SE537187C2 - Magnetronplasmaapparat förstärkt genom hålkatodplasma - Google Patents

Abstract

537 187 SAMMANDRAG En magnetronplasmaapparat forstarkt genom ett halkatodplasma inkluderar atminstone eft elektriskt anslutet par av en forsta halkatodplatta (1) och en andra halkatodplatta (2) placerade mitt emot varandra pa ett separationsavstand av minst 0,1 mm och har en oppning som fOljer en yttre kant av en sputtererosionszon (3) pa en magnetrontarget (4), sa att ett magnetronmagnetfalt (5) bildar en vinkelrat magnetisk induktionskomponent (6) inuti en halkatodsspalt (7) mellan namnda halkatod plattor, van i plattoma ar anslutna till en fOrsta elektrisk kraftgenerator (8) tillsammans med namnda magnetrontarget for att generera ett magnetiskt forstarkt halkatodplasma (9) i atminstone en av en forsta arbetsgas (10) fordelad namnda halkatodspalt och en andra arbetsgas (12) inslappt utanfor namnda spalt i kontakt med ett magnetronplasma (11) som alstrats i atminstone en av namnda forsta arbetsgas och namnda andra arbetsgas.

Description

537 187 Magnetronplasmaapparat forstarkt genom halkatodplasma BAKGRUND TILL UPPFINNINGEN Halkatodeffekten och ett darmed forknippat halkatodplasma med hog densitet uppfanns 1916 av F. Paschen i hans spektroskopistudie av plasmaemission. De ihaliga former av hans elektroder (korta rektangulara ror) som alstrade plasmat ledde till betydligt mer ljusintensitet an enkla planelektroder vid samma likstroms-(DC)-effekt. Senare studier visade att principen till denna intensiva urladdning bygger pa geometri av de ihaliga elektroderna, dar elektroner som emitteras fran en vagg av katoden samverkar med ett motsvarande elektriskt fah med motsatt riktning vid den motsatta inre vaggen. Beroende pa gastryck och avstandet mellan elektrodvaggarna kan elektronerna oscillera mellan innervaggama och vasentligen Oka joniseringen av en foreliggande gas eller anga. Sadan jonisering, baserad pa pendelrorelse av elektroner, redovisas i litteraturen sasom "halkatodeffekt" (PF Little et al, 1954). Halkatodeffekten fungerar awn i en ihalig elektrod som drivs av en vaxelstrom (AC). En typisk frekvens for AC-generatorer for detta andamal är mellan s-1 och 8 s-1, del viii saga inorn radiofrekvens-(RF)-omradet. Den forsta RF-halkatoden beskrevs i US-patentet 4,521,286 utfardat till C.M. Horwitz. Man farm ocksa att anoden till de ihaliga RF-katoderna är plasmat sjalv (en "virtuell anod") som dr i kontakt med en motsatt elektrod (L. Bardos et al. 1988). Halkatodeffekten kan genereras aven genom pulserad Ekstrom.

Halkatodeffekten genereras inte i alla ihaliga negativa elektroder. En ihalig elektrod kan skilja sig vasentligt frail de verkliga halkatoderna, savida dess geometri inte har optimerats for att hoja gasjoniseringen i dess ihaliga delar med 1-3 storleksordningar pa grund av halkatodeffekten. Till exempel, en eylindrisk elektrod med stor diameter dar rymdladdningsskiktets tjocklek är mycket mindre an elektroddiametern kan inte fungera som en halkatod. Aven vid lagre gastryck, nar skiktet är bredare, kan inte halkatodeffekten dga rum pa grund av ett lagt antal joniserande kollisioner. Fdr att uppvacka denna effekt vid hOgre tryck, maste avstandet mellan vaggarna minskas pa grund av kort fri medelvaglangd for elektroner. Avstandet d mellan motsatta vaggar hos halkatoden maste vara minst dubbla tjockleken av rymdladdningsskiktet, vilket beror pa gastrycket p, men ocksa pa frekvensen och effekten for den anvanda generatom. Dessutom är gastrycket p inuti halkatoden typiskt hogre an utanfor halkatoden, till foljd av hogre temperatur som orsakas av plasmats hoga densitet inuti halkatoden och pa grund av en tryck-gradient som bildas i den strommande gasen eller av forangat katodmaterial. Dessutom kan ocksa ndrvaron av magnetiska falt 1 537 187 paverka bade halkatodplasmats insthngning och egenskaper. Darfor är olika publicerade empiriska formler for uppskattningar av den optimala produkten pid for halkatodeffekten i dc-halkatoder i allmdnhet inte sarskilt anvdndbara.

Ett antal patent och publikationer beskriver sa kallad "halkatod-magnetron-sputtring" i system som anvander targetar med ihâlig geometri, oftast en cylinder. Target maste alltid vara negativ for att attrahera joner som bombarderar och sputtrar den, ddrav uttrycket "halkatodtarget" och "halkatod-magnetron". Men utan halkatodeffekten, t.ex. med en target med stor diameter, eller i magnetiska fait parallella med vdggarna i targeten, dar elektroner avldnkas fran sina svangningar, sadana system är inte riktiga halkatoder. Till exempel, i US-patentet 4,966,677 av H. Aiehert et al. har en magnetron-sputtringsapparat en ihalig katod-target med en katod-bas i vilken en ihalig target med cylindrisk sputtringsyta och cylindrisk yttre yta Eli anordnad. Varken magnetfalt parallellt med targeten eller targetens geometri medger halkatodeffekten. Likasa i US-patentet 5,437,778 till V.L. Hedgcoth, innefattar ett magnetronsputtringsystem en ihalig longitudinell katod som antingen är gjord av, eller har sin inre vdgg belagd med, ett material som skall sputtras. Ingen halkatodeffekt kan exciteras i sadana system. Aven i US-patentet 6,283,357 till S. Kulkarni et al. binds en platta med sputter-targetmaterial till ett ark av beklddnadsmaterial och formas sedan till en "halkatod"- magnetrontarget. I US-patentet 6,887,356 till R.B. Ford et al. Ors det ansprak pa en sputtringtarget som foretradesvis uppvisar en likformig kornstruktur och textur atminstone pa sidovaggarna ddrav, men ingen halkatodeffekt utnyttjas. Ett annat exempel är PCTpublikationen WO 2007/130903 av J.K. Kardokus et al., dar man Or ansprak pa metoder fir att bilda "halkatod"-magnetron-sputtringtarget. I dessa targetar bearbetas ett metalliskt material RV att ge en medelkomstorlek av mindre an eller lika med omkring 30 mikron. En sadan sputtringtarget uppvisar foretradesvis vdsentligen likformig sputtringerosion, men ingen halkatodeffekt utnyttjas. Grundldggande principer for dessa sa kallade "halkatodmagnetroner" forklaras bl.a. av D.A. Glocker (SVC Technical Conference Proceedings 1995).

Sedan upptackten 1974 i US-patentet 4,166,018 till J.S. Chapin (senare beskrivet av P.S. McLeod et al. 1977 och R.K. Waits 1978), genomgick magnetronsputtringsanordningen ett antal forbattringar som huvudsakligen syftade till (1) en okning av targetutnyttjandet, (ii) en mojlighet att sputtra magnetiska targetar, (iii) en okning av ett jonflOde till substratet, (iv) en okning av sputtringshastigheten, (v) en okning av joniseringsnivan i hela magnetronplasma. Betydande framsteg i uppgifterna (i) och (ii) har erhallits genom att optimera geometri och induktion i de magnetiska tunnlarna for plasmainneslutning, i synnerhet genom starka permanentmagneter, men ocksa med hj alp av ihaliga targetar sasom 2 537 187 forklarats ovan. Warta anstrangningar innefattade aven olika system med rorliga magneter och kulminerade i ett arrangemang for targetutnyttjande baserat pa en roterande cylindrisk target (US-patentet 4,356,073 till H.E. McKelvey, inlamnad 1981, och ett antal senare patent t.ex. en US-patentpublikation 2009/0260983 till M.A. Bernick inlamnad i 2009). Ett betydande framsteg i uppgiften (iii) erholls genom partiell oppning av den magnetiska tunneln fran sá kallade "slutna-falt-magnetroner" till sa. kallade "obalanserade magnetroner" (B. Window et al. 1986). Denna losning mojliggor en okad narvaro av joner (plasma) nara substratet, en effektiv forspanning av substraten och kontrollerad tillvaxt av t.ex. mycket harda filmer och speciella filmtexturer. Det är noterbart att sa langt har framstegen i uppgiften (iv), det vill saga i att Oka sputtringshastighetema, erhallits genom att Oka targeterosionsytor, medan man fortsatte att forlita sig pa olika bkgsurladdningsforangare, snarare tn nagra sputtringsenheter, som det snabbaste systemet for fysikaliskfOrangningsdeposition (PVD). En okning av jonisering i magnetronplasmat (uppgift (v)) kan naturligtvis Oka sputtringshastigheten, sasom till exempel genom ytterligare jonisering med hjalp av en RFspole (S.M. Rossnagel et al., 1993). Emellertid, senare trender dr istallet fokuserade pa magnetronsputtringsystemen med hog impuls-effekt (HiPIMS), som beskrivs i US-patentet 6,296,742 till Kouznetsov (inlamnat under 1997), dar de hoga effektpulserna okar joniseringen dramatiskt. Men pa grund av den pulsade effektregimen, nar den genomsnittliga belaggningshastigheten knappt hastigheter som r jamforbara med konventionella DCmagnetroner. Saledes uppvags fOrdelen med goda belaggningsegenskaper som finns i hogdensitets-plasma i HiPIMS av behovet av komplicerade och dyra pulsade kraftgeneratorer och hittills ocksâ med icke imponerande deponeringshastigheter.

En direkt metod for att Oka deponeringshastigheten genom Okade jonisering i magnetronplasmat med hjalp av halkatoden har patenterats av J.J. Cuomo et al. i maj 1986 i US-patentet 4,588,490 "Hollow cathode enhanced magnetron sputtering device". Cuomo et al. kombinerar en halkatod, som en elektronemitterande enhet, med en plasmasputteretsning/deponeringsenhet sasom en magnetron. Halkatoden utnyttjas till att astadkomma ytterligare jonisering av arbetsgasen under magnetrondrift och den kan tillhandahalla huvudjonisering av arbetsgasen vid laga magnetroneffekter. Halkatoden utnyttjar temioelektronemission till att injicera elektroner. For detta andamal innefattar den ett ihàlig rorformat element tillverkat av en eldfast metall och ett flertal skikt av elektronemitterande folier. Den ihaliga katoden drivs av en likstromskalla oberoende av magnetronens elgenerator. I den foredragna konfigurationen är axeln for den cylindriska halkatoden parallell med magnetrontargeten och den är placerad ovan targeten, nara dess kant. 3 537 187 For att inte hindra magnetronens driftstrom maste halkatodens radiella position vara sadan att de magnetiska faltlinjerna som den skdr, beger sig till mittpolen, snarare an till botten av den magnetiska hopsattningen. Detta patent saledes beskriver en tilldmpning av en termojonisk halkatod till att emittera elektroner, utan elektriskt eller fysiskt hinder av magnetronens driftstrom, men ocksa utan magnetisk forstarkning av halkatodsplasmat. Katoden tillverkas av en eldfast metall (t.ex. Ta). Lagtryckstermojoniska regimer i halkatoden mdjliggor c:a 10 ganger sankning i magnetronoperationstrycket, dvs. ner till 4-6,7 x -2 Pa (0,3-0,5 mTorr). Denna typ av anyandning av de heta halkatodsljusbagarna som en extra joniserare i magnetroner beskrivs i litteraturen som "magnetroner med ytterligare gasjoniscring" (J. Musil et al., 2006, sid. 71-72). Ett viktigt krav vid sadana processer är att halkatodmetallen inte bor frislappas och blandas med material sputtrat fran magnetrontargeten.

Ett annat salt for att engagera halkatodplasmat i magnetronurladdningen är bildandet av skaror eller hat direkt i targeten for att excitera halkatodeffekten inuti dessa spar eller hal (J. Musil et al., 2006, sid. 91-93). Sadana arrangemang minskar den nodvandiga spdrmingen fOr magnetronurladdningen, men den minskar ocksa sputtringshastigheten. Dessutom har sadana targetar ganska komplicerade former och targeten forbrukas under magnetrondrift minskas djupct av sadana halkatoder, vilket krdver fordndringar i effektparametrar.

Forutom deras formaga att generera plasma med mycket hog densitet (jamforbart med HiPIMS), pa grund av halkatodeffekten, kan halkatoder anyandas for bade jonsputtring och ljusbagsforangning, ddr katoden sjaly är en PVD-target. FOrutom med DC-effekt kan halkatoder med fordel drivas av pulsad DC eller AC elektrisk effekt (upp till RF-omradet), och kan anvandas for att aktivera gaser for snabba plasmaforstdrkade kemisk forangningsdeponeringsregimer (PE CVD). Former och dimensioner for halkatoder kan utformas for ett brett spektrum av arbetsgastryck fran c:a 1,33 x-2 Pa (-4 torr) upp till atmosfariskt och hOgre tryck. Forutom konventionella ror-formade katoder kan pendelrorelsen hos elektroner forekomma ocksa mellan parallella ledande "plattor" (med RF-effekt aven ocksa ndr plattorna dr belagda med ett dielektriskt material) for att alstra ett tart halkatodplasmat. Dessutom kan halkatodeffekten intensifieras och fokuseras pa utvalda omraden (beta zoner) med hjalp av ett lampliga magnetiskt falt, sasom beskrivs i US-patentet 5,908,602 till L. Bardos et al. (1994). Huvuddelen av de magnetiska induktionslinjerna (induktionsvektor B) i spalten mellan halkatodemas parallella linjdra plattor bor vara vinkelrdta mot katodplattorna for att inte ayboja elektroner och forhindra deras svdngningar mellan motstaende vaggar. Elektroner som ror sig lungs vektom B paverkas inte av den magnetiska kraften. Eftersom vektom E av det elektriska faltet i effektkopplingen är 4 537 187 orienterad mot anoden, dvs ut ur spalten, är en avsevard nackdel med ett statiskt magnetfalt tendensen att tvinga plasmat till en sida av spalten, beroende pa orienteringen av magnetisk induktionvektor B. Drifthastigheten for elektroner ges av vektorprodukten (E x B) I B2 (dar E är vektorn for det elektriska Pdltet vinkelratt mot en magnetisk induktionsvektor B). Drifthastighetsvektorn är vinkelrat mot bada vektorerna E och B. Denna otillracklighet kan kompenseras i anordningar med roterande magneter, sasom beskrives i US-patentet 6,351,075 till H. Barankova et al., dar den magnetiska induktionsvektom B tvars halkatodens spalt andras till bade riktning och amplitud. En uppenbar nackdel med sadana anordningar är nodvandigheten av mekaniska organ for att driva magnetema.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ett syfte med den foreliggande uppfinningen är att overvinna de ovan beskrivna nackdelarna och tillhandahalla magnetronapparater forstdrkta genom ett tdtt magnetiskt forstarkt halkatodplasma genererat i en halkatod med parallella plattor placerad inuti magnetronens magnetfalt, for att tillfora ett tat plasma in i magnetronplasmat for sub stratb ehandling.

Uppfinningen tillhandahaller en magnetronplasmaapparat forstarkt av ett halkatodsplasma for plasmabehandling pa ett substrat i en reaktor, innefattande en halkatod med parallell plattor med en spalt i vilken en halkatodeffekten kan exciteras, en magnetronsputtringsapparat med en magnetrontarget, en elkraftgenerator for plasmagenerering och ett magnetiskt system som alstrar ett magnetronmagnetfalt som ger form at en erosionszon pa magnetrontargetytan samt en rumslig form for magnetronplasmat.

En forsta aspekt av uppfinningen tillhandahaller en magnetronplasmaapparat fOrstdrkt av halkatodplasma for plasmabehandling, varvid atminstone ett elektriskt anslutet par av en forsta halkatodplatta och en andra halkatodplatta placerade mitt emot varandra pa ett separationsavstand av minst 0,1 mm har en oppning som fOljer en yttre kant av en sputtererosionszon pa en magnetrontarget sa att ett magnetronmagnetfdlt bildar en vinkelrdt magnetisk induktionskomponent inuti en halkatodspalt mellan ndmnda forsta och andra platta. Narnnda par av plattor är ansluten till en forsta elektrisk kraftgenerator tillsammans med namnd magnetrontarget fOr att generera ett magnetiskt forstarkt halkatodplasma i atminstone ett av en forst arbetsgas fordelad i ndmnda halkatodspalt och en andra arbetsgas inslappt utanfor namnda spalt i kontakt med ett magnetronplasma som alstrats i atminstone en av namnda forsta arbetsgas och namnda andra arbetsgas. 537 187 En andra aspekt av uppfinningen hanfor sig till en magnetronplasmaapparat forstarkt genom ett halkatodplasma till plasmabehandling, varvid namnda andra halkatodplatta är integrerad i namnda magnetrontarget och namnda halkatodspalt dar namnda halkatodplasma bildas skapas mellan namnda fOrsta halkatodplatta och namnda magnetrontarget.

En tredje aspekt av uppfinningen hanflir sig till en magnetronplasmaapparat forstarkt genom halkatodplasma for plasmabehandling, varvid namnda par av namnda fOrsta halkatodplatta och namnda andra halkatodplatta är elektriskt isolerad fran namnda magnetrontarget och ar anslutet till en andra elektrisk kraftgenerator.

En fjarde aspekt av uppfinningen hanfor sig till en magnetronplasmaapparat fOrstarkt genom halkatodplasma for plasmabehandling, varvid namnt magnetiskt fOrstarkt halkatodplasma inuti namnda halkatodspalt bildar en fOrsta het zon pa namnda forsta halkatodplatta och en andra het zon pa namnda andra halkatodplatta och namnda forsta och andra heta zon forangar material fran namnda forsta och andra halkatodplattor.

En femte aspekt av uppfinningen hanfor sig till en magnetronplasmaapparat forstarkt genom halkatodplasma fOr plasmabehandling, varvid namnda magnetrontarget har cylindrisk form i en magnetronanordning med roterbar target och namnda par av namnda forsta halkatodplatta och namnda andra halkatodplatta air mekaniskt frikopplat fran namnda magnetrontarget.

En sjatte aspekt av uppfinningen hard& sig till en magnetronplasmaapparat forstarkt genom halkatodplasma for plasmabehandling, varvid ett flertal par av namnda fOrsta halkatodplatta och namnda andra halkatodplatta har ringformade eirkulara oppningar och skapar en ihalig cylindrisk form av namnda magnetrontarget.

En sjunde aspekt av uppfinningen hanfor sig till en magnetronplasmaapparat forstarkt genom halkatodplasma for plasmabehandling, varvid atminstone en av namnda fOrsta halkatodplatta, namnda andra halkatodplatta och namnda magnetrontarget är tillverkad atminstone till viss del av olika material.

En attonde aspekt av uppfinningen hanfor sig till en magnetronplasmaapparat forstarkt genom halkatodplasma fOr plasmabehandling, varvid namnda individuella par av namnda fOrsta och andra halkatodplattor air icke parallella med varandra eller i forhallande till namnda magnetrontarget.

En nionde aspekt av uppfinningen hanfor sig till en magnetronplasmaapparat forstarkt genom halkatodplasma for plasmabehandling, varvid namnda fOrsta halkatodplatta ()eh namnda andra halkatodplatta har andra an plana former och komponerar ojamna former for namnda halkatodspalt. 6 537 187 En tionde aspekt av uppfinningen hard& sig till en magnetronplasmaapparat forstarkt genom halkatodplasma for plasmabehandling, varvid namnda magnetiskt forstarkta halkatodplasma alstras i namnda forsta arbetsgas.

Andra mal och fordelar med uppfinningen kommer att ytterligare forstas och uppskattas i samband med foljande beskrivning och bifogade ritningar. Medan den foljande beskrivningen kan innehalla specifika detaljer som beskriver speciella utfOringsformer av uppfinningen, bor detta inte tolkas som begransningar av uppfinningens omfang, utan snarare som en exemplifiering av foredragna utforingsformer. For varje aspekt av uppfinningen är manga variationer mojliga sasom foreslas har som ar kanda for fackmannen pa omradet. En mangd olika andringar och modifikationer kan goras inom ramen av uppfinningen utan att avvika frail andemeningen darav.

REFERENSER F. Paschen, "2. Bohrs Heliumlinien", Annalen der Physik, IV (50) (1916) 901.

P. F. Little och A. vonEngel, "The hollow-cathode effect and the theory of glow discharges", Proc. Royal Society London, A224 (1954) 209-227.

U.S. Patent 4,521,286 "Hollow cathode sputter etcher" inlamnad av C. M. Horwitz i mars 1984.

L. Bardos och V. Dusek, "High rate jet plasma-assisted chemical vapour deposition", Thin Solid Films 158 (1988) 265-270.

U.S. patent 4,966,677 "Cathode sputtering apparatus on the magnetron principle with a hollow cathode and a cylindrical target" inlamnad av H. Aichert et al. i april 1989.

U.S. patent 5,437,778 "Slotted cylindrical hollow cathode/magnetron sputtering device" inlamnad av V. L. Hedgcoth i November 1993 U.S. patent 6,283,357 B1 "Fabrication of clad hollow cathode magnetron sputter targets" inlamnad av S. Kulkarni et al. i augusti 1999 U.S. patent 6,887,356 B2 "Hollow cathode target and methods of making same" inlamnad av R.B. Ford et al. i november 2001 PCT-publikation WO 2007/130903 "Hollow cathode magnetron sputtering targets and methods of forming hollow cathode magnetron sputtering targets" inlamnad av J. K. Kardokus et al. i ma j 2006.

D. A. Glocker, "Principles and Applications of Hollow Cathode Magnetron Sputtering 7 537 187 Sources", 38th Annual SVC Technical Conference Proceedings (1995), sid. 298-302, ISSN 0737-5921.

U.S. Patent 4,166,018 "Sputtering process and apparatus" inlamnad av J. S. Chapin i januari 1974.

P. S. McLeod och L. D. Hartsough, "High rate sputtering of aluminum for metallization of integrated circuits", J. Vac. Sci. Technol. 14 (1) (1977) 263-265.

K. Waits, "Planar magnetron sputtering", J. Vac. Sci. Technol. 15 (2) (1978) 179-187.

U.S. Patent 4,356,073 "Magnetron cathode sputtering apparatus" inlamnad av H. E. McKelvey i februari 1981.

Patentpublicering U.S. 2009/0260983 "Cylindrical magnetron" inldmnad av M. A. Bernick i april 2009.

B. Window och N. Savvides, "Charged particle fluxes from planar magnetron sputtering sources", J. Vac. Sci. Technol. A4 (2) (1986) 196-202.

M. Rossnagel och J. Hopwood, "Magnetron sputter deposition with high levels of metal ionization", Appl. Phys. Letters 63 (1993) 3285-3287.

US Patent 6,296,742 "Method and apparatus for magnetically enhanced sputtering", inlamnad av V. Kouznetsov i december 1997.

U.S. Patent 4,588,490 "Hollow cathode enhanced magnetron sputtering device" inlamnad av J. J. Cuomo et al. i maj 1986 J. Musil, J. Vlcek och P. Baroch, "Magnettron discharges for thin films plasma processing", kapitel 3, sid. 67-110, i "Materials Surface Processing by Directed Energy Techniques", ed. av Yves Pauleau, EMRS Book Series, Elsevier, 2006.

U.S. Patent 5,908,602 "Apparatus for generation of a linear arc discharge for plasma processing", inldmnad av L. Bardos och H. Barankov6, prioritet november 1994.

U.S. Patent 6,351,075 "Plasma processing apparatus having rotating magnets", inldmnad av H. Barankova och L. Bardos, prioritet november 1997.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGAR De nya sardragen hos uppfinningen anges speciellt i de bifogade patentkraven. En bdttre fOrstaelse av sdrdragen och fordelarna med foreliggande uppfinning kommer att erhallas genom hanvisning till foljande detaljerade beskrivning som anger illustrativa utforanden, i vilka principerna for uppfinningen utnyttjas, och de bifogade ritningarna av vilka: 8 537 187 FIG. 1 är en schematisk vy av en forsta utforingsform och forklaring av en andra utforingsform i enlighet med foreliggande uppfinning, som visar ett exempel pa en magnetronplasmaapparat forstarkt av ett halkatodplasma for plasmabehandling av ett substrat i en reaktor vid gastryck lagre an 6,65 x 3Pa (50 toff).

FIG. 2 är en vy av magnetiserat halkatodplasma alstrats av olika halkatoder med parallella plattor i ett vinkelratt magnetfalt som ffirklarar foredragna utforingsformer i enlighet med ffirel gg and e uppfinning.

FIG. 3 är en schematisk vy av ett exempel pa en tredje utforingsform i enlighet med foreliggande uppfinning, dar halkatoden med parallella plattor är clektrisk isolerad fran magnetrontargeten.

FIG. 4 är en schematisk vy av ett exempel pa en fjarde utforingsform i enlighet med foreliggande uppfinning, ddr magnetronentargeten har cylindrisk form i en magnetronapparat med roterbar target.

FIG. 5 dr en schematisk vy av ett exempel pa en femte utforingsform i enlighet med foreliggande uppfinning, dar ett flertal par av halkatodplattor skapar en ihalig cylindrisk magnetrontarget.

FIG. 6 är en schematisk vy av tva exempel pa andra alternativ enligt den ffireliggande uppfinningen, dar halkatodplattoma inte är parallella med varandra ocl-deller med magnetrontargeten.

DETALJERAD BESKRIVNING AV DEN FOREDRAGNA UTFORINGSFORMEN Alltigenom ritningarna anvands samma referensnummer for liknande eller motsvarande element.

Uppfinningen tillhandahaller system och metoder for plasmabehandling pa substrat, sasom, till exempel sputtring och torretsning. Uppfinningen tillhandahaller aven system och metoder med bidrag av ljusbagsforangning och/eller sputtring av halkatodplattmaterialet in i magnetronplasmat samt for bearbetning pa substraten. Joniserade och aktiverade partiklar i anordningen enligt denna uppfinning kan anvandas i olika regimer for jonplatering, aktiverad reaktiv forangning, reaktiv sputtring, forangning och kombinerade regimer, osv. Del är mojligt att utnyttj a direkta processer som innehaller sputtrat och forangat material fran magnetrontarget och fran halkatodplattor med eller utan en inert arbetsgas, samt reaktiva processer som inkorporerar kemiska reaktioner av dessa material med aktiverade reaktiva arbetsgaser, olika kemiska prekursorer, angor, etc. Olika aspekter av uppfinningen som beskrivs hari kan tillampas pa alla av de speciella tillampningar som anges nedan eller i nagon 9 537 187 annan typ av plasmabehandling, inklusive, men inte begransat till, kombinationer av flera anordningar enligt foreliggande uppfinning, eller kombinationer med andra typer av plasma-system, som mikrovagsplasmasystem, ljusbagsforangare, laserplasmakdllor, osv. Det skall aven inses att olika aspekter av uppfinningen kan uppfattas individuellt, kollektivt eller i kombination med varandra.

Med hdnvisning till FIG. 1 kommer en forsta utfOringsform av en magnetronplasmaapparat forstarkt genom ett halkatodplasma for en plasmabehandling pa ett substrat i en reaktor enligt foreliggande uppfinning att beskrivas. Gastrycket de i praktiken genomforda utforanden kan vara under c:a 6,65 x3 Pa (50 torr). I foreliggande utforingsform, atminstone ett elektriskt anslutet par av en forsta halkatodplatta 1 och en andra halkatodplatta 2 placerade parallellt och motstaende till varandra pa ett separationsavstand av 0,5 mm mellan dem har en oppning langs en yttre kant av en sputtererosionszon 3 pa en magnetrontarget 4. Separationen om 0,5 mm anses som en typisk praktisk ldgsta grans, aven om separationsavstand ner till c:a 0,1 mm skulle vara mojligt att Ora apparaten manOvrerbar. Paret av halkatodplattor är placerat sã att ett magnetronmagnetfdlt 5 bildar en vinkelrat magnetisk induktionskomponent 6, i derma utforingsform av minst -2 Tesla, inuti en halkatodspalt 7 mellan plattor 1 och 2, och paret av plattor 1 och 2 dr elektriskt anslutet till en forsta elektrisk kraftgenerator 8 tillsammans med target 4 for att generera ett magnetiskt fOrstarkt halkatodsplasma 9 i en forsta arbetsgas 10 fordelad i halkatodspalten 7 i kontakt med en ett magnetronplasma 11 som alstras i den forsta arbetsgasen 10 och i en andra arbetsgas 12 inslappt utanfor spalten 7. Salunda utnyttjar anordningen i enlighet med foreliggande utfOringsform magnetronens magnetfdltet 5 for generering av det magnetiskt forstarkta halkatodplasmat 9 inuti spalten 7. For ytterligare forbattrad prestanda av det magnetiskt forstarkta halkatodplasmat 9 bor djupet av spalten 7 som ges av bredden av platta 1 och platta 2 vara atminstone tva ganger avstandet mellan platta 1 och 2. Magnetronens magnetfdlt 5 kan ha olika former. I foreliggande utforingsform begransar a typisk tunnelformad del av fdltet plasmat over magnetron targeten och definierar formen hos sputtererosionszonen 3 pa targeten 4. Den magnetiska induktionen vid den yttre kanten av erosionszonen 3 dr i narheten av en poi hos ett magnetronmagnetsystem 17 och kan i foreliggande utforingsform generera den vinkelrata magnetiska induktionkomponenten 6 pa minst -2 Tesla inuti den halkatodspalten 7 for bildning av det magnetiskt forstarkta halkatodsplasmat 9. I sá kallade obalanserade magnetroner, innehaller magnetsystemet 17 ocksa medel till en partiell obalans av tunnelmagnetfdltet, som tillater fler joner att undkomma den magnetiska tunneln och fOrflytta sig till ett substrat 19. Obalanseringen av fdltet kan goras aven utan anvandning av det 537 187 ytterligare medlet genom placering av magneter i systemet 17 under targeten 4. Beroende pa effekten i den elektriska generatorn 8, kan ett jonbombardemang inuti den halkatodspalten 7 fran det magnetiskt fOrstarkta halkatodplasmat bilda forsta och andra heta zoner 14 och 15 pa respektive katodplattor 1 och 2. Temperaturen for de respektive heta zonema beror pa den kylande effekten fran magnetrontarget, pa tjockleken av respektive plattor, saval som pa den termiska ledningsfEirmagan hos plattorna. Därför, i olika utforingsformer, kan den heta zonen 15 pa den andra plattan 2 vid magnetrontarget forvarva lagre temperatur an den forsta heta zonen 14 vid den forsta plattan 1. Det magnetiskt forstarkta halkatodplasmat 9 expanderar fran spalten 7 och samverkar med magnetronplasmat 11 for att komponera ett resulterande behandlingsplasma 18 som kan innehalla atminstone en av joniserat material fran magnetrontargeten 4, joniserad forsta arbetsgas 10, joniserad andra arbetsgas 12 och joniserade sputtrade och/eller forangade materialpartiklar frail halkatodplattoma 1 och 2. I olika utforande, kan de resulterande behandlingsplasmorna innehalla valfri kombination eller undergrupp av dessa komponenter. I ett typiskt utforande omfattar det resulterande behandlingsplasmat 18 joniserat material av magnetrontargeten 4, joniserad forsta arbetsgas och joniserad andra arbetsgas 12. I det sarskilda utforandet i FIG. 1 kan det magnetiskt forstarkta halkatodplasmat genereras i den forsta arbetsgasen. I andra utforingsformer är det magnetiskt forstarkta halkatodplasmat alstrat i den andra arbetsgasen. Arbetsgasema kan ocksa i olika utforingsformer vara sammansatta av fiera komponenter. I en typisk utforingsform kan den fOrsta halkatodplattan 1, den andra halkatodplattan 2 och magnetrontarget 4 tillverkas av samma material. I andra utforingsformer kan emellertid atminstone en av den forsta halkatodplattan 1, den andra halkatodplattan 2 och magnetrontarget 4 tillverkas atminstone i nagon del av ett annat material. Med andra ord kan den forsta halkatodplattan 1, den andra halkatodplattan 2 och/eller magnetrontargeten 4 besta av delar av olika material, eller en eller tva av den forsta halkatodplattan 1, den andra halkatodplattan 2 och/eller magnetrontargeten 4 kan besta' av ett armat material jamfort med de andra. Pa ett sadant sat kan olika kompositioner av det resulterande behandlingsplasmat 18 uppnas. Salunda innehaller behandlingsplasmat 18 hog densitet av joner for plasmabearbetning pa substratet 19. Om sã är lampligt i en enkel modifiering av den forsta utforingsformen i FIG. 1 (ej visad) kan den andra halkatodplattan 2 integreras direkt i magnetrontarget 4. Men i manga praktiska fall kan den andra halkatodplattan 2 anvandas for en mekanisk fasthallning av magnetrontarget 4 pa en kyld hallare (ej visad) av targeten 4. I sadana utforingsformer, firms dar en direkt mekanisk infastning mellan den andra halkatodplattan 2 och targeten 4. 11 537 187 FIG. 2 är en vy av ett magnetiserat halkatodplasma alstrat av olika halkatoder med parallella plattor i ett vinkelratt magnetthlt. Det visas att den vinkelrata magnetiska induktionkomponenten 6 i en spalt 7 av en halkatod med parallella plattor bestaende av platta 1 (visad pa ett semi-transparent satt) och platta 2, beskrivs till exempel i US-patenten 5,908,602 och 6,351,075, orsakar sidodrift av det magnetiskt forstdrkta halkatodplasmat 9 beroende pa orienteringen av komponenten 6. Om plattorna bildar en sluten omkretsform vid halkatodspalten 7 har det magnetiskt forstarkta halkatodplasmat 9 en likformig omkretsform oberoende av orienteringen av den vinkelrata komponenten 6, t ex formen av en cirkel eller en racerbana, sasom visas i FIG. 2. Denna egenskap mojliggor anvandning av det magnetronens magnetfalt 5 och infOrlivandet av dessa omgivande hMkatoder med parallella plattor med magnetrontargeten 4 i enlighet med foreliggande uppfinning, sasom visas i FIG. 1. Salunda kan anordningen enligt upptinningen tilldmpas pa godtyckliga former av de plana magnetronerna (cirkular, rektangular trianguldra, polygonal, osv.).

EXEMPEL Med hdnvisning till FIG. 3 forklaras en schematisk vy av ett exempel pa en tredje utforingsform i enlighet med foreliggande uppfinning. I denna utforingsform är atminstone ett elektriskt anslutet par av den fOrsta hhlkatodplattan 1 och den andra halkatodplattan 2 elektriskt isolerade fran magnetrontargeten 4, till exempel genom en isolator 20. Plattorna 1 och 2 är placerade mitt emot varandra p. ett separationsavstand av minst 0,5 mm och har en oppning som foljer en yttre kant av sputtererosionszonen 3 pa en magnetrontarget 4, sa att magnetronens magnetfalt 5 bildar en vinkelrdt magnetisk induktionkomponent 6 pa minst -2 Tesla inuti en halkatodspalt 7 mellan plattorna 1 och 2. Plattorna 1 och 2 är elektriskt anslutna till en andra elektrisk kraftgenerator 13 oberoende av den forsta elektriska kraftgeneratorn 8 som driver magnetrontargeten 4. Det magnetiskt forstarkta halkatodplasmat 9 alstras i en forsta arbetsgas fordelad i halkatodspalten 7 i kontakt med ett magnetronplasma 11 genererat i den forsta arbetsgasen 10 och i en andra arbetsgasen 12 insldppt utanfor spalten 7. Generator 13 ger tillrdckligt effekt till ett jonbombardemang inuti halkatodspalten 7 genom det magnetiskt forstarkta halkatodplasmat 9 som bildar forsta och andra heta zoner 14 och 15 vid respektive katodplattor 1 och 2. En fordel med denna utforingsform dr en oberoende styming av magnetronplasmat 11 och det magnetiskt forstarkta halkatodplasmat 9 och datmed ett respektive utbyte av sputtrade och forangade material i det resulterande behandlingsplasmat 18 pa substratet 19. 12 537 187 Med hanvisning till FIG. 4 forklaras en schematisk vy av ett exempel pa en fjarde utforingsform i enlighet med foreliggande uppfinning. I denna utforingsform har magnetrontargeten 4 cylindrisk form i en magnetronapparat med roterbar target och paret av den forsta halkatodplattan 1 och andra halkatodplattan 2 är mekaniskt frikopplat frail roterande magnetrontarget 4. I denna utforingsform kan det magnetiskt forstarkta halkatodplasmat 9 genereras av den andra elektriska kraftgeneratorn 13 oberoende av magnetrontargeten 4, men ocksa tillsammans med magnetrontargeten frail samma forsta elektriska kraftgenerator 8. I denna schematiska vy listas alla referensnummer i en LISTA OVER ANVANDA REFERENSNUMMER nedan.

Med hanvisning till FIG. 5 forklaras en schematisk vy av ett exempel pa en fjarde utforingsform i enlighet med foreliggande uppfinning. I denna utforingsform har ett flertal par av den forsta halkatodplattan 1 och den andra halkatodplattan 2 ringformade cirkulara oppningar och skapar en ihalig cylindrisk magnetrontarget 4, varvid den andra halkatodplattan 2 är den forsta halkatodplattan 1 hos det intilliggande paret av plattor. Targeten är elektrisk ansluten till den forsta elektriska kraftgeneratorn 8 och är elektrisk isolerad fran anoden 16 genom en isolator 20. Anod 16 laser targeten och isolatorn 20 pa sidorna genom sidoforslutningar 21. I denna utforingsform fordelas den forsta arbetsgasen 10 till alla individuella halkatodspalter 7 genom minst en gasfordelningskanal 22. En tankbar modifiering av denna utforingsform (ej visad) är en multipel magnetrontarget 4 bestdende av ett flertal targetsegment som vardera innehaller ett eller flera par av den forsta halkatodplattan 1 och den andra halkatodplattan 2, varvid varje targetsegmentet dr inkapslat i ett motsvarande segment av isolatorn 20 och lases i ett motsvarande segment av anoden 16 med fOrslutningar 21. I denna modifiering kan en gemensam forsta elektrisk kraftgenerator 8 anvandas samtidigt i samtliga parallella segment, eller multipla generatorer kan anvandas for drivning av varje targetsegment separat. I detta utforande tr apparaten lamplig for behandling av axiellt placerade cylindriska eller runda typer av substrat 19. I denna schematiska vy listas alla referensnummer i en LISTA OVER ANVANDA REFERENSNUMMER nedan.

Med hanvisning till FIG. 6 fOrklaras schematiska vyer av exempel pa annu fler utforingsformer enligt den foreliggande uppfinningen. I dessa exempel är paren av plattor 1 och 2 inte parallella med magnetrontarget 4 och kan bilda en vinkel 23 med avseende pa targeten 4. Vinkeln 23 kan ocksa ha en motsatt orientering till den som visas i FIG. 6. Dessutom far halkatodplattorna 1 och 2 inte placeras parallellt med varandra och kan bilda en vinkel 24 i bada riktningama, dar halkatodspalten 7 antingen är mer oppen eller mer sluten mot targeten 4. Alternativen som forklaras schematiskt i FIG. 6 kan anvandas i olika 13 537 187 kombinationer. Ett annat alternativ är att den forsta halkatodplattan 1 och den andra halkatodplattan 2 har annat an plana former och de komponerar ojamna former av halkatodspalter 7. Ytterligare andra alternativ baserar sig pa olika kombinationer av arbetsgaser, samt pa mOjligheten att driva det magnetiskt forstarkta halkatodplasmat 9 i spalten 7 utan anvandning av den forsta arbetsgasen (inloppet for gasen kan vara stangt) och arbeta endast i den andra arbetsgasen 12. Saledes kan magnetiskt forstarkt halkatodplasma 9 och/eller magnetronplasma 11 genereras bara i den forsta arbetsgasen eller endast i den andra arbetsgasen 12, dar nagon av arbetsgasema och 12 kan vara sammansatt av flera komponenter. I denna schematiska vy listas alla referensnummer i en LISTA OVER ANVANDA REFERENSNUMMER nedan.

Plasma med hog densitet genererat av halkatoder enligt uppfinningen kan med fordel anvandas i behandlingsprocedurer som kraver mycket tata plasman, sasom i HiPIMS. Emellertid, de plasman som alstras av apparaten i enlighet med foreliggande uppfinning ger fler fordelar, exempelvis mojligheten av hoga bearbetnings- och deponeringshastigheter, hog aktiveringsgrad, snabba plasmakemiska reaktioner och alstringcn av radikaler, hoghastighetsetsning, en forbattrad stabilitet och styming av plasmaprocesser, en effektiv kontroll av egenskaper hos deponerade filmer inklusive nya filmegenskaper sasom superharda eller superelastiska filmer etc. Plasmabehandling enligt foreliggande uppfinning moj liggor ocksa olika hybridprocesser nar man kombinerar exempelvis sputtring och forangningsregimer, PE CVD och sputtring och/eller forangningsregimer, inkorporering av partiklar frail olika material, deponering av olika kompositfilmer, etc. Uppfinningen kan erbjuda betydande fordelar i forhallande till HiPIMS, inklusive, men inte begrdnsat till, en mojlighet till kontinuerlig bearbetning och anvandning av enklare och billigare kraftgeneratorer, sasom till exempel dc, pulsad DC, AC och RE. Dessutom, eftersom 1-1iPIMS representerar en generationsmod av magnetronplasmat snarare an magnetronen sjalv kan magnetronplasmaapparaten i enlighet med foreliggande uppfinning anvandas ocksa i HiPIMS-regimer. En ytterligare fordel med olika utforingsformer av anordningen enligt denna uppfinning är formagan att arbeta vid relativt hoga gastryck jamfort med typiska tryck av 0,13 till 1,3 Pa (1 - 10 mTorr) vid magnetronsputtring eller etsning. Detta moj liggors av de magnetiskt forstarkta halkatoderna, vilka kan arbeta vid hOga tryck och leverera plasma med hog densitet i till magnetronen. Det är emellertid nodvandigt att justera geometrin hos halkatoden och hela systemet, placeringen av substratet och gasflodeshastigheterna enligt de fordrade gastrycket pa grund av skillnader i den fria medelvaglangden for plasmapartiklar. 14 537 187 Medan fdredragna utforingsformer av foreliggande uppfmning har visats och beskrivits kommer det att vara uppenbart for fackmannen Mom omradet att sadana utfOringsformer tillhandahalls som endast ett exempel. Talrika variationer, forandringar och substitutioner kommer nu att goras av fackmannen pa ornradet utan att avvika frail uppfinningen. Det bOr inses att olika altemativ till de utfciringsformer av uppfinningen som beskrivs hari kan anvandas vid utovande av uppfinningen. Avsikten är att de foljande kraven definierar omfattningen av uppfinningen och att metoder och strukturer inom dessa kraven och deras motsvarigheter omfattas darmed. 537 187 LISTA OVER ANVANDA REFERENSNUMMER 1 - forsta halkatodplatta 2 - andra halkatodplatta 3 - sputtererosionszon 4 — magnetrontarget 5 — magnetronens magnetfalt 6 - vinkelrat magnetisk induktionskomponent 7 — Mlkatodspalt 8 - ftirsta elektrisk kraftgenerator 9 - magnetiskt forstarkt halkatodplasma 10 - forsta arbets gas 11 - magnetronplasma 12 - andra arbetsgas 13 - andra elektrisk kraftgenerator 4 - forsta het zon 15 - andra het zon 16 - anod 17 - magnetsystem 18 - behandlingsplasma 19 - substrat 20 - isolator 21 — ano dens sidoforslutningar 22 — gasftirdelningskanal 23 - vinkel mellan halkatodplattor 1 och 2 och magnetrontarget 4 24 - vinkel mellan halkatodplattan 1 och 2

Claims (10)

537 187 PATENTKRAV 1. En magnetronplasmaapparat forstarkt genom ett halkatodplasma for plasmabehandling pa ett substrat i en reaktor, innefattande en halkatod med parallella plattor med en spalt i vilken en halkatodeffekt kan exciteras, en magnetronsputtringsapparat med en magnetrontarget, en elektrisk kraftgenerator for generering av plasma och eft magnetiskt system som genererar ett magnetronmagnetfalt som ger en form till en erosionszon pa ytan av magnetrontargeten och en rumslig form for magnetronplasmat, i vilken atminstone ett elektriskt anslutet par av en forsta halkatodplatta (1) och en andra halkatodplatta (2) placerade mitt emot varandra pa ett separationsavstand av minst 0,1 mm har en oppning som foljer en yttre kant av en sputtererosionszon (3) pa namnda magnetrontarget (4), sa att ett magnetronmagnetfalt (5) bildar en vinkelrat magnetisk induktionskomponent (6) inuti en halkatodspalt (7) mellan namnda plattor (1) och (2); vilket namnda par av plattor (1) och (2) är anslutet till en forsta elektrisk kraftgenerator (8) tillsammans med namnda target (4) for att generera ett magnetiskt forstdrkt halkatodplasma (9) i atminstone en av en forsta arbetsgas (10) som dr fordelad i namnda halkatodspalt (7) och en andra arbetsgas (12) inslappt utanfOr namnda spalt (7) i kontakt med ett magnetronplasma (11) genererat i atminstone en av den forsta arbetsgasen (10) och den andra arbetsgasen (12). 2. Apparaten enligt krav 1, kannetecknad av aft namnda andra halkatodplatta (2) är integrerad i namnda magnetrontarget (4) och ndmnda halkatodspalt (7), ddr namnda halkatodplasma (9) bildas, skapas mellan namnda forsta halkatodplatta (1) och namnda magnetrontarget (4). 3. Apparaten enligt krav 1, kanneteeknad av att namnda par av ndmnda forsta halkatodplatta (1) och namnda andra halkatodplatta (2) är elektriskt isolerat fran namnda magnetrontarget (4) och anslutet till en andra elektrisk kraftgcnerator (13). 4. Apparaten enligt nagot av patentkraven 1 till 3, kanneteeknad av att namnda magnetiskt fOrstarkta halkatodplasma (9) inuti namnda halkatodspalt (7) bildar en forsta het zon (14) pa namnda forsta katodplatta (1) och en andra het zon (15) pa namnda andra halkatodplatta (2) och namnda heta zoner (14) och (15) fOrangar material fran namnda halkatodplattor (1) och (2). 17 537 187 5. Apparaten enligt nagot av foregdende krav, kannetecknad av att ndmnda magnetrontarget (4) har cylindrisk form i en magnetronanordning med roterbar target och ndmnda par av ndmnda forsta hdlkatodplatta (1) och ndmnda andra halkatodplatta (2) är mekaniskt frikopplat fran namnda magnetrontarget (4). 6Apparaten enligt nagot av patentkraven 1 - 4, kannetecknad av att multipla par av narrinda forsta hdlkatodplatta (1) och ndmnda andra hdlkatodplatta (2) har ringformiga cirkuldra oppningar och skapar en ihalig cylindrisk form for namnda magnetrontarget (4). 7. Apparaten enligt nAgot av fOregdende krav, kannetecknad av att dtminstone en av ndmnda forsta hdlkatodplatta (1), namnda andra halkatodplatta (2) och ndmnda magnetrontarget (4) är tillverkad atminstone till viss del av olika material. 8. Apparaten enligt nagot av foregdende krav, kannetecknad av att namnda individuella par av namnda hdlkatodplattor (1) och (2) inte är parallella med varandra eller i forhallande till namnda magnetrontarget (4). 9. Apparaten enligt nagot av foregdende krav, kannetecknad av att namnda forsta halkatodplatta (1) och namnda andra halkatodplatta (2) har andra an plana former och komponerar ojamna former av namnda hdlkatodspalt (7). 10. Apparaten enligt nagot av foregdende krav, kannetecknad av att namnda magnetiskt forstarkta hdlkatodplasma (9) genereras i narnnda forsta arbetsgas (10). 18 537 187 1/6 fir AM Mek.A V I. grew `4-W.P4 Kittltago".4 t -- Co 537 187 2/6 C\1 N-- r if h. 537 187 3/6 v-C\1 0 N- 537 187 4/6 537 187 5/6 CO C\I 4, 00 1. : :•• : • : • :: • • WilNINATCW,74: 71444$ 14+ e4/11) 4+02.04 60, V4' 414%, • *A*4. * * ket 4461,614M,441.4)..40441.4th ...... 111111111111111■1111111111111111 N.S.NWSI44 PPPY.141:1,P:41.1.7*V4V:PPAI. 11,0 0/ 0 0 4 , e ..0/ 4p ' 917111111111 : • : 14411111k •••■ 5. 5. /1 - 6 1. ....... • g.4741 11,1SL ripiptir(44741:4414. 700 "le 2. +.411A4&..1 t I "4 4. • 11,4& AVIkilLWANSILIMIRASOME. ••/ ,.,..,,,.......F ......,.. 4,.,....",- N .11,4,4 4.1 „AtiV A, 41 .41.0. 5. S. 1. , C 1. 0 it X CY) 5. I/ I/ / / / /

1. :1- "l- CN• 537 187 6/6 r- C \I