CH664303A5 - HOLDING DEVICE FOR TARGETS FOR CATHODE SPRAYING. - Google Patents
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Description
BESCHREIBUNG DESCRIPTION
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Haltevorrichtung für Targets für Kathodenzerstäubung mit Klemmen zum Anpressen der Targets an eine Kühlfläche. Sie findet insbesondere bei Magnetron- und anderen Hochgeschwindig-keits-Zerstäubungsquellen Anwendung. The present invention relates to a holding device for targets for cathode sputtering with clamps for pressing the targets onto a cooling surface. It is particularly used with magnetron and other high-speed sputtering sources.
Magnetron- und andere Hochgeschwindigkeits-Zerstäu-bungsquellen erfordern wegen der hohen Betriebsleistung eine besonders intensive Kühlung der zu zerstäubenden Targetmaterialien. Hohe Zerstäubungsgeschwindigkeiten sind für die Prozessqualität sowie für die Wirtschaftlichkeit solcher Einrichtungen äusserst wichtig. Beispielsweise sind bei der Beschichtung von Silizium-Scheiben mit Aluminium in der Halbleiterindustrie hohe Dampfichten bzw. hohe Zerstäubungsraten notwendig, um ein optimales Verhältnis zwischen Dampfteilchendichte und Restgasteilchendichte in der Beschichtungskammer einstellen zu können. Eine Kontamination bzw. Verunreinigung durch unerwünschte Komponenten, wie z.B. 02, kann mit hohen Zerstäubungsgeschwindigkeiten verringert werden. Ausserdem lässt eine hohe Schichtaufwachsgeschwindigkeit bei Zerstäubungsanlagen grössere Durchsätze der zu beschichtenden Substrate zu, was zu einer Erhöhung der Wirtschaftlichkeit wesentlich beitragen kann. Magnetron and other high-speed atomization sources require particularly intensive cooling of the target materials to be atomized because of the high operating power. High atomization speeds are extremely important for the process quality and the economic viability of such facilities. For example, when coating silicon wafers with aluminum in the semiconductor industry, high vapor densities or high atomization rates are necessary in order to be able to set an optimal ratio between the vapor particle density and residual gas particle density in the coating chamber. Contamination or contamination by undesired components, e.g. 02, can be reduced with high atomization speeds. In addition, a high layer growth rate in sputtering systems allows larger throughputs of the substrates to be coated, which can contribute significantly to an increase in economy.
Um sehr hohe Zerstäubungsgeschwindigkeiten erreichen zu können, müssen entsprechend hohe elektrische Leistungen angewendet werden, was bei der Kühlung der Targets bisher vielfach zu Problemen führte. In order to be able to achieve very high atomization speeds, correspondingly high electrical powers have to be used, which has so far often led to problems when cooling the targets.
Eine gängige Lösung des Kühlproblems stellt die direkte Wasserkühlung dar. Bei dieser Methode wird das Kühlmedium Wasser direkt an die Rückseite des häufig als Platte ausgebildeten Targets geführt. Der Wärmekontakt zwischen Target und Kühlmedium ist dabei besonders gut und führt auch zu sehr guten Kühlleistungen. Ein schwerwiegender Nachteil ist aber die notwendige Dichtung, um das Kühlmedium vom Vakuum der Zerstäubungskammer zu trennen. Dies führt in der Praxis zu Betriebsunsicherheiten wegen Leckgefahr und wegen der notwendigen grossen Anzahl von Verschraubungen zu einem grösseren Arbeitsaufwand bei der Targetmontage bzw. Demontage. A common solution to the cooling problem is direct water cooling. With this method, the cooling medium water is fed directly to the back of the target, which is often designed as a plate. The thermal contact between target and cooling medium is particularly good and also leads to very good cooling performance. A serious disadvantage, however, is the seal required to separate the cooling medium from the vacuum of the atomization chamber. In practice, this leads to operational uncertainties due to the risk of leakage and due to the large number of screw connections required, resulting in a greater amount of work involved in target assembly and disassembly.
Eine andere bekannte Lösung verwendet ein besonderes Kontaktmittel zwischen einer Kühlplatte mit geschlossenen Wasserkanälen und dem Target. Sehr verbreitet ist auch die Methode, das Target mit einer speziellen Weichlotlegierung auf eine gekühlte Unterlage aufzulöten. Diese Methode ist jedoch teuer und umständlich. Auch ist eine grossflächige saubere Lötung nicht einfach zu beherrschen. Ab und zu werden als Kontaktmittel Kleber oder Pasten eingesetzt. In den meisten Fällen ist dies aber vakuumtechnisch — wegen Gasabgabe — nicht akzeptabel. Another known solution uses a special contact means between a cooling plate with closed water channels and the target. The method of soldering the target onto a cooled base with a special soft solder alloy is also very common. However, this method is expensive and cumbersome. Large-area clean soldering is also not easy to master. Occasionally, adhesives or pastes are used as contact media. In most cases, however, this is not acceptable from a vacuum point of view - due to the release of gas.
Eine weitere bekannte und oft verwendete Lösung — sie ist in Figur 1 dargestellt — ist das Aufklemmen eines Targets auf eine gekühlte Unterlage. Dabei wird das Target 1 mittels eines Klemmflansches 2 durch Schrauben 3 kräftig gegen die Kühlplatte 5 mit den Kühlkanälen 6 angedrückt. Diese Methode hat den Vorteil, dass das Target auf diese Weise leicht zu montieren und kostengünstig herzustellen ist, indem auf ein Festkleben oder Anlöten an eine gekühlte Unterlage verzichtet werden kann, und weil keine Dichtung zwischen Kühlwasser und Vakuum am Target nötig ist. Sie hat aber den grundlegenden Nachteil, dass durch den naturgmäss schlechten Wärmeübergang zwischen Target und Kühlplatte die abführbare Wärmemenge stark begrenzt ist. Dieser schlechte Wärmeübergang rührt davon her, dass auch bei einem festen Zusammenpressen von zwei Flächen nur punktuelle Kontaktstellen Zustandekommen. Bei der Ausführung nach Fig. 1 sind diese Kontaktstellen auf die Verschrau-bungszonen im Randbereich zwischen Target und Kühlplatte beschränkt. Die Wärme, welche an der Targetoberfläche entsteht, muss also in der Targetplatte erst zu diesen Ver-schraubungszonen hin abfliessen, um abgeführt werden zu können. Man hat versucht, die Kontaktflächen zu vergrös-sern, indem wie in Fig. 1 gezeichnet, Folien 4 aus geeigneten, weichen und leitenden Materialien, wie Zinn, zwischen Target und Kühlplatte gelegt wurden. Dies bringt zwar eine merkbare Verbesserung der Kühlleistung, das Einlegen der Folien ist aber kritisch und muss mit grosser Sorgfalt vorgenommen werden; trotzdem ist die Grösse oder Wärmeabfuhr starken Schwankungen unterworfen und nicht sicher reproduzierbar. Another known and often used solution - it is shown in Figure 1 - is the clamping of a target on a cooled base. The target 1 is pressed by means of a clamping flange 2 by screws 3 against the cooling plate 5 with the cooling channels 6. This method has the advantage that the target is easy to assemble and inexpensive to manufacture in this way, since there is no need to stick or solder to a cooled base, and because no seal between the cooling water and the vacuum on the target is necessary. However, it has the fundamental disadvantage that the dissipatable amount of heat is severely limited due to the inherently poor heat transfer between the target and the cooling plate. This poor heat transfer is due to the fact that even when two surfaces are firmly pressed together, only point contact points occur. 1, these contact points are limited to the screwing zones in the edge area between the target and the cooling plate. The heat that is generated on the target surface must first flow to these screwing zones in the target plate in order to be dissipated. Attempts have been made to enlarge the contact areas by, as shown in FIG. 1, placing foils 4 made of suitable, soft and conductive materials, such as tin, between the target and the cooling plate. Although this brings a noticeable improvement in the cooling performance, the insertion of the foils is critical and must be carried out with great care; nevertheless, the size or heat dissipation is subject to strong fluctuations and is not reliably reproducible.
Die vorliegende Erfindung hat sich demgegenüber die Aufgabe gestellt, Haltevorrichtungen für eine Targetplatte für Kathodenzerstäubung mit einer gekühlten Unterlage und mit Klemmen zum Anpressen der Targetplatte an die Unterlage so weiterzubilden, dass eine stärkere und gleich-mässigere Wärmeabführung vom Target erreicht und dadurch eine grössere Zerstäubungsleistung ermöglicht wird. In contrast, the present invention has as its object to develop holding devices for a target plate for cathode sputtering with a cooled base and with clamps for pressing the target plate onto the base in such a way that a stronger and more uniform heat dissipation from the target is achieved and thereby enables a greater atomization performance becomes.
Diese erfindungsgemässe Haltevorrichtung der eingangs genannten Art ist dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmen so ausgebildet sind, dass sie selbst mindestens 10% der insgesamt während des Zerstäubungsbetriebes am Target erzeugten Wärmemenge abführen. This holding device according to the invention of the type mentioned at the outset is characterized in that the clamps are designed such that they themselves dissipate at least 10% of the total amount of heat generated on the target during the atomization operation.
Besonders einfach lässt sich die Erfindung anwenden bei Anordnungen, bei denen die Klemmen am Rande eines Targets angreifen, indem diese Klemmen direkt mit Kühleinrichtungen verbunden werden. Solche Klemmen werden vorzugsweise mit zwei ringförmigen Anpressflanschen ausgebildet, die an die Ober- und Unterseite der Platte angepresst werden können. Die Flansche können selbst einen Hohlraum zum Durchleiten eines Kühlmittels aufweisen und an besonderen, vor allem am Umfang eines Targets angebrachten Kühlfahnen oder Kühllippen angreifen. The invention can be used particularly easily in arrangements in which the clamps engage on the edge of a target by connecting these clamps directly to cooling devices. Such clamps are preferably formed with two annular pressure flanges that can be pressed against the top and bottom of the plate. The flanges themselves can have a cavity for the passage of a coolant and can attack special cooling vanes or cooling lips, which are attached above all to the periphery of a target.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen noch näher beschrieben. The invention is described in more detail below on the basis of exemplary embodiments.
Figur 1 zeigt, wie erwähnt, eine bekannte Targetplatten-halterung; Figure 1 shows, as mentioned, a known target plate holder;
Figur 2 ein erstes einfaches Ausführungsbeispiel der Erfindung, mit Kühlung einer Targetplatte mittels einer am Figure 2 shows a first simple embodiment of the invention, with cooling of a target plate by means of an
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Umfange derselben angebrachten Schulter mit einem an diese angepressten, aktiv gekühlten Halteflansch; Surround the same attached shoulder with an actively cooled retaining flange pressed against it;
Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei das Target mit einer am Umfang durch zwei Schultern gebildeten Kühllippen ausgebildet ist, an welche beidseitig Kühl-flansche angepresst werden. Figure 3 shows a further embodiment, wherein the target is formed with a cooling lips formed on the circumference by two shoulders, to which cooling flanges are pressed on both sides.
Figur 4 zeigt eine Haltevorrichtung für Targetplatten mit zwei Kühllippen am Umfang; Figure 4 shows a holding device for target plates with two cooling lips on the circumference;
Figur 5 eine Halterung ebenfalls für ein Target mit einer Kühllippe am Umfang, sowie mit einer weiteren Kühlmöglichkeit mittels zusätzlicher gekühlter Ringklemmen an der Unterseite. 1 Figure 5 is a holder also for a target with a cooling lip on the circumference, and with a further cooling option by means of additional cooled ring clamps on the underside. 1
Figur 6 schliesslich zeigt die Möglichkeit, auch ein mit einer Unterlage verlötetes sogenanntes < gebondetes > Tàrget so zu gestalten, dass eine Haltevorrichtung nach der Erfindung mit Vorteil angewendet werden kann. FIG. 6 finally shows the possibility of also designing a so-called <bonded> target so that a holding device according to the invention can be used with advantage.
Die Halterung nach dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 besteht, wie ersichtlich, aus einer Kühlplatte 5, auf welche ein plattenförmiges Target 1, deren eine (in der Zeichnung obere) Seite zerstäubt werden soll, aufgelegt werden kann. Die Targetplatte weist eine Schulter auf, so dass entlang ihres Umfanges eine Kühllippe 12 entsteht, die durch einen ringförmigen Kühlflansch 2 mittels Schrauben 3 gegen die Unterlage gedrückt wird. Dabei ergibt sich ein sehr gut wärmeleitender Kontakt zwischen dem Kühlflansch 2 und der Oberseite der Kühllippe. Die Figur 2 zeigt ferner, dass die Kühlplatte 5 und der Kühlflansch 2 mit Kühlmittelkanälen 6 versehen sind, und dass in der Mitte der Platte eine weitere kühlbare Befestigung durch eine zusätzliche Ringklemme 13, die als Klemme im Sinne der vorliegenden Erfindungsbeschreibung anzusprechen ist, vorgesehen werden kann. Zwischen der Targetplatte 1 und der Kühlunterlage 5 können ausserdem in an sich bekannter Weise wärmeleitende Folien 4 oder andere Kontaktmittel eingelegt werden, um die Kühlung zu verstärken. As can be seen, the holder according to the exemplary embodiment in FIG. 2 consists of a cooling plate 5, on which a plate-shaped target 1, one side of which (in the drawing, upper side) is to be atomized, can be placed. The target plate has a shoulder, so that a cooling lip 12 is formed along its circumference, which is pressed against the base by an annular cooling flange 2 by means of screws 3. This results in a very good heat-conducting contact between the cooling flange 2 and the top of the cooling lip. FIG. 2 further shows that the cooling plate 5 and the cooling flange 2 are provided with coolant channels 6 and that a further coolable fastening is provided in the middle of the plate by an additional ring clamp 13, which is to be addressed as a clamp in the sense of the present description of the invention can. In addition, heat-conducting foils 4 or other contact means can be inserted between the target plate 1 and the cooling pad 5 in a manner known per se in order to intensify the cooling.
Das Beispiel der Figur 3 zeigt die Möglichkeit der Halterung einer Targetplatte mittels einer erfindungsgemässen Haltevorrichtung ohne eine gekühlte Unterlage, wie sie in Figur 2 verwendet wurde. Die Bezugsziffern haben dieselbe Bedeutung wie in Figur 2. In Figur 3 ist die Targetplatte an ihrer Ober- und Unterseite mit je einer Schulter entlang des Umfanges ausgebildet, wodurch wiederum eine die Platte umfangende Kühllippe 12 gebildet wird, an die nun von oben und von unten je ein aktiv gekühlter Doppelflansch 2 der Haltevorrichtung mittels der Schrauben 3 angepresst wird. Ähnlich wie in Figur 2 sind auch in diesem Falle in der The example in FIG. 3 shows the possibility of holding a target plate by means of a holding device according to the invention without a cooled base, as was used in FIG. The reference numerals have the same meaning as in FIG. 2. In FIG. 3, the top and bottom of the target plate are each formed with a shoulder along the circumference, which in turn forms a cooling lip 12 surrounding the plate, to which the top and bottom are now attached one actively cooled double flange 2 of the holding device is pressed by means of the screws 3. Similar to FIG. 2, in this case too
Plattenmitte beidseitig weitere Kühlklemmen 13 angebracht, mit der die Targetplatte 1 in gut wärmeleitendem Kontakt steht. Further cooling clamps 13 are attached to the center of the plate on both sides, with which the target plate 1 is in good heat-conducting contact.
In Figur 4 weist die Targetplatte im Vergleich zur Figur 3 an ihrem Umfang zwëi Kühllippen 12 auf, so dass insgesamt vier Kühlflächen vorhanden sind, gegen welche die vier Gegenflächen des Kühlflansches 2 mittels der Schrauben 3 angepresst werden. In FIG. 4, the target plate has two cooling lips 12 on its circumference in comparison to FIG. 3, so that there are a total of four cooling surfaces against which the four counter surfaces of the cooling flange 2 are pressed by means of the screws 3.
Bei der Ausführungsform der Figur 5 besitzt die Targetplatte in ihrem äusseren Umfang wieder nur eine Kühllippe, der eine Haltevorrichtung ähnlich derjenigen, die in Figur 3 dargestellt ist, zugeordnet werden kann. Zusätzlich sind weitere gekühlte Klemmringe 14 von kleinerem Durchmesser vorgesehen, deren Kühlflächen an einer Kühlrippe 15 an der Unterseite des in diesem Bereich thermisch am stärksten belasteten Targets anliegen, also dort, wo eine grössere Wärmeabfuhr erwünscht ist. In the embodiment of FIG. 5, the outer surface of the target plate again has only one cooling lip, to which a holding device similar to that shown in FIG. 3 can be assigned. In addition, further cooled clamping rings 14 of smaller diameter are provided, the cooling surfaces of which lie against a cooling fin 15 on the underside of the target which is most thermally loaded in this area, that is, where greater heat dissipation is desired.
Die Figur 6 schliesslich zeigt, wie schon erwähnt, den Fall eines sogenannten gebondeten Targets, d.h. eines Targets 1, das mit einer Unterlage 16 mit einer Kühllippe 12 durch Verschweissen oder Verlöten fest verbunden ist. Finally, as already mentioned, FIG. 6 shows the case of a so-called bonded target, i.e. a target 1 which is firmly connected to a base 16 with a cooling lip 12 by welding or soldering.
Der Fortschritt, der durch die Erfindung erreicht wurde, kann z.B. aus einem Vergleich der Betriebsdaten der bekannten Haltevorrichtung nach Figur 1 mit einer erfindungsgemässen Vorrichtung nach Figur 2 ersehen werden. Eine Haltevorrichtung nach der Figur 1 konnte mit einem Al-Si-Target vom 200 mm Durchmesser und 12 mm Dicke mit einer Leistung von 6 KW betrieben werden. Dabei erreichte das Target eine Temperatur — auf der Unterseite gemessen — von 200 °C. Wenn dagegen das gleiche Target in eine Haltevorrichtung gemäss Figur 2 eingespannt wurde, liess sich eine Betriebsleistung von 11 KW anwenden, wodurch eine wesentliche Erhöhung der Zerstäubungsgeschwindigkeit erzielt wurde; trotzdem stieg dabei die Temperatur auch nicht höher als 200°. Die Kühlung war also drastisch verbessert worden. The progress achieved by the invention can e.g. can be seen from a comparison of the operating data of the known holding device according to FIG. 1 with an inventive device according to FIG. A holding device according to FIG. 1 could be operated with an Al-Si target with a diameter of 200 mm and a thickness of 12 mm with an output of 6 KW. The target reached a temperature - measured on the underside - of 200 ° C. If, on the other hand, the same target was clamped in a holding device according to FIG. 2, an operating power of 11 KW could be used, as a result of which a substantial increase in the atomization speed was achieved; nevertheless, the temperature did not rise above 200 °. So the cooling had been drastically improved.
Unter Zerstäubungsgeschwindigkeit im Sinne dieser Beschreibung ist die Menge des pro Zeiteinheit von einer Zerstäubungsquelle abgestäubten Targetmaterials zu verstehen; oft wird diese Grösse in der Fachliteratur auch < Zerstäubungsrate > genannt. Atomization speed in the sense of this description is to be understood as the amount of the target material dusted per unit time by an atomization source; this size is often referred to in the specialist literature as <atomization rate>.
Ferner wird unter < Target > jener Körper verstanden, von dessen Oberfläche (oder einem Teil der Oberfläche) durch den Zerstäubungsvorgang Material abgetragen wird, meistens zu dem Zweck, um auf anderen Körpern, den sogenannten Substraten deponiert zu werden. Furthermore, <target> means the body from whose surface (or a part of the surface) material is removed by the atomization process, mostly for the purpose of being deposited on other bodies, the so-called substrates.
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1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings
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