CZ304905B6

CZ304905B6 - Způsob vytváření PVD vrstev s pomocí rotační cylindrické katody a zařízení k provádění tohoto způsobu

Info

Publication number: CZ304905B6
Application number: CZ2009-784A
Authority: CZ
Inventors: Stan Veprek; MojmĂr JĂlek; Ondřej Zindulka
Original assignee: Shm, S.R.O.
Priority date: 2009-11-23
Filing date: 2009-11-23
Publication date: 2015-01-14
Also published as: CA2780893A1; KR20120101468A; EP2516693A1; CZ2009784A3; WO2011060748A1; CN102712992A; US20120228124A1

Abstract

Vynález se týká způsobu nanášení otěruvzdorných vrstev metodou PVD, při kterém 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 (1), a současně alespoň jedním z těchto zdrojů je katoda (7a, 7b, 7c), pracující v režimu nízkonapěťového obloukového výboje. Dále se vynález týká zařízení k provádění tohoto způsobu, které sestává z vakuové povlakovací komory (2), ve které jsou umístěny alespoň dva povlakovací zdroje s jejich příslušnými plynovými vstupy (2b) procesních plynů a s příslušnými stíněními (4, 8), a ve které je umístěn alespoň jeden substrát (3b) na rotačním držáku (3), a alespoň jedním z těchto povlakovacích zdrojů je cylindrická rotační katoda, upravená pro činnost v režimu nevyváženého magnetronu (1), a současně alespoň jedním z těchto zdrojů je katoda (7a, 7b, 7c), upravená pro činnost v režimu nízkonapěťového obloukového výboje, kde cylindrická rotační katoda, upravená pro činnost v režimu nevyváženého magnetronu (1), je stíněna cylindrickým stíněním (4), které je zapojeno ve vztahu k této katodě jako anoda.

Description

Název vynálezu:

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

Anotace:

Vynález se týká způsobu nanášení otěruvzdomých vrstev metodou PVD, při kterém 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 (1), a současně alespoň jedním z těchto zdrojů je katoda (7a, 7b, 7c), pracující v režimu nízkonapěťového obloukového výboje. Dále se vynález týká zařízení k provádění tohoto způsobu, které sestává z vakuové povlakovací komory (2), ve které jsou umístěny alespoň dva povlakovací zdroje s jejich příslušnými plynovými vstupy (2b) procesních plynů a s příslušnými stíněními (4, 8), a ve které je umístěn alespoň jeden substrát (3b) na rotačním držáku (3), a alespoň jedním z těchto povlakovacích zdrojů je cylindrická rotační katoda, upravená pro činnost v režimu nevyváženého magnetronu (1), a současně alespoň jedním z těchto zdrojů je katoda (7a, 7b, 7c), upravená pro činnost v režimu nízkonapěťového obloukového výboje, kde cylindrická rotační katoda, upravená pro činnost v režimu nevyváženého magnetronu (1), je stíněna cylindrickým stíněním (4), které je zapojeno ve vztahu k této katodě jako anoda.

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu nanášení otěruvzdomých 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 vytváření 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 zvýšení 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.

Dále jsou známy způsoby optimalizace konstrukce cylindrických magnetronů, kde konstrukce stmění 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, jakje patrno ze spisu EP 0119631, z roku 1984.

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. spis WO 03/015475.

- 1 CZ 304905 B6

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 targetů může být uspořádán uvnitř i vně targetů, 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.

Podobná zařízení jsou též popsána i v dalších spisech. Ve spise EP 1357577 se jedná o zařízení k povlakování metodou PVD, kde je patrná vakuová komora, nejméně jedna katoda, nejméně jedna anoda a nejméně jeden zdroj magnetického pole, kde zdrojem magnetického poleje cylindrická katoda, která s během povlakování otáčí kolem své osy, přičemž anodou je plášť komory. Mezi katodami je obloukový výboj. Ve spise US 2006102077 je zase popsáno zařízení k povlakování, které vykazuje vakuovou komoru se zdrojem nízkonapěťového oblouku a zdrojem magnetického pole. Substrát je na otočném držáku, nízkonapěťový oblouk je mezi rozprašovacími katodami se stíněním, přičemž katody mohou být umístěny v přední a zadní části komory nebo i v jejím středu. Do komory se zavádí jako inertní plyn argon. Zdrojem magnetického poleje cívka vně systému.

Tak je zřejmé, že v dosavadních zařízeních je sice známo užití nízkonapěťového oblouku i magnetronu k odprašování materiálu z targetů, ale každá z užitých známých metod, prováděná na uvedených zařízeních, vykazuje dílčí nevýhody, přičemž úkolem vynálezu je stanovit metodu a navrhnout zařízení, kde tyto dílčí nevýhody, u jednotlivých známých metod a zařízení, vesměs výše již zmíněné, byly potlačeny či odstraněny.

Podstata vynálezu

Cílem vynálezu je získání nového způsobu a zařízení pro nanášení otěruvzdomých vrstev metodou PVD. Způsob nanášení otěruvzdomých 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 magnetronů, 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, upravená pro činnost v režimu nevyváženého magnetronů, a současně alespoň jedním z těchto zdrojů je katoda, upravená pro činnost v režimu nízkonapěťového obloukového výboje, přičemž cylindrická rotační katoda, upravená pro činnost v režimu nevyváženého magnetronu, je stíněna cylindrickým stíněním, které je zapojeno ve vztahu k této katodě jako anoda.

-2CZ 304905 B6

Příkladně potom cylindrická rotační katoda, pracující v režimu nevyváženého magnetronu, může být umístěna v povlakovací komoře v prostoru uvnitř rotačního držáku. V takovém případě bude vhodné, jestliže ostatní pracovní povlakovací zdroje budou umístěny vně rotačního držáku. Alternativně lze vytvořit i zařízení, kde cylindrická rotační katoda, pracující v režimu nevyváženého magnetronu, i ostatní pracovní povlakovací zdroje budou umístěny v povlakovací komoře vně rotačního držáku. Alternativně lze vytvořit též zařízení, kde katoda, pracující v režimu nízkonapěťového obloukového výboje, je stíněna cylindrickým stíněním. Stínění může být podle potřeby vybavováno také přídavným plynovým vstupem, resp. ještě i dalším přídavným plynovým vstupem procesních plynů.

Podstata vynálezu tedy celkově spočívá v umístění 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,

- výrazně 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 mono vrstvu, v odvráceném režimu míchány nejsou míchány a lze nanášet multivrstevnatou strukturu, jejíž tloušťka může být řízena procesními parametry),

-3 CZ 304905 B6

- 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 stínění lze použít pro čištění cylindrického rotačního magnetronu před zahájením vlastní depozice při současném stínění 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 vlastní 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 planámími. Taková zařízení, která obsahují kombinaci planámích 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 planámími elektrodami byla v podstatě technickou ekvivalencí způsobu a zařízení podle předkládaného vynálezu.

Objasnění výkresů

Způsob a zařízení 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

-4CZ 304905 B6 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 stměním a orientace magnetronového výboje je směrem od bočních katod.

Příklady uskutečnění 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 I 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 ajejich vícestupňovou rotaci. Souose s cylindrickým rotačním magnetronem i 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 ajejich stínění je v oboru známá aje 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 la, s permanentními magnety lc, vytvářejícími nevyvážené magnetické pole a uloženými na feromagnetickém a otočném jádře lb uvnitř dutiny uvedeného targetu la. Magnetické pole v tomto provedení vytváří na povrchu oválný uzavřený magnetický kanál, jehož delší strana je rovnoběžná s osou uvedeného targetu la, jak je dále patrno na obr. 3.

Jiný způsob podle vynálezu je ilustrován na zařízení 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 7 a, 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 i 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, kteréje 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

-5CZ 304905 B6 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 I 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 i může být provedeno v několika variantách, které jsou zde následně podrobněji popsány.

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

b) Jako stmění pevné, stínící přibližně 180° povrchu uvedeného targetu la 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 la 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 la 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 - nanášení vrstvy TiAIN s využitím souběhu uvedeného cylindrického rotačního magnetronu a bočních katod

Postup nanášení vrstvy TiAIN na povlakovacím zařízení Pi300 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, čištění 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 zavzdušnění komory.

Následující fáze obsahují využití 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 i, provedené zde jako rotační válcový dutý target la, může být kontaminován např. kyslíkem a dusíkem z předchozího zavzdušnění povlakovací komory 2 nebo z depozice. Účelem této fáze je odstranění reziduí způsobem ome-6CZ 304905 B6 zujícím či zabraňujícím depozici odprášených reziduí na povrch povlakovaných substrátů 3b. Fáze čištění začíná otočením magnetického pole uvedeného cylindrického rotačního magnetronu I, a to v návaznosti na polohu feromagnetického a otočného jádra lb s permanentními magnety lc, 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 Scm³/min, 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. Nanášení adhezních vrstev z bočních katod 7a, 7b, 7c a z uvedeného cylindrického rotačního magnetronu i, 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 i 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 Scm³/min, 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 I 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 i 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 i 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 až 0,8 Pa, průtok Ar 30 až 80 Scm³/min, teplota 300 až 600 °C, výkon magnetronu 5 až 30 kW, napětí na vzorcích -25 až -200 V, doba depozice 30 až 90 min.

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 vlastní 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 i do prostoru za válcovým stíněním

4. Povrch katody uvedeného cylindrického rotačního magnetronu i, vytvořené jako rotační cylindrický dutý target la, může být kontaminován, např. kyslíkem a dusíkem z předchozího

-7 CZ 304905 B6 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 i, a to v návaznosti na polohu feromagnetického a otočného jádra lb s permanentními magnety lc, 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 Scm³/min, 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, jakje 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 i, 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 s využitím uvedeného cylindrického rotačního magnetronu I, kdy boční katody 7a, 7b, 7c jsou chráněny svými příslušnými stíněními 8 katod, jakje patrno na obr. 8. Magnetické pole uvedeného magnetronu i je orientováno směrem k substrátům 3b mimo prostor za stměním 4, jak je patrno též na obr. 2. Procesní parametry této fáze jsou: celkový tlak 0,3 až 0,8 Pa, průtok Ar 30 až 80 Scm³/min, průtok dusíku 80 až 120 Scm³/min, teplota 300 až 600 °C, výkon magnetronu 5 až 30 kW, napětí na vzorcích -75 V, doba depozice 30 až 120 min.

Příklad 3 - nanášení odvrácenými výboji

Nanášení vlastní vrstvy TiAIN probíhá s využitím souběhu, resp. součinnosti uvedeného cylindrického rotačního magnetronu i 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 i je orientováno směrem k substrátům 3b mimo prostor za válcovým stíněním 4. Orientace magnetronového výboje je směrem od bočních katod 7a, 7b, 7c, jak patrno 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 I, 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 postupu 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 až 0,8 Pa, průtok Ar 30 až 80 Scm³/min, teplota 300 až 600 °C, výkon magnetronu 5 až 30 kW, napětí na vzorcích -25 až -200 V, doba depozice 30 až 90 min.

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 i a katody 7, která je upravena pro činnost v režimu nízkonapěťového oblouku, což je možno sledovat na obr. 4. Magnetické pole uvedeného magnetronu I 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,

-8CZ 304905 B6 jak palmo 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 až 0,8 Pa, průtok Ar 30 až 80 Scm^{2 3}/min, teplota 300 až 600 °C, výkon magnetronu 5 až 30 kW, proud obloukové katody 60 až 220 A, napětí na vzorcích -25 až -200 V, doba depozice 30 až 120 min.

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 i a katody 7, která je upravena pro činnost v režimu nízkonapěťového oblouku, což je možno sledovat na obr. 5. Magnetické pole uvedeného magnetronu Ije 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 patrno 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 až 0,8 Pa, průtok Ar 30 až 80 Scm³/min, teplota 300 až 600 °C, výkon magnetronu 5 až 30 kW, proud obloukové katody 60 až 220 A, napětí na vzorcích -25 až -200 V, doba depozice 30 až 120 min.

Průmyslová využitelnost

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

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob nanášení otěruvzdomých 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 magnetronu (1), a současně alespoň jedním z těchto zdrojů je katoda (7a, 7b, 7c), pracující v režimu nízkonapěťového obloukového výboje.
2. Zařízení k provádění způsobu podle nároku 1, sestávající se z vakuové povlako vací 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, upravená pro činnost v režimu nevyváženého magnetronu (1), a současně alespoň jedním z těchto zdrojů je katoda (7a, 7b, 7c), upravená pro činnost v režimu nízkonapěťového obloukového výboje, kde cylindrická rotační katoda, upravená pro činnost v režimu nevy-9CZ 304905 B6 váženého magnetronu (1), je stíněna cylindrickým stíněním (4), které je zapojeno ve vztahu k této katodě jako anoda.