CZ2009784A3

CZ2009784A3 - Zpusob vytvárení PVD vrstev s pomocí rotacní cylindrické katody a zarízení k provádení tohoto zpusobu

Info

Publication number: CZ2009784A3
Application number: CZ20090784A
Authority: CZ
Inventors: Veprek@Stan; Jílek@Mojmír; Zindulka@Ondrej
Original assignee: Shm, S.R.O.
Priority date: 2009-11-23
Filing date: 2009-11-23
Publication date: 2011-06-01
Also published as: CA2780893A1; CZ304905B6; KR20120101468A; EP2516693A1; US20120228124A1; CN102712992A; WO2011060748A1

Abstract

Vynález se týká zpusobu nanášení oteruvzdorných vrstev metodou PVD, pri kterém k nanášení vrstvy dochází soucasne z alespon dvou pracovních povlakovacích zdroju, kde alespon jedním z techto zdroju je cylindrická rotacní katoda, pracující v režimu nevyváženého magnetronu (1), a soucasne alespon jedním z techto zdroju je katoda (7a, 7b, 7c), pracující v režimu nízkonapetového obloukového výboje. Dále se vynález týká zarízení k provádení tohoto zpusobu, které sestává z vakuové povlakovací komory (2), ve které jsou umísteny alespon dva povlakovací zdroje s jejich príslušnými plynovými vstupy (2b) procesních plynu a s príslušnými stíneními (4, 8), a ve které je umísten alespon jeden substrát (3b) na rotacním držáku (3), a alespon jedním z techto povlakovacích zdroju je cylindrická rotacní katoda, pracující v režimu nevyváženého magnetronu (1), a soucasne alespon jedním z techto zdroju je katoda (7a, 7b, 7c), pracující v režimu nízkonapetového obloukového výboje.

Description

Způsob vytváření PVD vrstev s pomocí rotační cylindrické katody a zařízení k provádění tohoto způsobu

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu nanášení otéruvzdorných vrstev metodou PVD, kde k nanášení vrstvy dochází kombinací magnetronového naprašování a obloukového napařování. Současně se jedná i o zařízení k provádění tohoto způsobu.

Dosavadní stav techniky

V současnosti jsou známy mnohé varianty způsobů a zařízení pro vytvářeni PVD vrstev. Jako nejbližší vůči předkládanému vynálezu se jeví soubor řešení podle následujícího výčtu.

V souladu se spisem EP 1538496 jsou známy způsoby použití rotačních cylindrických targetů pro přípravu PVD vrstev nízkonapěťovým obloukem, které mimo zlepšení rovnoměrnosti nanášené vrstvy a zvýšeni využitelnosti materiálu targetu umožňují použití silnějšího magnetického pole minimalizující velikost a počet makročástic v nanášené vrstvě.

Podle spisu WO 2007/044344 jsou známy způsoby použití cylindrických targetů pro magnetronové naprašování využívající vnitřní dutiny pro umístění magnetického pole. Magnetické pole na povrchu targetu vytváří jeden nebo více uzavřených kanálů magnetického pole, které jsou orientovány podél osy targetu a zlepšují rovnoměrnost nanášené vrstvy a využitelnost materiálu targetu.

Podle spisu WO 2007/044344 jsou též známy způsoby použití cylindrických rotačních magnetronových targetů pro přípravu PVD vrstev, které vlivem rotace targetu zvyšují jeho životnost a využitelnost.

I

O’—KO^-

Dále jsou známy způsoby optimalizace konstrukce cylindrických magnetronů, kde konstrukce stínění konců targetů je vytvořena v souladu se spisem US 5725746, nebo je známa konstrukce rotace magnetronové katody zamezující degradaci ložiskových uložení průchodem proudu, a to podle spisu US 2006/049043, konstrukce uchycení vyměnitelného jednostranného cylindrického rotačního targetu bez nutnosti demontáže hlavy katody z komory, patrná ze spisu WO 92/07105, konstrukce uchycení vyměnitelného oboustranně uchyceného cylindrického rotačního targetu, patrná ze spisu US 5445721, nebo též celková konstrukce rotačního cylindrického magnetronů v souladu se spisem US 2008/0012460, resp. se spisem WO 91/07521.

Je znám způsob využití cylindrického rotačního magnetronů s rotačním magnetickým polem v kombinaci s bočními válcovými rotačními magnetrony se statickým magnetickým polem, jak je patrno ze spisu EP 0119631, z roku1984.

Je znám i způsob využití rotačního magnetického pole permanentních magnetů tvořících vícenásobné elektronové kanály v kombinaci se stacionárním fiat targetem, zlepšující využitelnost materiálu targetu, jak ukazuje spis EP 1953257.

Jsou známy také způsoby vytvoření nevyváženého magnetronů s rovinným targetem, a to použitím nevyváženého magnetického pole, kdy vnější magnetické pole má větší intenzitu než pole vnitřní, resp. centrální, jak patrno ze spisu GB 2241710.

Jsou též známy způsoby vytvoření nevyváženého magnetronů s rovinným targetem, a to použitím nevyváženého rotačního magnetického pole, jak ukazuje spis EP 1067577, resp. spisWO 03/015475.

Jsou známy způsoby uspořádání nevyvážených magnetronů s různým tvarem targetů do párů takovým způsobem, že magnetické pole zabraňuje úniku elektronů mimo depoziční oblast a zlepšuje ionizaci plazmatu a vlastnosti deponované vrstvy, kde zmíněné uspořádání lze využít pro zapojení targetů v režimu střídání výkonů. Takové uspořádání je možno seznat například ze spisu US 2002/0195336.

Jsou známy způsoby vytvoření nevyváženého cylindrického magnetronů použitím nevyváženého magnetického pole, kdy odprašovaný povrch targetu může být uspořádán uvnitř i vně targetu, jak patrno ze spisu US 2001/0050255.

Jsou známy ještě i způsoby modifikace magnetických polí magnetronových targetů s využitím externích pomocných magnetických nástavců, resp.externích magnetických polí, jak ukazují spisy US 6749730 a US 2003/0089601.

Také jsou ještě známy způsoby využití rotačního cylindrického stínění cylindrických magnetronových targetů, příkladně jako ve spisech WO 94/16118 a EP 1 251 547.

Podstata vynálezu

Cílem vynálezu je získání nového způsobu a zařízení pro nanášení otéruvzdorných vrstev metodou PVD. Způsob nanášení otéruvzdorných vrstev metodou PVD zde spočívá v tom, že k nanášení vrstvy dochází současně z alespoň dvou pracovních povlakovacích zdrojů, kde alespoň jedním z těchto zdrojů je cylindrická rotační katoda, pracující v režimu nevyváženého magnetronu, a současně alespoň jedním z těchto zdrojů je katoda, pracující v režimu nízkonapěťového obloukového výboje.

Zařízení k provádění tohoto způsobu potom sestává z vakuové povlakovací komory, ve které jsou umístěny alespoň dva povlakovací zdroje s jejich příslušnými plynovými vstupy procesních plynů a příslušnými stíněními, a ve které je umístěn alespoň jeden substrát na rotačním držáku, přičemž podstata spočívá v tom, že alespoň jedním z těchto povlakovacích zdrojů je cylindrická rotační katoda, pracující v režimu nevyváženého magnetronu, a současně alespoň jedním z těchto zdrojů je katoda, pracující v režimu nízkonapěťového obloukového výboje. Výhodné je, jestliže cylindrická rotační katoda, pracující v režimu nevyváženého magnetronu, je umístěna v povlakovací komoře v prostoru uvnitř rotačního držáku. V takovém případě je zvláště výhodné, jestliže ostatní pracovní povlakovací zdroje jsou umístěny vně rotačního držáku. Alternativně je výhodou, jestliže cylindrická rotační katoda, pracující v režimu nevyváženého magnetronu, i ostatní pracovní povlakovací zdroje jsou umístěny v povlakovací komoře vně rotačního držáku. Ohledné elektrického zapojení je s výhodou cylindrická rotační katoda, pracující v režimu nevyváženého magnetronu, stíněna cylindrickým stíněním, které je zapojeno ve vztahu k této katodě jako anoda. Alternativně je výhodné, jestliže katoda, pracující v režimu nízkonapěťového obloukového výboje, je stíněna cylindrickým stíněním. V provedeních se stíněním je pak výhodné, jestliže stínění je vybaveno přídavným plynovým vstupem, resp. ještě i dalším přídavným plynovým vstupem procesních plynů.

Podstata vynálezu tedy celkově spočívá v umístěni alespoň jednoho, nebo i více cylindrických rotačních nevyvážených magnetronů v blízkosti rotačního držáku povlakovaných substrátů a pracujícího v souběhu nebo s možností souběhu jedné nebo více pracovních katod, přičemž alespoň jedna z nich využívá princip nízkonapěťového oblouku.

Podstata dále spočívá ve vybavení uvedeného magnetronu válcovým stíněním, které může být různé konstrukce dle jeho účelu, a otočným magnetickým polem, kteréžto prvky umožňují různé kombinace v orientaci odprašovaného povrchu magnetronové katody vůči pracovním katodám a ve volbě lokálních přídavných plynových vstupů procesních plynů, umožňujícími, zejména pak v kombinaci se zmíněnými stíněními, lokální změny složení pracovní plynné atmosféry.

Výhody řešení podle vynálezu:

Cylindrický rotační magnetron poskytuje možnost použití výrazně vyššího výkonu pro magnetronový výboj v porovnání s nízkonapěťovým obloukem, výrazně vyšší rychlost růstu nanášené vrstvy v porovnání s obloukovou technologií, výrazně menší měrnou drsnost ve srovnání s nízkonapěťovým obloukem, výrazné větší „stupeň ionizace“ oproti stávajícím magnetronům (stupeň ionizace je odvozen z porovnání poměru proudu na substrát / celkový počet ionizovaných částic) a rychlosti růstu vrstvy (počet neutrálů) mezi cylindrickým rotačním obloukem a magnetronem podle předkládaného vynálezu, v souběhu s obloukovými katodami lze dosáhnout další dodatečné ionizace plazmatu a reakčních složek podílejících se na tvorbě vrstvy, pracovní obloukové katody v souběhu stabilizují hysterezní chování magnetronu, zmenšují citlivost magnetronu na změnu parciálního tlaku reakčních složek atmosféry a zpomalují přechod do nestabilní pracovní oblasti, v kombinovaném uspořádání lze použít obloukové katody pro iontové čistění, které poskytuje výrazně lepší adhezi nanášené vrstvy v porovnání s použitím samotného magnetronu pro iontové čištění, magnetickým polem cylindrického rotačního magnetronu lze dosáhnout vytvoření nevyváženého magnetronu, magnetronový kanál nebo kanály cylindrického rotačního magnetronu mohou být v případě stacionárního pole orientovány směrem k pracovním katodám nebo směrem od nich a tímto způsobem lze řídit strukturu nanášené vrstvy (v přivráceném režimu jsou materiály jednotlivých katod míchány a dominantně vytváří monovrstvu, v odvráceném režimu míchány nejsou míchány a lze nanášet multivrstevnatou strukturu, jejíž tloušťka může být řízena procesními parametry), využitím dalších pracovních katod v souběhu lze modifikovat s výhodou složení a vlastnosti nanášené PVD vrstvy, válcové stínění chrání cylindrický rotační magnetron před vlivem ostatních pracovních katod při nanášení pouze z nich, válcové stíněni lze použít pro Čištění cylindrického rotačního magnetronu před zahájením vlastní depozice při současném stíněni substrátů před vlivem reziduí, uvolněných z povrchu targetu při čištění cylindrického rotačního magnetronu, válcové stínění lze použít pro nájezd cylindrického rotačního magnetronu na pracovní bod před zahájením vlastni depozice při současném stínění substrátů před vlivem reziduí, uvolněných z povrchu targetu při tomto nájezdu, válcové stínění může být s výhodou doplněno lokálním vstupem plynů umožňujícím lokální změnu složení pracovní plynné atmosféry.

Podstata předkládaného vynálezu je aplikovatelná případně i pro adaptaci některých známých způsobů a zařízení, pracujících nikoli s rotačními či podobnými elektrodami, ale s elektrodami planárními. Taková zařízení, která obsahují kombinaci planárních elektrod, pracujících na principu magnetronu a na principu nízkonapěťového oblouku, jsou sice známa, ale jsou upravena pro alternativní provoz buď s jedním typem elektrody, nebo jen s druhým zabudovaným typem elektrody, nikoli ovšem pro provoz souběžně s oběma typy elektrod. Z hlediska základní myšlenky předkládaného vynálezu by aplikace pro zařízení s planárními elektrodami byla v podstatě technickou ekvivalencí způsobu a zařízení podle předkládaného vynálezu.

Přehled obrázků ve výkresech

Způsob a zařízeni podle vynálezu se dále podrobněji popisuje a vysvětluje na příkladných provedeních, též s pomocí přiložených výkresů, kde, ve schematizovaných příčných řezech, je na obr.1 povlakovací zařízení s centrálním magnetronem a s bočními pracovními katodami vně rotačního držáku substrátů, na obr.2 je pak dále patrný detail katody cylindrického rotačního magnetronu, tvořené vlastním rotačním válcovým dutým targetem, s permanentními magnety, vytvářejícími nevyvážené magnetické pole, na obr.3 je detail téže katody, navíc se zobrazeným magnetickým polem, v tomto provedení vytvářejícím na povrchu oválný uzavřený magnetický kanál, jehož delší strana je rovnoběžná s osou targetu, na obr.4 je potom ilustrována jiná varianta způsobu podle vynálezu, a to na zařízení, kde cylindrický rotační magnetron je umístěn uvnitř povlakovací komory a uvnitř prostoru rotačního držáku substrátů současně s další pracovní katodou, pracující na principu nízkonapěťového obloukového výboje, která je rovněž umístěna uvnitř prostoru rotačního držáku, načež dále pak na obr.5 je ilustrován ještě jiný způsob podle vynálezu, a to na zařízení vytvořeném tak, že cylindrický rotační magnetron je umístěn uvnitř povlakovací komory, ale vně rotačního držáku substrátů, a to současně s další pracovní katodou, pracující na principu nízkonapěťového obloukového výboje, dále pak na obr.6 je znázorněn, pro ilustraci fáze čištění, detail katody cylindrického rotačního magnetronu, tvořené vlastním rotačním válcovým dutým targetem, s permanentními magnety, vytvářejícími nevyvážené magnetické pole, podobně jako na obr.2, ale tentokrát s otočením magnetického pole uvedeného cylindrického rotačního magnetronu, a to v návaznosti na polohu feromagnetického a otočného jádra s permanentními magnety, z pracovní pozice, znázorněné na obr.2, do pozice Čištění, znázorněné na tomto obr.6, přičemž ještě dále na obr.7 je patrné provedení povlakovacího zařízení podle obr.1, kde se provádí čištění a tato fáze může prolínat do fáze iontového leptání nástrojů doutnavým výbojem nebo obloukovým výbojem z bočních katod, přičemž alespoň jedna z těchto bočních katod je upravena pro činnost v režimu nízkonapěťového oblouku a jedná se pak o tzv. obloukovou katodu, a kde celkově, proti stavu zařízení dle obr.1, je magnetické pole centrálního rotačního cylindrického magnetronu otočeno z polohy dle obr.2 do polohy, znázorněné na obr.6, načež ještě na obr.8 je zařízení podle obr.1, ale v situaci, kdy boční katody jsou odstíněny vlastním válcovým stíněním, otočeným do polohy blíže centrálnímu rotačnímu magnetronu, čímž je ilustrováno nanášení vlastní vrstvy TiAIN pouze s využitím centrálního cylindrického rotačního magnetronu, kdy boční katody jsou chráněny svými příslušnými stíněními katod, přičemž magnetické pole magnetronu je orientováno směrem k substrátům mimo prostor za stíněním, a konečně na obr.9 je ilustrováno nanášení vlastní vrstvy TiAIN, probíhající s využitím souběhu, resp. součinnosti cylindrického rotačního magnetronu a boční katody nebo katod, kde alespoň jedna z nich, označovaná též jako oblouková katoda, je upravena pro činnost v režimu nízkonapěťového oblouku, přičemž magnetické pole tohoto magnetronu je zde orientováno směrem k substrátům mimo prostor za válcovým stíněním a orientace magnetronového výboje je směrem od bočních katod.

Příklady provedeni vynálezu

Způsob podle vynálezu je ilustrován na zařízení podle vynálezu, v příkladném provedení, představovaném typickým uspořádáním povlakovacího zařízení, vycházejícího ze známého typu PÍ300, které je patrné z obr.1 a je vytvořeno následovně. Cylindrický rotační magnetron 1 je umístěn centrálně uvnitř povlakovací komory 2. Povlakovací komora 2 sestává ze vstupu 2b procesních plynů, výstupu 2a pro evakuaci plynů, dveří 6 povlakovací komory 2 a rotačního držáku 3 substrátů 3b. Rotační držák 3 substrátů 3b umožňuje naložení povlakovaných substrátů 3b na jednotlivé planetky 3a a jejich vícestupňovou rotaci. Souose s cylindrickým rotačním magnetronem 1 je umístěno jeho válcové stínění 4. V blízkosti tohoto válcového stínění 4 může být umístěn přídavný plynový vstup 5 či vstupy procesních plynů. Vně rotačního držáku 3 substrátů 3b v prostoru dveří 6 povlakovací komory 2 jsou umístěny boční pracovní katody 7a,7b,7c včetně jim příslušného stínění 8 bočních pracovních katod a do nich zaústěného dalšího přídavného plynového vstupu 9 či vstupů dalších procesních plynů. Samotná konkrétní a podrobněji popsaná konstrukce takových bočních pracovních katod a jejich stínění je v oboru známá a je zřejmá například ze spisu EP 1356496. Kombinace osazení jednotlivých typů bočních pracovních katod 7a,7b,7c u příkladného provedení je libovolná, ale alespoň jedna z nich musí být upravena a zapojena pro využití v režimu nízkonapěťového oblouku.

Na obr.2 je pak dále patrné uspořádání, kde katoda cylindrického rotačního magnetronu 1 je tvořena vlastním rotačním válcovým dutým targetem 1a, s permanentními magnety 1c, vytvářejícími nevyvážené magnetické pole a uloženými na feromagnetickém a otočném jádře 1b uvnitř dutiny uvedeného targetu 1a. Magnetické pole v tomto provedení vytváří na povrchu oválný uzavřený magnetický kanál, jehož delší strana je rovnoběžná s osou uvedeného targetu ta, jak je dále patrno na obr.3.

Jiný způsob podle vynálezu je ilustrován na zařízeni podle vynálezu, v příkladném provedení, které je patrné z obr.4 a je vytvořeno následovně. Cylindrický rotační magnetron 1 je umístěn uvnitř povlakovací komory 2 a uvnitř prostoru rotačního držáku 3 substrátů 3b současně s další pracovní katodou 7a, pracující na principu nízkonapěťového obloukového výboje, která je rovněž umístěna uvnitř prostoru rotačního držáku 3. Povlakovací komora 2 sestává ze vstupu 2b procesních plynů, výstupu 2a pro evakuaci plynů, dveří 6 povlakovací komory 2 a rotačního držáku 3 substrátů 3b. Rotační držák 3 substrátů 3b umožňuje naložení povlakovaných substrátů 3b na jednotlivé planetky 3a a jejich vícestupňovou rotaci. Souose s cylindrickým rotačním magnetronem 1. je umístěno jeho válcové stínění 4. V blízkosti tohoto válcového stínění 4 může být umístěn přídavný plynový vstup 5 či vstupy procesních plynů. Pracovní katoda 7a využívá příslušného stínění 8 a do něho zaústěného dalšího přídavného plynového vstupu 9 dalších procesních plynů.

Ještě jiný způsob podle vynálezu je ilustrován na zařízení podle vynálezu, v příkladném provedení, které je patrné z obr.5 a je vytvořeno následovně. Cylindrický rotační magnetron 1 je umístěn uvnitř povlakovací komory 2 vně rotačního držáku 3 substrátů 3b současně s další pracovní katodou 7a, pracující na principu nízkonapěťového obloukového výboje. Povlakovací komora 2 sestává ze vstupu 2b procesních plynů, výstupu 2a pro evakuaci plynů, dveří 6 povlakovací komory 2 a rotačního držáku 3 substrátů 3b. Rotační držák 3 substrátů 3b umožňuje naložení povlakovaných substrátů 3b na jednotlivé planetky 3a a jejich vícestupňovou rotaci. Souose s cylindrickým rotačním magnetronem 1 je umístěno jeho válcové stínění 4. V blízkosti tohoto válcového stínění 4 může být umístěn přídavný plynový vstup 5 či vstupy procesních plynů. Pracovní katoda 7a využívá příslušného stínění 8 a do něho zaústěného dalšího přídavného plynového vstupu 9 dalších procesních plynů.

Válcové stínění 4 cylindrického rotačního magnetronu 1 může být provedeno v několika variantách, které jsou zde následně podrobněji popsány.

a) Jako stínění pevné, stínící přibližně 180° povrchu targetu 1a. Stínění 4 je galvanicky oddělené od povlakovací komory 2, se zapojením na plovoucím potenciálu, a je vybaveno bočními nastavitelnými díly 4a, které lze přestavit v souvislosti se zmenšováním průměru uvedeného targetu 1a. Válcové stínění 4 může být vůči bočním katodám 7a,7b,7c orientováno na přivrácené nebo odvrácené straně.

b) Jako stínění pevné, stínící přibližně 180° povrchu uvedeného targetu 1a a tvořící pomocnou anodu. Takové válcové stínění 4 může být doplněno vodním chlazením v závislosti na výkonu čištění. Jeho tvar může být ovšem obecně i odlišný od prostého kruhového válce. Je vybaveno bočními nastavitelnými díly 4a, které lze přestavit v souvislosti se zmenšováním průměru uvedeného targetu 1a v důsledku eroze. Válcové stínění 4 v tomto případě může být vůči bočním katodám 7a.7b.7c orientováno na přivrácené nebo odvrácené straně.

c) Jako stínění pevné, dle varianty a) nebo b), doplněné rotační částí, zcela uzavírající uvedený target 1a v prostoru válcového stínění 4. Válcové stínění 4 zde může být vůči bočním katodám 7a.7b,7c orientováno na přivrácené nebo odvrácené straně.

d) Jako stínění, doplněné uvnitř nebo v těsné blízkosti tohoto válcového stínění 4, vytvořeného jinak dle varianty a) až c), umístěným přídavným plynovým vstupem 5 nebo plynovými vstupy procesních plynů, umožňujícími lokálně měnit složení procesní atmosféry.

Dále následují příklady způsobu podle vynálezu, kde způsob je opět provozován na zařízení v příkladném provedení, a to s odkazem na další obrázky, ilustrující tento způsob a zařízení.

Příklad 1 - nanášeni vrstvy TiAIN s využitím souběhu uvedeného cylindrického rotačního magnetronu a bočních katod

Postup nanášení vrstvy TiAIN na povlakovacím zařízení PÍ300 sestává, s využitím obecně známých postupů z následujících podstatných fází: odčerpání komory, ohřevu nástrojů na pracovní teplotu, iontového čištění nástrojů doutnavým výbojem nebo obloukovým výbojem z bočních katod, čištěni cylindrického rotačního magnetronu do prostoru stínění, nanášení adhezních vrstev z bočních katod a cylindrického rotačního magnetronu, nanášení vlastní vrstvy s využitím souběhu cylindrického rotačního magnetronu a boční katody nebo katod, chlazení z procesní teploty a zavzdušněni komory.

Následující fáze obsahují využiti cylindrického rotačního nevyváženého magnetronu a bočních elektrod podle vynálezu, dle způsobu, provozovaného na zařízení, patrném na obr.1:

1. Čištění povrchu cylindrického rotačního cylindrického rotačního nevyváženého magnetronu 1 do prostoru za válcovým stíněním 4, které je možno sledovat na obr.6. Povrch katody uvedeného cylindrického rotačního magnetronu 1, provedené zde jako rotační válcový dutý target 1 a, může být kontaminován např. kyslíkem a dusíkem z předchozího zavzdušnění povlakovací komory 2 nebo z depozice. Účelem této fáze je odstranění reziduí způsobem omezujícím či zabraňujícím depozici odprášených reziduí na povrch povlakovaných substrátů 3b. Fáze čištění začíná otočením magnetického pole uvedeného cylindrického rotačního magnetronu 1, a to v návaznosti na polohu feromagnetického a otočného jádra 1b s permanentními magnety 1c, z pracovní pozice, znázorněné na obr.2 do pozice čištění, znázorněné na obr.6. Válcové stínění 4 je zde zapojeno jako pomocná anoda. Procesní parametry této fáze jsou: celkový tlak 0,4 Pa pouze v Ar atmosféře, průtok Ar 40 sccm, teplota 550°C, výkon magnetronu 6 kW, doba čištění 10 min. Tato fáze může prolínat do fáze iontového leptání nástrojů doutnavým výbojem nebo obloukovým výbojem z bočních katod 7a,7b,7c, jak je patrné na obr.7. Přitom alespoň jedna z těchto bočních katod 7a,7b,7c je upravena pro činnost v režimu nízkonapěťového oblouku a jedná se pak o tzv. obloukovou katodu.

2. Nanášeni adhezních vrstev z bočních katod 7a.7b.7c a z uvedeného cylindrického rotačního magnetronu 1, u kterého je využito v této fázi otočného magnetického pole tohoto cylindrického rotačního magnetronu 1 pro přesměrování výboje z prostoru za stíněním 4 směrem k substrátům 3b. Adhezní vrstvy jsou deponovány souběhem, resp. součinností uvedeného cylindrického rotačního magnetronu 1 a bočních katod 7a,7b,7c, v uspořádání patrném na obr.1. Pro lokální ovlivnění složení reaktivních atmosfér je s výhodou použito lokálního přídavného plynového vstupu 5, nebo i více takových plynových vstupů, a také dalšího přídavného plynového vstupu 9, nebo i více takových dalších plynových vstupů. Je využito gradientního přechodu procesních parametrů - celkový tlak regulovaný dusíkem z 0,42 na 0,47 Pa, průtok Ar 40 sccm, teplota 550°C, výkon magnetronu z 6 na 25 kW, výkon obloukové katody 150 A, napětí na vzorcích z -120 na -75V, doba depozice 5 min.

3. Nanášení vlastní vrstvy TiAIN s využitím souběhu, resp. součinnosti uvedeného cylindrického rotačního magnetronu 1 a boční katody či katod 7a.7b,7c, kde alespoň jedna katoda je vytvořena jako tzv. oblouková katoda, tedy katoda upravená pro provoz v režimu nízkonapěťového oblouku, jak je patrné též na obr.1. Magnetické pole uvedeného magnetronu 1 je orientováno směrem k substrátům 3b mimo prostor za stíněním 4. V průběhu depozice vrstvy TiAIN na substráty 3b dochází k současnému naprašování z katody uvedeného cylindrického rotačního magnetronu 1 a odpařování materiálu boční katody nebo katod 7a,7b,7c nízkonapěťovým obloukem. Pro lokální ovlivnění složení reaktivních atmosfér je zde rovněž s výhodou použito lokálního přídavného plynového vstupu 5, nebo i více takových plynových vstupů, a také dalšího přídavného plynového vstupu 9, nebo i více takových dalších plynových vstupů. Typické procesní parametry fáze nanášení z uvedeného cylindrického rotačního magnetronu 1 jsou: tlak 0,3-0,8 Pa, průtok Ar 30-80 sccm, teplota 300-600^DC, výkon magnetronu 5-30 kW, napětí na vzorcích -25 až - 200 V, doba depozice 30-90min.

Příklad 2 - nanášení vrstvy TiAIN s využitím pouze uvedeného cylindrického rotačního magnetronu

Postup nanášení vrstvy TiAIN na povlakovacím zařízení PI300 sestává, s využitím obecně známých postupů, převážně z následujících fází: odčerpání komory, ohřevu nástrojů na pracovní teplotu, iontového leptání nástrojů doutnavým výbojem nebo obloukovým výbojem z bočních katod, čištění cylindrického rotačního magnetronu do prostoru stínění, nanášení adhezních vrstev z bočních katod a cylindrického rotačního magnetronu, nanášení vlastni vrstvy pouze s využitím cylindrického rotačního magnetronu, chlazení z procesní teploty a zavzdušnění komory.

Následující fáze obsahují využití cylindrického rotačního nevyváženého magnetronu podle vynálezu dle způsobu na obr. 1:

1. Čištění uvedeného cylindrického rotačního magnetronu 1 do prostoru za válcovým stíněním 4, Povrch katody uvedeného cylindrického rotačního magnetronu 1, vytvořené jako rotační cylindrický dutý target 1a, může být kontaminován např. kyslíkem a dusíkem z předchozího zavzdušnění povlakovací komory 2. Účelem této fáze je odstranění reziduí způsobem omezujícím či zabraňujícím depozici odprášených reziduí na povrch povlakovaných substrátů 3b. Fáze čištění začíná otočením magnetického pole uvedeného cylindrického rotačního magnetronu 1, a to v návaznosti na polohu feromagnetického a otočného jádra 1b s permanentními magnety 1c, z pracovní pozice, znázorněné na obr.2, do pozice čištění, znázorněné na obr.6. válcové stínění 4 je zapojeno jako pomocná anoda. Procesní parametry této fáze jsou: celkový tlak pouze v Ar atmosféře 0,4 Pa, průtok Ar 40 sccm, teplota 550^eC,

1 výkon magnetronu 6 kW, doba čištění 10 min. Tato fáze může prolínat do fáze iontového leptání nástrojů doutnavým výbojem nebo obloukovým výbojem z bočních katod 7a.7b.7c. jak je patrné na obr.7. Přitom i zde je alespoň jedna z těchto bočních katod 7a,7b,7c upravena pro činnost v režimu nízkonapěťového oblouku a jedná se pak o tzv. obloukovou katodu.

2. Nanášení adhezních vrstev z bočních katod 7a,7b,7c a z uvedeného cylindrického rotačního magnetronu 1, u kterého je využito v této fázi otočného magnetického pole pro přesměrování výboje z prostoru za válcovým stíněním 4 směrem k substrátům 3b, jak je patrné na obr.7.

3. Nanášení vlastní vrstvy TiAIN pouze s využitím uvedeného cylindrického rotačního magnetronu 1, kdy boční katody 7a,7b,7c jsou chráněny svými příslušnými stíněními 8 katod, jak patrno na obr.8. Magnetické pole uvedeného magnetronu 1 je orientováno směrem k substrátům 3b mimo prostor za stíněním 4, jak je patrno též na obr.2. Procesní parametry této fáze jsou: celkový tlak 0,3-0,8 Pa, průtok Ar 30-80 sccm, průtok dusíku 80-120 sccm, teplota 300-600°C, výkon magnetronu 5-30 kW, napětí na vzorcích -75 V, doba depozice 30-120 min.

Příklad 3 - nanášení odvrácenými výboji

Nanášení vlastní vrstvy TiAIN probíhá s využitím souběhu, resp. součinnosti uvedeného cylindrického rotačního magnetronu 1 a boční katody nebo katod 7a,7b,7c, kde alespoň jedna z nich, označovaná též jako oblouková katoda, je upravena pro činnost v režimu nízkonapěťového oblouku, což je možno sledovat na obr.9. Magnetické pole uvedeného magnetronu 1 je orientováno směrem k substrátům 3b mimo prostor za válcovým stíněním 4. Orientace magnetronového výboje je směrem od bočních katod 7a.7b.7c, jak patro též na obr.9 a umožňuje přípravu vrstev s multivrstevnatou strukturou řízené tloušťky. V této konfiguraci je nutné použít vhodný materiál uvedeného cylindrického rotačního magnetronu 1, kterýžto materiál nezpůsobí delaminaci a kohezní porušení v objemu vrstvy. Pro lokální ovlivnění složení reaktivních atmosfér je zde také s výhodou použito lokálního přídavného plynového vstupu 5, nebo i více takových plynových vstupů, a také dalšího přídavného plynového vstupu 9, nebo i více takových dalších plynových vstupů.

Typické procesní parametry fáze nanášení z uvedeného cylindrického rotačního magnetronu 1 jsou: tlak 0,3-0,8 Pa, průtok Ar 30-80 sccm, teplota 300-600°C, výkon magnetronu 5-30 kW, napětí na vzorcích -25 až - 200 V, doba depozice 30-90min.

Příklad 4 - nanášení vrstvy TiAIN s využitím uvedeného cylindrického rotačního magnetronu a nízkonapěťového oblouku umístěných uvnitř rotačního držáku substrátů

Nanášení vlastní vrstvy TiAIN probíhá s využitím souběhu, resp. součinnosti uvedeného cylindrického rotačního magnetronu 1 a katody 7, která je upravena pro činnost v režimu nízkonapěťového oblouku, což je možno sledovat na obr.4. Magnetické pole uvedeného magnetronu 1 je orientováno směrem k anodě 10, kombinující vzájemné odstínění obou katod, mimo prostor za válcovým stíněním 4. Orientace magnetronového výboje je směrem k druhé pracovní katodě 7, jak patro též na obr.4, a umožňuje přípravu vrstev s velkým poměrem promíchání materiálů jednotlivých katod. Pro lokální ovlivnění složení reaktivních atmosfér je zde také s výhodou použito lokálního přídavného plynového vstupu 5, nebo i více takových plynových vstupů, a také dalšího přídavného plynového vstupu 9, nebo i více takových dalších plynových vstupů.

Typické procesní parametry fáze nanášení z uvedeného cylindrického rotačního magnetronu i jsou: tlak 0,3-0,8 Pa, průtok Ar 30-80 sccm, teplota 300-600’C, výkon magnetronu 5-30 kW, proud obloukové katody 60-220A, napětí na vzorcích -25 až - 200 V, doba depozice 30-120min.

Příklad 5 - nanášení vrstvy TiAIN s využitím uvedeného cylindrického rotačního magnetronu a nízkonapěťového oblouku umístěných vně rotačního držáku substrátů

Nanášení vlastní vrstvy TiAIN probíhá s využitím souběhu, resp. součinnosti vně rotačního držáku 3 umístěného cylindrického rotačního magnetronu 1 a katody 7, která je upravena pro činnost v režimu nízkonapěťového oblouku, což je možno sledovat na obr.5. Magnetické pole uvedeného magnetronu 1. je orientováno směrem k substrátům 3b mimo prostor za válcovým stíněním 4. Orientace magnetronového výboje je směrem k substrátům a je stejná jako druhé pracovní katody 7, jak patro též na obr.5, a umožňuje přípravu vrstev s velkým poměrem promíchání materiálů jednotlivých katod. Pro lokální ovlivnění složení reaktivních atmosfér je zde také s výhodou použito lokálního přídavného plynového vstupu 5, nebo i více takových plynových vstupů, a také dalšího přídavného plynového vstupu 9, nebo i více takových dalších plynových vstupů.

Typické procesní parametry fáze nanášení z uvedeného cylindrického rotačního magnetronu 1 jsou: tlak 0,3-0,8 Pa, průtok Ar 30-80 sccm, teplota 300-600°C, výkon magnetronu 5-30 kW, proud obloukové katody 60-220A, napětí na vzorcích -25 až - 200 V, doba depozice 30-120min.

Průmyslová využitelnost

Způsob a zařízeni podle vynálezu jsou využitelné pro nanášení povlaků, zejména pro nanášení otěruvzdorných vrstev, kde se požaduje zvláště rovnoměrná vrstva s minimem mikročástic a s širokou variabilitou při nanášení.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob nanášeni otěruvzdorných vrstev metodou PVD, vyznačený tím, že k nanášení vrstvy dochází současně z alespoň dvou pracovních povlakovacích zdrojů, kde alespoň jedním z těchto zdrojů je cylindrická rotační katoda, pracující v režimu nevyváženého magnetronů (1), a současně alespoň jedním z těchto zdrojů je katoda (7a,7b,7c), pracující v režimu nízkonapěťového obloukového výboje.

2. Zařízení k provádění způsobu dle nároku 1, sestávající se z vakuové povlakovací komory, ve které jsou umístěny alespoň dva povlakovací zdroje s jejich příslušnými plynovými vstupy procesních plynů a příslušnými stíněními, a ve které je umístěn alespoň jeden substrát na rotačním držáku, vyznačené tím, že alespoň jedním z těchto povlakovacích zdrojů je cylindrická rotační katoda, pracující v režimu nevyváženého magnetronů (1), a současně alespoň jedním z těchto zdrojů je katoda (7a,7b,7c), pracující v režimu nízkonapěťového obloukového výboje.

3. Zařízení podle nároku 2. vyznačené tím, že cylindrická rotační katoda, pracující v režimu nevyváženého magnetronů, je umístěna v povlakovací komoře (2) v prostoru uvnitř rotačního držáku (3).

4. Zařízení podle nároku 3. vyznačené tím, že ostatní pracovní povlakovací zdroje jsou umístěny vně rotačního držáku (3).

5. Zařízení podle nároku 2. vyznačené tím, že cylindrická rotační katoda, pracující v režimu nevyváženého magnetronů, i ostatní pracovní povlakovací zdroje jsou umístěny v povlakovací komoře (2) vně rotačního držáku (3).

6. Zařízení podle nároku 2. vyznačené tím, že cylindrická rotační katoda, pracující v režimu nevyváženého magnetronů, je stíněna cylindrickým stíněním (4), které je zapojeno ve vztahu k této katodě jako anoda.

7. Zařízení podle nároku 2. vyznačené tím, že katoda (7a,7b,7c), pracující v režimu nízkonapěťového obloukového výboje, je stíněna dalším cylindrickým stíněním (8).

8. Zařízení podle nároku 6 nebo 7 vyznačené tím, že stínění (4,8) je vybaveno přídavným plynovým vstupem (5) nebo dalším přídavným plynovým vstupem (9) procesních plynů.