PL221077B1

PL221077B1 - Sposób nanoszenia warstw w wielotargetowym układzie do rozpylania magnetronowego

Info

Publication number: PL221077B1
Application number: PL396389A
Authority: PL
Inventors: Jarosław Domaradzki; Danuta Kaczmarek; Bogdan Adamiak; Jerzy Dora; Sławomir Maguda
Original assignee: Politechnika Wroclawska
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2016-02-29
Also published as: PL396389A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób nanoszenia warstw w wielotargetowym układzie do rozpylania magnetronowego, w szczególności przeznaczony do wytwarzania warstw jednoskładnikowych lub wieloskładnikowych lub wielowarstw.

Znane są rozwiązania w technice nanoszenia warstw metodą rozpylania magnetronowego z zastosowaniem jednoczesnego rozpylania co najmniej dwóch targetów. Z opisu patentowego USA nr US6620299 znane są sposób i urządzenie do powlekania podłoży za pomocą dwubiegunowego impulsowego rozpylania magnetronowego. Urządzenie zawiera, co najmniej trzy magnetrony, z których każdy wyposażony jest w target i każdy podłączony jest do bipolarnego źródła zasilania impulsowego o częstotliwości od 10 kHz do 100 kHz. Magnetrony podłączane są do zasilaczy impulsowych za pośrednictwem modułu przełączającego, sterowanego przez oprogramowanie, przy czym, podczas nanoszenia warstwy, aktywne są co najmniej dwa magnetrony, z których w danej chwili jeden pracuje jako anoda, a drugi jako katoda. Rozwiązanie to stosowane jest do nanoszenia warstw izolacyjnych lub warstw o niewielkiej przewodności elektrycznej.

Znane z publikacji, np. Musil J., Baroch P., Vlcek J., Nam K.H., Han J.G., Reactive magnetron sputtering of thin films: prezent and trends, Thin Solid Films, Vol. 475, 2005, s. 208-218, lub Baroch P., Musil J., Vlcek J., Nam K.H., Han J.G., Reactive magnetron sputtering of TiO₂ film, Surf. Coat. Technol. Vol. 193, 2005, s. 107-111, urządzenia dwu-magnetronowe, w których zastosowano niezbalansowany układ magnetyczny, umożliwiający przemienne rozpylanie dwóch magnetronów (tzw. co-sputtering) z jednakową lub różną mocą. Sposób sterowania mocą dostarczoną do magnetronów w tych układach umożliwia wytwarzanie warstw lub wielowarstw, których skład materiałowy ograniczony jest do składu obu rozpylanych targetów oraz do rodzaju gazu roboczego.

Istota sposobu, według wynalazku polega na tym, że w jednym cyklu technologicznym w wyniku rozpylania co najmniej jednego targetu nanosi się na podłoża umieszczone na stoliku, co najmniej jedną warstwę materiału targetu i/lub produktów reakcji materiału targetu oraz gazu reaktywnego doprowadzanego wlotami do komory próżniowej. Podczas nanoszenia na podłoża, co najmniej jednej warstwy materiału targetu, układem sterowania steruje się mocą dostarczaną z zasilacza do co najmniej jednego magnetronu zasilanego impulsowo. Czas pracy każdego z magnetronów ustawia się indywidualnie za pomocą oddzielnego układu przełączającego z wykorzystaniem układu sterowania wyposażonego w sterownik mikroprocesorowy.

Korzystnie, na podłoża nanosi się co najmniej jedną warstwę materiału rozpylanego z co najmniej dwóch targetów i/lub produktów reakcji materiałów targetów z gazem reaktywnym, przy czym poszczególne magnetrony pracujące w układzie, zasila się jednocześnie i/lub sekwencyjnie, a mocą dostarczaną do poszczególnych magnetronów pracujących w układzie i zasilanych z oddzielnych zasilaczy, steruje się układem sterowania.

Korzystnie, podczas nanoszenia co najmniej jednej warstwy materiału poszczególne magnetrony pracujące w układzie zasila się wyprostowanym przebiegiem sinusoidalnym unipolarnym zmodulowanym prostokątnie o częstotliwości roboczej w zakresie od 1 kHz do 500 kHz, pogrupowanymi w paczki impulsów kwasi-prostokątnych, które powtarza się z częstotliwością przynajmniej o rząd mniejszą od częstotliwości roboczej, przy czym moc dostarczana do poszczególnych targetów zależy od częstotliwości powtarzania, czasu trwania oraz współczynnika wypełnienia paczki impulsów i jest ustawiana indywidualnie dla każdego z magnetronów.

Korzystnym jest również, gdy podczas nanoszenia co najmniej jednej warstwy materiału poszczególne magnetrony pracujące w układzie zasila się bipolarnymi impulsami sinusoidalnymi o częstotliwości roboczej w zakresie od 1 kHz do 500 kHz, pogrupowanymi w paczki impulsów kwasiprostokątnych, które powtarza się z częstotliwością przynajmniej o rząd mniejszą od częstotliwości roboczej, przy czym moc dostarczana do poszczególnych targetów zależy od częstotliwości powt arzania, czasu trwania oraz współczynnika wypełnienia paczki impulsów i jest ustawiana indywidualnie dla każdego z magnetronów.

Korzystnie, nanosi się co najmniej jedną warstwę materiału z co najmniej dwóch targetów i/lub produktów reakcji materiałów targetów z gazem reaktywnym, przy czym koncentrację materiałów w nanoszonej warstwie zmienia się poprzez zmianę mocy, którą dostarcza się do poszczególnych magnetronów pracujących w układzie.

Korzystnie, koncentrację materiałów w nanoszonej co najmniej jednej warstwie materiału nanoszonego na podłoże (PD), zmienia się liniowo lub nieliniowo.

PL 221 077 B1

Korzystnie, gęstość plazmy w pobliżu rozpylanego targetu zwiększa się poprzez umieszczenie przed magnetronami anody, najkorzystniej kołowej.

Sposób według wynalazku, umożliwia nanoszenie warstw o stałym lub gradientowym rozkładzie materiałów wchodzących w skład warstwy lub wielowarstwy, poprzez zasilanie jednego lub większej liczby magnetronów w sposób niezależny, przy czym moc dostarczana do poszczególnych magnetronów może być w czasie rozpylania stała lub zmienna liniowo lub zmienna nieliniowo według zadanej formuły a ponadto liczba pracujących magnetronów w czasie nanoszenia warstwy może być stała lub zmienna, a załączanie magnetronów odbywa się w dowolnej kolejności, jednocześnie lub sekwencyjnie. Sposób umożliwia wytwarzanie pojedynczych warstw metalicznych lub tlenkowych, które mogą być jedno lub wielkoskładnikowe, o stałym lub zmiennym rozkładzie domieszki, z których ponadto, mogą być tworzone układy wielowarstwowe. Warstwy i wielowarstwy wytworzone sposobem według wynalazku, charakteryzują się dobrym współczynnikiem osadzanego materiału do strumienia zanieczyszczeń pochodzących z tła atmosfery, co w konsekwencji daje warstwy o większej czystości w porównaniu do innych sposobów z wykorzystaniem rozpylania magnetronowego. Sposób pozwala również na rozpylanie targetów metalicznych jednoskładnikowych lub wieloskładnikowych lub targetów proszkowych, a wytwarzanie warstw może odbywać się z wykorzystaniem obojętnego gazu roboczego - argonu lub w obecności gazu reaktywnego tlenu lub azotu lub w mieszaninie gazowej złożonej z gazu obojętnego i reaktywnego w różnych proporcjach. Dodatkowo umieszczenie przed magnetronami kołowych anod, zwiększa gęstość plazmy w pobliżu rozpylanego targetu, co korzystnie wpływa na efektywność rozpylania targetów.

Przedmiot wynalazku objaśniony jest w przykładzie wykonania i uwidoczniony jest na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia wielotargetowy układ do rozpylania magnetronowego, fig. 2 - charakterystyki jednoczesnego zasilania układu dwóch magnetronów podczas nanoszenia warstwy materiału dwuskładnikowego o stałym rozkładzie materiałów w warstwie, fig. 3 - charakterystyki jednoczesnego zasilania układu dwóch magnetronów podczas nanoszenia warstwy trzyskładnikowej o stałym rozkładzie materiałów w warstwie, fig. 4 - charakterystyki jednoczesnego zasilania układu dwóch magnetronów podczas nanoszenia warstwy dwuskładnikowej o rosnącym rozkładzie jednego materiału w warstwie, a fig. 5 - charakterystyki jednoczesnego zasilania układu dwóch magnetronów podczas nanoszenia warstwy dwuskładnikowej rosnącym liniowo rozkładzie jednego materiału i malejącym liniowo rozkładzie drugiego materiału w warstwie.

P r z y k ł a d 1

Sposób nanoszenia warstw w wielotargetowym układzie do rozpylania magnetronowego polega na tym, że w jednym cyklu technologicznym w wyniku rozpylania dwóch targetów T wykonanych z różnych materiałów, nanosi się na podłoża PD umieszczone na stoliku ST, jedną warstwę materiału targetu. Podczas nanoszenia na podłoża PD warstwy, układem sterowania S steruje się mocą dostarczaną z dwóch zasilaczy Z₁, Z₂ do dwóch magnetronów M₁, M₂ zasilanych impulsowo, przy czym poszczególne magnetrony M₁, M₂ pracujące w układzie, zasila się jednocześnie i sekwencyjnie, wyprostowanym przebiegiem sinusoidalnym unipolarnym o częstotliwości roboczej 1 kHz, pogrupowanym w paczki impulsów kwasi-prostokątnych, które powtarza się z częstotliwością 100 Hz. Całkowita moc P dostarczana do poszczególnych targetów T zależy od częstotliwości powtarzania, czasu trwania At oraz współczynnika wypełnienia paczki impulsów i jest ustawiana indywidualnie dla każdego z magnetronów M₁, M₂, przy czym moc P dostarczana jest do pierwszego magnetronu M₁, paczką impulsów o czasie trwania t równym połowie czasu powtarzania unipolarnych paczek impulsów At, jest stała i wynosi 50% mocy efektywnej pierwszego zasilacza Z₁, zaś do drugiego magnetronu M₂ moc P dostarczana jest paczką impulsów o czasie trwania t równym ćwierci czasu powtarzania unipolarnych paczek impulsów At, jest stała i wynosi 25% mocy efektywnej drugiego zasilacza Z₂. Czas powtarzania unipolarnych paczek impulsów At wynosi 1 ms. Ponadto gęstość plazmy w pobliżu rozpylanego targetu T zwiększa się poprzez umieszczenie przed magnetronami M₁, M₂ kołowej anody A.

P r z y k ł a d 2

Sposób nanoszenia warstw w wielotargetowym układzie do rozpylania magnetronowego przebiega jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że w jednym cyklu technologicznym w wyniku rozpylania trzech targetów T, z których każdy wykonany jest z innego materiału, nanosi się na podłoża PD umieszczone na stoliku ST, jedną warstwę materiału targetu. Podczas nanoszenia na podłoża PD warstwy, układem sterowania S steruje się mocą dostarczaną z trzech zasilaczy Z₁, Z₂, Z₃ do trzech magnetronów M₁, M₂, M₃ zasilanych impulsowo paczką impulsów o takim samym czasie trwania i takiej samej mocy P, o czasie trwania t równym ćwierci czasu powtarzania unipolarnych paczek im4

PL 221 077 B1 pulsów At, przy czym moc P dostarczana paczką impulsów wynosi 25% mocy efektywnej zasilaczy Z₁, Z₂, Z₃, a czas powtarzania unipolarnych paczek impulsów At wynosi 400 ms.

P r z y k ł a d 3

Sposób nanoszenia warstw w wielotargetowym układzie do rozpylania magnetronowego przebiega jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że moc P dostarczana jest do pierwszego magnetronu M1, paczką impulsów o czasie trwania t równym połowie czasu powtarzania unipolarnych paczek impulsów At, jest stała i wynosi 50% mocy efektywnej pierwszego zasilacza Z1, zaś do drugiego magnetronu M₂ moc P dostarczana jest paczkami impulsów o rosnącym liniowo czasie trwania t paczek impulsów, przez co zmienia się koncentrację materiałów w warstwie nanoszonej na podłoża PD. Czas powtarzania unipolarnych paczek impulsów At wynosi 250 ms poprzez zmianę mocy.

P r z y k ł a d 4

Sposób nanoszenia warstw w wielotargetowym układzie do rozpylania magnetronowego przebiega jak w przykładzie pierwszym albo trzecim z tą różnicą, że moc P dostarczana do pierwszego magnetronu M1, jest paczkami impulsów bipolarnych o malejącym liniowo czasie trwania t, zaś do drugiego magnetronu M₂ moc P dostarczana jest paczką impulsów o rosnącym liniowo czasie trwania t paczek impulsów. Czas powtarzania unipolarnych paczek impulsów At wynosi 350 ms.

P r z y k ł a d 5

Sposób nanoszenia warstw w wielotargetowym układzie do rozpylania magnetronowego przebiega jak w przykładzie pierwszym albo trzecim z tą różnicą, że na podłoża PD nanosi się warstwę materiału rozpylanego z targetów T i produktów reakcji materiału targetów z gazem reaktywnym, który doprowadza się wlotami W do komory próżniowej K, przy czym poszczególne magnetrony M₁, M₂pracujące w układzie, zasila się wyprostowanym przebiegiem sinusoidalnym unipolarnym o częstotliwości roboczej 500 kHz, pogrupowanym w paczki impulsów kwasi-prostokątnych, które powtarza się z częstotliwością 10 Hz.

Claims

1. Sposób nanoszenia warstw w wielotargetowym układzie do rozpylania magnetronowego polegający na rozpylaniu targetów, znamienny tym, że w jednym cyklu technologicznym w wyniku rozpylania co najmniej jednego targetu (T) nanosi się na podłoża (PD) umieszczone na stoliku (ST), co najmniej jedną warstwę materiału targetu i/lub produktów reakcji materiału targetu i gazu reaktywnego doprowadzanego wlotami (W) do komory próżniowej (K), przy czym podczas nanoszenia na podłoża (PD), co najmniej jednej warstwy materiału targetu, układem sterowania (S) steruje się mocą dostarczaną z zasilacza (Z₁, Z₂, Z₃, ..., Z_n) do co najmniej jednego magnetronu (M₁, M₂, M₃, ..., M_n) zasilanego impulsowo, natomiast czas pracy każdego z magnetronów (M₁, M₂, M₃, ..., M_n) ustawia się indywidualnie za pomocą oddzielnego układu przełączającego z wykorzystaniem układu sterowania (S) wyposażonego w sterownik mikroprocesorowy.

2. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że na podłoża (PD) nanosi się co najmniej jedną warstwę materiału rozpylanego z co najmniej dwóch targetów (T) i/lub produktów reakcji materiałów targetów z gazem reaktywnym, przy czym poszczególne magnetrony (M₁, M₂, M₃, ..., M_n) pracujące w układzie, zasila się jednocześnie i/lub sekwencyjnie, a mocą dostarczaną do poszczególnych magnetronów (M₁, M₂, M₃, ..., M_n) pracujących w układzie i zasilanych z oddzielnych zasilaczy (Z₁, Z₂, Z₃, ..., Zn), steruje się układem sterowania (S).

3. Sposób, według zastrz. 2, znamienny tym, że podczas nanoszenia co najmniej jednej warstwy materiału poszczególne magnetrony (M₁, M₂, M₃, ..., M_n) pracujące w układzie zasila się wyprostowanym przebiegiem sinusoidalnym unipolarnym o częstotliwości roboczej w zakresie od 1 kHz do 500 kHz, pogrupowanym w paczki impulsów kwasi-prostokątnych, które powtarza się z częstotliwością przynajmniej o rząd mniejszą od częstotliwości roboczej, przy czym moc (P) dostarczana do poszczególnych targetów (T) zależy od częstotliwości powtarzania, czasu trwania (At) oraz współczynnika wypełnienia paczki impulsów i jest ustawiana indywidualnie dla każdego z magnetronów (M1, M2, M3, Mn).

4. Sposób, według zastrz. 2, znamienny tym, że podczas nanoszenia co najmniej jednej warstwy materiału poszczególne magnetrony (M1, M2, M3, ..., Mn) pracujące w układzie zasila się bipolarnymi impulsami sinusoidalnymi o częstotliwości roboczej w zakresie od 1 kHz do 500 kHz, pogrupowanymi w paczki impulsów kwasi-prostokątnych, które powtarza się z częstotliwością przynajmniej

PL 221 077 B1 o rząd mniejszą od częstotliwości roboczej, przy czym moc (P) dostarczana do poszczególnych targetów (T) zależy od częstotliwości powtarzania, czasu trwania (Δΐ) oraz współczynnika wypełnienia paczki impulsów i jest ustawiana indywidualnie dla każdego z magnetronów (M1, M2, M3, ..., Mn).

5. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że nanosi się co najmniej jedną warstwę materiału z co najmniej dwóch targetów (T) i/lub produktów reakcji materiałów targetów z gazem reaktywnym, przy czym koncentrację materiałów w nanoszonej warstwie zmienia się poprzez zmianę mocy, którą dostarcza się do poszczególnych magnetronów (M1, M2, M3, ..., Mn) pracujących w układzie.

6. Sposób, według zastrz. 5, znamienny tym, że koncentrację materiałów w nanoszonej co najmniej jednej warstwie materiału nanoszonego na podłoże (PD), zmienia się liniowo.

7. Sposób, według zastrz. 5, znamienny tym, że koncentrację materiałów w nanoszonej co najmniej jednej warstwie materiału nanoszonego na podłoże (PD) zmienia się nieliniowo.

8. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że gęstość plazmy w pobliżu rozpylanego targetu (T) zwiększa się poprzez umieszczenie przed magnetronami (M1, M2, M3, ..., Mn) anody (A), korzystnie kołowej.