DE3212679A1 - IMPROVED INTEGRATED SPUTTER ARRANGEMENT AND METHOD - Google Patents
IMPROVED INTEGRATED SPUTTER ARRANGEMENT AND METHODInfo
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Description
Verbesserte integrierte Sputteranordnung und VerfahrenImproved integrated sputtering arrangement and method
Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Sputtervorrichtung zur Verwendung in Trioden-Sputtersystemen und insbesondere eine integrierte Sputtervorrichtung mit einem Ionenziel ("target") aus mindestens einem gewählten Werkstoff und einem kontrollierten Magnetfeld mit im wesentlichen gradlinig verlaufenden magnetischen Flußlinien.The present invention relates to an integrated sputtering device for use in triode sputtering systems and in particular an integrated sputtering device with a Ion target ("target") made of at least one selected material and a controlled magnetic field with essentially straight lines running magnetic flux lines.
Trioden-Sputtervorrichtungen und -systeme sind bekannt. Eine integrierte Sputtervorrichtung sowie ein Sputterverfahren sind in der US-PS 4 155 825 des Anmelders offenbart.Triode sputtering devices and systems are known. An integrated sputtering device and a sputtering process are disclosed in applicant's U.S. Patent 4,155,825.
In der US-PS 4 155 825 weist die integrierte Sputtervorrichtung eine Magnetvorrichtung auf der Unterseite des Ionenziels auf, um ein kontrolliertes magnetisches Flußfeld mit magnetischen Kraftlinien aufzubauen, die eine vorbestimmte Bahn mit einer Biegung um mindestens 90° oder mehr durchlaufen, wobei der magnetische Flußverlauf mindestens eine gewählte Flußdichte und mindestens eine Feldrichtung an der Oberfläche des Ionenziels aufweist. In der in der US-PS 4 155 825 offenbarten Ausführungsform sind Stab-Dauermagnete auf der Unterseite des Ziels vorgesehen und erzeugenIn U.S. Patent 4,155,825, the integrated sputtering device has a magnetic device on the underside of the ion target to build up a controlled magnetic flux field with magnetic lines of force that have a predetermined Traverse path with a bend of at least 90 ° or more, the magnetic flux course at least one has selected flux density and at least one field direction at the surface of the ion target. In the in the US PS 4,155,825 disclosed are bar permanent magnets provided on the bottom of the target and generate
das Magnetfeld mit weit unter 100 G, vorzugsweise im Bereich von 40 G.the magnetic field with well below 100 G, preferably in the range of 40 G.
Die Verwendung einer Magnetvorrichtung zum Aufbau eines Magnetfeldes mit größenordnungsmäßig weniger als 100 G war wesentlich, um einen Zusammenhang zwischen dem magnetischen Feld und dem Kathodenpotential aufrechtzuerhalten, infolgedessen sich das Plasma dicht an der Oberseite des Ionenziels halten ließ.The use of a magnetic device to build a A magnetic field of the order of magnitude less than 100 G was essential to establish a connection between the magnetic Field and the cathode potential, as a result, the plasma is close to the top of the Hold the ion target.
Bei bekannten Magnetron-Sputterquellen, wie sie beispielsweise in der US-PS 4 155 825 ausführlich beschrieben sind, werden magnetische Felder in der Größenordnung von etwa 100 G verwendet; für einen effizienten Betrieb werden jedoch typischerweise magnetische Felder im Bereich von 250 bis 1000 G benötigt.In known magnetron sputtering sources, such as those for example described in detail in U.S. Patent 4,155,825, magnetic fields are on the order of about 100 G used; however, magnetic fields in the region of 250 are typically required for efficient operation up to 1000 G required.
Bei Magneton-Sputterquellen besteht ein Zusammenhang zwischen dem magnetischen Feld und dem Kathodenpotential, der sich ausdrücken läßt alsWith magneton sputtering sources there is a connection between the magnetic field and the cathode potential, which is can be expressed as
E ^U1 (1) E ^ U 1 (1)
IbIIbI
wobei (a) Ie (B) I der Absolutwert des elektrischen Feldeswhere (a) Ie (B) I is the absolute value of the electric field
als Funktion des B-Feldes und (b) [Blder Absolutwert des Magnetfelds in Gauss sind.as a function of the B field and (b) [Bl is the absolute value of the magnetic field in Gauss.
Wie die Gl. (1) zeigt, bricht die Plasmaeinschließung in der Magnetronquelle zusammen, wenn das Kathodenpotential E(B) an der Kathode für ein festes schwaches Magnetfeld einen kritischen Wert übersteigt. Fällt dementsprechend bei fester Kathodenspannung das magnetische Feld unter einen kritischen Wert ab, bricht das Plasma zusammen. Bei den bekannten Magnetron-Plasmaquellen muß man also ein Gleichgewicht zwischenLike the Gl. (1) shows, the plasma confinement in the magnetron source collapses when the cathode potential E (B) at the cathode for a fixed weak magnetic field exceeds a critical value. Correspondingly falls with solid If the cathode voltage drops the magnetic field below a critical value, the plasma collapses. With the known magnetron plasma sources So you have to strike a balance between
einem minimalen magnetischen Feld und einem maximalen Kathodenpotential aufrechterhalten, will man einen stabilen Magnetronbetrieb gewährleisten.a minimum magnetic field and a maximum cathode potential maintained, one wants to ensure a stable magnetron operation.
In der in der US-PS 4 155 825 offenbarten integrierten Sputtervorrichtung werden schwache Magnetfelder zusammen mit hohem Kathodenpotential verwendet. Die die Lehre der US-PS 4 155 825 benutzten Trioden-Sputteranordnung sind also frei von der den Magnetronquellen eigenen Einschränkung des Zusammenhangs zwischen dem E- und dem B-Feld.In the integrated sputtering apparatus disclosed in U.S. Patent 4,155,825 Weak magnetic fields are used together with a high cathode potential. The doctrine of the US PS 4,155,825 triode sputtering arrangements used are therefore free from the limitation of the relationship inherent in magnetron sources between the E and B fields.
Obgleich Trxodensputteranordnungen mit weit höherem Gasionisationswirkungsgrad arbeiten als Magnetron-Sputterquellen, sind die mit einer Magnetronquelle erreichbaren Zielstromdichten typisch weit höher als die einer Triodensputterquelle. Es gibt eine Anzahl von Anwendungsfällen, in denen eine Triodensputteranordnung mit höhren Gasionisierungswirkungsgraden als denen der US-PS 4 155 825, aber mit den für Magnetronquellen typischen höheren Zielstromdichten erwünscht wäre.Although Trxode sputtering arrangements with a far higher gas ionization efficiency work as magnetron sputtering sources, the target current densities that can be achieved with a magnetron source are typically much higher than those of a triode sputtering source. There are a number of applications in which a triode sputtering arrangement with higher gas ionization efficiencies than those of US Pat. No. 4,155,825, but with the higher target current densities typical of magnetron sources would be desirable.
Die integrierte Sputteranordnung nach der vorliegenden Erfindung ergibt eine neuartige und integrierte Sputtervorrichtung, die als Triodenanordnung mit höheren Gasionisierungswirkungsgraden und mit höheren Zielstromdichten nahe denen einer Magnetronquelle arbeitet.The integrated sputtering arrangement according to the present invention results in a novel and integrated sputtering device, as a triode arrangement with higher gas ionization efficiencies and with higher target current densities those of a magnetron source works.
Die integrierte Sputteranordnung nach der vorliegenden Erfindung enthält Mittel, die ein Gehäuse mit einem ersten Innenraum, einem vom ersten in vorbestimmtem Abstand liegenden zweiten Innenraum sowie einer vorbestimmten Bahn zwischen dem ersten und dem zweiten Innenraum bilden. Im Gehäuseinnern ist ein Ionenziel aus mindestens einem qe-The integrated sputtering assembly of the present invention includes means comprising a housing having a first Interior space, a second interior space lying at a predetermined distance from the first and a predetermined path form between the first and the second interior space. Inside the housing there is an ion target consisting of at least one qe
wählten Material angeordnet, und zwar so, daß eine gewählte Oberfläche des lonenziels unmittelbar angrenzt an die vorbestimmte Bahn und diese zwischen den Innenräumen nach unten begrenzt. Ein Elektronenemitter ist in dem ersten oder zweiten, ein Elektronenkollektor im jeweils anderen Innenraum angeordnet. Eine Magnetvorrichtung verläuft entlang der vorbestimmten Bahn in vorbestimmtem Abstand zu der gewählten Oberfläche und erzeugt im wesentlichen gradlinige magnetische Flußlinien, die ein B-Feld definieren, dessen Richtung relativ zum ersten und zweiten Innenraum und zu der vorbestimmten Bahn an der gewählten Oberfläche des Ionenziels vorbestimmt ist, um ein kontrolliertes magnetisches Flußfeld mit mindestens einer gewählten Flußdichte an der gewählten Oberfläche auszubilden. Die gewählte Oberfläche des Ionenziels, die elektronenführende Einrichtung und die im wesentlichen gradlinigen Flußlinien bilden dabei eine Plasmaeinschließungshülle, die ein Plasma an der gewählten Oberfläche hält, damit das Ziel kontrolliert und gleichmäßig erodiert werden kann.selected material arranged in such a way that a selected surface of the ion target immediately adjoins the predetermined Railway and this limited downwards between the interior spaces. An electron emitter is in the first or second, an electron collector arranged in the other interior. A magnetic device runs along it of the predetermined path at a predetermined distance from the selected surface and produces substantially straight lines magnetic flux lines defining a B-field, its direction relative to the first and second interior spaces and to the predetermined path on the selected surface of the ion target is predetermined to be a controlled magnetic To form a flow field with at least one selected flux density on the selected surface. The chosen surface of the ion target, the electron-guiding device and the essentially straight lines of flow a plasma containment sheath that holds a plasma on the chosen surface for the target to control and can be eroded evenly.
Bei den bekannten Trioden-Sputteranordnungen sind die Stromdichten niedriger als bei Magnetronquellen. Die Triodensputteranordnung arbeitet jedoch mit erheblich höheren Gasionisierungswirkungsgraden und läßt sich einsetzen, wo nicht das bei einer Magnetronsputterquelle üblicherweise benötigte Vakuum erforderlich ist. Weiterhin lassen sich bei Triodensputteranordnungen die Zielspannungen unabhängig von anderen Arbeitsparametern variieren, um in weiten Grenzen variable Einstellbarkeit der Triodensputtereinrichtung zu erreichen.In the known triode sputtering arrangements, the current densities are lower than with magnetron sources. The triode sputtering arrangement, however, operates with considerably higher gas ionization efficiencies and can be used where this is not usually the case with a magnetron sputtering source required vacuum is required. Furthermore, with triode sputtering arrangements, the target voltages can be independent vary from other working parameters in order to be able to adjust the triode sputtering device within wide limits to reach.
Bei Magnetonsputteranordnungen hängen (vergl. Gl. (1) oben) das E-FeId als Funktion des B-Feldes einerseits und das B-FeldIn the case of magneton sputter arrangements, there are hanging (see Eq. (1) above) the E-field as a function of the B-field on the one hand and the B-field
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andererseits miteinander zusammen. Bei einer Triodensputtervorrichtung lassen das E- und das B-Feld sich jedoch separat einstellen, so daß die Triodensputteranordnung von der E/B-Funktion frei ist, die ein wesentlicher Teil des Magnetron-Sputtersystems ist und dessen Anwendbarkeit einschränkt.on the other hand together. With a triode sputtering device however, the E and B fields can be set separately, so that the triode sputtering arrangement can be controlled by the E / B function which is an essential part of the magnetron sputtering system and limits its applicability.
Bei Magnetronsputtersystemen müssen gekrümmte Magnetfeldlinien verwendet werden, um das B-Feld aufzubauen. In der in der US-PS 4 155 825 beschriebenen integrierten Sputteranordnung erzeugt die Magneteinrichtung Magnetfelder, die aus einer an der der gewählten Oberfläche abgewandten Unterseite des Ionenziels austreten. Im Betrieb müssen die aus dieser Magneteinrichtung kommenden magnetischen Flußlinien zunächst einen Verlauf nehmen, bei dem die magnetischen Kraftlinien von unter der Ionenzielflache bis zu den gewählten Oberflächen des Ionenziels erst mindestens 90° oder mehr umgelenkt werden müssen. Zweitens beträgt die magnetische Flußdichte der Flußlinien, die die gewählte Oberfläche des Ionenziels überqueren, etwa die Hälfte der aus der Magneteinrichtung verfügbaren Kraftlinien. Die von den Kraftlinien zwischen den Polen der Magneteinrichtung durchlaufene Bahn läßt sich als aus im wesentlichen gekrümmten Flußlinien bestehend kennzeichnen, obgleich bestimmte Teile der gekrümmten Bahn abschnittsweise gradlinig sein können.In magnetron sputtering systems, curved magnetic field lines must be used to build up the B field. In the The integrated sputtering arrangement described in US Pat. No. 4,155,825 generates the magnetic device magnetic fields which emerge from an underside of the ion target facing away from the selected surface. In operation they have to be off This magnetic device coming magnetic flux lines initially take a course in which the magnetic Lines of force from below the ion target surface to the selected ones Surfaces of the ion target must first be deflected at least 90 ° or more. Second is the magnetic one Flux density of the lines of flux crossing the chosen surface of the ion target is about half that of the off the magnetic device available lines of force. The one traversed by the lines of force between the poles of the magnetic device Path can be characterized as consisting of essentially curved lines of flow, albeit with certain parts the curved path can be rectilinear in sections.
In der vorliegenden Erfindung liegen die magnetischen Elemente zum Teil beabstandet gegenüber, wobei ein Pol - beispielsweise der N-PoI - auf einer Seite des lonenziels angeordnet und der entgegengesetzte Pol - beispielsweise der S-PoI zum anderen Pol gewandt liegt.In the present invention, the magnetic elements are partially spaced from each other, with a pole - for example the N-PoI - placed on one side of the ion target and the opposite pole - for example the S-PoI facing the other pole.
Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß die gesamte aus einem Magnetpol auf einem magnetischen Element austretende Flußdichte auf einer im wesent-A major advantage of the present invention is that the whole of a magnetic pole on a magnetic Element escaping flux density on an essentially
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lichen gradlinigen Bahn zu einem entgegengesetzten, auf ihn ausgerichteten und gegenüberliegenden Magnetpol läuft, so daß man im wesentlichen gradlinige Flußlinien erhält, die auf einer im wesentlichen gradlinigen Bahn zwischen zwei beabstandeten Magnetpolen verlaufen. Die' gesamte die gewählte Zieloberfläche überstreichende Flußdichte läßt sich also nutzen, um mit der gewählten Oberfläche des lonenziels und der elektronenhaltenden Einrichtung zusammen eine Plasmahülle zu bilden. Schwankungen der Flußdichte haben einen unmittelbaren und Signifikaten Effekt auf die Erosionsrate des Ionenziels.runs in a straight straight path to an opposite magnetic pole that is aligned with it and opposite one another, so that one obtains essentially straight lines of flow which lie on an essentially straight path between two spaced magnetic poles run. The 'total flux density sweeping over the selected target surface so use themselves to work with the selected surface of the ion target and the electron-holding device to form a plasma envelope. Flux density fluctuations have an immediate and significant effect on the Ion target erosion rate.
Ein Vorteil der integrierten Sputteranordnung nach der vorliegenden Erfindung ist, daß das E-FeId sich unabhängig vom B-Feld einstellen läßt und man sie unabhängig voneinander auf gewählte Zusammenhänge zwischen dem E- und dem B-Feld steuern kann.An advantage of the integrated sputtering arrangement of the present invention Invention is that the E field is independent from the B-field and you can adjust them independently of each other to selected relationships between the E and the B-field can control.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß, wenn das Ionenziel aus magnetischem Material besteht, die gradlinigen Flußlinien, die die Magnetelemente entwickeln, eine ausreichende Flußdichte haben, um den Effekt des vom Ziel erzeugten Magnetflusses auszugleichen, um die Zielerosion zu kontrollieren.Another advantage of the present invention is that when the ion target is made of magnetic material, the straight lines of flux which the magnetic elements develop have a sufficient flux density to achieve the effect of the vom Target generated magnetic flux to balance the target erosion to control.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß der gleiche Aufbau sich für ein nichtmagnetisches Zielmaterial verwenden läßt und man die Stärke der Magnetfelder an der Zieloberfläche präzise im Sinne einer gleichmäßigen schnellen Zielerosion steuern kann.Another advantage of the present invention is that the same structure applies to a non-magnetic target material can be used and the strength of the magnetic fields on the target surface precisely in the sense of a uniform can control fast target erosion.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß man in einer Triodensputteranordnung eine präzise Zielstrom-Another advantage of the present invention is that in a triode sputtering arrangement, a precise target current
dichte als Funktion der Feldstärke erreichen kann derart, daß eine kontrollierte Zunahme der Feldstärke eine höhere Sputterrate ergibt.density as a function of the field strength can be achieved in such a way that a controlled increase in the field strength results in a higher one Sputter rate results.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß die Triodensputteranordnung in Kombination mit einer Magneteinrichtung variabler Flußdichte und der Verwendung eines Elektronenemitters und eines Elektronenkollektors eine Plasmaionisierung mit sehr hohem Wirkungsgrad ergibt, wobei Primärelektronen aus dem Elektronenemitter in unmittelbarer Nähe der zu erodierenden Zielfläche gehalten werden können, um den Betriebswirkungsgrad zu erhöhen .Another advantage of the present invention is that the triode sputtering arrangement in combination with a magnet device variable flux density and the use of an electron emitter and an electron collector plasma ionization with very high efficiency results, with primary electrons from the electron emitter can be kept in the immediate vicinity of the target area to be eroded in order to increase the operating efficiency .
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß die gradlinige Magnetfelder verwendende Triodensputteranordnung angepaßt ist dem Einsatz in einem Gehäuse, dessen Seitenwandungen ein Potential annehmen können, das eine Funktion der Arbeitsparameter des Systems ist, während gleichzeitig die gradlinigen Flußlinien durch die Seitenwandungen des Gehäuses und auf der vorbestimmten Bahn 'über die Ionenzieloberflache laufen.Another advantage of the present invention is that the triode sputtering arrangement using rectilinear magnetic fields is adapted for use in a housing whose side walls can assume a potential that is a Function of the working parameters of the system is while at the same time the straight lines of flow through the side walls of the housing and on the predetermined path 'over the ion target surface.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß die Triodensputteranordnung nach der vorliegenden Erfindung erlaubt, das E-FeId unabhängig vom B-Feld zu variieren, so daß man einen breiten Bereich von Zusammenhängen zwischen der Stärke des Ε-Feldes und der des B-Feldes erzielen kann und ein eng eingefaßtes Plasma sowie hohe Plasmaionisierungswirkungsgrade erhält, obgleich der Zusammenhang zwischen dem E- und dem B-Feld höher ist als mit der Gl. (1) ausgedrückt.Another advantage of the present invention is that the triode sputtering arrangement according to the present invention allows the E field to be varied independently of the B field, so that a wide range of interrelationships can be found between the strength of the Ε-field and that of the B-field and a tightly enclosed plasma and high plasma ionization efficiencies received, although the connection between the E and the B field is higher than with the Gl. (1) expressed.
ft *ft *
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Fig. 1 ist eine Perspektivdarstellung einer integrierten Sputteranordnung nach der vorliegenden Erfindung;Fig. 1 is a perspective view of an integrated sputtering assembly according to the present invention Invention;
Fig. 2 1st eine schaubildliche Darstellung eines Ionenziels, an diesem angeordneter beabstandeter Magnetelemente, elektronenführender Mittel und einer magnetischen Koppeleinrichtung; Fig. 2 is a diagrammatic representation of an ion target, spaced apart from one another Magnetic elements, electron-guiding means and a magnetic coupling device;
Fig. 3 zeigt schaubildlich eine integrierte Sputteranordnung mit einem Ionenziel, der elektronenführenden Einrichtung, einem Magnetpolstück am Zielelement, an das Magnetpolstück angrenzend angeordnete Magnetelernente, sowie mit einem magnetischen Koppelstück zwischen den Magnetelementen;3 shows a diagram of an integrated sputtering arrangement with an ion target, the electron-carrying one Device, a magnetic pole piece on the target element, magnetic elements arranged adjacent to the magnetic pole piece, as well as with a magnetic coupling piece between the magnetic elements;
Fig. 4 zeigt von oben ein Ionenziel, eine elektronenführende Einrichtung und beabstandete Magnetelemente zur Erzeugung von im wesentlichen gradlinigen magnetischen Flußlinien;Fig. 4 shows from above an ion target, an electron-guiding device and spaced apart magnetic elements for generating essentially straight lines of magnetic flux;
Fig. 5 ist eine schaubildliche Darstellung eines magnetischen Ziels, einer elektronenführenden Einrichtung und beabstandeter magnetischer Elemente;Fig. 5 is a perspective view of a magnetic target, an electron carrying target Facility and spaced magnetic elements;
Fig. 6 ist eine schaubildliche Darstellung einer integrierten Triodensputteranordnung mit einem nichtmagnetischen Ionenziel, der elektronenführenden Einrichtung und beabstandeten Magnetelementen jFig. 6 is a perspective view of an integrated triode sputtering arrangement with a non-magnetic ion target, the electron conducting device and spaced apart Magnetic elements j
Fig. 7 ist eine schaubildliche Darstellung einer integrierten Triodensputteranordnung mit einem nichtmagnetischen Ziel, elektronenführenden Mitteln, beabstandeten Magnetelementen am Ziel und einem an der Ziel-Fig. 7 is a perspective view of an integrated triode sputtering arrangement with a non-magnetic target, electron guiding means, spaced apart magnetic elements at the destination and one at the destination
O * C · · O Ü 9 βO * C · · O Ü 9 β
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Unterseite angeordneten einzigen Stabmagnet ;Single bar magnet arranged on the underside;
Fig. 8 ist eine schaubildliche Darstellung einer integrierten Triodensputteranordnung mit nichtmagnetischem Ionenziel, elektronenführender Einrichtung und einer Vierpol-Magnetvorrichtung aus beabstandeten Magnetelementen, sowie einem zweiten und einem dritten Magnetelement , die unter dem nichtmagnetischen Ionenziel angeordnet sind; 8 is a perspective view of an integrated triode sputtering arrangement with non-magnetic ion target, electron-carrying device and a four-pole magnet device spaced apart magnetic elements and second and third magnetic elements disposed below the non-magnetic ion target;
Fig. 9 ist eine schaubildliche Darstellung einer integrierten Triodensputteranordnung mit einem magnetischen Ionenziel und der in Fig. 8 gezeigten Vierpol-Magnetvorrichtung;9 is a perspective view of an integrated triode sputtering arrangement with a magnetic ion target and the quadrupole magnetic device shown in Fig. 8;
Fig. 10 ist eine schaubildliche Darstellung einer integrierten Triodensputteranordnung mit einem kreisförmigen Ionenziel mit in das Ziel hineingerichtetem E-FeId, einer Elektronenquelle einer elektronenführenden Einrichtung, beabstandeten Magnetelementen, einer Spulenanordnung zur Beeinflussung der Stärke der von den Magnetelementen erzeugten gradlinigen magnetischen Flußlinien und einer Steuerung für die Spulenanordnung;Fig. 10 is a perspective view of an integrated triode sputtering arrangement with a circular ion target with an E field directed into the target, an electron source an electron-guiding device, spaced apart magnetic elements, a coil arrangement for influencing the Strength of the straight lines of magnetic flux generated by the magnetic elements and one Control for the coil assembly;
Fig. 11 ist eine schaubildliche Darstellung einer Triodensputteranordnung mit einem lonenziel mit gekrümmten Querschnitt als elektronenführende Einrichtung sowie beabstandeten Magnetelementen ;Figure 11 is a perspective view of a triode sputtering assembly with an ion target with a curved cross-section as an electron-carrying device and spaced apart magnet elements ;
Fig. 12 ist eine schaubildliche Darstellung einer Triodensputteranordnung mit einem lonenziel mit Ü-förmigem Querschnitt als elektronenführende Einrichtung sowie mit beabstandeten Magnetelementen; Figure 12 is a perspective view of a triode sputtering arrangement with an ion target with a U-shaped cross-section as an electron-carrying device and with spaced apart magnet elements;
Fig. 13 zeigt in Diagrammform das B-Feld als Funktion des Abstands von der Zieloberfläche für die Darstellungen der Fig. 5, 6, 8 und 9;13 shows in diagram form the B-field as a function of the distance from the target surface for the representations of FIGS. 5, 6, 8 and 9;
Fig. 14 ist ein Graph der Zielstromdichte (mA/cm2) als Funktion der B-Feldstärke (B) für eine Triodensputteranordnung mit beabstandeten Magnetelementen zur Erzeugung im wesentlichen gradlinier magnetischer Flußlinien zur präzisen Steuerung der Ionenzielerosion;14 is a graph of target current density (mA / cm 2 ) as a function of B field strength (B) for a triode sputtering arrangement having spaced apart magnet elements to produce substantially straight lines of magnetic flux for precise control of ion target erosion;
Fig. 15 ist eine schaubildliche Darstellung*einer integrierten mehrstufigen Triodensputteranordnung unter Verwendung der Lehre der vorliegenden Erfindung zum Aufsputtern von Schichten unterschiedlicher gewählter Ionenzielwerkstoffe auf einen Gegenstand; undFig. 15 is a perspective view of a integrated multi-stage triode sputtering arrangement using the teaching of present invention for sputtering Layers of different selected ion target materials on an object; and
Fig. 16 ist eine schaubildliche Darstellung einer mehrstufigen Vorrichtung mit einer Vielzahl von integrierten Triodensputteranordnungen als Sputterstationen zur Abscheidung einer Vielzahl von Sputterschichten unterschiedlicher Ionenzielwerkstoffe übereinander auf dem durchlaufenden langgestreckten Substratstreifen. 16 is a perspective view of a multi-stage apparatus having a plurality of integrated triode sputtering arrangements as sputtering stations for the deposition of a Large number of sputter layers of different ion target materials on top of one another the continuous elongated substrate strip.
Die Fig. 1 zeigt die Triodensputteranordnung allgemein mit dem Pfeil 20. Die integrierte Sputteranordnung weist Mittel auf, die ein Gehäuse bilden, das mit dem gestrichelten Rechteck 24 angedeutet ist und einen ersten Innenraum 28 sowie einen zweiten Innenraum 30 aufweist, der einem vorbestimmten Abstand vom ersten Innenraum 28 liegt. Das Gehäuse weist Mittel ferner auf, die eine -allgemein mit der gestrichelten Linie 32 gezeigte - vorbestimmte Bahn ausbilden, die zwischen dem ersten und dem zweiten Innenraum bzw. 30 verläuft.Fig. 1 shows the triode sputtering arrangement generally with the arrow 20. The integrated sputtering arrangement has means which form a housing, which is indicated by the dashed rectangle 24 and a first interior 28 as well has a second interior space 30 which is a predetermined distance from the first interior space 28. The case further comprises means which form a predetermined path, shown generally by the dashed line 32, which runs between the first and the second inner space or 30.
w β · 9 · * w β 9 *
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Das Gehäuse weist allgemein mit 36 bezeichnete Mittel auf, um im Innern der das Gehäuse bildenden Mittel 24 ein Ionenziel 4 0 aus mindestens einem gewählten Werkstoff zu haltern. Das Ionenziel 40 ist im Innern der gehäusebildenden Einrichtung 24 so angeordnet, daß es mit einer gewählten Oberfläche 44 an die vorbestimmte Bahn 32 angrenzt. Das Ionenziel 4 0 liegt zwischen den Innenräumen 28, 30 und bildet die untere Grenze für die vorbestimmte Bahn 32.The housing has means, indicated generally at 36, for an ion target inside the means 24 forming the housing 4 0 to be held from at least one selected material. The ion target 40 is inside the housing forming device 24 arranged so that it is adjacent to the predetermined path 32 with a selected surface 44. The ion target 4 0 lies between the interior spaces 28, 30 and forms the lower limit for the predetermined path 32.
In der bevorzugten Ausführungsform wird entlang der vorbestimmten Bahn 32 eine elektronenführende Einrichtung als eine Seite eines plasmaeinschließenden Raumes verwendet. In der Fig. 1 kann es sich bei der elektroneneinschließenden bzw. -führenden Einrichtung um die an der Kante des Ionenziels 40 gebildeten Wandungen der gehäusebildenden Einrichtung 24 handeln; Lage und Anordnung sind in Fig. 1 mit der gestrichelten Linie 38 angedeutet. Alternativ kann man dem Ionenziel 40 selbst eine solche Gestalt geben, daß seine einschließenden Seitenflächen die Plasmaeinschließung bewirkt. Dieser Punkt ist unten im Zusammenhang mit den Fig. 11 und 12 genauer ausgeführt.In the preferred embodiment, along the predetermined Track 32 uses an electron conducting device as one side of a plasma confining space. In Fig. 1, the electron confining or conducting device may be the one at the edge of the Act ion target 40 formed walls of the housing-forming device 24; The position and arrangement are shown in FIG. 1 indicated by the dashed line 38. Alternatively, the ion target 40 itself can be given such a shape that that its enclosing side surfaces cause the plasma confinement. This point is related below with FIGS. 11 and 12 detailed.
Mindestens die Halterung 36 oder das Ionenziel 40 weist also Mittel auf, um Elektronen an der gewählten Oberfläche des Ionenziels zu halten und zu führen. In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform stellen die gestrichelten Linien die seitlichen Innenwände eines Gehäuses dar. Im Betrieb wird das Gehäuse erdfrei gehalten. Daher nehmen die Gehäuseseitenwände eine Raumladung an, die mit dem Plasma zusammenwirkt unter Bildung einer Plasmaschicht, die im Effekt als dünne Sperrschicht zwischen dem Plasma und den Gehäuseseitenwänden wirkt, die die Seiten eines Einschließungsraums für das Plasma bilden.At least the holder 36 or the ion target 40 thus has means to electrons on the selected surface of the To hold and guide ion target. In the embodiment shown in FIG. 1, the dashed lines represent represent the lateral inner walls of a housing. During operation, the housing is kept floating. Therefore take the housing side walls a space charge, which interacts with the plasma to form a plasma layer, which in effect acts as a thin barrier between the plasma and the housing sidewalls that form the sides of an containment space for the plasma form.
»a »♦··»A» ♦ ··
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Wie weiterhin die Fig. 1 zeigt, befindet sich in einem der Innenräume - beispielsweise im Innenraum 28 - ein Elektronenemitter 50, im anderen Innenraum - beispielsweise dem Innenraum 30 - ein Elektrodenkollektor 56.As FIG. 1 also shows, an electron emitter is located in one of the interior spaces - for example in interior space 28 50, in the other interior - for example the interior 30 - an electrode collector 56.
Eine magnetische Vorrichtung ist allgemein entlang der vorbestimmten Bahn 32 angeordnet dargestellt und liegt in einem vorbestimmten Abstand zu gewählten Oberfläche 44 des Ionenziels 40, wie mit dem Abstand 62 angedeutet. In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform weist die magnetische Vorrichtung 60 langgestreckte Magnete leinen te 64 in Form von Stabmagneten einer erheblich größeren Länge als Breite auf. Die Magnetelemente 64 wirken mit dem Magnetpolstück 70 zusammen, das unter dem Ionenziel 40 liegt und den Südpol des Magnetelements mit dem Nordpol des anderen Magnetelements koppelt. Das Polstück 70 schließt den magnetischen Fluß unter dem lonenziel 40. Die aus den Magneten 64 austretenden Kraftflußlinien verlaufen also über die gewählte Oberfläche 44 und grenzen die vorbestimmte Bahn 32 nach oben ab. Die Magnetvorrichtung 60 erzeugt im wesentlichen gradlinige Kraftlinien, wie mit den Linien 80 angedeutet, bei denen es sich im wesentlichen sämtliche von den Magneten 64 erzeugten Kraftlinien handelt. Die Flußlinien verlaufen unmittelbar vom Südpol eines Magnetelements über die gewählte Oberfläche 44 des Ionenziels 40 zum Nordpol des anderen Magnetelements. Die Magnetvorrichtung 60 erzeugt ein B-Feld, in dem die Richtung, wie mit dera Pfeil 84 in Fig. 1 gezeigt, zum Südpol des Magneten 64 gerichtet ist und eine vorbestimmte Richtung relativ zum ersten Innenraum 28, zum zweiten Innenraum 30 und zur vorbestimmten Bahn 32 an der gewählten Oberfläche 44 des Ionenziels 40 hat. Die Magnetvorrichtung 60 erzeugt ein kontrolliertes magnetisches Flußfeld mit im wesentlichen gradlinigen Kraftlinien 40, deren magnetische Flußdichte anA magnetic device is shown disposed generally along predetermined path 32 and resides in FIG a predetermined distance from the selected surface 44 of the ion target 40, as indicated by the distance 62. In In the embodiment shown in FIG. 1, the magnetic device 60 has elongated magnets 64 in the form of bar magnets of a considerably greater length than width. The magnetic elements 64 interact with the magnetic pole piece 70, which lies below the ion target 40 and the south pole of the magnetic element with the north pole of the other magnetic element couples. The pole piece 70 closes the magnetic flux under the ion target 40. The from the Lines of force flux exiting magnets 64 thus run over the selected surface 44 and delimit the predetermined one Lane 32 upwards. The magnetic device 60 creates essentially straight lines of force, as with the Lines 80 indicated, which are essentially all lines of force generated by the magnets 64. The flux lines run directly from the south pole of a magnetic element via the selected surface 44 of the ion target 40 to the north pole of the other magnetic element. The magnetic device 60 generates a B-field in which the direction, as shown by the arrow 84 in FIG. 1, is towards the south pole of the magnet 64 is directed and a predetermined direction relative to the first interior space 28, to the second interior space 30 and to predetermined path 32 on the selected surface 44 of the ion target 40. The magnetic device 60 generates a controlled magnetic flux field with essentially straight lines of force 40, the magnetic flux density
der gewählten Oberfläche 44 mindestens einen gewählten Wert hat.the selected surface 44 has at least one selected value.
Ist die integrierte Triodensputteranordnung nach Fig. 1 in einem typischen Sputtersystem eingesetzt, erzeugt der Heizfaden bzw. der Elektronenemitter Elektronen in erheblicher Menge, die mit den Atomen eines ionisierbaren Gases kollidieren, so daß ein Plasma entsteht; dieser Mechanismus ist typisch für Triodensputteranordnungen.Is the integrated triode sputtering arrangement according to FIG When used in a typical sputtering system, the Filament or the electron emitter electrons in considerable quantities, which with the atoms of an ionizable gas collide to form a plasma; this mechanism is typical of triode sputtering arrangements.
Eine wesentliche Eigenschaft der integrierten Sputteranordnung der Fig. 1 ist der hohe Sputterwirkungsgrad infolge der geschlossenen Elektronenführung und der Plasmaeinschließung an der gewählten Oberfläche 44 des Ionenziels 40. Die gewählte Oberfläche 44 des Ionenziels 40, die elektronenführende Einrichtung (beispielsweise die Seitenwand 38 oder ein speziell geformtes Ionenziel mit den Seitenwänden 38 gleichwertigen Gestaltungselementen) und die im wesentlichen gradlinigen Flußlinien wirken also so zusammen, daß ein Plasmaeinschließungsraum entsteht, der ein Plasma an der gewählten Oberfläche hält, um das Ziel gleichmäßig zu erodieren.An essential property of the integrated sputtering arrangement of FIG. 1 is the high degree of sputtering efficiency as a result the closed electron guide and plasma confinement at the selected surface 44 of the ion target 40. The selected surface 44 of the ion target 40, the electron conducting device (e.g. the sidewall 38 or a specially shaped ion target with the side walls 38 equivalent design elements) and the essentially Straight lines of flow thus work together to create a plasma confinement space, which is a plasma holds on the chosen surface to erode the target evenly.
In der bevorzugten Ausführungsform läßt die integrierte Sputtereinrichtung 20 sich in einem evakuierten Gehäuse oder im Zusammenwirken mit einer Einschließung als Teil einer Vorrichtung zum Abscheiden einer dünnen Materialschicht auf einem Substrat durch Triodensputtern des Ionenzielwerkstoffs einsetzen.In the preferred embodiment, the integrated Sputtering device 20 resides in an evacuated housing or in cooperation with an enclosure as part of a Apparatus for depositing a thin layer of material on a substrate by triode sputtering the ion target material insert.
Die integrierte Sputteranordnung 20 läßt sich der Verwendung in oder im Zusammenwirken mit einem Gehäuse anpassen, wie es gestrichelt mit 100 angedeutet ist. In einem typi-The integrated sputtering arrangement 20 can be adapted for use in or in conjunction with a housing, as indicated by the dashed line 100. In a typical
sehen Triodensputtersystem erzeugt eine Evakuiereinrichtung (vergl. den Pfeil 104) ein Anfangsvakuum einer Höhesee triode sputtering system creates an evacuation device (cf. arrow 104) an initial vacuum of one level
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von 10 Torr oder mehr. Im Betrieb füllt man den evakuierten Raum mit einem ionisierbaren Gas zu einem Druck von etwa 1O~ Torr.of 10 Torr or more. In operation, the evacuated one is filled Room with an ionizable gas at a pressure of about 10 ~ Torr.
Die Einrichtung zum Zuführen eines ionisierbaren Gases an die Einschließung 100 - vergl. den Pfeil 106 - steht in Verbindung mit einer Quelle eines ionisierbaren Gases und führt dieses in das Innere der evakuierten Raumes 100. Ein typisches ionisierbares Gas für die Durchführung der vorliegenden Erfindung ist Argon.The means for supplying an ionizable gas to the enclosure 100 - see arrow 106 - is in communication with a source of an ionizable gas and leads this into the interior of the evacuated room 100. A typical one ionizable gas for the practice of the present invention is argon.
In einer typischen Vorrichtung ist eine Energie- bzw. Heizstromquelle - vergl. bei 110 - betrieblich an den Emitter 50 gelegt, eine Plasmaspannungsversorgung 112 zwischen den Elektronenemitter 50 und den Elektronenkollektor 56 gelegt und baut ein Potential zwischen ihnen auf. Der Elektronenemitter 50 und der Elektronenkollektor 56 erzeugen vom Elektronenemitter 50 zum Elektronenkollektor 56 einen Primärelektronenstrom ausreichend hoher Energie um das ionisierbare Gas aus der über den Anschluß 106 an das Gehäuse 100 gelegten Gasquelle zu ionisieren. Das ionisierbare Gas wird dabei entlang der vorbestimmten Bahn 32 an der gewählten Oberfläche 44 des lonenzlels 40 ionisiert und es entsteht eine Plasmaströmung entlang der vorbestimmten Bahn 32 innerhalb des Plasmaeinschließungsraumes, der nach unten durch die gewählte Oberfläche 44, seitlich von der elektronenführenden Einrichtung (beispielsweise den Wänden 3 8) und nach oben von den im wesentlichen gradlinigen magnetischen Kraftlinien 80 eingeschlossen wird.In a typical device there is a source of energy or heating current - See at 110 - operationally connected to the emitter 50, a plasma voltage supply 112 between the Electron emitter 50 and the electron collector 56 placed and builds up a potential between them. The electron emitter 50 and the electron collector 56 generate a primary electron flow from the electron emitter 50 to the electron collector 56 Sufficiently high energy to dissipate the ionizable gas from the connection 106 to the housing 100 placed gas source to ionize. The ionizable gas is along the predetermined path 32 on the selected The surface 44 of the ion cell 40 is ionized and it is formed a plasma flow along the predetermined path 32 within the plasma confinement space which is down through the selected surface 44, to the side of the electron-carrying device (e.g. walls 3 8) and is enclosed upward by the substantially rectilinear magnetic lines of force 80.
μ „ ο & 9 V μ " ο & 9 V
3212S793212S79
20 -20 -
Eine Einrichtung 114 ist vorgesehen, die eine negative Spannung an das Ionenziel legt, um positive geladene Ionen auszuziehen und zur gewählten Oberfläche 44 des Ionenziels 40 zu beschleunigen.A device 114 is provided which has a negative Applies voltage to the ion target to pull out positive charged ions and to the selected surface 44 of the ion target 40 speed.
Die gewählte Oberfläche 44 bildet die untere Grenze der Plasmaströmung, die Materialatome aus der gewählten Oberfläche 44 herauschlägt, so daß eine Atmosphäre aus gesputtertem Ionenzielmaterial entsteht; die Atome des Ionenzielmaterials werden auf einem Gegenstand oder Substrat abgeschieden. The selected surface 44 forms the lower limit of the plasma flow, the material atoms from the selected surface 44 knocks out creating an atmosphere of sputtered ion target material; the atoms of the ion target material are deposited on an object or substrate.
In der Fig. 1 ist die elektromotorische Kraft, die ein E-FeId bildet, mit dem Pfeil 116 gezeigt; die Richtung des Ε-Feldes aus der spannungserzeugenden Vorrichtung 114 verläuft rechtwinklig zu der vorbestimmten Richtung des B-Feldes 83 und in einer Richtung, daß der Vektor der Durchschnittsgeschwindigkeit (Vc) der Elektronenemitter 50 emittierten Elektronen entlang der vorbestimmten Bahn 32 an der Oberfläche 44 des Ionenziels 40 zum Elektronenkollektor 56 verläuft. In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform verläuft das E-FeId in die gewählte Oberfläche 44 des Ionenziels 40 hinein.In FIG. 1, the electromotive force which forms an E field is shown by arrow 116; the direction of the Ε field from the voltage generating device 114 is perpendicular to the predetermined direction of the B field 83 and in a direction that the vector of the average velocity (V c ) of the electron emitters 50 emitted electrons along the predetermined path 32 on the surface 44 of the ion target 40 to the electron collector 56 runs. In the embodiment shown in FIG. 1, the E field extends into the selected surface 44 of the ion target 40.
In einem typischen integrierten Triodensputtersystem kann es sich bei der Energiequelle 110 um eine Heizstromquelle mit 10 V/40 A bei 60 Hz handeln. Der Elektronenkollektor 56 ist elektrisch mit dem Elektronenkollektor 50 über die Plasmaspannungsversorgung 112 (beispielsweise 100 V/18A Gleichspannung) verbunden. Das Ionenziel 40 kann an eine Zielspannungsversorgung 114 angeschlossen sein, die -1000 V_ bei 3A liefert; die Zielspannungen lassen sich jedoch zwischen -50 bis -2000 V regelbar vorsehen.In a typical integrated triode sputtering system, the energy source 110 can be a heating current source act with 10 V / 40 A at 60 Hz. The electron collector 56 is electrically connected to the electron collector 50 via the plasma power supply 112 (e.g. 100 V / 18A DC voltage) tied together. The ion target 40 may be connected to a target voltage supply 114 that is -1000 V_ at 3A supplies; however, the target voltages can be set between -50 and -2000 V.
Die Fig. 2 zeigt eine Ansicht von demjenigen Ende der Anordnung her, an dem sich der Elektronenkollektor 56 befindet. Sie stellt eine Aufbauart der JMagneteinrichtung dar, die in einer integrierten Triodensputteranordnung mit einem Ionenziel 120, langgestreckten Magnetelementen 122 und einer elektronenführenden Einrichtung 128 verwendet ist. In der Ausführungsform der Fig. 2 sind die Magnetelemente 122 beabstandet vom Ionenziel 120 angeordnet? eine im wesentlichen gradlinige Flußlinie 126 verläuft durch die elektronenführende Einrichtung 128 von einem Nordpol N zu einem Südpol S. Ein magnetisches Polstück 124 ist vom anderen Pol des einen magnetischen Elements 122 zum anderen Pol des anderen Magnetelements 122 gelegt. Das magnetische Polstück 124 gewährleistet, daß die magnetischen Flußlinien nur über den Magnetelementen 122 und über der gewählten Oberfläche des Ionenziels 120 erscheinen. Die Richtungen des B- und des Ε-Feldes sind mit den mit B bzw. E bezeichneten Pfeilen angedeutet. V ist zum Elektronenkollektor 56 der Fig. 1 gerichtet gezeigt.FIG. 2 shows a view from that end of the arrangement at which the electron collector 56 is located. It represents a type of construction of the magnetic device, the elongated magnetic elements 122 in an integrated triode sputtering arrangement with an ion target 120 and an electron guiding device 128 is used is. In the embodiment of FIG. 2, the magnetic elements are 122 arranged at a distance from the ion target 120? a substantially straight line of flow 126 runs through the electron-carrying device 128 from a north pole N to a south pole S. A magnetic pole piece 124 is placed from the other pole of one magnetic element 122 to the other pole of the other magnetic element 122. That Magnetic pole piece 124 ensures that the magnetic flux lines only over the magnetic elements 122 and over of the selected surface of the ion target 120 appear. The directions of the B- and Ε-fields are identical to those marked with B and E indicated arrows. V is shown facing the electron collector 56 of FIG.
Die Fig. 4 zeigt ein Ionenziel aus magnetischem Material 144 in einer integrierten Triodensputteranordnung mit einer ebenen gewählten Oberfläche 146, einer elektronenführenden Einrichtung 152 und langgestreckten Magneten 150, deren axiale Länge etwa gleich der axialen Länge des Ionenziels 144 ist und die in vorbestimmtem Abstand von Ionenziel 144 liegen, wie in Fig. 4 gezeigt, wobei ein Teil der im wesentlichen gradlinigen Kraftlinien 154 die gewählte Oberfläche 146 überstreicht.4 shows an ion target made of magnetic material 144 in an integrated triode sputtering arrangement with a flat selected surface 146, an electron-guiding device 152 and elongated magnets 150, whose axial length is approximately equal to the axial length of the ion target 144 and that at a predetermined distance from the ion target 144 as shown in Fig. 4, with a portion of the substantially rectilinear lines of force 154 forming the selected surface 146 painted over.
In der Schnittdarstellung der Fig. 5 (mit den gleichen Elementen wie in Fig. 4) wird ein Teil der im wesentlichen gradlinigen Kraftlinien vom magnetischen Ionenzielmaterial 144 abgelenkt, das Magnetpole bildet, wie mit S und N an denIn the sectional view of FIG. 5 (with the same elements as in FIG. 4), a part of the essentially straight line Lines of force deflected by the magnetic ion target material 144, which forms magnetic poles, as with S and N on the
Kanten angedeutet; diese Pole sind den von den Magneten 150 gebildeten Magnetpolen zugewandt. Die Feldstärke der Magnetelemente in einer integrierten Triodensputteranordnung, wenn mit einem magnetischen lonenzielmaterial verwendet, muß also ausreichen, um den oberen Teil des Plasmaeinschließungsraumes auszubilden, da ein Teil des Flusses von einem magnetischen Ionenziel abgelenkt wird.Edges indicated; these poles face the magnetic poles formed by the magnets 150. The field strength of the Magnetic elements in an integrated triode sputtering arrangement when used with a magnetic ion target material must therefore be sufficient to form the upper part of the plasma confinement space as part of the flow is deflected by a magnetic ion target.
Die Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der Anordnung der Fig. 4 mit einem nichtmagnetischen Ionenziel 172, einer elektronenführenden Einrichtung 178 und den Magneten 174, die im wesentlichen gradlinige Kraftlinien erzeugen, von denen der größte Teil die gewählte Oberfläche 172 des Ionenziels 170 überstreicht. Die Magneten 174 können höher als das Ionenziel 170 liegen, so daß ein größerer Anteil der Flußlinien die gewählte Oberfläche 172 überstreicht.FIG. 6 shows an embodiment of the arrangement of FIG. 4 with a non-magnetic ion target 172, a electron-guiding device 178 and the magnet 174, which produce essentially straight lines of force, of most of which sweeps over the selected surface 172 of the ion target 170. The magnets 174 can be higher than the ion target 170 so that a greater proportion of the flux lines sweep over the selected surface 172.
Die Fig. 7 zeigt eine integrierte Triodensputteranordnung mit den gleichen Elementen wie in Fig. 6, wobei aus dem Ionenziel 180 Flußlinien austreten, die im wesentlichen gradlinige Kraftlinien bilden, die die gewählte Oberfläche 182 überstreichen. Zusätzlich zu den Magneten 174, die die Magnetvorrichtung bilden, weist die in Fig. 7 gezeigte Ausführungsform eine ergänzende Magneteinrichtung wie beispielsweise einen Magneten 186 an der Unterseite des Ionenziels 180 auf, dessen Pole zwischen denen der Magnetvorrichtung 174 liegen, so daß ein im wesentlichen gleichförmiges B-Feld über der gewählten Oberfläche 182 des Ionenziels 180 entsteht.FIG. 7 shows an integrated triode sputtering arrangement with the same elements as in FIG Ion target 180 flow lines emerge, which are essentially form straight lines of force that sweep over the selected surface 182. In addition to the magnets 174, which the Form magnetic device, the embodiment shown in Fig. 7 has a supplementary magnetic device such as a magnet 186 on the underside of the ion target 180 with its poles between those of the magnet device 174 so that a substantially uniform B-field over the selected surface 182 of the ion target 180 is created.
Die Fig. 8 und 9 zeigen eine weitere Ausführungsform einer integrierten Triodensputteranordnung mit einer Magnetvorrichtung aus den Magneten 194 sowie einer zweiten und einer8 and 9 show a further embodiment of an integrated triode sputtering arrangement with a magnetic device from the magnets 194 and a second and one
dritten Magneteinrichtung wie den Magneten 200, die beabstandet von den Magneten 194 angeordnet sind und deren Polspitzen an der Unterseite des Ionenziels liegen, bei dem es sich in Fig. 8 um ein nichtmagnetisches Ionenziel 190 und in der Fig. 9 um ein magnetisches Ionenziel 210 handelt. Die Magneten 200 sind magnetisch so orientiert, daß im Zusammenwirken mit den Flußlinien aus den Magneten 194 Flußlinien zwischen den Polspitzen der Magneten 200 und 194 verlaufen, um ein im wesentlichen gleichförmiges B-Feld über der gewählten Oberfläche des Ionenziels, d.h. der Oberfläche 192 in Fig. 8 bzw. der Oberfläche 212 in Fig. 9 auszubilden.third magnetic device such as the magnet 200, which are arranged at a distance from the magnets 194 and their pole tips are at the bottom of the ion target, which in FIG. 8 is a non-magnetic ion target 190 and 9 is a magnetic ion target 210. The magnets 200 are magnetically oriented so that in cooperation with the lines of flux from the magnets 194, lines of flux between the pole tips of the magnets 200 and 194 run to create a substantially uniform B-field over the selected surface of the ion target, i.e., the Surface 192 in FIG. 8 and surface 212 in FIG. 9 to train.
Der oben erläuterte Aufbau einer Magnetvorrichtung mit zweiten und dritten Magneten wird im allgemeinen als 4-Pol-Anordnung bezeichnet.The above-explained structure of a magnetic device with second and third magnet is commonly referred to as a 4-pole arrangement.
In der Fig. 8 überstreichen die im wesentlichen gradlinigen Flußlinien 196 die gewählte Oberfläche 192 des Ionenziels 190 und die aus den Magneten 200 austretenden Flußlinien addieren sich zu den Flußlinien 196, da das nichtmagnetische Ionenziel 190 keine Flußlinien ablenkt.In Fig. 8, the substantially straight lines of flux 196 sweep the selected surface 192 of the ion target 190 and the lines of flux emerging from the magnets 200 add up to the lines of flux 196, since the non-magnetic Ion target 190 does not deflect lines of flux.
In Fig. 9 überstreichen die im wesentlichen gradlinigen Flußlinien 196 die gewählte Oberfläche 212 des magnetischen Ionenziels 210. Ohne die Magneten 200 würden die Flußlinien 196 vom magnetischen Ionenziel 210 abgelenkt werden, wie in der Fig. 5 gezeigt. Bei einem 4-Pol-Aufbau erzeugen die Magneten 200 jedoch Kraftlinien, die die Verluste der im wesentlichen gradlinigen Kraftlinien 196 ausgleichen, so daß die resultierende Flußdichte hoch bleibt und eine wirkungsvolle Plasmaeinschließung resultiert.In Fig. 9, the essentially straight lines of flow sweep over 196 the selected surface 212 of the magnetic ion target 210. Without magnets 200, lines of flux would be 196 be deflected from the magnetic ion target 210, as shown in FIG. With a 4-pole construction, the magnets generate 200, however, lines of force which compensate for the losses of the essentially straight lines of force 196, so that the resulting flux density remains high and effective plasma containment results.
Die Fig. 10 zeigt eine Ausführungsform einer integrierten Triodensputteranordnung mit einstellbarer Stärke des B-Feldes.Fig. 10 shows an embodiment of an integrated Triode sputtering arrangement with adjustable strength of the B-field.
Das Ionenziel 220 ist kreisförmig ausgeführt; seine ebene gewählte Oberfläche 222 liegt in unmittelbarer Nähe eines Elektronenemitters 224 und eines Elektronenkollektors 226. Die elektronenführende Einrichtung ist mit den gestrichelten Rechtecken 250 angedeutet. Die Magnetvorrichtung enthält dabei eine Spulenanordnung 232, die betrieblich mit beabstandeten ferromagnetischen Elementen 230 gekoppelt ist, die entlang der vorbestimmten Bahn angeordnet sind, wobei sich das Ionenziel 220 zwischen ihnen befindet. Die Spulenanordnung 232 wird mit einem geregelten Strom aus der Stromquelle 236 gespeist, die Teil der Spulenanordnung 232 ist; infolge des Stromes verlaufen magnetische Kraftlinien zwischen den ferromagnetischen Elementen 230. Die Spulenanordnung verändert die magnetischen Eigenschaften der ferromagnetischen Elemente 23 0, so daß die über die gewählten Oberfläche 222 des Ionenziels 22 0 verlaufenden Kraftlinien sich ebenfalls ändern. Die Spulenanordnung 232 spricht auf ein Steuersignal an, um die aus der Magnetvorrichtung austretenden und über die gewählte Oberfläche 22 eines Ionenziels 220 verlaufenden magnetischen Kraftlinien zu variieren, so daß sich die Stärke des dort vorliegenden B-Felds verstellen läßt.The ion target 220 is circular; its chosen flat surface 222 is in the immediate vicinity Proximity of an electron emitter 224 and an electron collector 226. The electron-carrying device is with indicated by the dashed rectangles 250. The magnetic device contains a coil arrangement 232, the operational with spaced ferromagnetic elements 230 is coupled, which are arranged along the predetermined path with the ion target 220 between them is located. The coil assembly 232 is supplied with a regulated current from the power source 236, which is part of the coil assembly 232 is; As a result of the current, magnetic lines of force run between the ferromagnetic elements 230. The coil arrangement changes the magnetic properties of the ferromagnetic elements 23 0, so that the lines of force running over the selected surface 222 of the ion target 220 also change. The coil arrangement 232 responds to a control signal to the emerging from the magnetic device and over the selected Surface 22 of an ion target 220 to vary the magnetic lines of force extending so that the strength of the existing B-field can be adjusted.
Eine Steuerung 242 ist über die Stromquelle 246 betrieblich an die Spulenanordnung 232 angeschlossen und legt ein Steuersignal an, mit dem die Stärke des B-Felds auf der gewählten Oberfläche 222 des Ionenziels 220 gesteuert wird. Die Richtung des in das Ionenziel 220 hinein verlaufenden E-FeIds ist mit dem Pfeil 252 angedeutet.A controller 242 operates through power source 246 connected to the coil arrangement 232 and applies a control signal with which the strength of the B-field on the selected Surface 222 of ion target 220 is controlled. The direction of the E field going into ion target 220 is indicated by the arrow 252.
Die Fig. 11 zeigt ein vorgeformtes Ionenziel 260 mit der gewählten Oberfläche 262 in gekrümmter Kontur, damit das Ionenziel selbst als elektronenführende Einrichtuna wirkenFigure 11 shows a preformed ion target 260 having the selected surface 262 in a curved contour so that the ion target itself act as an electron-guiding device
und Seiten des Plasmaeinschließungsraums bilden kann. Im wesentlichen gradlinige Flußlinien 266 treten aus der Magnetvorrichtung 264 aus, die das B-Feld erzeugt. Das resultierende E-FeId (Pfeil 268) verläuft im wesentlichen rechtwinklig zu der gewählten Oberfläche 262 und immer quer zum B-Feld; dies ist die zur Elektroneneinschließung zu erfüllende Bedingung.and may form sides of the plasma containment space. Substantially straight lines of flux 266 emerge from the magnet assembly 264, which generates the B-field. The resulting E field (arrow 268) runs essentially at right angles to the selected surface 262 and always across the B-field; this is the one to be met for electron confinement Condition.
Die Fig. 12 zeigt den gleichen Aufbau mit einem im U-Profil ausgeführten Ionenziel 270 mit einer gewählten Oberfläche 272. Das Ionenziel 270 hat die Seitenelemente 276. Das E-FeId (Pfeil 268) verläuft an der Seitenwand 276 nicht quer zum B-Feld; die Elektronen und das Plasma werden dennoch eingeschlossen. Möglicherweise wird ein Teil der Seitenwand 276 kontrollierbar erodiert.Fig. 12 shows the same structure with a U-profile executed ion target 270 with a selected surface 272. The ion target 270 has the side elements 276. The E field (arrow 268) does not run on side wall 276 across the B-field; the electrons and the plasma are still trapped. Possibly becomes part of the side wall 276 controllably eroded.
Die Fig. 13 zeigt in Diagrammform das B-Feld in Gauss als Funktion des Abstands von der gewählten Oberfläche eines Ionenziels nach Fig. 5 mit der Kurve 270, eines Ionenziels nach Fig. 6 mit der Kurve 272, eines Ionenziels nach Fig. mit der Kurve 274 und eines Ionenziels nach Fig. 9 mit der Kurve 276.13 shows in diagram form the B-field in Gauss as Function of the distance from the selected surface of an ion target according to FIG. 5 with curve 270, an ion target 6 with the curve 272, an ion target according to FIG. With the curve 274 and an ion target according to FIG. 9 with the Curve 276.
Die Kurve 270 zeigt, daß ein magnetisches Ionenziel das verfügbare B-Feld erheblich abschwächt, die Kurve 272, daß ein nichtmagnetisches Ionenziel das B-Feld nicht abschwächt. Für die 4-Pol-Magnetanordnung der Fig. 8 und 9 zeigen die Kurven 274, 276, daß ein magnetisches Ionenziel das B-Feld nur geringfügig abschwächt.Curve 270 shows that a magnetic ion target is the available one B-field significantly attenuates, curve 272 that a non-magnetic ion target does not attenuate the B-field. For the 4-pole magnet arrangement of FIGS. 8 and 9, curves 274, 276 show that a magnetic ion target is the B field weakens only slightly.
Die Fig. 14 ist ein Graph des B-Feldes in Gauss als Funktion der Zielstromdichte in mA/cm2. Da man eine vollständigFigure 14 is a graph of the B-field in Gauss as a function of the target current density in mA / cm 2 . Since you have a completely
Plasmaeinschließung durch die im wesentlichen gradlinigen Kraftlinien erhält, läßt die Erosion des Ionenziels sich präzise kontrollieren. Man erhält so eine integrierte Triodensputtereinrichtung mit Stromdichten, die um mehrere Größenordnungen höher als bei bekannten Anordnungen liegen, Zusätzlich ist eine gleichmäßige und kontrollierte Ionenzielerosion möglich.Plasma confinement is obtained by the essentially straight lines of force, the erosion of the ion target disappears precisely control. This gives an integrated triode sputtering device with current densities of several Orders of magnitude higher than with known arrangements, in addition, is a uniform and controlled ion target erosion possible.
Die Fig. 15 zeigt eine mehrstufige integrierte Sputteranordnung 300 mit einer Einrichtung 308, die eine Vielzahl von Sputterstufen mit jeweils einem lonenziel 302 und einer elektronenführenden Einrichtung 306 lagert, und mit Mitteln, die eine Vielzahl von unabhängigen beabstandeten parallelen vorbestimmten Bahnen bilden, von denen jeweils eine durch jede Sputterstufe verläuft. Die Anordnung enthält eine Vielzahl von Einrichtungen zur Lagerung der lonenziele 302 in jeder der Sputterstufen entlang der diesen zugeordneten vorbestimmten Bahnen. Jedes der lonenziele 302 ist aus mindestens einem gewählten Material ausgebildet und so angeordnet, daß eine gewählte Oberfläche des Ionenziels an die zugehörige vorbestimmte Bahn angrenzt, die über die zugehörige Sputterstufe so verläuft, daß die gewählte Oberfläche jedes Ionenziels die zugehörige vorbestimmte Bahn nach unten abschließt. Hinsichtlich des Aufbaus weist mindestens die Halterung oder das zugehörige Ionenziel jeder der Vielzahl von Halterungen und Ionenziele 302 Mittel zum Führen von Elektronen auf, wie mit der gestrichelten Linie 306 an der zugehörigen gewählten Zieloberfläche gezeigt. Die Anordnung weist weiterhin in jeder der oben beschriebenen Sputterstufen Mittel zum Emittieren und Auffangen von Elektronen auf.Fig. 15 shows a multi-stage integrated sputtering arrangement 300 with a device 308 which has a plurality of sputtering stages, each with an ion target 302 and an electron guiding device 306, and with means having a plurality of independent spaced apart form parallel predetermined paths, one of which runs through each sputtering stage. The order includes a variety of facilities for storing the ion targets 302 in each of the sputtering stages along the predetermined paths assigned to them. Each of the ion targets 302 is selected from at least one Material formed and arranged so that a selected surface of the ion target to the associated predetermined Adjacent path that runs over the associated sputtering stage so that the selected surface each Ion target completes the associated predetermined path downwards. With regard to the structure, at least the Bracket or the associated ion target of each of the plurality of brackets and ion targets 302 means for guiding Electrons as shown by dashed line 306 on the associated selected target surface. The order further comprises means for emitting and collecting electrons in each of the sputtering stages described above on.
Die Magnetelemente 304 sind entlang jedes der vorbestimmten Bahnen in vorbestimmtem Abstand von den gewählten Ober-The magnetic elements 304 are along each of the predetermined paths at a predetermined distance from the selected upper
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fläche des jeweiligen Ionenziels 302 angeordnet, wobei der Fluß mit im wesentlichen gradlinigen Kraftlinien über jeden der vorbestimmten Bahnen verläuft, so daß sich ein magnetisches Flußfeld ergibt, das an der gewählten Oberfläche jedes Ionenziels mindestens eine gewählte Flußdichte aufweist. In dieser Ausführungsform wirkt die Halterung 308 auch als Polstück für die Magnetronquellen. Die Plasmaeinschließungshüllen entstehen, wie oben beschrieben.Surface of the respective ion target 302 arranged, the flow with essentially straight lines of force over each of the predetermined orbits extends, so that there is a magnetic flux field on the selected surface each ion target has at least one selected flux density. In this embodiment, the bracket 308 acts also as a pole piece for the magnetron sources. The plasma containment shells are formed as described above.
Die mehrstufige Anordnung 300 ist einsetzbar für das Beschichten von Gegenständen wie beispielsweise Substraten, scheibenförmigen Gegenständen und Streifenmaterialien. Die Fig. 15 zeigt einen Streifen 312, der von der Rolle 314 abgezogen und auf der Bahn 318 an den Sputterstufen vorbeigeführt wird, wo die der Vorrichtung 300 zugewandte Seite Schichten aus verschiedenen Sputtermaterxalien erhält; die Spule 317 nimmt das beschichtete Streifenmaterial auf.The multi-level arrangement 300 can be used for coating objects such as substrates, disc-shaped objects and strip materials. FIG. 15 shows a strip 312 which is produced by the roll 314 is withdrawn and guided past the sputtering stages on the path 318, where the side facing the device 300 Receives layers from different sputtering materials; the spool 317 receives the coated strip material.
Die Fig. 16 zeigt schaubildlich ein Element 330, das in der Richtung des Pfeils 331 an vier Sputterstufen 332, 334, 336, 338 vorbeigeführt wird, in denen es mit den Materialschichten 350, 352, 354 bzw. 356 versehen wird.16 shows a diagrammatic view of an element 330 which, in the direction of the arrow 331, is attached to four sputtering stages 332, 334, 336, 338 is passed, in which it is with the layers of material 350, 352, 354 and 356 respectively.
Die hier erläuterte integrierte Sputteranordnung läßt sich in einem Verfahren verwenden, um die Geschwindigkeit zu steuern, mit der das Ionenzielmaterial von einer gewählten Oberfläche des Ionenziels in einer Triodensputteranordnung abgenommen werden kann, in der in der Nähe der gewählten Oberfläche des Ionenziels ein Plasma durch Elektronen ausgebildet wird, die entlang einer vorbestimmten Bahn unmittelbar an der gewählten Oberfläche von einer Kathode zu einer Anode fliegen und dabei mit einem ionisierbaren Gas kollidieren und es ionisieren, wobei geladene Ionen entstehen, die Atome aus dem Ionenziel herauschlagen. HierzuThe integrated sputtering arrangement explained here can be used in a method to increase the speed control the ion target material from a selected surface of the ion target in a triode sputtering arrangement can be seen in which a plasma is formed by electrons in the vicinity of the selected surface of the ion target is directed along a predetermined path directly to the selected surface from a cathode fly an anode and collide with an ionizable gas and ionize it, creating charged ions, knock the atoms out of the ion target. For this
erzeugt man mit einer entlang der vorbestimmten Bahn in vorbestimmtem Abstand von der gewählten Oberfläche des Ionenziels angeordneten Magnetvorrichtung im wesentlichen gradlinige Magnetflußlinien, die ein B-Feld bilden, das an der gewählten Oberfläche eine vorbestimmte Richtung relativ zu der vorbestimmten Bahn hat, die Elektronen an der gewählten Oberfläche des lonenziels mit einer elektronenführenden Einrichtung einschließt und mit einer zwischen das Ionenziel und Masse gelegten spannungsabgebenden Einrichtung eine elektromotorische Kraft und damit ein E-FeId erzeugt, das rechtwinklig zu der vorbestimmten Richtung des B-Felds und so verläuft, daß der aus dem Elektronenemitter kommende Elektronenstrom entlang der vorbestimmten iahn und an der gewählten Oberfläche des Ionenziels zu |inem Elektronenkollektor geführt wird. Zusätzliche Verfahrensschritte lassen sich den oben ausgeführten hinzufügen.is generated with a along the predetermined path at a predetermined distance from the selected surface of the Ion target arranged magnetic device essentially straight lines of magnetic flux that form a B-field, the on the selected surface has a predetermined direction relative to the predetermined path, the electrons on the selected surface of the ion target with an electron-carrying one Device includes and with a voltage donor placed between the ion target and mass Device generates an electromotive force and thus an E-field which is perpendicular to the predetermined Direction of the B field and extends so that the electron flow coming from the electron emitter along the predetermined iahn and on the selected surface of the ion target is guided to an electron collector. Additional Process steps can be added to those outlined above.
Weiterhin ist ein Verfahren zur Ausbildung einer dünnen Materialschicht auf einem Gegenstand in einer Sputterzone offenbart, indem man ein Ionenziel aus mindestens einem gewählten Material in der Sputterzone in einer vorbestimmten Entfernung vom Gegenstand so anordnet, daß die gewählte Oberfläche eines Ionenziels die untere Grenze einer vorbestimmten Bahn bildet, die über die gewählte Oberfläche des Ionenziels verläuft, entlang der vorbestimmten Bahn zwischen dem Gegenstand und der gewählten Oberfläche des Ionenziels einen Elektronenstrom ausbildet, der von einem Elektronesiemitter zu einem Elektronenkollektor fließt und Elektronen mit einer elektronenführenden Einrichtung .an der gewählten Fläche des Ionenziels hält, entlang der vorbestimmten Bahn in vorbestimmtem Abstand von der gewählten Oberfläche des Ionenziels eine Magnetvorrichtung anordnet,Furthermore, there is a method of forming a thin layer of material on an object in a sputtering zone disclosed by having an ion target of at least one selected material in the sputtering zone in a predetermined Distance from the object arranged so that the selected surface of an ion target is the lower limit of a predetermined Forms path running over the selected surface of the ion target along the predetermined path between the object and the selected surface of the ion target forms a stream of electrons that is generated by a Electronesiemitter flows to an electron collector and electrons with an electron-conducting device .an the selected area of the ion target along the predetermined path at a predetermined distance from the selected one Placing a magnetic device on the surface of the ion target,
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die im wesentlichen gradlinig verlaufende magnetische Flußlinie erzeugt, die ein B-Feld definieren, das eine vorbestimmte Richtung relativ zu der vorbestimmten Bahn einnimmt und an der gewählten Oberfläche verläuft, und eine Spannung zwischen das Ionenziel und Masse legt, um eine elektromotorische Kraft und damit ein E-FeId zu erzeugen, das rechtwinklig zum vorbestimmten B-Feld und in einer Richtung verläuft, um den Strom der Elektronen aus dem Elektronenemitter zum Elektronenkollektor auf der vorbestimmten" Bahn über die gewählte Oberfläche des Ionenziels zu führen, wobei die gewählte Oberfläche des Ionenziels, die elektronenführende Einrichtung und die im wesentlichen gradlinigen Flußlinien eine Plasmaeinschließungshülle bilden, die ein Plasma an der gewählten Oberfläche einschließt und hält, um eine kontrollierte gleichmäßige Zielerosion zu erreichen .the substantially rectilinear magnetic flux line generated defining a B-field that has a predetermined Direction relative to the predetermined path and runs on the selected surface, and a tension between the ion target and mass in order to generate an electromotive force and thus an electric field that is at right angles to the predetermined B-field and runs in a direction to the flow of electrons from the electron emitter to the electron collector on the predetermined "path over the selected surface of the ion target, wherein the selected surface of the ion target, the electron-carrying device and the essentially straight lines of flux form a plasma confinement sheath that confines and holds a plasma around a selected surface to achieve controlled uniform target erosion.
Die integrierte Sputteranordnung nach der vorliegenden Erfindung hat ihren Nutzen auf zahlreichen Gebieten der Technik. Sputtersysteme mit der Vorrichtung und nach dem Verfahren der vorliegenden Offenbarung lassen sich in der Forschung und Entwicklung und in der Herstellung elektronischer Bauteile, beim Beschichten von Gegenständen, Substraten und Dünnschichtwandlern, zum Beschichten von Magnetbändern und -platten und zum Auftragen von Dünnschichten auf Substrate einsetzen. Das Ionenzielmaterial kann ein gewähltes Material oder eine Legierung sein und seine Erosionsrate läßt sich mit voraussagbarer Arbeitskennlinie präzise kontrollieren.The integrated sputtering arrangement of the present invention has utility in numerous areas of technology. Sputtering systems using the apparatus and method of the present disclosure can be used in research and in the development and manufacture of electronic components, in the coating of objects, substrates and Thin film converters, for coating magnetic tapes and disks and for applying thin films to substrates insert. The ion target material can be a selected material or alloy and its rate of erosion can be determined precisely control with a predictable working characteristic.
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