DE102010007515A1

DE102010007515A1 - Operating a large-scale cathode for a magnetron sputtering within a vacuum chamber, where the cathode includes a target, comprises producing a magnetic field by a device, and dividing the target into two partial targets

Info

Publication number: DE102010007515A1
Application number: DE201010007515
Authority: DE
Inventors: Roman 01129 Nyderle; Torsten Dr. 01731 Kopte
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2010-02-11
Filing date: 2010-02-11
Publication date: 2011-08-11

Abstract

The method for operating a large-scale cathode (1) for a magnetron sputtering within a vacuum chamber, where the cathode includes a target, comprises producing a magnetic field by a device (2), where the magnetic field is enclosed itself on the surface of the target in a circular manner and is formed in a tunnel-shaped manner, dividing the target into two partial targets (3a, 3b, 3c) electrically insulatably formed from each other, and supplying the partial targets with an electrical energy separately from each other using power supply device (6). The method for operating a large-scale cathode (1) for a magnetron sputtering within a vacuum chamber, where the cathode includes a target, comprises producing a magnetic field by a device (2), where the magnetic field is enclosed itself on the surface of the target in a circular manner and is formed in a tunnel-shaped manner, dividing the target into two partial targets (3a, 3b, 3c) electrically insulatably formed from each other, supplying the partial targets with an electrical energy separately from each other using power supply device (6), and extending a portion of the circular magnetic field on the surface of each partial target. The separate power supply device is assigned to each of the two partial targets, which are supplied with electrical energy simultaneously or sequentially by the power supply device. The target is formed as rectangular target, where a separate line between the two adjacent partial targets is implemented transverse to the circular magnetic field. The target is formed as circular target or annular target, where the partial targets are formed as circular segment in the circular target or as annular segment of the target in the annular target. The two adjacent partial targets are spaced from each other by a gap, where the gap is formed as a concealed gap. A separate anode is assigned to the partial targets. In the process, high power impulse magnetron sputtering is carried out. The partial target is applied with a DC voltage, which is temporarily superimposed with high power impulse magnetron sputtering-pulses.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer großflächigen Kathode, die Bestandteil einer Vorrichtung zum Magnetron-Sputtern ist und mittels der insbesondere auch Plasmaprozesse mit hohem Ionisierungsgrad durchführbar sind.The invention relates to a method for operating a large-area cathode, which is part of a device for magnetron sputtering and by means of which in particular plasma processes with a high degree of ionization can be carried out.

Stand der TechnikState of the art

Das Magnetron-Sputtern gehört zu den mit am weitesten verbreiteten Verfahren der Vakuumbeschichtung, um dünne Schichten aus Metallen, Legierungen und chemischen Verbindungen abzuscheiden. Im Falle der Zerstäubung elektrisch leitfähiger Materialien wird dazu oftmals eine Gleichstromentladung erzeugt, wobei über einer Magnetron-Targetoberfläche Leistungsdichten von maximal 50 W/cm² erzielt werden. Bei dielektrischen Materialien wird durch RF-Entladungen das Zerstäuben des Materials, das in Form eines sog. Targets vorliegt, erreicht. Hierbei werden über einer Magnetron-Targetoberfläche Leistungsdichten um die 10 bis 20 W/cm² erzielt. Besonders hohe Abscheideraten für das Beschichten von Substraten mit chemischen Verbindungen werden durch reaktives Sputtern eines elektrisch leitfähigen Targets in einem Inertgas-Reaktivgas-Gemisch erreicht. Um auch elektrisch nichtleitende Materialien mit hoher Abscheiderate auf Substrate aufzubringen, wurde das reaktive Sputtern mit mittelfrequent gepulsten Entladungen in die Beschichtungstechnik eingeführt. [ S. Schiller, K. Goedicke, J. Reschke, V. Kirchhoff, S. Schneider, F. Milde: Pulsed magnetron sputter technology, Surf. Coat. Technol. 61 (1993) 331–337 ].Magnetron sputtering is one of the most widely used methods of vacuum deposition to deposit thin layers of metals, alloys and chemical compounds. In the case of the sputtering of electrically conductive materials, a direct current discharge is often produced, with power densities of up to 50 W / cm ^{2 being} achieved over a magnetron target surface. In dielectric materials, sputtering of the material in the form of a so-called target is achieved by RF discharges. In this case, power densities of about 10 to 20 W / cm ^{2 are} achieved over a magnetron target surface. Particularly high deposition rates for coating substrates with chemical compounds are achieved by reactive sputtering of an electrically conductive target in an inert gas / reactive gas mixture. In order to also apply electrically nonconducting materials with high deposition rate to substrates, reactive sputtering with medium-frequency pulsed discharges was introduced into the coating technique. [ S. Schiller, K. Goedicke, J. Reschke, V. Kirchhoff, S. Schneider, F. Milde: Pulsed magnetron sputter technology, Surf. Coat. Technol. 61 (1993) 331-337 ].

Es gibt Vakuumbeschichtungsverfahren, wie z. B. das Vakuumbogenverdampfen (arc evaporation) oder das Laser-Beschichten (laser ablation deposition), die verfahrensimmanent einen hohen Ionisierungsgrad und damit eine wirkungsvolle Steuerbarkeit des Kondensationsprozesses durch ionengestützte Prozessführung ermöglichen. Beim Magnetron-Sputtern ist dagegen der Ionisierungsgrad und damit das Potential zur Verbesserung von Schichteigenschaften begrenzt. Die Begründung liegt im Mechanismus der Magnetron-Entladung selbst, der eine hohe Plasmadichte in unmittelbarer Nähe der Kathode, d. h. des Targets, durch ein speziell geformtes Magnetfeld beinhaltet. Dabei ist die hinter dem als Kathode geschalteten Target angeordnete Magnetfeld erzeugende Einrichtung meist derart ausgebildet, dass sich auf der Targetoberfläche ein in sich geschlossenes (also ringförmiges) und tunnelförmiges Magnetfeld ausbildet. Die Ladungsträgerdichte im Bereich des zu beschichtenden Substrates ist dagegen größenordnungsmäßig geringer und liegt maximal im Prozentbereich, bezogen auf die Ladungsträgerdichte vor der Kathode. Es ist meist nicht möglich, angestrebte Verbesserungen der Schichteigenschaften bei zu geringer Plasmadichte im Bereich des Substrates dadurch zu erreichen, dass die Vorspannung am Substrat gegenüber dem Plasmapotential vergrößert wird. Die höhere Teilchenenergie führt zu veränderten Elementarprozessen während des Kondensationsprozesses, zum Beispiel zur Besetzung von Zwischengitterplätzen, massiven Strukturdefekten oder Änderung der Schichtzusammensetzung im Falle von Schichten aus chemischen Verbindungen.There are vacuum coating methods, such as. Example, the vacuum arc evaporation (arc evaporation) or the laser coating (laser ablation deposition), the procedure inherent allow a high degree of ionization and thus an effective controllability of the condensation process by ion-based process control. In the case of magnetron sputtering, on the other hand, the degree of ionization and thus the potential for improving layer properties is limited. The reason lies in the mechanism of the magnetron discharge itself, which has a high plasma density in the immediate vicinity of the cathode, d. H. of the target, through a specially shaped magnetic field. In this case, the magnetic field generating device arranged behind the target connected as the cathode is usually designed such that a self-contained (ie annular) and tunnel-shaped magnetic field is formed on the target surface. The charge carrier density in the region of the substrate to be coated, on the other hand, is lower in magnitude and is at most in the percent range, based on the charge carrier density in front of the cathode. It is usually not possible to achieve desired improvements in the layer properties at low plasma density in the region of the substrate in that the bias voltage at the substrate is increased compared to the plasma potential. The higher particle energy leads to altered elemental processes during the condensation process, for example, for occupation of interstitial sites, massive structural defects or changes in the layer composition in the case of layers of chemical compounds.

Es sind deshalb unterschiedliche Methoden und Einrichtungen zum Zerstäuben vorgeschlagen worden, um eine Verbesserung des plasmaaktivierten Sputterns zu erreichen. So ist es bekannt, für Zerstäubungseinrichtungen entsprechend dem Magnetron-Prinzip zusätzliche magnetfelderzeugende Spulen oder Permanentmagnete zu verwenden, die ein Magnetfeld erzeugen, welches dem Magnetron-Magnetfeld überlagert wird und Feldlinien in Richtung der Verbindungslinie vom Target zum Substrat aufweist. Aus der großen Zahl derartiger Anordnungen sei beispielhaft Wang [ J. Wang, Y.-H. Yu, S. C. Lee, Y.-W. Chung: Tribological and optical properties of crystalline and amorphous alumina thin films grown by low-temperature reactive magnetron sputtering, Surf. Coat. Technol. 146–147 (2001) 189–194 ] genannt. Die Zusatz-Magnetfelder haben die Form eines Helmholtz-Feldes oder wirken als Solenoid-Spulen in Substratnähe und gegebenenfalls zusätzlich im Bereich des Targets.Various methods and devices for sputtering have therefore been proposed in order to achieve an improvement of the plasma-activated sputtering. Thus, it is known to use for sputtering devices according to the magnetron principle additional magnetic field generating coils or permanent magnets which generate a magnetic field which is superimposed on the magnetron magnetic field and having field lines in the direction of the connecting line from the target to the substrate. From the large number of such arrangements, Wang [ J. Wang, Y.-H. Yu, SC Lee, Y.-W. Chung: Sputtering, Tribological and optical properties of crystalline and amorphous alumina thin films grown by low-temperature reactive magnetron. Coat. Technol. 146-147 (2001) 189-194 ] called. The additional magnetic fields have the shape of a Helmholtz field or act as a solenoid coil near the substrate and optionally in addition to the target.

Andere Anordnungen von Magnetpolen oder Spulen sollen auf der gesamten Wand des Rezipienten eine Region höherer Plasmadichte erzeugen. Beispielhaft hierfür sind sog. Closed-Field-Anordnungen [ D. G. Teer: A Magnetron Sputter Ion Plating System, Surf. Coat. Technol. 36 (1988) 901–907 ]. Trotz eines teilweise hohen apparativen Aufwandes sind die erreichbaren Werte für die Plasmadichte in Substratnähe und somit der extrahierbare Ladungsträgerstrom am Substrat auf wenige Prozent des Entladungsstromes begrenzt.Other arrangements of magnetic poles or coils should produce a region of higher plasma density on the entire wall of the recipient. Examples of this are so-called closed-field arrangements [ DG Tar: A Magnetron Sputter Ion Plating System, Surf. Coat. Technol. 36 (1988) 901-907 ]. Despite a partially high expenditure on equipment, the achievable values for the plasma density near the substrate and thus the extractable carrier current at the substrate are limited to a few percent of the discharge current.

Um den Ionisierungsgrad zu erhöhen, kann einem Plasma auch induktiv eingekoppelte Energie zugeführt werden. Dazu dienen z. B. Induktionsspulen außerhalb des Rezipienten oder im Inneren des Rezipienten im Bereich der Wandungen und Hochfrequenz-Generatoren mit den erforderlichen Anpass-Netzwerken. Auch solche Einrichtungen, wie sie z. B. in US 6,187,151 und US 6,350,353 vorgeschlagen werden, sind technisch aufwändig und stellen für größere Substratausdehnungen und hohe Leistungen eine erhebliche Komplizierung und Verteuerung der Zerstäubungseinrichtung dar.In order to increase the degree of ionization, inductively coupled-in energy can also be supplied to a plasma. Serve z. As induction coils outside the recipient or inside the recipient in the field of walls and high-frequency generators with the necessary matching networks. Also, such facilities, as z. In US 6,187,151 and US 6,350,353 are proposed, are technically complex and represent for larger substrate expansions and high performance is a significant complication and increase the cost of the atomizer.

Das gepulste Einspeisen von Energie in eine Magnetron-Entladung ( DD 252 205 ; DE 37 00 633 C1 ) mit einer Pulsfrequenz im Bereich von 10 bis 200 kHz, was an sich zum Verhindern des Umschlagens der Magnetron-Entladung in eine Bogenentladung beim reaktiven Abscheiden von Verbindungsschichten eingeführt worden ist, ist ebenfalls mit einer Erhöhung des Ladungsträgerbombardements und der Aktivierung des Kondensationsprozesses einer aufwachsenden Schicht verbunden.The pulsed injection of energy into a magnetron discharge ( DD 252 205 ; DE 37 00 633 C1 ) with a pulse frequency in the range of 10 to 200 kHz, which in itself for preventing the Enveloping the magnetron discharge into an arc discharge has been introduced in the reactive deposition of interconnect layers is also associated with an increase in carrier bombardment and the activation of the condensation process of a growing layer.

Eine Weiterentwicklung einer gepulsten Magnetron-Entladung ist aus DE 103 03 428 A1 bekannt. Hier wird vorgeschlagen die Stärke eines Magnetron-Magnetfeldes periodisch oder aperiodisch zu verringern. Auf diese Weise kann in den Phasen der verringerten Magnetfeldstärke der Ionisierungsgrad des Plasmas erhöht werden. Allerdings ist auch bei dieser Vorgehensweise die Erhöhung des Ionisierungsgrades nur sehr gering, wobei der erzielbare Ionisierungsgrad immer noch im einstelligen Prozentbereich angesiedelt ist. So bleibt auch die dabei über der Magnetron-Targetoberfläche erzielte Leistungsdichte nur in einem Bereich von maximal 500 W/cm², wie es von anderen Magnetron-Sputterprozessen bekannt ist.An advancement of a pulsed magnetron discharge is over DE 103 03 428 A1 known. Here it is proposed to reduce the strength of a magnetron magnetic field periodically or aperiodically. In this way, in the phases of reduced magnetic field strength, the degree of ionization of the plasma can be increased. However, even with this procedure, the increase in the degree of ionization is only very low, with the achievable degree of ionization still being in the single-digit percentage range. Thus, the power density achieved over the magnetron target surface remains only in a range of at most 500 W / cm ² , as is known from other magnetron sputtering processes.

Den Ionisierungsgrad beim Magnetron-Sputtern entscheidend zu erhöhen gelang mit dem so genannten „Hochleistungs-Puls-Magnetronzerstäuben” [englisch „High Power (Im)Puls Magnetron Sputtering”], wofür die Kürzel HIPIMS oder HPPMS verwendet werden. Bei diesem Verfahren wird ein Plasma durch einzelne Pulse hoher Leistungsdichte angeregt, wobei das Plasma durch periodisches Entladen einer Kondensatorbank generiert wird. Mit den speziell für HIPIMS konfigurierten Stromversorgungsgeräten werden Leistungsdichten auf der Targetoberfläche von über 1 kW/cm² erzielt. Der Ionisierungsgrad der abgestäubten Targetpartikel liegt in einem Bereich von bis zu 80%.To increase the degree of ionization in magnetron sputtering significantly succeeded with the so-called "high-power pulse magnetron sputtering" [English "High Power (Im) pulse magnetron sputtering"], for which the abbreviations HIPIMS or HPPMS are used. In this method, a plasma is excited by single pulses of high power density, the plasma being generated by periodically discharging a capacitor bank. The power supplies specifically configured for HIPIMS achieve power densities above 1 kW / cm ² on the target surface. The degree of ionization of the sputtered target particles is in a range of up to 80%.

Die während eines Pulses zugeführte elektrische Leistung kann bis in den Megawattbereich gehen und die dem Target zugeführte Leistung mehre kW/cm² betragen, woraus eine enorme thermische Belastung für das Magnetron resultiert.The electrical power supplied during a pulse can go into the megawatt range and the power supplied to the target can be several kW / cm ² , resulting in an enormous thermal load for the magnetron.

Seitens der für HIPIMS-Verfahren konzipierten Stromversorgungseinrichtungen ist es zwar möglich, hohe elektrische Ströme zu generieren, diese hohen Ströme in einen Puls zu treiben ist jedoch nur begrenzt umsetzbar, denn die Stromanstiegsgeschwindigkeit bei HIPIMS-Pulsen ist nicht wesentlich höher als beim konventionellen Magnetron-Sputtern. Die Pulsdauer muss deshalb meist deutlich größer gewählt werden als beim konventionellen Puls-Magnetron-Sputtern, was die technische Anwendbarkeit durch die damit verbundene starke Zunahme von parasitären Bogenentladungen (Arcing) empfindlich einschränkt. Dies wird umso problematischer, je größer die Fläche eines hierbei verwendeten Targets wird.Although it is possible to generate high electrical currents from the power supply devices designed for HIPIMS methods, it is only possible to pulse these high currents into a pulse because the current slew rate for HIPIMS pulses is not significantly higher than for conventional magnetron sputtering , The pulse duration therefore usually has to be chosen to be significantly larger than in conventional pulse-magnetron sputtering, which severely limits the technical applicability due to the associated large increase in parasitic arc discharges (arcing). This becomes more problematic the larger the area of a target used in this case becomes.

Bei einem Arc wird ein Großteil der in das Target eingespeisten elektrischen Energie über den Arc in einen punktförmigen Flächenbereich eines mittels Magnetron-Sputtern zu beschichtenden Substrates eingetragen. In Abhängigkeit von der Zeit führt der akkumulierte Energieeintrag des Arcs zu Verpuffungen des Schichtmaterials in diesem punktförmigen Flächenbereich und somit zur Spritzerbildung, was sich negativ auf die Homogenität der abgeschiedenen Schicht auswirkt. Im schlimmsten Fall kann ein sich ausbildender Arc auch zur Beschädigung des Substrates führen.In the case of an arc, a large part of the electrical energy fed into the target is introduced via the arc into a punctiform area of a substrate to be coated by means of magnetron sputtering. As a function of time, the accumulated energy input of the arc leads to deflagrations of the layer material in this punctiform surface area and thus to spatter formation, which has a negative effect on the homogeneity of the deposited layer. In the worst case, a forming arc can also damage the substrate.

Es ist daher zweckmäßig, das Entstehen eines Arcs mittels einer geeigneten Einrichtung schnell zu erkennen und die Energiezufuhr am Target und somit den Arc zu unterbrechen, noch bevor die akkumulierte Arc-Energie zu negativen Auswirkungen hinsichtlich der Schichteigenschaften auf dem Substrat führt. Je größer die Fläche eines Targets bei gleichbleibender Leistung pro Flächeneinheit wird, umso größer wird die gesamte in das Target eingespeiste Energie und umso größer wird demzufolge auch die Energie, die durch einen Arc in die abgeschiedene Schicht bzw. in das Substrat pro Zeiteinheit eingetragen wird. Je größer die Arc-Energie pro Zeiteinheit wird, umso schneller muss demzufolge eine Arc-Abschaltung reagieren, um negative Auswirkungen an der abgeschiedenen Schicht bzw. am Substrat zu vermeiden. Ein Arc hat aber nicht nur deshalb negative Auswirkungen auf die Schichthomogenität, weil der punktförmige Energieeintrag zu Spritzern führen kann. Negativ auf die Schichthomogenität wirkt sich ebenfalls aus, dass das Abschalten eines Arcs durch eine temporäre Unterbrechung der Energiezufuhr am Target realisiert wird, wodurch in dieser Zeit keine Partikel vom gesamten Target abgestäubt werden können.It is therefore expedient to quickly detect the formation of an arc by means of a suitable device and to interrupt the energy supply to the target and thus the arc, even before the accumulated arc energy leads to negative effects with regard to the layer properties on the substrate. The larger the area of a target becomes at constant power per unit area, the greater is the total energy fed into the target, and consequently the energy which is introduced by an arc into the deposited layer or into the substrate per unit of time also increases. As a result, the greater the arc energy per unit of time, the faster arc-switching must react in order to avoid negative effects on the deposited layer or on the substrate. However, an arc does not only have a negative effect on the homogeneity of the layer, because the point-like energy input can lead to splashes. A negative effect on the layer homogeneity also has the effect that the switching off of an arcs is realized by a temporary interruption of the energy supply to the target, whereby no particles can be sputtered off the entire target during this time.

Aktuelle Arc-Handling-Systeme können einen Arc innerhalb von etwa 1 bis 5 μs erkennen und abschalten. In Abhängigkeit von der in ein Target eingespeisten Leistung pro Flächeneinheit können damit heutzutage HIPIMS-Prozesse, die ein hochgradig ionisiertes Plasma bewirken, mit Targetflächen von etwa 500 bis 750 cm² derart gehandhabt werden, dass Arcs noch rechtzeitig durch einen Stopp der Energiezufuhr am Target unterbunden werden können, bevor die Schichteigenschaften einen Toleranzbereich verlassen. Targets mit noch größeren Flächen bei gleichbleibender Leistung pro Flächeneinheit sind hingegen nicht verwendbar, weil hierfür Arc-Handling-Systeme mit Arc-Erkennungs- und Arc-Abschaltzeiten im Nanosekundenbereich erforderlich wären, die aber nicht verfügbar sind.Current arc handling systems can detect and shut down an arc within about 1 to 5 μs. Depending on the power per unit area fed into a target, HIPIMS processes which produce a highly ionized plasma can nowadays be handled with target areas of about 500 to 750 cm ² such that arcs are prevented in time by stopping the energy supply to the target can be before the layer properties leave a tolerance range. However, targets with even larger areas at constant power per unit area are not usable, because this would require arc-handling systems with arc detection and arc shutdown times in the nanosecond range, but these are not available.

Insbesondere bei der Beschichtung von Architekturglas oder beim Herstellen von Displays und Solarzellen ist es jedoch wünschenswert, noch größere Substratflächen mittels HIPIMS-Prozessen zu beschichten. Zur Lösung dieses Problems wäre es beispielsweise möglich, mehrere bekannte HIPIMS-Magnetrons nebeneinander über die Breite eines zu beschichtenden Substrats anzuordnen. Dies führt jedoch zu unterschiedlichen Schichteigenschaften über die Substratbreite betrachtet, weil an den Enden eines Magnetrons und somit an den Stoßstellen zweier benachbarter Magnetrons Schichten mit anderen Eigenschaften abgeschieden werden als in der Mitte eines Magnetrons.Especially in the coating of architectural glass or in the manufacture of displays and solar cells, however, it is desirable to even larger substrate areas by means of HIPIMS processes coat. To solve this problem, it would be possible, for example, to arrange several known HIPIMS magnetrons side by side across the width of a substrate to be coated. However, this leads to different layer properties over the substrate width considered, because at the ends of a magnetron and thus at the joints of two adjacent magnetrons layers are deposited with different properties than in the middle of a magnetron.

Aufgabenstellungtask

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer großflächigen Kathode als Bestandteil einer Vorrichtung zum Magnetron-Sputtern zu schaffen, mittels dem die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden können. Insbesondere sollen mit dem Verfahren eine größere Targetfläche als im Stand der Technik betrieben und trotzdem homogene Abstäubergebnisse über die Targetfläche hinweg erzielt werden können. Desweiteren sollen damit insbesondere auch Sputterprozesse mit hohem Ionisierungsgrad (HIPIMS-Prozesse) durchführbar sein.The invention is therefore the technical problem of providing a method for operating a large-area cathode as part of a device for magnetron sputtering, by means of which the disadvantages of the prior art can be overcome. In particular, the method should be used to operate a larger target area than in the prior art and still achieve homogenous sputtering results over the target area. Furthermore, sputtering processes with a high degree of ionization (HIPIMS processes) should be feasible in particular.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.The solution of the technical problem results from the objects with the features of claim 1. Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine großflächige Kathode verwendet, umfassend ein Target sowie eine hinter dem Target angeordnete Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetron-Magnetfeldes, welches das Target durchdringt und über der Targetoberfläche tunnelförmig ausgebildet ist und wobei der gebildete Tunnel ringförmig in sich geschlossen ist. Das Target selbst, von dem während eines Sputtervorgangs Materialpartikel abgestäubt werden, wird in mindestens zwei Teiltargets unterteilt, die voneinander elektrisch isoliert ausgebildet werden. Mittels mindestens einer Stromversorgungseinrichtung werden die Teiltargets separat voneinander mit elektrischer Energie versorgt. Ein weiteres Merkmal eines erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Teiltargets derart angeordnet werden, dass sich auf der Oberfläche jedes Teiltargets ein Abschnitt des ringförmigen Magnetfeldtunnels erstreckt.In a method according to the invention, a large-area cathode is used, comprising a target and a device arranged behind the target for generating a magnetron magnetic field, which penetrates the target and is tunnel-shaped over the target surface and wherein the tunnel formed is annularly closed in itself. The target itself, from which material particles are sputtered during a sputtering process, is subdivided into at least two sub-targets, which are formed electrically isolated from each other. By means of at least one power supply device, the sub-targets are supplied separately with electrical energy. Another feature of a method according to the invention is that the sub-targets are arranged such that a portion of the annular magnetic field tunnel extends on the surface of each sub-target.

Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren können Targetflächen von nahezu beliebiger Größe ausgebildet werden, denn das Arc-Handling braucht hierbei nicht bezogen auf die Gesamttargetfläche und somit auf die Gesamtflächenleistung betrieben werden, sondern dadurch, dass mindestens zwei Teiltargets separat mit elektrischer Energie versorgt werden, braucht das Arc-Handling auch nur bezogen auf jeweils ein einzelnes Teiltarget betrieben werden. Die Flächen der einzelnen Teiltargets sind dabei dann nur so groß zu dimensionieren, dass die in ein Teiltarget eingespeiste elektrische Energie mit einer bekannten Einrichtung zum Erkennen und Abschalten von Arcs gehandhabt werden kann.With a method according to the invention, target surfaces of almost any size can be formed, since the arc handling need not be based on the total target area and thus on the total area power, but in that at least two sub-targets are supplied separately with electrical energy, the arc needs -Handling can also be operated only on a single sub-target. The areas of the individual partial targets are then only to be dimensioned so large that the electrical energy fed into a partial target can be handled with a known device for detecting and switching off arcs.

Dadurch, dass hinter allen Teiltargets nur eine Magnetfeld erzeugende Vorrichtung angeordnet wird, die nur ein einziges für das Magnetron-Sputtern charakteristisches tunnelförmiges und in sich geschlossenes Magnetfeld erzeugt, dessen Tunnelring sich über alle Teiltargets hinweg erstreckt, wird auch über alle Teiltargetflächen hinweg ein durchgehend homogener Sputterertrag erzielt, der wiederum zu homogenen Eigenschaften einer auf einem Substrat abgeschiedenen Schicht führt. Während eines Sputtervorgangs werden die das Magnetfeld charakterisierenden Parameter üblicherweise nicht aktiv verändert.The fact that only a magnetic field generating device is arranged behind all part targets, which generates only a single characteristic for the magnetron sputtering tunnel-shaped and self-contained magnetic field, the tunnel ring extends over all sub-targets, also across all Teiltargetflächen away a consistently homogeneous Sputter yield achieved, which in turn leads to homogeneous properties of a deposited on a substrate layer. During a sputtering process, the parameters characterizing the magnetic field are usually not actively changed.

Wird bei einem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise ein Planarmagnetron (auch Rechteckmagnetron genannt) verwendet, wird die Targetfläche des Magnetrons zweckmäßigerweise in der Längsausdehnung in Teiltargetflächen untergliedert. Auf diese Weise lässt sich durch das Aneinanderreihen von Teiltargets ein Planarmagnetron mit einer nahezu beliebigen Länge realisieren, da ein entsprechendes Aufskalieren der Magnetfeld erzeugenden Einrichtung keine größeren technischen Probleme bereitet. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren können aber nicht nur Planarmagnetrons zum Einsatz gelangen, sondern es können auch Magnetrons mit kreisförmigen oder ringförmigen Targets erfindungsgemäß konfiguriert werden. Wird bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ein Magnetron mit einem kreisförmigen oder ringförmigen Target verwendet, so können deren Teiltargetflächen beispielsweise als Kreissegmente bzw. Ringsegmente ausgebildet werden.If, for example, a planar magnetron (also called rectangular magnetron) is used in a method according to the invention, the target surface of the magnetron is expediently subdivided in the longitudinal extent into partial target surfaces. In this way can be realized by the juxtaposition of partial targets a Planarmagnetron with almost any length, since a corresponding scaling up the magnetic field generating device no major technical problems. In a method according to the invention, however, not only planar magnetrons can be used, but also magnetrons with circular or annular targets can be configured according to the invention. If a magnetron with a circular or annular target is used in a method according to the invention, its partial target surfaces can be formed, for example, as circle segments or ring segments.

Wie bereits zuvor beschrieben, ist es wesentlich, dass benachbarte Teiltargets voneinander elektrisch isoliert ausgebildet werden. Dies kann beispielsweise realisiert werden, indem ein elektrisch isolierendes Material zwischen die Teiltargets eingebracht wird oder indem benachbarte Teiltargets einfach mit einem Luftspalt voneinander beabstandet werden. An dieser Stelle sei angemerkt, dass der hier als Luftspalt bezeichnete Spalt während des Einsatzes in einer Vakuumkammer natürlich nicht mehr mit Luft, sondern mit dem in der Vakuumkammer vorherrschenden Vakuum ausgefüllt wird. Der Luftspalt sollte jedoch nicht zu groß sein, weil im Bereich des Spaltes kein Targetmaterial abgestäubt werden kann. Ist der Spalt zu groß, wirkt sich dies wieder negativ auf die Homogenität der abgeschiedenen Schicht aus. Ist der Spalt jedoch zu gering, kann dies zu elektrischen Überschlägen von einem Teiltarget zum benachbarten Teiltarget führen. Der Spalt zwischen zwei benachbarten Teiltargets sollte daher eine Breite von 0,1 mm bis 50 mm aufweisen. Vorzugsweise ist der Spalt mit einer Breite von 0,5 mm bis 10 mm auszubilden. In diesem Spaltbreitenbereich sind sehr gute Resultate hinsichtlich der Schichthomogenität erzielbar.As previously described, it is essential that adjacent sub-targets be formed electrically isolated from each other. This can be realized, for example, by introducing an electrically insulating material between the sub-targets or by simply spacing adjacent sub-targets with an air gap. It should be noted at this point that the gap referred to here as an air gap is of course no longer filled with air during use in a vacuum chamber but with the vacuum prevailing in the vacuum chamber. However, the air gap should not be too large, because in the region of the gap no target material can be dusted. If the gap is too large, this again has a negative effect on the homogeneity of the deposited layer. However, if the gap is too small, this can lead to electrical flashovers from a partial target lead adjacent sub-target. The gap between two adjacent part targets should therefore have a width of 0.1 mm to 50 mm. Preferably, the gap is to be formed with a width of 0.5 mm to 10 mm. In this gap width range very good results in terms of layer homogeneity can be achieved.

Werden zwei benachbarte Teiltargets mit einem senkrecht zur Targetoberfläche verlaufenden Spalt voneinander beabstandet, so können auf die Targetoberfläche hin beschleunigte Teilchen, die im Wesentlichen senkrecht auf die Targetoberfläche auftreffen, den Spalt durchqueren und die darunter liegende Magnetfeld erzeugende Einrichtung beschädigen. Bei einer Ausführungsform wird der Spalt zwischen zwei benachbarten Teiltargets deshalb als sogenannter „verdeckter Spalt” ausgebildet. Unter dem Begriff „verdeckter Spalt” sind derartige Spaltgeometrien zu verstehen, die ein ungehindertes Durchqueren des Spaltes, von den im Wesentlichen senkrecht auf die Targetoberfläche auftreffenden Partikeln, verhindern. Ein verdeckter Spalt kann beispielsweise mit einem Winkel zur Oberflächensenkrechten des Targets, also schräg durch die Targetdicke hindurch verlaufen. Alternativ kann ein verdeckter Spalt beispielsweise auch wellenförmig oder stufenförmig durch die Targetdicke hindurch ausgebildet werden.If two adjacent sub-targets are spaced apart with a gap running perpendicular to the target surface, then particles accelerated toward the target surface, which impinge essentially perpendicularly on the target surface, can traverse the gap and damage the underlying magnetic field generating device. In one embodiment, the gap between two adjacent sub-targets is therefore designed as a so-called "hidden gap". The term "hidden gap" is to be understood as meaning such gap geometries which prevent unimpeded passage through the gap from the particles which strike the target surface substantially perpendicularly. A hidden gap can, for example, extend at an angle to the surface perpendicular of the target, ie obliquely through the target thickness. Alternatively, a hidden gap, for example, wavy or stepped formed through the target thickness therethrough.

Mindestens zwei Teiltargets werden bei einem erfindungsgemäßen Verfahren separat voneinander mit elektrischer Energie versorgt. Dies kann erfolgen, indem zumindest diese beiden Teiltargets einer Magnetron-Kathode jeweils mit einer separaten Stromversorgungseinrichtung elektrisch verbunden werden. Die Teiltargets, die von einer separaten Stromversorgungseinrichtung gespeist werden, können im DC-Betrieb oder auch im Pulsbetrieb eingesetzt werden. Im Pulsbetrieb können die Teiltargets gleichzeitig oder aber zeitversetzt mit elektrischer Energie versorgt werden. Jedes Teiltarget mit einer separaten Stromversorgungseinrichtung zu verbinden erfordert jedoch bei einer Vielzahl von Teiltargets eine dementsprechende Vielzahl von Stromversorgungseinrichtungen und führt somit zu einem hohen materiellen Aufwand.At least two partial targets are separately supplied with electrical energy in a method according to the invention. This can be done by electrically connecting at least these two sub-targets of a magnetron cathode to a separate power supply device. The sub-targets, which are powered by a separate power supply, can be used in DC mode or in pulse mode. In pulse mode, the partial targets can be supplied with electrical energy simultaneously or with a time delay. To connect each sub-target with a separate power supply device, however, requires in a plurality of sub-targets a corresponding plurality of power supply devices and thus leads to a high material cost.

Als gegenteiliges Extrem können bei einem erfindungsgemäßen Verfahren aber auch alle Teiltargets mit nur einer Stromversorgungseinrichtung elektrisch verbunden sein und von der Stromversorgungseinrichtung beispielsweise im Pulsbetrieb nacheinander mit elektrischer Energie versorgt werden, so dass immer nur ein Teiltarget von der Stromversorgungseinrichtung gespeist wird. In Abhängigkeit von der Flächengröße der Teiltargets und somit in Abhängigkeit von der in ein Teiltarget eingespeisten Energie können aber auch mehrere Teiltargets gleichzeitig von einer Stromversorgungseinrichtung mit elektrischer Energie gespeist werden. Die Summe der von einer Stromversorgungseinrichtung gleichzeitig in mehrere Teiltargets eingespeisten Energie darf nur nicht größer werden, als sie mit verfügbaren Einrichtungen zur Arc-Abschaltung gehandhabt werden kann.As an opposite extreme, in a method according to the invention, however, all the sub-targets can also be electrically connected to only one power supply device and supplied with electrical energy from the power supply device, for example in pulse mode, so that only one sub-target is fed by the power supply device. Depending on the area size of the sub-targets and thus depending on the energy fed into a sub-target but also multiple sub-targets can be fed simultaneously by a power supply device with electrical energy. The sum of the power fed into a plurality of sub-targets simultaneously by a power supply device may not be greater than that which can be handled with available devices for arc shutdown.

Zwischen den beiden Extremen, entweder alle Teiltargets mit nur einer Stromversorgungseinrichtung zu verbinden oder allen Teiltargets jeweils eine separate Stromversorgungseinrichtung zuzuordnen, können bei einem erfindungsgemäßen Verfahren auch alle anderen zahlenmäßig möglichen Anzahlen von Stromversorgungseinrichtungen verwendet werden, die dann entweder ein Teiltarget oder mehrere Teiltargets mit elektrischer Energie versorgen.Between the two extremes, either to connect all sub-targets with only one power supply device or assign each sub-targets each have a separate power supply, in a method according to the invention all other numerically possible numbers of power supply devices are used, which then either a sub-target or multiple sub-targets with electrical energy supply.

Bei einer weiteren Ausführungsform wird ein Target verwendet, welches in mindestens zwei elektrisch voneinander isolierte Teiltargets unterteilt wird, wobei mindestens eine Stromversorgungseinrichtung eines der Teiltargets mit einer Gleichspannung zum Zwecke des Magnetron-Sputterns beaufschlagt. Mittels mindestens einer weiteren Stromversorgungseinrichtung wird die Gleichspannung an dem Teiltarget zumindest zeitweise mit HIPIMS-Pulsen überlagert. Wird bei dieser Ausführungsform ein HIPIMS-Puls erzeugt, so stehen diesem bereits zu Beginn durch das DC-Sputtern erzeugte Ladungsträger zur Verfügung. Der HIPIMS-Puls kann auf diese Weise mit einer hohen Stromanstiegsgeschwindigkeit ausgebildet werden.In a further embodiment, a target is used, which is subdivided into at least two sub-targets electrically isolated from one another, wherein at least one power supply device of one of the sub-targets is supplied with a DC voltage for the purpose of magnetron sputtering. By means of at least one further power supply device, the DC voltage is superimposed on the partial target at least temporarily with HIPIMS pulses. If a HIPIMS pulse is generated in this embodiment, then charge carriers generated at the beginning by the DC sputtering are available. The HIPIMS pulse can be formed in this way with a high current slew rate.

Es ist hauptsächlich vom Substratmaterial und vom Schichtmaterial, welches auf dem Substrat durch Magnetron-Sputtern aufgestäubt werden soll, und natürlich auch von den gewährbaren Toleranzen bei den Schichteigenschaften abhängig, welche Gesamtenergiewerte bei einem Arc während eines Beschichtungsvorgangs durch Magnetron-Sputtern zugelassen werden können. Als grober Richtwert kann jedoch angenommen werden, dass die Gesamtenergie eines Arcs bis zu einem Wert von etwa 0,5 J zu Beeinträchtigungen des Abscheideprozesses führen, die noch im Toleranzbereich liegen. Ausgehend von diesem Energiewert, der Zeitspanne, innerhalb der ein Arc erkannt und abgeschaltet werden kann und von der maximal in ein Target eingespeisten Leistung pro Flächeneinheit, kann somit die maximal verwendbare Flächengröße eines Teiltargets bzw. die Gesamtfläche der gleichzeitig von einer Stromversorgungseinrichtung gespeisten Teiltargets ermittelt werden. Bei einer maximal zulässigen Arc-Gesamtenergie von 0,5 J, einer Abschaltzeit eines Arcs von 1 μs und einer eingespeisten maximalen Leistung von 1 kW/cm² ergibt sich so beispielsweise eine maximale Targetfläche von 500 cm², die gleichzeitig von einer Stromversorgungseinrichtung gespeist und von der zugehörigen Arc-Überwachungseinrichtung gehandhabt werden kann.It is mainly dependent on the substrate material and the layer material which is to be sputtered on the substrate by magnetron sputtering, and of course on the allowable tolerances in the layer properties, which total energy values can be admitted at an arc during a magnetron sputter coating process. As a rough guideline, however, it can be assumed that the total energy of an arc up to a value of approximately 0.5 J leads to impairments of the deposition process which are still within the tolerance range. Based on this energy value, the time span within which an arc can be detected and switched off and the maximum power per unit area fed into a target, the maximum usable area size of a sub-target or the total area of the sub-targets fed simultaneously by a power supply device can be determined , With a maximum allowable total arc energy of 0.5 J, a turn-off time of 1 μs and a maximum power of 1 kW / cm ^2, this results in a maximum target area of 500 cm ² , for example of the associated Arc monitoring device can be handled.

In Abhängigkeit von der eingespeisten Leistung pro Flächeneinheit und vom Substratmaterial werden die Teiltargets bei einem erfindungsgemäßen Verfahren daher mit Flächen von 10 cm² bis 2000 cm² dimensioniert. Je kleiner die Teiltargetflächen innerhalb dieses Bereichs angesiedelt sind, umso mehr Stromversorgungseinrichtungen müssen gegebenenfalls eingesetzt werden. Je größer die Teiltargetflächen innerhalb dieses Bereichs sind, umso geringere Flächenleistungen können in die Teiltargets eingespeist werden. Vorzugsweise haben die Teiltargets bei einem erfindungsgemäßen Verfahren daher eine Fläche von 200 cm² bis 1000 cm².Depending on the power fed per unit area and the substrate material, the partial targets in a method according to the invention are therefore dimensioned with areas of 10 cm ² to 2000 cm ² . The smaller the sub-target areas within this range, the more power supplies may need to be used. The larger the sub-target areas within this range, the lower area powers can be fed into the sub-targets. The partial targets in a method according to the invention therefore preferably have an area of 200 cm ² to 1000 cm ² .

Wie schon aus dem Stand der Technik bekannt, so kann auch bei einem erfindungsgemäßen Verfahren das Target nur aus dem abzustäubenden Targetmaterial bestehen oder aber das Targetmaterial kann mittels Bond-, Schraub- oder Klemmverbindungen auf einer Kühlplatte (auch Bondplatte genannt) befestigt werden. Gleiches trifft demzufolge auch auf die Teiltargets zu. Diese bestehen dann analog ebenfalls nur aus dem Targetmaterial oder werden auf einer Kühlplatte befestigt. Ist das Kühlplattenmaterial dielektrisch, so können benachbarte Teiltargets auf einer gemeinsamen Kühlplatte befestigt werden, anderenfalls ist auch die Kühlplatte eines Teiltargets gegenüber der Kühlplatte eines benachbarten Teiltargets elektrisch isoliert auszuführen.As already known from the prior art, even in a method according to the invention, the target can only consist of the target material to be sputtered or else the target material can be fastened by means of bonding, screwing or clamping connections on a cooling plate (also called a bonding plate). The same applies accordingly to the sub-targets. These then consist analogously also only of the target material or are mounted on a cooling plate. If the cooling plate material is dielectric, adjacent partial targets can be fastened on a common cooling plate; otherwise, the cooling plate of a partial target must also be designed to be electrically insulated from the cooling plate of an adjacent partial target.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert.The invention will be explained in more detail below with reference to preferred embodiments.

Die Fig. zeigen:The figures show:

1 eine schematische Darstellung einer großflächigen Kathode mit einer Stromversorgungseinrichtung; 1 a schematic representation of a large-area cathode with a power supply device;

2 eine schematische Darstellung des Targets der Kathode aus 1; 2 a schematic representation of the target of the cathode 1 ;

3 eine schematische Darstellung der Magnetfeld erzeugenden Einrichtung der Kathode aus 1; 3 a schematic representation of the magnetic field generating means of the cathode 1 ;

4a bis 4f Spaltgeometrien zwischen zwei benachbarten Teiltargets; 4a to 4f Gap geometries between two adjacent part targets;

5 eine schematische Darstellung einer großflächigen Kathode mit mehreren Stromversorgungseinrichtungen. 5 a schematic representation of a large-area cathode with multiple power supplies.

In 1 ist eine großflächige Kathode 1, die auch zum HIPIMS-Magnetron-Sputtern verwendet werden kann, schematisch dargestellt. Die Kathode 1 umfasst eine Einrichtung 2 zum Erzeugen eines für das Magnetron-Sputtern charakteristischen in sich geschlossenen Magnetfeldes, welches auf der Oberfläche des zur Kathode 1 gehörenden Targets 3 tunnelförmig ausgebildet ist. Das Target 3 wurde erfindungsgemäß in drei, jeweils 10 cm breite und 50 cm lange Teiltargets 3a, 3b, 3c unterteilt, die wiederum jeweils eine Kühlplatte 4a, 4b, 4c und das darauf gebondete Targetmaterial 5a, 5b, 5c umfassen. Die Kathode 1 weist somit eine Gesamttargetfläche von 1500 cm² auf. Die drei Teiltargets 3a, 3b, 3c sind vom jeweils benachbarten Teiltarget mit einem Luftspalt von 2 mm beabstandet und somit voneinander elektrisch isoliert ausgebildet.In 1 is a large-area cathode 1 , which can also be used for HIPIMS magnetron sputtering, shown schematically. The cathode 1 includes a device 2 for generating a self-contained magnetic field characteristic of magnetron sputtering, which is present on the surface of the cathode 1 belonging targets 3 tunnel-shaped. The target 3 was inventively in three, each 10 cm wide and 50 cm long part targets 3a . 3b . 3c divided, in turn, each a cooling plate 4a . 4b . 4c and the target material bonded thereon 5a . 5b . 5c include. The cathode 1 thus has a total target area of 1500 cm ² . The three sub-targets 3a . 3b . 3c are spaced from each adjacent Teiltarget with an air gap of 2 mm and thus formed electrically isolated from each other.

Mittels einer HIPIMS-Stromversorgungseinrichtung 6 werden die drei Teiltargets 3a, 3b, 3c über eine Umschalteinrichtung 7 separat mit elektrischer Energie versorgt. Dabei beträgt die von der Stromversorgungseinrichtung 6 gespeiste Puls-Peak-Leistung 1 kW/cm². In der Stromversorgungseinrichtung 6 integriert ist eine nicht dargestellte Einrichtung zum Erfassen und Abschalten eines Arcs, welche einen Arc spätestens nach 1 μs erfassen und abschalten kann. Die Umschalteinrichtung 7 stellt sicher, dass immer nur eines der Teiltargets 3a, 3b, 3c elektrisch mit der Stromversorgungseinrichtung 6 verbunden ist. Bei einer Puls-Peak-Leistung von 1 kW/cm², einer Teiltargetfläche von 500 cm² und einer maximalen Arc-Abschaltzeit von 1 μs ergibt sich im Spot eines Arcs somit eine maximale Arc-Gesamtenergie von 0,5 J, die bei vielen Anwendungsfällen nur Schichteigenschaftsschwankungen bewirkt, die sich noch im Toleranzbereich befinden. Wäre die Gesamttargetfläche der Kathode 1 als ein einziges durchgängiges Target ausgebildet, würden sich bei ansonsten gleichbleibenden Parametern Arc-Gesamtenergien von bis zu 1,5 J ergeben, was zumindest zu einer nichttolerablen Schädigung einer abgeschiedenen Schicht, wenn nicht gar zur Schädigung des Substrates, auf dem die Schicht abgeschieden wird, führen würde.By means of a HIPIMS power supply device 6 become the three sub-targets 3a . 3b . 3c via a switching device 7 supplied separately with electrical energy. In this case, that of the power supply device 6 fed pulse-peak power 1 kW / cm ² . In the power supply device 6 integrated is a device, not shown, for detecting and switching off an arcs, which can detect and turn off an arc at the latest after 1 μs. The switching device 7 Ensures that only one of the sub-targets 3a . 3b . 3c electrically with the power supply device 6 connected is. With a pulse-peak power of 1 kW / cm ² , a partial target area of 500 cm ² and a maximum arc-off time of 1 μs, the result is a maximum total arc energy of 0.5 J in the spot of an arc Use cases only causes layer property fluctuations that are still in the tolerance range. Would be the total target area of the cathode 1 formed as a single continuous target, would result in otherwise constant parameters total arc energies of up to 1.5 J, resulting in at least a non-tolerable damage to a deposited layer, if not damage to the substrate on which the layer is deposited, would lead.

In 2 ist das in die drei Teiltargets 3a, 3b, 3c unterteilte Target 3 von Kathode 1 aus 1 schematisch in einer Draufsicht dargestellt. In dieser Ansicht ist auch der für das Magnetronsputtern mit einem Planarmagnetron typische ringförmige Erosionsgraben 8 abgebildet, dessen Form sich infolge der Wirkung des von Einrichtung 2 erzeugten Magnetfeldes ergibt. Trotz der beiden Luftspalte zwischen den Teiltargtes 3a, 3b, 3c, in deren Bereichen der Erosionsgraben zwangsläufig unterbrochen ist, lassen sich über die Länge der Kathode 1 betrachtet in dem Bereich, in dem Erosionsgrabenabschnitte parallel zueinander verlaufen, ein homogener Sputterabtrag und somit auch homogene Schichteigenschaften während des Sputterns erzielen.In 2 is that in the three sub-targets 3a . 3b . 3c subdivided target 3 from cathode 1 out 1 schematically shown in a plan view. Also in this view is the annular erosion trench typical of magnetron sputtering with a planar magnetron 8th whose shape is due to the effect of the device 2 generated magnetic field. Despite the two air gaps between Teiltargtes 3a . 3b . 3c , in whose areas the erosion ditch is inevitably interrupted, can be over the length of the cathode 1 considers in the area in which erosion trench sections run parallel to one another, a homogeneous sputtering removal and thus also achieve homogeneous layer properties during sputtering.

Die sich unter alle drei Teiltargets hinweg erstreckende Einrichtung 2 aus 1 zum Erzeugen des ringförmigen und tunnelförmigen Magnetron-Mangetfeldes ist in 3 schematisch in einer Draufsicht dargestellt. Es ist zu sehen, dass die Einrichtung 2 aus einer Vielzahl von einzelnen aneinandergereihten Permanentmagneten 9 besteht und dass durch das Aneinanderreihen von zusätzlichen Permanentmagneten 9 die Einrichtung 2 in der Längsausdehnung beliebig vergrößert werden kann, so dass sich die Einrichtung 2 auch unter noch mehr als nur 3 Teiltargets hinweg erstrecken kann, wodurch sich die Länge der Kathode 1 und somit die Beschichtungsbreite eines Substrates bei homogenem Sputterabtrag nahezu beliebig verlängern lassen. The device extending under all three sub-targets 2 out 1 for generating the annular and tunnel-shaped magnetron Mangetfeldes is in 3 schematically shown in a plan view. It can be seen that the device 2 from a plurality of individual juxtaposed permanent magnets 9 exists and that by the juxtaposition of additional permanent magnets 9 the device 2 can be arbitrarily increased in the longitudinal extent, so that the device 2 can extend below even more than 3 sub-targets, thereby increasing the length of the cathode 1 and thus the coating width of a substrate can be extended almost arbitrarily with homogeneous sputtering removal.

Die 4a bis 4f veranschaulichen verschiedene Luftspaltgeometrien zwischen zwei benachbarten Teiltargets, die jeweils in einer Seitenansicht schematisch dargestellt sind, also in der gleichen Perspektive, wie die Teiltargets 3a, 3b, 3c in 1. Nur in der 4a umfassen die beiden Teiltargets jeweils eine mit gepunktetem Muster dargestellte Kühlplatte, auf der jeweils das Targetmaterial befestigt ist. Alle anderen in den 4b bis 4f dargestellten Teiltargets bestehen nur aus dem Targetmaterial. Die Spalte zwischen den Teiltargets der 4a und 4b verlaufen senkrecht zur Targetoberfläche durch das Target. Die meist im Wesentlichen senkrecht zur Targetoberfläche auf das Target auftreffenden Partikel können durch solch einen senkrecht verlaufenden Spalt ungehindert hindurchdringen und die darunter befindliche Magnetfeld erzeugende Einrichtung beschädigen. Der Spalt in 4c verläuft hingegen wellenförmig, der in 4d winklig, der in 4e schräg zur Oberflächensenkrechten und der in 4f stufenförmig durch die Dicke des jeweiligen Targets. Die in den 4c bis 4f dargestellten Spalte zwischen den benachbarten Teiltargets sind als sogenannte verdeckte Spalte ausgebildet, was bedeutet, dass die auf die Targetoberfläche auftreffenden Partikel nicht ungehindert durch solch einen Spalt durch das Target hindurch gelangen können.The 4a to 4f illustrate different air gap geometries between two adjacent part targets, which are each shown schematically in a side view, ie in the same perspective as the part targets 3a . 3b . 3c in 1 , Only in the 4a For example, the two sub-targets each comprise a dotted-pattern cooling plate, on each of which the target material is attached. Everyone else in the 4b to 4f Partial targets shown consist only of the target material. The column between the sub-targets of 4a and 4b are perpendicular to the target surface through the target. The mostly perpendicular to the target surface incident on the target particles can penetrate unhindered by such a vertical gap and damage the underlying magnetic field generating device. The gap in 4c runs on the other hand wave-shaped, which in 4d Angled, in 4e oblique to the surface vertical and the in 4f stepped through the thickness of the respective target. The in the 4c to 4f shown gaps between the adjacent part of the target are formed as a so-called hidden column, which means that the incident on the target surface particles can not pass unhindered through such a gap through the target.

5 zeigt noch einmal die bereits in 1 dargestellte großflächige Kathode, umfassend die drei Teiltargets 3a, 3b, 3c und die magnetfelderzeugende Einrichtung 2. Der Unterschied zu der in 1 beschriebenen Vorrichtung 1 besteht darin, dass die drei Teiltargets nicht von einer Stromversorgungseinrichtung mit elektrischer Energie versorgt werden, sondern den drei Teiltargets 3a, 3b, 3c der Vorrichtung 10 aus 5 wird zunächst einmal je eine Stromversorgungseinrichtung 11a, 11b, 11c zugeordnet, welche die drei Teiltargets 3a, 3b, 3c mit einer Gleichspannung zum Zwecke des Magnetronsputterns beaufschlagen. Bereits dadurch werden auf der Oberfläche der drei Teiltargets Materialpartikel abgestäubt und ein Magnetronplasma zwischen den Teiltargets und einem zu beschichtenden Substrat ausgebildet. 5 shows again the already in 1 illustrated large-area cathode, comprising the three sub-targets 3a . 3b . 3c and the magnetic field generating device 2 , The difference to the in 1 described device 1 is that the three sub-targets are not supplied by a power supply device with electrical energy, but the three sub-targets 3a . 3b . 3c the device 10 out 5 is first ever ever a power supply device 11a . 11b . 11c associated with the three sub-targets 3a . 3b . 3c apply a DC voltage for the purpose of Magnetronsputterns. Already as a result, material particles are dusted off on the surface of the three partial targets and a magnetron plasma is formed between the partial targets and a substrate to be coated.

Zur Vorrichtung 10 aus 5 gehört ferner eine Stromversorgungseinrichtung 12, welche HIPIMS-Pulse erzeugt. Über eine Umschalteinrichtung 13 werden die von Stromversorgungseinrichtung 12 erzeugten HIPIMS-Pulse nacheinander und periodisch wiederkehrend an die drei Teiltargets 3a, 3b, 3c angelegt, d. h. es wird immer nur eines der Teiltargets mit HIPIMS-Pulsen versorgt. Aufgrund des Sachverhalts, dass die drei Teiltargets 3a, 3b, 3c bereits mit einer Gleichspannung beaufschlagt sind und somit bereits auch ein Magnetronplasma ausgebildet ist, stehen schon zu Beginn eines jeweiligen HIPIMS-Pulses elektrische Ladungsträger zur Verfügung, so dass sich innerhalb des HIPIMS-Pulses eine hohe Stromanstiegsgeschwindigkeit ausbildet, was zu einem intensiven Magnetronplasma mit sehr hohem Ionisierungsgrad führt.To the device 10 out 5 further includes a power supply device 12 which generates HIPIMS pulses. About a switching device 13 Be the power supply device 12 generated HIPIMS pulses sequentially and periodically recurring to the three sub-targets 3a . 3b . 3c This means that only one of the sub-targets is always supplied with HIPIMS pulses. Due to the fact that the three sub-targets 3a . 3b . 3c already charged with a DC voltage and thus already a magnetron plasma is formed, are already at the beginning of each HIPIMS pulse electrical charge carriers available, so that forms a high rate of current rise within the HIPIMS pulse, resulting in an intense magnetron plasma with very high Ionization leads.

Auch die Stromversorgungseinrichtung 12 verfügt über eine Einrichtung zum Erfassen und Abschalten von Arcs. Da die Stromversorgungseinrichtung 12 immer nur eines der drei Teiltargets 3a, 3b, 3c mit Energie versorgt, braucht auch das Arc-Handling nur in Bezug auf die in ein Teiltarget eingespeiste Energie betrieben zu werden.Also the power supply device 12 has a device for detecting and switching off arcs. Because the power supply device 12 only one of the three sub-targets 3a . 3b . 3c supplied with energy, the arc handling need only be operated in relation to the energy fed into a sub-target.

Der Vollständigkeit halber sei noch einmal explizit erwähnt, das die Elemente aus den 1 bis 5 mit denselben Bezugszeichen auch dieselben Komponenten mit demselben Aufbau darstellen.For the sake of completeness, it should be explicitly mentioned again that the elements of the 1 to 5 with the same reference numerals also represent the same components with the same structure.

Auch wenn die Erfindung nur in Bezug auf das HIPIMS-Sputtern hin beschrieben wurde, sei an dieser Stelle angemerkt, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch bei allen anderen bekannten Anwendungen eines Magnetrons, wie beispielsweise dem herkömmlichen Magnetron-Sputtern (d. h. ohne HIPIMS), beim Magnetron-Sputterätzen oder auch bei magnetrongestützten PECVD-Prozessen eingesetzt werden kann.Although the invention has been described only in terms of HIPIMS sputtering, it should be noted at this point that the inventive method in all other known applications of a magnetron, such as conventional magnetron sputtering (ie without HIPIMS), the magnetron Sputter etching or even in magnetron-based PECVD processes can be used.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims

Method for operating a large-area cathode ( 1 ) for magnetron sputtering within a vacuum chamber, the cathode having a target ( 3 ) and by means ( 2 ), a magnetic field is generated on the surface of the target ( 3 ) annularly closed and tunnel-shaped, characterized in that the target ( 3 ) in at least two electrically isolated from each other formed partial targets ( 3a ; 3b ; 3c ) is divided by at least one power supply device ( 6 ) are supplied separately with electrical energy and that on the surface of each sub-target ( 3a ; 3b ; 3c ) extends a portion of the annular magnetic field.

Method according to claim 1, characterized in that a power supply device ( 6 ) at least two partial targets ( 3a ; 3b ; 3c ) assigned by the power supply device ( 6 ) are supplied with electrical energy simultaneously or in succession.

A method according to claim 1, characterized in that at least two sub-targets are each assigned a separate power supply device.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the target ( 3 ) is formed as a rectangular target, wherein the dividing line between two adjacent part targets is performed transversely to the annular magnetic field.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the target is formed as a circular target or as an annular target, wherein the part targets are formed in a circular target as a circle segments or an annular target as ring segments of the target.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that two adjoining part targets are spaced apart by a gap, wherein the gap is formed as a hidden gap.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least two partial targets is assigned a common anode.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least two partial targets are each assigned a separate anode.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that so that the so-called HIPIMS sputtering is performed.

A method according to claim 9, characterized in that at least one sub-target is supplied with a DC voltage, wherein the DC voltage is superimposed at least temporarily with HIPIMS pulses.