Vynález se týká způsobu a zařízení pro naprašování vrstev na substráty částicemi rozprášenými z povrchu katody při doutnavém výboji v plynu a řeší vytvoření hustého homogenního plazmatu ve velkém objemu s možností naprašování vrstev umístěných ve vzdálenostech 100 až 500 mm od katody.

Nanášeni tenkých vrstev katodovým naprašováním je známý proces, vynikající nad jinými metodami, například nad napařováním, vysokou reprodukovatelností, možností nanášet vrstvy v libovolném směru, například shora dolů, dále snadným přenosem složení směsí a slitin z rozprašované katody do vrstvy a dalšími výhodami. Klasické diodové ínaprašování je však neefektivní a pomalé vzhledem k vysokým tlakům plynu, potřebným k udržení doutnavého výboje. Proto bylo navrženo několik způsobů, jak využít magnetického pole ke snížení pracovního tlaku při naprašování. Tyto systémy se opírají o Penningův základní americký patent č. 2,146.025 z r. 1939. Jedno z řešení navrhl J. Clark v americkém patentu č. 3,616.450. Podle tohoto patentu se prodlužuje dráha elektronů v zařízení takovým způsobem, že válcová dutá anoda je umístěna v axiálním magnetickém poli a rozprašovaná katoda je vytvořena ve tvaru dutého válce, umístěného souose s anodou, mimo magnetické pole. Daleko úspěšnějším řešením však byl magnetronový výboj podle amerických patentů J. F. Corbaniho č. 3,878.085 z roku 1975 a J. 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, zvýší se ionizace a zrychlí se rozprašování. Viz též publikaci J. L. Vossen a W. Kern: Thin Film Processes, str. 76 až 140, Academie Press, New York, 1978.

třeba také

Tento a dříve než je odpařování Moll et al. magnetronovém č. 4,116.791 iontovým plátováním napařování. Příkladem amerického patentu Iontové plátování při známo z amerického

Substrát se umístí na patentu B. Zegy elektrodě, která je napájena komoře, přičemž magnetronová a je napájena záporným napěelektrody se substráty extraa tím se dosahuje iontového W. D. Munze č. 4,426.267

Pro nanášení řady technicky důležitých vrstev je současně s kondenzujícím materiálem přivádět na substrát nabité částice s vhodnou energií, například kladné ionty, způsob nanášení se nazývá u naprašování byl použit při elektronovým svazkem podle č. 4,197.175 z roku 1980. naprašování je z roku 1978.

záporným předpětím vůči vakuové katoda je umístěna proti substrátům tím proti vakuové komoře. Předpětí huje ionty z magnetronového výboje plátování. Podle amerického patentu W. D. Munze č. z roku 1984 je chráněn způsob a zařízení pro nanášení trojrozměrných těles. Podle tohoto způsobu se pohybují tělesa určená k povlakování mezi dvěma magnetronovými katodami, přičemž v prostoru mezi těmito katodami hoří společný doutnavý výboj. Substráty se také mohou napájet záporným předpětím pro iontové plátování.

Nedostatkem uvedených metod iontového plátování při magnetronovém naprašování je, že iontový proud extrahovaný předpětím substrátů rychle klesá při zvyšování vzdálenosti substrátu od katody magnetrcnu a obvykle už ve vzdálenosti 20 až 50 mm od katody klesá na hodnoty příliš nízké pro iontové plátování. Rovněž plazma mezi dvojicí katod při velkých vzdálenostech těchto katod zaniká. Proto nelze uvedené metody použít pro iontové plátování vzdálených nebo rozměrných předmětů. Hustotu plazmatu

-1CZ 278295 B6 ve větších vzdálenostech od katody magnetronu lze zvýšit například pomocí obloukového výboje v duté katodě, z něhož se extrahují elektrony pro ionizaci plazmatu. Tento systém je chráněn americkým patentem J. J. Cuoma et al. č. 4,588.490 z roku 1986.

Takové řešení však celé zařízení komplikuje a prodražuje.

Určité zvýšení toku nabitých částic na substráty se pozoruje u jednoho z typů planárních magnetronů, nazvaného nevyvážený magnetron, viz B. Window a N, Sawides, J. Vac. Sci. Technol. A4, 1986, 196 až 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 pak opět od sebe vzdalují. Substráty umístěné v magnetickém poli před katodou jsou podrobeny většímu bombardu nabitými částicemi než u klasického vyváženého magnetronu.

Vyšších iontových proudů na substráty než u nevyváženého magnetronu lze docílit při použití dvoustranně udržovaného výboje podle čs. AO č. 273 447 autorů S. Kadlece, J. Musila a W. D.

Můnze. V tomto zařízení je vytvořeno intenzivní magnetické pole spojující katodu se substráty a výboj, hořící mezi katodou, substráty a anodou je udržován jak procesy na katodě, tak na substrátech. Vysoká indukce magnetického pole koncentrovaného v udržovacím prostoru mezi katodou a substráty zaručuje udržení hustého plazmatu a zaručuje, že hustota iontového proudu tekoucího na substráty téměř neklesá se zvyšující se vzdáleností katody až do vzdáleností řádově 200 mm.

Nedostatkem nevyváženého magnetronu i oboustranně udržovaného výboje je to, že plazma u substrátů a hustota iontového proudu na substrátech nejsou dostatečně homogenní ve směru napříč siločarami magnetického pole. Navíc substráty jsou nutně umístěny přímo v magnetickém poli a toto pole je tedy ovlivněno magnetickými vlastnostmi substrátů. Stejné zařízení tedy prakticky nelze používat pro slabě magnetické i pro ferromagnetické substráty.

Z oboru fyziky plazmatu je známo, že poměrně husté a homogenní plazma lze udržet magnetickým multipolárním polem, jak uvádí například R. Limpaecher, K. R. Mac Kenzie, Rev. Sci. Instrum. 44 (1973), str. 726. V takovém systému bylo generováno plazma emisí elektronů ze žhavých katod a přitom bylo udržováno magnetickým multipolárním polem, vytvořeným permanentními magnety, umístěnými kolem celé komory se střídavou orientací. Účelem bylo zkoumat klidné plazma s vysokou prostorovou homogenitou v centrální části, kde je magnetické podle velmi nízké.

Vedle generace plazmatu emisí elektronů je znám způsob generace plazmatu absorpcí mikrovlnného výkonu za účelem rozkladu plynů jako je SF_g a působení produktů tohoto rozkladu na substrát ty pro jejich leptání. Francouzskými patenty č. 25 47 961 a 25 47 962 z roku 1984 a číslo 25 83 250 z roku 1986 autorů Y. Arnala, J. Pelletierá, C. Pomota a M. Pichota jsou chráněny způsoby a zařízení, jak navázat takový mikrovlnně generovaný výboj na multipolární udržení homogennějšího a hustšího plazmatu za účelem zvýšení homogenity působení plazmatu na reaktivní plyn, homogennější generace radikálů a v důsledku toho zvýšení homoge-2CZ 278295 B6 nity a anizotropie leptání, jak je uvedeno i v práci Y. Arnal aj.; Appl. Phys. Lett. 45 (1984), 132. Účel, za kterým se v uvedených případech používá multipolární udržení, je tedy zásadně jiný, než je udržení plazmatu pro iontové plátování při naprašování vrstev, kde stejnosměrný doutnavý výboj hoří mezi anodou a rozprašovanou studenou katodou.

Vynález řeší způsob naprašování vrstev na substráty částicemi rozprášenými z povrchu katody při doutnavém výboji hořícím mezi katodou a anodou v plynu nebo ve směsi plynů za sníženého tlaku udržovaného ve vakuové komoře obsahuj ící substráty, katodu a anodu, s udržovacím prostorem vymezeným pomocí magnetického pole a uzavřeným tunelem siločar magnetického pole magnetronového typu vytvořeným nad katodou. Podstata vynálezu spočívá v tom, že udržovací prostor obsahující substráty, vně kterého leží anoda a stěny vakuové komory, se ohraničí siločarami magnetického multipolárního pole, přičemž magnetické multipolární pole obsahuje uzavřený tunel siločar magnetického pole magnetronového typu nad rozprašovanou katodou, a jeho směr se na hranici udržovacího prostoru střídavě mění z kladné polarity na zápornou a naopak a směrem od hranice do objemu udržovacího prostoru se snižuje indukce magnetického pole a interakcí udržovacího pole s doutnavým výbojem, hořícím mezi katodou a anodou, se v udržovacím prostoru vytvoří a udrží plazma, jehož částicemi se bombardují substráty a vrstvy.

Stupeň udržení plazmatu je možno měnit několika způsoby: změnou intenzity a/nebo tvaru udržovacího magentického multipolárního pole vzhledem k anodě a/nebo vzhledem ke stěnám komory a/nebo vzhledem ke katodě, čímž se mění hustota plazmatu kolem substrátů a energie nabitých částic plazmatu, dále polaritou a velikostí napětí přivedeného mezi anodu a pomocnou elektrodu procházející udržovacím prostorem. Bombard substrátů nabitými částicemi je možno ovládat několika způsoby: povrch substrátů a/nebo vrstev rostoucích na substrátech se udržuje na zvoleném potenciálu vzhledem k potenciálu anody, nebo tím, že substráty a/nebo rostoucí vrstvy se nabijí na plovoucí potenciál a v důsledku rozdílu mezi potenciálem plazmatu a plovoucím potenciálem se bombardují nabitými částicemi, jejichž energie a hustota se ovládá stupněm udržení plazmatu, tlakem plynu a výkonem rozprašujícího výboje.

Zařízení k provádění uvedeného způsobu sestává z vakuové komory, v níž je umístěna katoda naprašovacího zdroje, držák se substráty a anoda, přičemž ve stěně vakuové komory je přívod pracovního plynu a čerpací výstup, vně vakuové komory je umístěn zdroj stejnosměrného nebo vysokofrekvenčního napětí, připojený mezi katodu a anodu, a zdroje magnetického pole. Podstata vynálezu spočívá v tom, že zdroje magnetického pole pro vytvoření udržovacího magnetického multipolárního pole jsou rozmístěny okolo celého udržovacího prostoru, který obsahuje substráty tak, že skupiny zdrojů magnetického pole jsou polovány souhlasně v jednom směru a střídají se se sousedními skupinami zdrojů magnetického pole, které jsou polovány souhlasně v opačném směru. Zdroje magnetického pole mohou být umístěny uvnitř komory a/nebo ve stěně komory a/nebo vlně komory a/nebo za katodou, přičemž skupiny zdrojů umístěných za katodou jsou uspořádány do soustředných uzavřených křivek pro vytvoření alespoň jednoho uzavřeného

-3CZ 278295 B6 tunelu siločar magnetického pole nad povrchem katody. Mezi držák substrátů a anodu je připojen zdroj stejnosměrného nebo vysokofrekvenčního napětí U_s nebo je držák substrátů elektricky připojen k anodě přes odpor R o hodnotě volitelné od 0 do « Ω. Pro možnost měnit polohu anody vzhledem k magnetickému poli je zařízení opatřeno posuvným anodovým nástavcem z vodivého materiálu, elektricky spojeným s anodou. Změnu stupně udržení plazmatu lze též dosáhnout tím, že v udržovacím prostoru je umístěna alespoň jedna pomocná elektroda a vně komory je umístěn zdroj stejnosměrného napětí U_E, připojený jedním pólem k pomocné elektrodě a druhým pólem k anodě.

Použitím způsobu a zařízení podle vynálezu lze dosáhnout · působení hustého a homogenního plazmatu na substráty při naprašování vrstev. Lze dosáhnout iontového plátování vrstev na substrátech, umístěných v nejrůznějších vzdálenostech od katody, běžně 30 až 500 mm. Hustoty iontového proudu na substrátech dosahují běžně hodnot 0,1 až 10 mA.cm“² při hustotě proudu na katodě 2 až 50 mA.cm“², a to i ve vzdálenostech od katody 200 mm a vyšších. Lze přitom dosáhnout takové homogenity plazmatu, že iontový proud je konstantní v toleranci + 10 % v prostoru o délce typicky 100 až 200 mm, tedy například ve vzdálenostech od katody od 100 do 250 mm. Takto homogenní iontový bombard umožňuje vytvářet vrstvy s předem zvolenými vlastnostmi, které jsou stejné po celém povrchu substrátů, a to i pro substráty ve tvaru poměrně složitých trojrozměrných těles. Lze například vytvářet kompaktní vrstvy nitridu titanu s mikrotvrdosti v rozsahu od 2 000 kg.mm do 2 600 kg.mm”², jejichž vlastnosti, jako je textura, pnutí a další, lze řídit velikostí předpětí na substrátech například od -20 do -150 V. Lze nanášet kompaktní vrstvy nitridu titanu bez použití vnějšího zdroje předpětí substrátů, na plovoucím potenciálu v rozsahu například od -20 do -45 V, přičemž tento plovoucí potenciál lze regulovat stupněm udržení plazmatu. Takto lze ovládat i texturu vrstev od (200) do (111), přičemž pnutí v těchto vrstvách je nízké v rozsahu 2 až 3 GPa. Výhodou způsobu a zařízení je rovněž široký rozsah provozních tlaků, zejména směrem k nízkým tlakům, alespoň do 2.10“² Pa.

Další výhodou je možnost nanášení nevodivých vrstev stejnosměrným naprašováním nebo nanášení vrstev na nevodivé substráty při použití plovoucího potenciálu povrchu substrátů. V neposlední řadě je výhodou zařízení to, že substráty jsou umístěny v prostoru, kde magnetické pole je slabé a že tedy lze nanášet ve stejném zařízení jak substráty magnetické, tak nemagnetické.

Podstata vynálezu je dále vysvětlena na příkladech zařízení pro provádění způsobu podle vynálezů pomocí výkresů, na nichž je znázorněno: na obr. 1 - příklad zařízení s dvěma elektromagnety za kruhovou katodou, na obr. 2 - příklad zařízení s obdélníkovou katodou a s anodovým nástavcem, na obr. 3 - příklad zařízení se čtyřmi katodami a s pomocnými elektrodami, na obr. 4 - příklad diagramu závislostí iontového proudu I_s na proudu I₂ druhé cívky, závislosti plovoucího potenciálu U_f1 na proudu I₂ a závislosti proudu 1^ první cívky na proudu I₂ v zařízení podle obr. 1, na obr. 5 -příklad diagramů závislostí iontového proudu substrátů

I_s a plovoucího potenciálu na celkovém tlaku p_T v zařízení podle obr. 1.

...... Na obr. la a lb - je schematicky znázorněno zařízení vybavené dvěma elektromagnety za kruhovou katodou. Zařízení je vytvořeno z vakuové komory 1, která je vyrobena z magneticky měkkého kovu, je válcového tvaru s osou umístěnou vodorovně a tvoří zároveň anodu 3.. Komora 1 je opatřena přívodem 8 pracovního plynu a čerpacím výstupem 9. V rovině s jednou svislou stěnou komory 1 je s ní souose umístěna rovinná kruhová katoda 2 zhotovená z titanu. Proti katodě 2 je souose upevněn kruhový držák 4 substrátů 5.; držák 4. je upevněn nastavitelně ve vzdálenosti o rozsahu 30 až 300 mm od katody 2, Zdroj 6 napětí katody U_K a zdroj 7 napětí stubstrátů U_s jsou umístěny vně komory 1. Zdroj 6 napětí U_K je zdrojem stejnosměrného napětí v rozsahu od nuly do 1 000 V a je zapojen záporným pólem na katodu 2 a kladným pólem na komoru 1. Zdroj 2 stejnosměrného napětí U_s rozsahu od nuly do 1 000 V je zapojen záporným pólem na vodivý držák 4 substrátů 5 a kladným pólem na komoru 1. Zdroje udržovacího multipolárního pole jsou jednak permanentní magnety 10, 11, 12., jednak dva elektromagnety 15, 17. Permanentní magnety 10, 11 jsou rozmístěny a přichyceny na vnitřním plášti komory 1 ve skupinách 22, 23., které tvoří sudý počet, například osm řad, rovnoběžných s osou zařízení, přičemž orientace všech magnetů v každé skupině je shodná a má radiální směr a sousední skupiny 22., 23 mají opačnou orientaci magnetů. K tomu jsou u katody 2 magnety 1.1 v jedné orientaci zdvojeny. Dále jsou permanentní magnety 12 rozmístěny na vnitřní svislé stěně komory za substráty a jsou orientovány rovnoběžně s osou zařízení a jejich pole navazuje na pole skupin magnetů 22, 23 na plášti komory 1. Pro vytvoření udržovacího magnetického pole je dále zařízení vybaveno dvěma elektromagnety. První elektromagnet sestává z cívky 15, připojené ke zdroji proudu I,, umístěné za katodou 1 souose s ní a z jádra 16 z měkké oceli, které je vloženo do dutiny první cívky 15. Druhý elektromagnet sestává z druhé cívky 17, připojené ke zdroji proudu I₂, která je umístěna za katodou I a souose s ní kolem první cívky 15, dále z dutého jádra 18 z měkké oceli ve tvaru válcového mezikruží, které vyplňuje prostor mezi první a druhou cívkou a navazuje přes desku 19 z měkké oceli na jádro 16.. Celá sestava katody 2, první a druhé cívky 15 a 17 a magnetického obvodu 16, 18, 19 je přes těsnicí a izolační kroužek 21 pomocí příruby 20 upevněna k okraji kruhového výřezu ve svislé stěně vakuové komory 1. Zdroje proudů I-]_ a I₂, dále systémy napouštění a čerpání plynů, nezbytná těsnění a izolace, vakuometry a také prostředky pro chlazení katody, komory a substrátů, ani prostředky pro ohřev substrátů nejsou pro přehlednost zakresleny. Pokud to proces nanášení vrstev vyžaduje, může zařízení také obsahovat obvyklou clonu, posunovatelnou mezi katodu a substráty.

Funkce zařízení je následující: Do vakuové komory 1 se napouští přívodem 8. pracovní plyn nebo směs plynů, například směs argonu a dusíku, na žádaný celkový tlak p™. Potom sé zapálí doutnavý výboj mezi katodou 2 a komorou 1, která slouží zároveň

-5CZ 278295 B6 jako anoda 2. Tento výboj je podmiňován a ovlivňován udržovacím magnetickým multipolárním polem, jehož siločáry 13./ lá obklopují udržovací prostor, v němž jsou umístěny substráty 5 na držáku 4. Siločáry multipolárního pole na hranici udržovacího pole mění směr místo od místa díky střídání skupin magnetů 22, 23. Proto intenzita magnetického pole rychle klesá směrem od okrajů do středu udržovacího prostoru. Taková konfigurace pole působí magnetickým tlakem na plazma směrem od okrajů do středu udržovacího prostoru a udržuje zde husté plazma. Magnetická indukce na hranici udržovacího prostoru je obvykle v rozsahu od 10 mT dó 50 mT nebo i vyšší; ve střední oblasti obsahující substráty je obvykle od nuly do 2 mT. Pro dokonalé udržení plazmatu je potřebné, aby ze střední oblasti udržovacího prostoru na anodu nevedl žádný kanál o nižší než minimální velikosti magnetické indukce, která bývá v rozsahu obvykle 1 mT až 10 mT. Pokud takový kanál existuje, je udržení jen částečné a hustota plazmatu se sníží. Může se také snížit stabilita výboje, jak bude dále popsáno v popisu obrázku 4a, b, c. Součástí udržovacího multipolárního magnetického pole je i magnetické pole nad katodou 2, vytvořené pomocí cívek 15 a 16 a magnetického obvodu 16, 18, 19, umístěného za katodou. Proud 1·^ první cívky 15 vytváří uzavřený tunel siločar 14 nad katodou a proud I₂ druhé cívky 17 vytváří magnetické pole, jehož siločáry z okraje katody navazují na siločáry vytvořené permanentními magnety 11. Tvar a intenzitu magnetického pole vytvořeného cívkami 15 a 17 lze měnit změnami polarit a velikostí proudů I-]_ a I₂ ovlivňovat tak udržení plazmatu, jak je uvedeno v popisu obrázku 4a, b, c. Interakcí výboje hořícího mezi katodou 2 a anodou 3 s udržovacím multipolárním polem tedy vznikne a udrží se v udržovacím prostoru husté plazma, částice z tohoto plazmatu, zejména elektrony a kladné ionty, dopadají pak na substráty a mohou ovlivňovat vlastnosti rostoucích' vrstev. Jsou-li substráty elektricky vodivé, lze na ně přikládat napětí U_s ze zdroje 7 a tak měnit druh energii bombardujících částic a tím dále ovlivňovat podmínky růstu vrstev. Při depozici vrstev stačí pro takové ovlivňování obvykle napětí Ug v rozsahu -20 až -100 V. Při vyšším napětí U_g, obvykle alespoň -200 až -1 000 V, lze dosáhnout iontového leptání substrátů 5 odprašováním.

Vlastnosti vrstev lze ovlivňovat také změnou vzdálenosti d mezi katodou a substráty. V zařízení podle obr. Ia, 1b bylo zjištěno, že například při rozprašování titanu v argonu o tlaku p_T = 0,1 Pa a při konstantním výkonu výboje do katody se pohyboval iontový proud Ig tekoucí na substráty při předpětí například Ug - -100 V v hranicích pouze do + 10 % své střední hodnoty, a to v celém rozsahu vzdáleností d mezi katodou a substráty od 80 do 220 luJ¹ To je důležitá výhoda daného způsobu a zařízení, svědčící o vysoké homogenitě plazmatu v udržovacím prostoru a dá se využít pro ovlivňování vlastností vrstev.

Na obr. 2 je schematicky znázorněno zařízení vybavené jednou obdélníkovou katodou a anodovým nástavcem. Vakuová komora 1, opatřená přívodem 8 pracovního plynu a čerpacím výstupem 9, je vytvořena ve tvaru kvádru. U spodní stěny komory 1 a rovnoběžně s ní je izolovaně umístěna anoda 3. ve tvaru čtyřúhelníkové desky

-6CZ 278295 B6 z vodivého materiálu. Katoda 2 je umístěna rovnoběžně s jednou svislou stěnou komory 1 a má tvar obdélníku. Proti katodě 2, rovnoběžně s ní, je umístěn plochý držák 4 substrátů 5. Zdroj 6 napětí katody a zdroj 7 napětí substrátů Ug jsou umístěny vně komory 1, Zdroje udržovacího multipolárního pole tvoří permanentní magnety 10, které jsou jednak přichycené kolem udržovacího prostoru na perforovaném nosiči 24 magnetů, spojeném elektricky s anodou 2/ ^a sestavené do skupin 25, 26.,. 30 ležících v rovinách rovnoběžných s rovinou katody 2 a v těchto skupinách 25, 26., 30. jsou všechny magnety orientovány buď směrem do komory nebo směrem opačným, přičemž orientace sousedních skupin 25, 26 je navzájem opačná. Dále jsou permanentní magnety 10 umístěny za katodou 2 ve dvou skupinách 27, 28.. Prvá skupina 27 má obdélníkovou podstavu a je umístěna za střední částí katody 2 a. druhá skupina 28 je umístěna za celým obvodem katody 2. Orientace magnetů v obou skupinách 27, 28 je opačná a siločáry 29 magnetického pole druhé skupiny 28 magnetů navazují na siločáry nejbližší skupiny 30 magnetů umístěných na nosiči 24 magnetů. Zařízení je dále vybaveno pohyblivým anodovým nástavcem 21, elektricky spojeným s anodou 2· Nástavec 31 se skládá z rámečku 32 ve tvaru obvodu obdélníka o rozměrech větších než jsou rozměry katody 2 a z pístů 22, které procházejí stěnou komory 1 za katodou 2. Nástavec 31 lze pomocí pístů 33 posunovat napříč siločarami 29 magnetického pole kolem katody 2 do různých poloh, v nichž rámeček 32 leží v rovině rovnoběžné s rovinou katody, ale v nichž rovina rámečku leží v rovině katody nebo před ní nebo za ní. Na obr. 2 opět pro přehlednost nejsou kresleny podobné běžné prvky, jako tomu bylo na obr. Ia, lb. Navíc zde přichází v úvahu chlazení anodového nástavce 31 a anody 2 s nosičem magnetů 24.

Činnost zařízení podle obr. 2 je analogická činnosti zařízení podle obr. Ia a lb. V zařízení podle obr. 2 je však magnetické udržovací pole pevně zvoleno rozmístěním permanentních magnetů 10, které jsou použity i pro vytvoření magnetického pole 14, 29 nad katodou. Řízení stupně udržení plazmatu v udržovacím poli lze v tomto zařízení provádět pohybem anodového nástavce 31 napříč hranicí udržovacího prostoru kolem katody 2, totiž napříč siločarami 29,. Nejvyšší stupeň udržení plazmatu se dosáhne při vysunutí nástavce 31 ven z udržovacího prostoru až za rovinu katody 2.· Při postupném zasouvání nástavce 31 směrem do udržovacího prostoru, to je do oblastí stále více elektronů anodový nástavec 31, plazmatu v celém udržovacím prostoru., Tak lze regulovat intenzitu bombardu matu a tedy i vlastnosti nástavce 31 se tedy fakticky tickému poli.

se stále nižší a iontů kde rekombinují, indukcí magnetického pole, z udržovacího prostoru dopadá na snižuje hustota kolem substrátů, částicemi z plazPohybem anodového vzhledem k magnečímž se tedy i substrátů rostoucích vrstev.

mění poloha anody

Druh nabitých částic, jejich počeu a energie, které bombardují substráty, je možno ovlivňovat udržováním povrchu substrátů na zvoleném potenciálu. Pro vodivé substráty a vodivé vrstvy lze použít zdroje 7 stejnosměrného nebo vysokofrekvenčního napětí U_g. Pro případ nevodivých substrátů a/nebo nevodivých vrstev je nutno použít zdroje 7 vysokofrekvenčního napětí Ug. Pokud je však zdroj Ug odpojen, substráty s rostoucími vrstvami jsou na plovoucím po— tenciálu a v důsledku rozdílu mezi potenciálem plazmatu a plovoucím potenciálem se rostoucí vrstvy bombardují urychlenými kladnými ionty a zároveň elektrony ve stejném množství. Velikost plovoucího potenciálu a hustotu plazmatu, která určuje hustotu toku bombardujících částic, lze pak ovlivňovat především stupněm udržení plazmatu, například pohybem anodového nástavce 31, dále velikostí tlaku plynu, výkonem rozprašujícího výboje, případně změnou vzdálenosti držáku substrátů od katody. Tento způsob, používající plovoucí potenciál substrátů, má především tu výhodu, že je stejně vhodný pro nevodivé i vodivé substráty, a pro vodivé i nevodivé vrstvy.

. Na obr. 3a a 3b je znázorněno zařízení, vybavené čtyřmi katodami a pomocnými elektrodami. Komora 1 zařízení má tvar osmibokého hranolu s osou umístěnou svisle, je vyrobena z nemagnetického vodivého materiálu, například z nemagnetické nerezavějící oceli a zároveň je anodou 2· V ose komory 1 je zespodu umístěn kruhový držák 4 substrátů 5, který se může otáčet pomocí motoru 34, umístěnného pod dnem komory. Držák 4 je přes odpor R 35, jehož hodnota je nastavitelná v rozsahu 0 Ω až Ω, připojen na komoru 1. Ve čtyřech svislých stěnách komory jsou po 90° pomocí přírub 36 upevněny čtyři obdélníkové katodové sestavy 37. Každá katodová sestava 37 je složena z obdélníkové katody 2, z magneticky vodivé zadní desky 38 a z permanentních magnetů 10., uspořádaných do dvou skupin 27, 28, z nichž první skupina 27 je umístěna za středem katody a druhá skupina 28 za jejím obvodem, analogicky k zařízení podle obr. 2. Kromě magnetů v katodových sestavách 37 jsou zdroji, udržovacího multipolárního magnetického pole permanentní magnety 10, rozmístěné vně komory 1, a to téměř pravidelné jednak na plášti kompry 1, ve skupinách tvořících svislé řady shodně orientovaných magnetů a orientovaných opačně než sousední řady, jednak jsou magnety 10 rozmístěny z vnějšku na podstavách komory 1 a orientovány střídavě v šachovnicovém uspořádání. Magnetické pole magnetů na okrajích pláště navazuje na pole magnetů na okrajích podstav. Přitom ta místa 39 na plášti kolem katody, kde by při zcela pravidelném uspořádání magnetů 10. měly být umístěny magnety shodně orientované s druhou skupinou 28 magnetů za katodou 2., jsou ponechána prázdná. Zařízení je dále vybaveno osmi pomocnými elektrodami 40./ jejichž povrch s výhodou tvoří materiál katody 2. Tyto elektrody 40 procházejí udržovacím prostorem rovnoběžně s osou komory 1, přičemž vždy dvě pomocné elektrody 40 jsou umístěny v blízkosti jedné katody 2, a to u opačných okrajů katody 2. Všechny elektrody 40 jsou izolovaně vyvedeny přes podstavu komory 1 na zdroj 41 napětí U_E, umístěný vně komory a dodávající stejnosměrné napětí například v rozsahu -200 V až 200 V vzhledem ke komoře 1. Na obr. 3a a 3b, opět z důvodů přehlednosti nejsou uvedeny podobné běžné prvky jako na obr. la, lb a 2. Pro vyšší výkony je třeba použít navíc chlazení pomocných elektrod 40., které opět není na obrázku nakresleno.

Činnost zařízení podle obr. 3a a 3b, je analogická činnost zařízení podle obr. la a lb a obr. 2. V zařízení podle obr. 3a a 3b se však substráty 5. mohou otáčet na otočném držáku 4 pomocí motoru 34. Zároveň se rozprašují čtyři katody, takže vrstvy na substrátech narůstají zároveň ze všech stran. Držák 4 substrátů 5 je elektricky připojen k anodě 2 přes odpor R 35 volitelný v rozmezí od 0 Ω do « Ω. Při hodnotě odporu R = « Ω se substráty

-8CZ 278295 B6 udržují na plovoucím potenciálu, při hodnotě odporu R = 0 Ω je držák substrátů na potenciálu anody. Velikostí odporu R lze tedy měnit předpětí substrátů a celkový proud, tekoucí na ně. Stupeň udržení plazmatu v udržovacím prostoru se ovlivňuje polaritou a velikostí napětí U_E na pomocných elektrodách 40. Pokud je na elektrody 40 přivedeno dostatečně vysoké záporné napětí vzhledem k anodě 3, například v rozsahu -20 V až -200 V, případně i vyšší, pak jsou elektrony z plazmatu odpuzovány záporným předpětím pomocných elektrod 40 a stupeň udržení plazmatu je vysoký. Pokud se hodnota napětí U_E na elektrodách 40 postupně mění na kladnou, například z hodnoty -20 V až na hodnotu například +50 V, pak elektrody 40 přebírají postupně úlohu anody, plazma na elektrodách 40 rekombinuje a stupeň udržení plazmatu v udržovacím prostoru se snižuje. Proto se snižuje hustota plazmatu kolem substrátů a lze tedy ovlivňovat množství nabitých částic dopadajících na substráty.

Důležitou výhodou zařízení podle obr. 3a, 3b je, že díky pravidelnému rozmístění velkoplošných katod 2 kolem substrátů 5 a díky otáčení držáku 4 se dociluje rovnoměrné rychlosti nanášení vrstev na substráty prakticky ze všech směrů. To spolu s homogenitou plazmatu kolem substrátů, zaručovanou multipolárním udržením plazmatu, umožňuje homogenní vlastnosti nanášených vrstev na všech plochách substrátů. To má veliký význam zvláště pro vrstvy, jejichž vlastnosti závisí jak na rychlosti depozice, tak na energii a hustotě dopadajících částic, například pro vrstvy nitridu titanu s definovaným pnutím a s definovanou orientací krystalitů.

Na obr. 4a je znázorněn příklad diagramu závislosti 42a, 42b iontového proudu I_s na proudu I₂ druhé cívky 17 v zařízení podle obr. la, lb při předpětí substrátů U_s = -100 V. Dále je na obr. 4b znázorněn příklad závislosti 43a, 43b plovoucího potenciálu -U_fl na proudu I₂ při proudu I_s = O A. Třetí křivka na obr. 4c je závislost 44a, 44b proudu první cívky 15 na proudu I₂ druhé cívky 17 pro dosažení konstatního proudu do katody 2 I_K = 1 A při konstantním napětí katody = -600 V. Při měření závislostí 42 a, b; 43a, b; 44a, b byly udržovány tyto konstantní parametry: vzdálenost substrátů 5 od katody 2 d = 200 mm, tlak argonu 0,1 Pa, napětí katody U_k = -600 V a proud katody I_K = 1 A.

Na obr. 5 je znázorněn příklad diagramu závislosti 45 iontového proudu I_s substrátů na tlaku p_T v zařízení podle obr. la, lb při napětí substrátů Ug = -100 V. Dále je znázorněna závislost 46 plovoucího potenciálu substrátů 5 na tlaku p_T při proudu I_g = O A. Obě závislosti 45, 46 byly měřeny za stejných konstatních parametrů: napětí katody 2 U_K = -600 V, proud katody I_K = 1 A, vzdálenost d substrátů 5 od katody d = 200 mm a proud I₂ druhé cívky 17 I₂ = +10 A.

Závislosti uvedené na obr. 4a, 4b, 4c ukazují příklad, jak je možno pomocí řízení tvaru a intenzity udržovacího multipolár

9CZ 278295 B6 ního pole řídit eneřgii a hustotu částic dopadajících na substráty 5 v zářízení podle obr. la, lb, Pokud je v tomto zařízení polarita proudu I₂ kladná a proud I₂ je větší než +2,5 A, to je interval A na obr. 4c, pak siločáry z okraje katody 2 vystupují směrem do udržovacího prostoru tak, jak je naznačeno na obr. la, lb. Tyto siločáry jsou tedy odpuzovány polem zdvojených magnetů

11. Jestliže je polarita proudu I₂ záporná nebo je kladná, ale nižší než +1 A, to je interval C na obr. 4c, pak jsou siločáry na okraji katody 2 orientovány opačně, totiž z udržovacího prostoru do katody 2. Potom siločáry ze zdvojených magnetů 11 naopak navazují na siločáry, směřující na okraj katody 2. V intervalu B proudů I₂ od +1 A do +2,5 A je pole mezi okrajem katody 2 a zdvojenými magnety 11 velmi nízké, nižší než asi 10 mT. V oblasti C je tedy multipolární udržovací pole porušeno, udržení plazmatu je nejen slabé, ale dokonce při nízkém tlaku, například 0,1 Pa, výboj vůbec ani nehoří, a to při libovolné velikosti proudu I₁ do první cívky 15. Stabilní výboj za nízkého tlaku, například nižšího než 0,2 Pa, tedy vyžaduje, aby multipolární magnetické pole navazovalo na pole katody, přičemž orientace obou polí může být buď paralelní jako v intervalu A nebo antiparalelní, jako v intervalu C na obr. 4c. Křivky 42a a 42b ukazují, že v obou intervalech A, C lze řídit hustotu proudu iontů bombardujících substráty při konstantním napětí U_s na substrátech, například -100 V. Křivky 43a a 43b ukazují, že i při nulovém celkovém proudu I_s substrátů lze řídit plovoucí potenciál U_fl substrátů, rovněž v obou intervalech A a C. Křivky 44a, 44b slouží za příklad, že pomocí proudu první cívky 15 lze udržet výbojové napětí i proud na konstantní hodnotě, ačkoli proud I₂ se mění V širokých mezích. Tyto křivky 44a, b rovněž ukazují, že je třeba, aby magnetické pole cívek 15, 17 bylo orientováno proti sobě, ať už je polarita proudu I₂ kladná nebo záporná. Křivky 44a a 44b nejsou symetricky položeny vzhledem k nulovému proudu I₂ proto, že magnety 11 jsou zdvojeny a tedy i při I₂ = 0 A je magnetické multipolární pole uzavřeno siločarami vycházejícími z magnetů 11 na katodu 2. Závislosti uvedené na obr. 5 ukazují možnost řízení množství a energie částic dopadajících na substráty v zařízení podle obr. la, lb, pomocí změny celkového tlaku p_T. Křivka závislosti 45 iontového proudu substrátů Ig na tlaku p_T ukazuje, že vysoké iontové proudy Ig, obsahující 20 až 50 % proudu I_K katody, lze extrahovat na substráty 5 vzdálené například 200 mm od katody 2, při napětí U_g na substrátech pouze například -100 V, v širokém rozmezí tlaků, alespoň od 0,04 do 5 Pa. Velikostí tlaku p_T lze přitom ovlivňovat plovoucí potenciál U_fl substrátů, v rozmezí například od -5 do -45 V, jak ukazuje křivka 46. Stabilní výboj byl pozorován až do tlaku 2.10“² Pa.

Způsob naprašování vrstev podle vynálezu je objasněn na příkladech vrstev nitridu titanu vytvořených na zařízení znázorněném na obr. la, lb.

-10—

CZ 278295 É6 . Příklad 1

Substráty 5 z rychlořezné oceli teplotu 500 °C při bylo přiloženo po napětí U_K = -500 iontově vyčistily ohřátý na stráty 5 katodu 2 umístěné tlaku nižším než dobu 120 s napětí V při tlaku argonu substráty a katoda

na držáku	4 byly
10’2 Pa.	Na sub-
Ug = -600	V a	na
0,09 Pa,	čímž	se
... Následov	alo	P°

současně dobu 90 minut naprašování vrstvy nitridu titanu, které se provádělo ve směsi argonu a dusíku o celkovém tlaku 0,09 Pa při napětí katody U_K = -600 V a při proudu katody I_K = 5 A. Substráty 5 byly umístěny ve vzdálenosti 200 mm od katody 2 a bylo na ně přivedeno předpětí U_g = -100 V, Při proudu cívky 15 1·^ = 0,9 A a proudu cívky 17 I₂ = 4 A se substráty bombardovaly během růstu vrstev převážně ionty z plazmatu o celkovém proudu I_s = 610 mA.

Takto připravená vrstva měla tloušťku 3,2 μια a mikrotvrdost podle Vickerse HV = 2 590 + 90 kg.mm^-2, což svědčí o kompaktní mikrostruktuře vrstvy, stejně jako jasná zlatá barva.

Vrstvy nitridu titanu připravené konvenčním magnetronovým naprašováním bez působení multipolárního magnetického pole při vzdálenosti substrátů od katody 150 mm při celkovém tlaku 5 Pa jsou černé, porézní a měly mikrotvrdost pouze HV = 214 kg.mm“², což souvisí s nízkou hustotou plazmatu u substrátů a s nízkým iontovým proudem I_s = 20 mA při stejném předpětí U_s = -100 V.

Rentgenografická analýza vrstev nitridu titanu připravených způsobem podle vynálezu za výše uvedených konkrétních podmínek dává hodnoty mřížového parametru určeného z rovin (111) rovnoběžných s povrchem vzorku a^l ⁼ θ/4299 nm, z rovin (200) : a200 = 0,4258 nm, pološířky čar β-^-^ = 0,46°, β200 ⁼ °z56°, β222 = 1,0°, mikropnutí <3 =(7,3+ 1,1) . 10³ a makropnutí δ =6,4 GPa. Textura nanesené vrstvy je silná s orientací (111) rovnoběžně s povrchem vzorku. Tyto všechny hodnoty jsou velmi blízké hodnotám, dosahovaným u vrstev nitridu titanu nanášených obloukovým odpařováním nebo odpařováním nízkonapěťovým elektronovým svazkem za podobných podmínek nanášení. S výjimkou textury jsou rovněž blízké hodnotám dosahovaným při konvenčním magnetronovém nanášení, ovšem v podstatně kratších vzdálenostech substrátů od katody, typicky 50 mm.

Příklad 2

Stejným postupem jako v příkladu 1 s výjimkou předpětí substrátů, které bylo U_g = -50 V, byly připraveny vrstvy nitridu titanu s texturou (220), přičemž ostatní fyzikální vlastnosti vrstev se výrazně nezměnily oproti příkladu 1.

-11CZ 278295 B6

Příklad 3

Stejným postupem jako v příkladu 1, avšak při odpojení zdroje Ug, byly připraveny vrstvy nitridu titanu při plovoucím potenciálu U_fl = -31 V vzhledem k- anodě 3.. Vrstvy měly tloušťku 5,5 μιη při čase depozice 120 min a mikrotvrdost HV = 2 070 + 80 kg.mm“², jsou tedy opět kompaktní. Rentgenografická analýza dává tyto výsledky: a= 0,4255 nm, ^a200 ⁼ °/⁴²⁴³ nm, Pm ⁼ °/23°, ^200 ~ °'²⁷°' ^222 ⁼ & ⁼ (⁴'° - °'⁵) * ^10_3' ^{5 = 2}'⁹ GPa. Vrstvy měly sníženou texturu (111) + (200), přičemž poměr korigovaných intenzit reflexí ^200/-^111 = !· ^TY^to vlastnosti jsou neobvyklé u nitridu titanu nanášeného jinými fyzikálními metodami včetně konvenčního naprašování a svědčí o nízkých pnutích ve vrstvách a o malém narušení krystalové mříže vzhledem k nížké energii bombardujících iontů a k současnému bombardu elektrony s dostatečnou hustotou proudu. V kombinaci s dostatečně vysokou mikrotvrdostí mají tyto vrstvy vysokou přilnavost k podložkám a velmi dobré užitné vlastnosti při použití na obráběcích nástrojích.

Příklad 4

Příklad popisuje řízení textury vrstev pomocí řízení velikosti plovoucího potenciálu. Bylo postupováno stejným postupem jako v příkladu 3, avšak při proudu I₂ = 10 A a Ι_χ = 2 A se zvýšil plovoucí potenciál substrátů na = -45 V a nanesená vrstva měla přednostní orientaci (111) s poměrem ^200^111 “ 0,2. Snížení předpětí na -24 V se dosáhlo změnou proudů I₂ =3,8AaI₁=l,6A a přednostní orientace se naopak změnila na (200) s poměrem ^00/-^111 ⁵· Ostatní parametry vrstev, tedy mikrotvrdost, pnutí a mřížové parametry se přitom podstatně nezměnily. Lze očekávat, že vrstvy s řízenou texturou budou důležité pro optimalizaci výkonnosti nanesených obráběcích nástrojů pro různé řezné podmínky.

Způsob podle vynálezu lze použít i k vytváření dekorativních zlatých vrstev nitridu titanu na nevodivé substráty jako je sklo nebo porcelán postupem uvedeným u příkladu 1 s modifikací podle příkladu 3 a 4 s vynecháním iontového čištění. Místo iontového čištění je možno alternativně zařadit nanášení vrstvy titanu o tloušůce 10 až 200 nm v atmosféře argonu bez dusíku pro zvýšení adheze vrstev. S výhodou lze pro tento účel použít zařízení podle obr. 3a, 3b, kde lze zároveň nanášet vrstvy ze všech směrů rovnoměrně .

Konstrukci zařízení podle vynálezu lze obměňovat, modifikovat mnoha různými způsoby, podle druhu a velikostí substrátů, podle materiálu nanášené vrstvy a podle požadavků na vlastnosti vrstev a podobně. Především lze používat různé tvary katod, a to nejen rovinné, ale například i válcové, duté, kónické a podobně. Podle potřeby lze kombinovat různé způsoby řízení stupně udrženi plazmatu, tedy například změnou magnetického pole, pomocnými

-12-.

elektrodami různých tvarů a typů a použitím různých posuvných nástavců, nejen spojených s anodou, ale například připojených na vnější zdroj napětí. Všechny tyto prvky lze kombinovat s různými způsoby řízení napětí na substrátech.

Magnety pro vytvoření multipolárního magnetického pole lze rovněž rozmístit nejrůznějšími způsoby. Lze například orientovat magnety nikoliv kolmo na stěnu komory, ale rovnoběžně s ní. Důležitou modifikací je volba orientace magnetů na okraji katody vzhledem k obklopujícím magnetům na komoře. Tato orientace může být jak paralelní, tak antiparalelní, přičemž udržené plazma má v obou případech různé parametry, viz například křivky 42a a 42b, 43a a 43b.