Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung und ein Kühlverfahren für Sputtertargets.

Beim Sputtern, welches häufig auch als Kathodenzerstäubung bezeichnet wird, werden Atome aus einem als Target oder Sputtertarget bezeichneten Festkörper durch Beschuss mit energiereichen Teilchen herausgelöst. In der Regel erfolgt dieser Vorgang in einem Unterdruck-Rezipienten, um mit diesen aus dem Sputtertarget herausgelösten Atomen oder Clustern von Atomen Beschichtungsvorgänge durchzuführen.

Diesem Verfahren liegt der folgende Mechanismus, somit Sputter- Mechanismus, zugrunde: Auf das Target gerichtete, bombardierende Teilchen, welche in der Regel Edelgasatome oder -ionen umfassen, übertragen ihren Impuls auf Atome des Targets, die in einer Stoßkaskade weitere Kollisionen innerhalb des Targets auslösen. Nach mehreren Kollisionen hat ein Teil der Targetatome einen aus dem Target herausweisenden Impuls und verlässt das Target.

Diejenige Dicke des Targets, welche pro Zeiteinheit während des Sputterns abgetragen wird, wird auch als Sputterrate bezeichnet und hängt unter anderem von der kinetischen Energie der bombardierenden Ionen ab. Die kinetische Energie der bombardierenden Ionen beträgt in typischer Weise jeweils mehr als 300eV und die kinetische Energie der das Target verlassenden und somit als gesputterte Atome bezeichneten Atome beträgt in typischerweise weniger als 10eV, wobei die überschüssige Energie der bombardierenden Teilchen im Target verbleibt.

Es können leitende und nichtleitende Targetmaterialien gesputtert werden.

Beim DC-Sputtern liegt am Target eine Gleichspannung von einigen hundert Volt relativ zu einer Bezugsanode an. Die bombardierenden Ionen sind positiv geladene Ionen und erhalten ihre Energie im Wesentlichen durch Beschleunigung in einem durch die Gleichspannung erzeugten elektrischen Feld. DC-Sputtern setzt jedoch elektrisch leitende Sputtermaterialien voraus, damit Ladungen vom Target abfließen können.

Beim HF-Sputtern beschleunigen hochfrequente elektrische Wechselfelder Elektronen in einem Plasma nahe am Target. Diese ionisieren Atome eines Prozessgases. Gelangen Elektronen zum elektrisch nichtleitenden Target, wird die Oberfläche des Targets negativ aufgeladen, da die elektrischen Ladungen nicht abfließen können. Durch die negative Oberflächenladung werden wiederum die positiv geladenen Edelgasionen in Richtung des Targets beschleunigt, wodurch ebenfalls der zuvor beschriebene Prozess des Herausschlagens von Atomen aus dem Festkörperverbund des Targets abläuft.

HF-, lonenstrahl- und Atomstrahl-Sputtern (mit neutralen Atomen) eignen sich generell für elektrisch nichtleitende Sputtermaterialien.

Nichtleitende Beschichtungen, die beispielsweise eine Vielzahl von Oxiden oder Nitriden umfassen können, sind auch durch reaktives Sputtern herstellbar.

Dabei wird ein Target zerstäubt, wobei die Sputteratome dann mit einem separat zugeführten Prozessgas reagieren.

Etwa 80-90% der in das Target eingebrachten Beschussenergie müssen jedoch mit einer oft aufwändigen, aktiven Kühlung aus dem Target wieder abgeführt werden, um dessen Zerstörung oder Überhitzung zu vermeiden.

Ein effizientes Sputtern erfordert hohe Flußdichten der bombardierenden Teilchen: Eine Sputterrate von 1 pm/min erfordert z.B. eine lonen-Stromdichte von der Größenordnung 0.005A/cm ² . Wird pro Ion eine Energie von bspw. 400eV im Target deponiert, dann wird das Target hierbei mit einer Flächenheizdichte von der Größenordnung 2W/cm ² beaufschlagt. Ein 40cm durchmessendes, homogen bestrahltes Target würde also dabei mit mehr als 2.5kW aufgeheizt werden, wodurch es aufschmelzen kann.

Neben der Aufheizung des Targets durch bombardierende Ionen kann auch eine direkte Aufheizung durch die thermische Strahlung vom heißen Plasma eine erhebliche Rolle spielen. Deshalb sind in der Regel effiziente Maßnahmen zur Kühlung des Targets erforderlich oder zumindest erwünscht.

Dabei ist die Heizleistung häufig kein Problem, denn selbst 5kW lassen sich beispielsweise mit Wasserkühlung bei einer Aufwärmung von ca. 50°C mit einem Durchsatz von etwa 25cm ³ /s abführen. Die Wärme aus dem Target selbst zum Kühlmedium zu transportieren, kann dagegen schwierig werden.

DE 3226717 A1 beschreibt ein bewegliches Target in Form eines Bandes oder Stabes, das sich im bombardierenden Teilchenstrahl bewegt, um die lokale thermische Belastung zu vermindern.

Meist werden jedoch platten- oder schalenförmige Targets flächig mit Kühlkörpern verbunden. DE 10056257 A1 , DE 19916938 A1 und EP 0614997 A1 beschreiben beispielhaft Kühlkörper mit Kühlkanälen für Kühlflüssigkeiten.

Im Kühlkörper der DE 112010002010 T5 sind Kühlkanäle so angeordnet, dass das Target im momentan bestrahlten Bereich gekühlt wird.

EP 1826811 A1 beschreibt Kühlverfahren, bei welchen Kühlmedien mit Vorlauftemperatur deutlich unter Raumtemperatur bis -100°C durch mäanderförmige Kühlkanäle geführt werden. Als Kühlmedium werden Gase, Wasser, Alkohole, Kohlenwasserstoffe, Fluorkohlenwasserstoffe sowie Gemische von diesen vorgeschlagen. Bevorzugt wird Wasser, welches mit Frost- oder Siedeschutzmitteln z.B. auf Propylenglykolbasis gemischt ist, verwendet.

In der Regel liegt die Vorlauftemperatur des Kühlmediums bei Raumtemperatur, somit bei etwa 20°C, um Kondensation und Korrosion an den Sputteranlagen zu vermeiden. Es kommt in der Praxis kaum vor, dass die Zulauftemperatur der Kühlflüssigkeit deutlich unter der Raumtemperatur oder gar unter 0°C liegt, weil dies erfahrungsgemäß zu Problemen am Vakuumrezipienten führt.

Die Ablauftemperatur liegt selten über 100°C.

Es ist technisch am einfachsten, mit Kühlflüssigkeiten auf Wasserbasis im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis zur Siedetemperatur bei Normaldruck zu kühlen. Die Kühlvorrichtungen, Kühlkörper, -kanäle, -leitungen, Anschlussflansche, sollen zur Aufwandsminderung fest installiert oder aus Kostengründen zumindest wiederverwendbar sein.

Im realen Betrieb sollen Targets tauschbar sein, da prinzipbedingt ein Verbrauch der Targetmaterialien vorliegt und ein entsprechender Wechsel von Targetmaterialien vorteilhaft ist. Es sind hierzu lösbare Spannvorrichtungen für Targets auf den Kühlvorrichtungen einsetzbar. Wichtig ist dabei eine gute Wärmeübertragung von Targets auf Kühlkörper. DE 3148354 A1 beschreibt z.B. eine Verschraubung des Targets mit dem Kühlkörper mit zusätzlichen gut wärmeleitenden Schichten in Form von Pasten, Metallpulvern und -folien zwischen Target und Kühlkörper. Ein Problem stellt jedoch dabei häufig die Wärmeleitung im Sputtertarget selbst dar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlung von Targets, insbesondere von Sputtertargets, welche schlecht-wärmeleitende Materialien umfassen oder aus schlecht-wärmeleitenden Materialien bestehen, zu verbessern.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche 1 und 10 gelöst, wobei bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen auch in der Beschreibung und den Zeichnungen offenbart sind.

Die Erfindung offenbart somit eine Kühlvorrichtung für zumindest ein Sputtertarget, umfassend einen Targetträger (3) und mindestens eine Wärmepumpe (4), bei welcher ein Sputtertarget (1 ) an dem Targetträger (3) gehalten ist und die zumindest eine Wärmepumpe (4) mindestens ein Peltierelement umfasst.

Die Erfindung betrifft weiter eine Kühlvorrichtung für mindestens ein Sputtertarget, umfassend einen Targetträger, in welcher ein Sputtertarget auf dem Targetträger gehalten wird und mindestens eine Wärmepumpe dem Targetträger und insbesondere das Sputtertarget auf eine Temperatur unter 0°C kühlt, ohne einen Kühlkörper mit Kühlkanälen zu verwenden. Die Erfindung offenbart weiter ein Verfahren zum Kühlen zumindest eines Sputtertargets, bei welchem ein Sputtertarget an einem Targetträger gehalten wird, und mittels mindestens einer Wärmepumpe (4) die mindestens ein Peltierelement umfasst, wobei das Sputtertarget (1 ) eine Targetunterseite (1-2) aufweist, und wobei die Targetunterseite (1-2) vorzugsweise vor dem Sputtern auf eine Temperatur unter 0°C gekühlt wird.

Um die Erfindung besser zu verstehen, sei dieser Sachverhalt zunächst anhand der Fig. 2 skizziert, welche einen Vertikalschnitt durch ein Target 1 und einen Kühlkörper 2 mit in diesem zumindest teilweise integrierten Kühlkanälen 2-3 zeigt.

Die Wärme entsteht während des Sputterns in einer dünnen Schicht an der beim Sputtern bestrahlten oder mit den Teilchen bombardierten Targetfläche 1- 1 , welche auch abkürzend als Targetoberseite bezeichnet wird, und wird in der Regel dann an der strahlabgewandten Fläche 1-2, welche auch als Targetunterseite bezeichnet wird, vom Kühlkörper 2 abgeführt.

Die Wärme muss durch das Target 1 fließen, wenn man dieses wirksam abkühlen will, und erzeugt dabei einen Temperaturgradienten im Target 1 selbst.

Mit der vorstehend erwähnten Wärmepumpe ist es nun möglich, die Temperatur des Targetträgers noch stärker zu kühlen als mit dem Kühlkörper allein. Insbesondere ist es hierbei möglich, beispielsweise vor Beginn des Sputterns, den Targetträger und insbesondere auch das Sputtertarget auf eine Temperatur zu kühlen, welche niedriger ist.

Vorteilhaft umfasst die zumindest eine Wärmepumpe ein Peltierelement oder besteht aus diesem. Bevorzugt sind dabei die Außenflächen der Peltierelemente metallisiert.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Kühlvorrichtung ein monolithisches Target, welches die Gefahr einer Partikelbildung vermindert.

Gemäß alternativer Ausführungsformen kann die Kühlvorrichtung aber auch segmentierte Sputtertargets umfassen, welche vorzugsweise kachelartig oder als Kacheln am Targetträger gehalten sind. Segmentierte Sputtertargets können hilfreich sein, um thermische Spannungen bei Temperaturwechsel gering zu halten.

Wenn der oder die Targetträger gut wärmeleitende Metalle, insbesondere Aluminium, AI, oder Kupfer, Cu, umfassen oder aus diesen bestehen, wird hierdurch neben einer besseren Wärmeabführung auch die Wärmeverteilung innerhalb des Sputtertargets homogener und werden temperaturbedingte Spannungen innerhalb des Sputtertargets gemildert.

Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Kühlvorrichtung segmentierte Wärmepumpen, insbesondere kachelförmige Peltierelemente. Hierbei können die kachelförmigen Peltierelemente einzeln oder in Gruppen definiert ansteuerbar sein.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Sputtertarget ein Glas, insbesondere ein Si02-haltiges Glas mit niedriger Wärmedehnung. Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst das Sputtertarget ein Chalcogenidglas, insbesondere ein Chalcogenidglas IRG26 der Schott AG mit der Zusammensetzung As4oSe6o oder ein Chalcogenidglas gleicher oder ähnlicher Zusammensetzung. In weiterer Ausgestaltung können die Sputtertargets jeweils ein verschiedenes Sputtermaterial umfassen oder aus diesem bestehen.

Bei dem Verfahren zum Kühlen eines Sputtertargets kann die Temperatur des Sputtertargets gegenüber der Temperatur des Targetträgers besonders vorteilhaft bereits vor Beginn des Sputterns erniedrigt werden, sodass dann während des nachfolgenden Sputterns die Temperatur des Sputtertargets im Vergleich zu einem Targetträger ohne daran angebrachte Wärmepumpe langsamer ansteigt und hierdurch in der Regel auch länger dauernde Sputtervorgänge ermöglicht werden.

Hierbei kann die Vorlaufzeit, während welcher das Sputtertarget relativ zu dem Targetträger vor Beginn des Sputterns gekühlt wird, bis zu 5 Stunden betragen. Bei den Ausführungsbeispielen der Figur 7 und 10 abschätzen tritt ab etwa drei Stunden Vorlaufzeit keine signifikante weitere Abkühlung des Sputtertargets ein. Vorteilhaft kann aber auch während des Sputterns dem Target mittels der Wärmepumpe weiterhin Wärme entzogen werden.

Bei einer vorliegend offenbarten Ausführungsform umfasst das Targetmaterial Si02-haltiges Glas. Bei einer weiteren vorliegend offenbarten Ausführungsform umfasst das Targetmaterial Chalcogenidglas.

Generell können mit dem vorliegend offenbarten Verfahren und der vorliegend offenbarten Vorrichtung mittels Sputtern Beschichtungsvorgänge effektiver durchgeführt werden als mit Vorrichtungen und Verfahren, welche nicht über die vorliegend offenbarten Wärmepumpen verfügen.

Bei den vorliegend offenbarten Verfahren kann das Sputtern beispielsweise mittels DC-, HF-, Magnetron-, Bias- oder Atomstrahl-Sputtern durchgeführt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 einen Vertikalschnitt durch eine

Kühlvorrichtung für ein Sputtertarget mit einem Target 1 , welches an einem Targethalter 3 gehalten ist, und einem Kühlkörper 2 mit in diesem zumindest teilweise integrierten Kühlkanälen 2-3, bei welcher eine Wärmepumpe 4 zwischen dem Kühlkörper 2 und dem Targethalter 4 angeordnet ist;

Figur 2 einen Vertikalschnitt durch eine herkömmliche Kühlvorrichtung für ein Sputtertarget mit einem Target 1 und einem Kühlkörper 2 mit in diesem zumindest teilweise integrierten Kühlkanälen 2-3;

Figuren 3a bis 3c elektrische Beschaltungen der Sputteranlage sowie der

Vorrichtung zur Kühlung eines Sputtertargets sowie jeweils die Beschaltung der ein Peltierelement umfassenden Wärmepumpe;

Figur 4 ein Ausführungsbeispiel von Bestandteilen einer

Kühlvorrichtung für ein Sputtertarget, in einer teilweise geschnitten dargestellten dreidimensionalen Ansicht, bei welcher ein Kreissektor sowohl aus dem Target, dem Targetträger, der Wärmepumpe als auch dem Kühlkörper ausgeschnitten dargestellt wurde und das Target ein niedrigdehnendes Si02-haltiges Glas, in diesem Beispiel Quarzglas, umfasst; Figur 5 die zeitliche Temperaturentwicklung während des Sputterns im Sputtertarget bei inaktiver Wärmepumpe, somit inaktivem Peltierelement oder inaktivem Peltierkühler;

Figur 6 die zeitliche Temperaturentwicklung während des Sputterns im Sputtertarget bei aktiver Wärmepumpe, somit aktivem Peltierelement oder aktivem Peltierkühler;

Figur 7 die zeitliche Temperaturentwicklung im Sputtertarget bei aktiver Wärmepumpe, somit aktivem Peltierelement oder aktivem Peltierkühler, welche mit einem zeitlichen Vorlauf vor dem S puttervorgang aktiviert wurde; Figur 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel von Bestandteilen einer Kühlvorrichtung für ein Sputtertarget, in einer teilweise geschnitten dargestellten dreidimensionalen Ansicht, bei welcher ein Kreissektor sowohl aus dem Target, dem Targetträger, der Wärmepumpe als auch dem Kühlkörper ausgeschnitten dargestellt wurde und das Target ein Chalcogenidglas, in diesem Beispiel das Chalcogenidglas IRG26 der Schott AG, umfasst;

Figur 9 die zeitliche Temperaturentwicklung ohne aktive Wärmepumpe, somit ohne aktives Peltierelement oder ohne aktiven Peltierkühler an der Unter- und Oberseite des in Figur 8 dargestellten Sputtertargets für eine Fleizdichte von 0.26W/cm ² ;

Figur 10 die zeitliche Temperaturentwicklung mit aktiver Wärmepumpe, somit mit aktivem Peltierelement oder mit aktivem Peltierkühler an der Unter- und Oberseite des in Figur 8 dargestellten Sputtertargets für eine Fleizdichte von 0.26W/cm ² ; Figur 11 ein nochmals weiteres Ausführungsbeispiel von Bestandteilen einer Kühlvorrichtung für ein Sputtertarget, in einer teilweise geschnitten dargestellten dreidimensionalen Ansicht, bei welcher ein Kreissektor sowohl aus dem Target, dem Targetträger, der Wärmepumpe als auch dem Kühlkörper ausgeschnitten dargestellt wurde und das Target ein Chalcogenidglas, in diesem Beispiel das Chalcogenidglas IRG26 der Schott AG, umfasst, und bei welchem die Wärmepumpe und somit das Peltierelement oder der Peltierkühler zweistufig ausgeführt sind; Figur 12 die zeitliche Temperaturentwicklung mit aktiver Wärmepumpe, somit mit aktivem Peltierelement oder mit aktivem Peltierkühler an der Unter- und Oberseite des in Figur 11 dargestellten Sputtertargets für eine Heizdichte von 0.26W/cm ² , bei dem in Figur 11 dargestellten Ausführungsbeispiel, bei welchem die Wärmepumpe und somit das Peltierelement oder der Peltierkühler zweistufig ausgeführt sind;

Figur 13 eine weitere beispielhafte Ausführungsform von Bestandteilen der Kühlvorrichtung für zumindest ein Sputtertarget; Figur 14 eine Ausführungsform, bei welcher mehrere Sputtertargets 1 an einem Targetträger 3 gehalten sind.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführunqsformen

Bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sind um der Klarheit Willen nicht sämtliche Bestandteile maßstabsgerecht dargestellt. In den Figuren bezeichnen jedoch gleiche Bezugszeichen jeweils gleiche Bestandteile oder Baugruppen.

Zunächst sei jedoch um eines besseren Verständnis Willen auf die im Sputtertarget vor und während des Sputterns herrschenden Temperaturverhältnisse eingegangen. Wenn nachfolgend um der Kürze willen nicht von einem Sputtertarget, sondern nur von einem Target gesprochen wird, soll dies dennoch jeweils den Begriff des Sputtertargets mit offenbaren. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden somit die Begriffe des Sputtertargets sowie des Targets jeweils durchgehend für denselben Gegenstand verwendet.

Die Temperaturerhöhung DTt der Temperatur Tt,o der Targetoberseite 1-1 relativ zur Temperatur TT.U der Targetunterseite 1-2 während des Sputterns durch eine Heizdichte jth an der Targetoberseite 1-1 lässt sich anhand eines Wärmewiderstands d-r/kt, wobei dT die Dicke des Targets darstellt und KT die Wärmeleitfähigkeit des Targets bezeichnet, wie folgt abschätzen:

(1) wobei die Wärmeleitfähigkeit KT als temperaturunabhängig angenommen wird.

Für eine vorgegebene Heizdichte jth und eine Targetdicke dT hängt die Temperaturerhöhung oder der Temperaturhub DTt auch von der Wärmeleitfähigkeit des Targetmaterials ab.

Für ein erstes Beispiel mit jth = 2W/cm ² , dT = 1cm und metallische Targets mit KT > 20W/mK folgt beispielsweise DTt < 10°C.

Metalle ertragen meist problemlos selbst Heizdichten von mehr als 5W/cm ² .

Für keramische Targets mit KT < 2W/mK ergibt sich bei jth = 2W/cm ² , dT = 1cm jedoch DTt > 100°C, das ist oft inakzeptabel, da zu hoch, denn thermische Verformungen des Targets können dann gegebenenfalls den thermischen Kontakt zum Kühlkörper unterbrechen oder thermo-mechanische Spannungen können Sprödbrüche im Target auslösen.

Alternativ gibt man zur Vermeidung derartiger Nachteile häufig eine maximale Temperaturerhöhung oder somit einen maximalen Temperaturhub ATT.max vor und berechnet aus diesem dann eine maximale Wärmeflußdichte

(2) Jth Eine Abschätzung für AT-r.max basiert auf zulässigen thermo-mechanischen Verformungen und berücksichtigt den thermischen Ausdehnungskoeffizienten at und den Elastizitätsmodul ET des Targetmaterials:

Für niedrigdehnendes Si02-Glas mit at < 1 ·10- ⁶ K-\

Et = 73GPa und

KT * 1.4W/mK (bei 20°C)

Ist beispielsweise ein ATT.max = 390°C zulässig und hieraus ergibt sich der Wert jth < 6W/cm ² .

Für andere Glassysteme können diese Werte jedoch deutlich anders aussehen. Für das Chalkogenidglas IRG26, siehe beispielsweise dessen Datenblatt „Infrared Chalcogenide Glass IRG 26“ der Schott AG in Mainz, ist z.B. a * 21 ·10 ⁶ K ¹ , Et * 18GPa und KT * 0.24W/mK (bei 20°C), daraus folgt

ATT.max = 300°C und es ergibt sich ein deutlich geringerer Wert von jth <

0.7 W/cm ² .

Es sind jedoch noch weitere Einschränkungen zu berücksichtigen, insbesondere bei Gläsern, eine Maximaltemperatur, denn Gläser neigen bei hoher Temperatur zu Abdampfungen, die die Stöchiometrie der Sputterpartikel stören können, neigen zur Pickel- und Nodulen-Bildung an der Oberfläche oder schlicht zum Aufschmelzen.

Für das Chalcogenidglas IRG26 mit TG * 185°C sollte auch aus diesen Gründen die Oberflächentemperatur sicher unter 135°C bleiben.

Eine bessere Abschätzung der zulässigen Fleizleistung für 1cm dicke z.B. IRG26-Targets ergibt sich deshalb wie folgt:

(3) Jt _h = ^(TT.o.max - * 0.0024 w/cm ² K · (l 35°C - T _{T u} ) . aT Für eine Targetunterseite auf Raumtemperatur, TT,U = 20°C, beträgt die zulässige Heizdichte an der Targetoberseite 0.35W/cm ² . Die daraus resultierende geringe Sputtereffizienz reduziert die Wirtschaftlichkeit: Es lassen sich kaum Sputterraten von über 0.5pm/min erreichen.

Die vorstehend angegebene Gleichung 3 gilt mit jeweils angepassten Materialdaten auch für andere Sputtermaterialien.

Zum besseren Verständnis wird die nachfolgende Nebenrechnung durchgeführt:

(1 ) Ansatz am Beispiel des Aluminiums mit p ^ 2.7g/cm3, Atomgewicht 27, d.h. einer Atomdichte von: n = - 6.023 -10 ²³ - A -tome/ - -mol 2.7g/ /cm 3 » _e 6 - ,10„22 Atome/ / cm 3 bzw. » 6 - ,10„22 cm -3

Auch für Silber, Ag, mit p « 10.5g/cm3, Atomgewicht 108, ist n « 6-1022cm-3 (Aluminium und Silber haben relativ kleine Atomradien). Für Si02-Glas (3 Atome): p « 2.2g/cm3, mittleres Atomgewicht (28+2-16)/3 = 20 ist n «

6.6-1022cm-3; für IRG26 (As2Se3 = 5 Atome): p « 4.3g/cm3, mittleres Atomgewicht (2-75+3-79)/5 « 77.4 ist n « 3.6-1022cm ³ .

Deswegen wird für die vorliegend offenbarten Abschätzungen zunächst vereinfachend von einer Atomdichte im Sputtertarget von n « 4-1022 Atome/cm ³ ausgegangen.

(2) Es wird die Annahme getroffen, dass Elektronen nicht zum Sputtern beitragen. Die Ionen werden als einfach geladen angenommen und für jedes Ion sollen im Mittel hA/I Sputteratome emittiert werden. Um eine Schicht mit der Dicke d „abzusputtern“, bzw. die Sputterrate w zu erreichen, erfordert dies die elektrische Stromdichte von: j _el = (l -6 -10 ^_19 As)·— tp n ' ^h A/i

(3) Es wird davon ausgegangen, dass wenigstens fίh = 300V erforderlich. Hieraus ergibt sich die Bestrahlungsleistungsdichte zu: Pin — Fίh Jei — Fίh

(4) Von der beim Sputtern in das Sputtertarget eingetragenen Impaktenergie fließt ein Anteil als kinetische Energie der emittierten Atome ab: cpout = hA/I-fbGP.

Die resultierende (thermische) Beaufschlagung der Targetfläche beträgt also

P ⁼ (fίh - ^A/IFQGP ) Jel ⁼ (fίh

Hierbei wird die folgende Abschätzung der Größenordnungen vorgenommen: w = 1 pm/min = 17-10-7cm/s, hA/I = 4, n = 4-1022cm-3 daraus ergibt sich eine lonenstromdichte von 0.0027A/cm2.

Es wird cpin = 200V als Untergrenze für die Impaktenergie angenommen; Bestrahlungsleistungsdichte pin = 0.54W/cm2.

Mit angenommenen cpem = 7.5V folgt dann für die Heizdichte der Targetoberfläche: p = 0.46W/cm2.

Für die vorliegenden Berechnungen wird somit von einer Heizdichte der Targetoberfläche von 0.5W/cm2 bei einer Sputterrate von 1 pm/min ausgegangen.

Der Ansatz „dünner Targets“, somit die Verwendung eines Targets mit einer geringeren Dicke und folglich einem kleineren dT mit geringerem Wärmewiderstand, könnte basierend auf den vorstehenden Überlegungen als interessant angesehen werden. Dieser reduziert jedoch wegen der dann häufiger notwendigen Austauschzyklen die Prozeßeffizienz merklich und ist somit nicht vorteilhaft.

Um große Sputterpartikelströme zu erreichen, kann die bestrahlte Targetflächen vergrößert werden. In der Praxis führt das jedoch zu Platzproblemen im Rezipienten, insbesondere dann, wenn unterschiedliche Targets für eine vorbestimmte Schichtenfolge verwendet werden soll. Ein Öffnen von Rezipienten für Targettausche kommt aus Wirtschaftlichkeitsgründen, wegen der erhöhten Prozesszeit, insbesondere auch durch das nötige Wiederabpumpen des Rezipienten bedingt, kaum in Frage.

Im Gegensatz zu diesen beiden vorstehend beschriebenen und eher nachteiligen Ansätzen kann jedoch vorteilhaft zwischen dem Sputtertarget 1 , siehe beispielsweise hierzu Figur 1 , und dem Kühlkörper 2 ein Targetträger 3 eine Wärmepumpe 4 eingefügt werden. Die Wärmepumpe kühlt den Targetträger 3 und die Targetunterseite 1-2 dann unter die Temperatur des Kühlkörpers 2. Das erhöht den longitudinalen Temperaturgradienten im Target, verstärkt den Wärmefluss im Target 2 und ermöglicht dadurch einen höheren Wärmeeintrag sowie eine stärkere Bestrahlung während des Sputterns an der Targetoberseite 1-1 . Alternativ kann der Kühlkörper 2 durch die Wärmepumpe 4 ersetzt sein.

In Figur 1 sind um der Einfachheit Willen schematisch platten- bzw. scha lenförmige Strukturen skizziert, die vorliegend vorgeschlagene technische Lösung gilt jedoch sinngemäß auch für kompliziertere Strukturen. Werden der sprachlichen Einfachheit halber bei vorliegender Offenbarung einzelne Komponenten bezeichnet, wird als einbezogen betrachtet, dass diese auch Vielfachheiten sein oder umfassen können.

Das Target 1 und die Wärmepumpe 4 befinden sich auf gegenüberliegenden Flächen des Targetträgers. In der einfachsten Ausführung ist der Targetträger 3 eine einfach-zusammenhängende Schale mit homogener Dicke, die das Target 1 lateral vollständig bedeckt. Die Targetträger 3 sollen generell ein Spannen des Targets mit geringem Fixier- und Löseaufwand ermöglichen und ausreichend weich sein, um sich dem Target 1 zur Verminderung des Wärmewiderstands anschmiegen zu können. Entsprechende Verfahren und Vorrichtungen zum Spannen sind einem Fachmann auf dem vorliegenden technischen Gebiet bekannt.

Darüber hinaus sollen Targetträger 3 in denjenigen Fällen, in welchen Target 1 und Wärmepumpe 4 lateral versetzt angeordnet sind oder mehrere Targetkacheln oder Wärmepumpenkacheln verwendet werden, wie dies beispielsweise in Figur 15 dargestellt ist, einen lateralen Wärmeausgleich bewirken. Die Wärme soll hierbei möglichst homogen aus dem jeweiligen Target 1 oder der jeweiligen Targetkachel abfließen können.

Günstig ist hierbei eine homogene Temperaturverteilung im Targetträger 3, d.h. eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit des Trägers 3. Kupfer mit einer Wärmeleitfähigkeit von ca. 400W/mK) und Aluminium mit einer Wärmeleitfähigkeit von ca. 200W/mK) sind gut geeignete Materialien für diesen Zweck.

Die Targetträger 3 sollen für einige Ausführungsformen darüber hinaus elektrisch leitend sein. Es ist i.d.R. von Vorteil, wenn der Targetträger 3 dünn ist, um sich bei thermischen Verwölbungen dem Target 1 mit geringen Biegemomenten anpassen zu können.

Dabei erweisen sich Targetträger 3 aus Kupfer trotz des höheren Elastizitätsmoduls oft als etwas günstiger als aus Aluminium, mit einem Elastizitätsmodul von 110 statt 70GPa, weil wegen der höheren Wärmeleitfähigkeit dünnere Schalen möglich sind mit geringerer Biegesteifigkeit.

Für die Targetträger 3 werden somit Schalen aus Kupfer und Aluminium bevorzugt, wobei bei Kupfer eine Dicke von ca. 1mm und bei AI eine Dicke von 2mm für den thermischen Ausgleich meistens schon ausreicht um eine ausrei chend hohe Wärmeleitfähigkeit und eine brauchbare Steifigkeit zu erzielen. Diese vorstehend erwähnten Dicken und werden im Sinne der vorliegenden Offenbarung als „dünn“ angesehen.

Alle Komponenten sollen in gutem thermischen Kontakt stehen. Das Target 1 wird deshalb in einer Ausführungsform mit einer dünnen Wärmeleitpastenschicht auf dem Targetträger 3 aufgeklebt. Vakuum-taugliche, Temperatur-belastbare und elektrisch leitfähige Wärmeleitpasten sind dem Fachmann auf diesem technischen Fachgebiet bekannt.

Für entsprechende Wärmeleitpastenverbindungen werden vernachlässigbare Wärmewiderstände dP/kR < 10-3K/(W/cm2) erreicht.

Der Targetträger 3 wird mit gutem thermischen Kontakt mit der Wärmepumpe oder Wärmepumpeneinheit 4 verbunden. Bei einer Ausführungsform handelt es sich um eine dauerhafte Verbindung, d.h. der Targetträger 1 ist dauerhafter Bestandteil eines in einer Sputteranlage installierten Targettisches. Da dem Fachmann sowohl Sputteranlagen als auch Targettische bekannt sind, werden diese in den Figuren nicht nochmals dargestellt. In diesem Fall kann der Targetträger dauerhaft elektrisch kontaktiert werden.

In einer anderen Ausführung ist der Targetträger 3 dauerhaft mit dem Sputtertarget 1 verbunden und bildet mit diesem eine gemeinsam austauschbare Einheit. Das Sputtertarget 1 kann dann auch unlösbar mit dem Targetträger3 verbunden sein.

Dafür sind viele Verfahren bekannt, z.B. Auflöten. Das Spannen des (metallischen) Targetträgers auf die Wärmepumpeneinheit wird als bekannt vorausgesetzt, zur Verbesserung der thermischen Kopplung kann hierbei ebenfalls eine Wärmeleitpaste verwendet werden.

Wärmepumpen lassen sich durch Peltierkühler realisieren. Die Funktionsweise von Peltierkühlern oder Peltierelementen ist dem vorliegend zuständigen Fachmann bekannt und wird deshalb nicht detaillierter ausgeführt. Preiswerte Standardbauform bestehen aus parallelen, meist quadratischen, dünnen, gut wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Keramikscheiben mit 2 bis 10cm Kantenlänge im Abstand von 3 bis 6mm, zwischen welchen Flalbleiterstäbe eingelötet sind.

Typische Halbleiter sind hierbei B Teß und PbO. Der Temperaturhub kann bei einstufigen Peltierkühlern mehr als 70K betragen und bei mehrstufigen Peltierkühlern oder Peltierelementen mehr als 110K betragen mit thermischen Pumpleistungen von mehr als 1W/cm ² . Peltierkühler werden mit Gleichstrom mit Nennspannungen im 10V- und Betriebsströmen im 10A-Bereich betrieben. Die ohmschen Verluste in einem Peltierkühler können mehr als 100W betragen und sind bei der Auslegung der jeweiligen Kühlung entsprechend zu berücksichtigen.

Die Außenflächen der Keramikscheiben können (galvanisch) metallisiert werden, um z.B. ein Anlöten an andere Bauteile zu erleichtern. Diese äußeren Metallflächen sind von der inneren Beschaltung der Peltierkühler elektrisch isoliert. Die Schaffung von Peltierkühlern ist kein Gegenstand der vorliegenden Offenbarung; da oft handelsübliche Bauformen bereits für die Zwecke der Erfindung ausreichend sein können.

Die weitere beispielhafte Beschreibung der Erfindung geht jedoch von scheibenförmigen Peltierkühlern mit elektrisch isolierende Keramikscheiben aus. Dem Fachmann ist hierbei aber klar, wie auch andere Ausführungsformen verwendet werden können - diese werden deshalb als in die vorliegende Offenbarung einbezogen betrachtet.

Beim HC- und DC-Sputtern entsteht das Problem, dass mit dem Peltierkühler ein inkompatibler elektrischer Stromkreis in den „Hochspannungskreis“ eingebracht wird.

Die Figuren 3a bis 3c zeigen entsprechende elektrische Beschaltungen der Sputteranlage sowie der Vorrichtung zur Kühlung eines Sputtertargets und jeweils die Beschaltung der ein Peltierelement umfassenden Wärmepumpe,

Beim DC-Sputtern ist es beispielsweise vorteilhaft, die elektrisch isolierenden Keramikfolien der Peltierkühler auch zum Trennen der Stromkreise zu nutzen, dies bedeutet, dass in diesem Fall der Targetträger 1 am Hochspannungskreis angeschlossen sein kann. Der Kühlkörper 2 kann geerdet werden mit dem Vorteil einer höheren elektrischen Sicherheit, weil der Kühlflüssigkeitskreis dann generell spannungsfrei ist.

Beim HF-Sputtern kann man im Prinzip genauso verfahren. Hier kann es aber günstig sein, eine Störung des Wechselfeldes durch DC-Einkopplungen zu verhindern, beispielsweise durch einen seriellen Kondensator C1 , und eine Störung des DC-Versorgungskreises für den Peltierkühler zu verhindern, beispielsweise durch einen Kondensator C2 parallel zum Peltierkühler. Es ist auch möglich, beim HF-Sputtern die AC-Spannung in den Kühlkörper 2 selbst einzuleiten, wenn der DC-Peltier-Kreis mit einem Kondensator C2 für AC- Spannungen kurzgeschlossen wird.

Bei der Auslegung von Peltierkühler sollte jedoch nicht von Maximalleistungen ausgegangen werden.

Als vorteilhaft hat sich für einstufige Peltierkühler eine thermische Pumpleitung von 1 W/cm ² bei einer Temperaturdifferenz von 60K erwiesen. Werden höhere Pumpleistungen oder größere Temperaturdifferenzen angestrebt, sollten mehrstufige Peltierkühler verwenden werden. Realistisch ist für zweistufige Peltierkühler eine thermische Pumpleitung von 2W/cm ² bei einer Temperaturdifferenz von 90K.

Nachfolgend werden weitere Ausführungsbeispiele beschrieben.

In Figur 4 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem in perspektivischer Ansicht ein rundscheibenförmiger Körper mit einem ausgeschnittenen Sektor gezeigt ist. Eine 400mm durchmessende und 10mm dicke Ronde 5 aus Kieselglas mit einer Wärmeleitfähigkeit von 1.4W/mK ist als Sputtertarget 1 auf einen 2mm dicken Targetträger 3 aus Aluminium gefügt. Anstelle des Kieselglases kann der rundscheibenförmige Körper 5 auch ein Chalcogenidglas mit einer Wärmeleitfähigkeit von 1 ,6 W/nK oder weniger und/oder einer Glasübergangstemperatur von weniger als 400°C umfassen.

Zum Schutz der Glaskanten ist Targetträger 3 jeweils übermäßig ausgebildet. Der Targetträger 3 ist auf einer Kaltfläche 7 eines ringförmigen Peltierkühlers 6 mit einem Innenradius von 20 mm, einem Außenradius von 180mm und einer Dicke von 6mm gespannt. Der Peltierkühler 6 ist mit der Fleißfläche direkt auf einen ringförmigen Kühlkörper 2 mit einem Innenradius von 10 mm, einem Außenradius von 190mm und einer Dicke von12mm aus Kupfer oder Aluminium montiert. Im Kühlkörper 2 sind 6mm durchmessende Kühlkanäle 7, von welchem um der Klarheit Willen nur ein Kühlkanal mit einem Bezugszeichen versehen ist. In manchen Ausführungsformen wird der Peltierkühler 6 ohne einen Kühlkörper 2 oder Kühlkanäle 7 verwendet. Durch das 20mm durchmessende Innenloch des Targetträgers 3 können Sensoren, beispielsweise zur. Dicken- und/oder Temperaturmessung zur Überwachung des Sputtertargets 1 geführt werden.

Figur 5 zeigt zunächst als Referenz die Temperaturentwicklung bei ausgeschalteten Peltierkühler 6 an der Unterseite 1-2 und an der Oberseite 1-1 des als Glasronde 5 ausgebildeten Sputtertargets 1 für eine Heizdichte an der Oberseite 1-1 des Sputtertargets von 2.5W/cm2. Die logarithmisch geteilte Zeitachse hat die Zeiteinheit Minuten. Die Starttemperatur beträgt 20°C. Der Prozess ist auf eine konstante Sputterrate von 3pm/min eingestellt; die Temperatur des Sputtertargets 1 soll während des Sputterns unter 210°C bleiben. Die Temperatur an der Targetoberseite 1-1 erreicht 206°C nach ca. 15min und fällt dann, weil der Wärmewiderstand des Targets 1 durch Materialabtrag abnimmt wieder ab. Die Targetunterseite 1-2 erwärmt sich trotz intensiver Kühlung auf ca. 27°C wegen des Wärmewiderstands des Kühlkörper 2 und Peltierkühlers 6.

Figur 6 zeigt die Temperaturentwicklung mit eingeschaltetem Peltierkühler 6 an der Unterseite 1-2 und der Oberseite 1-1 des als Glasronde 5 ausgebildeten Sputtertargets 1 für eine Heizdichte an der Oberseite 1-1 von 3.5W/cm2. Der Prozess ist hierbei auf eine konstante Sputterrate von 4.5pm/min eingestellt.

Die Temperatur an der Targetoberseite 1-1 erreicht 205°C nach ca. 15min und fällt dann wegen des stärkeren Materialabtrags schneller ab.

Die Unterseite 1-2 des Sputtertargets 1 sinkt im quasistationären Bereich auf ca. -38°C ab. Durch die Kühlung mittels der Peltierelemente 6 lässt sich die Sputterrate hierbei um ca. 50% steigern.

Bei Bestrahlungsbeginn mit dem Sputtertarget 1 auf Raumtemperatur entsteht an der Targetoberseite 1-1 oft ein zusätzlicher Temperaturhub, der verschwindet, wenn ein quasistationärer Bereich erreicht ist. Bevorzugt beginnt die Bestrahlung des Sputtervorgangs daher erst dann, wenn das Target 1 schon gekühlt ist. Figur 7 zeigt dazu eine vorteilhafte Temperaturentwicklung an der Targetunterseite 1-2 und an der Targetoberseite 1-1 für eine Heizdichte an der Oberseite 1-1 von 3.5W/cm2.

Figur 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Eine 400mm durchmessende und 10mm dicke Ronde 5 aus dem bereits vorstehend erwähnten Chalkogenidglas IRG26 mit einer Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur von 0.26W/mK bildet das Sputtertarget 1 und ist an einen 2mm dicken Targetträger 3 aus Kupfer gefügt. Auf einen einstufigen Peltierkühler 6 ist eine 4mm dicke Montageplatte 8 aus Kupfer gefügt, der Targetträger 3 wird auf die Montage platte 8 gespannt. Targetträger 3 und Montageplatte 8 bestehen vorzugsweise aus „ähnlich-unedlen Metallen“, um Elektrokorrosion vorzubeugen - Cu/Al- Paarungen sollten hierbei jedoch vermieden werden. Der Peltierkühler 6 ist auf einen ringförmigen Kühlkörper 2 aus Kupfer gelötet.

Figur 9 zeigt die zeitliche Temperaturentwicklung ohne Peltierkühlung an der Unterseite 1-2 und an der Oberseite 1-1 für eine Heizdichte von 0.26W/cm2.

Der Sputterprozess ist auf eine konstante Sputterrate 0.3pm/min eingestellt; die Temperatur des Targets soll hierbei während des gesamten Sputtervorgangs unter 135°C bleiben.

Die Temperatur an der Targetoberseite 1-1 erreicht 133°C und fällt durch Materialabtrag während des Sputtervorgangs wieder ab.

Figur 10 zeigt die zeitliche Temperaturentwicklung mit Peltierkühlung für eine Heizdichte von 0.42W/cm2 bzw. eine Sputterrate 0.5pm/min: Durch eine einstufige Peltierkühlung läßt sich die Sputterrate bereits um mehr als 50% steigern.

Figur 11 zeigt ein nochmals weiteres Ausführungsbeispiel, bei welchen eine das Sputtertarget 1 bildende 400mm durchmessende, 10mm dicke Ronde 5 aus Chalcogenidglas IRG26 auf einem 2mm dicken aus Kupfer bestehenden Targetträger 3 angebracht ist. Der Targetträger 3 ist auf eine 4mm dicke, ebenfalls aus Kupfer bestehende Montageplatte 8 und mit dieser auf einen zweistufigen Peltierkühler 6 gespannt. Der Peltierkühler 6 ist hierbei auf den Kühlkörper 2 gelötet.

Figur 12 zeigt für diese nochmals weitere Ausführungsform die zeitliche Temperaturentwicklung ohne Peltierkühlung an der Unterseite 1-2 und an der Oberseite 1-1 für eine Heizdichte von 0.53W/cm2 und eine Sputterrate

0.62pm/min: Durch die hier vorliegende zweistufige Peltierkühlung lässt sich die Sputterrate um mehr als 65% steigern.

In den Figuren 13 und 14 sind weitere beispielhafte Ausführungsformen von Bestandteilen der Kühlvorrichtung für zumindest ein Sputtertarget 1 dargestellt, wobei eine ringförmige Spannvorrichtung 9 zu erkennen ist, mittels welcher der Targetträger 3 und das an diesem befestigte Target 1 am Kühlkörper 2 gehalten sind.

Figur 14 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher mehrere S puttertargets 1 an einem Targetträger 3 gehalten sind.

Bezugszeichenliste

1 S puttertarget, abkürzend auch als Target bezeichnet,

1-1 obere Targetfläche, welche auch als Targetoberseite bezeichnet ist

1-2 strahlabgewandten Targetfläche, welche auch als Targetunterseite bezeichnet ist

2 Kühlkörper

2-3 Kühlkanäle

3 Targetträger

4 Wärmepumpe

5 Ronde

6 Peltierelement oder Peltierkühler

7 Kühlkanal

8 Montageplatte

9 Ringförmige Spannvorrichtung