PL235123B1

PL235123B1 - Method of limiting micro arc discharges in the magnetron sputtering process

Info

Publication number: PL235123B1
Application number: PL426373A
Authority: PL
Inventors: Piotr Mrozek
Original assignee: Politechnika Bialostocka
Priority date: 2018-07-18
Filing date: 2018-07-18
Publication date: 2020-06-01
Also published as: PL426373A1

Abstract

Istotą wynalazku jest sposób zapobiegania mikrowyładowaniom łukowym w mniej intensywnie rozpylanych strefach targetu poprzez zastosowanie izolujących nakładek ceramicznych, ulokowanych na powierzchni targetu w tych strefach. Na powierzchni targetu zastosowano izolujące nakładki ceramiczne w postaci pierścienia ceramicznego (4) oraz krążka ceramicznego (5).The essence of the invention is a method of preventing microarcing in less intensively sputtered target zones by using insulating ceramic pads located on the target surface in these zones. On the surface of the target, insulating ceramic overlays in the form of a ceramic ring (4) and a ceramic disc (5) were used.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób ograniczania mikrowyładowań łukowych w procesie rozpylania magnetronowego, obejmuje zagadnienia z dziedziny nauk technicznych w dyscyplinie budowa i eksploatacja maszyn.The subject of the invention is a method of limiting micro-arc discharges in the process of magnetron sputtering, it covers issues from the field of technical sciences in the discipline of construction and operation of machines.

Obecność mikrowyładowań łukowych w procesie nanoszenia cienkich warstw metodą rozpylania magnetronowego jest przyczyną powstawania defektów w osadzanych warstwach. Krater, który tworzy się w powierzchni targetu na skutek oddziaływania plamki łuku elektrycznego jest zazwyczaj źródłem mikrokropli roztopionego materiału targetu, które uszkadzają nanoszoną na podłożu cienką warstwę. Prawdopodobieństwo wystąpienia łuku na katodzie magnetronowego urządzenia rozpylającego jest stosunkowo wysokie w przypadku procesu reaktywnego, podczas którego nanoszona jest cienka warstwa związku dielektrycznego, np. w procesie osadzania warstw azotku glinu AlN w wyniku rozpylania magnetronowego metalicznego targetu Al w obecności gazu reaktywnego N2. Zasilanie ujemnie spolaryzowanym napięciem stałym targetu (katody) magnetronu pokrytego związkiem dielektrycznym skutkuje naładowaniem elektrycznym powierzchni targetu strumieniem jonów dodatnich. Tworzący się powierzchniowy ładunek dodatni odpycha następne jony docierające do targetu i jednocześnie działa jak dodatnio naładowana okładka płaskiego kondensatora, którego drugą okładkę tworzy metaliczny target. Okładki są od siebie oddzielone cienką warstwą dielektryka, osadzanego na powierzchni targetu magnetronu. Przy wzroście napięcia powyżej wartości wytrzymałości elektrycznej dielektryka następuje wyładowanie łukowe. Zastosowanie zasilania urządzeń magnetronowych napięciem zmiennym (impulsowym) średniej częstotliwości (10-100 kHz) jest obecnie jedną z najczęściej stosowanych znanych metod ograniczenia występowania mikrowyładowań łukowych. W wyniku zastosowania zasilaczy impulsowych średniej częstotliwości ruch ładunków elektrycznych w plazmie wyładowania jarzeniowego nadąża za zmianami pola elektrycznego, co wpływa znacząco na wzrost i zmiany koncentracji jonów w obszarze target-podłoże. Polaryzowanie materiału rozpylanego na katodzie ograniczonymi czasowo, krótkimi impulsami ma za zadanie nie dopuścić do osiągnięcia stanu naładowania warstwy, powodującego powstanie wyładowania łukowego. W optymalnych warunkach czas impulsu ładowania się powierzchni do chwili przebicia nie przekracza ok. 100 mikrosekund. To oznacza, że częstotliwość pracy zasilacza powinna być większa niż ok. 10 kHz.The presence of micro-arc discharges in the process of applying thin layers using the magnetron sputtering method is the cause of defects in the deposited layers. The crater that forms in the target surface as a result of the action of the arc spot is usually the source of microdroplets of the molten target material that damage the thin layer applied to the substrate. The probability of an arc occurring at the cathode of a magnetron sputtering device is relatively high in a reactive process in which a thin layer of dielectric compound is deposited, e.g. in the process of depositing AlN aluminum nitride layers by magnetron sputtering a metallic target Al in the presence of a reactive gas N2. Supplying the target (cathode) with a magnetron coated with a dielectric compound with a negatively polarized DC voltage results in an electric charge of the target surface with a stream of positive ions. The formed positive surface charge repels the next ions reaching the target and at the same time acts as a positively charged cover of a flat capacitor, the second cover of which is formed by a metallic target. The covers are separated from each other by a thin layer of dielectric deposited on the surface of the magnetron target. When the voltage rises above the electric strength of the dielectric, an arcing occurs. The use of powering magnetron devices with alternating (pulsed) voltage of medium frequency (10-100 kHz) is currently one of the most commonly used known methods of reducing the occurrence of micro-arcs. As a result of the use of switching medium frequency power supplies, the movement of electric charges in the plasma of a glow discharge follows the changes in the electric field, which significantly influences the growth and changes in the concentration of ions in the target-substrate area. Polarization of the material sprayed on the cathode with short and time-limited pulses is designed to prevent the layer from reaching the state of charge, causing the arcing. Under optimal conditions, the time of the surface charging impulse to breakdown does not exceed approx. 100 microseconds. This means that the operating frequency of the power supply should be greater than approx. 10 kHz.

Praca urządzenia rozpylającego w tzw. „modzie metalicznym” przy stosunkowo wysokim stężeniu gazu reaktywnego z zastosowaniem wysokiej mocy impulsów powoduje rozpylenie osadzającej się na targecie warstwy dielektrycznej w obszarze najintensywniej trawionym strumieniem jonów. W „modzie metalicznym” impulsowe zasilanie urządzenia zapobiega wzrostowi warstwy dielektrycznej i gromadzeniu w niej ładunku w szybko rozpylanej strefie targetu. Warunki, które są optymalne pod względem zapobiegania wyładowaniom łukowym w intensywnie trawionym obszarze targetu, nie zawsze są wystarczające na pozostałej części powierzchni targetu. W obszarach rozpylanych mniej intensywnie (w centrum i na obrzeżach targetu) istnieje niebezpieczeństwo wystąpienia wyładowań łukowych z uwagi na osadzającą się i nieusuwaną w procesie roboczym warstwę dielektryka, na powierzchni której gromadzi się ładunek dodatni.The operation of the spraying device in the so-called "Metallic mode" at a relatively high concentration of the reactive gas with the use of high pulse power causes the sputtering of the dielectric layer deposited on the target in the area of the most intensively etched ion stream. In the "metallic mode", the pulsed power supply of the device prevents the dielectric layer from growing and accumulating a charge in it in the rapidly sputtering target zone. The conditions that are optimal for preventing arcing in the intensely etched area of the target are not always sufficient for the remainder of the target surface. In the less intensively sprayed areas (in the center and on the edges of the target) there is a risk of arcing due to the dielectric layer deposited and not removed in the working process, on the surface of which a positive charge accumulates.

Istotą wynalazku jest sposób zapobiegania mikrowyładowaniom łukowym w mniej intensywnie rozpylanych strefach targetu poprzez zastosowanie izolujących nakładek ceramicznych, ulokowanych na powierzchni targetu w tych strefach. Zadaniem nakładek jest zmniejszenie wartości natężenia pola elektrycznego pomiędzy metaliczną powierzchnią targetu a warstwą naładowanego ładunkiem jonów dielektryka przez zwiększenie odległości pomiędzy tymi dwiema powierzchniami. Dzięki zmniejszeniu natężenia pola między okładkami tak tworzonego kondensatora unika się niebezpieczeństwa przebicia elektrycznego warstwy izolatora i powstania mikrowyładowania łukowego.The essence of the invention is a method of preventing micro-arcing in less intensely sprayed zones of the target by using insulating ceramic overlays located on the surface of the target in these zones. The purpose of the pads is to reduce the electric field strength between the metallic surface of the target and the layer of charged dielectric ions by increasing the distance between these two surfaces. Due to the reduction of the field strength between the plates of the capacitor formed in this way, the risk of electric breakdown of the insulator layer and the creation of micro-arcing is avoided.

W przykładzie wykonania wykorzystano magnetronowe urządzenie rozpylające WMK50 (WMEiF Politechnika Wrocławska) o kształcie kołowym zainstalowane w komorze napylarki próżniowej NAL301 i zasilane impulsowo z zasilacza DPS-10 (Wyrób Elektronicznej Aparatury Laboratoryjnej J. Dora, Wrocław). W skład magnetronowego urządzenia wchodzą: 1 - korpus urządzenia WMK50, 2 - target kołowy (katoda), 3 - anoda cylindryczna, 4 - pierścień ceramiczny, 5 - krążek ceramiczny.In the example, a circular-shaped magnetron sputtering device WMK50 (WMEiF Wrocław University of Technology) was used, installed in the chamber of the NAL301 vacuum sputtering machine and impulse-powered from the DPS-10 power supply (Product of Electronic Laboratory Apparatus J. Dora, Wrocław). The magnetron device consists of: 1 - WMK50 device body, 2 - circular target (cathode), 3 - cylindrical anode, 4 - ceramic ring, 5 - ceramic disk.

Target urządzenia WMK50 o średnicy 50 mm przykryto w obrębie stref o niewielkiej intensywności rozpylania ceramicznym pierścieniem o średnicy zewnętrznej 50 mm i wewnętrznej 45 mm oraz krążkiem o średnicy 15 mm. Elementy wykonano z płytki AI2O3 o grubości 2 mm. Elementy ceramiczne umiejscowiono w płytkich na ok. 0,5 mm zagłębieniach wykonanych w targecie, uniemożliwiając ich przypadkowe przemieszczenie podczas pracy. Materiał ceramiczny charakteryzował się odpornościąThe target of the WMK50 device with a diameter of 50 mm was covered within the zones of low atomization intensity with a ceramic ring with an outer diameter of 50 mm and an inner diameter of 45 mm, and a disc with a diameter of 15 mm. The elements are made of a 2 mm thick AI2O3 plate. Ceramic elements are placed in shallow, about 0.5 mm recesses made in the target, preventing their accidental displacement during operation. The ceramic material was resistant

PL235 123 Β1 na wysoką temperaturę i szoki termiczne oraz wysokimi właściwościami izolacyjnymi. W procesie rozpylania magnetronowego targetu aluminiowego wykorzystano środowisko mieszaniny gazu reaktywnego i szlachetnego (N2 +Ar) o ciśnieniu całkowitym 5 · 10 ³ hPa i mocy wyładowania jarzeniowego 2 kW. W procesie reaktywnego rozpylania magnetronowego z wykorzystaniem proponowanych nakładek zaobserwowano znaczący spadek liczby mikrowyładowań łukowych w obszarach z umiejscowionymi nakładkami ceramicznymi, w stosunku do procesu prowadzonego w takich samych warunkach, ale bez proponowanych nakładek.PL235 123 Β1 for high temperature and thermal shocks as well as high insulating properties. In the process of magnetron sputtering of an aluminum target, a mixture of reactive and noble gas (N2 + Ar) with a total pressure of 5 · 10 ³ hPa and a glow discharge power of 2 kW was used. In the reactive magnetron sputtering process with the use of the proposed overlays, a significant decrease in the number of micro-arcs in areas with placed ceramic overlays was observed, compared to the process carried out under the same conditions, but without the proposed overlays.

Claims

Patent claims

1. A method of limiting micro-arcs in the magnetron sputtering process, characterized in that insulating ceramic overlays in the form of a ceramic ring (4) and a ceramic disc (5) are applied on the target surface.

2. The method of limiting micro-arcing according to claim A method as claimed in claim 1, characterized in that the ceramic ring (4) has an outer diameter of 50 mm and an inner diameter of 45 mm and the ceramic disc (5) has a diameter of 15 mm.