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Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung für Targets von Sputterquellen, die als Magnetron ausgebildet sind, wobei ein Magnetron ein Target eines zu zerstäubenden Materials, eine Magnetanordnung, mittels der ein das Target durchdringendes Magnetfeld erzeugt wird, und eine Kühlanordnung mit einem von einem Kühlmedium durchflossenen Kühlkanal, der einen von dem Kühlmedium durchflossenen Querschnitt aufweist, wobei das Target mit dem Kühlkanal wärmeleitend verbunden ist.
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Eine Sputterquelle dient dem Auftrag eines Materials auf ein Substrat in einem Hochvakuum. Sputterquellen sind als Magnetrons ausgebildet und sind in Kathodenzerstäubungsanlagen als Kathode geschaltet. Ein Magnetron weist ein Target eines zu zerstäubenden Materials und eine Magnetanordnung auf, mittels der ein das Target durchdringendes Magnetfeld erzeugt wird. Bei diesen Magnetrons wird ein Plasma des Prozessgases erzeugt, welches dafür sorgt, dass das Targetmaterial zerstäubt wird und dieses zerstäubte Material als Beschichtungsteilchenstrom auf dem Substrat abgeschieden werden kann. Das Zerstäuben des Targetmaterials wird als Sputtern bezeichnet.
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Die Beschichtung selbst kann nichtreaktiv erfolgen, wobei das aus dem Target oder dem Tiegel herausgelöste Material sich unverändert auf dem Substrat abscheidet. Die Beschichtung kann aber auch reaktiv erfolgen, wobei ein zweites Material, in der Regel ist dies ein Reaktivgas, in die Prozesskammer geführt wird, welches dann mit dem Beschichtungsteilchenstrom des Targetmaterials in Reaktion tritt, beispielsweise bei Zugabe von Sauerstoff oxidiert. Das so chemisch veränderte Material wird auf dem Substrat abgeschieden. Bei einer reaktiven Beschichtung mit einem Magnetron wird das Reaktivgas im Plasma ionisiert und reagiert mit dem zerstäubten Targetmaterial.
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Bei dem Sputterprozess erwärmt sich das Target. Aus diesem Grunde ist in dem Magnetron zur Vermeidung einer Überhitzung des Magnetrons eine Kühlanordnung angeordnet, welche die Verlustleistung des Sputterprozesses in Form von Wärme abführt. Die Kühlanordnung besteht aus einem Kühlkanal, welcher von einem Kühlmedium durchflossen wird. Dieser Kühlkanal steht mit dem Target in wärmeleitender Verbindung.
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Magnetrons werden vorzugsweise auch in Durchlaufbeschichtungsanlagen eingesetzt. In diesen wird zumeist ein flächig erstrecktes Substrat oder ein ähnlicher Substratträger mit mehreren Substraten in einer Transportrichtung in Längserstreckung der Durchlaufbeschichtungsanlage hindurchgeführt und in Beschichtungsstationen mittels eines Magnetrons beschichtet. Dabei sind in aller Regel mehrere Magnetrons in einer Durchlaufbeschichtungsanlage angeordnet. Mit diesen können verschiedenste Schichteigenschaften eingestellt werden.
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Die Magnetrons können als Planarmagnetron oder als Rohrmagnetron ausgebildet werden.
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Um die gesamte Breite des Substrates oder Substratträgers zu erfassen, ist ein solches Magnetron längserstreckt ausgebildet und liegt mit seiner Längserstreckung quer zur Längserstreckung der Durchlaufbeschichtungsanlage. Dementsprechend ist die Kühlanordnung in dem Magnetron, wie das Magnetron selbst, längserstreckt ausgebildet.
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Über die Längserstreckung der Kühlanordnung wird während des Sputterprozesses ständig Wärme vom Target an das Kühlmedium durch Wärmeübertragung abgegeben. Die dadurch entlang des Kühlmediumweges ansteigende Temperatur des Kühlmediums beeinflusst die temperaturabhängigen Stoffwerte des Kühlmediums und damit auch die Wärmeübertragung selbst. Die sich verändernde Leistung der Kühlanordnung entlang des Kühlweges hat Einfluss auf die sich lokal einstellende Temperatur des Targets und damit auf die Temperaturverteilung. Diese ungleichmäßige Temperaturverteilung an der Targetoberfläche beeinflusst zum einen das Abstrahlungsverhalten, aber verursacht vor allem auch eine Veränderung der Prozessbedingungen wie beispielsweise Gasdichte oder Gaszusammensetzung des Prozessgases und damit auch das Sputterverhalten an der Targetoberfläche. Eine Folge davon sind unerwünschte Veränderungen bezüglich der Sputterrate, der Beschichtungsrate auf dem Substrat und der Eigenschaften der abzuscheidenden Schicht. Betroffen sind sowohl Sputterquellen mit rohrförmigen, wie auch mit planaren Targets.
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US 4,132,613 A befasst sich mit einer Vorrichtung, bei der ein drahtförmiges Substrat durch das Innere einer doppelt konischen Doppelkathodenanordnung geführt wird. Um diese Doppelkathodenanordnung herum ist eine zylindrische Hülse angeordnet, und die Zwischenräume zwischen den konischen Kathoden und der zylindrischen Hülse dienen zur Kühlung der Targets.
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US 5,328,585 A regt für Planarmagnetrons an, den Kühlkanal im unmittelbaren Targetbereich relativ eng zu gestalten, um eine möglichst hohe Strömungsgeschwindigkeit zu erreichen.
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In
DE 38 10 175 A1 wird zur Kühlung des Targets eines Planarmagnetrons vorgeschlagen, das Kühlmittel unterhalb des Targets zentral zuzuführen und dann unter dem Target allseitig radial auswärts zu verteilen. Da der Umfang des Kühlmittelkanals mit zunehmendem Radius wächst, wird vorgeschlagen, die Höhe des Kühlmittelkanals zu verringern, damit der Querschnitt des Kühlkanals konstant bleibt und das zugeführte Kühlmittelvolumen den Kühlkanal ausfüllen kann.
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Aus
DE 32 29 969 A1 ist bekannt, dass quer zur Strömungsrichtung angeordnete Strömungsleitbleche zur Aufrechterhaltung einer turbulenten Strömung verwendet werden können.
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In der
DE 100 18 858 B4 wurde eine Lösung aufgezeigt, wie bei einem planaren Magnetron Einfluss auf die lokale Kühlleistung genommen werden kann. Darin ist vorgesehen, dass in einer Platte zwischen der Kühlanordnung und dem Target Einlagen mit verminderter Leitfähigkeit angeordnet sind. Mit der Form der Einlagen kann sodann Einfluss auf das Wärmeprofil genommen werden. Allerdings wird durch diese Art der Einflussnahme auf das Wärmeprofil die Kühlleistung minimiert.
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Mit der
WO 2009/138348 A1 wurde die Realisierung einer Kühlanordnung in einem Rohrmagnetron beschrieben. Dieses Rohrmagnetron weist ein Targetgrundrohr auf, auf dessen Außenseite das Targetmaterial angeordnet ist. Die Innenseite steht mit einem Kühlmedium, wofür vorzugweise Wasser eingesetzt wird, in Verbindung. Das Kühlmedium wird über eine Kühlmediumzufuhrleitung, die im Inneren eines Füllkörpers, der auch die Magnetanordnung trägt und dementsprechend als Magnetträger bezeichnet wird, in Längserstreckung des Rohrmagnetrons von einem ersten Ende des Magnetrons zum auf der anderen Seite liegenden zweiten Ende zugeführt. Dort strömt das Kühlmedium aus. Es wird dann über einen Kühlkanal zum ersten Ende zurückgeführt, wo es wieder von einem Kühlmittelauslass aufgenommen wird. Der Kühlkanal ist als Hohlraum zwischen dem Magnetträger und der Innenseite des Targetgrundrohres ausgeführt, so dass das Kühlmedium die Wärme, die in dem Target entsteht und über das Targetgrundrohr geleitet wird, von der Innenseite des Targetgrundrohres direkt aufnimmt.
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Der Wärmeübergang vom Rohr an das Kühlmedium ist abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen wärmeabgebender Fläche, d.h. der Innenwand der Targetgrundrohres als eine Wand des Kühlkanals und der Kühlmedientemperatur sowie von den Strömungsverhältnissen des Kühlmediums in dem Kühlkanal.
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Dieser Abhängigkeit soll bei dieser bekannten Lösung, durch eine Anströmung des Targets mit gleicher Kühlmediumtemperatur Rechnung getragen werden. Jedoch ergeben sich durch Rückströmungen und Druckverluste immer noch ansteigende Temperaturen über die Länge des Kühlkanals.
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Die Aufgabe ist, die Kühlanordnung in der Art zu gestalten, dass sich durch eine gleichmäßige Kühlleistung über die Länge der Kühlanordnung eine gleiche Targettemperatur einstellt.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Kühlanordnung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. In den Unteransprüchen 2 bis 7 sind günstige Ausführungsformen angegeben.
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Demnach ist vorgesehen, dass der von dem Kühlmedium durchflossene Querschnitt des Kühlkanals entlang des Flusses des Kühlmediums die Fließgeschwindigkeit des Kühlmediums erhöhend kontinuierlich variiert. Dabei ist der von dem Kühlmedium durchflossene Querschnitt des Kühlkanals entlang der Längserstreckung der Kühlanordnung geometrisch so angepasst, dass sich durch Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit eine gleichmäßige Wandtemperatur der sich im Kontakt oder zumindest in wärmeleitender Verbindung mit dem Target befindlichen Fläche des Kühlkanals einstellt.
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Insbesondere bei einem über die Länge des Kühlkanals im Wesentlichen kontinuierlichen Wärmeeintrag in den Kühlkanal ist es zur Homogenisierung des Temperaturverlaufes über die Länge des Targets vorteilhaft, den Querschnitt kontinuierlich variierend zu gestalten. Erfolgt der Wärmeeintrag dabei im Wesentlichen linear, ist es zudem vorteilhaft, den Querschnitt linear zu variieren. Bei einem nichtlinearen Wärmeeintrag, bei dem beispielsweise die Randzonen des Magnetrons einen anderen Wärmeeintrag aufweisen können als mittlere Bereiche, ist es von Vorteil, dem dadurch Rechnung zu tragen, dass der Querschnitt nichtlinear variiert.
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Die Anpassung des Querschnittes kann auch dadurch erfolgen, dass der Querschnitt diskontinuierlich variiert, beispielsweise abschnittsweise variiert. Dabei ist es möglich, dass der Querschnitt innerhalb eines Abschnittes konstant ist, linear oder nichtlinear variiert.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich der durchflossene Querschnitt entlang des Kühlkanals vom Kühlmediumeinlass zum Kühlmediumauslass verjüngt.
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Die kontinuierliche Verkleinerung des durchflossenen Querschnitts über die Länge der Kühlanordnung hat eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit zur Folge, was wiederum maßgeblich Einfluss auf die Reynoldszahl und damit auf die Nusselt-Zahl, einen dimensionslosen Wärmeübergangskoeffizienten, hat. Die kontinuierliche Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit wirkt somit dem negativen Einfluss der steigenden Temperatur des Kühlmediums entgegen, so dass der Wärmeübergang konstant bleibt.
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Der Querschnitt kann auch durch eine Aneinanderreihung von Kühlkanalteilen mit verschiedenem Querschnitt angepasst werden. Bei der Fertigung werden die einzelnen Kühlkanalteile dicht miteinander verbunden. Damit entsteht eine Kühlmediumleitung mit einem über ihre Länge angepassten Querschnitt.
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In einer anderen Ausführungsform ist bei einer entsprechenden Eignung der Querschnittsform des Kühlkanals vorgesehen, dass der Querschnitt durch eine Einlage in dem Kühlkanal angepasst ist. Insbesondere bei einer Sputterquelle mit planarem Magnetron und einem Kühlkanal mit rechteckigem Querschnitt, kann die Änderung des durchflossenen Querschnitts durch die Einlage gestaltet werden. Die Einlage selbst kann aus mehreren Teilen bestehen.
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Bei einer Sputterquelle mit rohrförmigem Magnetron und einem Kühlkanal mit Ringspaltquerschnitt kann die Änderung des durchflossenen Querschnitts durch eine schrittweise Vergrößerung des Durchmessers des Magnetträgers eingestellt werden.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt
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1 eine perspektivische Prinzipdarstellung einer Durchlaufbeschichtungsanlage nach dem Stand der Technik,
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2 einen Querschnitt durch ein Rohrmagnetron nach dem Stand der Technik,
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3 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäß gestalteten Kühlkanal mit einer Einlage in einem Kühlkanal eines Planarmagnetrons,
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4 einen Längsschnitt durch einen Kühlkanal mit einem erfindungsgemäß gestalteten Magnetträger bei einem Rohrmagnetron,
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5 einen Querschnitt entlang der Linie V-V in 4 und
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6 einen Querschnitt entlang der Linie VI-VI in 4.
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Wie in
1 dargestellt, wird ein Magnetron
1 in einer Durchlaufbeschichtungsanlage
2 eingesetzt. In diesen wird zumeist ein flächig erstrecktes Substrat
3 auf einem Transportsystem
4 in einer Transportrichtung in Längserstreckung
5 der Durchlaufbeschichtungsanlage
2 hindurchgeführt und mittels Magnetrons
1 beschichtet. Die Magnetrons
1 können als Planarmagnetron
6, wie beispielsweise in der
DE 100 18 858 B4 beschrieben, oder als Rohrmagnetron
7, ausgebildet werden.
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Um die gesamte Breite des Substrates 3 zu erfassen, ist ein solches Magnetron 1 längserstreckt ausgebildet und liegt mit seiner Längserstreckung 8 quer zur Längserstreckung 5 der Durchlaufbeschichtungsanlage 2.
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In
2 ist schematisch ein Rohrmagnetron dargestellt, das in der eingangs genannten
WO 2009/138348 A1 eingesetzt wird. Damit wird eine Kühlanordnung in einem Rohrmagnetron
7 dargestellt.
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Dieses Rohrmagnetron 7 weist ein Targetgrundrohr 9 auf, auf dessen Außenseite 10 das Material des Targets 11 angeordnet ist. Die Innenseite 12 wird von Wasser als Kühlmedium, umspült. Das Kühlmedium wird von einem Kühlmitteleinlass 13 über eine Kühlmediumzufuhrleitung 14, die im Inneren eines Magnetträgers 15, der die Magnetanordnung 16 trägt, in Längserstreckung 8 des Rohrmagnetrons 7 von einem ersten Ende 17 des Magnetron 7 zum auf der anderen Seite liegenden zweiten Ende 18 zugeführt. Dort strömt das Kühlmedium aus.
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Es wird dann über einen Kühlkanal 19 zum ersten Ende 17 zurückgeführt, wo es wieder von einem Kühlmittelauslass 20 aufgenommen wird. Der Kühlkanal 19 ist als Hohlraum zwischen dem Magnetträger 15 und der Innenseite 12 des Targetgrundrohres 9 ausgeführt, so dass das Kühlmedium die Wärme, die in dem Target 11 entsteht und über das Targetgrundrohr 9 geleitet wird, von der Innenseite 12 direkt aufnimmt.
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Die Kühlanordnung umfasst also unter anderem den Kühlmediumeinlass 13, die Kühlmediumzufuhrleitung 14, den Kühlkanal 19 und den Kühlmediumauslass 20. Diesem sind selbstverständlich noch Mittel zur Zu- und Abführung sowie zur Kühlmediumaufbereitung vor- und nachgeschaltet.
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Wie in den 3 bis 6 dargestellt, ist der Querschnitt eines Kühlkanals 19 der Kühlanordnung entlang der Längserstreckung 8 oder entlang des Flusses 21 des Kühlmediums geometrisch so angepasst, dass sich durch Veränderung des durchflossenen Querschnitts eine gleichmäßige Wandtemperatur der sich im Kontakt mit dem Target 11 befindlichen Fläche des Kühlkanals 19 einstellt. In diesem Ausführungsbeispiel verjüngt sich der Querschnitt entlang des Kühlkanals (19) vom Kühlmediumeinlass 13 zum Kühlmediumauslass 20. Die Querschnittsveränderung kann als lineare oder nichtlineare, als stetige oder nichtstetige Verjüngung oder dergleichen ausgestaltet werden, je nachdem welcher Verlauf zu dem gewünschten Erfolg bei den jeweiligen Gegebenheiten führt.
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Wie in 3 dargestellt, ist in einem Ausführungsbeispiel der Querschnitt durch Einlagen 22 in dem Kühlkanal (19) angepasst. Dies kann insbesondere bei einer Sputterquelle mit planarem Magnetron 6 und einem Kühlkanal (19) mit rechteckigem Querschnitt eingesetzt werden.
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Bei einer Sputterquelle mit rohrförmigem Magnetron 7 und einem Kühlkanal 19 im Ringspaltquerschnitt, d.h. zwischen der Innenseite 12 des Targetgrundrohres 9 und dem Magnetträger 15, kann gemäß 4 bis 6 erfindungsgemäß die Änderung des durchflossenen Querschnitts durch eine schrittweise Vergrößerung des Durchmessers des Magnetträgers 15 eingestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Magnetron
- 2
- Durchlaufbeschichtungsanlage
- 3
- Substrat
- 4
- Transportanordnung
- 5
- Längserstreckung der Durchlaufbeschichtungsanlage
- 6
- Planarmagnetron
- 7
- Rohrmagnetron
- 8
- Längserstreckung des Magnetron
- 9
- Targetgrundrohr
- 10
- Außenseite des Targetgrundrohres
- 11
- Target
- 12
- Innenseite des Targetgrundrohres
- 13
- Kühlmitteleinlass
- 14
- Kühlmediumzufuhrleitung
- 15
- Magnetträger
- 16
- Magnetanordnung
- 17
- erstes Ende
- 18
- zweites Ende
- 19
- Kühlkanal
- 20
- Kühlmediumauslass
- 21
- Fluss des Kühlmediums
- 22
- Einlage
