CS273447B1 - Method and device for ionic cladding during layers sputtering - Google Patents
Method and device for ionic cladding during layers sputtering Download PDFInfo
- Publication number
- CS273447B1 CS273447B1 CS865988A CS865988A CS273447B1 CS 273447 B1 CS273447 B1 CS 273447B1 CS 865988 A CS865988 A CS 865988A CS 865988 A CS865988 A CS 865988A CS 273447 B1 CS273447 B1 CS 273447B1
- Authority
- CS
- Czechoslovakia
- Prior art keywords
- cathode
- substrates
- magnetic field
- cylindrical
- anode
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Vynález se týká způsobu a zařízeni pro iontové plátováni při naprašováni vrstev nebo iontové leptáni substrátů a/nebo vrstev. Použití vynálezu umožňuje přivádět vysoký iontový proud na substráty ve velkých vzdálenostech, to znamená až do několika set milimetrů od rozprašované katody.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a method and apparatus for ion plating in sputtering layers or ion etching of substrates and / or layers. The use of the invention makes it possible to apply a high ionic current to substrates at large distances, i.e. up to several hundred millimeters from the sputtered cathode.
Nanášeni tenkých vrstev katodovým naprašovánitn je známý proces, vynikající nad jinými metodami/ například nad napařovánlm, vysokou reprodukovatelnostl, možnosti nanášet vrstvy v libovolném směru, například shora dolů,’ dále snadným přenosem složeni směsi a slitin z rozprašované katody do vrstvy a dalšími· výhodami. Klasické diodové naprašováni je však neefektivní a pomalé vzhledem k vysokým tlakům plynu, potřebným k udrženi doutnavého výboje. Proto bylo navrženo několik způsobů, jak využít magnetického pole ke sníženi pracovního tlaku při naprašováni. Tyto systémy ss opiraji o Penningův základní americký patent š. 2;i46.025 z r. 1939. Bedno z řešeni navrhl 3. Clark v americkém patentu č. 3,616.450. Podle tohoto patentu se prodlužuje dráha elektronů v zařízeni takovým způsobem, že*válcová dutá anoda je umístěna v axiálním magnetickém poli a rozprašovaná katoda jevy tvořena ve tvaru dutého válce, umístěného souose 9 anodou; mimo magnetické pole. Daleko úspěšnějším řešením však byl magnetronový výboj podle amerických patentů B.F.Corbaniho š. 3;878.085 z roku 1975 a O.S.Chapina Č. 4,'166.018 z roku 1979. Podle těchto patentů se nad rozprašovanou katodou vytvoří uzavřený tunel siločar magnetického pole, prodlouží se dráha elektronů v tomto tunelu,' zvýši se ionizace a zrychli se rozprašování. Viz také publikaci B.L.Vossen a W.Kern,' Academie Press, New York, 1978.The deposition of thin layers by cathodic sputtering is a well-known process, superior to other methods / for example steaming, high reproducibility, the ability to apply layers in any direction, for example from top to bottom, easy transfer of composition and alloys from sputtered cathode to layer and other advantages. However, conventional diode sputtering is inefficient and slow due to the high gas pressures required to maintain the glow discharge. Therefore, several ways have been proposed to utilize the magnetic field to reduce the sputtering working pressure. These systems are based on Penning's basic US patent No. 2; i46.025 of 1939. The solution box was designed by 3. Clark in US Patent No. 3,616,450. According to this patent, the path of the electrons in the device is extended in such a way that the cylindrical hollow anode is located in the axial magnetic field and the sputter cathode is formed in the form of a hollow cylinder positioned coaxially by the anode; outside the magnetic field. However, a much more successful solution was the magnetron discharge according to US patents BFCorbani No. 3; 878.085 of 1975 and OSChapin No. 4, '166.018 of 1979. According to these patents, a closed magnetic field field tunnel is formed over the sputtered cathode, extending the trajectory of electrons in this tunnel, ionization will increase and sputtering speed up. See also B. L. Vossen and W. Kern, 'Academic Press, New York, 1978.
Pro nanášeni řady technicky důležitých vrstev je třeba současně s kondenzujícím materiálem přivádět na substrát také nabité částice s vhodnou energii, například kladné ionty. Tento způsob nanášení ss nazývá iontovým plátováním a dříve než u naprašováni byl použit při napařováni. Příkladem js odpařování elektronovým svazkem podle amerického patentu Moll et al« č. 4,197.175 z roku 1980. Iontové plátování při magnetronovém naprašováni je známo z amerického patentu B.Zegy č. 4,116.791 z roku 1978. Substrát se umísti na elektrodě, která js napájena záporným předpětim vůči vakuové komoře, přičemž raagnetconová katoda je umístěna proti substrátům a ja napájena záporným napětím proti vakuové komoře. Přsdpšti elektrody se substráty extrahuje fionty z aagnetronového výboje, a tím se dosahuje iontového plátováni. Padle amerického patentu W.O.Munze č. 4/426.257 z roku 1984 je chráněn způsob a zařízeni pro nanášeni trojrozměrných těles. Podle tohoto způsobu se pohybuji tělesa určená k povlakování mezi dvěma magnetronovými katodami,' přičemž v prostoru mezi těmito katodami hoři společnýdoutnavý výboj. Substráty se také mohou napájet záporným předpětim pro iontové plátováni.To deposit a number of technically important layers, charged particles with suitable energy, for example positive ions, must be fed to the substrate simultaneously with the condensing material. This method of deposition is called ion cladding and has been used in steaming before sputtering. An example is electron beam evaporation according to US Patent Moll et al. No. 4,197,175 of 1980. Ion-plating in magnetron sputtering is known from US Patent No. 4,116,791, 1978, to Z. relative to the vacuum chamber, wherein the Raagnetcon cathode is positioned against the substrates and is supplied with a negative voltage against the vacuum chamber. In addition to the substrates, the substrates are extracted from the aagnetron discharge to achieve ion cladding. No. 4 / 426,257 of 1984 discloses a method and apparatus for applying three-dimensional bodies. According to this method, the bodies to be coated are moved between two magnetron cathodes, with a common glow discharge burning in the space between these cathodes. The substrates can also be supplied with a negative bias for ion cladding.
Nedostatkem uvedených metod iontového plátováni při magnetronovém naprašováni je, že iontový proud extrahovaný předpětim substrátů rychle klesá při zvyšování vzdálenosti substrátu od katody magnetronu a obvykle už ve vzdálensti-20 až 50 mm od katody klesá na hodnoty příliš nízké pro iontové plátováni. Také plazma mezi dvojici katod při velkých vzdálenostech těchto katod zaniká. Proto nelze uvedené metody použít pro iontové plátováni vzdálených nebo rozměrných předmětů. Hustotu plazmatu ve větších vzdálenostech od katody magnetronu lze zvýšit například pomocí obloukového výboje v duté katodě, ze kterého se extrahuji elektrony pro ionizaci plazmatu. Tento systém je chráněn americkým patentem 3.3.Cuoma et al. č. 4,588.490 z roku 1986. Takové řešeni však celé Zařízeni komplikuje a prodražuje.A disadvantage of said ion-plating methods for magnetron sputtering is that the ionic current extracted by biasing the substrates rapidly decreases as the distance of the substrate from the cathode of the magnetron increases, and usually drops to values too low for ion-plating at a distance of -20 to 50 mm. Also, the plasma between the cathode pair disappears at long distances of the cathodes. Therefore, these methods cannot be used for ion cladding of distant or bulky objects. The plasma density at greater distances from the magnetron cathode can be increased, for example, by an arc discharge in the hollow cathode from which electrons for plasma ionization are extracted. This system is protected by US Patent 3.3.Cuoma et al. No. 4,588,490 from 1986. However, such a solution complicates and increases the cost of the entire device.
Uršité zvýšení toku nabitých částic na substráty se pozoruje u Jednoho z typů planárpich magnetronů, nazvaného nevyvážený magnetron, viz B.Window a N.Savvides, 3.Vac. Sci.Technol.A4,· 1986, 196-202. V tomto typu magnetronu některé siločáry magnetického pole, vycházející z periferie rozprašované katody, směřují před katodu, přibližují se k sobě a ve větších vzdálenostech se potom opět od sebe vzdalují. Substráty umístěné v magnetickém poli před katodou jsou podrobeny většímu bombardu nabitými částicemi než u klasického vyváženého magnetronu. Podobné magnetické pole lze vytvořit také vnějším zdrojem, permanentním magnetem nebo cívkou, například způsoby chráněnými v amerických patentech ’·*>Some increase in charged particle flux to substrates is observed in one of the types of planetary magnetrons, called unbalanced magnetron, see B.Window and N. Savvides, 3.Vac. Sci.Technol.A4, 1986, 196-202. In this type of magnetron, some magnetic field lines coming from the periphery of the sputtered cathode point in front of the cathode, approach each other, and then move away from each other again at greater distances. Substrates placed in the magnetic field in front of the cathode are subjected to a larger bombardment of charged particles than a conventional balanced magnetron. Similar magnetic fields can also be generated by an external source, permanent magnet, or coil, such as those protected by US patents ’· *>
CS 273 447 SICS 273 447 SI
Fraeera, δ. 4;046.660 z roku 1977 nebo v americké· patentu Nishikavy et al. č. 4,441.974. Při měřeni iontového proudu tekoucího na substrát v závislosti na záporném předpětí přiloženém na substrát se u “nevyváženého magnetronu pozoruje typická závislost, vyznačující ae saturaci iontového proudu při předpětí substrátů převyšujícím asi -50 až -200 V.Fraeera, δ. 4, 046,660, 1977, or in U.S. Patent Nishikava et al. No. 4,441,974. When measuring the ionic current flowing on a substrate as a function of the negative bias applied to the substrate, an unbalanced magnetron is observed to exhibit a typical ionic saturation at a substrate bias saturation of about -50 to -200 V.
Tento efekt znamená, že v zařízeni hoři výboj/ udržovaný procesy iontově-elektronové sekundární emise ne katodě magnetronu; a tento výboj je zdrojem omezeného množstvi iontů extrahovaných předpětim substrátů. U nevyváženého magnetronu nebyl publikován vyěěi poměr Ig/Ijj než 0;3, kde je celkový iontový proud na rozprašovanou katodu a IQ je celkový iontový proud na substráty. Navíc extrahovaný iontový proud klesá rychle se vzdálenosti od magnetronu. Proto i “nevyvážený“ magnetron je možno použit pro iontové plátováni pouze v některých případech, kdy lze povlakovat substráty v blízké oblasti před magnetronem a extrahované iontové proudy na substrát jsou pro danou aplikaci dostatečné.This effect means that in the apparatus a burst discharge / sustained ion-electron secondary emission process at the magnetron cathode; and the discharge is a source of a limited amount of ions extracted by biasing the substrates. An unbalanced magnetron has not been reported to have an Ig / µl ratio greater than 0.3 where the total ion current per sputtered cathode and I Q is the total ion current per substrate. Moreover, the extracted ionic current decreases rapidly with the distance from the magnetron. Therefore, even an "unbalanced" magnetron can be used for ion cladding only in some cases where substrates in the near region can be coated in front of magnetron and the extracted ion currents on the substrate are sufficient for the application.
Předmětem vynálezu je způsob a zařízeni pro prováděni tohoto způsobu, který se týká iontového plátováni při napraěováni vrstev nebo iontového leptáni substrátů a/nebo vrstev v doutnavém výboji; hořícím v plynu nebo ve směsi plynů za sníženého tlaku, při kterém se na substráty naprašuji částice rozpraěované z povrchu katody, napájené stejnosměrným záporným nebo vysokofrekvenčním napětím proti anodě; e při kterém se substráty udržuji na stejnosměrném záporném nsbo na vysokofrekvenčním napětí U8 proti anodě.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to a method and apparatus for carrying out this method, which relates to ion cladding in sputtering or ion etching substrates and / or glow discharge layers; burning in a gas or in a gas mixture under reduced pressure, in which particles sprayed from the cathode surface are sprayed onto the substrates, fed by a DC negative or high frequency voltage against the anode; wherein the substrates are maintained at a DC negative nsbo at a high frequency voltage U 8 against the anode.
Podstata způsobu podle vynálezu v základním rozsahu spočívá v tom, že se v takzvaném udržovacím prostoru mezi katodou a substráty vytvoří udržovací magnetické pole, jehož siločáry spojuji katodu ss substráty a na hraniční ploše udržovacího prostoru má udržovací magnetická pole alespoň takovou hodnotu magnetické indukce; při které všechny elektrony s energii E — eU/ kde a · l;602 . 1θ”^θ C a U max. Al^/,’/Ug/ , mají poloměr rotace elektronu kolem každé hraniční siločáry meněi; nežli je vzdálenost anody od hraniční siločáry a to v celém jejím úaaku mezi katodou substráty· Interakci udržovacího magnetického pole s doutnavým výbojem, hořiclm mezi katodou, anodou a substráty; se vytvoří a udrží plazma' v udržovacím prostoru, a tak se substráty,* popřípadě vrstvy na substrátech, bombarduji klad nými ionty z plazmatu udržovacího prostoru. Tim se na substráty naprašuji vrstvy při iontovém plátováni nebo se povrch substrátů leptá, přičemž rychlost nanášeni vrstvy a jeji vlastnosti nabo rychlost leptáni se ovlivňuji intenzitou iontového bombardu substrátů a katody.The principle of the method according to the invention essentially consists in creating a holding magnetic field in the so-called holding space between the cathode and the substrates, the field lines connecting the cathode with the substrates and at least a magnetic induction holding field at the holding surface boundary; in which all electrons with energy E - eU / kde a · 1; 1θ ”^ θ C and U max Al ^ /, '/ U g /, have a radius of electron rotation around each boundary field line less; than the distance of the anode from the boundary field line in all its attack between the cathode substrates · Interaction of the glow discharge holding magnetic field, the bitter between the cathode, the anode and the substrates; the plasma is formed and held in the holding space, and thus the substrates or layers on the substrates are bombarded with positive ions from the plasma of the holding space. Thus, the substrates are sprayed onto the substrates by ion cladding or the surface of the substrates is etched, the rate of deposition of the layer and its properties or the etching rate being influenced by the intensity of the ion bombardment of the substrates and the cathode.
Podstata prvni alternativy způsobu podle vynálezu v základním rozsahu spočívá v tom, žs se změnou tvaru a/nebo indukce takzvaného udržovacího magnetického pole mezi katodou a substráty řidl poměr iontového proudu X8; tekoucího na substráty, k iontovému proudu 1^, tekoucímu na katodu, a tím se ovlivňuje rychlost nanášeni vrstev a jejich vlastnosti nabo rychlost leptáni substrátů a/nebo vrstev.The essence of the first alternative of the method according to the invention is essentially that by changing the shape and / or inducing the so-called holding magnetic field between the cathode and the substrates, the ion current ratio X 8 is controlled; flowing onto the substrates, to the ionic current 10 flowing onto the cathode, thereby affecting the rate of deposition of the layers and their properties or the rate of etching of the substrates and / or layers.
Podstata druhé alternativy, která navazuje na první alternativu způsobu podle vynálezu v základním rozsahu; spočívá v tom; že takzvané udržovací magnetické pole s proměnnou indukci a tvarem se vytváří složením alespoň dvou magnetických poli. Siločáry prvního magnetického pole procházejí katodou a substráty; zatímco siločáry druhého magnetického pole vytvářejí uzavřený tunel siločar nad katodou. Přitom magnetická indukce alespoň jednoho z obou magnetických poli se měni a tim se ovládá tvar a/nebo indukce výsledného takzvaného udržovacího magnetického pole.The essence of the second alternative, which follows the first alternative of the method according to the invention to a fundamental extent; lies in it; The method according to claim 1, characterized in that the so-called holding magnetic field with variable induction and shape is produced by composing at least two magnetic fields. The field lines of the first magnetic field pass through the cathode and substrates; while the field lines of the second magnetic field form a closed tunnel of field lines above the cathode. The magnetic induction of at least one of the two magnetic fields is varied and the shape and / or induction of the resulting so-called holding magnetic field is thereby controlled.
Zařízeni pro prováděni způsobu podle vynálezu v základním rozsahu, to znamená zařízeni v základním provedeni, sestává z vakuové komory; ve které js umístěna katoda rozprašovacího zdroje; držák ss substráty a anoda. Ve stěně vakuové komory je umístěn přivod pracovního plynu a čerpací výstup. Vně vakuové komory jsou umístěny dva zdroje napětí, a to zdroj stejnosměrného nebo vysokofrekvenčního napětí U^, jehož záporný, popřípadě první pól je připojen ke katodě, a zdroj stejnosměrného nebo vysokofrekvenčního napětí Ug, jehož záporný případně prvni pól je připojen k držáku se substráty. Kladné, popřípadě druhé póly obou zdrojů jsou spolu spojeny a připojeny k anodě.The apparatus for carrying out the method according to the invention in the basic range, i.e. the apparatus in the basic embodiment, consists of a vacuum chamber; in which the cathode of the spray source is located; DC substrate holder and anode. A working gas inlet and a pumping outlet are located in the wall of the vacuum chamber. Outside the vacuum chamber are two voltage sources and a source of direct-current or high-frequency voltage U * which is negative, or the first pole is connected to the cathode and a source of direct-current or high-frequency voltage Ug which is negative or the first pole is connected to the holder with substrates . The positive or second poles of the two sources are connected together and connected to the anode.
CS 273 447 BlCS 273 447 Bl
Podstata zařízeni v základním provedení pro provádění způsobu podlá vynálezu v základním rozsahu spočívá v tom, že součásti zařízení je alespoň jeden zdroj udržovacího magnetického pole, které je koncentrováno v udržovacím prostoru mezi katodou a substráty tak, že jeho siločáry spojují katodu a držák se substráty a jak anoda, tak stěny vakuové komory jsou vně udržovacího prostoru.The essential device for carrying out the method according to the invention essentially consists in that the device comprises at least one source of holding magnetic field, which is concentrated in the holding space between the cathode and the substrates such that its field lines connect the cathode and the holder to the substrates; both the anode and the walls of the vacuum chamber are outside the holding space.
Podstatou první alternativy zařízeni v základním provedení, je použiti trvalého magnetu a/nebo elektromagnetů jakožto zdroje prvního magnetického pole.The essence of the first alternative apparatus in the basic embodiment is to use a permanent magnet and / or electromagnets as a source of the first magnetic field.
Základem druhé alternativy zařízeni pro prováděni způsobu podle vynálezu v základním rozsahu včetně první a druhé alternativy způsobu je první alternativa zařízení.The second alternative of the apparatus for carrying out the method according to the invention to the basic extent including the first and second method alternatives is based on the first alternative of the apparatus.
Podstatou druhé alternativy zařízeni jsou alespoň dva zdroje udržovacího magnetického pole, z nichž alespoň jeden první zdroj js zdrojem prvního magnetického pole, a alespoň jeden druhý zdroj js zdrojem druhého magnetického pole, přičemž alespoň jeden první zdroj a/nebo alespoň jsdsn druhý zdroj magnetického pole je vytvořen elektromagnetem.The essence of the second alternative device is at least two sources of holding magnetic field, at least one first source being a source of the first magnetic field and at least one second source being a source of the second magnetic field, wherein at least one first source and / or at least the second source is created by an electromagnet.
Základem třetí alternativy zařízení pro prováděni způsobu podle vynálezu v základním rozsahu včetně první a druhé alternativy způsobu je druhá alternativa zařízeni.The third alternative of the apparatus for carrying out the method according to the invention to the basic extent, including the first and second method alternatives, is based on the second apparatus alternative.
Podstatou třetí alternativy zařízeni je rovinná katoda, která Je souosá s držákem se substráty umístěnými proti ni. Elektromagnet pro vytvořeni alespoň jednoho udržovacího magnetického pole se siločarami, které spojuji souosou rovinnou katodu kruhového tvaru s držákem se substráty, sestává z první cívky,' připojené ke zdroji proudu Ip která je souosá s rovimcu kruhovou katodou i kruhovým držákem substrátů. Oo dutiny první cívky je vloženo válcové jádro z měkké oceli, které js souosé s kruhovou katodou. Toto jádro je společným magnetickým obvodem prvni cívky a také druhé cívky, příslušné elektromagnetu pro vytvořeni alespoň Jednoho druhého magnetického pole se siločarami ve tvaru uzavřeného tunelunad rovinnou souosou katodou. Druhá cívka je připojena ke zdroji proudu I2· Válcové Jádro z měkké oceli je souosé s kruhovou rovinnou katodou a doléhá na ni jednak svým soustředným trnem, upevněným uvnitř jádra k jeho vnějšímu čelu, jednak, svým kruhovým okrajem válcové části, v jejíž dutině ve tvaru válcového mezikruží je uložena druhá civka elektromagnetů. Válcové jádro Je opatřeno přírubou, kterou je přes těsněni a izolaci upevněno k okraji kruhového výřezu na svislé stěně vakuové komory, která js připojena ke spolu spojeným kladným pólům zdroje napětí mezi katodou a anodou a zdroje napětí Ug mezi anodou a substráty.· Záporný pól zdroje napětí js spojen s katodou a záporný pól zdroje napětí Ug Je spojen s držákem substrátů.The essence of the third alternative of the device is a planar cathode which is coaxial with the holder with the substrates opposite it. The electromagnet for generating at least one holding magnetic field with field lines connecting the coaxial planar circular cathode to the substrate holder consists of a first coil connected to a current source Ip coaxial to the equatorial circular cathode and the circular substrate holder. A cylindrical mild steel core coaxial with the circular cathode is inserted about the cavity of the first coil. This core is a common magnetic circuit of the first coil and also of the second coil, respectively, of the electromagnet for generating at least one second magnetic field with closed tunnel-shaped lines in a plane coaxial cathode. The second coil is connected to a current source I 2 · Cylindrical mild steel core is coaxial with a circular planar cathode and bears on it both by its concentric mandrel fixed inside the core to its outer face and by its circular edge of the cylindrical part, a second coil of electromagnets is arranged in the form of a cylindrical annulus. The cylindrical core is provided with a flange which is connected via sealing and insulation secured to the edge of the circular cut-out on the vertical wall of the vacuum chamber, which js connected to with associated positive poles of a voltage source between the cathode and the anode and the source voltage Ug between the anode and the substrate. · Negative pole js voltage source connected to the cathode and the negative pole of the voltage source U g is connected to the substrate carrier.
Základem čtvrté alternativy zařízení pro provádění způsobu podle vynálezu v základním rozsahu včetně prvni a druhé alternativy způsobu ja druhá alternativa zařízeni.The fourth alternative of the apparatus for carrying out the method according to the invention to the basic extent, including the first and second method alternatives, is based on the second alternative apparatus.
Podstatou čtvrté alternativy zařízeni je katoda, která má tvar plného nabo dutého rotačně symetrického tělesa; a zdroje magnetických poli jsou-umístěny rotačně symetricky vzhledem k ose katody, přičemž substráty Jsou mmistěny kolem vnějšího povrchu katody nebo uvnitř duté katody..The essence of the fourth alternative device is a cathode having the shape of a solid or hollow rotationally symmetrical body; and the magnetic field sources are rotationally symmetrical about the cathode axis, the substrates being positioned around the outer surface of the cathode or within the hollow cathode.
Podstata jednoho konkrétního provedeni čtvrté alternativy zařízeni spočívá v tom, že ve válcové vakuové komoře; která je zároveň anodou zařízeni; je upevněn dutý, souosý válcový držák, jehož průměr je menší nežli průměr vakuové komory.a na jehož vnitřní válcovou plochu jsou upevněny substráty. Válcová vakuová komora js zcela zapuštěna do souosé válcové nádoby, která je magnetickým oobvodem celého zařízení a jejíž vnitřní průměr Je větši nežli vnější průměr vakuové válcové komory, jejíž dno je v ose rotační symetrie nádoby a celého zařízeni opatřeno trnem. Na tomto trnu jsou postupně zdola nahoru nastaveny: První trvalý válcový magnet, nad nim válcový sloupek z magneticky měkké oceli, druhý válcový trvalý magnet a válcová podložka z magneticky měkké ocali. Oba trvalé válcové magnety vytvářejí druhé magnetické pole, znázorněné siločarami ve tvaru zavřených tunelů nad válcovými poorchy trvalých magnetů. Na sestavu obou trvalých magnetů, válcového sloupCS 273 447 Bl ku a podložky z magneticky měkké oceli, je nasazena-válcová katoda, která je nahoře uzavřena a dolnim okrajem postavená na přírubu otvoru ve dnu válcové vakuové komory. Tato příruba je trnem zajištěna spolu s celou vakuovou komorou a válcovým držákem substrátů v souosé poloze. Ve válcové dutině mezi dnem válcové nádoby a dnem válcové vakuové komory ja uložena kotoučová cívka elektromagnetu pro vytvořeni prvního udržovacího magnetického pole; znázorněného radiálními siločarami. Válcová vakuová komora Je opatřena přívodem a průchodkou ka katodě, přívodem a průchodkou k držáku substrátů, jakož i přívodem k anodě,' která je zároveň válcovou vakuovou komorou.The essence of one particular embodiment of the fourth device alternative is that in a cylindrical vacuum chamber; which is also the anode of the device; a hollow, coaxial cylindrical holder having a diameter smaller than the diameter of the vacuum chamber is mounted, and to whose inner cylindrical surface substrates are attached. The cylindrical vacuum chamber is completely embedded in a coaxial cylindrical vessel which is the magnetic circumference of the entire device and whose inner diameter is greater than the outer diameter of the vacuum cylindrical chamber, the bottom of which is provided with a mandrel in the axis of rotation symmetry of the vessel and the device. On this mandrel they are gradually adjusted from bottom to top: The first permanent magnet magnet, above them a cylindrical column of magnetically mild steel, the second cylindrical permanent magnet and a cylindrical pad of magnetically soft ocali. The two permanent cylindrical magnets create a second magnetic field, represented by lines of closed tunnels above the cylindrical poorch of the permanent magnets. A cylindrical cathode is mounted on the assembly of the two permanent magnets, the cylindrical column 273 273 447 Bl and the pad of magnetically mild steel, which is closed at the top and the bottom edge placed on the opening flange in the bottom of the cylindrical vacuum chamber. This flange is secured with the mandrel together with the entire vacuum chamber and the cylindrical substrate holder in a coaxial position. In the cylindrical cavity between the bottom of the cylindrical vessel and the bottom of the cylindrical vacuum chamber there is a disc coil of an electromagnet for generating a first holding magnetic field; represented by radial field lines. The cylindrical vacuum chamber is provided with an inlet and a grommet to the cathode, an inlet and a grommet to the substrate holder, as well as an anode inlet which is also a cylindrical vacuum chamber.
Použitím způsobu a zařízeni podle vynálezu lze dosáhnout vysokých iontových proudů tekoucích na substráty. Celkový iontový proud tekoucí na substráty běžně dosahuje hodnoty pětkrát vyšší; nežli je celkový iontový proud tekoucí na rozprašovanou katodu. Poměr obou proudů lze v širokém rozmezí měnit ovládáním tvaru a indukce magnetického pole.By using the method and apparatus of the invention, high ionic currents flowing onto the substrates can be achieved. The total ionic current flowing on substrates normally reaches a value five times higher; than the total ionic current flowing onto the sputtered cathode. The ratio of the two currents can be varied over a wide range by controlling the shape and induction of the magnetic field.
Tím se neobyčejně rozšiřuji možnosti iontového plátováni při napraěovénl vrstev, protože regulací iontového proudů na substráty lze řídit vlastnosti nanášených vrstev, popřípadě dosáhnout iontového leptáni substrátů. Vysoké iontové proudy na substráty, převyšující nejméně 20 % iontového proudu na katodu, lze dosáhnout již při nízkých napětích U&; například -100 V, a ve velkých vzdálenostech substrátů od katody; běžně 100 až 200 mm.This greatly expands the possibilities of ion cladding in the sprayed layers, since by controlling the ionic currents on the substrates, the properties of the deposited layers can be controlled or the ion etching of the substrates can be achieved. High ion currents per substrate, exceeding at least 20% of the ion current per cathode, can be achieved even at low voltages U & for example, -100 V, and at large distances between the substrates and the cathode; normally 100 to 200 mm.
To umožňuje vytvářet kvalitní vrstvy, například nitridu titanu,' iontovým plátováním. Přitom lze 8 výhodou užit relativně vysokých pracovních.tlaků řádu 2 až 10 Pa a kvalitní vrstvy vytvářet i na substrátech složitých tvarů, to jest na plochách, které nejsou v při mé viditelnosti od katody.This makes it possible to form quality layers, for example titanium nitride, by ion plating. The relatively high working pressures of the order of 2 to 10 Pa and the quality layers can also be used on substrates of complex shapes, i.e. on surfaces which are not in my visibility from the cathode.
Podstata vynálezu je dále vysvětlena na příkladech zařízeni pro prováděni způsobu podle vynálezu pomocí připojených výkresů, kde na obr·' 1 je schematické znázornění principu zařízeni, na obr. 2 je první příklad konkrétního zařízeni 8 rovinnou katodou, na obr. 3 je druhý přiklad konkrétního zařízeni e válcovou katodou, na obr. 4 je příklad dia gramu závislosti proudu X . tekoucího na substráty, na napětí U. mezi substráty a anodou, na obr. 5 je příklad diagramu závislosti proudu 1^,' tekoucího na katodu, na napětí mszi katodou a anodou a přiklad diagramu závislosti napětí U. mezi substráty a anodou na napětí mezi katodou a anodou, na obr. 6 je přiklad diagramu závislosti proudu Is, tekoucího na substráty, na vzdálenosti d katody od držáku substrátů v zařízeni podle obr. 2 a na obr. 7 je přiklad diagramu závislosti jednak proudu Xs, tekoucího na substráty, jednak napětí Ug mezi substráty a nodou, na proudu 1^, tekoucím do civky pro vytvořeni druhého magnetického pole s uzavřeným tunelem siločar nad katodou podle obr. 2.'BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention is further illustrated with reference to the accompanying drawings, in which: FIG. 1 is a schematic representation of the principle of the device; FIG. 2 shows a first example of a particular device 8 by a plane cathode; Fig. 4 is an example of a current X plot. Fig. 5 is an example of a graph of the current flowing on the cathode to the voltage between the cathode and the anode, and an example of the graph of the voltage dependence of U. between the substrates and the anode on the voltage between the substrates and the anode. Fig. 6 is an example of a plot of current I s flowing on substrates to the distance d of the cathode from the substrate holder in the apparatus of Fig. 2; and Fig. 7 is an example of a plot of both current X s flowing on substrates. on the one hand, the voltage U g between the substrates and the node, on the current 1 ', flowing into the coil to create a second closed magnetic field tunnel field above the cathode of FIG. 2.
Na obr. 1 je schematické znázorněni principu zařízeni pro prováděni způsobu podle vynálezu. Toto zařízeni je vytvořeno z vakuové komory 1; ve které je u jedné svislé stěny umístěna rovinná katoda 2, u protější stěny je držák 4 sa substráty £ a u dna komory JL je umístěna anoda 3 mezi katodou 2 a držákem 4 se substráty. Přívod 8 pracovního plynu je nahoře ve svislé stěně u katody 2, čerpací ústi 9 je upraveno nahoře ve svislé stěně u držáku 4 se substráty 5. Vně vakuové komory 1 je umístěn zdroj 6 napětí a zdroj napětí U , přičemž napětí U.O Ue jsou stejnosměrná nebo vysokofrekvenční napětí. Kladné s K β póly zdrojů J5 a 7 jsou spolu spojeny a připojeny k anodě 3. Záporný pol zdroje 6 napětí je připojen ks katodě 2 a záporný pól zdroje 7 napětí Ug ja připojen k držáku 4 substrátů 5. Zdroj magnetického pole, jehož siločáry 10 protínají katodu 2 a držák 4 aa substráty'5, není na obr. 1 znázorněn, protože může být realizován t>u3 vně, nebo uvnitř, vakuové komory J;, například jednou nebo dvěma souosými cívkami s osou shodnou se společ_ nou osou katody 2 a držáku 4 se substráty 5.Fig. 1 is a schematic representation of the principle of the apparatus for carrying out the method according to the invention. This device is formed from a vacuum chamber 1; in which a planar cathode 2 is arranged at one vertical wall, at the opposite wall there is a holder 4 s and substrates 6 and at the bottom of the chamber 11 an anode 3 is placed between the cathode 2 and the holder 4 with substrates. 8 working gas inlet is at the top in the vertical wall at the cathode 2, the pump 9 is arranged opens at the top in the vertical wall of the holder 4, the fifth substrates outside the vacuum vessel 1 is located a source 6 and a power supply voltage U, UO voltage U e are d.c. or high frequency voltage. Positive poles with K β sources J5 and 7 are connected together and connected to the anode 3. The negative pole of voltage source 6 is connected to the cathode of pieces 2 and the negative pole of the voltage source 7 U g I attached to the holder 4 of substrates 5. The power of the magnetic field whose lines of force 10 intersects the cathode 2 and the holder 4a and the substrates 5, not shown in FIG. 1, since it can be realized outside or inside the vacuum chamber ; for example one or two coaxial coils with an axis coincident with the common axis of the cathode 2 and the holder 4 with the substrates 5.
Na obr. 2 je znázorněn přiklad prvního konkrétního zařízeni pro prováděni způsobu podle vynálezu. Vakuová komora £ má stěny elektricky vodivé, jelikož celá komora 1 ja anodou. V jedné svislé bočni stěně vakuové komory JL js izolovaně upevněna rovinná katoda 2, zhoto,vsná například z titanu: Je kruhového tvaru a její průměr je 120 mm. Proti katodě 2 Je souose upevněn držák 4 se substráty 5; držák 4 je v nastavitelné vzdálenosti d od rovinné katody 2. Držák 4 má také kruhový tvar a rozměry jako katoda 2 a je umis5FIG. 2 shows an example of a first particular apparatus for carrying out the method of the invention. The vacuum chamber 6 has electrically conductive walls since the entire chamber 1 is an anode. In one vertical side wall of the vacuum chamber 11, a planar cathode 2 is attached in isolation, for example of titanium: It is of circular shape and its diameter is 120 mm. Against the cathode 2 A holder 4 with substrates 5 is coaxially mounted; the holder 4 is at an adjustable distance d from the planar cathode 2. The holder 4 also has a circular shape and dimensions like the cathode 2 and is disposed 5.
CS 273 447 Bl těn souosá s katodou 2. Zdroj £ napětí mezi anodou a katodou 2 a zdroj 7 napětí Ug mezi substráty 5 a anodou jsou umístěny vně komory 1. Zdroje 6 a 7 jsou zdroje stejnosměrného nebo vysokofrekvenčního napěti. Stejnosměrné napěti má hodnotu od nuly do 1 000 V. Zdroj prvního magnetického pole je vytvořen první cívkou 11, souosou s kruhovým držákem £ substrátu 5. V dutině první cívky 11 je vloženo duté válcové jádro 12 z magneticky měkké oceli, se souosým trnem na čale uvnitř jádra 12. Na tomto trnu je navlečena druhá civka 14 zdroje druhého magnetického pole. Dutina vs tvaru válcového mezikruži je uzavřena kruhovou rovinnou katodou 2, která přiléhá na zabroušený okraj yálcového Jádra 12 a na zabroušenou čelní plochu trnu. Na válcovém ocelovém jádru 12 je poblíže katody 2 upravena příruba, upevněná přes těsněni a izolaci 13 k okraji kruhového výřezu kolem rovinné kruhové katody 2 ve stěně vakuové komory £. První civka 11 js napájena proudem I2 a druhá civka 14 proudem 1^. První civka 11 vytváří první magnetické pole znázorněné siločarami 15. Druhá civka 14 vytváří druhé magnetické pole znázorněné siločarami £6, které tvoři nad katodou 2 uzavřený toroidálni tunel.’ *CS 273 447 B1 is coaxial to cathode 2. The voltage source 6 between the anode and cathode 2 and the voltage source 7 g between the substrates 5 and the anode are located outside the chamber 1. The sources 6 and 7 are sources of direct or high frequency voltage. The DC voltage is from zero to 1000 V. The source of the first magnetic field is formed by a first coil 11 coaxial with a circular substrate holder 5. In the cavity of the first coil 11 is inserted a hollow cylindrical core 12 of magnetically mild steel with coaxial mandrel on the front a second coil 14 of the second magnetic field source is threaded on this mandrel. The cylindrical annulus cavity is closed by a circular planar cathode 2 which abuts the ground edge of the cylindrical core 12 and the ground face of the mandrel. On the cylindrical steel core 12, a flange is provided near the cathode 2, fastened through the seal and insulation 13 to the edge of the circular cut-out around the plane circular cathode 2 in the wall of the vacuum chamber 6. The first coil 11 is supplied with current 12 and the second coil 14 is supplied with current 11. The first coil 11 generates a first magnetic field shown by field lines 15. The second coil 14 generates a second magnetic field shown by field lines 66 that form a closed toroidal tunnel above the cathode 2. The coil 11 forms a magnetic field. *
Na obr. 3 je znázorněn přiklad druhého konkrétního zařízení pro prováděni způsobu podle vynálezu. Toto zařízení má válcovou katodu 17 uvnitř souosé válcové vakuové komory £8, vs které je dále upraven válcový souosý držák 19 se substráty 5, které jsou umístěny na jeho vnitřním povrchu. Poď dnem válcové vakuové komory 18 je umístěna souosá kotoučová civka 20. Magnetický obvod je vytvořen válcovým tělesem 21a, v jehož ose jo vodicí trn 22, který zajištuje souosost válcové vakuové komory £8, válcového držáku 19 substrátů 5, kotoučové cívky 20 a válcové katody 17; jakož dvou trvalých válcových magnetů 23 a 24 umístěných nad sebou a dvou válcových sloupků 25; 26 magnetického obvodu, které zajišťuji zároveň přesnou vertikální polohu trvalých válcových magnetů 23 a 24. U víka válcové vakuové komory 18 je na jedné straně upraven přívod Ei pracovního plynu a proti němu naproti čerpací ústi j3. Elektrické přívody 27, 28 k válcové katodě 17, k válcovému držáku 19 se substráty 5 a k vakuové komoře 18 jsou provlečeny izolačními průchodkami. Anodový přívod 29 je upraven na vlku válcové vakuové komory 18.FIG. 3 shows an example of a second particular apparatus for carrying out the method according to the invention. This device has a cylindrical cathode 17 inside a coaxial cylindrical vacuum chamber 48 in which a cylindrical coaxial holder 19 is further provided with substrates 5 which are located on its inner surface. Along the bottom of the cylindrical vacuum chamber 18 is a coaxial disk coil 20. The magnetic circuit is formed by a cylindrical body 21a, in the axis of which a guide mandrel 22 provides alignment of the cylindrical vacuum chamber 48, the cylindrical substrate holder 19, the coil 20 and the cylindrical cathode. 17; as well as two permanent cylindrical magnets 23 and 24 placed one above the other and two cylindrical columns 25; 26 of the magnetic circuit, which at the same time ensure the exact vertical position of the permanent cylindrical magnets 23 and 24. At the cover of the cylindrical vacuum chamber 18, the working gas supply E1 is arranged on one side and opposite to the pumping mouth 13. Electrical connections 27, 28 to the cylindrical cathode 17, to the cylindrical holder 19 with substrates 5 and to the vacuum chamber 18 are passed through insulating bushings. The anode lead 29 is provided to the wolf of the cylindrical vacuum chamber 18.
Na obr. 4 je znázorněn přiklad diagramu závislostí proudu Ig, tekoucího z katody na substráty v zařízení podle obr. 2; na napěti U mezi substráty a anodou, v závislosti s na velikosti proudu I2 tekoucího cívkou 11, jež vytváří první magnetické pole, znázorněné siločarami £5. S rostoucí hodnotou proudu I2 = OA; IA a 10A byly změřeny křivky 30, 31, 32 závislosti I2 » f /υθ/.Fig. 4 shows an example of a plot of the current I g flowing from the cathode to substrates in the apparatus of Fig. 2; on the voltage U between the substrates and the anode, depending on the magnitude of the current 12 flowing through the coil 11, which generates the first magnetic field shown by the field lines 85. With increasing current I 2 = OA; IA and 10A were measured curves 30, 31, 32 of dependence of I 2 · f (θθ).
Přitom konstantní parametry byly: » -500 V, 1^ » IA, tlak argonu PAr » 5 P , vzdálenost katody od držáku sa substráty d » 70 mm. Křivka 30 se tedy týká klasického magnatronu, křivkg 31 se týká nevyváženého magnetronu a křivka 32 se týká zařízení podle vynálezu.At the same time, the constant parameters were: > -500 V, < 1 > IA, argon pressure P < Thus, curve 30 refers to classical magnatron, curve 31 refers to unbalanced magnetron, and curve 32 refers to the device of the invention.
Na obr. 5 je znázorněn přiklad diagramu závislosti proudu 1^,' tekoucího na katodu, na napěti mezi katodou a anodou; a závislosti napěti Us mezi substráty a anodou na napětí U^ mezi katodou a anodou, při konstantních parametrech:FIG. 5 shows an example of a graph of the current flowing on the cathode to the voltage between the cathode and the anode; and dependence of voltage U s between substrates and anode on voltage U ^ between cathode and anode, at constant parameters:
Ιθ 200 raA, tj. proud tekoucí na substráty/ I2 » 10 A, tj. proud tekoucí do cívky 11 vytvářející první magnetické pole, 1^ = 2 A, tj. proud tekoucí do druhé cívky 14 vytvářející druhé magnetické pole, vzdálenost katody od držáku ss substráty d = 70 om, tlak argonu PAr = 3 Pa. Křivka 33 se tedy týká závislosti = f /U^/ a křivka 34 se týká závislosti Ug a f /^^/·Raθ 200 raA, ie current flowing to substrates / I 2 »10 A, ie current flowing to coil 11 generating the first magnetic field, 1 = 2 A, ie current flowing to second coil 14 generating the second magnetic field, cathode distance from the DC substrate holder d = 70 om, argon pressure P Ar = 3 Pa. Thus, curve 33 refers to the dependence = f / U ^ / and curve 34 refers to the dependence U g and f / ^^ / ·
Na obr. 6 Je znázorněn přiklad diagramu závislosti proudu Ig, tekoucího na substráty, na vzdálenosti d substrátů od katody, přičemž parametrem byla hodnota proudu I2, tekoucího do prvni cívky 11 vytvářející prvni magnetické pole.FIG. 6 shows an example of a plot of the current I g flowing on substrates to the distance d of the substrates from the cathode, the parameter being the value of the current I 2 flowing into the first coil 11 generating the first magnetic field.
Křivka 35 se týká závislosti proudu lg, tekoucího na substráty, na vzdálenosti d při proudu I2 = O A, stručně vyjádřeno: I = f /d/. Křivka 35 se tedy týká klasického magnetronu.Curve 35 refers to the dependence of the stream 1g flowing on substrates to the distance d at a current of I 2 = OA, briefly expressed as: I = f (d). Thus, curve 35 refers to a classical magnetron.
Křivka 36 se týká závislosti I = f /d/ při I„ = 1 A a proto nevyváženého magnetronu.Curve 36 refers to the dependence of I = f / d / at I = 1A and therefore unbalanced magnetron.
CS 273 447 81CS 273 447 80
Křivka 37 se týká závislosti Ig » f /d/ při Ig « 10 A a proto zařízeni podle vynálezu.Curve 37 refers to the dependence of 1 g f f / d při at Ig 10 10 A and therefore the device according to the invention.
Přitom konstantními parametry byly hodnoty: = -500 V; 1^ » 1 A, tj. proud tekoucí na katodu, tlak argonu PAr 5 Pa, Ug = -100 V, tj. předpětí substrátů.The constant parameters were: = -500 V; 1? »1 A, ie the current flowing on the cathode, argon pressure P Ar 5 Pa, U g = -100 V, ie the bias of substrates.
Na obr. 7 js znázorněn přiklad diagramu závislosti jednak proudu Is, tekoucího na substráty, jednak napěti UQ mezi substráty a anodou, na proudu Ιχ, tekoucím do druhé cívky 14 vytvářející druhé magnetické pole s uzavřeným tunelem siločar nad katodou podls obr. 2, při konstantních parametrech:FIG. 7 shows an example of a plot of the current I s flowing on substrates and the voltage U Q between substrates and anode on the current Ιχ flowing into a second coil 14 generating a second magnetic field with a closed field line tunnel above the cathode. , at constant parameters:
-300 V, 1^ 1 A,' I2 10 A, tlak argonu PAr 5Pa a d 30 mm.-300 V, 1 1 1 A, 1 2 10 A, argon pressure P Ar 5Pa and 30 mm.
V diagramu jsou tedy zobrazeny 2 funkce, á to:The diagram shows 2 functions, namely:
Xs f a Us “ f Á1/· X with fa U with “ f Á 1 / ·
Při použiti způsobu podle vynálezu se v odpovídajícím zařízeni vytvoří magnetické pole, jehož siločáry 10 procházej! jak substráty 5, tak katodou 2. Pokud je indukce magnetického pole dostatečná, pohybuji se elektrony vznikající na elektrodách nebo v plazmatu po šroubovlcových drahách kolem siločar 10 v dostatečně malých poloměrech a nemohou být přímo odsáty na anodu 3; proto se elektrony pohybuji po prodloužené dráze mezi katodou 2 substráty 5 na držáku 4. Přitom velká část těchto elektronů nemůže dopadnoutna katodu 2 oni na substráty 5, protože elektrické pole je v blízkosti katody 2 a substrátů 5 odpuzuje a obraci směr jejich pohybu po šroubovici zpět. Zachycené elektrony jsou doprovázeny také zachycenými ionty a vzniklé plazma ja hustší, nežli by tomu bylo v případě bez magnetického pole. Ooutnavý.výboj je přitom udržován jak procesy nakatodě 2,' tak procesy na substrátech 5. Iontový proud tekoucí na substráty 5 může proto nabývat vysoké hodnoty a lze hp využit pro iontové plátováni nebo pro iontové leptáni substrátů 5.When using the method according to the invention, a magnetic field is generated in the corresponding device, the field lines 10 passing through it. both the substrates 5 and the cathode 2. If the induction of the magnetic field is sufficient, the electrons formed on the electrodes or in the plasma follow the helical paths around the field lines 10 in sufficiently small radii and cannot be directly aspirated to the anode 3; therefore, the electrons move along an elongated path between the cathode 2 substrates 5 on the holder 4. Yet a large portion of these electrons cannot reach the cathode 2 on the substrates 5 because the electric field is near the cathode 2 and the substrates 5 repels and reverses their direction . The captured electrons are also accompanied by trapped ions and the resulting plasma is denser than would be the case without a magnetic field. The flux discharge is thereby maintained by both cathode 2 processes and processes on substrates 5. The ionic current flowing onto the substrates 5 can therefore be of high value and can be used for ion cladding or for ion etching of substrates 5.
3e-li magnetické pole kromě toho poblíže katody 2 tvarováno tak, že některé siločáry vytvářejí nad katodou uzavřený tunel siločar,’ va kterém se mohou také zachytit elektrony, lze potom změnou indukce nebo tvaru magnetického pole měnit poměr proudů tekoucích na substráty k proudu katody, a tim ovlivňovat vlastnosti nanášených vrstev.If the magnetic field is further shaped near the cathode 2 such that some field lines form a closed field line above the cathode in which electrons can also be trapped, the ratio of currents flowing onto the substrates to the cathode current can be changed by changing the induction or magnetic field shape. and thereby affect the properties of the coatings.
Při použiti zařízeni podle obr. 1 ee do vakuové komory 2 napouští přívodem 8 pracovní plyn nebo směs plynů na žádaný pracovní tlak. Potom se zapálí doutnavý výboj, hořící mezi katodou 2 anodou 3 a držákem 4 se substráty 5} tento doutnavý výboj hoři v takzvaném udržovacím prostoru v udržovacím magnetickém poli se siločarami 10, vytvořeném elektromagnetem nebo trvalým magnetem. Aby vznikl výboj/ je nutné, aby hodnota indukce magnetického pole byle dostatečně velká. To znamená, aby se alespoň kolem jedné siločáry pohybovaly bez srážky s anodou 3 všechny elektrony s energiemi až do hodnoty E = eU, přičemž U max./Ug/J a e a 1,602 . 10^ c je náboj elektronu. Z toho plyne, že je-li vzdálenost anody od této siločáry rovna R, potom poloměr r rotace elektronů s energii eU musí být menši; nežli hodnota R,’ tedy ••-ΙΪΨ -oi·***· Bej/žŠ!'·When using the device according to FIG. 1 ee, the working chamber or gas mixture is injected into the vacuum chamber 2 through the inlet 8 to the desired working pressure. Then, the glow discharge igniting between the cathode 2 and the anode 3 and the substrate holder 4} ignites the glow discharge in the so-called holding space in the holding magnetic field with field lines 10 formed by an electromagnet or a permanent magnet. To produce a discharge, it is necessary that the magnetic field induction value is sufficiently large. That is, all electrons with energies up to the value E = eU, with U max./Ug/J and e and 1.602, move at least about one field line without collision with the anode 3. 10 ^ c is the electron charge. It follows that if the anode distance from this field line equals R, then the electron rotation radius r with eU must be smaller; than R, so'• -ΙΪΨ -oi · *** · Be! '·
V tomto výraze znamená B indukci pole na dané siločáře a m o 9,11 . 10 kg je hmotnost elektronu. 3e-íi nápřiklad vzdálenost siločáry od anody £ rovna R = 10 mm, a je-li l)g a -100 V a = -500 V, potom hodnota U a 500 V a indukce B musi mlt hodnotu alespoňIn this expression, B means field induction on a given field line and amo 9.11. 10 kg is the mass of the electron. For example, if the line-to-anode distance vzdálenost is equal to R = 10 mm, and if l) g a -100 V a = -500 V, then the value of U and 500 V and the induction B must have a value of at least
7,5 mT. Potřebné hodnoty indukce B bývaji obvykle v rozsahu od 2 mT do 20 mT.7,5 mT. The required induction values of B are usually in the range of 2 mT to 20 mT.
Činnost zařízení podle obr. 2 je následující: Protože celá vakuová komora 2 tvoří anodu, je zhotovena z vodivého materiálu. Zdroje £5, 7 napěti a Us dodávají napěti v rozsahu například od nuly do 1 OOO V. V udržovacím prostoru je vytvořeno výsledné takzvané udržovací magnetické pole, složené ze dvou magnetických polí. Prvni magnetické pole, jehož siločáry procházejí rovinnou katodou 2, udržovacím prostorem a substráty 5 s držákem 4, je vytvářeno zdrojem, tj. první cívkou 21· napájenou proudem I2· První civ7The operation of the device according to FIG. 2 is as follows: Since the entire vacuum chamber 2 forms an anode, it is made of a conductive material. Sources of £ 5, 7 and the voltage U supplied with a voltage ranging for example from zero to 1 OOO V. holding space is formed by a maintenance of the resulting magnetic field is composed of two magnetic fields. The first magnetic field, whose field lines pass through the planar cathode 2, the holding space and the substrates 5 with the holder 4, is generated by the source, ie the first coil 21 · fed by current I 2 · first civ7
CS 273 447 Bl ka 11 je nasazena souose na válcové jádro 12 magnetického obvodu, jehož osa je totožná s osou rovinné katody 2 a držáku 4 se substráty 5. Druhá cívka 14 vunitř válcového jádra 12 je napájena proudem Ip kterým se vytváří druhé magnetické pole, jehož siločáry 16 mají tvar tunelu nad rovinnou katodou 2. Složením prvního a druhého magnetického pole vzniká výsledné udržovací magnetické pole, jehož velikost indukce a jehož tvar je řiditelný změnou indukce prvního a/nebo druhého magnetického pole, a to řízením velikosti stejnosměrných proudů I2 a/nabo 1^ tekoucích do cívek 11, 14. Siločáry, které sou vně udržovacího prostoru, neovlivňují proces probíhájcci uvnitř udržovacího prostoru.CS 273 447 Blk 11 is mounted coaxially on a cylindrical core 12 of a magnetic circuit whose axis coincides with the axis of the planar cathode 2 and the holder 4 with substrates 5. The second coil 14 inside the cylindrical core 12 is supplied with current Ip to generate a second magnetic field. whose lines of force 16 have the shape of a tunnel over the plane of cathode 2. Taking the first and second resultant magnetic field, a holding magnetic field induction and the magnitude of which is controllable by changing the shape of the induction of the first and / or second magnetic field, by controlling the size of the DC currents I 2 and The flow lines that are outside the holding space do not affect the process taking place inside the holding space.
Tvar magnetických poli vysvořených cívkami 11 a 14 je kromě toho upraven válcovým jádrem 12 z magneticky měkké ocelí. Činnost zařízeni podle obr. 2 je v dalším popsána a vysvětlena diagramy uvedenými na obr. 4, 5, 6 a 7.The shape of the magnetic fields produced by the coils 11 and 14 is furthermore provided with a cylindrical core 12 of magnetically mild steel. The operation of the apparatus of FIG. 2 is described and explained below in the diagrams shown in FIGS. 4, 5, 6 and 7.
Zařízeni podle obr. 3 je jedním ze mnoha možných konkrétních geometrických uspořádání. V zobrazeném zařízeni se rozprašuje vnější povrch válcové katody 17, kolec které jsou umístěny substráty 5 na vnitřní stěně souosého válcového dutého držáku 19 substrátů 5. Činnost zařízení zajištujo první magnetické pole, jehož siločáry 201 utají radiální uspořádání v prostoru mezi válcovou katodou 17 a vnitřním povrchem držáku 19 substrátů 5. Zdrojem tohoto prvního magnetického pole je kotoučová cívka 20 nasazená na vodici trn 22, který je součásti.magnetického obvodu 21a + 21b + 22 + 23 +· 25 +· 24 a 26. Toto magnetické pole musi být dostatečně intenzívni, aby umožnilo záchyt elektronů v oblasti mezi katodou 17 a substráty 5 podobně, jako je tomu v planárnía uspořádání podle obr. 2. V zařízeni podle obr. 3 může být také vytvořeno druhé magnetické pole v blízkosti válcové katody 17 a činnost tohoto druhého magnetického pole je zcela analogická činnosti druhého magnetického pole v planárním uspořádáni podle obr. 2. Dva trvalé válcové magnety 23 a 24 vytvářejí dvě rotačně symetrická magnetická pole, která jsou na obr. 3 znázorněna siločarami 231 a 241. Složením prvního magnetického pole, znázorněného siločarami 201, a druhého magnetického pole, znázorněného siločarami 231, 241, vzniká výsledné udržovací magnetické pole,' jehož velikost magnetické indukce a jehož tvar jsou ovlivnitelné změnou indukce prvního a/nebo druhého magnetického pole. Indukci prvního magnetického pole lze měnit změnou stejnosměrného proudu tekoucího kotoučovou cívkou 20. Indukci druhého magnetického pole lze měnit pouze výměnou dvou trvalých magnetů 23, 24 za jiné, které máji jinou hodnotu magnetické indukce.The apparatus of FIG. 3 is one of many possible specific geometrical arrangements. In the device shown, the outer surface of the cylindrical cathode 17, the wheel that is positioned by the substrates 5 on the inner wall of the coaxial cylindrical hollow substrate holder 5, is sprayed. The operation of the device provides a first magnetic field whose field lines 201 conceal a radial arrangement in space between the cylindrical cathode 5. The source of this first magnetic field is a coil 20 mounted on a guide mandrel 22 which is part of the magnetic circuit 21a + 21b + 22 + 23 + · 25 + · 24 and 26. This magnetic field must be sufficiently intense, to allow electron capture in the region between the cathode 17 and the substrates 5, similar to the planar arrangement of FIG. 2. In the device of FIG. 3, a second magnetic field may also be generated near the cylindrical cathode 17 and the operation of this second magnetic field is completely analogous to the operation of the second magnetic field in the planes 2. The two permanent cylindrical magnets 23 and 24 produce two rotationally symmetrical magnetic fields, which are represented in FIG. 3 by the lines of force 231 and 241. The composition of the first magnetic field, depicted by the field lines 201, and the second magnetic field, depicted by the field lines 231 241, a resultant magnetic holding field is obtained, the magnitude of the magnetic induction and whose shape is influenced by changing the induction of the first and / or second magnetic field. The induction of the first magnetic field can be changed by varying the direct current flowing through the disc coil 20. The induction of the second magnetic field can only be changed by replacing two permanent magnets 23, 24 with another having a different magnetic induction value.
Zařízeni podle obr. 3 lze principiálně použit také v inverzním režimu, při kterém vnější, dutý válec ja rozprašovanou katodou a vrstvy se nanášejí na substráty, umístěné v centru duté katody, tj. v její ose. V tom případě musí být druhé magnetické pole koncentrováno u vnějšího válce jakožto duté katody.The device according to FIG. 3 can in principle also be used in an inverse mode in which the outer, hollow cylinder is a sputtered cathode and the layers are applied to substrates located in the center of the hollow cathode, i.e. its axis. In this case, the second magnetic field must be concentrated at the outer cylinder as a hollow cathode.
Na obr. 4 jsou znázorněny tři případy závislosti proudu I , tekoucího na substráty 5, na napětí Ug mezi substráty 5 a anodou 2 v zařízeni podle obr. 2 pří různé hodnotě indukce prvního magnetického pole, které je vytvářeno proudem I2 tekoucím do cívkyFig. 4 shows three cases of dependence of current I flowing on substrates 5 on voltage U g between substrates 5 and anode 2 in the device according to Fig. 2 at different value of induction of the first magnetic field generated by current I 2 flowing into the coil
11. V případě; že I2 “ O, potom zařízení podle obr. 2 je totožné s vyvázaným magnetronera, o čemž svědčí také křivka 30 závislosti proudu I na napětí U . Proud I je velmi malý va srovnáni s proudem 1^ tekoucím na katodu a při vysokých záporných hodnotách napětí Ug, až například do -500 V téměř nenarůstá, ale nasycuje se. Při zvýšení hodnoty proudu I2 na hodnotu 1 A, zrněni sa zařízení vlastně na nevyvážený magnetron. Množství iontů odsávaných z magnatronu se sice zvýši, ale nikoliv vice než na necelých 23 procent proudu na katodu, jak je patrné z křivky 31. Při dalším výrazném zvýšení proudu I2, tekoucího do cívky 11, na hodnotu 10 A, se zrněni charakter celého zařízeni podle obr. 2, protože magnetické pole mezi katodou 2 a substráty 5 dosáhne dostatečně vysoké magnetické indukce pro vznik doutnavého výboje, charakteristického pro navrhované řešeni. Proud Is tekoucí na substráty v závislosti na napětí Ug nezi katodou 2 a anodou prudce '.-urůstá a dosahuje stejné hodnoty jako proud tekoucí na katodu 2 jíž při napětí - -2CC V, jak je patrné z křivky 32. Kromě toho křivka 32 na rozdíl od křivek 30 a 21 nevykazuje saturaci, což svědčí o tom, že výboj v zařízení je udržován také procesy no sucstratec11. In the case; 2 , the device according to FIG. 2 is identical to the unbound magnetroner, as shown by the current-voltage curve 30 U. The current I is very small in comparison with the current 1 flowing on the cathode and at high negative values of the voltage U g , for example up to -500 V, almost does not increase but saturates. When the current value of I 2 is increased to 1 A, the grain is actually on an unbalanced magnetron. Although the amount of ions drawn from the magnatron will increase, but not more than less than 23 percent of the current per cathode as shown in curve 31. Upon further significant increase of the current I 2 flowing into the coil 11 to 10 A, the character of the whole 2, since the magnetic field between the cathode 2 and the substrates 5 achieves a sufficiently high magnetic induction to produce a glow discharge characteristic of the proposed solution. The current I with the flowing on the substrates as a function of the voltage U g through the cathode 2 and the anode increases sharply and reaches the same value as the current flowing on the cathode 2 already at a voltage of -2 ° C as seen from curve 32. 32, in contrast to curves 30 and 21, does not show saturation, indicating that the discharge in the device is also maintained by no sucstratec processes
5, což je ilustrováno diagramem podle obr. 5.5, which is illustrated by the diagram of FIG. 5.
CS 273 447 BlCS 273 447 Bl
Na obr. 5 Je uveden přiklad křivky 33 závislosti proudu katody 2 na napětí mezi katodou 2 a anodou v zařízeni podle obr. 2. Dále je znázorněna křivka 34 závislosti napětí Ug mezi substráty 5 a anodou při stálém proudu Ig 200 mA tekoucím na substráty £5 a při konstantním magnetickém poli; tj. při konstantních proudech X2 » 10 A a Ιχ a -2 A.FIG. 5 is an example curve 33 of the current flowing through the cathode 2, voltage between the cathode 2 and the anode in the device according to Fig. 2. Furthermore, curve 34 shows the dependence of the voltage Ug between the substrates 5 and anode at a constant current I g flowing at 200 mA substrates 35 and at a constant magnetic field; ie at constant currents X 2 »10 A and Ι χ a -2 A.
Z diagramu na obr. 5 je zřejmé, že proud je velmi málo závislý ná napětí U^ meti katodou a anodou, což je charakteristika zcela odlišná od známých charakteristik magnetronů. Tato skutečnost je důsledkem toho, že výboj je udržován procesy na substrátech a katoda pouze odsává určité množství iontů z tohoto výboje. Proud Ig na substráty 5 tačs i při proudu I a O a je tedy zřejmé, že poměr může v daném zařízeni dosáhnout libovolně vysokých hodnot. Při napět! U^ » -5Ů0 V je poměr Ig/1^ vyšši nežli 5.It can be seen from the diagram in FIG. 5 that the current is very little dependent on the cathode and anode voltage U, which is a characteristic completely different from the known characteristics of magnetrons. This is due to the fact that the discharge is maintained by the processes on the substrates and the cathode only sucks off a certain amount of ions from the discharge. The current I g on substrates 5 is also at the current I and O and it is thus obvious that the ratio can reach arbitrarily high values in a given device. When tension! For ^ -5 -5 0 V, the Ig / l poměr ratio is greater than 5.
Na obr. 6 je ukázáno, jskou významnou výhodou zařízeni podle obr. 2 poskytuje a čeho je tato výhoda důsledkem. V diagramu jsou vyneseny závislosti proudu Ig, tekoucího na sub střáty, tedy křivky 35, 36, 37 na velikosti'vzdálenosti d^mezi substráty a katodou. Křivka 35 se týká vyváženého magnetronu; tedy při í2 O, křivka 36 se týká nevyváženého magnetronu, tedy při I, «lAg křivka 37 se týká zařízeni podle vynálezu, tedy při I2 =FIG. 6 shows the significant advantage of the device of FIG. 2 and what this consequence is. In the diagram are plotted current I g flowing to the sub stratum, thus curves 35, 36, 37 to velikosti'vzdálenosti d ^ between the substrates and the cathode. Curve 35 refers to a balanced magnetron; Thus at I O 2, curve 36 refers to an unbalanced magnetron, namely when I «lag curve 37 relates to a device according to the invention, i.e. at I 2 =
A. Z diagramu je patrné, že hustota plazmatu a tedy taká iontový proud připadající na proud 1 tekoucí na substráty rychle klesá u vyváženého i nevyváženého magnetronu a již ve vzdálenosti d « 60 mm mezi katodou a substráty činí maximálně 30 % proudu tekoucího na ka todu. Naproti tomu při hodnotě proudu I2 = 10 A jsou hodnoty-proudu Ig tekoucího na substráty vysoké a téměř nezávislé na vzdálenosti d až do hodnoty d a 150 mm, kdy hodnota indukce magnetického pole klesne pod potřebnou prahovou hodnotu a zařízeni již nevyhovuje definici podle předloženého řešeni.A. It can be seen from the diagram that the plasma density and thus the ionic current per current flowing on substrates decreases rapidly for both balanced and unbalanced magnetron, and at a distance d «60 mm between the cathode and substrates is no more than 30% . On the other hand, at a current value of I 2 = 10 A, the current values of I g flowing on substrates are high and almost independent of distance d up to da 150 mm, when the magnetic field induction value falls below the required threshold and the device no longer meets the definition of solution.
Na obr. 7 je ukázána možnost ovládáni proudu I_, tekoucího na substráty, pomoci prou s du lj, tekoucího do cívky 14 na Obr. 2; která vytváří druhé magnetické pole sa siločarami 16, Křivka 33,' která znázorňuje vztah Ig a f /tj/ má výrazně klesajlci charakter. Při vysokých hodnotách proudy Ip tskouciho do cívky 14 pro Vytvořeni druhého magnetického pole, je vlče elektronů zachyceno timto druhým magnetickým polem, a tím se sníží poměr proudů Ig/I2, Změnami proudu lj lze ovládat proud Ig minimálně od hodnoty 0,35 A do l;0 A přičemž napětí U se mění jan málo; jak ja patrné z průběhu křivky 39.FIG. 7 shows the possibility of controlling the current flowing onto the substrates by means of the current flowing into the coil 14 in FIG. 2; which generates a second magnetic field with field lines 16, Curve 33, which illustrates the relationship of 1 g and f, i.e., has a significantly decreasing character. At high values, the currents Ip entering the second magnetic field coil 14 are captured by the second magnetic field, thereby reducing the current ratio I g / I 2. By varying the current Ij, the current I g can be controlled from at least 0.35 A to l; 0 A where the voltage U varies with little Jan; as can be seen from the course of curve 39.
Konstrukci zařízeni pro prováděni způsobu podle vynálezu lze obměňovat, modifikovat mnoha různými způsoby, podle toho, jakého druhu jsou substráty, jaký je speciální účel po užiti a jaká je velikost substrátů. Tvar a velikoet substrátů jakož i charakter části povrchu substrátů, dále okolnost, zda části povrchu, které mají být opatřeny vrstvami žádaných vlastnosti, jsou V dutinách anebo na místech jinak obtížně přístupných, vede k nutnosti uplatněni zvláštních nároků na způsob a zařízení podle vynálezu. Oe důležitou výhodou způsobu a zařízeni pro jeho prováděni, že různé potřebné alternativy a modifikace konstrukčního provedeni j3ou vždy dobře možné,’ což má význam technický i ekonomický. 3e nutno ještě zdůraznit, že v praxi prakticky stěži může vzniknout případ, kdy velikost substrátu znemožni využití způsobu a zařízeni podle vynálezu z důvodů velmi malých nebo naopak velkých rozměrů.The design of the apparatus for carrying out the method of the invention can be varied, modified in many different ways, depending on the type of substrates, the special purpose for use and the size of the substrates. The shape and size of the substrates, as well as the character of the surface portion of the substrates, and whether the surface portions to be provided with the desired properties layers in cavities or otherwise difficult to access places make it necessary to claim particular methods and apparatus of the invention. It is an important advantage of the method and apparatus for carrying out that the various alternatives and modifications to the design are always possible, both technical and economic. It should also be pointed out that in practice it can hardly be the case that the size of the substrate makes it impossible to use the method and apparatus according to the invention because of the very small or large dimensions.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CS865988A CS273447B1 (en) | 1988-12-23 | 1988-12-23 | Method and device for ionic cladding during layers sputtering |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CS865988A CS273447B1 (en) | 1988-12-23 | 1988-12-23 | Method and device for ionic cladding during layers sputtering |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CS865988A1 CS865988A1 (en) | 1990-07-12 |
| CS273447B1 true CS273447B1 (en) | 1991-03-12 |
Family
ID=5437451
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CS865988A CS273447B1 (en) | 1988-12-23 | 1988-12-23 | Method and device for ionic cladding during layers sputtering |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CS (1) | CS273447B1 (en) |
-
1988
- 1988-12-23 CS CS865988A patent/CS273447B1/en unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CS865988A1 (en) | 1990-07-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6497803B2 (en) | Unbalanced plasma generating apparatus having cylindrical symmetry | |
| US5234560A (en) | Method and device for sputtering of films | |
| JP5160730B2 (en) | Beam plasma source | |
| CA2326202C (en) | Method and apparatus for deposition of biaxially textured coatings | |
| KR100396456B1 (en) | High target utilization magnetic arrangement for a truncated conical sputtering target | |
| US5556519A (en) | Magnetron sputter ion plating | |
| US4179351A (en) | Cylindrical magnetron sputtering source | |
| US20040155592A1 (en) | Magnetic mirror plasma source | |
| US20070026161A1 (en) | Magnetic mirror plasma source and method using same | |
| JP2009534797A (en) | Dual plasma beam source and method | |
| WO2007129021A1 (en) | High power impulse magnetron sputtering vapour deposition | |
| EP0413291B1 (en) | Method and device for sputtering of films | |
| US5976636A (en) | Magnetic apparatus for arc ion plating | |
| US5378341A (en) | Conical magnetron sputter source | |
| US6733642B2 (en) | System for unbalanced magnetron sputtering with AC power | |
| US20090020415A1 (en) | "Iontron" ion beam deposition source and a method for sputter deposition of different layers using this source | |
| CS273447B1 (en) | Method and device for ionic cladding during layers sputtering | |
| WO2001092595A1 (en) | Unbalanced plasma generating apparatus having cylindrical symmetry | |
| Sanders et al. | Magnetic enhancement of cathodic arc deposition | |
| US6432286B1 (en) | Conical sputtering target | |
| JPH07116598B2 (en) | Sputtering device | |
| JPH03115567A (en) | Sputtering method and device | |
| Konishi et al. | Magnetic field control of pulse magnetron glow plasma | |
| US20040149575A1 (en) | System for unbalanced magnetron sputtering with AC power | |
| JPH03146660A (en) | Sputtering method and device |