PL211397B1 - Sposób otrzymywania warstw za pomocą impulsowego procesu rozpylania magnetronowego - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania warstw za pomocą impulsowego procesu rozpylania magnetronowego, przeznaczony do próżniowego nanoszenia cienkich warstw. Osadzanie warstw w procesie rozpylania magnetronowego jest obecnie wykorzystywane w szeroko rozumianym przemyśle elektronicznym przy wytwarzaniu optycznych i magnetycznych nośników danych CD, DVD, HDD, układów mikroelektronicznych itd. Taki sposób nanoszenia warstw jest również stosowany w przemyśle mechanicznym, zwłaszcza przy powierzchniowym utwardzaniu narzędzi, w przemyśle budowlanym przy pokrywaniu wielkogabarytowych tafli szklanych i w wielu innych gałęziach przemysłu, wszędzie tam, gdzie wymagane jest stosowanie powłok ochronnych, dekoracyjnych i zabezpieczających o dużej czystości.

Z polskiego opisu patentowego nr 182 809 znany jest sposób osadzania powł ok, zwł aszcza twardych materiałów trudnotopliwych, polegający na umieszczeniu katody i anody w równoległym do ich powierzchni polu magnetycznym i rozpyleniu ich materiału poprzez anomalne impulsowe wyładowanie jarzeniowe w gazie roboczym, charakteryzuje się tym, że po załączeniu do katody i anody urządzenia wysokiego napięcia i wywołaniu w obszarze międzyelektrodowym anomalnego wyładowania jarzeniowego zmienia się w czasie mniejszym od 0,1 sekundy jego polaryzację, a następnie inicjuje wyładowanie impulsowe w tymże obszarze międzyelektrodowym.

Z innego polskiego opisu patentowego nr 181 771 znany jest sposób osadzania powłok, zwłaszcza twardych materiałów trudnotopliwych, polegający na rozpyleniu i odparowaniu materiału katody oraz odparowaniu materiału anody, charakteryzuje się tym, że po wywołaniu w obszarze międzyelektrodowym anomalnego wyładowania jarzeniowego w gazie roboczym podnosi się natężenie prądu wyładowania do chwili, gdy przejdzie ono w wyładowanie łukowe, po czym inicjowane jest wyładowanie impulsowe. Korzystnym jest, gdy wszystkie wyładowania realizowane są w polu magnetycznym, którego linie są równoległe do osi elektrod.

Znany z polskiego opisu patentowego nr 168 615 sposób rozpylania magnetronowego w gazie roboczym polega na umieszczeniu w odpompowanym zbiorniku próżniowym anody i katody, nad powierzchnią której wytwarza się pole magnetyczne przy użyciu podkowiastego układu magnetycznego oraz na podaniu na anodę i katodę wysokiego napięcia, charakteryzuje się tym, że w początkowym obszarze rozpylanej tarczy za pomocą urządzenia emitującego elektrony wytwarza się strefę o dużej koncentracji elektronów.

Z polskiego opisu patentowego nr 168 569 znany jest też sposób i urzą dzenie do jonowego powlekania przedmiotów. Sposób polega na tym, że na etapie nagrzewania przedmioty izoluje się elektrycznie od układu wyładowania, umieszczając je w środowisku wyładowania jarzeniowego na wolnym potencjale elektrycznym, a wyładowanie w gazie roboczym prowadzi się pomiędzy pomocniczą elektrodą, znajdującą się na potencjale ujemnym i uziemioną ścianką komory, z mocą wyładowania na katodzie wynoszącą od 0,2 do 1 W/cm², przy czym proces nagrzewania przez co najmniej jedną fazę prowadzi się w atmosferze wodoru przy ciśnieniu wynoszącym od 0,5 do 10 hPa. Urządzenie charakteryzuje się tym, że pomiędzy ścianką komory, a obrabianymi przedmiotami ma elektrodę, w postaci metalowego płaszcza, która izolowana jest elektrycznie zarówno od ścian komory jak i od przedmiotów i połączona przepustem prądowym z elektrycznym zasilaczem wysokonapięciowym. Obydwa przepusty prądowe połączone są z zasilaczem za pomocą przełączników, z których jeden załącza ujemny biegun zasilacza z elektrodą na etapie nagrzewania, przy rozwartym przełączniku drugim, zaś po etapie nagrzewania pierwszy przełącznik załącza ujemny biegun zasilacza do obrabianych przedmiotów, a drugi przełącznik uziemia elektrodę.

Z polskiego opisu patentowego nr 167 391 znany jest sposób osadzania warstw polegają cy na umieszczeniu w zbiorniku próżniowym z gazem roboczym katody urządzenia magnetronowego, źródła jonów oraz podłoża, na które nanoszona jest warstwa, odpompowaniu zbiornika próżniowego do wysokiej próżni i wytworzeniu przez źródło jonów wiązki jonów, który charakteryzuje się tym, że wiązka jonów jest kierowana na powierzchnię katody magnetronowego urządzenia rozpylającego, po czym na zespół urządzenia magnetronowego podawane jest wysokie napięcie i inicjowane wyładowanie magnetronowe. Do sterowania trajektorią wiązki jonów stosuje się układ magnetyczny.

Znany ze stosowania sposób otrzymywania warstw za pomocą procesu magnetronowego polega na tym, że w wyniku efektywnego bombardowania targetu wykonanego z materiału rozpylanego, jonami gazu roboczego w postaci gazu szlachetnego i/lub reaktywnego, następuje jego rozpylanie poprzez kinetyczne uwalnianie atomów z powierzchni targetu. Rozpylone atomy, osiadając na

PL 211 397 B1 umieszczonym w komorze próżniowej podłożu, tworzą cienką warstwę. Stosowane są różne sposoby zasilania magnetronowych układów rozpylających stałoprądowe, zmiennoprądowe oraz impulsowe, dzięki czemu możliwe jest otrzymywanie warstw o różnych właściwościach elektrycznych, tzn. warstwy metaliczne, rezystywne, dielektryczne. W standardowym procesie rozpylania magnetronowego obecność gazu roboczego jest czynnikiem koniecznym do zaistnienia tego procesu, ponieważ jony gazu roboczego stanowią główne medium bombardujące ujemnie spolaryzowany target. Atomy gazu roboczego mogą wbudowywać się w osadzaną warstwę a tym samym powodują zanieczyszczenie warstwy, ponadto wpływają na warunki geometrycznego rozchodzenia się cząstek i obniżają na skutek zderzeń, energię rozpylanych na podłoża atomów.

W sposobie nanoszenia warstw znanym z publikacji N. Hosokawa, T. Tsukada, H. Kitahara: Effect of discharge current and sustained self-sputtering. Proc. 8th International Vacuum Congress, Sept. 22-26, 1980, Cannes, France, Supplement LeVideles Couches Minces, No. 201, s. 11-14, możliwe jest ich osadzanie bez obecności gazu roboczego podczas tzw. procesu stałoprądowego autorozpylania. Proces trawienia targetu zachodzi wówczas, od pewnej granicznej wartości gęstości mocy wydzielanej w targecie, w wyniku bombardowania jego własnymi jonami, a wyładowanie anomalne jest podtrzymywane wyłącznie tymi jonami. W procesach takich nie jest wymagana obecności gazu roboczego (poza momentem inicjacji procesu rozpylania). Wadą takiego procesu są niestabilności związane z niekontrolowanymi wyładowaniami łukowymi pojawiającymi się na materiale rozpylanym i uniemoż liwiają cymi prowadzenie cią g łego procesu rozpylania.

Inny sposób rozpylania magnetronowego z efektywnym udziałem jonów materiału rozpylanego, jest znany z artykułu V. Kouznetsov, K. Macak, J. M. Schneider, U. Helmersson, I. Petrov: A novel pulsed magnetron sputter technique utilizing very high target power densities, Surface and Coatings Technology, 122, 1999, s. 290-293), który jest sposobem nanoszenia warstw metodą impulsowego rozpylania z dużą mocą wydzielaną w impulsie. W metodzie tej niemożliwe jest wyłączenie dopływu gazu roboczego podczas procesu rozpylania, mimo obecności jonów materiału rozpylanego.

Istota sposobu, według wynalazku polega na tym, że po osiągnięciu krytycznej wartości mocy wydzielanej w targecie, przy której ilość jonów materiału rozpylanego jest zdolna do podtrzymania wyładowania, wyłącza się dopływ gazu roboczego, a wyładowanie jarzeniowe podtrzymuje się wyłącznie jonami materiału rozpylanego, przy czym magnetron zasila się impulsami, pomiędzy którymi występuje przerwa o czasie mniejszym niż czas zaniku plazmy.

Korzystnie, magnetron zasila się impulsami o częstotliwości powyżej 60 kHz i współczynniku wypełnienia (δ) powyżej 70%.

Zaletą nowego sposobu jest wyeliminowanie pojawiających się niekontrolowanych wyładowań łukowych na powierzchni targetu, występujących zwłaszcza podczas stałoprądowych procesów reaktywnego osadzania warstw dielektrycznych. Nowy sposób daje możliwość prowadzenia stabilnych i powtarzalnych procesów nanoszenia warstw, a co jest szczególnie waż ne, pozwala na otrzymanie czystych warstw nie posiadających wbudowanych atomów gazu roboczego stanowiących zanieczyszczenia.

Sposób otrzymywania warstw za pomocą impulsowego procesu magnetronowego autorozpylania przebiega prawidłowo, jeżeli są spełnione następujące warunki: a) nad materiałem rozpylanym jest wytworzona odpowiednia ilość jonów materiału rozpylanego podtrzymujących wyładowanie jarzeniowe, b) jony materiału rozpylanego są obecne nad powierzchnią targetu nawet wtedy, gdy napięcie polaryzujące okresowo zanika, a energia elektryczna jest okresowo dostarczana jonom. Pierwszy z warunków sprowadza się do zapewnienia odpowiedniej efektywności trawienia materia łu rozpylanego (duża gęstość mocy wydzielanej w targecie). Natomiast drugi z warunków jest możliwy do spełnienia jeżeli częstotliwość i czas trwania impulsów zasilających magnetron zostaną ustalone w relacji do czasu życia jonów rozpylanego materiału w plazmie wyładowania jarzeniowego. Wówczas efektywne trawienie targetu jego własnymi jonami jest możliwe mimo periodycznego zanikania napięcia zasilającego magnetron. Jeśli powyższe warunki będą spełnione, wówczas obecność gazu roboczego przestaje być warunkiem koniecznym istnienia procesu rozpylania, a osadzanie cienkich warstw może zachodzić tzw. metodą impulsowego autorozpylania.

Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia zależność minimalnego ciśnienia argonu podczas procesu rozpylania od wartości współczynnika wypełnienia przebiegu zasilającego magnetron dla częstotliwości 60 kHz, a fig. 2 - zależność minimalnego ciśnienia argonu podczas procesu rozpylania od wartości współczynnika wypełnienia przebiegu zasilającego magnetron dla częstotliwości 70 kHz.

PL 211 397 B1

P r z y k ł a d 1

Sposób otrzymywania warstw za pomocą impulsowego procesu magnetronowego polega na tym, że anomalne wyładowanie jarzeniowe w stanowisku próżniowym inicjuje się po wprowadzeniu gazu roboczego i po spolaryzowaniu targetu wykonanego z rozpylanego metalu, którym jest target miedziany o średnicy 50 mm i grubości 7 mm. Po osiągnięciu krytycznej wartości mocy wydzielanej w targecie, przy której ilość jonów materiał u rozpylanego jest zdolna do podtrzymania wył adowania, wyłącza się dopływ gazu roboczego, a wyładowanie jarzeniowe podtrzymuje się wyłącznie jonami materiału rozpylanego, przy ciśnieniu końcowym p_końc = 3,7-10^-3 Pa. Magnetron zasila się impulsami o częstotliwości powyżej 60 kHz, pomiędzy którymi występuje przerwa o czasie mniejszym niż czas zaniku plazmy, przy czym współczynnik wypełnienia (δ) impulsami wyznaczony jako:

_t δ = -21 -100%

T

Wynosi δ « 80%.

Podczas zasilania magnetronu przebiegiem o częstotliwości 60 kHz, proces autorozpylania materiału targetu bombardowanego własnymi jonami zachodzi przy współczynniku wypełnienia powyżej 60%, a zatem zależność minimalnego ciśnienia argonu jako gazu roboczego pAr min koniecznego do prowadzenia procesu zależy zarówno od wartości współczynnika wypełnienia przebiegu zasilającego magnetron jak i od jego częstotliwości.

P r z y k ł a d 2

Sposób otrzymywania warstw za pomocą impulsowego procesu magnetronowego przebiega jak w przykładzie pierwszym z ta różnicą, że magnetron zasila się impulsami o częstotliwości powyżej 70 kHz, a proces autorozpylania materiału targetu bombardowanego własnymi jonami zachodzi przy współczynniku wypełnienia powyżej 80%.

Claims (2)

1. Sposób otrzymywania warstw za pomocą impulsowego procesu magnetronowego, w którym anomalne wyładowanie jarzeniowe w stanowisku próżniowym inicjuje się po wprowadzeniu gazu roboczego i po spolaryzowaniu targetu wykonanego z rozpylanego metalu, znamienny tym, że po osiągnięciu krytycznej wartości mocy wydzielanej w targecie, przy której ilość jonów materiału rozpylanego jest zdolna do podtrzymania wyładowania, wyłącza się dopływ gazu roboczego, a wyładowanie jarzeniowe podtrzymuje się wyłącznie jonami materiału rozpylanego, przy czym magnetron zasila się impulsami, pomiędzy którymi występuje przerwa o czasie mniejszym niż czas zaniku plazmy.

2. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że magnetron zasila się impulsami o częstotliwości powyżej 60 kHz i współczynniku wypełnienia (δ) powyżej 70%.