DE4128340C2

Sputtering cathode arrangement according to the magnetron principle for coating a flat annular surface

Abstract

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Expired 27 August 2011, 15.1 years ago.

4 claims: 4 independent, 0 dependent

1
Zerstäubungskathodenanordnung nach dem Magnetron- Prinzip für die Beschichtung einer kreisringförmi gen Beschichtungsfläche eines kreisscheibenförmigen Substrats (11), mit einem kreisringförmigen Target (16) und je einer zwischen dem Target (16) und dem Substrat (11) angeordneten Außenmaske (17) und Innenmaske (12) mit jeweils einem kreisförmigen Rand für die Abdeckung der außerhalb und innerhalb der zum Substrat (11) konzentrischen Beschichtungs fläche liegenden Substratoberflächen, wobei hinter dem Target (16) ein Magnetsystem (9, 9', ...;10, 10', ...) mit einer Jochplatte (8) für die Erzeu gung des Magnetron-Effekts angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß a) die Innenmaske (12) an einem Maskenhalter (22) befestigt ist, der durch das Zentrum (M) des Targets (16) hindurchgeführt ist,b) das Magnetsystem (9, 9', ...;10, 10', 10'', ...) mit der Jochplatte (8) um eine durch das Zentrum des Targets (16) gehende Drehachse (M) drehbar angeordnet ist, und aus mindestens zwei jeweils ein Magnetron bildenden, zu der besagten Drehachse (M) exzentrischen Magnetan ordnung (9, 9', ...;10, 10', ...) besteht, von denen jede einen in sich geschlossenen Tunnel aus magnetischen Feldlinien erzeugt, die aus dem Target (16) austreten und nach dem Durchlaufen bogenförmiger Bahnen wieder in das Target (16) eintreten und wobei jeder Tunnel außerhalb der Drehachse (M) liegt, und daßc) die Exzentrizitäten der mindestens zwei Mag netanordnungen (9, 9', ...;10, 10', 10'', ...) gegenüber der Drehachse (M) so gewählt sind, daß die Summe der auf dem Substrat (11) niedergeschlagenen Ratenbeiträge aller Magne trons innerhalb der kreisringförmigen Be schichtungsfläche (F) über dem Radius mög lichst gleichförmig ist. 1. Zerstäubungskathodenanordnung nach dem Magnetron- Prinzip für die Beschichtung einer kreisringförmigen Beschichtungsfläche eines kreisscheibenförmigen Substrats ( 11 ), mit einem kreisringförmigen Target ( 16 ) und je einer zwischen dem Target ( 16 ) und dem Substrat ( 11 ) angeordneten Außenmaske ( 17 ) und Innenmaske ( 12 ) mit jeweils einem kreisförmigen Rand für die Abdeckung der außerhalb und innerhalb der zum Substrat ( 11 ) konzentrischen Beschichtungsfläche liegenden Substratoberflächen, wobei hinter dem Target ( 16 ) ein Magnetsystem ( 9 , 9 ', ...;10 , 10 ', ...) mit einer Jochplatte ( 8 ) für die Erzeugung des Magnetron-Effekts angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet , daß a) die Innenmaske ( 12 ) an einem Maskenhalter ( 22 ) befestigt ist, der durch das Zentrum (M) des Targets ( 16 ) hindurchgeführt ist, b) das Magnetsystem ( 9 , 9 ', ...;10 , 10 ', 10 '', ...) mit der Jochplatte ( 8 ) um eine durch das Zentrum des Targets ( 16 ) gehende Drehachse (M) drehbar angeordnet ist, und aus mindestens zwei jeweils ein Magnetron bildenden, zu der besagten Drehachse (M) exzentrischen Magnetanordnung ( 9 , 9 ', ...;10 , 10 ', ...) besteht, von denen jede einen in sich geschlossenen Tunnel aus magnetischen Feldlinien erzeugt, die aus dem Target ( 16 ) austreten und nach dem Durchlaufen bogenförmiger Bahnen wieder in das Target ( 16 ) eintreten und wobei jeder Tunnel außerhalb der Drehachse (M) liegt, und daß c) die Exzentrizitäten der mindestens zwei Magnetanordnungen ( 9 , 9 ', ...;10 , 10 ', 10 '', ...) gegenüber der Drehachse (M) so gewählt sind, daß die Summe der auf dem Substrat ( 11 ) niedergeschlagenen Ratenbeiträge aller Magnetrons innerhalb der kreisringförmigen Beschichtungsfläche (F) über dem Radius möglichst gleichförmig ist. 1. sputtering cathode according to the magnetron Principle for coating a kreisringförmi gen coating surface of a circular disk substrate (11), With an annular target (16) And one each between the target (16) and the substrate (11) Arranged outer mask (17) and Inner mask (12) Each having a circular Rim for covering the outside and inside of the substrate (11) Concentric coating area lying substrate surfaces, behind the target (16) A magnet system (9. 9', ...;10. 10', ...) With a yoke plate (8th) For Erzeu tion of the magnetron effect is arranged, thereby markedthata) the inner mask (12) On a mask holder (22) is fixed, the through the center (M) of targets (16) Is passed,b) the magnet system (9. 9', ...;10. 10', 10'', ...) With the yoke plate (8th) A by Center of the target (16) Continuous rotation axis (M) is rotatably mounted, and at least two each magnetron forming to the said axis of rotation (M) eccentric MagneTan order (9. 9', ...;10. 10', ...) consists, each a self-contained Tunnel of magnetic field lines generated from the target (16) Exit and after Passing through arcuate paths again in the target (16) Enter and each tunnel outside the axis of rotation (M), and in thatc) the eccentricities of at least two Mag netanordnungen (9. 9', ...;10. 10', 10'', ...) With respect to the axis of rotation (M) is chosen such are such that the sum of on the substrate (11) Contributions downcast rates all Magne trons within the annular Be coating surface (F) over said radius pos strives to balance is shaped.
2
Zerstäubungskathodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Mag netanordnungen jeweils mindestens zwei Reihen von Magneten (9, 9' bzw. 10, 10', 10") aufweist, von denen mindestens eine Reihe von Magneten (9 bzw. 10) jeweils allein oder im Zusammenwirken mit der einen Reihe der anderen Magnetanordnung einen geschlossenen Kreisring bildet und die jeweils zweite Reihe von Magneten entweder eine flächige Gruppe von nahe zusammenliegenden Magneten oder ebenfalls einen geschlossenen Ring bildet. 2. Zerstäubungskathodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Magnetanordnungen jeweils mindestens zwei Reihen von Magneten ( 9 , 9 ' bzw. 10 , 10 ', 10 ") aufweist, von denen mindestens eine Reihe von Magneten ( 9 bzw. 10 ) jeweils allein oder im Zusammenwirken mit der einen Reihe der anderen Magnetanordnung einen geschlossenen Kreisring bildet und die jeweils zweite Reihe von Magneten entweder eine flächige Gruppe von nahe zusammenliegenden Magneten oder ebenfalls einen geschlossenen Ring bildet. 2. sputtering cathode according to claim 1, characterized in that each of the two Mag netanordnungen at least two rows of magnets (9. 9' or. 10. 10', 10"), Of where at least one row of magnets (9 or. 10) Alone or in cooperation with the a number of the other magnet arrangement a closed circular ring forms and each second series of magnets, either a two-dimensional Group of close together lying magnet or also forms a closed ring.
3
Zerstäubungskathodenanordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polung jeweils der einen Reihe von Magneten entgegenge setzt der Polung der anderen von der ersten Reihe umschlossenen Gruppe oder Reihe von Magneten ist. 3. Zerstäubungskathodenanordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polung jeweils der einen Reihe von Magneten entgegengesetzt der Polung der anderen von der ersten Reihe umschlossenen Gruppe oder Reihe von Magneten ist. 3. sputtering cathode according to claim 1 and 2, characterized in that the polarity entgegenge each of a series of magnets sets the polarity of the other of the first row enclosed group or series of magnets.
4
Zerstäubungskathodenanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens zwei auf der dreh baren Jochplatte (8) angeordnete Magnetanordnungen, von denen jede aus zwei Gruppen oder Reihen (9, 9', bzw. 10, 10', 10'') von Einzelmagneten besteht, wobei jeweils die Einzelmagnete der ersten Gruppe oder Reihe (9 bzw. 10) zusammen eine ringförmige Konfiguration bilden und die Einzelmagnete der jeweils zweiten Gruppe oder Reihe (9' bzw. 10', 10") zusammen entweder eine von der ersten Reihe umschlossene zweite ringförmige Konfiguration oder aber eine regellose, jedoch eng zusammengestellte Ansammlung von Einzelmagneten bilden, wobei sich jeweils zwischen der ersten und der zweiten Gruppe oder Reihe (9 bzw. 10 und 9' bzw. 10', 10") von Magneten ein geschlossener magnetischer Tunnel (32, 33) ausbildet, da die Polung der Einzelmagnete der ersten Gruppe oder Reihe jeweils zu derjenigen der zweiten Gruppe oder Reihe entgegengesetzt ist, und wobei die Flächenschwerpunkte der von den Magnetan ordnungen jeweils gebildeten Konfigurationen außer mittig, jedoch auf einer lotrecht zur Drehachse (M) der Jochplatte (8) verlaufenden geraden Linie (D) vorgesehen sind. 4. Zerstäubungskathodenanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens zwei auf der drehbaren Jochplatte ( 8 ) angeordnete Magnetanordnungen, von denen jede aus zwei Gruppen oder Reihen ( 9 , 9 ', bzw. 10 , 10 ', 10 '') von Einzelmagneten besteht, wobei jeweils die Einzelmagnete der ersten Gruppe oder Reihe ( 9 bzw. 10 ) zusammen eine ringförmige Konfiguration bilden und die Einzelmagnete der jeweils zweiten Gruppe oder Reihe ( 9 ' bzw. 10 ', 10 ") zusammen entweder eine von der ersten Reihe umschlossene zweite ringförmige Konfiguration oder aber eine regellose, jedoch eng zusammengestellte Ansammlung von Einzelmagneten bilden, wobei sich jeweils zwischen der ersten und der zweiten Gruppe oder Reihe ( 9 bzw. 10 und 9 ' bzw. 10 ', 10 ") von Magneten ein geschlossener magnetischer Tunnel ( 32 , 33 ) ausbildet, da die Polung der Einzelmagnete der ersten Gruppe oder Reihe jeweils zu derjenigen der zweiten Gruppe oder Reihe entgegengesetzt ist, und wobei die Flächenschwerpunkte der von den Magnetanordnungen jeweils gebildeten Konfigurationen außermittig, jedoch auf einer lotrecht zur Drehachse (M) der Jochplatte ( 8 ) verlaufenden geraden Linie (D) vorgesehen sind. 4. sputtering cathode according to claim 1, characterized by at least two on the rotating ble yoke plate (8th) Arranged magnet assemblies, each of two groups or rows (9. 9', or. 10. 10', 10'') Consists of individual magnets, in each case the individual magnets of the first group or series (9 or. 10) Along an annular form configuration and the individual magnets of each second group or series (9' or. 10', 10") Along either a first of the series enclosed second annular configuration or but a random, but closely Asked make up collection of individual magnets, wherein respectively between the first and the second group or series (9 or. 10 and 9' or. 10', 10") from Magnet, a closed magnetic tunnel (32. 33) Forms, since the polarity of the individual magnets of first group or series respectively to that of second group or series is opposite, and the centroids of the MagneTan Regulations respectively formed configurations except the middle, but on a perpendicular to the axis of rotation (M) the yoke plate (8th) Extending straight line (D) are provided.

Independent claims4

87 paragraphs in 1 section, as filed

The invention relates to a Zerstäubungskathodenanord referred to in the magnetron principle for coating an annular coating area of a circle disk-shaped substrate having a circular Target and one each between the target and the substrate arranged outer mask and inner mask with one circular rim for covering the outside and within the substrate concentric coating area lying substrate surfaces, behind the Target a magnet system with a yoke for Generating the magnetron effect is disposed.

Magnetron sputtering cathodes are characterized by a by a factor of 10 to 30 higher sputtering rate against on sputtering systems without magnetic field support out. This advantage is, however, a disadvantage with the extremely uneven sputtering of the target plate bought, because at the magnetron by the magnetic Tunnel forced constriction of the plasma is expressed in a corresponding spatial boundary of Zer stäubungseffekts. By forming a deep Ero sion trench whose deepest point among Kulmina is tion points of the magnetic field lines must of Atomizing be terminated after only about 25 to 30% of the target material are sputtered. at stationary coating systems, ie those without relative movement between the cathode and the Substra th, has the very uneven Schichtdickenvertei ments result. In principle, the erosion trench would quasi photographically imaged onto the substrates.

This issue and a number of attempts to solve are described in DE-OS 27 07 144 and DE-OS 36 19 194 addressed. Among the attempts to solve them belongs particu particular a magnetron sputtering cathode at which respectively a single, self-contained magnet system in ex centric location behind a circular target plate rotates (Fig. 22 to 25 of DE-OS 27 07 144), wherein the magnets two nested, in itself form closed rows of magnets.

From EP 0365249 A2 it is also known ( Fig. 6), wherein a rotating sputter cathode with a circular disc-shaped target plate a part of Magne te to be arranged behind the plate in a row, that the magnets form a ring and unbalanced the other part of the magnets about an island shape and together menhängend provide in the center of the target plate, which forms the annular series of magnets, all with their South Pole and joined together to form an island Magnets all out with its north pole to the target plate directed are.

Finally, one has a stationary magnetron Zerstäu advertising cathode for vacuum coating systems for the right the cathode on a circular path by moving at a rotatable substrate holder disposed substrates proposed (P 40 39 101.9) connected to a Targetplat te and attached thereto in a parallel plane arranged bearing or yoke plate is equipped with one provided behind the target plate magnet system, the formed of a plurality of permanent magnets is, of which a first group or series of magnets each has the same and a second group or series of magnets having an opposite pole position, such that a CLOSED on the target plate in itself out sener tunnel from the first group or series budding and the second group or series returning magnetic field lines is formed, wherein the yoke plate is formed of a circular disc and the first Group or series of magnets - essentially a closed circular ring forming - the edges of the Yoke plate and the second group or series of magnets - An irregular, but substantially symmetrical Configuration making - in the central area of the yoke plate is provided, wherein the portion of the magneti 's tunnel that of the region of the axis of rotation of the Substrate holder facing away half of the yoke plate ver runs, a total of greater length than the Tunnel section, the facing on the axis of rotation Half of the yoke plate is provided.

The present invention is now zugrun the task de to provide a sputtering cathode, the for the production of magneto-optical data storage suitable is. The circular cathode should be suitable for Sputtering of layers with a layer thickness equal temperance of better than ± 2%, both for reactive (z. B. Si3N4) And metallic (eg., Fe Tb Co Al) sputtering.

This object is achieved in that

<ul><li>a) the inner mask is attached to a mask holder, the guided through the center of the target is,</li><li>b) the magnet system with the yoke plate by a the center of the target continuous axis of rotation is disposed, and of at least two in each case a Magnetron forming said to the rotational axis eccentric magnet assembly, of which each a self-contained tunnel of magne matic field lines generated from the target arcuate exit and after passing through Railways to re-enter the target, and wherein each tunnel outside the axis of rotation, and in that</li><li>c) the eccentricities of the at least two MagneTan Regulations are relative to the rotational axis so selected that the sum of on the substrate niedergeschlage NEN rate contributions of all within the magnetron annular coating area above Radius is as uniform as possible.</li></ul>

Further details and features are described in patent described reflection closer and characterized.

The invention allows a variety Ausführungsmög opportunities to; two of which are in the appended drawing tions shown schematically in more detail, and show namely:

Fig. 1 is a longitudinal section through the atomization cathode with motor for driving the Mag netanordnung with the mask assembly and the holder for the substrate,

Fig. 2 is a plan view of a yoke plate with a magnet assembly according to the invention,

Fig. 3 is a plan view of a yoke plate with an alternative set of magnets,

Fig. 4 the cross-section with through the target an erosion gully or a Erosi onsprofil as with him using a magnet set by Fig. 3 results (Wherein the thickness "a" in another Scale is drawn than the diameter "D"), and

Fig. 5 is a diagrammatic representation of Dic thickness distribution of the sputtered layer (SiN x) at different process gas pressures (At three different pressures), and Although for a magneto-optical Datenträ ger with 5¼ "diameter and a Spei cherbereichsbreite r = 29-61 mm, the largest rate is set at 1.00.

The sputtering cathode according Fig. 1 is substantially from the support frame with the cathode 4 - with interposition of a insulating ring 15 - firmly associated target holding pot 14, One with the target keep pot 14 screwed cathode backplate 20, one in a recess 24 mounted gear 6 on a drive motor 5 with drive pinion 7, A vertically arranged in a central bore in Ratho denrückplatte 20 held cooling pipe 23 with bearing sleeve 25 and with a with the bearing sleeve 25 bolted yoke 8th with drive pinion 26 and on the yoke plate 8th fixed magnets or magnet groups 9. 9', ...; 10. 10', 10'', ..., The target on the hold pot fixed circular target 16, the one with the cathode support frame 4 tightly bolted darkroom shielding 13Connected to the cooling tube 23 associated inner mask 12 and the pins of 27. 28 the darkroom shielding 13 held mask holder 29 with outer mask 17 and mask collar 30,

As shown in the Fig. 1 readily can be seen, some parts of the cathode assembly of cooling holes crossed or cooling lines, including cooling water and drain ports 18. 19. 21. 31 are provided.

As Fig. 2 shows, in a preferred Ausfüh tion for (magnet assembly for Si3N4) Two groups of magnets 9. 9' or. 10. 10', 10"Rotate on the the yoke plate 8th attached, wherein the group of together form magnets, two concentric circles, the both are arranged outside the axis of rotation M and wherein the second set of magnets of a series of magnets 10 is that together as a not quite form closed oval, whose both ends at the Periphery of the outer ring of the magnet 9 abut formed series, wherein two more rows of magnets 10'and 10"Are provided, the total of Oval are enclosed and parallel to one another are arranged. The polarity of all rows of magnets chosen so that both groups of magnets under process conditions two plasma rings 32. 33 form.

In the embodiment for a magnet assembly after Fig. 3 (magnet assembly for Fe Tb Co) are both Groups of magnet 9. 9' or. 10. 10'Approximately identical and configured on the rotating yoke plate 8th grup copied, in each case a closed set of Magne th 9 or. 10 is provided, each of approximately rectangular configured shaped or circular ring, wherein each of these configurations in each case a Inside each configuration envisaged, as just or slightly curved row of magnets 9' or. 10' around closes, so that again under process conditions two plasma rings 32. 33 form.

Fig. 4 shows a section through the target 16and Although as is typically after prolonged operation time forms. It has two under the influence eccentric, on the rotating yoke 8th provided Magnet assemblies, each one in itself closed tunnel of magnetic field lines he testifies, the target shown in the average 16 exit and after passing through arcuate paths again in the target 16 enter, an erosion profile adapted to an overall uniform Targetab contract shows. The erosion profile34 is the result of Using a magnet assembly as shown in Fig. 2 is shown.

Fig. 5 shows that with three different gas pressures (Argon) in the range of usable, annular zone a substrate of 5¼ "diameter (r = 29 mm to 61 mm) the required ± 2% layer thickness deviation is complied with. (As the biggest precipitation is here in Chart 1.00 was adopted.)

LIST OF REFERENCE NUMBERS

4

Cathode support frame

5

drive motor

6

gear

7

drive pinion

8th

rotating yoke plate

9

', ..., Permanent magnet

10

'..Magnet, Permanent magnet

11

Substrate disc

12

inner mask

13

Dark space shield

14

Target holding pot, pan

15

Insulator, insulation

16

target

17

outer mask

18

Cooling water inlet

19

Cooling water outlet

20

Cathode backplate

21

Mask cooling line

22

mask holder

23

cooling pipe

24

recess

25

bearing sleeve

26

drive pinion

27

spigot

28

spigot

29

mask holder

30

mask collar

31

Cooling water connection

32

plasma ring

33

plasma ring

34

erosion trench

Every citation, both ways

Citations
Document	Relation	Office	Cited during
EP0211412A2	Cites	European Patent Office (EPO)	Search report
EP0248244B1	Cites	European Patent Office (EPO)	Search report
EP0365249A2	Cites	European Patent Office (EPO)	Search report
EP0439360A2	Cites	European Patent Office (EPO)	Search report
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DE2707144A1	Cites	Germany	Search report
DE3619194A1	Cites	Germany	Search report
DE4039101A1	Cites	Germany	Search report
US4872964A	Cites	United States of America	Search report
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EP439361A2	Cites	European Patent Office (EPO)	Search report

Document	Office	Kind	Date
4128340	Germany	A	1991-08-27
DE19914128340	–	–	–

Sputtering cathode arrangement according to the magnetron principle for coating a flat annular surface

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LIST OF REFERENCE NUMBERS

Priority claims2

Numbers

Titles2

Classification