Dispositivo magnetrón y procedimiento de erosión uniforme de un blanco.

El dispositivo incorpora una disposición particular de unos imanes (4) que generan un campo magnético que permite una erosión prácticamente uniforme de un cátodo o blanco (2), de modo que se consigue un aprovechamiento casi completo del material del mismo. El dispositivo magnetrón comprende el blanco (2) fijado a una placa metálica (3) detrás de la cual se encuentran unos imanes (4) fijados a una placa magnética (5). Los imanes (4) están dispuestos según una red bidimensional periódica sobre una placa magnética (5) que se puede desplazar paralelamente al blanco (2) a lo largo de uno de los ejes de la red entre una primera posición y una segunda posición separadas la mitad del parámetro de la red, de modo que zonas de alta concentración de plasma generado en la primera posición corresponden a zonas de baja concentración de plasma en la segunda posición y viceversa

Dispositivo magnetrón y procedimiento de erosión uniforme de un blanco empleando dicho dispositivo.

Objeto de la invención

El objeto de la presente invención es un dispositivo de pulverización catódica ("sputtering" en inglés) del tipo conocido como magnetrón, que está caracterizado principalmente por una disposición original de los imanes que generan el campo magnético que permite una erosión prácticamente uniforme del cátodo o blanco, de modo que se consigue un aprovechamiento casi completo del material del mismo.

Antecedentes de la invención

La pulverización catódica es un proceso que sirve para depositar láminas delgadas de material sobre un sustrato. Actualmente, es el proceso más utilizado para recubrimientos industriales en vacío a gran escala. Su popularidad deriva su sencillez y versatilidad, ya que se trata de una técnica de tipo físico aplicable a una gran diversidad de materiales, en comparación con otras técnicas de recubrimiento de tipo químico. Su uso está ampliamente extendido en la industria de semiconductores, de medios de grabación magnética, del automóvil, de las energías renovables, etc....

El proceso de pulverización catódica consiste fundamentalmente en bombardear con iones la superficie de un blanco ("target" en inglés) para arrancar átomos o especies moleculares de su superficie y depositarlos formando una película o capa delgada sobre un sustrato dispuesto frente al blanco. Los iones, normalmente positivos, se extraen de un plasma, generalmente de un gas noble (Ar, Kr, etc.), mediante un voltaje de polarización, generalmente DC o RF aplicado al blanco. Un desarrollo particular de este proceso consiste en aplicar campos magnéticos en las regiones cercanas al blanco para aumentar la ionización y densidad del plasma, consiguiéndose así acelerar la tasa de arranque de material y de su depósito sobre el sustrato en las zonas donde el campo magnético es paralelo a la superficie del blanco.

El dispositivo empleado para llevar a cabo este último proceso es habitualmente conocido como magnetrón. En la mayor parte de los magnetrones convencionales el campo magnético se crea por medio de imanes permanentes situados detrás del blanco, siendo la configuración típica más clásica un anillo de imanes permanentes imanados en dirección perpendicular al blanco y en un imán o núcleo central con polaridad inversa a la del anillo para permitir el cierre del flujo magnético. El objetivo de esta y otras configuraciones conocidas es crear un campo magnético intenso paralelo a la superficie del blanco, y por tanto perpendicular al campo eléctrico, en la zona comprendida entre el imán o núcleo central y el anillo exterior. Con ello se consigue aumentar la densidad de iones del plasma en esta zona y, consecuentemente la velocidad de erosión del blanco en la misma.

Sin embargo, todas las configuraciones estáticas de imanes tienen una limitación intrínseca determinada por la necesidad física de que el flujo magnético sea cerrado. Ello implica en general el empleo de imanes o de componentes magnéticos de polaridades invertidas y el no poder conseguir campos magnéticos uniformes y perpendiculares al campo eléctrico sobre la totalidad de la superficie del blanco. Como resultado, la erosión del blanco tampoco es uniforme, siendo esta mayor en las zonas donde el campo magnético es paralelo al blanco y menor en las zonas donde es perpendicular, de modo que el blanco acaba "gastándose" más en aquellas zonas que en éstas. En última instancia, se producen cavidades en las zonas del blanco donde el campo magnético es paralelo al mismo, mientras que en las zonas en que éste es perpendicular queda material sin arrancar.

La configuración clásica en anillo y núcleo central, a pesar de las enormes ventajas que ofrece para blancos circulares y su sencillez de construcción y refrigeración, provoca una erosión desigual de la superficie del blanco y un perfil de ataque resultante también en forma de anillo, que permite aprovechar sólo entre un 25% y un 30% del volumen total del blanco antes de tener que sustituirlo. En el caso de materiales valiosos, la escasa utilización del material del blanco y, en general, la penalización que implica el tener que interrumpir el proceso para desmontar el dispositivo y sustituir el blanco, conlleva un aumento muy significativo de los costes de producción. Otro importante problema asociado a la erosión no uniforme del blanco se debe a que su superficie, inicialmente plana, va evolucionando a lo largo del proceso hacia una superficie con cavidades y protuberancias que modifica progresivamente la distribución del campo eléctrico y, con ello, importantes parámetros del proceso tales como la tasa de depósito.

En la actualidad, existen diseños de magnetrones para blancos planos en los cuales se consigue aumentar el aprovechamiento total del blanco hasta un 50%-60% como máximo, gracias a complejos dispositivos de imanes móviles para conseguir un barrido uniforme de la superficie del blanco. Por otro lado, existen magnetrones para blancos cilíndricos o tubulares en los que la uniformidad de la erosión se consigue mediante un movimiento relativo de giro o espiral, con respecto al blanco, de los imanes dispuestos en su interior.

Por otra parte, el proceso de arranque de material del blanco provoca que éste se caliente, transmitiendo a su vez calor a los imanes situados detrás del mismo. Puesto que los imanes no deben superar su temperatura de Curie, ya que perderían sus propiedades magnéticas, en un magnetrón es fundamental la refrigeración del blanco y/o los imanes. En la mayoría de los dispositivos magnetrón convencionales, los imanes están sumergidos en un líquido refrigerante que circula por una cavidad situada tras el blanco. Sin embargo, esta configuración puede provocar problemas por corrosión electroquímica puesto que la placa soporte sobre la que se dispone el blanco está polarizada a tensión alta DC o RF. Por otra parte, el circuito y la cavidad de refrigeración tienen que estar necesariamente a una presión superior a la atmosférica, típicamente entre 3 y 5 atmósferas para el fluido de refrigeración, lo que complica enormemente el diseño del dispositivo y de las juntas de estanqueidad frente al vacío exterior en el que se crea el plasma.

El documento US 4,444,643 de Garret propone por primera vez un diseño de magnetrón plano donde los imanes son móviles, con el objeto de conseguir una erosión más uniforme del blanco. Este diseño es válido para blancos en forma de disco plano circular o placa plana rectangular. Sin embargo, algunos inconvenientes del magnetrón de Garret son la excesiva complejidad del dispositivo hidráulico necesario para mover y refrigerar los imanes y el hecho de que la película delgada depositada sobre el sustrato no resulta uniforme.

En los documentos US 5,328,585 de Stevenson et al., US 6,416,639 de De Bosscher et al., así como en el artículo Journal of Vacuum Science and Technology A 17, 555 (1999) de J. Musil, se propone un diseño de magnetrón rectangular plano que incluye una disposición móvil de imanes. En este dispositivo magnetrón se consigue una alta uniformidad de erosión del blanco, pero el solapamiento de los plasmas provoca un consumo no homogéneo del mismo, y consecuentemente el espesor de la película delgada depositada no es uniforme. Además, este dispositivo necesita un complejo dispositivo mecánico o hidráulico para generar los movimientos necesarios, giratorios, lineales o combinación de ambos.

Descripción de la invención

Como se ha descrito en el apartado anterior, la necesidad física de que el flujo magnético se conserve a lo largo de cualquier circuito de imanes implica el cierre de las líneas de campo originadas en un imán a través de otros imanes de polaridad invertida dispuestos a su alrededor, habiéndose empleado hasta ahora una figura de ataque en forma de anillo o de circuito alargado que se va desplazando tanto circular como linealmente con respecto al blanco para conseguir una erosión lo más homogénea posible.

La presente invención describe un dispositivo magnetrón caracterizado principalmente por una disposición original de los imanes que generan el campo magnético, de modo que su desplazamiento lineal cíclico, entre una primera posición y una segunda posición, provoca una erosión prácticamente uniforme del blanco, y en consecuencia un aprovechamiento casi completo del material del mismo.

Un primer aspecto de la invención está dirigido a un dispositivo magnetrón que comprende un blanco fijado...

1. Dispositivo magnetrón (1) que comprende un blanco (2) fijado a una placa metálica (3) detrás de la cual hay unos imanes (4) fijados a una placa magnética (5), caracterizado porque los imanes (4) están dispuestos según una red bidimensional periódica sobre una la placa magnética (5) que se puede desplazar paralelamente al blanco (2) a lo largo de uno de los ejes de la red entre una primera posición y una segunda posición separadas la mitad del parámetro de la red, de modo que zonas de alta concentración de plasma generado en la primera posición corresponden a zonas de baja concentración de plasma en la segunda posición y viceversa.

2. Dispositivo magnetrón (1) de acuerdo con la reivindicación 1, donde la red está formada por dos subredes cuadradas de imanes (4) de polaridades inversas, con una simetría equivalente a la de la superficie de un cristal iónico cúbico centrado en las caras.

3. Dispositivo magnetrón de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la placa metálica (3) tiene unas cavidades alargadas (10) que alojan los imanes (4) y permiten su movimiento lineal entre la primera y la segunda posición.

4. Dispositivo magnetrón de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la placa magnética (5) es móvil también en una dirección perpendicular al blanco (2), de modo que los imanes se puedan ir alejando progresivamente del blanco para compensar el espesor del blanco (4) perdido a causa de la erosión.

5. Dispositivo magnetrón (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que además comprende un serpentín (9) tubular de refrigeración integrado en la placa metálica (3) en forma de tubos lineales dispuestos a lo largo de los ejes de la red periódica de imanes y ocupando el espacio libre dejado entre los imanes alojados en las cavidades alargadas (10).

6. Dispositivo magnetrón (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la placa metálica (3) está aislada eléctricamente y térmicamente con relación a la placa magnética (5) por una distancia en vacío.

7. Procedimiento de erosión uniforme de un blanco (2) empleando el dispositivo magnetrón (1) descrito en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende las siguientes operaciones:

- desplazar cíclicamente en dirección paralela al blanco (2) unos imanes (4) dispuestos según una red cuadrada periódica con polaridad alternada entre una primera posición y una segunda posición separadas la mitad del parámetro de la red, tanto en el caso de un desplazamiento lineal para un blanco plano como en el caso de un desplazamiento tangencial o de rotación en el caso de un blanco cilíndrico; y

- erosionar el blanco (2) uniformemente por efecto del desplazamiento cíclico y lineal de la red de imanes (4) y con ellos, de la malla de plasma generada, entre la primera y la segunda posición, de modo que zonas de alta concentración de plasma y fuerte erosión en la primera posición correspondan a zonas de baja concentración de plasma en la segunda posición y viceversa.

8. Procedimiento de erosión uniforme de un blanco (2) de acuerdo con la reivindicación 7 caracterizado porque asimismo comprende la siguiente operación:

- retranquear progresivamente la placa magnética (5) con respecto al blanco (2) para ir compensando el espesor del blanco perdido a causa de la erosión y, con ello, mantener constante la intensidad del campo magnético sobre la superficie del blanco (2), los parámetros de la descarga y la tasa de erosión a lo largo de toda la vida útil del blanco (2).