Przedmiotem wynalazku jest sposób napylania magnetronowego znajdujacy zastosowanie do na¬ noszenia cienkich warstw metali i pólprzewodni¬ ków oraz planarna wyrzutnia magnetronowa do napylania katodowego.Znany jest sposób napylania polegajacy na tym, ze w komorze prózniowej umieszcza sie wyrzutnie magnetronowa z targetem metalicznym lub pól¬ przewodnikowym oraz napylane podloza polaczo¬ ne z anoda. Nastepnie wytwarza sie w komorze prózniowej atmosfere gazu szlachetnego, np. argo¬ nu, przy czym cisnienie gazu utrzymuje sie na poziomie 10—3 do 10—2 Tr. Miedzy anoda i kato¬ da wytwarza sie pole elektryczne, powodujace powstanie wyladowania jarzeniowego, a w obsza¬ rze przytargetowym wytwarza sie dodatkowo pole magnetyczne powodujace zageszczenie plazmy w tym obszarze.Znany jest, miedzy innymi z polskiego opisu patentowego nr 142 541 sposób napylania katodo¬ wego przy uzyciu pola magnetycznego, wywolu¬ jacego zageszczenie plazmy w przytargetowym obszarze katody magnetronowej.Jest to proces magnetronowy, w którym linie sil pola magnetycznego zamykaja sie nad ujemnie spolaryzowana czynna powierzchnia targetu, któ¬ ra jest powierzchnia od strony anody. Tory elek¬ tronów inicjujacych i podtrzymujacych wylado¬ wanie plazmowe, w obszarze miedzy anoda a ka¬ toda, ulegaja zakrzywieniu tak, ze wiekszosc elek- 15 20 30 tronów wykonuje ruch spiralny zwiekszajac pra¬ wdopodobienstwo jonizacji gazu roboczego, na przyklad argonu, co prowadzi do powstania, tuz nad powierzchnia targetu, pierscieniowego obsza¬ ru zageszczonej plazmy. Jony gazu nosnego z ob¬ szaru pierscienia plazmowego intensywnie wybi¬ jaja material targetu, szczególnie z miejsc, polo¬ zonych naprzeciwko obszaru zageszczonej plazmy.W wyniku tego bombardowania nastepuje rozpy¬ lanie targetu. Cisnienie gazu roboczego utrzymy¬ wane jest na poziomie od 10—3 do 10—2 Tr.Cisnienie nie nizsze niz wymienione jest wyma¬ gane do poprawnego, stabilnego przebiegu proce¬ su napylania. Rozpatrywany material osadza sie na podlozach umieszczonych w odleglosci kilku centymetrów od powierzchni targetu. Ze wzgledu na to, ze srednia droga swobodnego przebiegu tak atomów rozpylanego materialu jak atomów i jo¬ nów gazu roboczego przy tych cisnieniach miesci sie w granicach od ulamka do kilku centymetrów, strumien rozpylanego materialu jest silnie za¬ burzony. Jest to wynikiem wzajemnych zderzen wymienionych czastek. W rezultacie, znaczna czesc rozpylanego materialu zawracana jest w kierunku targetu, tworzac tzw. strumien wsteczny.Wada znanego sposobu napylania magnetrono¬ wego, zwiazana z omawianym tu zjawiskiem, jest mala szybkosc osadzania sie na podlozach mate¬ rialów o masach atomowych mniejszych lub po- 146 632146 632 3 równywalnych z masa atomowa gazu roboczego, czyli takich, jak np. glin czy tytan.W przypadkach, gdy znany sposób napylania wylforzystywany jest do otrzymywania bardzo czy¬ stych, cienkich warstw metali o duzym powino- 5 wactwie chemicznym do tlenu, np. nadprzewodza¬ cych warstw niobu, stosowanie cisnienia gazu ro¬ boczego- na poziomie 10—3 do 10—2 Tr pociaga za soba szczególnie wysokie wymagania odnosnie czy¬ stosci tegogazu. io Zanieczyszczenia pochodzace z gazu nosnego wchodza w reakcje z materialami napylanej war¬ stwy, wplywajac niekorzystnie na jej wlasnosci fizyczne.Znana jest, miedzy innymi, wyrzutnia magne- 15 tronowa do napylania katodowego posiadajaca tar- get w postaci plaskiej plyty, która stanowi szczel¬ ne zamkniecie obudowy katody, zawierajacej wewnatrz uklad zródel pola magnetycznego. Obu¬ dowa katody ma równiez zamkniecie z drugiej 20 strony, od której do wnetrza doprowadzony jest czynnik chlodzacy, na nierozpylana, tylna powierz¬ chnie targetu. Katoda otoczona jest ekranem elek¬ trostatycznym osadzonym na obudowie katody i odizolowanym od niej elektrycznie. %r 25 Wada znanej wyrzutni magnetronowej jest nie¬ równomierne zuzycie targetu. Jego powierzchnia czynna, tj. ulegajaca erozji, stanowi nie wiecej niz 40% powierzchni calkowitej. Pociaga to za soba znaczna nierównomiernosc strumienia rozpylanego 30 materialu.Poprawe równomiernosci zuzycia targetu uzyski¬ wano dotychczas na drodze modyfikacji pola ma¬ gnetycznego nad jego powierzchnia, przez zasto¬ sowanie ukladu magnesów stalych i elektromagne- 65 sów umieszczonych wewnatrz katody.Sposób magnetronowego napylania katodowego warstw cienkich wg wynalazku polega na tym, ze na strumien pola magnetycznego wytworzonego wewnatrz katody dziala sie polem magnetycznym 40 wytworzonym na zewnatrz katody magnetronowej, tak, ze wektor indukcji magnetycznej tego pola zewnetrznego i wektor indukcji pola wewnetrzne¬ go, wyznaczone w osi wyrzutni, w obszarze przy¬ targetowym, maja taki sam kierunek lecz prze- *5 ciwne zwroty. Powoduje to poszerzenie obszaru powstawania plazmy w przestrzeni przytargetowej przez co uzyskuje sie mozliwosc rozpylania przy cisnieniu ponizej 10—3 Tr, najkorzystniej rzedu 10—4 Tr, co powoduje wzrost szybkosci napylania, 50 szczególnie metali lekkich oraz wzrost czystosci otrzymywanych warstw.Wyrzutnia magnetronowa wedlug wynalazku ma cewke indukcyjna osadzona na ekranie katody, stanowiaca dodatkowe zródlo pola magnetycznego, 55 oddzialywujacego na podstawowe zródlo pola ma¬ gnetycznego znajdujace sie wewnatrz obudowy ka¬ tody. Takie usytuowanie zewnetrznej cewki in¬ dukcyjnej powoduje poszerzenie obszaru erozji targetu. Pozwala to na zwiekszenie wykorzystania M targetu ód ok. 70% przez co uzyskuje sie równiez bardziej równomierny rozklad grubosci nanoszo¬ nych warstw cienkich.Opisane rozwiazanie wedlug wynalazku moze byc zastosowane do wyrzutni planarnych, tak w okraglych, jak i czworokatnych.Przedmiot wynalazku jest blizej objasniony na rysunkach na których fig. 1 pokazuje schemat ideowy przykladowego rozwiazania planarnej wy¬ rzutni magnetronowej, fig. 2, fig. 3 i fig. 4 poka¬ zuja zdjete metoda proszkowa rozklady pola ma¬ gnetycznego w obszarze przytargetowym wyrzutni megnetronowej w jej przekroju osiowym, przy czym na fig. 2 — rozklad pola, które wytwarza sie wewnatrz katody, typowy dla znanego sposo¬ bu rozpylania megnetronowego, fig. 3 — rozklad pola modyfikujacego sposobem wedlug wynalazku, wytworzonego na zewnatrz katody, a fig. 4 — rozklad pola uzyskanego sposobem wedlug wyna¬ lazku, dzieki wzajemnemu oddzialywaniu na sie¬ bie tych pól magnetycznych.Katode magnetronowa umieszcza sie w komorze prózniowej, w której umieszcza sie podloza pola¬ czone z anoda. W komorze prózniowej wytwarza sie atmosfere argonu i utrzymuje sie obnizone cisnienie. Miedzy katoda i anoda wytwarza sie pole elektryczne wywolujace wyladowanie jarze¬ niowe. Jednoczesnie w obszarze przytargetowym wytwarza sie pole magnetyczne powodujace za¬ geszczenie plazmy, przy czym na strumien pola magnetycznego wytworzonego wewnatrz katody (fig. 2) dziala sie wspólosiowym z nim polem ma¬ gnetycznym korekcyjnym (fig. 3), które wytwarza sie na zewnatrz katody magnetronowej. Wektor indukcji magnetycznej B2 pola zewnetrznego i we¬ ktor indukcji magnetycznej Bi pola wewnetrznego wyznaczone w osi wyrzutni maja taki sam kie¬ runek lecz przeciwne zwroty.Jak pokazano na figurze 2, w przestrzeni przy¬ targetowej i w osi wyrzutni wektor indukcji ma¬ gnetycznej Bi pola wewnetrznego, jest prostopadly do targetu, ale w miare oddalania sie od tej osi ulega pochyleniu, co zaznaczono przy pomocy wektora Bi, i dopiero w odleglosci od osi równej w przyblizeniu promieniowi targetu przyjmuje po¬ lozenie równolegle do targetu.Taki rozklad pola wewnetrznego sprawia, ze pierscieniowy obszar zageszczonej plazmy pokry¬ wa niewielka czesc calkowitej powierzchni targe¬ tu. Poniewaz wytwarza sie jednoczesnie dodatko¬ we pole magnetyczne na zewnatrz katody magne¬ tronowej, pokazane na fig. 2, wytworzone wew¬ natrz katody pola magnetycznego ulega korekcji.Wektor indukcji magnetycznej B2 tego pola zew¬ netrznego jest prostopadly do targetu na calej je¬ go powierzchni, a zwrot tego wektora jest prze¬ ciwny wzgledem zwrotu lezacego w osi wyrzutni wektora indukcji magnetycznej Bi pola wytworzo¬ nego wewnatrz katody.W wyniku dzialania obydwu tych pól powstaje korzystny dla rozpylania targetu rozklad pola przedstawiony na fig. 4. W osi wyrzutni modul wektora B3 jest wynikiem dodawania wektorów Bi i B2, co oznacza zmniejszenie w tym obszarze wielkosci skladowej pola magnetycznego prosto¬ padlej do targetu i korzystnie wplywa na prace wyrzutni.146 632 W odleglosci od osi wyrzutni równej w przybli¬ zeniu polowie promienia, skladanie pól prowadzi do powstania pola wypadkowego, którego wektor indukcji B3' jest równolegly do targetu. Strefa ta stanowi jednoczesnie srodek obszaru zageszczonej 5 plazmy, który ulega poszerzeniu i przesunieciu w kierunku centrum targetu w porównaniu ze sposobem bez pola korekcyjnego, wytworzonego na zewnatrz katody.Obszar jednorodnosci skladowej pola magnetycz- 10 nego, równoleglej do targetu 3, decydujacej o efek¬ tywnosci procesu rozpylania, jest ustalony przez zmiane wartosci obydwu pól magnetycznych, oraz zmiane polozenia zewnetrznego zródla pola magne¬ tycznego. Konkretne wymiary geometryczne obyd- 15 wu zródel pól magnetycznych oraz wartosci pra¬ dów zasilajacych dobierano w zaleznosci od roz¬ miaru targetu 3, wielkosci podloza oraz cisnienia gazu roboczego. Napylanie prowadzono przy cis¬ nieniu argonu równym 5-10—4 Tr, przy czym dla 20 srednicy targetu 100 mm i mocy 1 kW uzyskano szybkosc napylania warstw tytanu na poziomie 0,2 ^m/min.Katoda wyrzutni sklada sie z cylindrycznej obu¬ dowy 1, wykonanej ze stali nierdzewnej, wewnatrz 25 której znajduje sie elektromagnes o przekroju kolowym. Rdzen 2 elektromagnesu znajduje sie w niewielkiej odleglosci, ok. 1 mm, od targetu 3, który szczelnie zamyka obudowe 1 z jednej stro¬ ny. Z drugiej strony obudowa 1 ma zamkniecie 4, 30 w postaci pokrywy, przez która wyprowadzony jest centralnie przewód 5 doprowadzajacy czynnik chlodzacy na powierzchnie targetu 3 oraz przepust izolacyjny 6 do doprowadzen pradowych elektroma¬ gnesu. 65 Wewnatrz rdzenia 2 elektromagnesu znajduje sie uzwojenie 7, odizolowane elektrycznie od wply¬ wu czynnika chlodzacego. Katoda otoczona jest cylindrycznym ekranem 8, na którym w poblizu targetu 3 przymocowana jest pierscieniowa cewka 4° indykcyjna9. ; Polozenie cewki indykcyjnej 9 wzgledem po¬ wierzchni targetu 3 jest regulowane. Na drugim koncu ekranu 8 znajduje sie teflonowy pierscien izolacyjny 10. Katoda zaopatrzona jest w kolnie- fi rzowy uchwyt 11 przy pomocy którego mocowana jest do systemu prózniowego.Zastrzezenia patentowe 1. Sposób napylania magnetronowego warstw cienkich, polegajacy na tym, ze umieszcza sie katode magnetronowa w komorze prózniowej, w której naprzeciwko katody umieszcza sie rów¬ niez podloza polaczone z anoda, po czym wyt¬ warza sie atmosfere szlachetnego gazu roboczego o obnizonym cisnieniu, a nastepnie miedzy kato¬ da i anoda wytwarza sie pole elektryczne wywo¬ lujace wyladowanie jarzeniowe, przy czym w ob¬ szarze przytargetowym wytwarza sie dodatkowo pole magnetyczne powodujace zageszczenie plazmy, znamienny tym, ze na strumien pola magnetyczne¬ go wytworzonego wewnatrz katody dziala sie wspólosiowym z nim polem magnetycznym, które wytwarza sie na zewnatrz katody magnetronowej, tak, ze wektor indukcji magnetycznej tego pola zewnetrznego i wektor indukcji pola wewnetrzne¬ go, wyznaczone w osi wyrzutni, w obszarze przy¬ targetowym, maja taki sam kierunek lecz przeciw¬ ne zwroty. 2. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze rozpylanie katodowe prowadzi sie przy cisnieniu ponizej 10—3 Tr najkorzystniej rzgdu 10—4 Tr. 3. Planarna wyrzutnia magnetronowa do rozpy¬ lania katodowego, zawierajaca target w postaci plaskiej plyty, stanowiacej szczelne zamkniecie obudowy katody, która ma równiez szczelne zam¬ kniecie z drugiej strony i posiada wewnatrz zród¬ lo pola magnetycznego, przy czym do wnetrza obudowy doprowadzony jest na nierozpylana po¬ wierzchnie targetu czynnik chlodzacy, a obudowa katody otoczona jest ekranem elektrostatycznym, znamienna tym, ze na ekran (8) nasadzona jest cewka indukcyjna (9) stanowiaca dodatkowe zew¬ netrzne zródlo pola magnetycznego, oddzialywuja¬ ce na zródlo pola magnetycznego, korzystnie w postaci uzwojenia (7) elektromagnesu, znajduja¬ ce sie wewnatrz katody. 4. Wyrzutnia wedlug zastrz. 3, znamienna tym, ze polozenie zewnetrznej cewki indukcyjnej (9) jest regulowane wzgledem powierzchni targetu.MMI Fig.1146 632 R9.2 fig. 3 M / \- xyV: /^ ' r/;i Czo Zakl. Graf. Badom — 23/89 90.+20 egz. A4 Cena 400 zl PLThe subject of the invention is a magnetron sputtering method applicable to the deposition of thin layers of metals and semiconductors, and a planar magnetron launcher for sputtering. There is a known method of sputtering where a magnetron launcher with a metal or semi-conductive target is placed in a vacuum chamber. and a sputtered substrate coupled to an anode. An atmosphere of noble gas, for example argon, is then generated in the vacuum chamber, the gas pressure being kept at 10-3 to 10-2 Torr. An electric field is created between the anode and the cathode, causing the formation of a glow discharge, and in the target area, a magnetic field is additionally created, which causes the plasma to concentrate in this area. It is known, among others, from the Polish patent description No. 142 541, for sputtering by means of a magnetic field, which causes the plasma to concentrate in the near-target region of the magnetron cathode. This is a magnetron process in which the magnetic field strength lines close over the negatively polarized active surface of the target, which is the anode-side surface. The paths of the electrons initiating and sustaining the plasma discharge in the region between the anode and cathode are curved so that most of the electrons perform a spiral motion, increasing the likelihood of ionization of a working gas, for example argon, leading to to the formation, just above the surface of the target, of a ring-shaped region of concentrated plasma. The carrier gas ions from the plasma ring region intensely knock out the target material, especially from locations opposite the dense plasma region. The bombardment results in sputtering the target. The pressure of the working gas is kept at the level of 10-3 to 10-2 Torr. The pressure not lower than mentioned is required for the proper and stable course of the sputtering process. The material under consideration is deposited on substrates placed a few centimeters from the target surface. Due to the fact that the mean free path of the atomized material atoms, such as atoms and ions of the working gas, at these pressures ranges from a fraction to a few centimeters, the sprayed material stream is strongly disturbed. It is the result of mutual collisions of the mentioned particles. As a result, a significant portion of the sprayed material is returned towards the target, forming the so-called The disadvantage of the known method of magnetron sputtering, associated with the phenomenon discussed here, is the low deposition rate on the substrates of materials with atomic masses lower than or equal to the atomic mass of the working gas, i.e. such as e.g. aluminum or titanium. In cases where the known method of sputtering is used to obtain very pure, thin metal layers with a high chemical affinity for oxygen, e.g. superconducting niobium layers, the use of working gas pressure at 10-3 to 10-2 Torr, there are particularly high demands on the purity of this gas. and the impurities originating from the carrier gas react with the materials of the sputtering layer, adversely affecting its physical properties. It is known, inter alia, for a sputtering magnetron launcher having a target in the form of a flat plate, which acts as a seal. ne closure of the cathode housing containing inside the array of magnetic field sources. The cathode housing also has a closure on the other side, from which a coolant is fed inside, onto the nonspray rear surface of the target. The cathode is surrounded by an electrostatic shield mounted on and electrically insulated from the cathode housing. % r 25 A disadvantage of the known magnetron gun is the uneven wear of the target. Its active surface, i.e. erodable, accounts for no more than 40% of the total area. This entails a considerable unevenness of the sprayed material stream. The improvement of the uniformity of the wear of the target has so far been obtained by modifying the magnetic field above its surface, by using a system of permanent magnets and electromagnets placed inside the cathode. of thin layers according to the invention consists in the fact that the magnetic field generated inside the cathode is influenced by the magnetic field generated outside the magnetron cathode, so that the magnetic induction vector of this external field and the internal field induction vector, determined in the axis of the launcher, in near the target area, they have the same direction but opposite directions. This causes the area of plasma formation in the near-target space to widen, which makes it possible to spray at a pressure below 10-3 Tr, most preferably in the order of 10-4 Tr, which increases the sputtering speed, especially of light metals, and increases the purity of the layers obtained. Magnetron launcher according to the invention it has an induction coil mounted on the cathode screen, which provides an additional source of the magnetic field 55 affecting the primary source of the magnetic field inside the cathode housing. This positioning of the outer inductor causes a widening of the target erosion area. This allows to increase the utilization of the target M by approx. 70%, which also results in a more even distribution of the thickness of the thin layers applied. The described solution according to the invention can be applied to planar launchers, both in round and quadrilateral. The subject of the invention is closer Fig. 1 shows a schematic diagram of an exemplary solution of a planar magnetron projector, Fig. 2, Fig. 3 and Fig. 4 show the magnetic field distribution in the sub-target region of a megnetron launcher in its axial section. Fig. 2 shows the distribution of the field which is produced inside the cathode, typical for the known megnetron sputtering method, Fig. 3 - the distribution of the modifying field according to the invention, produced outside the cathode, and Fig. 4 - the distribution of the obtained field method according to the invention, thanks to the interaction of these magnetic fields. The magnetron cathode is placed in the chamber a vacuum tube in which the substrate connected to the anode is placed. An argon atmosphere is created in the vacuum chamber and the pressure is kept low. An electric field is created between the cathode and the anode, causing a glow discharge. At the same time, a magnetic field is generated in the near-target region, causing plasma fogging, and the flux of the magnetic field generated inside the cathode (Fig. 2) is subjected to a coaxial correction magnetic field (Fig. 3), which is generated outside the cathode magnetron. The external field magnetic induction vector B2 and the internal field magnetic induction vector Bi in the launcher axis have the same direction but opposite directions. As shown in Figure 2, in the target space and in the launcher axis, the magnetic field vector Bi of the target, is perpendicular to the target, but as it moves away from this axis, it tilts, which is marked by the vector Bi, and only at a distance from the axis approximately equal to the target radius, it adopts a position parallel to the target. Such a distribution of the internal field causes that the ring-shaped area of the dense plasma covers a small part of the total surface of the target. As an additional magnetic field is simultaneously generated outside the magnet cathode shown in FIG. 2, the magnetic field generated inside the cathode is corrected. The magnetic induction vector B2 of this external field is perpendicular to the target over its entirety. and the sense of this vector is opposite to the sense of the magnetic induction vector Bi of the field generated inside the cathode in the axis of the launcher. As a result of the action of both these fields, the field distribution shown in Fig. 4 is favorable for target spraying. vector B3 is the result of adding the vectors Bi and B2, which means a reduction in this region of the magnitude of the magnetic field component straight to the target and favorably influences the work of the launcher.146,632 At a distance from the launcher axis equal to approximately half the radius, to a resultant field, the induction vector of which B3 'is parallel to the target. This zone is at the same time the center of the concentrated plasma area, which is widened and shifted towards the center of the target compared to the method without a correction field produced outside the cathode. The area of homogeneity of the magnetic field component, parallel to the target 3, which determines the effect. the efficiency of the sputtering process is determined by changing the values of both magnetic fields and changing the position of the external source of the magnetic field. The specific geometrical dimensions of both the magnetic field sources and the values of the supply currents were selected depending on the size of the target 3, the size of the substrate and the pressure of the working gas. Sputtering was carried out at an argon pressure of 5-10-4 Torr, while for a target diameter of 100 mm and a power of 1 kW, a titanium layer sputtering rate of 0.2 m / min was achieved. The launcher cathode consists of a cylindrical two 1, made of stainless steel, inside 25 there is an electromagnet with a circular cross section. The core 2 of the electromagnet is located a short distance, approx. 1 mm, from the target 3, which seals the housing 1 on one side. On the other hand, the housing 1 has a closure 4, 30 in the form of a cover, through which a conductor 5 for supplying the cooling medium to the target surface 3 is led centrally, and an insulating bushing 6 to the electromagnet's current leads. 65 Inside the electromagnet core 2 there is a winding 7 electrically insulated from the influx of a coolant. The cathode is surrounded by a cylindrical screen 8 on which a ring-shaped 4 ° induction coil 9 is attached near the target 3. ; The position of the indicator coil 9 with respect to the target surface 3 is adjustable. At the other end of the shield 8 there is a Teflon insulating ring 10. The cathode is provided with a collared holder 11 with which it is attached to the vacuum system. Patent claims 1. A method of magnetron sputtering of thin layers consisting in placing a magnetron cathode in a vacuum chamber, in which the substrate connected to the anode is also placed opposite the cathode, then an atmosphere of noble working gas with reduced pressure is created, and then an electric field is created between the cathode and the anode, causing a glow discharge, whereby in the target area a magnetic field is additionally generated causing the plasma concentration, characterized in that the flux of the magnetic field produced inside the cathode is subject to a coaxial magnetic field, which is generated outside the magnetron cathode, so that the induction vector the magnetic field of this external field and the vector of internal field induction, find on the axis of the launcher, near the target area, they have the same direction but opposite turns. 2. The method according to claim The process of claim 1, characterized in that the sputtering is carried out at a pressure of less than 10-3 Tr, most preferably in the order of 10-4 Tr. 3. A planar magnetron sputtering gun, comprising a flat plate target which seals the cathode housing tightly closed on the other side, and has a source of magnetic field within the housing, which is provided to the inside of the housing. on the non-sputtering surface of the target coolant, and the cathode casing is surrounded by an electrostatic screen, characterized in that an induction coil (9) is mounted on the screen (8), which is an additional external source of the magnetic field, affecting the source of the magnetic field, preferably in the form of an electromagnet winding (7) located inside the cathode. 4. A launcher according to claim The method of claim 3, characterized in that the position of the outer inductor (9) is adjustable with respect to the target surface. MMI Fig. 1146 632 R9.2 Fig. 3 M / \ - xyV: / ^ 'r /; and Czo Zakl. Graph. Badom - 23/89 90. + 20 A4 copies Price PLN 400 PL