SE529375C2 - Anordning för förbättrad plasmaaktivitet i PVD-reaktorer - Google Patents

Description

Föreliggande uppfinning avser en anordning för att åstadkomma förbättrad plasmaaktivitet iPVDreaktorer. P.g.a. ökande plasmadensitet möjliggör uppfinningen operation av sputtersetsning vid mycket lägre tryck än vad som annars är möjligt i en PVD-beläggningskammare för magnetronsputtring. Så, gasfasspridning undviks och problem med återdeponering och kontaminering av sputtringsrengjorda ytor av 3-D-föremål är eliminerade. Uppfinningen tillåter sputtersetsning av substrat i ett magnetronsputtringssystem vid bias-värden lämpliga för att undvika kollisionsskador.

Modern högproduktiv spånformande bearbetning av metaller kräver pålitliga verktygsskär med hög slitstyrka, goda seghetsegenskaper och utomordentligt motstånd mot plastisk deformation.

Detta har hittills uppnåtts genom att använda hårdmetallskär belagda med slitstarka skikt såsom TiN, TixAlyN, CrxAlyN och AI2O3. Sådana skikt har varit kommersiellt tillgängliga i många år. Flera hårda skikt i en multiskiktstruktur bygger vanligtvis upp en beläggning. Ordningsföljden och tjockleken av de individuella skikten är noggrant valda för att passa olika skärapplikationsområden och arbetstyckematerial.

Beläggningarna är oftast utfällda med teknikerna kemisk ångdeponering (CVD), medeltemperatur-CVD (MTCVD) eller fysisk ångdeponering (PVD). CVD-skikt är vanligtvis utfällda vid en temperatur mellan 900 och 1000 °C och MTCVD vid 700-800 med användning av acetonitril, CH3CN,- som reaktant. Fördelarna med CVD är god vidhäftning, att relativt tjocka skikt kan växa och möjlighet att utfälla isolerande skikt såsom Al203.

PVD avser ett antal metoder där metallånga tillhandahålls i en lämplig atmosfär för att bilda den önskade föreningen som ska utfällas genom termisk förångning, sputtring, jonplätering, bågförångning etc. vid en temperatur av 100-700"C. Med PVD, kan många fler material utfällas än med CVD, och skikten har tryckspänningar i motsats till dragspänningar som i CVD-skikt. Den låga beläggningstemperaturen förorsakar å andra sidan problem med vidhäftningen av skikten. Av det skälet involverar beläggningen av substrat med PVD-teknik vanligtvis åtskilliga rengöringssteg.

Substraten är vanligtvis förbehandlade innan de går in i PVD reaktorn genom användning av t.ex. blästring, våtetsning och/eller rengörning i lösningsmedel. Omedelbart före beläggning, inkluderas oftast ett sputtringsetsningssteg i vakuum för att ytterligare rengöra substratet från fukt, naturligt förekommande oxider och andra föroreningar som inte avlägsnats under förbehandlingssteget. Etsningssteget utförs vanligen genom att tillhandahålla plasma vid ett tryck i intervallet 0.2-1.0 Pa i reaktorn. Genom att applicera en negativ bias på substraten bombarderar joner från denna plasma dessa och då rengörs ytorna därav. Biåsen bör vara tillräckligt hög för att sputteretsa substraten, men inte tillräckligt hög för att skada ytan. Typiska biasvärden är approx -2 00V, medan värden under -500V börjar förorsaka strålningsskador genom jonkollision. Plasman är vanligtvis genererad genom en elektrisk urladdning i en ädelgasatmosfär, t.ex. Ar, inutiPVD-reaktorn. En låg plasmaaktivitet i detta steg kan leda till ofullbordad etsning, anisotropisk etsning och/eller återdeponering av sputtrat material. Mer återdeponering medför högre Ar tryck under etsning. Detta beror på det faktum att när den fria medelvägen för gasmolekyler krymper ökar sannolikheten att gasfasspridning och ett moln av etsat material är därmed sannolikt att återdeponeras och kontaminerar ytan igen. Återdeponering och anisotropisk etsning är speciellt en angelägenhet vid arbete med tredimensionella strukturer där delar därav blir 'skuggade' från plasman; det vill säga ytor som inte har huvudplasman i direkt synlinje.

Sputteretsning kan erhållas på olika sätt. En möjlighet är att tända plasma i en Ar atmosfär med användning av en varm W glödtråd (GB-A-2049560). Andra mer kemiskt reaktiva gaser (t.ex. H2och fluorkolväten) kan även vara närvarande för att förstärka processen. Den termiska glödtråden bör vara skyddad från plasma eftersom den annars också kommer att bli etsad. Detta åstadkommes genom att placera glödtråden i en separat glödtrådkammare. Elektronerna måste i detta fall accelereras ut ur denna kammare genom en anod belägen i den motsatta delen därav. Elektronerna som korsar kammaren joniserar Ar gasen i vars plasma är homogent distribuerad och kan därför användas för att sputteretsa substraten. Elektronkanalen genom hela höjden av kammaren måste avledas radiellt med användning av stora magnetiska spolar lokaliserade på toppen och botten av reaktorn. Tekniken är ganska komplicerad och fordrar en hög grad av kontroll för att distribuera plasman jämnt över substraten. En fördel med metoden ovan är att etsningen kan utföras vid lågt tryck, ungefär 0.2 Pa, som reducerar problemen med återdeponering.

En elegant alternativ väg för att bilda homogen sputter-etsningsplasma utan rigorösa kontroller är att applicera en alternerande spänning mellan substraten och en motelektrod (WO 97/22988) . Motelektroden kan vara en magnetronkälla som även används i beläggningsprocessen, som följer etsningsprocessen. De elektriska förbindelserna är schematiskt visade i figur 3 tillsammans med föreliggande uppfinning. Den tidigare kända tekniken består av en strömkrets bestående av substraten (3), strömförsörjningen (8), och magnetronkällan (2). Denna metod fungerar tämligen väl vid tryck över 0.8 Pa, men vid detta höga tryck ses tyvärr återdeponering av etsat material ofta på verkligt 3-dimensionella substrat. Det höga tryck som behövs för operation av den elektriska urladdningen nödvändig för att generera etsningsplasman beror på den låga joniseringsgraden sedd inom magnetron sputteringsteknologin. Dessutom används tyvärr värdefullt sputtermaterial för sputterrengöring.

I US 5,294,322 är det beskrivet hur en bågurladdning täckt av en slutare kan användas som en lågspänningselektronkälla. Återigen samlas elektronerna vid en anod. När elektronerna passerar beläggningskammaren genereras joner av en ädelgas genom elektron-atom kollisioner och en separat strömkälla används för att accelerera dessa joner mot substraten. Nackdelen är att antingen måste en separat dedikerad arckälla användas för elektron-generering, vilket stjäl värdefull kammarväggyta, eller så kan en avskärmad beläggningskälla användas i vilket fall värdefullt beläggningsmaterial förloras i ett sputteretsningsrengöringssteg.

Det är därför ett ändamål med föreliggande uppfinning att tillhandahålla en anordning och en metod för ökning av plasmaintensiteten under sputteretsning av substraten men att bibehålla teknologin enkel.

Figurerna är schematiska representationer av magnetron-beläggningssystemet enligt uppfinningen i sidvy (figur 1), toppvy (figur 2), och de elektriska kopplingarna enligt en representation av uppfinningen (figur 3) där 1 - Reaktorvägg 2 - Magnetron (elektrod) 3 - Substrat att belägga 4 - Glödtråd - Bur 6 - Strömkälla för att accelerera elektroner ut från den varma glödtråden 7 - Strömkälla kopplad till den varma glödtråden 8 - Strömkälla för att bilda den primära plasman Föreliggande uppfinning avser så en anordning för förbättrad plasmaaktivitet i en PVD-reaktor innehållande substrat som ska beläggas. Enligt föreliggande uppfinning tänds en primär plasma genom att använda en växel- eller likspänning mellan substraten och ytterligare en elektrod.Elektroden kan vara åtminstone en separat dedikerad elektrod, reaktorväggen, åtminstone en PVD-beläggningskälla, magnetron- och/eller arckälla, som beskrivs i WO 97/22988 eller företrädesvis åtminstone ett magnetron par eller ett dubbel magnetronsputtrings-(DMS)-par.DMS-teknologin består av två magnetronsputtringskällor förbundna till en bipolär pulsad strömkälla. För att öka plasmaaktiviteten genom termisk emission av elektroner, installeras en varm glödtråd i reaktorn, företrädesvis centralt längs den symmetriska axeln förlängd från topp till botten av reaktorn. Med glödtråd menas någon lämplig design såsom tråd, mesh, band eller liknande. Glödtråden är helst spiralformad eller på annat sätt konstruerad för att tillåta termisk expansion/krympning.Glödtråden är helst tillverkad från effektiva elektron-emitterande material såsom W, toriumbelagd W eller en belagd tråd, där beläggningen är en effektiv elektronemitter såsom sällsynta jordartsoxider, nanorör av kol, bariumoxider etc.Glödtråden kan ha formen av en lång glödtråd eller som flera kortare glödtrådar förbundna antingen i serie eller parallellt eller kombinationer därav. Antingen lik- eller växelström eller kombinationer därav kan användas för uppvärmning av glödtråden. Glödtråden är företrädesvis belägen i centrum av reaktorn och elektronerna är jämnt distribuerade i z-riktningen (höjd-axel) av reaktorn. För att garantera en effektiv emission av elektroner från glödtråden såväl som en god radiell fördelning, kan en likström eller bipolär spänning appliceras mellan glödtråden som en katod och en motsvarande anod. Denna anod kan vara reaktorväggen, en eller flera separata elektroder, eller en eller flera av elektroderna som används för att generera den primära plasman. Elektronerna genererar plasma när dessa passerar det utrymmet som skiljer katodglödtråden och anoden, vilket ger en ökning i Ar-jonisering i processen. Denna förbättrade plasmadensitet möjliggör sputteretsning vid mycket lägre tryck i intervallet 0.1-0.2 Pa än vad som annars är möjligt i ett magnetronbeläggningssystem. Den ökade joniseringen möjliggör operation av sputteretsning vid ett substratbiasvärde omkring -200 V, vilket ger mindre jonkollisionsskador än för tidigare kända teknologier för magnetronsputtringssystem.

Glödtråden utsätts för plasman och eroderar så med tiden. Beroende på detta, måste glödtråden antingen ersättas som rutin, eller skyddas av en bur omfattande t.ex. en metallcylinder, en mesh, eller metallstänger som omger glödtrådarna men med små skåror från vilka de utsända elektronerna kan accelereras ut in i plasman. Potentialen hos buren är i området från potentialen av den varma glödtråden till potentialen av den lämpliga anoden.

Anordningen enligt uppfinningen är speciellt användbar i ett magnetronsputtringssystem.

Uppfinningen avser även användning av anordningen för att förstärka plasmaaktiviteten för användning vid sputteretsning före beläggning med skikt på skär tillverkade av hårdmetall, snabbstål, cermets, keramik, kubisk bornitrid eller metaller såsom stål, såväl som beläggning av metalltrådar, stänger och band speciellt skär tillverkade av hårdmetall, snabbstål, cermets, keramik eller kubisk bornitrid.

EXEMPEL 1 tidigare känd teknik Sputteretsning av hårdmetallskär utfördes enligt systemet beskrivet i WO 97/22988. En plasma tändes vid ett moderat tryck av 0.8 Pa och en substrat-källa-spänning av 800V, som var den minimala spänningen för att utföra etsningen. En ström genom substraten av 2A erhölls. Denna substratström begränsades av jondensiteten som har sin grund i användningen av en magnetron som motelektrod. Strömmen var, dessutom, relaterad till effekten av laddade joner och var därför ett mått på etsningen. Substraten visade efter denna sputter-etsningsprocedur tecken på återdeponering på skuggade ytor. Spänningen som krävdes för att utföra urladdningen var tillräckligt hög för att riskera kollisionsskador på substraten.

EXEMPEL 2 uppfinning Exempel 1 upprepades med användning av systemet som beskrivits ovan men med tillsatsen av en centralt belägen varm W-glödtråd, som indikerats i figur 2. Vid uppvärmning av glödtråden med 11A och applicering av en spänning av 360V mellan glödtråd (katod) och reaktorväggen (anod) erhölls etsning vid 0.2 Pa. Med en substrat - Ti-motelektroder(magnetronkällor)-spänning av 200V mättes en substrat ström av 7A. Denna spänning var inte den minimala etsningsspänningen som krävdes men vald som ändamålsenlig. Substraten var klart mer och djupare etsade och visade inga tecken på återdeponering, inte heller på mycket skuggade ytor.

Så, vid etsning enligt föreliggande uppfinning uppnås en mer effektiv etsning, vid en lägre substratspänning som innebär mindre kollisionsskador och vid ett lägre tryck och då eliminering av återdeponering.

EXEMPEL 3 Skären från exempel 1 och 2 var, omedelbart efter etsningen belagda med ett 1,6 um tjock skikt av AI2O3med användning av en standardbeläggningsprocess:DMSmed användning av två par av magnetroner utrustade med Al-källor. Ett bakgrundstryck av 0.23 Pa Ar upprätthölls för urladdningar av sputtringsgas som kördes vid 40 kW vardera. Syrereaktiv gas tillsattes vid 2 x 30 sccm och kontrollerad genom en krets för återföring av strålning. Detta resulterade i kristallina aluminiumoxidskikt. De två grupperna av skär utvärderades i ett svarvtest i rostfritt stål, med målet att fastställa vidhäftningen av beläggningarna. Resultaten indikerade att skären etsade enligt tidigare känd teknik uppvisade omfattande flagning medan skären etsade enligt uppfinningen visade mindre flagning och färre tecken av förslitning.

Claims (5)

1. Anordning för att förbättra plasmaaktiviteten vid sputteretsning före beläggning, i enPVD -reaktor, innehållande substrat (3) som ska beläggas med skikt, där en primär plasma uppstår genom en lik- eller växelspänning anlagd mellan substrat (3) och åtminstone ytterligare en elektrod, som kan vara något av en separat dedikerad elektrod (2), reaktorväggen, åtminstone en PVD-beläggningskälla, magnetron och/eller arckälla, ett magnetronpar eller ett dubbel magnetronsputtringspar, där anordningen ytterligare omfattar en termisk emitter i form av en varm glödtråd (4) i formen av en lång glödtråd eller som flera kortare glödtrådar fö rbundna antingen i serie eller parallellt eller kombinationer därav, värmd av antingen lik-eller växelström eller kombinationer därav, kännetecknad av att den varma glödtråden (4) är belägen väsentligen längs symmetriaxeln i reaktorn som sträcker sig från topp till botten där den varma glödtråden (4) är en katod och reaktorväggen (1) är en anod.

2. Anordning enligt krav lkännetecknadav att glödtråden (4) är antingen W, toriumbelagd W eller någon belagd tråd där beläggningen är en effektiv elektronemitter, såsom sällsynta jordartsoxider eller nanorör av kol.

3. Anordning enligt något av föregående krav kännetecknad av att den varma glödtråden (4) är skyddad av en kammare eller en bur (5) med små öppningar från vilka de utsända elektronerna kan fly, och där kammaren eller buren har en potential i området från potentialen för den varma glödtråden till potentialen för den motsvarande anoden.

4. Anordning enligt något av föregående krav kännetecknad av attPVD -beläggningssystemet är ett magnetronsputtringssystem.

5. Användning av anordningen enligt något av föregående krav i en PVD-reaktor för att åstadkomma förbättrad plasmaaktivitet vid sputteretsning före beläggning med skikt på skär tillverkade av hårdmetall, snabbstål, cermets, keramik, kubisk bornitrid eller metaller såsom stål, såväl som beläggning av metalltrådar, stänger och band, företrädesvis skär tillverkat av hårdmetall, snabbstål, cermets, keramik eller kubisk bornitrid.