GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION
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.The present invention relates to devices for generating an electric plasma under a pressure below atmospheric; in particular, it relates to such a device having a magnet for generating a magnetic field in the plasma and a sputtering cathode; in particular, however, it relates to a device in which the magnetic field is unbalanced, wherein the sputtering cathode has a cylindrical symmetry and the sputtering proceeds from a cylindrical target surface. Devices and methods according to the invention are useful for magnetron sputter deposition of materials on substrates and for plasma cleaning or etching of substrates.
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
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.Cylindrical magnetron sputtering is a useful method for coating target materials on three-dimensional, complex shapes, such as the shapes of cutting tools, dies, biomedical devices, optical fibers, and the like. Some relevant prior art cylindrical sputtering devices utilizing balanced magnetrons are as follows U.S. Patents 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 ; and 4,132,613 A the relevant disclosures of which are incorporated herein by reference.
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)).In planar or planar magnetron sputtering, a well-known useful method for increasing the plasma density near the substrate (s) is the use of an unbalanced magnetron, allowing a portion of the magnetic field that normally confines electrons to the neighboring region of the magnetron Target is limited in balanced magnetrons, extending away from the target surface in the direction of the substrate on which the film is to be deposited. Accordingly, some of the field lines exiting the target surface do not close behind the target surface. This allows electrons that have high mobility in the direction parallel to the magnetic field lines to be accelerated away from the target to where they desirably can ionize the ambient working gas in the vicinity of the substrate. Window and Savvides first disclosed unbalanced magnetrons (Journal of Vacuum Science and Technology A4, 196 (1986) and Journal of Vacuum Science and Technology A4, 453 (1986)).
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.Unbalanced prior art magnetron sputtering devices treat only flat, often circular target surfaces. The "open" or unbalanced magnetic field lines may extend from either the radially outer portions or the radially inner portions of the target surface. The targets can be circular, rectangular or have any other planar shape. The magnetic polarity is equally unimportant because either the north or the south magnetic pole can be used to generate the open or unbalanced field lines in all cases. In a common construction, multiple unbalanced magnetron cathodes are used together to form a plasma trap surrounding the substrate (s). Such facilities are in the US Pat. Nos. 5,196,105A and 5,556,519 A taught. This arrangement of multiple cathodes is particularly advantageous in large coaters used for depositing hard and corrosion resistant materials. Quite often, the high plasma densities produced by unbalanced magnetron sputtering are exploited by applying a negative electrical bias to the substrate, the bias accelerating ions toward the growing film, resulting in improvements in density, composition, and the microstructure. Accordingly, the highest possible ionization density is generally desirable.
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.Cylindrical magnetrons of the prior art use any of a variety of means for generating traps for secondary electrons generated by ion bombardment of the target, these electrons being responsible for the maintenance of the plasma. Some traps are formed by axial magnetic fields that interact with electrostatic vanes, and others are generated by the magnetic field along with the surface of the electrode. Examples of such cases are described in the patents referred to.
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.The Japanese patent JP H03-267370 A describes a cylindrical target with an unbalanced magnetic field, and more particularly, forming a dense film of low internal stress by placing auxiliary magnets within cylindrically arranged magnets to influence the magnetic field. For this purpose, on the one hand sets of conventional magnets of the prior art are used, each magnet has a south and a north pole, and on the other hand sets of magnets that have only north poles, the location of the south poles is not described. The location of the South Poles, however, is due to the Interactions with the northern poles, essential because it ultimately determines the functioning of the device.
Das U.S. Patent 5,317,006 A beschreibt Oberflächen oder auch Elektroden zur Reflektion von Elektroden.The US Patent 5,317,006 A describes surfaces or electrodes for reflection of electrodes.
Aus GB 2,125,441 A ist die Anordnung von Magneten innerhalb und außerhalb von zylindrischen Targets bekanntOut GB 2,125,441 A For example, the arrangement of magnets inside and outside cylindrical targets is known
Ferner zeigt WO 95/00677 A1 das Anlegen zweier gegenüber liegender Magnetrons.Further shows WO 95/00677 A1 the application of two opposite magnetrons.
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.As with planar magnetron sputtering, any of the applications for which cylindrical magnetron sputtering is particularly well suited, such as coating for wear and corrosion resistance and dense dielectric coatings, can benefit from a high level of ionization in the vicinity of the part / parts to be coated. This allows the effective use of the substrate bias or creates a level of self-bias on nonconductive substrates, which improves the physical properties of the deposited film through controlled levels of ion bombardment. However, prior art cylindrical magnetrons specifically restrict the plasma to the vicinity of the target surface to increase the rates of removal of materials from the target, and consequently the plasma density near the deposition substrate is reduced.
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.To solve the problems of the prior art, the invention provides an apparatus for producing a plasma with cylindrical symmetry in a working gas environment according to the claims 1 and 22.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Preferred embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
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:The foregoing and other objects, features and advantages of the invention, as well as the presently preferred embodiments thereof, will become apparent upon reading the following description in conjunction with the accompanying drawings, in which:
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; 1 Figure 12 is a cross-sectional view of a prior art balanced cylindrical magnetron coater with plasma traps defined by the magnetic fields and the target surface taken along a plane having the cylinder axis;
2 ist eine Querschnittsansicht eines nicht ausbalancierten ebenen Magnetrons des Standes der Technik, das im Wesentlichen von Window und Savvides offenbart wurde; 2 Fig. 12 is a cross-sectional view of a prior art unbalanced planar magnetron essentially disclosed by Window and Savvides;
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; 3 Figure 12 is a cross-sectional view of two unbalanced planar magnetrons as disclosed in the prior art, with the unbalanced flux lines closed or "connected" to the opposing magnetron to form a plasma trap therebetween;
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; 4 Fig. 12 is a cross-sectional view of a first unbalanced cylindrical magnetron according to the present invention useful for sputtering material from the inner surface of a cylindrical target or target onto a substrate during a simultaneous high level of ion bombardment of the substrate; the magnetron shown can also be operated under conditions that generate intense plasma for cleaning or etching a substrate or for atomic emission of electromagnetic radiation;
5 ist eine Querschnittsansicht eines konischen nicht ausbalancierten Magnetrons gemäß der vorliegenden Erfindung; 5 FIG. 12 is a cross-sectional view of a conical unbalanced magnetron according to the present invention; FIG.
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; 6 Figure 10 is a cross-sectional view of an unbalanced cylindrical magnetron according to the invention wherein material may be sputtered from the outer surface of a cylindrical target for deposition on one or more substrates disposed radially outward of the target;
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; 7 Fig. 12 is a cross-sectional view showing two unbalanced cylindrical magnetron plasma generating devices according to the present invention, wherein the unbalanced poles of each magnetron are of the same polarity and are axially close to each other to produce a symmetrical high-density plasma;
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; 8th is a cross-sectional view similar to that in FIG 7 wherein the unbalanced poles of each magnetron are of the same polarity and are axially spaced to produce a symmetrical high density plasma;
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; 9 is a cross-sectional view similar to that in FIG 8th with the unbalanced poles of each magnetron being of opposite polarity and axially removed to produce an alternative type of high density plasma;
10 ist eine Querschnittsansicht ähnlich zu jener, die in 9 gezeigt ist, wobei das Ziel eine einzige zylindrische Elektrode für zwei benachbarte Magnetrons ist; 10 is a cross-sectional view similar to that in FIG 9 the target being a single cylindrical electrode for two adjacent magnetrons;
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; 11 FIG. 12 is a cross-sectional view of another embodiment of the invention with two sets of unbalanced cylindrical magnetrons, each magnetron having inner and outer concentric ring magnets and inner and outer cylindrical targets disposed in an annulus between the magnets, thereby providing an annular sputter space between the magnets cylindrical targets or targets is provided;
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; 12 is a cross-sectional view similar to that in FIG 8th showing the addition of electrostatic deflection means for reflecting secondary electrons back into the plasma region;
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; 13 Fig. 12 is a cross-sectional view of a pair of unbalanced cylindrical magnetron plasma sources according to the present invention utilizing an auxiliary electrode for controlling the energy of the secondary electrons to produce a dense plasma;
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 14 FIG. 12 is a graph of bias current density proportional to plasma density subtracted by a plasma sample at two different plasma powers and at different distances from the sputtering target in a representative sputtering apparatus according to the invention; FIG. and
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. 15 is a graph similar to the one in 14 2, it shows the bias current density subtracted from a plasma sample at two different plasma pressures.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung können besser gewürdigt werden, indem zuerst zylindrische und ebene Magnetrons des Standes der Technik betrachtet werden.The advantages of the present invention can be better appreciated by first considering prior art cylindrical and planar magnetrons.
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.Referring to 1 have a pair of prior art balanced cylindrical magnetrons 01 a cylindrical symmetry about an axis CL. Rings of magnets 10 and 11 have opposite polarities and radially oriented pole faces generate magnetic field lines 20 , These field lines intersect the inner surface of a cylindrical target 30 , which is common to both magnetrons and should be sputtered. The field lines generate traps for the secondary electrons emitted under ion bombardment of the target. In the technique it is said that the field lines 20 "Magnetic tunnels" 21 over the surface of the target 30 form for generating plasma traps adjacent to the surface of the target 30 , As is known in the art, it is possible to have more than one annular magnetic tunnel 21 forming more than one trap for substantially all the secondary electrons in this way.
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.In the prior art, substantially all of the field lines which connect the first poles are closed 10 leaving a set of magnets, through the opposite poles 11 same magnet. Such magnetrons are referred to as "balanced" or "balanced", in which state the magnets 10 and 11 have the same pole strengths. Optional soft iron carrier 40 can make the magnetic circuit more effective. water channels 41 can be used to target 30 to keep cold during operation. Additional elements necessary for generating a plasma, such as a vacuum chamber, gas handling equipment, pumps, power supplies, and the like, are not shown but will be readily appreciated by those skilled in the art.
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.Referring to 2 has a flat magnetron 02 of the prior art magnets 12 and 13 the closed magnetic field lines 20 generate the surface 31 a flat target 32 and thereby form a plasma trap, as in a balanced magnetron. However, in this case, a magnet ( 12 ) an excessive pole strength compared to the other magnet ( 13 ), so that in addition some magnetic field lines 22 away from the target surface above the pole 12 extend and extend away from the target and therefore extend to the surface of a substrate to be coated (not shown). The field lines 22 are often referred to as "open field lines". It is said that the magnetron 02 of the prior art is "unbalanced" or "not balanced". The purpose of non-balancing a magnetron is to increase the plasma density in the vicinity of the substrate to be coated, often to use ion bombardment to improve the properties of the film to be deposited. The excess pole thickness may be centered with respect to the magnets, as shown, or circumferentially.
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.Referring to 3 uses another magnetron arrangement 03 of the prior art two level unbalanced magnetron cathodes 32 . 33 which are geometrically opposed and magnetically connected to produce a high density plasma between them, as substantially in the U.S. Patent No. 5,196,105 is disclosed. In this case, both cathodes have magnets 14 and 15 with excessive pile thickness at their edges or outer circumference 38 , However, the magnet sets have 14 and 15 opposite magnetic polarities, so that some of the field lines 23 that the magnet 14 with excessive pole thickness of a cathode leave, in the magnet 15 with excessive pole thickness of the opposite cathode. This arrangement, referred to in the art as a magnetic "connection" (see US Pat. No. 5,556,519 A ) is known to produce a high density plasma between the cathodes, creating a very effective plasma enhanced deposition environment. Similar arrangements of three or more unbalanced magnetrons operating together are known in the prior art cited above.
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.Referring to 4 is a first embodiment 50 of an unbalanced cylindrical magnetron according to the present invention, as well as for sputter deposition of a target material onto a substrate 60 can be used. In this embodiment, rings of permanent magnets 16 and 17 similar to the ring magnets 10 . 11 of the prior art field lines 24 , which coincide with the surface of the cylindrical sputtering target 34 work together to form an axisymmetric plasma trap by means of magnetic tunnels 21 , as in the prior art. However, the magnet ring has 16 a larger pole thickness than the magnetic ring 17 , creating open field lines 25 generated inward toward and out towards the substrate to be coated 60 are directed or protrude. This is an unbalanced magnetron. However, unlike the case of planar unbalanced magnetrons of the prior art, the field lines produce 25 which converge radially toward the centerlines CL of the coating volume, an extremely high density plasma in the coating environment around the substrate. It is important that there is no magnetic connection between opposing or adjacent pole faces, as is the case with the planar prior art, as in FIG 3 Such an occurrence can still be shown, because the opposite pole faces are parts of the same ring magnet and therefore must have the same polarity.
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.Referring to 5 comprises a second embodiment 51 of an unbalanced magnetron according to the present invention, a conical frusto-conical target 35 for coating the surface of a planar substrate 61 is being used. Although the target 35 is conical rather than cylindrical, both the plasma profile and the coating material profile are both axially symmetric with respect to the centreline CL. field lines 25a passing through the magnets 16a With excessive pole strength, they project toward the substrate surface in a manner that produces a high plasma density in the vicinity of the substrate. In 5 For example, the excess pole magnets are located at the narrow end of the frusto-conical target, but alternatively they may instead be located at the wide end. As in the embodiment 50 the field lines converge 25a radially in the direction of the center line CL.
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.Referring to 6 sees a third embodiment 52 of an unbalanced cylindrical magnetron according to the present invention, sputtering from the outer surface of a cylindrical target 36 in front. In this case, the ring magnets generate 16b with excessive pole strength open field lines 25b facing outward and away from the substrate 62 which is to coat stand out.
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.Referring to 7 comprises a fourth embodiment 53 an unbalanced cylindrical magnetron assembly according to the present invention first and second single, unbalanced cylindrical magnetrons 50a . 50b on, similar to the one in 4 shown magnetron 50 these work together to form a dense plasma that is substantially symmetrical about a plane 53a which extends between the two magnetrons and is symmetrical about the center line CL. In this case, the magnets are 18 with excessive pole strength close to each other and have the same magnetic polarity as the field lines 26 generated. The device 53 when used for sputter deposition, can cause intense ion bombardment of the substrate to be coated 63 produce.
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.Referring to 8th is a fifth embodiment 54 an unbalanced cylindrical magnetron assembly according to the invention similar to in 7 shown embodiment 53 but the magnets are 18a with excessive pole thickness away from each other. This generates field lines 26a which produce a less dense plasma than that of the array in FIG 7 ; however, the plasma is still denser than the plasma created by the balanced cylindrical magnetron 01 of the prior art is generated. Arranging magnets with higher pile thickness close together, as in 7 shown or removed from each other, as in 8th is a means for controlling the plasma density, depending on the particular needs of the process. In the 7 and 8th the magnets with excessive pole strength have the same polarity. Referring to 9 uses a sixth embodiment 55 an unbalanced cylindrical magnetron assembly according to the present invention, two unbalanced cylindrical magnetrons 55a . 55b with magnets 19a . 19b with excessive pile thickness of opposite polarities, which are arranged away from each other. This arrangement generates magnetic field lines 27 which close between the two unbalanced magnetrons in a cylindrical "compound" within the coating volume to form a strong axial field in the vicinity of the substrate 64 which is to be coated. Unlike planar prior art unbalanced multiple magnetron systems, the field lines connect the magnets 19a and 19b with excessive pole thickness in a cylindrical magnetron system adjacent or opposite pole faces not.
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.The in the 7 . 8th and 9 As shown, individual cathodes may be electrically isolated from each other and driven by conventional independent sputtering power supplies (not shown), or may be driven in pairs with an AC power supply operated between them, as is well known in the art. Furthermore, the targets used in the individual cathodes of the multiple cathode assembly can be made of the same material or of different materials, which significantly expands the selection of the compositions to be deposited. It should be understood that the electrical connections and circuitry required to energize all of the cathodes shown herein are well known in the art and are fully disclosed in the references incorporated by reference.
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.The arrangements in the 7 . 8th and 9 demonstrate that two or more unbalanced cylindrical magnetrons, each having an independent electrode, can be used together to form a plurality of plasma traps. Referring to 10 It can be seen that in each case the same variety of plasma traps can be formed using a single electrode 37 for a variety of magnetrons.
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.Referring to 11 uses a seventh embodiment 56 an unbalanced cylindrical magnetron assembly according to the invention first and second sets 56a . 56b unbalanced cylindrical magnetrons for coating one or more substrates 65 , The inner sentence 56a is made of two cathodes sputtering off the outside of a first cylindrical target, similar to the one in FIG 6 shown arrangement. The outer sentence 56b is made of two cathodes sputtering off the inside of a second cylindrical target, similar to the one in FIG 8th shown arrangement. The two sets of magnets are arranged such that the magnets with excessive pole thickness in the outer set 56b the opposite polarity of the magnet with excessive pole strength in the inner set 56a to have. Accordingly, the field lines extend 28 between the two sets of magnets for forming a plasma trap that encloses the annulus between the inner and outer cathodes. In this arrangement, the substrate (s) is / are 65 which are to be coated, surrounded by concentric sputtering targets and enclosed in a high density plasma around them.
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.Referring to 12 uses an unbalanced cylindrical magnetron assembly 57 similar to the one in 8th shown, reflective elements 70 for reflecting the electrons back along the field lines 29 instead of being allowed to escape to grounded surfaces. The Elements 70 may be separate elements or may be part of the structure carrying the substrate (s) to be coated. The Elements 70 may be formed of a dielectric material, such as glass, which is charged by electron bombardment and becomes reflective upon further bombardment; or the element 70 may be formed of an electrical conductor and be suitably biased, such as by a power supply 63 ,
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.Referring to 13 is a ninth embodiment 58 an unbalanced cylindrical magnetron assembly according to the present invention as a sputter coating apparatus. It has been found that the rate of sputtering removal of material from the target surface adjacent to the magnetic pole surfaces is very small and may actually be negative (material deposits in these regions). Accordingly, the target material in this region can not be consumed and the surface of the target can be distorted. 13 shows a cathode formed in such a way that the magnets 80 and 81 with excessive pole thickness are positioned so that they are axial over the edges 92 . 93 the cylindrical targets 82 and 83 extend beyond. A spacer ring 84 is electrically isolated from the cathodes 87 and 88 through insulators 86 and vacuum seals formed with O-rings, in a manner of construction that will be readily understood by those skilled in the art. An auxiliary electrode 89 is in contact with the ring 84 and lies over the ends of the cathodes 87 and 88 for forming a dark space shield. Most of the unbalanced lines of the magnetic flux 90 come out of the surface of the auxiliary electrode 89 out. This allows the electrode 89 is electrically biased to the energy of the electrons in to enter the plasma, to optimize, as in the US Patent No. 6,224,725 A is described, which is hereby incorporated by reference. When the inner diameter of the electrode 89 greater than the inner diameter of the electrodes 87 and 88 , the targets can 82 and 83 held in place with devices such as a retaining ring 91 ,
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.As is clear to those skilled in the art, the polarity of the pole pieces of the magnets with excessive pole strength in all the in the 4 to 13 shown embodiments be either the magnetic north or the magnetic south pole. Furthermore, the magnetic pole strength can be adjusted conventionally by selecting the appropriate volume and type of magnetic material and / or by using electromagnets or other auxiliary field-generating elements. It will be further understood by those skilled in the art that within the scope of the invention, a plurality of unbalanced cylindrical magnetrons may collectively be coaxially or otherwise arranged, without limitation as to the number, nor in terms of which pole of each magnetron the higher magnitude has to provide a particular desired plasma.
Die positiven Aspekte und Vorteile von nicht ausbalancierten zylindrischen Magnetronanordnungen gemäß der Erfindung können auch durch die folgenden Beispiele dargestellt werden.The positive aspects and advantages of unbalanced cylindrical magnetron arrangements according to the invention can also be illustrated by the following examples.
BEISPIEL 1:EXAMPLE 1:
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.A sputtering device, as in 7 19 cm inside diameter was used to sputter a cylindrical titanium aluminum alloy. The two electrodes were driven with a mid-frequency power supply operating at 40 kHz connected between them. The magnetic fields were generated using rings made of small neodymium-iron permanent magnets. The magnetic rings close to each other 18 had a higher number of permanent magnets in them than the removed rings to produce excessive pole strength in the near rings. The maximum magnetic field strength parallel to the target surface was approximately 380 Gauss. Argon gas was used at sputtering pressures of 1 and 10 mTorr. Sputtering powers of 1 and 3 kW were used. A 13.3 cm 2 plasma sample was used to measure the ion current drawn through the sample as a function of the sputtering conditions.
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). 14 is a plot of sample current density as a function of the distance of the sample from the target surface. The pressure was 10 mTorr, the sample bias voltage was -10 V and the cathode powers were 1 kW and 3 kW. The maximum current densities between about 1 and 6 mA / cm 2 (curves 102 respectively. 104 ) are typical of prior art planar unbalanced magnetrons at various locations within the coating zone. It can be seen (curves 106 . 108 ) that magnetrons according to the invention can provide current density increases of 100% or more over the densities of the prior art. 15 shows the results of variations in pressure in Example 1 at a cathode power of 3 kW. Extremely high current densities are possible, even at low pressures (curves 110 . 112 ).
BEISPIEL 2:EXAMPLE 2
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.It has been found that the device described in Example 1 can be operated at very low pressures, down to 0.5 mTorr or less, even at high powers. Surprisingly, it was found that when operated at an argon pressure of 0.5 mTorr and a power of 3 kW, the plasma aggressively etched an electrically non-bonded (floating) substrate placed on the cathode centerline. While we do not wish to be bound by the following explanation, we believe that the high energy electrons generated by the inventive device will produce a sufficient difference between the plasma and the floating potential in these conditions , combined with the high plasma density, a sputter erosion of the substrate occurs. Accordingly, such a device is useful for generating a distinct plasma shot of electrically isolated parts, such as ceramics, glass or plastic, that are normally difficult to apply stress. The ability to do so is highly desirable for the cleaning of optical fibers, glass cables and other widely used electrically insulating materials.
BEISPIEL 3:EXAMPLE 3
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.The optical emission of the plasma within the electrodes of the device of Example 1 was much larger than we have observed for any other magnetron sputtering device operating under similar conditions. This intense light output is consistent with the measurements and observations made in Examples 1 and 2. For many applications, such as specialized lasers and other such devices, such intense metal atomic emission lines may be useful.
