Was sind planare Magnetrons in PVD-Beschichtungen?

Das Planar-Magnetron ist im Wesentlichen eine klassische Sputterkathode im „Dioden“-Modus mit dem Zusatz einer Permanentmagnetanordnung hinter der Kathode. Diese Magnetanordnung ist so angeordnet, dass das Magnetfeld in einem geschlossenen Pfad senkrecht zum elektrischen Feld steht und einen Grenz-"Tunnel" bildet, der Elektronen einfängt Beschichtungsmaschine für medizinische Instrumente nahe der Zieloberfläche. Dieses Einfangen von Elektronen verbessert die Effizienz der Gasionenbildung und schränkt das Entladungsplasma ein, ermöglicht einen höheren Strom bei niedrigerem Gasdruck und erzielt eine höhere Sputter-Abscheidungsrate für PVD-Beschichtungen (Physical Vapour Deposition).

Es wurden mehrere unterschiedliche Kathoden-/Target-Formen für das Magnetron-Sputtern verwendet, aber die gebräuchlichsten sind kreisförmig und rechteckig. Rechteckige Magnetrons werden am häufigsten in größeren Inline-Magnetron-Sputtersystemen verwendet, bei denen Substrate linear an den Targets vorbei auf einer Art Förderband oder Träger geführt werden. Kreisförmige Magnetrons sind häufiger in kleineren konfokalen Batch-Systemen oder Einzelwaferstationen in Cluster-Werkzeugen zu finden.

Obwohl komplexere Muster hergestellt werden können, haben die meisten Kathoden – einschließlich praktisch aller kreisförmigen und rechteckigen – ein einfaches konzentrisches Magnetmuster, bei dem das Zentrum ein Pol und der Umfang der entgegengesetzte ist. Für das kreisförmige Magnetron wäre dies ein relativ kleiner runder Magnet in der Mitte und ein ringförmiger Ringmagnet mit entgegengesetzter Polarität außen herum mit einem Spalt dazwischen.

Für das rechteckige Magnetron ist das mittlere normalerweise ein Stab entlang der Längsachse (aber weniger als die volle Länge) mit einem rechteckigen "Zaun" der entgegengesetzten Polarität rundherum mit einer Lücke dazwischen. Die Lücke ist dort, wo das Plasma sein wird, ein kreisförmiger Ring im kreisförmigen Magnetron oder eine längliche "Rennbahn" im rechteckigen. Beachten Sie, dass insbesondere bei größeren Kathoden die Magnete aus mehreren einzelnen Segmenten und nicht aus einem festen Stück bestehen können.
Da das Target-Kathodenbeschichtungsmaterial in PVD verwendet wird und Material absputtert, können Sie diese charakteristischen Erosionsmuster auf der Targetfläche sehen. Im Falle von Magnetproblemen wie fehlenden, falsch ausgerichteten oder auf dem Kopf stehenden Magneten ist der Erosionspfad tatsächlich anormal, und dies kann ein guter diagnostischer Hinweis auf solche Probleme in Ihrer Magnetron-Sputterkathode sein.

Die Polausrichtung der einzelnen Magnete muss so sein, dass ein Pol in der Mitte und der Gegenpol am Umfang gebildet wird. Es gibt ein paar Möglichkeiten, dies zu tun. Am gebräuchlichsten ist es, die Nord-/Südpole der Magnete senkrecht zur Ebene des Ziels zu installieren, einen Pol zum Ziel hin und das andere Ende - das "freie" Ende / den Gegenpol - durch eine Polplatte magnetisch mit den anderen Magneten überbrückt aus magnetischem (normalerweise eisenhaltigem) Material.
Der vollständige Magnetkreis ist somit ein offener Nordpol eines Magneten (oder eine Kette einzelner Magnete, wenn es sich nicht um ein Stück handelt), dessen gegenüberliegender Südpol durch das magnetische Material mit dem Nordpol eines anderen gekoppelt ist, dessen Südpol dann offen ist. Diese beiden magnetisch gegenüberliegenden offenen Enden sind dem Target zugewandt, und das resultierende Magnetfeld wölbt sich über der Oberfläche des Targets, um den Elektronen einfangenden Plasmakonzentrationstunnel zu bilden
Beachten Sie, dass das PVD-Magnetron mit beiden magnetischen Ausrichtungen arbeitet – das Zentrum kann nach Norden und der Umfang nach Süden oder umgekehrt sein. In den meisten planaren Magnetron-Sputtersystemen befinden sich jedoch mehrere Kathoden in ziemlich unmittelbarer Nähe zueinander, und Sie möchten nicht, dass sich zwischen den Targets Nord-Süd-Streufelder bilden.
Diese N/S-Magnetron-Magnetfelder sollten nur auf den Zielflächen sein und dort die gewünschten magnetischen Tunnel bilden. Aus diesem Grund ist es durchaus wünschenswert sicherzustellen, dass alle Kathoden in einem System auf die gleiche Weise ausgerichtet sind, entweder alle nördlich an ihren Umfängen oder alle südlich an ihren Umfängen. Und für Einrichtungen mit mehreren Sputtersystemen ist es ebenfalls wünschenswert, sie alle gleich zu machen, damit die Kathoden sicher zwischen den Systemen ausgetauscht werden können, ohne sich Gedanken über die Magnetausrichtung machen zu müssen.