CZ2015837A3

CZ2015837A3 - Cylindrická katoda pro nanášení vrstev metodou PVD

Info

Publication number: CZ2015837A3
Application number: CZ2015-837A
Authority: CZ
Inventors: MojmĂr JĂlek
Original assignee: Shm, S. R. O.
Priority date: 2015-11-27
Filing date: 2015-11-27
Publication date: 2017-03-01
Also published as: CZ306541B6; WO2017088842A1

Abstract

Cylindrická katoda pro nanášení vrstev metodou PVD, zahrnující trubkovitý centrální nosič (1), na jehož obvodu je uspořádán target (2). Centrální nosič (1) má alespoň v oblasti targetu (2) vytvořený prostor (3) pro průtok tlakové chladicí kapaliny se vtupem (6) chladicí kapaliny a výstupem (7) chladicí kapaliny. Uvnitř centrálního nosiče (1) je uspořádán zdroj (5) magnetického pole. Prostor (3) pro průtok tlakové chladicí kapaliny je od targetu (2) oddělen pružnou trubkou (4), jejíž vnější průměr dosedá na vnitřní průměr targetu (2). Vnější průměr centrálního nosiče (1) v oblasti pod targetem (2) v klidovém stavu v podstatě odpovídá vnitřnímu průměru pružné trubky (4) a prostor (3) pro průtok tlakové chladicí kapaliny je tvořen množinou průchozích otvorů, uspořádaných v plášti centrálního nosiče (1) v oblasti pod targetem (2).

Description

Cylindrická katoda pro nanášení vrstev metodou PVD

Oblast techniky

X Vynález se týká cylindrické katody pro nanášení vrstev metodou PVD, zahrnující trubkovitý centrální nosič, na jehož obvodu je uspořádán target, přičemž centrální nosič má alespoň v oblasti targetu vytvořený prostor pro průtok tlakové chladicí kapaliny se vstupem chladicí kapaliny a výstupem chladicí kapaliny a uvnitř centrálního nosiče je uspořádán zdroj magnetického pole, přičemž prostor pro X průtok tlakové chladicí kapaliny je od targetu oddělen pružnou trubkou, jejíž vnější průměr dosedá na vnitřní průměr targetu.

Dosavadní stav techniky

X Metoda fyzikální depozice z plynné fáze, označovaná zkratkou PVD (Physical Vapor Deposition), je metoda nanášení tenkých vrstev.

Nanášení vrstev probíhá ve vakuové komoře. Před samotným nanášením vrstev se v komoře sníží tlak, komora se v závislosti na materiálu nástroje vyhřeje na χζ příslušnou teplotu, nanese se adhezní vrstva a potom se nanáší otěruvzdorná vrstva.

Cylindrická katoda pro nanášení vrstev metodou PVD je umístěna uvnitř komory a při nanášení rotuje, aby se nanášený materiál z katody odpařoval rovnoměrně.

Cylindrická katoda pro nanášení vrstev metodou PVD zahrnuje trubkovitý centrální nosič, na jehož obvodu je uspořádán materiál, který má být nanášen. Tento materiál se označuje jako target. Centrální nosič má alespoň v oblasti targetu vytvořený prostor pro průtok tlakové chladicí kapaliny se vstupem chladicí kapaliny a výstupem chladicí kapaliny. Uvnitř centrálního nosiče je uspořádán zdroj magnetického pole.

Pokud je target ze snadno obrobitelných materiálů, například Ti, TiAl, Al, je výhodné vyrobit target přímo ve tvaru trubky z jednoho kusu, která koaxiálně obepíná centrální nosič.

V případě targetu ze špatně obrobitelných materiálů, například TiBg nebo B^C, je target vyroben ve formě prstencových segmentů. Tyto segmenty jsou kvůli dobrému přenosu tepla vedle sebe napájeny nebo nalepeny na centrální nosič.

Takové provedení je známo například z dokumentu U

1.

Pro pájení targetů je možno použít pájku s nízkou tavící teplotou nebo pájku s vysokou tavící teplotou.

Při použití pájky s nízkou tavící teplotou (např. na bázi In) je maximální výkon, který lze přivést na katodu, limitován teplotou, při které dojde k odlepení targetu (a jeho následné destrukci).

X

Větší výkon je na katodu možné přivézt při použití pájky s vysokou taviči teplotou (tzv. tvrdá pájka, s výhodou aktivní pájka s příměsí Ti, či Si). Nicméně může dojít k popraskání targetu již během pájení targetu na centrální nosič, resp. během chladnutí po pájení. Důvodem je rozdílná tepelná roztažnost materiálu centrálního nosiče a targetu. Ze stejného důvodu může dojít k destrukci targetu při tepelném zatížení během depozičního procesu, při kterém dochází k opakovatelnému chlazení a zahřívání.

Obě metody vedou k omezení maximálního výkonu, který lze přivést na katodu. Tím se prodlužuje celková doba nanášení vrstev metodou PVD.

Metoda lepení s sebou nese podobné problémy jako metoda pájení. Je sice o něco snazší target nalepit než napájet, nicméně lepením se typicky dosáhne horšího tepelného kontaktu a tedy ještě většího omezení maximálního výkonu.

U rovinných targetů je znám způsob chlazení targetu přes tenký měděný plech. Toto známé provedení pochopitelně není určeno ke kompenzaci tepelné dilatace targetu během ohřevu a chladnutí.

Dokument WO03080891 popisuje rotační trubkovou katodu pro naprašování, například pro povlékání okenních tabulí. Taková trubková katoda má většinou kapalinové chlazení. Pro ulehčení výměny katody je mezi targetem na obvodu katody, nebo nosičem targetu a centrální podélnou osou trubkové katody uspořádána válcová elastická folie, která těsní kapalinový okruh vůči targetu a tím,, tvoří uzavřený systém. Nevýhodou takového provedení je, že zdroj magnetického pole je umístěný přímo v prostoru s chladicí kapalinou, což způsobuje korozi magnetů (především v případě použití nejvhodnějších permanentních magnetů typu FeNdB), čímž dochází k nežádoucímu snížení intensity magnetického pole.

Magnety navíc fungují jako lapače magnetických nečistot z chladicí kapaliny, což v delším horizontu opět způsobí snížení intensity magnetického pole.

Dokument 08201^174920 popisuje naprašovací katodu, která zahrnuje vnitřní základní těleso, které je umístěno ve vnějším nosném tělese, mezi kterými je uspořádáš prostor pro průtok chladicí kapaliny s přítokem a odtokem. Rozdílná tepelná roztažnost hliníkového nosného tělesa a vnitřního základního tělesa, které je například z nerezové oceli, se řeší pomocí spirálové pružiny, avšak pouze v podélném směru, což neřeší problém s přenosem tepla mezi nosným tělesem a základním tělesem.

Podstata vynálezu

Nedostatky stavu techniky odstraňuje cylindrická katoda pro nanášení vrstev metodou PVD, zahrnující trubkovitý centrální nosič, na jehož obvodu je uspořádán target, přičemž centrální nosič má alespoň v oblasti targetu vytvořený prostor pro průtok tlakové chladicí kapaliny se vstupem chladicí kapaliny a výstupem chladicí kapaliny a uvnitř centrálního nosiče je uspořádán zdroj magnetického pole, přičemž prostor pro průtok tlakové chladicí kapaliny je od targetu oddělen pružnou X trubkou, jejíž vnější průměr dosedá na vnitřní průměr targetu, podle vynálezu, jehož podstata spočívá vtom, že vnější průměr centrálního nosiče v oblasti pod targetem v klidovém stavu v podstatě odpovídá vnitřnímu průměru pružné trubky a prostor pro průtok tlakové chladicí kapaliny je tvořen množinou průchozích otvorů, uspořádaných v plášti centrálního nosiče v oblasti pod targetem.

Výhodou řešení podle vynálezu je optimální průtok tlakové chladicí kapaliny a pružná trubka dokonale kopíruje tepelnou dilataci targetu, takže na katodu lze přivést vysoký výkon, aniž by docházelo k jeho praskání. Vyšší výkon pak vede ke zkrácení doby nanášení povlaku. Technologie výroby takové cylindrické katody je levnější než známé technologie pájení či lepení a centrální nosič je navíc vícenásobně použitelný.

A

Podle výhodného provedení je pružná trubka z elektricky vodivého materiálu, zejména z kovu nebo elektricky vodivého plastu,a má tloušťku stěny v rozmezí od O,01ftw^do 1 mm₍s výhodou 0,05 do 0,2 mm.

jK Podle dalšího výhodného provedení je pružná trubka z mědi.

Target může být sestaven z několika za sebou uspořádaných, navazujících prstencových segmentů.

)^o Podle výhodného provedení je zdroj magnetického pole uvnitř centrálního nosiče oddělen od protékající chladicí kapaliny.

Cylindrická katoda podle vynálezu bude blíže popsána na dvou příkladech konkrétního provedení, které se liší konstrukcí centrálního nosiče s targetem. První přiklad provedení cylindrické katody je zobrazen na obr. 1. Na obr. 2 je zobrazen centrální nosič s targetem a na obr. 3 pouze centrální nosič cylindrické katody z obr. 1. Druhé provedení centrálního nosiče s targetem je zobrazeno na obr. 4 a samotný centrální nosič tohoto provedení je zobrazen na obr. 5.

Příklady uskutečnění vynálezu

Na obr. 1 je v řezu schematicky zobrazen první příklad provedení cylindrické katody pro nanášení vrstev metodou PVD. Katoda zahrnuje trubkovitý centrální % nosič 1, na jehož obvodu je uspořádán target 2. Na obr. 2 je pak zobrazen pouze centrální nosič 1 s targetem 2 a na obr. 3 jen samotný centrální nosič £.

Target 2 zahrnuje na sebe navazující prstencové segmenty, například z Ti^2, B|4C, W, TiSi.

X

Centrální nosič 1 má v oblasti pod targetem 2 vytvořený prostor 3 pro průtok tlakové chladicí kapaliny se vstupem 6 chladicí kapaliny a výstupem 7 chladicí kapaliny a uvnitř centrálního nosiče £ je uspořádán zdroj 5 magnetického pole (viz obr. 1). Zdroj 5 magnetického pole je uvnitř centrálního nosiče 1 uspořádán X v samostatném prostoru (viz obr. 1), takže je zcela oddělen od protékající^ chladicí kapaliny.

Prostor 3 pro průtok tlakové chladicí kapaliny je vytvořen zmenšením vnějšího průměru centrálního nosiče £ v oblasti pod targetem 2.

X

Prostor 3 pro průtok tlakové chladicí kapaliny je od targetu 2 oddělen pružnou trubkou 4, na kterou target 2 dosedá.

Pružná trubka 4 dosedá na centrální nosič £ pouze v místech připojení 9 na obou X koncích targetu 2, kde je pružná trubka 4 k centrálnímu nosiči £ přilepena nebo připájena.

Odnímatelný díl 8 (viz obr. 1) umožňuje snadnou výměnu segmentů targetu 2.

X Pružná trubka 4 je v zobrazeném příkladu provedení z Cu a má tloušťku stěny 0,1^nm. Z důvodů jednoduchosti konstrukce je výhodné, pokud je pružná trubka 4 z elektricky a tepelně vodivého materiálu, zejména z kovu nebo z elektricky vodivého plastu, například z elektricky vodivého plastu, komerčně dostupného pod ⁶ : : : · : : · : ·“’· •· ··· ··· ··· ··· ·· označením TECACOMP TC. Pokud se však zajistí jiný přívod elektrického proudu k targetu 2, lze použít i pružnou trubku z elektricky nevodivého materiálu.

Tloušťka stěny pružné trubky 4 se volí v rozmezí od 0,01 do 1 mm^s výhodou 0,05fŤw(do 0,2 mm.

Prstencové segmenty targetu 2 se nasunou na pružnou trubku 4, která je z její vnitřní strany chlazená tlakovou chladicí kapalinou. Protože má pružná trubka 4 tloušťku stěny jen 0,|nm a tlak chladicí kapaliny je 0,2 MPa, dojde k roztažení pružné trubky 4 a k vytvoření dokonalého tepelného a elektrického kontaktu mezi trubkou 4 a segmenty targetu 2.

Na takto zhotovenou cylindrickou katodu lze při nanášení tenkých vrstev přivést vyšší výkon, než je tomu u známých katod, protože pružná trubka 4 dokonale X kopíruje tepelnou dilataci targetu 2, takže nedochází kjeho praskání. Vyšší výkon pak vede ke zkrácení doby nanášení povlaku.

Centrální nosič 1 lze použít k nesení targetů 2 opakovaně.

Podle výhodného postupu lze pružnou trubku 4 zhotovit s menším vnějším průměrem, než je vnitřní průměr targetu 2, poté se na ni nasune trubkovitý přípravek o stejném vnitřním průměrujako je vnitřní průměr targetu 2, a následně se pružná trubka 4 „naformátuje“ přivedením vody o tlaku 0,5 MPa. Trubka 4 se deformuje a po vypuštění vody má již přesně definovaný „správný“ průměr.

Na obr. 4 a 5 je jiné provedení centrálního nosiče 1/ Vnější průměr centrálního nosiče 1 v oblasti pod targetem 2 v klidovém stavu v podstatě odpovídá vnitřnímu průměru pružné trubky 4 a prostor 3 pro průtok tlakové chladicí kapaliny je tvořen množinou průchozích otvorů, uspořádaných v plášti centrálního nosiče 1 v oblasti X pod targetem 2.

Zbytek konstrukce cylindrické katody je stejný jako u provedení z obr. 1. Prstencové segmenty targetu 2 jsou nasunuty na pružnou trubku 4, která je z její vnitřní strany chlazená tlakovou chladicí kapalinou, která proniká množinou průchozích otvorů v plášti centrálního nosiče 1, tlačí na pružnou trubku 4, která tak vytvoří dokonalý tepelný a elektrický kontakt mezi trubkou 4 a segmenty targetu 2.

Seznam vztahových značek centrální nosič target prostor pro průtok tlakové chladicí kapaliny pružná trubka řó. 5 zdroj magnetického pole vstup chladicí kapaliny výstup chladicí kapaliny odnímatelný díl připojení

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Cylindrická katoda pro nanášení vrstev metodou PVD, zahrnující trubkovitý centrální nosič (1), na jehož obvodu je uspořádán target (2), přičemž centrální nosič (1) má alespoň v oblasti targetu (2) vytvořený prostor (3) pro průtok tlakové chladicí kapaliny se vstupem (6) chladicí kapaliny a výstupem (7) chladicí kapaliny a uvnitř centrálního nosiče (1) je uspořádán zdroj (5) magnetického pole, přičemž prostor (3) pro průtok tlakové chladicí kapaliny je od targetu (2) oddělen pružnou trubkou (4), jejíž vnější průměr dosedá na vnitřní průměr targetu (2), vyznačující X se tím, že vnější průměr centrálního nosiče (1) v oblasti pod targetem (2) v klidovém stavu v podstatě odpovídá vnitřnímu průměru pružné trubky (4) a prostor (3) pro průtok tlakové chladicí kapaliny je tvořen množinou průchozích otvorů, uspořádaných v plášti centrálního nosiče (1) v oblasti pod targetem (2).

X
2. Cylindrická katoda podle nároku 1, vyznačující se tím, že pružná trubka (4) je z elektricky vodivého materiálu, zejména z kovu nebo elektricky vodivého plastu, a má tloušťku stěny v rozmezí od 0,01 fwwjdo 1 mm,s výhodou 0,05 do 0,2 mm.
3. Cylindrická katoda podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že pružná trubka (4) je z mědi.
4. Cylindrická katoda podle nároku 1, 2 nebo 3, vyznačující se tím, že target (2) je sestaven z několika za sebou uspořádaných, navazujících prstencových segmentů.
5. Cylindrická katoda podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že zdroj (5) magnetického pole je uvnitř centrálního nosiče (1) oddělen od protékající chladicí kapaliny.