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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zum Erzeugen eines elektrischen Plasmas unter einem Druck unterhalb Atmosphäre; insbesondere bezieht sie sich auf eine solche Vorrichtung, die einen Magneten für das Erzeugen eines magnetischen Feldes im Plasma und eine Sputterkathode aufweist; insbesondere bezieht sie sich aber auf eine Vorrichtung, in der das Magnetfeld nicht ausgewogen bzw. nicht balanciert ist, wobei die Sputterkathode eine zylindrische Symmetrie hat und das Sputtern von einer zylindrischen Zieloberfläche aus fortschreitet. Vorrichtungen und Verfahren gemäß der Erfindung sind nützlich für Magnetron-Sputter-Abscheidung von Materialien auf Substraten und für ein Plasmareinigen oder -ätzen von Substraten.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Zylindrisches Magnetronsputtern ist ein nützliches Verfahren für das Beschichten von Zielmaterialien auf dreidimensionalen, komplexen Formen, wie beispielsweise die Formen von Schneidwerkzeugen, Formwerkzeugen, biomedizinischen Geräten, optischen Fasern und dergleichen. Einige relevante zylindrische Sputtereinrichtungen des Standes der Technik, die ausbalancierte Magnetrons nutzen, sind in den folgenden
U.S. Patenten offenbart: 3,884,793 A ;
3,995,187 A ;
4,030,986 A ;
4,031,424 A ;
4,041,353 A ;
4,111,782 A ;
4,116,793 A ;
4,116,794 A ;
4,132,612 A ; und
4,132,613 A , wobei die relevanten Offenbarungen derselben hier durch Bezugnahme mit aufgenommen sind.
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Bei ebenem oder planarem Magnetronsputtern ist ein bekanntes nützliches Verfahren für das Erhöhen der Plasmadichte nahe dem Substrat/den Substraten die Nutzung eines nicht ausgewogenen bzw. nicht ausbalancierten Magnetrons, wobei zugelassen wird, dass ein Teil des magnetischen Feldes, der normalerweise Elektronen auf den Nachbarbereich des Ziels bei ausgeglichenen bzw. ausbalancierten Magnetrons beschränkt, sich weg von der Zieloberfläche in Richtung auf das Substrat erstreckt, auf welchen der Film abzuscheiden ist. Demgemäß schließen sich einige der Feldlinien, die aus der Zieloberfläche austreten, nicht durch die Zieloberfläche hindurch zurück. Dies gestattet, dass Elektronen, die eine hohe Mobilität in Richtung parallel zu den magnetischen Feldlinien haben, weg vom Ziel beschleunigt werden, und zwar dorthin, wo sie wünschenswerter Weise das Umgebungsarbeitsgas in der Nachbarschaft des Substrates ionisieren können. Window und Savvides haben zuerst nicht ausbalancierte Magnetrons offenbart (Journal of Vacuum Science and Technology A4, 196 (1986) und Journal of Vacuum Science and Technology A4, 453 (1986)).
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Nicht ausbalancierte Magnetronsputtereinrichtungen des Standes der Technik behandeln ausschließlich ebene, oft kreisförmige Zieloberflächen. Die „offenen” oder nicht ausbalancierten magnetischen Feldlinien können sich entweder von den radial äußeren Teilen oder den radial inneren Teilen der Zieloberfläche aus erstrecken. Die Ziele können kreisförmig, rechteckig sein oder irgendeine andere ebene Form haben. Die magnetische Polarität ist ebenso unwichtig, weil entweder der Nord- oder der Südmagnetpol zum Erzeugen der offenen oder nicht ausbalancierten Feldlinien in allen Fällen genutzt werden kann. In einer verbreiteten Konstruktion werden mehrere nicht ausbalancierte Magnetronkathoden zusammen genutzt für das Bilden einer Plasmafalle, die das Substrat/die Substrate umgibt. Solche Einrichtungen werden in den
U.S. Patenten mit den Nr. 5,196,105 A und
5,556,519 A gelehrt. Diese Anordnung mehrerer Kathoden ist insbesondere von Vorteil bei großen Beschichtern, die für das Abscheiden von harten und korrosionsresistenten Materialien genutzt werden. Ziemlich oft werden die hohen Plasmadichten, die durch nicht ausbalanciertes Magnetronsputtern erzeugt werden, genutzt durch Anlegen einer negativen elektrischen Vorspannung an das Substrat, wobei die Vorspannung Ionen in Richtung auf den wachsenden Film hin beschleunigt mit dem Ergebnis von Verbesserungen in der Dichte, der Zusammensetzung und der Mikrostruktur. Demgemäß ist allgemein die höchstmögliche Ionisationsdichte wünschenswert.
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Zylindrische Magnetrons des Standes der Technik verwenden irgendeines von einer Vielzahl von Mitteln zum Erzeugen von Fallen für Sekundärelektronen, die durch Ionenbeschuss des Ziels bzw. Targets erzeugt werden, wobei diese Elektronen verantwortlich sind für die Aufrechterhaltung des Plasmas. Einige Fallen werden durch axiale magnetische Felder gebildet, die mit elektrostatischen Flügeln zusammenarbeiten, und andere werden erzeugt durch das Magnetfeld zusammen mit der Oberfläche der Elektrode. Beispiele solcher Fallen werden in den Patenten, auf die Bezug genommen worden ist, beschrieben.
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Das japanische Patent
JP H03-267370 A beschreibt ein zylindrisches Target mit einem nicht ausbalanciertem Magnetfeld und genauer das Formen eines dichten Films mit geringer interner Spannung durch das Anordnen von Hilfsmagneten innerhalb von zylindrisch angeordneten Magneten zur Beeinflussung des Magnetfeldes. Hierzu werden einerseits Sets von konventionellen Magneten des Standes der Technik eingesetzt, wobei jeder Magnet jeweils einen Süd- und einen Nordpol besitzt, und andererseits Sets von Magneten, die nur Nordpole aufweisen, die Lage der Südpole ist nicht beschrieben. Die Lage der Südpole ist jedoch, auf Grund der Wechselwirkungen mit den Nordpolen, essentiell, da sie letztlich die Funktionsweise des Geräts determiniert.
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Aus
GB 2,125,441 A ist die Anordnung von Magneten innerhalb und außerhalb von zylindrischen Targets bekannt
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Ferner zeigt
WO 95/00677 A1 das Anlegen zweier gegenüber liegender Magnetrons.
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Wie beim ebenen Magnetronsputtern kann jegliche der Anwendungen, für die zylindrisches Magnetronsputtern besonders gut geeignet ist, wie beispielsweise Beschichten für Abnutzungs- und Korrosionsresistenz und dichte dielektrische Beschichtungen, von einem hohen Pegel der Ionisation in der Nachbarschaft des zu beschichtenden Teils/der Teile profitieren. Dies gestattet die effektive Nutzung der Substratvorspannung oder erzeugt einen Pegel der Selbst-Vorspannung auf nicht-leitenden Substraten, was die physikalischen Eigenschaften des abgeschiedenen Films durch gesteuerte Pegel des Ionenbeschusses verbessert. Jedoch beschränken zylindrische Magnetrons des Stands der Technik gezielt das Plasma auf die Nachbarschaft der Zieloberfläche zum Erhöhen der Raten für das Entfernen von Materialien vom Ziel und folglich wird die Plasmadichte nahe des Abscheidungssubstrats reduziert.
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Zur Lösung der Probleme des Standes der Technik sieht die Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas mit zylindrischer Symmetrie in einer Arbeitsgasumgebung gemäß der Patentansprüche 1 und 22 vor.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Das Vorangegangene und andere Ziele, Merkmale und Vorteile des Erfindung sowie die derzeitig bevorzugten Ausführungsformen davon werden klar beim Lesen der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in welchen Folgendes gezeigt ist:
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1 ist eine Querschnittsansicht einer balancierten zylindrischen Magnetronbeschichtungsvorrichtung des Standes der Technik mit Plasmafallen, die durch die Magnetfelder und die Zieloberfläche definiert sind, wobei die Ansicht entlang einer Ebene genommen ist, die die Zylinderachse aufweist;
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2 ist eine Querschnittsansicht eines nicht ausbalancierten ebenen Magnetrons des Standes der Technik, das im Wesentlichen von Window und Savvides offenbart wurde;
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3 ist eine Querschnittsansicht von zwei nicht ausgewogenen ebenen Magnetrons wie sie im Stand der Technik offenbart sind, wobei die nicht ausbalancierten Flusslinien geschlossen oder „verbunden” sind zu dem gegenüberliegenden Magnetron zum Bilden einer Plasmafalle dazwischen;
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4 ist eine Querschnittsansicht eines ersten nicht ausbalancierten zylindrischen Magnetrons gemäß der vorliegenden Erfindung, welches nützlich ist für das Sputtern von Material von der Innenoberfläche eines zylindrischen Targets oder Ziels auf ein Substrat während eines gleichzeitigen hohen Pegels eines Ionenbeschusses des Substrates; das gezeigte Magnetron kann auch unter Bedingungen betrieben werden, die ein intensives Plasma für das Reinigen oder Ätzen eines Substrats oder für eine atomare Emission von elektromagnetischer Strahlung erzeugen;
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5 ist eine Querschnittsansicht eines konischen nicht ausbalancierten Magnetrons gemäß der vorliegenden Erfindung;
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6 ist eine Querschnittsansicht eines nicht ausbalancierten zylindrischen Magnetrons gemäß der Erfindung, wobei Material von der Außenoberfläche eines zylindrischen Ziels für die Abscheidung auf einem oder mehreren Substraten gesputtert werden kann, die radial außerhalb des Ziel bzw. Targets angeordnet sind;
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7 ist eine Querschnittsansicht, die zwei nicht ausbalancierte zylindrische Magnetronplasmaerzeugungsvorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei die nicht ausbalancierten Pole eines jeden Magnetrons von der gleichen Polarität sind und axial nahe beieinander liegen zum Erzeugen eines symmetrischen hochdichten Plasmas;
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8 ist eine Querschnittsansicht ähnlich zu jener, die in 7 gezeigt ist, wobei die nicht ausbalancierten Pole jedes Magnetrons von der gleichen Polarität sind und axial entfernt sind zum Erzeugen eines symmetrischen hochdichten Plasmas;
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9 ist eine Querschnittsansicht ähnlich zu jener, die in 8 gezeigt ist, wobei die nicht ausbalancierten Pole eines jeden Magnetrons von entgegengesetzter Polarität sind und axial entfernt zum Erzeugen eines alternativen Typs eines hochdichten Plasmas;
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10 ist eine Querschnittsansicht ähnlich zu jener, die in 9 gezeigt ist, wobei das Ziel eine einzige zylindrische Elektrode für zwei benachbarte Magnetrons ist;
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11 ist eine Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung mit zwei Sätzen von nicht ausbalancierten zylindrischen Magnetrons, wobei jedes Magnetron innere und äußere konzentrische Ringmagnete und innere und äußere zylindrische Ziele hat, die in einem Ringraum zwischen den Magneten angeordnet sind, wodurch ein ringförmiger Sputterraum zwischen den zylindrischen Zielen bzw. Targets vorgesehen wird;
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12 ist eine Querschnittsansicht gleich zu jener, die in 8 gezeigt ist, die die Zufügung von elekrostatischen Ablenkmitteln für das Reflektieren von Sekundärelektronen zurück in den Plasmabereich zeigt;
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13 ist eine Querschnittsansicht eines Paares von nicht ausbalancierten zylindrischen Magnetronplasmaquellen gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine Hilfselektrode zum Steuern der Energie der Sekundärelektronen nutzen zum Erzeugen eines dichten Plasmas;
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14 ist ein Graph einer Vorspannstromdichte, die proportional zur Plasmadichte ist, und zwar abgezogen durch eine Plasmaprobe bei zwei unterschiedlichen Plasmaleistungen und bei verschiedenen Abständen vom Sputtziel bzw. -target in einer repräsentativen Sputtervorrichtung gemäß der Erfindung; und
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15 ist ein Graph ähnlich zu jenem, der in 14 gezeigt ist, und zwar zeigt er die Vorspannstromdichte, die von einer Plasmaprobe bei zwei unterschiedlichen Plasmadrücken abgezogen wird.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die Vorteile der vorliegenden Erfindung können besser gewürdigt werden, indem zuerst zylindrische und ebene Magnetrons des Standes der Technik betrachtet werden.
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Bezugnehmend auf 1 haben ein Paar von ausbalancierten zylindrischen Magnetrons des Standes der Technik 01 eine zylindrische Symmetrie um eine Achse CL. Ringe aus Magneten 10 und 11 haben entgegengesetzte Polaritäten und in radiale Richtung ausgerichtete Polflächen erzeugen magnetische Feldlinien 20. Diese Feldlinien schneiden die Innenoberfläche eines zylindrischen Ziels bzw. Targets 30, das beiden Magnetrons gemeinsam ist und abgesputtert werden soll. Die Feldlinien erzeugen Fallen für die Sekundärelektronen, die unter einem Ionenbeschuss des Targets emittiert werden. In der Technik heißt es, dass die Feldlinien 20 „magnetische Tunnel” 21 über die Oberfläche des Targets 30 bilden zum Erzeugen von Plasmafallen benachbart zur Oberfläche des Targets 30. Wie im Stand der Technik bekannt ist, ist es möglich, mehr als einen ringförmigen magnetischen Tunnel 21 auszubilden, wodurch mehr als eine Falle für im Wesentlichen die gesamten Sekundärelektronen auf diese Weise erzeugt wird.
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Im Stand der Technik schließen sich im Wesentlichen alle die Feldlinien, die die ersten Pole 10 eines Satzes von Magneten verlassen, durch die entgegengesetzten Pole 11 desselben Magneten. Solche Magnetrons werden als „ausbalanciert” bzw. „ausgewogen” bezeichnet, wobei in diesem Zustand die Magnete 10 und 11 gleiche Polstärken haben. Optionale Weicheisenträger 40 können den magnetischen Kreis effektiver machen. Wasserkanäle 41 können genutzt werden, um das Target 30 während des Betriebs kalt zu halten. Zusätzliche Elemente, die für das Erzeugen eines Plasmas notwendig sind, wie beispielsweise eine Vakuumkammer, Gashandhabungsausrüstung, Pumpen, Leistungsversorgungen und dergleichen sind nicht gezeigt, werden jedoch durch den Fachmann des betreffenden Gebiets einfach angenommen.
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Bezugnehmend auf 2 hat ein ebenes Magnetron 02 des Standes der Technik Magnete 12 und 13 die geschlossene Magnetfeldlinien 20 erzeugen, die die Oberfläche 31 eines ebenen Targets 32 schneiden und dadurch eine Plasmafalle bilden, wie bei einem ausbalancierten Magnetron. Jedoch hat in diesem Fall ein Magnet (12) eine übermäßige Polstärke im Vergleich zum anderen Magneten (13), so dass zusätzlich einige Magnetfeldlinien 22 sich weg von der Targetoberfläche über dem Pol 12 aus erstrecken und sich weg vom Target erstrecken und daher sich zur Oberfläche eines zu beschichtenden Substrates (nicht gezeigt) erstrecken. Die Feldlinien 22 werden oft als „offene Feldlinien” bezeichnet. Man sagt, dass das Magnetron 02 des Standes der Technik „nicht ausbalanciert” bzw. „ nicht ausgewogen” ist. Der Zweck des nicht Ausbalancierens eines Magnetrons ist das Erhöhen der Plasmadichte in der Nachbarschaft des zu beschichtenden Substrates, oft um einen Ionenbeschuss zum Verbessern der Eigenschaften des abzuscheidenden Films zu nutzen. Die überschüssige bzw. übermäßige Polstärke kann bezüglich der Magnete mittig sein, wie gezeigt, oder am Umfang.
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Bezugnehmend auf
3 verwendet eine weitere Magnetronanordnung
03 des Standes der Technik zwei ebene nicht ausbalancierte Magnetronkathoden
32,
33, die sich geometrisch gegenüberliegen und magnetisch verbunden sind zum Erzeugen eines hochdichten Plasmas zwischen ihnen, wie es im Wesentlichen im
US Patent Nr. 5,196,105 offenbart ist. In diesem Fall haben beide Kathoden Magnete
14 und
15 mit übermäßiger Polstärke an ihren Rändern bzw. Außenumfang
38. Jedoch haben die Magnetsätze
14 und
15 entgegengesetzte magnetische Polaritäten, so dass einige der Feldlinien
23, die den Magneten
14 mit übermäßiger Polstärke einer Kathode verlassen, in den Magneten
15 mit übermäßiger Polstärke der gegenüberliegenden Kathode eintreten. Diese Anordnung, die im Stand der Technik als magnetische „Verbindung” bezeichnet wird (siehe
US Patent Nr. 5,556,519 A ) ist dafür bekannt, ein hochdichtes Plasma zwischen den Kathoden zu erzeugen, was eine sehr effektive Umgebung für plasmaverbesserte Abscheidung erzeugt. Ähnliche Anordnungen von drei oder mehr nicht ausbalancierten Magnetrons, die zusammen wirken, sind im zuvor zitierten Stand der Technik bekannt.
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Bezugnehmend auf 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel 50 eines nicht ausbalancierten zylindrischen Magnetrons gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, und zwar so wie es für eine Sputterabscheidung eines Ziel- bzw. Targetmaterials auf ein Substrat 60 verwendet werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel erzeugen Ringe aus Permanentmagneten 16 und 17 ähnlich zu den Ringmagneten 10, 11 des Standes der Technik Feldlinien 24, die mit der Oberfläche des zylindrischen Sputtertargets 34 zusammen arbeiten zum Ausbilden einer axialsymmetrischen Plasmafalle mittels von magnetischen Tunneln 21, und zwar wie beim Stand der Technik. Jedoch hat der Magnetring 16 eine größere Polstärke als der Magnetring 17, wodurch offene Feldlinien 25 erzeugt werden, die nach innen in Richtung auf und nach außen in Richtung weg vom zu beschichtenden Substrat 60 gerichtet sind bzw. ragen. Dies ist ein nicht ausbalanciertes Magnetron. Ungleich zum Fall von planaren nicht ausbalancierten Magnetrons des Standes der Technik erzeugen jedoch die Feldlinien 25, die radial in Richtung auf die Mittellinien CL des Beschichtungsvolumens konvergieren, ein extrem hochdichtes Plasma in der Beschichtungsumgebung um das Substrat herum. Es ist wichtig, dass es keine magnetische Verbindung zwischen gegenüberliegenden oder benachbarten Polflächen gibt, wie dies der Fall ist beim planaren Stand der Technik, wie in 3 gezeigt, noch kann ein solches Auftreten, weil die gegenüberliegenden Polflächen Teile des gleichen Ringmagneten sind und daher die gleiche Polarität haben müssen.
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Bezugnehmend auf 5 umfasst ein zweites Ausführungsbeispiel 51 eines nicht ausbalancierten Magnetrons gemäß der vorliegenden Erfindung ein konisches kegelstumpfförmiges Target 35, das zum Beschichten der Oberfläche eines planaren Substrats 61 genutzt wird. Obwohl das Target 35 konisch anstatt zylindrisch ist, sind sowohl das Plasmaprofil als auch das Beschichtungsmaterialprofil beide axial symmetrisch in Bezug auf die Mittellinie CL. Feldlinien 25a, die durch die Magnete 16a mit übermäßiger Polstärke erzeugt werden, ragen in Richtung auf die Substratoberfläche und zwar auf eine Weise, die eine hohe Plasmadichte in der Nähe bzw. Nachbarschaft des Substrats erzeugt. In 5 sind die Magneten mit übermäßiger Polstärke am schmalen Ende des kegelstumpfförmigen Targets angeordnet, jedoch könen sie alternativ stattdessen am breiten Ende angeordnet sein. Wie beim Ausführungsbeispiel 50 konvergieren die Feldlinien 25a radial in Richtung auf die Mittellinie CL.
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Bezugnehmend auf 6 sieht ein drittes Ausführungsbeispiel 52 eines nicht ausbalancierten zylindrischen Magnetrons gemäß der vorliegenden Erfindung ein Sputtern von der äußeren Oberfläche eines zylindrischen Targets 36 vor. In diesem Fall erzeugen die Ringmagnete 16b mit übermäßiger Polstärke offene Feldlinien 25b, die nach außen in Richtung und weg vom Substrat 62, das zu beschichten ist, ragen.
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Bezugnehmend auf 7 umfasst ein viertes Ausführungsbeispiel 53 einer nicht ausbalancierten zylindrischen Magnetronanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung erste und zweite einzelne, nicht ausbalancierte zylindrische Magnetrons 50a, 50b auf, und zwar ähnlich zu dem in 4 gezeigten Magnetron 50, wobei diese zusammen arbeiten zum Ausbilden eines dichten Plasmas, das im Wesentlichen symmetrisch um eine Ebene 53a ist, die sich zwischen den zwei Magnetrons erstreckt, sowie symmetrisch um die Mittellinie CL ist. In diesem Fall sind die Magnete 18 mit übermäßiger Polstärke nahe zueinander und haben die gleiche magnetische Polarität, was die Feldlinien 26 erzeugt. Die Vorrichtung 53, wenn sie für eine Sputterabscheidung genutzt wird, kann einen intensiven Ionenbeschuss des zu beschichtenden Substrats 63 erzeugen.
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Bezugnehmend auf 8 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel 54 einer nicht ausbalancierten zylindrischen Magnetronanordnung gemäß der Erfindung ähnlich zum in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel 53, jedoch sind die Magnete 18a mit übermäßiger Polstärke entfernt voneinander angeordnet. Dies erzeugt Feldlinien 26a, die ein weniger dichtes Plasma erzeugen als jenes der Anordnung in 7; jedoch ist nichts desto weniger das Plasma dichter als das Plasma, das durch das ausbalancierte zylindrische Magnetron 01 des Standes der Technik erzeugt wird. Das Anordnen von Magneten mit höherer Polstärke nahe beieinander, wie in 7 gezeigt oder entfernt voneinander, wie in 8 gezeigt, ist ein Mittel für das Steuern der Plasmadichte, und zwar abhängig von den besonderen Erfordernissen des Prozesses. In den 7 und 8 haben die Magnete mit übermäßiger Polstärke die gleiche Polarität. Bezugnehmend auf 9 verwendet ein sechstes Ausführungsbeispiel 55 einer nicht ausbalancierten zylindrischen Magnetronanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung zwei nicht ausbalancierte zylindrische Magnetrons 55a, 55b mit Magneten 19a, 19b mit übermäßiger Polstärke von entgegengesetzten Polaritäten, die entfernt voneinander angeordnet sind. Diese Anordnung erzeugt magnetische Feldlinien 27, die sich zwischen den zwei nicht ausbalancierten Magnetrons in einer zylindrischen „Verbindung” innerhalb des Beschichtungsvolumens schließen, und zwar zum Ausbilden eines starken bzw. intensiven axialen Feldes in der Nachbarschaft des Substrates 64, das zu beschichten ist. Ungleich planarer nicht ausbalancierter Mehrfachmagnetronsysteme des Standes der Technik verbinden die Feldlinien von den Magneten 19a und 19b mit übermäßiger Polstärke in einem zylindrischen Magnetronsystem benachbarte oder gegenüberliegende Polflächen nicht.
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Die in den 7, 8 und 9 gezeigten einzelnen Kathoden können elektrisch voneinander isoliert sein und mit herkömmlichen unabhängigen Sputterleistungsversorgungen (nicht gezeigt) angetrieben werden oder sie können in Paaren mit einer Wechselstromleistungsversorgung angetrieben werden, die zwischen ihnen betrieben wird, wie in der Technik gut bekannt ist. Des weiteren können die Ziele bzw. Targets, die in den einzelnen Kathoden der Mehrfachkathodenanordnung genutzt werden aus demgleichen Material oder aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein, was deutlich die Auswahl der abzuscheidenden Zusammensetzungen erweitert. Es sei bemerkt, dass die elektrischen Verbindungen und die Schaltung, die für das Erregen all der hier gezeigten Kathoden erforderlich sind, in der Technik gut bekannt sind und vollständig in den durch Bezugnahme mit aufgenommenen Referenzen offenbart sind.
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Die Anordnungen, die in den 7, 8 und 9 gezeigt sind, demonstrieren, dass zwei oder mehr nicht ausbalancierte zylindrische Magnetrons, von denen ein jedes eine unabhängige Elektrode hat, zusammen für das Ausbilden einer Vielzahl von Plasmafallen genutzt werden können. Bezugnehmend auf 10 ist ersichtlich, dass in jedem Fall die gleiche Vielfalt von Plasmafallen ausgebildet werden kann unter Nutzung einer einzigen Elektrode 37 für eine Vielzahl von Magnetrons.
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Bezugnehmend auf 11 verwendet ein siebtes Ausführungsbeispiel 56 einer nicht ausbalancierten zylindrischen Magnetronanordnung gemäß der Erfindung erste und zweite Sätze 56a, 56b von nicht ausbalancierten zylindrischen Magnetrons für das Beschichten von einem oder mehreren Substraten 65. Der innere Satz 56a ist aus zwei Kathoden gefertigt, die die Außenseite eines ersten zylindrischen Targets absputtern, und zwar ähnlich zu der in 6 gezeigten Anordnung. Der äußere Satz 56b ist aus zwei Kathoden gefertigt, die die Innenseite eines zweiten zylindrischen Targets absputtern, und zwar ähnlich zur in 8 gezeigten Anordnung. Die zwei Sätze von Magneten sind derart angeordnet, dass die Magneten mit übermäßiger Polstärke im äußeren Satz 56b die entgegengesetzte Polarität von dem Magneten mit übermäßiger Polstärke im inneren Satz 56a haben. Demgemäß erstrecken sich die Feldlinien 28 zwischen den zwei Sätzen von Magneten zum Ausbilden einer Plasmafalle, die den Ringraum zwischen den inneren und äußeren Kathoden umfasst bzw. umschließt. In dieser Anordnung ist/sind das Substrat/die Substrate 65, die zu beschichten sind, von konzentrischen Sputtertargets umgeben und in ein hochdichtes Plasma um sie herum eingeschlossen.
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Bezugnehmend auf 12 verwendet eine nicht ausbalancierte zylindrische Magnetronanordnung 57 ähnlich zu der in 8 gezeigten, reflektive Elemente 70 zum Reflektieren der Elektronen zurück entlang der Feldlinien 29, anstatt dass zugelassen wird, dass sie zu geerdeten Oberflächen entweichen. Die Elemente 70 können getrennte Elemente sein oder sie können ein Teil der Struktur sein, die das zu beschichtenden Substrat/die Substrate trägt. Die Elemente 70 können aus einem dielektrischen Material gebildet sein, beispielsweise aus Glas, welches durch den Elektronenbeschuss aufgeladen wird und bei weiterem Beschuss reflektiv bzw. reflektierend wird; oder das Element 70 kann aus einem elektrischen Leiter gebildet sein und geeignet vorgespannt sein, wie beispielsweise durch eine Leistungversorgung 63.
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Bezugnehmend auf
13 ist ein neuntes Ausführungsbeispiel
58 einer nicht ausbalancierten zylindrischen Magnetronanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung als eine Sputterbeschichtungsvorrichtung gezeigt. Es wurde gefunden, dass die Rate für das sputternde Entfernen von Material von der Targetoberfläche benachbart zu den Magnetpolflächen sehr gering ist und tatsächlich negativ sein kann (Material lagert sich in diesen Bereichen ab). Demgemäß kann das Targetmaterial in diesem Bereich nicht verbraucht werden und die Oberfläche des Targets kann verzerrt bzw. gestört werden.
13 zeigt eine Kathode, die auf eine solche Weise ausgebildet ist, dass die Magnete
80 und
81 mit übermäßiger Polstärke so positioniert sind, dass sie sich axial über die Kanten
92,
93 der zylindrischen Targets
82 und
83 hinaus erstrecken. Ein Abstandsring
84 ist elektrisch isoliert von den Kathoden
87 und
88 durch Isolatoren
86 und durch Vakuumdichtungen, die mit O-Ringen gebildet sind, und zwar in einer Konstruktionsweise, die leicht durch den Fachmann verstanden wird. Eine Hilfselektrode
89 befindet sich in Kontakt mit dem Ring
84 und liegt über den Enden der Kathoden
87 und
88 zum Ausbilden einer Dunkelraumabschirmung. Die meisten der nicht ausbalancierten Linien des magnetischen Flusses
90 treten aus der Oberfläche der Hilfselektrode
89 aus. Dies ermöglicht, dass die Elektrode
89 elektrisch vorgespannt wird, um die Energie der Elektronen, die in das Plasma eintreten, zu optimieren, wie im
US Patent Nr. 6,224,725 A beschrieben ist, die hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird. Wenn der Innendurchmesser der Elektrode
89 größer ist als der Innendurchmesser der Elektroden
87 und
88, können die Targets
82 und
83 an Ort und Stelle gehalten werden mit Vorrichtungen, wie beispielsweise einem Haltering
91.
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Wie dem Fachmann klar ist, kann die Polarität der Polstücke der Magnete mit übermäßiger Polstärke in all den in den 4 bis 13 gezeigten Ausführungsbeispielen entweder der magnetische Nord- oder der magnetische Südpol sein. Des weiteren kann die magnetische Polstärke herkömmlich durch Auswahl des geeigneten Volumens und Typs des magnetischen Materials eingestellt werden und/oder durch Verwendung von Elektromagneten oder anderen felderzeugenden Hilfselementen. Es ist dem Fachmann ferner klar, dass im Umfang der Erfindung eine Vielzahl von nicht ausbalancierten zylindrischen Magnetrons kollektiv koaxial oder anders angeordnet sein kann, und zwar ohne Beschränkung im Hinblick auf die Anzahl, noch im Hinblick darauf, welcher Pol eines jeden Magnetrons die höhere Stärke hat zum Vorsehen eines besonderen erwünschten Plasmas.
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Die positiven Aspekte und Vorteile von nicht ausbalancierten zylindrischen Magnetronanordnungen gemäß der Erfindung können auch durch die folgenden Beispiele dargestellt werden.
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BEISPIEL 1:
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Eine Sputtervorrichtung, wie sie in 7 gezeigt ist, mit einem Innendurchmesser von 19 cm wurde zum Sputtern einer zylindrischen Titanaluminiumlegierung genutzt. Die zwei Elektroden wurden mit einer Leistungsversorgung im Mittelfrequenzbereich, die bei 40 kHz betrieben wurde und zwischen ihnen verbunden war, angetrieben. Die magnetischen Felder wurden unter Verwendung von Ringen erzeugt, die aus kleinen Neodym-Eisen-Permanentmagneten gefertigt waren. Die nahe beieinander gelegenen Magnetringe 18 hatten eine höhere Anzahl von Permanentmagneten in ihnen, als die entfernten Ringe, um die übermäßige Polstärke in den nahen Ringen zu erzeugen. Die maximale magnetische Feldstärke parallel zur Targetoberfläche war ungefähr 380 Gauss. Argongas wurde bei Sputterdrücken von 1 und 10 mTorr verwendet. Sputterleistungen von 1 und 3 kW wurden verwendet. Eine Plasmaprobe mit einer Fläche von 13,3 cm2 wurde zum Messen des Ionenstroms verwendet, der durch die Probe gezogen wurde, und zwar als eine Funktion der Sputterbedingungen.
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14 ist eine Auftragung der Probenstromdichte als eine Funktion des Abstandes der Probe von der Targetoberfläche. Der Druck war 10 mTorr, die Probenvorspannspannung war –10 V und die Kathodenleistungen waren 1 kW und 3 kW. Die maximalen Stromdichten zwischen ungefähr 1 und 6 mA/cm2 (Kurven 102 bzw. 104) sind typisch für planare nicht ausbalancierte Magnetrons des Standes der Technik bei verschiedenen Orten innerhalb der Beschichtungszone. Es ist ersichtlich (Kurven 106, 108), dass Magnetrons gemäß der Erfindung Stromdichtenanstiege von 100% oder mehr über die Dichten des Standes der Technik vorsehen können. 15 zeigt die Ergebnisse von Variationen im Druck beim Beispiel 1 bei einer Kathodenleistung von 3 kW. Extrem hohe Stromdichten sind möglich, sogar bei niedrigen Drücken (Kurven 110, 112).
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BEISPIEL 2:
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Es wurde gefunden, dass die Vorrichtung, die im Beispiel 1 beschrieben wurde, bei sehr geringen Drücken betrieben werden kann, und zwar hinunter bis zu 0,5 mTorr oder weniger, sogar bei hohen Leistungen. Überraschend wurde gefunden, dass bei einem Betrieb bei einem Argondruck von 0,5 mTorr und einer Leistung von 3 kW das Plasma aggressiv ein elektrisch nicht verbundenes (floating) Substrat ätzte, das auf der Kathodenmittellinie plaziert war. Während wir uns nicht auf die folgende Erklärung festlegen wollen, glauben wir jedoch, dass die hochenergetischen Elektronen, die durch die erfinderische Vorrichtung erzeugt werden, unter diesen Bedingungen einen ausreichenden Unterschied zwischen dem Plasma und dem frei schwebenden bzw. nicht verbundenen Potentialen erzeugen, so dass, kombiniert mit der hohen Plasmadichte eine Sputtererosion des Substrats auftritt. Demgemäß ist eine solche Vorrichtung nützlich für das Erzeugen von einem deutlichen Plasmabeschuss von elektrisch isolierten Teilen, wie beispielsweise Keramiken, Glas oder Plastik, die normalerweise schwierig auf Spannung zu legen sind. Die Möglichkeit, dies zu tun, ist sehr wünschenswert für das Reinigen von optischen Fasern, Glaskabeln und anderen weiterverbreitet genutzten elektrisch isolierenden Materialien.
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BEISPIEL 3:
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Die optische Emission des Plasmas innerhalb der Elektroden der Vorrichtung des Beispiels 1 war viel größer als wir sie für jegliche andere Magnetronsputtervorrichtung beobachtet haben, die unter ähnlichen Bedingungen arbeiteten. Diese intensive Lichtausgabe ist konsistent mit den Messungen und Beobachtungen, die in den Beispielen 1 und 2 gemacht wurden. Bei vielen Anwendungen, wie beispielsweise spezialisierten Lasern und anderen solchen Vorrichtungen, könne solche intensive Atomemissionslinien aus Metallen nützlich sein.
