werden ebenfalls am Target und im Plasma erzeugt, welche ebenfalls die Eigenschaften des abgeschiedenen Filmes beeinflussen können.
Während die Sputterausbeute, d. h. die Anzahl von besputterten Targetatomen pro auffallendem Ion, von den Energien der auffallenden Ionen abhängt, hängt die Gesamtsputterrate sowohl von den Energien der auffallenden Ionen als auch von der Gesamtanzahl von Ionen, welche die Targetoberfläche während einer gegebenen Zeiteinheit bombardieren, ab. Daher ist es, um die Sputterwirksamkeit zu maximieren, wünschenswert, die Ionen und Elektronen in der Glimmentladung so nahe wie möglich der Oberfläche des Targetmateriales zu erzeugen und zu binden. Diesbezüglich wurden zahlreiche Arten von Magnetron- Sputtervorrichtungen, wie sie bekannt geworden sind, entwickelt, welche magnetische Felder oder "Tunnel" verwenden, um die Glimmentladung in naher Nachbarschaft zur Oberfläche des Targets zu binden.
Die meisten planaren Magnetron-Sputtervorrichtungen umfassen im allgemeinen plattenartige oder planare Targets zusammen mit geeigneten Magnetzusammenstellungen bzw. -anordnungen zum Erzeugen von Plasma umschließenden Magnetfeldern, angrenzend an das Target. Während zahlreiche Ausgestaltungen und Konfigurationen von Plasma umschließenden Magnetfehdern entwickelt und mit unterschiedlichen Wirkungsgraden verwendet worden sind, ist es üblich, ein Plasma umschließendes Magnetfeld dahingehend auszugestalten, einen geschlossenen Regelkreis- bzw. Closed-loop-Ring oder eine "Rennstrecke" über der Oberfläche des Targetmateriales auszubilden. Im Querschnitt gesehen umschließen oder überbrücken die Flußlinien des magnetischen Feldes die Oberfläche des Targets unter Erzeugung eines magnetischen "Tunnels", welcher die Glimmentladung in den ring- oder "racetrack"-förmigen Sputterbereich bindet. Wie gut bekannt ist, bewirkt ein durch eine hohe Spannung zwischen einer Anode und dem Target/Kathode erzeugtes elektrisches Feld, das mit dem Regelkreis-Magnetfeld zusammenwirkt, daß Elektronen innerhalb der Glühentladung eine Netto-Geschwindigkeit entlang der Rennstrecke zu erreichen, wobei die Stärke und Richtung des Elektronengeschwindigkeitsvektors durch das Vektor-Querprodukt des elektrischen Feldvektors E und des magnetischen Feldvektors B (bekannt als die E X B-Geschwindigkeit) gegeben ist. Die Gestalt des vorherrschenden Elektronenweges bestimmt den Anteil des Targetmateriales, das gesputtert werden wird.
Unglücklicherweise neigt bei den meisten herkömmlichen Magnetron-Sputtervorrichtungen mit ringförmigen Magnettunneln die gebogene Form des Magnetfeldes über der Targetoberfläche die Elektronen und damit den vorherrschenden Elektronenweg zum Zentrum des Tunnels hin zu zwingen oder zu "einzuschnüren". Dieser Schnür- bzw. Pincheffekt verursacht, daß die Plasmadichte und damit die Sputtererosion entlang der Mittellinie des Tunnels am höchsten ist. Mit schrittweisem Abtrag des Target, neigen diese Einschnürungskräfte dazu stärker zu werden, was eine stärkere Einschnürung verursacht, und letztendlich in einer V-förmigen Abtragungsausnehmung in dem Target resultiert. Der Bruchteil des Targetmateriales, der zu der Zeit, bei welcher die V-förmige Erosionsausnehmung die Rückseite des Targets erreicht, abgetragen worden ist, wird als die Targetverwendbarkeit bzw. -verwertbarkeit bezeichnet. Bei den meisten Sputtermagnetronen des Standes der Technik ist die Targetverwendbarkeit relativ niedrig, im Bereich von etwa 20% bis 30%. Da die herkömmlich verwendeten. Targetmaterialien relativ teuer sind, ist eine solche Targetverwendbarkeit verschwenderisch und erhöht die Kosten, welche mit dem Sputter- Verfahren verbunden sind. Beispielsweise kann, obwohl verbrauchte Targets recycled und zu neuen Targets wiederverarbeitet werden können, die Zeit, welche zum Auswechseln und Wiederverarbeiten von Targets verbraucht wird, bedeutend sein und erhöht in jedem Fall die Gesamtkosten des Sputterbetriebes. Daher übersetzt sich jede wesentliche Erhöhung der Targetverwendbarkeit in eine direkte Kosteneinsparung, da die erhöhte Targetverwendbarkeit längere Produktionsläufe und weniger Ausfallzeiten, welche zur Wiederaufbereitung und zum Austausch von Targets verwendet werden, ermöglicht.
Über die Jahre hinweg haben Erfinder versucht, die Targetverwendbarkeit zu erhöhen, welche mit solchen planaren Magnetronen verbunden ist, indem die Formen der Plasma umschließenden Magnetfelder geändert wurden. Beispielsweise offenbart Morrison in der US-PS 4,180,450 ein planares Magnetron, worin die Krümmung der konvex gebogenen Feldlinien des Magnettunnels in einem Versuch, den oben beschriebenen Plasmaeinschnürungseffekt zu vermindern, abgeflacht würden. Das für Moleod erteilte US-Patent 3,956,093 erhöht die Targetverwendbarkeit etwas, indem der Sputterbereich über dem Target vergrößert wird. Moleod erreicht die Vergrößerung des Sputterbereiches unter Verwendung von Elektromagneten, um ein variables magnetisches Vorfeld auf das darüber hinaus statische Magnetfeld anzulegen, und damit das Magnetfeld über dem Zentrum der Erosions- bzw. Abtragungsausnehmung hin und her zu fahren. Weitere Magnetron- Vorrichtungen verbessern den Erosionsbereich, indem die gesamte Magnetvorrichtung oder das Target während des Sputter- Verfahrens bewegt werden.
Während diese vorangehenden Vorrichtungen aus dem Stand der Technik eine etwas verbesserte Targetverwendbarkeit aufweisen, erfolgten die Verbesserungen gewöhnlich auf Kosten eines verringerten Leistungsgrades oder erforderten das Hinzufügen separater oder zusätzlicher elektromagnetischer Spulen oder den Einsatz komplexer Vorrichtungen, um die Magnetstruktur oder das Target physikalisch zu bewegen. Neben einer Erhöhung der Gesamtkosten der Sputter-Vorrichtung kann das Einsetzen einer großen Anzahl von Komponenten in die Zerstäubungskammer den zerstäubten Film mit ungewünschten Verunreinigungen vergiften, wenn nicht geeignete Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, um sicherzustellen, daß die zusätzlichen Komponenten selbst nicht sputtern bzw. zu zerstäuben.
Welty (US-PS 4,892,633) entdeckte einen weiteren Weg, um die Targetverwendbarkeit zu erhöhen, ohne auf komplexe Vorrichtungen zum raschen Hin- und Herfahren entweder des Magnetfeldes oder des Targets mit all den damit verbundenen Nachteilen zu rückgreifen zu müssen. Insbesondere lehrt Welty ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Magnetron-Sputtern, worin einige der Flußlinien, welche den Regelkreis- bzw. Closed-loop- Magnettunnel bilden, die Krümmung von konvex zu schwach konkav innerhalb des Sputterbereiches ändern. Welty's verbesserte Feldform vermindert den Schnür- bzw. Pincheffekt und ermöglicht einen vollständigeren Verbrauch des Targetmäteriales. Unglücklicherweise ist jedoch das Welty-System nicht ohne Nachteile. Beispielsweise schwächt der von Welty verwendete magnetische Shunt bzw. Zweigkreis, um die Magnetfeldlinien über die Oberfläche des Targets herunterzuziehen, damit ihre Krümmung von konvex zu schwach konkav zu ändern, auch wesentlich die Stärke des Magnetfeldes. Dieses geschwächte Magnetfeld vermindert die maximal mögliche Targetdicke, was natürlich die Länge der Produktionsläufe vermindert und die Auszeiten, welche zum Austausch von Targets benötigt werden, erhöhen. Alternativ dazu könnten stärkere Magnete verwendet werden um die reduzierte Feldstärke zu kompensieren. Unglücklicherweise jedoch verwenden die meisten Sputtermagnetrone bereits die stärksten verfügbaren Magnete, somit ist diese Option tatsächlich ausgeschlossen.
Daher besteht ein Bedarf für eine planare Magnetron- Spüttervorrichtung, welche eine wesentliche Verbesserung der Targetverwendbarkeit erreicht, ohne das Erfordernis, separate Elektromagnete oder andere komplexe Vorrichtungen einzusetzen, um das Magnetfeld über die Oberfläche des Targets zu bewegen und ohne das Erfordernis, das Target selbst zu bewegen. Idealer Weise sollte ein solches planares Magnetron eine Verbesserung der Targetverwendbarkeit unter Verwendung eines einfachen statischen Magnettunnelfeldes erreichen, aber ohne die Stärke des Magnettunnels zu schwächen und ohne die maximal mögliche Dicke des Targetmateriales ungerechtfertigt einzuschränken. Vor dieser Erfindung existierte eine solche Vorrichtung nicht.

Offenbarung der Erfindung

Demgemäß ist es eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Magnetron-Sputter- bzw. Zerstäubungsvorrichtung mit verbesserter Targetverwendbarkeit zur Verfügung zu stellen.
Eine weitere allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine, verbesserte Magnetron-Sputtervorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche dickere Targetmaterialien mit verminderten Längenverhältnissen verwenden kann.
Es ist eine speziellere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine planare Magnetron-Sputtervorrichtung mit einer verbesserten Magnetfeldform zur Verfügung zu stellen, um den mit Magnetronen des Standes der Technik verbundenen Plasma-Pincheffekt zu vermindern.
Es ist eine weitere spezielle Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine planare Magnetron-Sputtervorrichtung mit einer verbesserten Magnetfeldform zur Verfügung zu stellen, um den Plasma-Pincheffekt zu reduzieren, aber ohne auf das Erfordernis auf Vorrichtungen zum Hin- und Herfahren des Magnetfeldes über der Oberfläche des Targets oder zum Hin- und Herfahren des Targets selbst zurückgreifen zu müssen.
Um die vorangehenden und weiteren Aufgaben in Übereinstimmung mit dem Zweck der vorliegenden Erfindung, wie sie hier ausgeführt und ausführlich beschrieben ist, zu erreichen bzw. zu lösen, umfaßt die verbesserte, planare Magnetron-Sputterzusammenstellung der Erfindung, wie im Anspruch 1 angegeben, eine Sputter-Magnetzusammenstellung, welche angrenzend an die Rückseite des Targets zum Erzeugen eines Magnetfeldes mit magnetischen Flußlinien, welche einen Sputterbereich angrenzend an die Vorderseite des Targets und innerhalb des Targetkörpers definieren, angeordnet ist. Die magnetischen Flußlinien bilden einen oberen Magnetlappen, einen unteren Magnetlappen, einen inneren Magnetlappen und einen äußeren Magnetlappen bzw. entsprechende Keulen, wovon alle im wesentlichen innerhalb des Sputterbereiches angeordnet sind. Des weiteren sind die Stärken und Richtungen der Magnetlappen so, daß ein Null-Punkt zwischen den oberen, unteren, inneren und äußeren Magnetlappen existiert. Während des Sputterbetriebes bilden die Magnetlappen bzw. -keulen entsprechende obere, untere, innere und äußere Closed-loop-Plasma umschließende Magnettunnel, während das. Targetmaterial zerstäubt wird.
Eine Grundausführungsform der Sputter-Magnetzusammenstellung zum Erzeugen der vier getrennten Closed-loop-Plasma umschließenden Magnettunnel umfaßt einen plattenförmigen Polschuh, der aus einem magnetisch durchlässigen Material erzeugt ist. Ein zentraler Magnet ist im wesentlichen am Zentrum des Polschuhes angeordnet und ist so ausgerichtet, daß seine Nord-Süd-Magnetorientierung im wesentlichen senkrecht zu dem plattenförmigen Polschuh verläuft. Eine Vielzahl äußerer Magnete sind, um den zentralen Magneten angeordnet, wovon jeder ebenfalls eine Nord-Süd-Magnetorientierung senkrecht zum Polschuh aufweist, aber entgegengesetzt der Orientierung des zentralen Magneten. Eine Vielzahl primärer innerer Magnete sind um den zentralen Magneten zwischen dem zentralen Magneten und den äußeren Magneten angeordnet, wobei jeder der primären inneren Magnete seine Nord-Süd-Magnetorientierung parallel zu dem Basis- Polschuh und senkrecht zu den Magnetorientierungen des zentralen Magneten und der äußeren Magneten aufweist.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung, wie im Anspruch 11 angegeben, umfaßt die Schritte des Einrichtens einer Niederdruck-Sputteratmosphäre in einer Zerstäubungskammer und das Erzeugen einer Glimmentladung über einem Sputterbereich an einem Target, das innerhalb der Zerstäubungskammer angeordnet ist. Dann wird ein Magnetfeld erzeugt, das eine Vielzahl von magnetischen Flußlinien angrenzend an die Vorderseite des Targets und innerhalb des Targetkörpers aufweist. Die magnetischen Flußlinien bilden einen oberen Magnetlappen, einen unte ren Magnetlappen, einen inneren Magnetlappen und einen äußeren Magnetlappen bzw. entsprechende Keulen, wovon alle im wesentlichen innerhalb des Sputterbereiches und des Targetkörpers angeordnet sind. Die Stärken und Orientierungen der Magnetlappen sind so, daß ein Null-Punkt zwischen den oberen, unteren, inneren und äußeren Magnetlappen vorliegt.
Weitere Gegenstände, Vorteile und neue Merkmale der Erfindung sollen teilweise in der nachfolgenden Beschreibung angegeben werden und werden teilweise für den Fachmann beim Studium der nachfolgenden Beschreibung offensichtlich werden oder können durch die Anwendung der Erfindung erfahren werden. Die Gegenstände und Vorteile der Erfindung können mittels der Instrumentarien und in Kombinationen, welche in den anhängenden Ansprüchen insbesondere herausgestellt sind, verwirklicht und erhalten werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die begleitenden Zeichnungen, welche hier beinhaltet sind und einen Teil der Patentbeschreibung bilden, veranschaulichen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erklären. Darin ist:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht im Aufriß einer ersten Ausführungsform der verbesserten, planaren Magnetron-Sputter-Magnetzusammenstellung gemäß der vorliegenden Erfindung und entlang der Linie 1-1 von Fig. 2, welche die Anordnung des Targets bezüglich der Magnetzusammenstellung und die Anordnungen und Nord-Süd-Feldorientierung der Permanentmagnete zeigt;
Fig. 2 eine Planansicht der in Fig. 1 gezeigten runden, planaren Magnetron-Sputter-Magnetzusammenstellung;
Fig. 3 eine schematische Querschnittsansicht im Aufriß der ersten Ausführungsform der in Fig. 1 gezeigten verbesserten, planaren Magnetron-Sputter-Magnetzusammenstellung, welche aber Orientierung und Gestalt der Magnetflußlinien der vier lappen- bzw. keulenförmigen Magnetfelder in bezug zum Target zeigt;
Fig. 4 eine schematische Querschnittsansicht im Aufriß der in den Fig. 1 und 3 gezeigten ersten Ausführungsform der verbesserten, planaren Magnetron-Sputter- Magnetzusammenstellung, welche eine typische Abtragungsausnehmung zeigt, welche in dem Target erodiert ist;
Fig. 5 ein Diagramm, das die Targetspannung gegen den Targetverbrauch der verbesserten, planaren Magnetron- Sputter-Magnetzusammenstellung gemäß der Erfindung mit derjenigen eines typischen planaren Magnetrons des Standes der Technik vergleicht;
Fig. 6a eine schematische Querschnittsansicht im Aufriß einer zweiten Ausführungsform der verbesserten, planaren Magnetron-Sputter-Magnetzusammenstellung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 eine schematische Querschnittsansicht im Aufriß der zweiten Ausführungsform der verbesserten, planaren Magnetron-Sputter-Magnetzusammenstellung, welche in Fig. 6 gezeigt ist, und die entsprechende Orientierung und Gestalt der Magnetflußlinien der vier lappen- bzw. keulenförmigen Magnetfelder in bezug zum Target zeigt;
Fig. 8 eine schematische Querschnittsansicht im Aufriß einer dritten Ausführungsform der verbesserten, planaren Magnetron-Sputter-Zusammenstellung;
Fig. 9 eine schematische Querschnittsansicht im Aufriß einer vierten Ausführungsform der verbesserten, planaren Magnetron-Sputter-Zusammenstellung;
Fig. 10 eine schematische Querschnittsansicht im Aufriß einer fünften Ausführungsform der verbesserten, planaren Magnetron-Sputter-Zusammenstellung;
Fig. 11 eine schematische Querschnittsansicht im Aufriß einer sechsten Ausführungsform der verbesserten, planaren Magnetron-Sputter-Zusammenstellung;
Fig. 12 eine schematische Querschnittsansicht im Aufriß einer siebten Ausführungsform der verbesserten, planarem Magnetron-Sputter-Zusammenstellung;
Fig. 13 eine Planansicht der rechtwinkligen, planaren Magnetron-Sputter-Magnetzusammenstellung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 14 eine schematische Querschnittsansicht im Aufriß entlang der Linien 14-14 von Fig. 13, welche die Position des Targets in bezug zu dem verlängerten Mittelabschnitt der Magnetzusammenstellung und die Anordnungen und Nord-Süd-Feldorientierung der Permanentmagnete zeigt;
Fig. 15 eine schematische Querschnittsansicht im Aufriß einer zweiten Ausführungsform der verbesserten, rechtwinkligen, planaren Magnetron-Sputter-Zusammenstellung;
Fig. 16 eine schematische Querschnittsansicht im Aufriß einer dritten Ausführungsform der verbesserten, rechtwinkligen, planaren Magnetron-Sputter-Zusammenstellung;
Fig. 17 eine schematische Querschnittsansicht im Aufriß einer vierten Ausführungsform der verbesserten, rechtwink ligen, planaren Magnetron-Sputter-Zusammenstellung; und
Fig. 18 eine schematische Querschnittsansicht im Aufriß einer fünften Ausführungsform der verbesserten, rechtwinkligen, planaren Magnetron-Sputter-Zusammenstellung gemäß der vorliegenden Erfindung, welche die Anordnung eines zentralen Boostermagneten und des Targets zeigt.

Beste Methode zur Durchführung der Erfindung

Die verbesserte, planare Magnetron(Magnetfeldröhre)-Sputter (Kathodenzerstäubung)-Magnetzusammenstellung gemäß der vorliegenden Erfindung kann verschiedene Konfigurationen annehmen, in Abhängigkeit von der besonderen Targetform und dem gewünschten Abtragungsmuster, wie unten genauer beschrieben werden wird, und kann mit Targets in der Form flacher ringförmiger oder rechteckiger Platten verwendet werden. Beispielsweise wird ein rundes oder ringförmiges Magnetron zum Erodieren einer ringförmigen Targetplatte, die Plasma umschließenden Magnettunnel in Form von konzentrischen ringförmigen Ringen aufweisen, wohingegen die Form jedes Magnettunnels für ein rechtwinkliges Target zwei lineare parallele Abschnitte in paralleler, beabstandeter Beziehung umfassen wird, welche sich entlang nahezu der gesamten Länge des rechtwinkligen Targets erstrecken und an jedem Ende durch einen halbkreisförmigen Abschnitt unter Ausbildung einer kontinuierlichen Schleife in Form eines bzw. einer abgeflachten Ovales oder "Rennstrecke" zu bilden. Dementsprechend wird die verbesserte Magnetron- Sputter-Magnetzusammenstellung gemäß der vorliegenden Erfindung hier gezeigt und beschrieben, wie sie zur Verwendung mit Targets von entweder runden oder rechtwinkligen Flächen konfiguriert sein könnte. Schließlich werden, da die Details weiterer Komponenten, welche erforderlich sind, um eine planare Magnetron-Sputtervorrichtung zu konstruieren und zu betreiben, wie die Vakuumkammer, Vorrichtungen zum Befestigen und Kühlen des Targets und Vorrichtungen zum elektrischen Verbinden der Targetkathode mit einer Spannungsquelle, etc., für Fachleute wohl bekannt sind, solche weiteren Komponenten hier nicht gezeigt und beschrieben werden. Des weiteren würden Fachleute auch das Erfordernis erkennen, die Magnetzusammenstellung mit einem geeigneten Erdeschutz zu umgeben, um ein unerwünschtes Sputtern der Magnetzusammenstellung zu verhindern und um eine Bogenbildung bzw. einen Elektrodenüberschlag zu verhindern. Daher wird eine solche Erdeabschirmung ebenfalls nicht gezeigt und beschrieben werden.
Im Überblick ist die bevorzugte Ausführungsform 10 der verbesserten, planaren Magnetron-Sputter-Magnetzusammenstellung gemäß der vorliegenden Erfindung am besten aus den Fig. 1 bis 3 zu ersehen, da sie ausgestaltet ist, um vier konzentrische ringförmige Closed-loop-Magnettunnel über der Vorderseite 13 eines flachen ringförmigen Targets 12, das über der Sputter- Magnetzusammenstellung 10 angeordnet ist, zu erzeugen. Im wesentlichen umfaßt die Sputter-Magnetzusammenstellung 10 einen Basis-Polschuh 14, an dem eine Vielzahl von Permanentmagneten befestigt sind, deren Nord-Süd-Magnetorientierungen in verschiedenen horizontalen und vertikalen Konfigurationen angeordnet sind, wie am besten aus Fig. 1 zu ersehen ist. Zusammen erzeugen die Magnete und der Basis-Polschuh 14, welche die Magnetzusammenstellung 10 bilden, ein einzigartiges bzw. einheitliches vierlappiges Magnetfeld, wobei jede der vier Lappen bzw. Keulen 32, 34, 36 und 38 im wesentlichen den Sputterbereich definieren, wie am besten aus Fig. 3 ersehen wird. Während des tatsächlichen Sputter-Verfahrens bildet bzw. erzeugt jeder der Magnetlappen 32, 34, 36 und 38 einen separaten Closed-loop-Plasma umschließenden Magnettunnel, wobei jeder Tunnel einen deutlicheren Effekt auf das Plasma unter schrittweisem Erodieren des Targetmateriales aufweist, und damit mehr der Magnetfeldlinien, welche mit jedem einzelnen Lappen verbunden sind, exponiert werden. Wie weiter unten genauer beschrieben werden wird, sind diese vierlappigen Plasma umschließenden Magnetfeldkonfigurationen und die Anordnung der Magnete zu ihrer Erzeugung wesentliche Merkmale der Erfindung und erlauben, daß die Dichte der Glimmentladung im wesentlichen gleichförmig bleibt, während sie das Targetmaterial 12 abträgt. Diese erhöhte Gleichförmigkeit der Glimmentladung im Sputter-Bereich erhöht wesentlich die Targetverwendbarkeit der vorliegenden Erfindung.
Ein weiteres wesentliches Merkmal dieser Erfindung ist, daß keine Magnetfeld-Abschwächungsshunts erforderlich sind, um das Magnetfeld zu formen und die Gleichförmigkeit der Glimmentladung zu verbessern. Die Sputter-Magnetzusämmenstellung gemäß der vorliegenden Erfindung kann daher mit relativ dicken Targets 12 verwendet werden, welche Längenverhältnisse, d. h. Durchmesser zu Dickeverhältnissen, von etwa 9 : 1 oder weniger aufweisen, im Gegensatz zu Längenverhältnissen von etwa 15 : 1 bei Vorrichtungen des Standes der Technik mit ähnlichen Targetverwendungen. Das reduzierte Target-Längenverhältnis erlaubt dickere zu sputternde Targets, wodurch der Produktionslauf mit einem gegebenen Target erhöht und die mit einer Targetrecyclierung und einem Targetaustausch verbundenen Auszeiten vermindert werden. Da die vorliegende Erfindung des weiteren einfache statische Magnetfelder verwendet, um die verbesserte Targetverwendbarkeit hervorzubringen, sind keine komplexen Vorrichtungen erforderlich, um das Magnetfeld bezüglich des Targets, mit all den damit verbundenen Nachteilen, zu bewegen. Dementsprechend kann die gesamte Sputter-Magnetzusammenstellung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem inerten, isolierenden Material beschichtet werden, wie Epoxid, um die Sputter-Magnetzusammenstellung vor einer Korrosion zu schützen, wenn sie in Wasser oder ein anderes Kühlmittel eingetaucht wird.
Die Details der bevorzugten Ausführungsform 10 der verbesserten, planaren Magnetron-Sputter-Magnetzusammenstellung der Erfindung ist am besten aus den Fig. 1, 2 und 3 ersichtlich. Da die Magnetzusammenstellung 10 spezifisch konfiguriert ist, um ein ringförmiges Magnetfeld zum Sputtern plattenartiger Tar gets mit ringförmigen Flächen zu erzeugen, umfaßt sie eine Vielzahl von einzelnen Magneten, welche in ringförmiger Weise konzentrisch mit der Symmetrieachse 18 des ringförmigen Basis- Polschuhes 14 angeordnet sind, wie am besten aus Fig. 2 ersehen wird. Indem nun gleichzeitig auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen wird, umfaßt die Magnetzusammenstellung 10 einen Basis-Polschuh 14 mit einer ringförmigen Fläche, welche aus einem magnetisch durchlässigen Material, wie Eisen oder Nickel erzeugt ist, und welche eine integrale, mittige oder innere Basisspalte 40 und eine äußere Basisspalte 42 umfaßt, wobei die Spalten die Form des vierlappigen Magnetfeldes verbessern, wie weiter unten genau beschrieben werden wird. Ein einzelner zylindrisch geformter mittiger Magnet 16 ist mittig auf dem Basis-Polschuh 14 konzentrisch mit der Symmetrieachse 18 montiert und so orientiert, daß der Nordpol N unmittelbar angrenzend an den Polschuh 14 liegt, wie aus Fig. 1 ersehen wird. Eine Vielzahl primärer, innerer horizontaler Magnete 20 sind um den zentralen Magneten 16, ebenfalls konzentrisch mit der Achse 18, und von dem mittigen Magneten 16 durch einen ringförmig gestalteten mittigen oder inneren Polschuh 22 angeordnet, wie am besten aus Fig. 2 ersehen werden wird. Wie unten genauer beschrieben werden wird, können eine Vielzahl von sekundären, inneren horizontalen Magneten 24 gegebenenfalls an die primären, inneren horizontalen Magnete 20 montiert sein, um die Stärke des Magnetfeldes zu erhöhen und leicht seine Gestalt zu modifizieren, was bei Targets mit größeren Durchmessern erforderlich sein kann. Schließlich sind eine Vielzahl von äußeren vertikalen Magneten 26 am äußeren Umfang des Basis-Polschuhes 14 angeordnet und sind von den sekundären inneren Magneten 24 durch eine Vielzahl von äußeren horizontalen Magneten 28, dem ringförmigen äußeren Polschuh 30 und durch eine äußere vertikale Spalte 44 getrennt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform sind die Magnete 16, 20, 22, 24, 26 und 28 Seltene Erde Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) Magnete mit Magnetfeldenergieprodukten von größer als etwa 35 Megagauss Oersted (MGOe). Jedoch können andere Arten von Seltene Erde-Magneten, wie Samarium-Kobalt(SmCo)-Magnete bei gleicher Wirksamkeit eingesetzt werden. Gute Ergebnisse wurden auch durch die Substitution der äußeren horizontalen Magnete 28 mit keramischen Magneten, wie Barium- oder Strontiumferrit- Magneten, mit Magnetfeldenergieprodukten von etwa 3,5 MGOe erhalten.
Die besondere Anordnung der Magnete 16, 20, 22, 24, 26 und 28, der ringförmigen Polschuhe 22 und 30 sowie der Spalte 40, 42 und 44 der verbesserten Sputter-Magnetzusammenstellung 10, die in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, erzeugt vierlappige Magnetfelder mit Magnetflußlinien, welche im wesentlichen in Fig. 3 gezeigt sind. Die Darstellung der sowohl in den Fig. 3 und 7 gezeigten Magnetflußlinien wurde durch ein Finite-Element Computer modellierendes Programm der Art, welche rasch im Handel erhältlich und für Fachleute wohlbekannt sind, erzeugt. Die Beabstandung zwischen den Flußlinien ist proportional zur Magnetflußdichte, d. h. Feldstärke. Je enger die Linienbeabstandung ist, desto stärker ist das Magnetfeld. Es ist zu beachten, daß die Flußlinien im Inneren der Magnete selbst und des magnetisch durchlässigen Rolschuhes aus Gründen der Klarheit nicht gezeigt sind.
Zurückkommend auf die Fig. 3 ist das durch die Magnetzusammenstellung 10 erzeugte Magnetfeld durch die Existenz von vier einzelnen Lappen bzw. Keulen, einem oberen Lappen 32 und einem inneren Lappen 34, einem äußeren Lappen 36 und einem unteren Lappen 38, welche über oder innerhalb des Targetmateriales angeordnet sind, gekennzeichnet. Wie oben erwähnt wurde, bildet jeder einzelne Lappen (Keule) 32, 34, 36 und 38 einen separaten Closed-loop Plasma umschließenden Magnettunnel während des tatsächlichen Sputter-Verfahrens. Daher definieren die vier Lappen bzw. Keulen 32, 34, 36 und 38 im wesentlichen den Sputterbereich, d. h. das Volumen innerhalb welchem das Target gesputtert wird. Ein weiteres interessantes Merkmal des vierlappigen Magnetfeldes ist, daß ein Nullpunkt 31 innerhalb des Sputter-Bereiches existiert, welcher mit den vier Lappen bzw. Keulen 32, 34, 36 und 38 verbunden ist. Der Nullpunkt 31 ist der Punkt im Raum, wo die Summe der Magnetflußdichte Null ist. Für die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform ist der. Nullpunkt 31 etwa äquidistant von den Flexionspunkten jedes der Magnetlappen bzw. -keulen, wie am besten aus Fig. 3 ersehen wird. Es sollte beachtet werden, daß die Anwesenheit des Nullpunktes 31 nicht erforderlich ist, um den Gegenstand bzw. die Gegenstände der vorliegenden Erfindung zu erreichen. Vielmehr ist die Anwesenheit des Nullpunktes 31 ein Ergebnis der vier magnetischen Lappen bzw. Keulen 32, 34, 36 und 38, deren Existenz erforderlich ist, um die Gegenstände der vorliegenden Erfindung zu erreichen. Der Nullpunkt 31 dient daher als alternativer Weg, um die vier magnetischen Läppen bzw. Keulen 32, 34, 36 und 38 zu definieren und insbesondere die Stärken und Orientierungen dieser Lappen. Mit anderen Worten sind die Stärken und Orientierungen der jeweiligen Magnetlappen 32, 34, 36 und 38 so, daß die Netto-Magnetflußdichte am Nullpunkt 31 gleich Null ist. Im wesentlichen umschließen die drei Lappen bzw. Keulen 34, 36 und 38 die Elektronen in der Glimmentladung nahe der oberen oder Stirnfläche 13 des Targets 12 in einer Weise, welche ähnlich den einzelnen Closed-loop-Magnettunneln, die im Stand der Technik bekannt sind, ist. Vorteilhafter Weise jedoch, weil jeder der Lappen bzw. Keulen 34, 36 und 38 einen individuellen Closed-loop-Magnettunnel bildet, wird die resultierende Glimmentladungsdichte gerade über der Stirnfläche 13 des Targets weitaus mehr gleichförmig dispergiert als es mit einem herkömmlichen Closed-loop-Magnettunnel möglich ist. Demzufolge wird die Sputter-Erosionrate gleichförmiger über die Targetoberfläche 13 verteilt und resultiert in einer sehr breiten und flachen Abtragungsausnehmung 46, die in Fig. 4 gezeigt ist. Diese Abtragungsausnehmung 46, welche durch die Erfindung erhältlich ist, ist wesentlich breiter und flacher als die Abtragungsausnehmungen, welche mit den meisten planaren Magnetronen verbunden sind und entspricht einer Targetverwendbarkeit im Bereich von etwa 50% für ein 15,9 mm (0,625 in) dickes Target, verglichen mit einer Targetverwendbarkeit von nur etwa 25% für ein Target gleicher Dicke, das durch ein ty pisches planares Magnetron aus dem Stand der. Technik gesputtert wird.
Als Ergebnis der erhöhten Gleichförmigkeit der Glimmentladung ist die elektrische Impedanz des Sputter-Verfahrens beträchtlich stabiler über die Lebenszeit des Targets 12, was in einer vorhersehbareren und gleichförmigeren Beschichtung des Substrates (nicht gezeigt) resultiert. Mit anderen Worten, ist die Tärgetspannung, welche erforderlich ist, um eine gleichförmige Sputter-Rate über die Lebensdauer des Targets 12 zu erreichen, was durch die Kurve 48 in Fig. 5 dargestellt ist, wesentlich flacher, als es mit einem typischen planaren Magnetron des Standes der Technik möglich ist, was durch die Kurve 50 gezeigt ist. Des weiteren resultiert die erhöhte Targetverwendbarkeit in einem wesentlichen Anstieg der Targetlebensdauer, ausgedrückt in KW-Stunden, wie ebenfalls aus Fig. 5 ersichtlich ist.
Wie oben kurz diskutiert worden ist, kann die Gesamtform des Magnetfeldes sowie die Formen jedes einzelnen Lappens bzw. jeder einzelnen Keule 32, 34, 36 und 38 des Feldes durch Ändern der Konfigurationen und Beabstandungen zwischen den Magneten und durch Hinzufügen, Weglassen oder Ändern der Formen der Spalten 40, 42 und 44 modifiziert werden. Beispielsweise erzeugen die innere Basisspalte 40 und die primären und sekundären inneren horizontalen Magnete 20 bzw. 24 den oberen Lappen 32, inneren unteren Lappen 34 und mittleren unteren Lappen 38 des Magnetfeldes. Die Existenz des inneren Lappens 34 ist für die Leistungsfähigkeit der Magnetzusammenstellung gemäß der vorliegenden Erfindung kritisch, weil er sich bewegt und Elektronen in der Glimmentladung nahe dem inneren Abschnitt der Abtragungsausnehmung 46 (Fig. 3) umschließt und daher hauptsächlich für die Zunahme der Targetverwendbarkeit verantwortlich ist. In gleicher Weise beeinflussen die äußere Basisspalte 42, die äußeren horizontalen Magnete 28 und der ringförmige äußere Polschuh 30 hauptsächlich die Gestalt und Anordnung des äußeren Lappens 36, welcher dazu beiträgt, die Elektronen in der Glimmentladung zum äußeren Abschnitt der Abtragungsausnehmung 46 zu bewegen und zu umschließen.
Die Formen und Anordnungen der Lappen bzw. Keulen 32, 34, 36 und 38 können auch geändert werden, indem die Kombinationen und Anordnungen der wahlweisen Magnete, d. h. der sekundären, inneren, horizontalen Magnete 24 und der äußeren horizontalen Magnete 28 variiert werden. Beispielsweise kann eine zweite Ausführungsform 110 der Sputter-Magnetzusammenstellung durch das Weglassen der äußeren horizontalen Magnete 28, des ringförmigen Polschuhes 30 und der äußeren Basisspalte 42, wie in Fig. 6 gezeigt, aufgebaut sein. Dann umfaßt im wesentlichen diese zweite Ausführungsform der Magnetzusammenstellung einen Basis-Polschuh 114 zum Halten eines zylindrisch geformten mittigen Magneten 116. Primäre bzw. sekundäre, innere horizontale Magnete 120 und 124 sind um den zentralen Magneten 116 konzentrisch mit der Achse 118 und beabstandet von dem zentralen Magnet 116 durch den ringförmigen inneren Polschuh 122 befestigt. Eine zentrale Basisspalte 140, welche gerade unter den primären und sekundären, inneren horizontalen Magneten 120 und 124 angeordnet ist, verbessert die Form des oberen Lappens 132, inneren mittleren Lappens 134 und mittleren unteren Lappens 138 bzw. der entsprechenden. Keulen, wie am besten aus Fig. 7 ersichtlich ist. Das Weglassen der äußeren horizontalen Magnete 28 und der äußeren Basisspalte 42 ändert hauptsächlich die Gestalt und Anordnung des äußeren Lappens 136, obwohl das auch die Formen und Anordnungen der äußeren Lappen 132, 134 und 138 bzw. dieser Keulen in geringerem Maße beeinflußt.
Es sind noch weitere Ausführungsformen möglich. Beispielsweise ist eine dritte Ausführungsform 210 der Magnetzusammenstellung in Fig. 8 gezeigt. Diese dritte Ausführungsform 210 stellt die einfachste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar und umfaßt nur einen Polschuh 214, einen zentralen Magneten. 216, eine Vielzahl von primären, inneren horizontalen Magneten 220, welche um den zentralen Magneten 216 angeordnet sind (aber ohne den ringförmigen Polschuh 22) und eine Vielzahl von äußeren vertikalen Magneten 226. Diese Magnetzusammenstellung 210 erzeugt immer noch eine vierlappige bzw. keulenförmige Magnetfeldstruktur, ist aber nicht dahingehend optimiert, eine maximale Targetverwendbarkeit mit den meisten Targetkonfigurationen zur Verfügung zu stellen. Der primäre Vorteil dieser dritten Ausführungsform 210 ist ihre Einfachheit.
Um die Magnetstabilität des zentralen Magneten und der primären, inneren horizontalen Magnete zu erhöhen, umfaßt eine in Fig. 9 gezeigte vierte Ausführungsform 310 einen ringförmigen inneren Polschuh 322, welcher zwischen den Südpolen der primären, inneren horizontalen Magnete 320 und dem zentralen Magnet 316 eingeschlossen ist. Tatsächlich ist der Hauptgrund aller Polschuhe, welche bei den verschiedenen Ausführungsformen verwendet werden, der, die magnetische Stabilität der verschiedenen Magnete zu erhöhen und sie vor einer Endmagnetisierung untereinander und durch das Hochtemperatur-Sputtern zu bewahren. Diese vierte Ausführungsform verwendet immer noch die äußeren vertikalen Magnete 326, weist aber keinerlei Spalten in dem Basis-Polschuh 314 auf. Die fünfte Ausführungsform 410 der Magnetzusammenstellung gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 10 gezeigt und erhöht die Targetverwendbarkeit, indem eine innere Basisspalte 440 zugefügt wird, welche sich unter dem primären, inneren horizontalen Magneten 410 erstreckt.
Schließlich sind sechste und siebte Ausführungsformen 510 und 610 in den Fig. 11 und 12 gezeigt, welche ebenfalls die vierlappigen bzw. keulenförmigen Magnetfelder modifizieren, um die Targetverwendbarkeit durch Verbessern der Form des äußeren Lappens 36 zu verbessern, um dazu beizutragen, die Elektronen in dem äußeren Umfang der Abtragungsausnehmung 46 (Fig. 3) zu binden. Im wesentlichen fügt die sechste Ausführungsform 510 eine Vielzahl äußerer, horizontaler Magnete. 528 der Ausführungsform von Fig. 8 hinzu. Die siebte Ausführungsform 610, welche in Fig. 12 gezeigt ist, modifiziert etwas die in Fig. 11 gezeigte Ausführungsform, indem ein ringförmiger äußerer Polschuh 630 und eine Spalte 644 zwischen den äußeren vertika len Magneten 626 und den äußeren horizontalen Magneten 628 eingefügt werden und des weiteren eine äußere Basisspalte 642 umfaßt, welche sich unter den äußeren horizontalen Magneten 628 erstreckt. Im Ergebnis verbessert diese in Fig. 12 gezeigte Konfiguration der siebten Ausführungsform 610 des weiteren die Form des äußeren Lappens 36 bzw. der Keule über die Ausführungsform 510, welche in Fig. 11 gezeigt ist, unter weiterer Verbesserung der Targetverwendbarkeit.
Die Sputter-Magnetzusammenstellung gemäß der Erfindung kann auch zur Verwendung mit rechtwinkligen, im Gegensatz zu ringförmigen, Targets ausgestaltet sein. Wie oben kurz beschrieben worden ist, umfaßt die Form eines jeden Magnettunnels für ein rechtwinkliges Target zwei parallel ausgerichtete, lineare Abschnitte, die voneinander beabstandet sind und sich nahezu über die gesamte Länge des rechtwinkligen Targets erstrecken und an jedem Ende durch einen halbkreisförmigen Abschnitt verbunden sind, um eine kontinuierliche Magnetschleife in Form eines abgeflachten Ovales oder einer Laufbahn zu bilden. Wie im Falle des ringförmigen Magnetrons gibt es vier getrennte, Plasma umschließende Magnettunnel für das rechtwinklige Magnetron, da es ebenfalls ein vierlappiges bzw. keulenförmiges Magnetfeld aufweist.
Die Sputter-Magnetzusammenstellung 710 zur Verwendung mit rechtwinkligen Targets kann am besten unter Bezugnahme auf die Fig. 13 und 14 ersehen werden. Im wesentlichen umfaßt die Sputter-Magnetzusammenstellung 710 einen abgeflachten, oval geformten Basis-Polschuh 710 zur Aufnahme der halbkreisförmigen und linearen Magnetstrukturen, welche das Laufbahnförmige, vierlappige bzw. -keulige Magnetfeld erzeugen. Insbesondere ist die Konfiguration jedes halbkreisförmigen Endabschnittes 715 des Basis-Polschuhes 714 identisch mit der Konfiguration der ersten Ausführungsform 10, welche in Fig. 1 gezeigt ist, und umfaßt einen zylindrischen zentralen Magneten 716, welcher von einem halbkreisförmigen Polschuh 722 und einer Vielzahl von primären und sekundären inneren, horizontalen Magneten 720 bzw. 724 umgeben ist. Eine Vielzahl von äußeren vertikalen Magneten 726 sind am Umfang jedes halbkreisförmigen Endabschnittes 715 des Basis-Polschuhes 714 angeordnet. Eine Vielzahl von äußeren, horizontalen Magneten 728 sind zwischen den sekundären, inneren horizontalen Magneten 724 und äußeren, vertikalen Magneten 726 angeordnet und von äußeren vertikalen Magneten 726 durch einen Polschuh 730 und eine äußere Spalte 744 getrennt. Eine innere Basisspalte 740 erstreckt sich unter den primären und sekundären inneren horizontalen Magneten 720 und 724 und eine äußere Basisspalte 742 erstreckt sich unter den äußeren horizontalen Magneten 728.
Die Konfiguration des längsgestreckten, rechtwinkligen Mittelabschnittes 715', welcher die zwei halbkreisförmigen Endabschnitte 715 trennt, ist analog der Konfiguration eines jeden halbkreisförmigen Endabschnittes, wobei der einzige Unterschied darin besteht, daß die Magnete, Polschuhe und Spalten in dem Mittelabschnitt in einer linearen Konfiguration, im Gegensatz zu einer ringförmigen Konfiguration, angeordnet sind. Nunmehr unter Bezugnahme auf Fig. 14 umfaßt der Mittelabschnitt 715' einen längsgestreckten mittleren Magneten 716', welcher sich zwischen jedem ringförmigen, mittigen Magneten 716 in den halbkreisförmigen Endabschnitten 715 des Basis- Polschuhes 714 erstreckt. Zwei längsgestreckte, primäre horizontale Magnete 720' sind auf jeder Seite des Zentralmagneten 716' angeordnet und sind davon durch sich längserstreckende innere Polschuhe 722' getrennt. Zwei äußere, vertikale Magnete 726 sind auf gegenüberliegenden Seiten des Mittelabschnitte s 715' angeordnet und von jedem jeweiligen primären horizontalen Magneten 720 durch entsprechende äußere horizontale Magnete 728' und äußere Polschuhe 730' getrennt. Wie im Falle der ringförmigen Magnetrone erstreckt sich eine innere Basisspalte 740 unter jedem primären, horizontalen Magneten 720' und verbindet die inneren Basisspalten 740 in jedem halbkreisförmigen Endabschnitt 714. Gleichermaßen erstrecken sich zwei äußere Basisspalten 742' unter jedem jeweiligen äußeren, horizontalen Magneten 728' und verbinden die äußeren Basisspalten 742 in jedem halbkreisförmigen Endabschnitt 714.
Der verlängerte Mittelabschnitt 714' "dehnt" dann im wesentlichen das Magnetfeld zwischen den zwei halbkreisförmigen Endabschnitten 714 unter Ausbildung des Closed-loop-vierlappigen, magnetischen Laufpfades mit im wesentlichen identischen Querschnitten an allen Punkten entlang des Laufpfades aus. Wie im Fall der oben beschriebenen ringförmigen Magnetrone umfaßt der Querschnitt des Laufpfad-förmigen Magnetfeldes vier Lappen bzw. Keulen, um die Gleichförmigkeit der Glimmentladung und so die Targetverwendbarkeit zu erhöhen.
Auch wie im Fall der ringförmigen Magnetrone kann das rechtwinklige oder Laufpfad-Magnetron gemäß der vorliegenden Erfindung in zahlreichen verschiedenen Arten konfiguriert sein, um die vier Lappen bzw. Keulen des Magnetfeldes auf das bestimmte Target und die gewünschten Sputter-Bedingungen zu optimieren.
Beispielsweise ist eine zweite Ausführungsform 810 der rechtwinkligen Sputter-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in Fig. 15 gezeigt. Diese Ausführungsform 810 ähnelt der ersten Ausführungsform 710, mit Ausnahme, daß die Spalte 840' sich von unterhalb der primären inneren Magnete 820' über den gesamten Weg zu den äußeren horizontalen Magneten 828' erstrecken. Wie im Fall der ringförmigen Magnetrone ändert diese Konfiguration der Spalten 840' die Positionen des vierlappigen Magnetfeldes, wie es erforderlich ist, um die Sputter-Rate für ein gegebenes Target zu optimieren. Eine dritte Ausführungsform 910 ist im wesentlichen ähnlich zur zweiten Ausführungsform 810, mit der Ausnahme, daß die Polschuhe für die Magnete 920' und 928' nunmehr integraler Bestandteil des Basis- Polschuhes 914 sind.
Eine vierte Ausführungsform 1010 des rechtwinkligen Magnetrons ist in Fig. 17 gezeigt und weist keine größeren, horizontalen Magnete auf, wodurch der Aufbau der Magnetzusammenstellung vereinfacht ist. Diese vierte Ausführungsform 1010 kann durch Hinzufügen eines verstärkenden Zentralmagneten 1117' modifiziert werden, welcher oben auf dem mittigen Magneten 1116' angeordnet ist, um eine fünfte Ausführungsform 1110, die in Fig. 18 gezeigt ist, zu schaffen. Dieser Booster-Magnet 1117' erhöht die Stärke des Magnetfeldes, um ein zu verwendendes noch dickeres Target 12' zu ermöglichen. Bevorzugt sollte der Mittelabschnitt des dickeren Targets 12' ab- bzw. weggeschnitten sein, um einen Zwischenraum bzw. ein Spiel für den Booster- Magneten 1117' zu ermöglichen und um es möglich zu machen, daß die obere Fläche 13' des Targets 12' näher an dem Magnetfeld angeordnet werden kann.
Dies faßt die genauen Beschreibungen der verschiedenen Ausführungsformen und speziellen Konfigurationen der ringförmigen und rechtwinkligen, planaren Magnetron-Sputter-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zusammen. Es ist festzuhalten, daß zahlreiche Anordnungen der Komponenten der planaren Magnetron- Sputter-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung möglich sind und viele weitere Anordnungen, welche nicht gezeigt und hier beschrieben sind, möglich sind und für einen Fachmann offensichtlich sind, nachdem er mit den Details dieser Erfindung bekanntgeworden ist und nachdem er festgestellt hat, daß der Hauptzweck der Sputter-Magnetzusammenstellung derjenige ist, das vierlappige oder aus vier Keulen bestehende Magnetfeld zu erzeugen. Beispielsweise ist, während dessen die Magnete bei den gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen alle Nord- Süd-Magnetausrichtungen aufweisen, wie durch die N-S-Pfeile gezeigt ist, die die Magnetfeldorientierung anzeigende Notation willkürlich und könnten die Magnete für eine gegebene Ausführungsform so angeordnet sein, daß sie entgegengesetzte Orientierungen aufweisen, d. h. die Nord- und Südpole ausgetauscht sind, wie für einen Fachmann offensichtlich wäre. Auch könnten, obwohl verschiedene Ausführungsformen für die ringförmigen und rechtwinkligen Magnetrone gezeigt worden sind, könnten die Ausführungsformen, welche für jede Version gezeigt sind, für jede andere Version verwendet werden. Das heißt, die Kon figuration einer gegebenen Ausführungsform für einen ringförmigen, planaren Magnetron könnte leicht bei einem rechtwinkligen, planaren Magnetron verwendet werden und vice-versa.
Die vorangehende Darstellung wird als beispielhaft lediglich für die Prinzipien der Erfindung betrachtet. Da zahlreiche Modifikationen und Abwandlungen für einen Fachmann rasch ersichtlich sein werden, ist es nicht erwünscht, die Erfindung auf den genauen Aufbau und Betrieb, welcher gezeigt und beschrieben ist, zu beschränken, und dementsprechend kann auf alle geeigneten Abwandlungen und Äquivalente zurückgegriffen werden, welche unter den Umfang der Erfindung, wie er durch die folgenden Patentansprüche definiert ist, fallen.

Claims

1. Eine Magnetzusammenstellung (10) zur Verwendung in einer Magnetron-Zerstäubungskathode zum Besputtern eines Targets (12) mit einer Stirnfläche (13) einem Korpus und einer Rückseite; wobei die Magnetzusammenstellung einen Polschuh, welcher einen im allgemeinen plan geformten Basis-Polschuh (14) umfaßt, der eine Ebene definiert und ein magnetisch durchlässiges Material umfaßt, einen ersten Magneten (16), der auf dem Basis-Polschuh angeordnet ist und eine Nord- Süd-Orientierung aufweist, welche im wesentlichen senkrecht zu der Ebene ist, einen zweiten Magneten (26), der auf dem Basis-Polschuh in einem Abstand von dem ersten Magneten angeordnet ist, und eine Nord-Süd-Magnetorientierung aufweist, welche im wesentlichen senkrecht zu der Ebene und im wesentlichen entgegen der Magnetorientierung des ersten Magneten ist, umfaßt, wobei die ersten und zweiten Magneten beabstandet sind, um ein Magnetfeld mit einer Vielzahl von Magnetflußlinien zu erzeugen, welche im Gebrauch einen Sputter-Bereich angrenzend an die Stirnfläche des Targets und innerhalb des Target-Korpus definieren, die Magnetflußlinien einen oberen Magnetfeldlappen (32) im wesentlichen innerhalb des Sputter-Bereiches bilden, dadurch gekennzeichnet, daß sie des weiteren einen dritten Magneten (20), welcher auf dem Basis-Polschuh zwischen dem ersten Magneten und dem zweiten Magneten, aber eng angrenzend an den ersten Magneten und in einem deutlichen Abstand von dem zweiten Magneten angeordnet ist und eine Nord-Süd-Magnetorientierung aufweist, welche im wesentlichen parallel zu der Ebene und im wesentlichen senkrecht zu den Nord-Süd- Orientierungen des ersten Magneten und des zweiten Magneten ist, wobei die Magnetflußlinien des weiteren einen unteren Magnetlappen (38), einen inneren Magnetlappen (34) und einen äußeren Magnetlappen (36) definieren, alle der Magnetlappen im wesentlichen innerhalb des Sputter-Bereiches liegen und Stärken und Orientierungen aufweisen, so daß ein Null-Punkt (31) zwischen den oberen, unteren, inneren und äußeren Magnetlappen vorliegt, wodurch im Gebrauch jeder der Magnetlappen einen getrennten, Plasma umschließenden Magnettunnel bildet.

2. Magnetzusammenstellung nach Anspruch 1, worin der Polschuh einen zweiten Polschuh (22) aufweist, welcher zwischen dem ersten Magneten und dem dritten Magneten angeordnet ist.

3. Magnetzusammenstellung nach Anspruch 1 oder 2, welche einen vierten Magneten (28) umfaßt, welcher auf dem Polschuh zwischen dem zweiten Magneten und dem dritten Magneten, aber angrenzend an den zweiten Magneten und deutlich beabstandet von dem dritten Magneten angeordnet ist, und eine Nord-Süd- Magnetorientierung aufweist, welche im wesentlichen parallel zu der Ebene und im wesentlichen senkrecht zu den Nord- Süd-Orientierungen des ersten und des zweiten Magneten ist.

4. Magnetzusammenstellung nach Anspruch 3, welche einen dritten Polschuh (30) umfaßt, welcher zwischen dem vierten Magneten und dem zweiten Magneten angeordnet ist.

5. Magnetzusammenstellung nach Anspruch 4, worin der zweite Polschuh einen ersten Zwischenraum (40), welcher unter dem dritten Magneten angeordnet ist und sich eine Teilstrecke zu dem vierten Magneten hin erstreckt, umfaßt.

6. Magnetzusammenstellung nach Anspruch 5, worin der dritte Polschuh einen zweiten Zwischenraum umfaßt, welcher unter dem vierten Magneten angeordnet ist und sich eine Teil strecke zu dem dritten Magneten hin erstreckt, aber nicht bis zu dem ersten Zwischenraum reicht.

7. Magnetzusammenstellung nach jedem der Ansprüche 3 bis 6, welche einen fünften Magneten (24) umfaßt, welcher auf dem Basis-Polschuh zwischen dem dritten Magneten und dem vierten Magneten, aber eng angrenzend an den dritten Magneten und deutlich beabstandet von dem vierten Magneten angeordnet ist und eine Nord-Süd-Orientierung aufweist, welche im wesentlichen parallel zu der Ebene und im wesentlichen senkrecht zu den Nord-Süd-Orientierungen des ersten Magneten und des zweiten Magneten ist.

8. . Magnetzusammenstellung nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, welche einen sechsten Magneten (1117') umfaßt, welcher auf dem ersten Magneten angeordnet ist und eine Nord-Süd-Magnetorientierung aufweist, welche im wesentlichen senkrecht zu der Ebene und im wesentlichen ausgerichtet mit der Magnetorientierung des ersten Magneten ist.

9. Eine Magnetron-Zerstäubungskathode, welche eine in Anspruch bilden, wobei der Basis-Polschuh einen verlängerten 1 beanspruchte Magnetzusammenstellung und ein ringförmiges Target mit einer Symmetrieachse umfaßt, und worin die oberen, inneren, unteren und äußeren Magnetlappen konzentrisch mit der Symmetrieachse des ringförmigen Targets sind, der Polschuh ringförmig ist und eine mit der Symmetrieachse des ringförmigen Targets ausgerichtete und im wesentlichen parallel zur Rückseite des Targets ausgerichtete Symmetrieachse aufweist,

wobei der erste Magnet im Zentrum des Basis-Polschuhes mit einer Nord-Süd-Magnetorientierung angeordnet ist, welche im wesentlichen senkrecht zur Rückseite des Targets ist;

wobei der zweite Magnet an dem äußeren Umfang des Basis- Polschuhes konzentrisch mit dem ersten Magneten montiert ist und eine Nord-Süd-Magnetorientierung aufweist, welche im wesentlichen senkrecht zur Rückseite des Targets und entgegen der Magnetorientierung des ersten Magneten ist; und

der dritte Magnet zwischen dem ersten Magneten und dem zweiten Magneten und konzentrisch damit aber eng angrenzend an den ersten Magneten und deutlich beabstandet von dem zweiten Magneten angeordnet ist, wobei der dritte Magnet eine Nord-Süd-Magnetorientierung aufweist, welche im wesentlichen parallel zu der Rückseite des Targets und im wesentlichen senkrecht zu den jeweiligen Nord-Süd-Orientierungen des ersten Magneten und des zweiten Magneten ist, wodurch der erste Magnet, der zweite Magnet und der dritte Magnet die magnetischen Flußlinien erzeugen, welche die oberen, unteren, inneren und äußeren Magnetlappen umfassen.

10. Eine Magnetron-Zerstäubungskathode, umfassend eine Magnetzusammenstellung nach Anspruch 1 und ein rechtwinkeliges Target mit einer Längs- und einer Querachse, wobei die Magnetzusammenstellung einen linearen Mittelabschnitt und zwei Endabschnitte umfaßt, und der lineare Mittelabschnitt mit der Längsachse des Targets ausgerichtet ist und worin der Magnetlappen zwei im wesentlichen lineare Abschnitte umfaßt, welche in paralleler, beabstandeter Beziehung und auf gegenüberliegenden Seiten der Längsachse des rechtwinkeligen Targets angeordnet sind, jeweilige parallele, lineare Abschnitte von jeweiligen Magnetlappen an jedem Ende durch jeweilige im wesentlichen halbkreisförmige Endabschnitte verbunden sind, wodurch die oberen, unteren, inneren und äußeren Magnetlappen jeweilige obere, untere, innere und äußere oval geformte, Plasma umschließende Magnettunnel bilden, wobei der Basis-Polschuh einen verlängerten Mittelabschnitt und zwei halbkreisförmige Endabschnitte aufweist, der verlängerte Mittelabschnitt des Basis- Polschuhes mit der Längsachse des rechtwinkeligen Targets ausgerichtet und im wesentlichen parallel zur Rückseite des rechtwinkeligen Targets ist;

wobei der erste Magnet eine mittige Magnetzusammenstellung umfaßt, welche im Zentrum des Basis-Polschuhes angeordnet ist, wobei die mittige Magnetzusammenstellung einen längsgestreckten mittigen Magneten, welcher mit der Längsachse des rechtwinkeligen Targets ausgerichtet ist, einen zylindrischen Magneten, welcher an einem Ende des verlängerten Mittelmagneten und einen weiteren zylindrischen Magneten, welcher am anderen Ende des längsgestreckten Mittelmagneten angeordnet ist, umfaßt, wobei der längsgestreckte Mittelmagnet und die zylindrischen Magneten Nord-Süd-Magnetorientierungen aufweisen, welche im wesentlichen senkrecht zur Rückseite des Targets sind;

wobei der zweite Magnet eine Vielzahl von äußeren Magneten aufweist, welche an dem äußeren Umfang des Basis-Polschuhes montiert sind, wobei beide der äußeren Magneten im wesentlichen gleich beabstandet von der mittigen Magnetzusammenstellung sind, und worin jeder der äußeren Magnete eine Nord-Süd-Magnetorientierung aufweist, welche im wesentlichen senkrecht zu der Rückseite des Targets und entgegen der Magnetorientierung der mittigen Magnetzusammenstellung ist, und

wobei der dritte Magnet eine Vielzahl von primären inneren Magneten umfaßt, welche zwischen der mittigen Magnetzusammenstellung und den äußeren Magneten angeordnet sind, aber nahe angrenzend an die zentrale Magnetzusammenstellung und deutlich beabstandet von den äußeren Magneten, wobei jeder der primären, inneren Magnete eine Nord-Süd-Magnetorientierung aufweist, welche im wesentlichen parallel zu der Rückseite des Targets und im wesentlichen senkrecht zu den jeweiligen Nord-Süd-Orientierungen der mittigen Magnetzusammenstellung und den äußeren Magneten ist, wodurch die mittigen Magnetzusammenstellung, die äußeren Magneten und die primären inneren Magneten die Magnetflußlinien erzeugen, welche die oberen, unteren, inneren und äußeren Magnetlappen umfassen.

11. Ein Glimmentladungssputter-Verfahren, wobei das Verfahren das Errichten einer Niederdruck-Sputteratmosphäre in einer Zerstäubungskammer,

Erzeugen einer Glimmentladung über einen Sputterbereich (32, 34, 36, 38) auf einem Target (12), das in der Zerstäubungskammer angeordnet ist, wobei das Target eine Stirnfläche (13), einen Korpus (12) und eine Rückseite aufweist;

Erzeugen eines magnetischen Feldes mit einer Vielzahl von magnetischen Flußlinien angrenzend an die Stirnfläche des Targets und innerhalb des Targetkorpus mittels einer Sputter-Magnetzusammenstellung (10), welche angrenzend an die Rückseite des Targets angeordnet ist, die Sputter- Magnetzusammenstellung einen im allgemeinen plan geformten Polschuh (14), welcher eine Ebene definiert, einen ersten Magneten (16), der auf dem Polschuh angeordnet ist und eine Nord-Süd-Magnetorientierung aufweist, welche im wesentlichen senkrecht zu der Ebene ist und einen zweiten Magneten (26), welcher auf dem Polschuh beabstandet von dem ersten Magneten angeordnet ist und eine Nord-Süd-Magnetorientierung aufweist, welche im wesentlichen senkrecht zu der Ebene und im wesentlichen entgegen der Magnetorientierung des ersten Magneten ist, ein Erodieren des Targets während des Besputterns zur Ausbildung einer Erosionsausnehmung (46) umfaßt, gekennzeichnet durch einen Dritten Magneten, welcher auf dem Polschuh zwischen dem ersten Magneten und dem zweiten Magneten angeordnet ist und eine Nord- Süd-Magnetorientierung aufweist, welche im wesentlichen parallel zu der Ebene und im wesentlichen senkrecht zu den Nord-Süd-Orientierungen des ersten Magneten und des zweiten Magneten ist, wobei die ersten, zweiten und dritten Magneten so beabstandet sind, daß die magnetischen Flußlinien einen oberen Magnetlappen (32), einen unteren Magnetlappen (38), einen inneren Magnetlappen (34) und einen äußeren Magnetlappen (36) erzeugen, die Magnetlappen Stärken und Orientierungen derart aufweisen, daß ein Nullpunkt (31) zwischen den oberen, unteren, inneren und äußeren Magnetlappen besteht, wobei im Gebrauch jeder der Magnetlappen einen getrennten, Plasma umschließenden Magnettunnel erzeugt.