Die Erfindung betrifft eine Magnetfeldkathode für Bogenent- ladungsverdampfer mit einem flächig ausgebildeten Target und einer dem Target zugeordneten, zumindest eine Ringspule und einen Permanentmagneten aufweisenden Anordnung zur Erzeugung eines den Lichtbogen auf der Targetfläche haltenden Magnet¬ feldes.

Von Magnetfeldkathoden für Bogenentladungsverdampfer, die in der Arc-Beschichtungstechnologie verwendet werden, wird vor allem eine gleichmäßige Target-Erosion, Bogenstabilität, Langzeitstabilität und eine Vermeidung des Auftretens von Target-Vergiftungen während des Betriebs gefordert.

Die in der Praxis besonders kritische Target-Vergiftung tritt in Form dickerer, sogar mit bloßem Auge sichtbarer Be¬ läge an kleineren oder größeren Flächenbereichen des Targets in Erscheinung, wobei im Falle des Auftretens solcher vergif¬ teter Flächenbereiche der sich auf dem Target bewegende Bo¬ gen diese Bereiche vermeidet und als Folge davon die Target- Vergiftung durch Ausbildung solch dickerer Beläge, zum Bei¬ spiel aus TiN oder TiCN, fortschreitet. Das Auftreten derar¬ tiger Target-Vergiftungen ist nicht reproduzierbar und beein¬ trächtigt die Konstanz der Abscheiderate, die Plasmastabili¬ tät sowie die Schicht- und Hafteigenschaften in sehr negati¬ ver Weise.

Es wurde bereits versucht, diese Nachteile von Magnetfeld¬ kathoden für Bogenentladungsverdampfer dadurch zu verrin¬ gern, daß mittels mechanisch bewegter Magnetfeldkonfigura¬ tionen oder durch Verwendung zeitlich variabler Magnetfelder der Fußpunkt des Bogens über die Oberfläche des Targets be¬ wegt wurde.

Eine mechanische Bewegung von Magnetfeldkonfigurationen er¬ fordert jedoch einen erheblichen, in der Praxis nicht tragba-

ren Aufwand und läßt ebenso wie die Verwendung zeitlich vari¬ abler Magnetfelder hinsichtlich der erzielbaren Ergebnisse zu wünschen übrig, da mittels dieser Verfahrensweisen keine Langzeitkonstanz, Gleichmäßigkeit des Erosionsbildes und kei¬ ne ausreichende Stabilität des Bogens gewährleistet werden kann und vor allem Target-Vergiftungen bei hochreaktiven Prozessen, wie der Abscheidung von TiCN, nicht ausgeschlos¬ sen werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Nachteile bekannter Magnetfeldkathoden zu beseitigen und eine verbesserte Magnet¬ feldkathode zu schaffen, die trotz eines konstruktiv einfa¬ chen Aufbaus den jeweiligen Anforderungen der Praxis optimal anpaßbar ist und vor allem eine Konstanz der Abscheiderate, Plasma- und Bogenstabilität und die Vermeidung von Target- Vergiftungen gewähr1eistet.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung im wesentlichen da¬ durch gelöst, daß eine dem Targetzentrum zugeordnete innen¬ liegende Ringspule und zumindest eine dem Targetumfangsbe¬ reich zugeordnete außenliegende Ringspule vorgesehen sind, und daß die innenliegende Ringspule einen im Targetzentrum angeordneten Permanentmagneten umschließt und zusammen mit diesem Permanentmagneten einen Feldlinienkonzentrator bil¬ det.

Insbesondere für schmale und damit auch kostengünstige Katho¬ den kann die gestellte Aufgabe auch dadurch gelöst werden, daß dem im TargetZentrum angeordneten, einen Feldlinienkon¬ zentrator bildenden Permanentmagneten nur eine einzige ihn umschließende Ringspule zugeordnet ist, und daß die Längen- und Breitenabmessungen des Targets zumindest im wesentlichen an den von Ringspule und Permanentmagnet erzeugten Bereich paralleler, im Target verlaufender Feldlinien angepaßt sind.

Durch die Ausgestaltung und das Zusammenwirken der magnet¬ felderzeugenden Komponenten und ihre Positionierung relativ zum Target gelingt es in Verbindung mit einer geeigneten

Wahl der Stromstärken und Polaritäten, ein die jeweils ge¬ wünschte Stärke besitzendes Magnetfeld zu erzeugen, das prak¬ tisch über die gesamte Target-Oberfläche, das heißt von den Randbereichen bis zum Target-Zentrum, einen optimalen Paral¬ lelverlauf der Feldlinien aufweist und damit sicherstellt, daß der Fußpunkt des sich ausbildenden Bogens nicht durch vertikale Magnetfeldkomponenten in bestimmten Target-Berei¬ chen unter Ausbildung einer Erosionsspur festgehalten wird.

Es gelingt somit, eine Magnetfeldkathode zu schaffen, die den bestehenden Forderungen nach Wirtschaftlichkeit, Lang¬ zeitprozeßstabilität, Bogenstabilität, Freiheit von Vergif¬ tungserscheinungen und Gleichförmigkeit des Target-Abtrags Rechnung trägt.

Die Ringspulen, die in zur Targetebene zumindest im wesentli¬ chen parallelen Ebenen gelegen sind, können unterhalb des Targets in einer gleichen Ebene angeordnet sein, aber es ist auch möglich, die Ringspulen in zueinander versetzten Paral¬ lelebenen zu positionieren sowie die Ringspulen relativ zur Targetebene und / oder relativ zueinander verstellbar anzu¬ ordnen, da auf diese Weise der Magnetfeldverlauf im Bereich der Targetoberfläche beeinflußbar ist und durch die entspre¬ chende Spulenpositionierung die Ausbildung unerwünschter vertikaler Magnetfeldkomponenten verhindert und deren Vorhan¬ densein im Zentrums- und Randbereich des Targets auf die Targetfläche bezogen minimiert werden kann.

Bevorzugt besteht der zusammen mit der innenliegenden Spule den mittig gelegenen Feldlinienkonzentrator bildende Perma¬ nentmagnet aus einem Ferrit, aus Samarium-Kobalt, Neodym- Eisen-Bor, Eisen-Chrom-Kobalt oder Aluminium-Nickel-Kobalt, wodurch es möglich wird, die räumlichen Abmessungen des Per¬ manentmagneten zu minimieren, so daß im Kathodenzentrum eine sehr kompakte Anordnung aus Permanentmagnet und innerer Ring¬ spule erhalten wird, was wiederum sicherstellt, daß die Tar¬ getfläche optimal genutzt werden kann.

Im Falle der bevorzugten Verwendung von zwei Ringspulen, näm¬ lich einer inneren Ringspule und einer äußeren Ringspule, sind diese Spulen vorzugsweise gleichartig aufgebaut und aus Kupferdraht gewickelt, aber dies stellt keine Notwendigkeit dar, da die zu erzeugenden Magnetfelder mit zur Target-Ober¬ fläche parallel verlaufenden Feldlinien auch erhalten werden können, wenn beispielsweise die Windungszahlen und / oder Leiterquerschnitte unterschiedlich gewählt sind. Möglich ist es auch, die Ringspulen in Form einer einzigen Leiter¬ windung auszuführen, wodurch eine besonders kleinvolumige Bauweise erhalten wird, da in diesem Falle die Luftzwischen¬ räume zwischen den einzelnen Windungen einer gewickelten Spule entfallen.

Wesentlich ist, daß jede der beiden Ringspulen unterschied¬ lich mit Strom beaufschlagbar ist, wozu vorzugsweise jeder Spule eine eigene Stromquelle zugeordnet ist und damit jede Spule so beaufschlagt werden kann, daß durch geeignete Wahl der Stromstärken und Polaritäten die jeweils gewünschte opti¬ male Gesamtkonfiguration des Magnetfeldes erzeugt wird, und zwar unter Berücksichtigung der jeweiligen praktischen Gege¬ benheiten, wie zum Beispiel der Target-Stärke.

Unter Berücksichtigung der eingestellten Magnetfelder ist jedoch stets darauf zu. achten, daß der Are-Strom so gewählt wird, daß zwecks Erzielung eines optimalen Erosionsbildes und zwecks Vermeidung von Target-Vergiftungen die sich auf der Targetfläche ergebenden Spuren des sich in einer vorgeb¬ baren Umlaufrichtung bewegenden Bogens ständig zwischen sich verzweigenden Haupt- und Nebenästen wechseln, wobei im Ver¬ lauf dieser Bogenfußpunktbewegung Nebenäste zu Hauptästen werden und umgekehrt.

In diesem Zusammenhang ist es im Rahmen der Erfindung auch von wesentlicher Bedeutung, daß die Bogenspannung bzw. die Magnetfeldstärke definiert vorgegeben wird, wobei vorzugs¬ weise jedem Schichttyp eine charakteristische Magnetfeld¬ stärke zuzuordnen ist.

Eine weitere Besonderheit der Erfindung besteht darin, daß eine Nachregulierung der von den Ringspulen erzeugten Magnet¬ feldstärken in Abhängigkeit von der jeweiligen Target-Ero¬ sion erfolgt, wobei eine Nachregulierung insbesondere dann vorgenommen wird, wenn sich ein bestimmter, auch in Abhängig¬ keit vom Schichttyp vorgebbarer Bogenspannungsanstieg ein¬ stellt.

An der Unterseite des Targets kann gemäß der Erfindung eine Ausnehmung zur Aufnahme des Permanentmagneten vorgesehen sein, was insbesondere im Falle der Verwendung dickerer Tar¬ gets von Vorteil ist. Diese Ausnehmung an der Unterseite des Targets befindet sich im nicht erodierten Zentralbereich des Targets und führt daher zu keiner Beeinträchtigung der Targetausnutzung, vielmehr ergibt sich aufgrund der Annähe¬ rung des Permanentmagneten an die Targetoberfläche gerade bei dickeren Targets ein positiver Target-Ausnutzeffekt.

Wenn gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die außenliegende Ringspule nicht unterhalb, sondern seitlich außerhalb des Targets angeordnet wird, dann läßt sich auf diese Weise die Targetausnutzung weiter verbessern, da der Erosionsbereich bis unmittelbar zum jeweiligen Targetrand erstreckt werden kann.

Es ist auch möglich, die Magnetfeldkathode nach der Erfin¬ dung nach der Art eines unbalancierten Magnetrons zu betrei¬ ben, wobei in diesem Falle zumindest eine weitere, die Mag¬ netfeldkathode und ihre zugehörigen Ringspulen umschließende Magnetspule vorgesehen wird, welche so betrieben wird, daß ein die Plasmaausbreitung in den Raum vor der Kathode för¬ derndes Magnetfeld entsteht, wobei durch Abstimmung der durch die erfindungsgemäß vorgesehenen innen- und außenlie¬ genden Ringmagnetspulen auch bei dieser Ausgestaltung sicher¬ gestellt werden kann, daß im Bereich des Targets ein zu des¬ sen Oberfläche paralleler Magnetfeldverlauf gewährleistet ist.

Weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Merkmale der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert; in der Zeichnung zeigt:

Figur 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Magnetfeldkathode nach der Erfindung,

Figur 2 ein typisches Erosionsbild eines Targets der

Magnetfeldkathode nach Figur l,

Figur 3 eine schematische Darstellung einer Ausfüh¬ rungsform der Magnetfeldkathode nach Figur 1 mit in das Target integriertem Permanentmag¬ neten,

Figur 4 eine schematische Darstellung einer weiteren

Ausführungsyariante der erfindungsgemäßen Magnetfe1dkathode, und

Figur 5 eine schematische Darstellung einer für schmale Kathoden geeigneten weiteren Ausfüh- rungsvariante der Magnetfeldkathode nach der Erfindung.

Figur 1 zeigt ein Target 1, bei dem es sich beispielsweise um ein Ti-Target handeln kann, welches welches in der Drauf¬ sicht die Form eines langgestreckten Rechtecks besitzt.

Diesem Target 1 zugeordnet ist eine magnetfelderzeugende An¬ ordnung, bestehend aus einer innenliegenden Spule 2, einer außenliegenden Spule 3 und einem zentral angeordneten Perma¬ nentmagneten 4.

Die beiden Spulen 2, 3 sind in ihrer Form der Target-Form angepaßt und erstrecken sich im wesentlichen über die gesa -

te Target-Länge, wobei zwischen den beiden sich in Target- Längsrichtung erstreckenden Schenkeln der Innenspule 2 ein Aufnahmebereich für den Permanentmagneten 4 vorgesehen ist.

Der Permanentmagnet 4 besitzt Stabform und ist möglichst schmal ausgeführt, so daß im Zentrumsbereich des Targets 1 die Innenspule 2 und der Permanentmagnet 4 möglichst dicht aneinanderliegend angeordnet werden können.

Bevorzugt werden für den Permanentmagneten solche Magnetma¬ terialien verwendet, die geeignet sind, bei kleinem Volumen ein starkes Magnetfeld zu erzeugen, und dazu eignen sich vorzugsweise Magnete aus Ferrit, Samarium-Kobalt, Neodym- Eisen-Bor, Eisen-Chrom-Kobalt oder Aluminium-Nickel-Kobalt.

Die beiden Spulen 2, 3 und der Permanentmagnet 4 sind in einem Gehäuse 5 angeordnet, das vorzugsweise aus Kunststoff- material besteht und flachwannenförmig ausgebildet ist. Der Innenraum 6 dieses Gehäuses 5 bildet gleichzeitig einen Kühl¬ mittelraum, das heißt es kann durch das Gehäuse 5, dessen Deckenwand von dem Target 1 gebildet sein kann, Kühlmittel geleitet werden.

Das die beiden Spulen (2, 3) aufnehmende Kunststoffgehäu- se (5) befindet sich innerhalb einer metallischen, zum Bei¬ spiel aus Kupfer, Edelstahl und dergleichen bestehenden Wan¬ ne (8) , die deckseitig offen ausgebildet ist und als Target¬ träger dient. Zwischen der metallischen Wanne (8) und dem Target (1) ist eine Vakuumdichtung (9) vorgesehen.

Figur 2 zeigt ein typisches Erosionsbild, wie es bei Verwen¬ dung einer Magnetfeldkathode nach Figur 1 erhalten werden kann. Dieses Erosionsbild verdeutlicht, daß sich der Ero¬ sionsbereich 10 zwischen dem Target-Zentralbereich und dem Target-Randbereich in ausgesprochen gleichmäßiger Weise er¬ streckt, das heißt es liegt eine sehr gute Targetausnutzung vor.

Die Ausführungsform nach Figur 3 unterscheidet sich von der Ausführungsform einer Magnetfeldkathode nach Figur 1 da¬ durch, daß an der Unterseite des Targets 1 in dessen Zentral¬ bereich eine Ausnehmung 11 zur Aufnahme des Permanentmagne¬ ten 4 vorgesehen ist. Diese Ausnehmung 11 kann so gestaltet sein, daß der Permanentmagnet 4 mit geringem Spiel oder form¬ schlüssig in der Ausnehmung 11 gehaltert ist, wobei der Per¬ manentmagnet 4 ganz oder teilweise in dieser Ausnehmung 11 aufgenommen sein kann.

Diese Ausführungsform eignet sich vor allem für dickere Tar¬ gets 1, wobei zum einen der Parallelverlauf der Magnetfeld¬ linien 7 bis in das Targetzentrum auch bei diesen dickeren Targets gefördert wird und zum anderen dazu gerade derjenige Targetbereich genutzt wird, der - wie Figur 2 zeigt - praktisch nicht erodiert wird.

Die Ausführungsform nach Figur 4 verdeutlicht, daß die außen¬ liegende Ringspule 3• auch außerhalb des Targets 1 angeord¬ net sein kann, und daß die innenliegende Ringspule 2 ebenso wie die außenliegende Ringspule 3 • relativ zueinander und auch relativ zum Target 1 verstellt werden können, das heißt daß durch Vorgabe der Position der durch die Ringspulen 2 und 3' bestimmten Ebenen relativ zueinander und zur Target¬ ebene die erzeugten Magnetfelder so vorgegeben und beein¬ flußt werden können, daß im Zusammenwirken mit dem Permanent¬ magneten 4 praktisch über die gesamte Targetoberfläche ein Parallelverlauf der Magnetfeldlinien 7 erzielt werden kann, und zwar bei den unterschiedlichsten Arten von Targets und auch während des sich im Betrieb ergebenden Targetabbaus.

Die Verstellmöglichkeit der innenliegenden Spule 2 und der außenliegenden Spule 3* ist in Figur 4 durch Doppelpfeile gekennzeichnet.

Um zwischen der außenliegenden Ringspule 3* und dem Target 1 einen möglichst guten Flußübergang zu gewährleisten, kann gegebenenfalls eine Ankopplung dieser außenliegenden Ring-

spule 3' über eine Weicheisenlage erfolgen.

Der Figur 4 ist auch deutlich zu entnehmen, daß mittels ei¬ ner außerhalb des Targets 1 liegenden Ringspule 3• eine vor¬ teilhafte Ausdehnung des Erosionsbereichs des Targets 1 bis zu dessen Rand ermöglicht wird, was gegenüber dem in Figur 2 gezeigten Erosionsbild eine weitere Verbesserung darstellt.

Selbstverständlich kann auch bei der Magnetfeldkathode nach Figur 4 der Permanentmagnet 4 analog zur Ausführungsform nach Figur 3 in einer Targetausnehmung ganz oder teilweise aufgenommen sein.

Durch geeignete Wahl der Stromstärken in den beiden Spu¬ len 2, 3 gelingt es in Verbindung mit der speziellen Positio¬ nierung des kompakt ausgeführten und speziell positionierten Permanentmagneten 4, ein zum jeweiligen Schichttyp passen¬ des, die gewünschte Stärke besitzendes Magnetfeld mit nahezu zur gesamten Target-Oberfläche parallel verlaufenden Feldli¬ nien zu erzeugen, und zwar sowohl bei dicken als auch bei dünnen Targets, das heißt auch bei fortgeschrittener Ero¬ sion.

Figur 5 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die insbe¬ sondere für schmale Kathoden bestimmt und besonders preis¬ wert gestaltet ist. Dabei besteht die magnetfelderzeugende Anordnung aus einer einzigen Spule 2, die dem zentral ange¬ ordneten Permanentmagneten 4 benachbart ist und diesen um¬ schließt. Durch das Zusammenwirken der Spule 2 und des wie¬ derum einen Magnetfeldkonzentrator bildenden Permanentmag¬ neten 4 werden im Target 1 Parallel-Feldlinien 7 erzeugt, deren flächige Erstreckung zumindest im wesentlichen die Targetabmessungen bestimmt. Es wird auf diese Weise auch bei derartigen schmalen und preisgünstigen Targets sicherge¬ stellt, daß auch alle im Zusammenhang mit den vorstehenden Ausführungen erläuterten Vorteile erhalten werden, wobei die im Zusammenhang mit den Ausführungsvarianten mit innenliegen¬ der und außenliegender Spule beschriebenen Modifikationen in

analoger Weise auch bei diesem schmalen Target anwendbar sind.

Durch die erzielte Magnetfeldkonfiguration ist in Verbindung mit der gewählten Bogenstromstärke sichergestellt, daß der Fußpunkt des Bogens stets in Bewegung ist und sich nicht an irgendwelchen Bereichen des Targets einfrißt und zu stören¬ den Erosionsspuren sowie zur unerwünschten Bildung größerer Tropfen führt, die herausgeschleudert werden könnten und die Schichtqualität wesentlich verschlechtern würden.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Targets ist es nicht nur möglich, eine überraschend gute und sich im wesent¬ lichen über die gesamte Target-Fläche erstreckende Magnet¬ feldparallelität zu gewährleisten, sondern es ist auch mög¬ lich, die Stärke des Magnetfeldes flexibel, und zwar über die gesamte Lebensdauer des Targets flexibel einzustellen.

Die sich aus Aufbau und Funktion der Magnetfeldkathode nach der Erfindung ergebenden Vorteile bestehen vor allem darin,

daß eine optimale und gleichförmige Erosion und damit eine bestmögliche Ausnützung des jeweiligen Targets gewährleistet werden kann,

daß in Abhängigkeit von der jeweiligen Art der Hartstoff- schicht, zum Beispiel TiN, TiCN oder CrN und dergleichen, eine flexible Einstellung der jeweiligen Magnetfeldstärke erfolgen kann,

daß aufgrund des geschaffenen konstanten Parallel-Magnet- felds Vergiftungen des Targets ausgeschlossen werden können und damit eine Konstanz der Qualität über die gesamte Lebens¬ dauer des Targets und als Folge davon auch eine Langzeit¬ prozeßstabilität erreichbar ist,

daß durch die Ausschaltung von Target-Vergiftungen insbeson¬ dere auch die Möglichkeit der sequenziellen Abscheidung von

Titan-basierten Materialien geschaffen wird, und

daß aufgrund des einfachen Aufbaus praktisch keine Wartungs¬ kosten entstehen und damit eine hohe Wirtschaftlichkeit gege¬ ben ist, die auch dadurch zum Ausdruck kommt, daß mittels eines einzigen Targets eine sehr hohe Anzahl von Chargen beschichtet werden kann, zum Beispiel bei einem Target mit einer Stärke von etwa 25 mm bis zu fünfhundert Chargen.