CS273447B1 - Method and device for ionic cladding during layers sputtering - Google Patents

Description

Vynález se týká způsobu a zařízeni pro iontové plátováni při naprašováni vrstev nebo iontové leptáni substrátů a/nebo vrstev. Použití vynálezu umožňuje přivádět vysoký iontový proud na substráty ve velkých vzdálenostech, to znamená až do několika set milimetrů od rozprašované katody.

Nanášeni tenkých vrstev katodovým naprašovánitn je známý proces, vynikající nad jinými metodami/ například nad napařovánlm, vysokou reprodukovatelnostl, možnosti nanášet vrstvy v libovolném směru, například shora dolů,’ dále snadným přenosem složeni směsi a slitin z rozprašované katody do vrstvy a dalšími· výhodami. Klasické diodové naprašováni je však neefektivní a pomalé vzhledem k vysokým tlakům plynu, potřebným k udrženi doutnavého výboje. Proto bylo navrženo několik způsobů, jak využít magnetického pole ke sníženi pracovního tlaku při naprašováni. Tyto systémy ss opiraji o Penningův základní americký patent š. 2;i46.025 z r. 1939. Bedno z řešeni navrhl 3. Clark v americkém patentu č. 3,616.450. Podle tohoto patentu se prodlužuje dráha elektronů v zařízeni takovým způsobem, že*válcová dutá anoda je umístěna v axiálním magnetickém poli a rozprašovaná katoda jevy tvořena ve tvaru dutého válce, umístěného souose 9 anodou; mimo magnetické pole. Daleko úspěšnějším řešením však byl magnetronový výboj podle amerických patentů B.F.Corbaniho š. 3;878.085 z roku 1975 a O.S.Chapina Č. 4,'166.018 z roku 1979. Podle těchto patentů se nad rozprašovanou katodou vytvoří uzavřený tunel siločar magnetického pole, prodlouží se dráha elektronů v tomto tunelu,' zvýši se ionizace a zrychli se rozprašování. Viz také publikaci B.L.Vossen a W.Kern,' Academie Press, New York, 1978.

Pro nanášeni řady technicky důležitých vrstev je třeba současně s kondenzujícím materiálem přivádět na substrát také nabité částice s vhodnou energii, například kladné ionty. Tento způsob nanášení ss nazývá iontovým plátováním a dříve než u naprašováni byl použit při napařováni. Příkladem js odpařování elektronovým svazkem podle amerického patentu Moll et al« č. 4,197.175 z roku 1980. Iontové plátování při magnetronovém naprašováni je známo z amerického patentu B.Zegy č. 4,116.791 z roku 1978. Substrát se umísti na elektrodě, která js napájena záporným předpětim vůči vakuové komoře, přičemž raagnetconová katoda je umístěna proti substrátům a ja napájena záporným napětím proti vakuové komoře. Přsdpšti elektrody se substráty extrahuje fionty z aagnetronového výboje, a tím se dosahuje iontového plátováni. Padle amerického patentu W.O.Munze č. 4/426.257 z roku 1984 je chráněn způsob a zařízeni pro nanášeni trojrozměrných těles. Podle tohoto způsobu se pohybuji tělesa určená k povlakování mezi dvěma magnetronovými katodami,' přičemž v prostoru mezi těmito katodami hoři společnýdoutnavý výboj. Substráty se také mohou napájet záporným předpětim pro iontové plátováni.

Nedostatkem uvedených metod iontového plátováni při magnetronovém naprašováni je, že iontový proud extrahovaný předpětim substrátů rychle klesá při zvyšování vzdálenosti substrátu od katody magnetronu a obvykle už ve vzdálensti-20 až 50 mm od katody klesá na hodnoty příliš nízké pro iontové plátováni. Také plazma mezi dvojici katod při velkých vzdálenostech těchto katod zaniká. Proto nelze uvedené metody použít pro iontové plátováni vzdálených nebo rozměrných předmětů. Hustotu plazmatu ve větších vzdálenostech od katody magnetronu lze zvýšit například pomocí obloukového výboje v duté katodě, ze kterého se extrahuji elektrony pro ionizaci plazmatu. Tento systém je chráněn americkým patentem 3.3.Cuoma et al. č. 4,588.490 z roku 1986. Takové řešeni však celé Zařízeni komplikuje a prodražuje.

Uršité zvýšení toku nabitých částic na substráty se pozoruje u Jednoho z typů planárpich magnetronů, nazvaného nevyvážený magnetron, viz B.Window a N.Savvides, 3.Vac. Sci.Technol.A4,· 1986, 196-202. V tomto typu magnetronu některé siločáry magnetického pole, vycházející z periferie rozprašované katody, směřují před katodu, přibližují se k sobě a ve větších vzdálenostech se potom opět od sebe vzdalují. Substráty umístěné v magnetickém poli před katodou jsou podrobeny většímu bombardu nabitými částicemi než u klasického vyváženého magnetronu. Podobné magnetické pole lze vytvořit také vnějším zdrojem, permanentním magnetem nebo cívkou, například způsoby chráněnými v amerických patentech ’·*>

CS 273 447 SI

Fraeera, δ. 4;046.660 z roku 1977 nebo v americké· patentu Nishikavy et al. č. 4,441.974. Při měřeni iontového proudu tekoucího na substrát v závislosti na záporném předpětí přiloženém na substrát se u “nevyváženého magnetronu pozoruje typická závislost, vyznačující ae saturaci iontového proudu při předpětí substrátů převyšujícím asi -50 až -200 V.

Tento efekt znamená, že v zařízeni hoři výboj/ udržovaný procesy iontově-elektronové sekundární emise ne katodě magnetronu; a tento výboj je zdrojem omezeného množstvi iontů extrahovaných předpětim substrátů. U nevyváženého magnetronu nebyl publikován vyěěi poměr Ig/Ijj než 0;3, kde je celkový iontový proud na rozprašovanou katodu a I_Q je celkový iontový proud na substráty. Navíc extrahovaný iontový proud klesá rychle se vzdálenosti od magnetronu. Proto i “nevyvážený“ magnetron je možno použit pro iontové plátováni pouze v některých případech, kdy lze povlakovat substráty v blízké oblasti před magnetronem a extrahované iontové proudy na substrát jsou pro danou aplikaci dostatečné.

Předmětem vynálezu je způsob a zařízeni pro prováděni tohoto způsobu, který se týká iontového plátováni při napraěováni vrstev nebo iontového leptáni substrátů a/nebo vrstev v doutnavém výboji; hořícím v plynu nebo ve směsi plynů za sníženého tlaku, při kterém se na substráty naprašuji částice rozpraěované z povrchu katody, napájené stejnosměrným záporným nebo vysokofrekvenčním napětím proti anodě; e při kterém se substráty udržuji na stejnosměrném záporném nsbo na vysokofrekvenčním napětí U₈ proti anodě.

Podstata způsobu podle vynálezu v základním rozsahu spočívá v tom, že se v takzvaném udržovacím prostoru mezi katodou a substráty vytvoří udržovací magnetické pole, jehož siločáry spojuji katodu ss substráty a na hraniční ploše udržovacího prostoru má udržovací magnetická pole alespoň takovou hodnotu magnetické indukce; při které všechny elektrony s energii E — eU/ kde a · l;602 . 1θ”^θ C a U max. Al^/,’/U_g/ , mají poloměr rotace elektronu kolem každé hraniční siločáry meněi; nežli je vzdálenost anody od hraniční siločáry a to v celém jejím úaaku mezi katodou substráty· Interakci udržovacího magnetického pole s doutnavým výbojem, hořiclm mezi katodou, anodou a substráty; se vytvoří a udrží plazma' v udržovacím prostoru, a tak se substráty,* popřípadě vrstvy na substrátech, bombarduji klad nými ionty z plazmatu udržovacího prostoru. Tim se na substráty naprašuji vrstvy při iontovém plátováni nebo se povrch substrátů leptá, přičemž rychlost nanášeni vrstvy a jeji vlastnosti nabo rychlost leptáni se ovlivňuji intenzitou iontového bombardu substrátů a katody.

Podstata prvni alternativy způsobu podle vynálezu v základním rozsahu spočívá v tom, žs se změnou tvaru a/nebo indukce takzvaného udržovacího magnetického pole mezi katodou a substráty řidl poměr iontového proudu X₈; tekoucího na substráty, k iontovému proudu 1^, tekoucímu na katodu, a tím se ovlivňuje rychlost nanášeni vrstev a jejich vlastnosti nabo rychlost leptáni substrátů a/nebo vrstev.

Podstata druhé alternativy, která navazuje na první alternativu způsobu podle vynálezu v základním rozsahu; spočívá v tom; že takzvané udržovací magnetické pole s proměnnou indukci a tvarem se vytváří složením alespoň dvou magnetických poli. Siločáry prvního magnetického pole procházejí katodou a substráty; zatímco siločáry druhého magnetického pole vytvářejí uzavřený tunel siločar nad katodou. Přitom magnetická indukce alespoň jednoho z obou magnetických poli se měni a tim se ovládá tvar a/nebo indukce výsledného takzvaného udržovacího magnetického pole.

Zařízeni pro prováděni způsobu podle vynálezu v základním rozsahu, to znamená zařízeni v základním provedeni, sestává z vakuové komory; ve které js umístěna katoda rozprašovacího zdroje; držák ss substráty a anoda. Ve stěně vakuové komory je umístěn přivod pracovního plynu a čerpací výstup. Vně vakuové komory jsou umístěny dva zdroje napětí, a to zdroj stejnosměrného nebo vysokofrekvenčního napětí U^, jehož záporný, popřípadě první pól je připojen ke katodě, a zdroj stejnosměrného nebo vysokofrekvenčního napětí U_g, jehož záporný případně prvni pól je připojen k držáku se substráty. Kladné, popřípadě druhé póly obou zdrojů jsou spolu spojeny a připojeny k anodě.

CS 273 447 Bl

Podstata zařízeni v základním provedení pro provádění způsobu podlá vynálezu v základním rozsahu spočívá v tom, že součásti zařízení je alespoň jeden zdroj udržovacího magnetického pole, které je koncentrováno v udržovacím prostoru mezi katodou a substráty tak, že jeho siločáry spojují katodu a držák se substráty a jak anoda, tak stěny vakuové komory jsou vně udržovacího prostoru.

Podstatou první alternativy zařízeni v základním provedení, je použiti trvalého magnetu a/nebo elektromagnetů jakožto zdroje prvního magnetického pole.

Základem druhé alternativy zařízeni pro prováděni způsobu podle vynálezu v základním rozsahu včetně první a druhé alternativy způsobu je první alternativa zařízení.

Podstatou druhé alternativy zařízeni jsou alespoň dva zdroje udržovacího magnetického pole, z nichž alespoň jeden první zdroj js zdrojem prvního magnetického pole, a alespoň jeden druhý zdroj js zdrojem druhého magnetického pole, přičemž alespoň jeden první zdroj a/nebo alespoň jsdsn druhý zdroj magnetického pole je vytvořen elektromagnetem.

Základem třetí alternativy zařízení pro prováděni způsobu podle vynálezu v základním rozsahu včetně první a druhé alternativy způsobu je druhá alternativa zařízeni.

Podstatou třetí alternativy zařízeni je rovinná katoda, která Je souosá s držákem se substráty umístěnými proti ni. Elektromagnet pro vytvořeni alespoň jednoho udržovacího magnetického pole se siločarami, které spojuji souosou rovinnou katodu kruhového tvaru s držákem se substráty, sestává z první cívky,' připojené ke zdroji proudu Ip která je souosá s rovimcu kruhovou katodou i kruhovým držákem substrátů. Oo dutiny první cívky je vloženo válcové jádro z měkké oceli, které js souosé s kruhovou katodou. Toto jádro je společným magnetickým obvodem prvni cívky a také druhé cívky, příslušné elektromagnetu pro vytvořeni alespoň Jednoho druhého magnetického pole se siločarami ve tvaru uzavřeného tunelunad rovinnou souosou katodou. Druhá cívka je připojena ke zdroji proudu I₂· Válcové Jádro z měkké oceli je souosé s kruhovou rovinnou katodou a doléhá na ni jednak svým soustředným trnem, upevněným uvnitř jádra k jeho vnějšímu čelu, jednak, svým kruhovým okrajem válcové části, v jejíž dutině ve tvaru válcového mezikruží je uložena druhá civka elektromagnetů. Válcové jádro Je opatřeno přírubou, kterou je přes těsněni a izolaci upevněno k okraji kruhového výřezu na svislé stěně vakuové komory, která js připojena ke spolu spojeným kladným pólům zdroje napětí mezi katodou a anodou a zdroje napětí U_g mezi anodou a substráty.· Záporný pól zdroje napětí js spojen s katodou a záporný pól zdroje napětí U_g Je spojen s držákem substrátů.

Základem čtvrté alternativy zařízení pro provádění způsobu podle vynálezu v základním rozsahu včetně prvni a druhé alternativy způsobu ja druhá alternativa zařízeni.

Podstatou čtvrté alternativy zařízeni je katoda, která má tvar plného nabo dutého rotačně symetrického tělesa; a zdroje magnetických poli jsou-umístěny rotačně symetricky vzhledem k ose katody, přičemž substráty Jsou mmistěny kolem vnějšího povrchu katody nebo uvnitř duté katody..

Podstata jednoho konkrétního provedeni čtvrté alternativy zařízeni spočívá v tom, že ve válcové vakuové komoře; která je zároveň anodou zařízeni; je upevněn dutý, souosý válcový držák, jehož průměr je menší nežli průměr vakuové komory.a na jehož vnitřní válcovou plochu jsou upevněny substráty. Válcová vakuová komora js zcela zapuštěna do souosé válcové nádoby, která je magnetickým oobvodem celého zařízení a jejíž vnitřní průměr Je větši nežli vnější průměr vakuové válcové komory, jejíž dno je v ose rotační symetrie nádoby a celého zařízeni opatřeno trnem. Na tomto trnu jsou postupně zdola nahoru nastaveny: První trvalý válcový magnet, nad nim válcový sloupek z magneticky měkké oceli, druhý válcový trvalý magnet a válcová podložka z magneticky měkké ocali. Oba trvalé válcové magnety vytvářejí druhé magnetické pole, znázorněné siločarami ve tvaru zavřených tunelů nad válcovými poorchy trvalých magnetů. Na sestavu obou trvalých magnetů, válcového sloupCS 273 447 Bl ku a podložky z magneticky měkké oceli, je nasazena-válcová katoda, která je nahoře uzavřena a dolnim okrajem postavená na přírubu otvoru ve dnu válcové vakuové komory. Tato příruba je trnem zajištěna spolu s celou vakuovou komorou a válcovým držákem substrátů v souosé poloze. Ve válcové dutině mezi dnem válcové nádoby a dnem válcové vakuové komory ja uložena kotoučová cívka elektromagnetu pro vytvořeni prvního udržovacího magnetického pole; znázorněného radiálními siločarami. Válcová vakuová komora Je opatřena přívodem a průchodkou ka katodě, přívodem a průchodkou k držáku substrátů, jakož i přívodem k anodě,' která je zároveň válcovou vakuovou komorou.

Použitím způsobu a zařízeni podle vynálezu lze dosáhnout vysokých iontových proudů tekoucích na substráty. Celkový iontový proud tekoucí na substráty běžně dosahuje hodnoty pětkrát vyšší; nežli je celkový iontový proud tekoucí na rozprašovanou katodu. Poměr obou proudů lze v širokém rozmezí měnit ovládáním tvaru a indukce magnetického pole.

Tím se neobyčejně rozšiřuji možnosti iontového plátováni při napraěovénl vrstev, protože regulací iontového proudů na substráty lze řídit vlastnosti nanášených vrstev, popřípadě dosáhnout iontového leptáni substrátů. Vysoké iontové proudy na substráty, převyšující nejméně 20 % iontového proudu na katodu, lze dosáhnout již při nízkých napětích U&; například -100 V, a ve velkých vzdálenostech substrátů od katody; běžně 100 až 200 mm.

To umožňuje vytvářet kvalitní vrstvy, například nitridu titanu,' iontovým plátováním. Přitom lze 8 výhodou užit relativně vysokých pracovních.tlaků řádu 2 až 10 Pa a kvalitní vrstvy vytvářet i na substrátech složitých tvarů, to jest na plochách, které nejsou v při mé viditelnosti od katody.

Podstata vynálezu je dále vysvětlena na příkladech zařízeni pro prováděni způsobu podle vynálezu pomocí připojených výkresů, kde na obr·' 1 je schematické znázornění principu zařízeni, na obr. 2 je první příklad konkrétního zařízeni 8 rovinnou katodou, na obr. 3 je druhý přiklad konkrétního zařízeni e válcovou katodou, na obr. 4 je příklad dia gramu závislosti proudu X . tekoucího na substráty, na napětí U. mezi substráty a anodou, na obr. 5 je příklad diagramu závislosti proudu 1^,' tekoucího na katodu, na napětí mszi katodou a anodou a přiklad diagramu závislosti napětí U. mezi substráty a anodou na napětí mezi katodou a anodou, na obr. 6 je přiklad diagramu závislosti proudu I_s, tekoucího na substráty, na vzdálenosti d katody od držáku substrátů v zařízeni podle obr. 2 a na obr. 7 je přiklad diagramu závislosti jednak proudu X_s, tekoucího na substráty, jednak napětí U_g mezi substráty a nodou, na proudu 1^, tekoucím do civky pro vytvořeni druhého magnetického pole s uzavřeným tunelem siločar nad katodou podle obr. 2.'

Na obr. 1 je schematické znázorněni principu zařízeni pro prováděni způsobu podle vynálezu. Toto zařízeni je vytvořeno z vakuové komory 1; ve které je u jedné svislé stěny umístěna rovinná katoda 2, u protější stěny je držák 4 sa substráty £ a u dna komory JL je umístěna anoda 3 mezi katodou 2 a držákem 4 se substráty. Přívod 8 pracovního plynu je nahoře ve svislé stěně u katody 2, čerpací ústi 9 je upraveno nahoře ve svislé stěně u držáku 4 se substráty 5. Vně vakuové komory 1 je umístěn zdroj 6 napětí a zdroj napětí U , přičemž napětí U.O U_e jsou stejnosměrná nebo vysokofrekvenční napětí. Kladné s K β póly zdrojů J5 a 7 jsou spolu spojeny a připojeny k anodě 3. Záporný pol zdroje 6 napětí je připojen ks katodě 2 a záporný pól zdroje 7 napětí U_g ja připojen k držáku 4 substrátů 5. Zdroj magnetického pole, jehož siločáry 10 protínají katodu 2 a držák 4 aa substráty'5, není na obr. 1 znázorněn, protože může být realizován t>u3 vně, nebo uvnitř, vakuové komory J_;, například jednou nebo dvěma souosými cívkami s osou shodnou se společ_ nou osou katody 2 a držáku 4 se substráty 5.

Na obr. 2 je znázorněn přiklad prvního konkrétního zařízeni pro prováděni způsobu podle vynálezu. Vakuová komora £ má stěny elektricky vodivé, jelikož celá komora 1 ja anodou. V jedné svislé bočni stěně vakuové komory JL js izolovaně upevněna rovinná katoda 2, zhoto,vsná například z titanu: Je kruhového tvaru a její průměr je 120 mm. Proti katodě 2 Je souose upevněn držák 4 se substráty 5; držák 4 je v nastavitelné vzdálenosti d od rovinné katody 2. Držák 4 má také kruhový tvar a rozměry jako katoda 2 a je umis5

CS 273 447 Bl těn souosá s katodou 2. Zdroj £ napětí mezi anodou a katodou 2 a zdroj 7 napětí U_g mezi substráty 5 a anodou jsou umístěny vně komory 1. Zdroje 6 a 7 jsou zdroje stejnosměrného nebo vysokofrekvenčního napěti. Stejnosměrné napěti má hodnotu od nuly do 1 000 V. Zdroj prvního magnetického pole je vytvořen první cívkou 11, souosou s kruhovým držákem £ substrátu 5. V dutině první cívky 11 je vloženo duté válcové jádro 12 z magneticky měkké oceli, se souosým trnem na čale uvnitř jádra 12. Na tomto trnu je navlečena druhá civka 14 zdroje druhého magnetického pole. Dutina vs tvaru válcového mezikruži je uzavřena kruhovou rovinnou katodou 2, která přiléhá na zabroušený okraj yálcového Jádra 12 a na zabroušenou čelní plochu trnu. Na válcovém ocelovém jádru 12 je poblíže katody 2 upravena příruba, upevněná přes těsněni a izolaci 13 k okraji kruhového výřezu kolem rovinné kruhové katody 2 ve stěně vakuové komory £. První civka 11 js napájena proudem I₂ a druhá civka 14 proudem 1^. První civka 11 vytváří první magnetické pole znázorněné siločarami 15. Druhá civka 14 vytváří druhé magnetické pole znázorněné siločarami £6, které tvoři nad katodou 2 uzavřený toroidálni tunel.’ *

Na obr. 3 je znázorněn přiklad druhého konkrétního zařízení pro prováděni způsobu podle vynálezu. Toto zařízení má válcovou katodu 17 uvnitř souosé válcové vakuové komory £8, vs které je dále upraven válcový souosý držák 19 se substráty 5, které jsou umístěny na jeho vnitřním povrchu. Poď dnem válcové vakuové komory 18 je umístěna souosá kotoučová civka 20. Magnetický obvod je vytvořen válcovým tělesem 21a, v jehož ose jo vodicí trn 22, který zajištuje souosost válcové vakuové komory £8, válcového držáku 19 substrátů 5, kotoučové cívky 20 a válcové katody 17; jakož dvou trvalých válcových magnetů 23 a 24 umístěných nad sebou a dvou válcových sloupků 25; 26 magnetického obvodu, které zajišťuji zároveň přesnou vertikální polohu trvalých válcových magnetů 23 a 24. U víka válcové vakuové komory 18 je na jedné straně upraven přívod Ei pracovního plynu a proti němu naproti čerpací ústi j3. Elektrické přívody 27, 28 k válcové katodě 17, k válcovému držáku 19 se substráty 5 a k vakuové komoře 18 jsou provlečeny izolačními průchodkami. Anodový přívod 29 je upraven na vlku válcové vakuové komory 18.

Na obr. 4 je znázorněn přiklad diagramu závislostí proudu I_g, tekoucího z katody na substráty v zařízení podle obr. 2; na napěti U mezi substráty a anodou, v závislosti s na velikosti proudu I₂ tekoucího cívkou 11, jež vytváří první magnetické pole, znázorněné siločarami £5. S rostoucí hodnotou proudu I₂ = OA; IA a 10A byly změřeny křivky 30, 31, 32 závislosti I₂ » f /υθ/.

Přitom konstantní parametry byly: » -500 V, 1^ » IA, tlak argonu P_Ar » 5 P , vzdálenost katody od držáku sa substráty d » 70 mm. Křivka 30 se tedy týká klasického magnatronu, křivkg 31 se týká nevyváženého magnetronu a křivka 32 se týká zařízení podle vynálezu.

Na obr. 5 je znázorněn přiklad diagramu závislosti proudu 1^,' tekoucího na katodu, na napěti mezi katodou a anodou; a závislosti napěti U_s mezi substráty a anodou na napětí U^ mezi katodou a anodou, při konstantních parametrech:

Ιθ 200 raA, tj. proud tekoucí na substráty/ I₂ » 10 A, tj. proud tekoucí do cívky 11 vytvářející první magnetické pole, 1^ = 2 A, tj. proud tekoucí do druhé cívky 14 vytvářející druhé magnetické pole, vzdálenost katody od držáku ss substráty d = 70 om, tlak argonu P_Ar = 3 Pa. Křivka 33 se tedy týká závislosti = f /U^/ a křivka 34 se týká závislosti U_g a f /^^/·

Na obr. 6 Je znázorněn přiklad diagramu závislosti proudu I_g, tekoucího na substráty, na vzdálenosti d substrátů od katody, přičemž parametrem byla hodnota proudu I₂, tekoucího do prvni cívky 11 vytvářející prvni magnetické pole.

Křivka 35 se týká závislosti proudu l_g, tekoucího na substráty, na vzdálenosti d při proudu I₂ = O A, stručně vyjádřeno: I = f /d/. Křivka 35 se tedy týká klasického magnetronu.

Křivka 36 se týká závislosti I = f /d/ při I„ = 1 A a proto nevyváženého magnetronu.

CS 273 447 81

Křivka 37 se týká závislosti I_g » f /d/ při Ig « 10 A a proto zařízeni podle vynálezu.

Přitom konstantními parametry byly hodnoty: = -500 V; 1^ » 1 A, tj. proud tekoucí na katodu, tlak argonu P_Ar 5 Pa, U_g = -100 V, tj. předpětí substrátů.

Na obr. 7 js znázorněn přiklad diagramu závislosti jednak proudu I_s, tekoucího na substráty, jednak napěti U_Q mezi substráty a anodou, na proudu Ιχ, tekoucím do druhé cívky 14 vytvářející druhé magnetické pole s uzavřeným tunelem siločar nad katodou podls obr. 2, při konstantních parametrech:

-300 V, 1^ 1 A,' I₂ 10 A, tlak argonu P_Ar 5Pa a d 30 mm.

V diagramu jsou tedy zobrazeny 2 funkce, á to:

^Xs ^{f a U}s “ ^f Á¹/·

Při použiti způsobu podle vynálezu se v odpovídajícím zařízeni vytvoří magnetické pole, jehož siločáry 10 procházej! jak substráty 5, tak katodou 2. Pokud je indukce magnetického pole dostatečná, pohybuji se elektrony vznikající na elektrodách nebo v plazmatu po šroubovlcových drahách kolem siločar 10 v dostatečně malých poloměrech a nemohou být přímo odsáty na anodu 3; proto se elektrony pohybuji po prodloužené dráze mezi katodou 2 substráty 5 na držáku 4. Přitom velká část těchto elektronů nemůže dopadnoutna katodu 2 oni na substráty 5, protože elektrické pole je v blízkosti katody 2 a substrátů 5 odpuzuje a obraci směr jejich pohybu po šroubovici zpět. Zachycené elektrony jsou doprovázeny také zachycenými ionty a vzniklé plazma ja hustší, nežli by tomu bylo v případě bez magnetického pole. Ooutnavý.výboj je přitom udržován jak procesy nakatodě 2,' tak procesy na substrátech 5. Iontový proud tekoucí na substráty 5 může proto nabývat vysoké hodnoty a lze hp využit pro iontové plátováni nebo pro iontové leptáni substrátů 5.

3e-li magnetické pole kromě toho poblíže katody 2 tvarováno tak, že některé siločáry vytvářejí nad katodou uzavřený tunel siločar,’ va kterém se mohou také zachytit elektrony, lze potom změnou indukce nebo tvaru magnetického pole měnit poměr proudů tekoucích na substráty k proudu katody, a tim ovlivňovat vlastnosti nanášených vrstev.

Při použiti zařízeni podle obr. 1 ee do vakuové komory 2 napouští přívodem 8 pracovní plyn nebo směs plynů na žádaný pracovní tlak. Potom se zapálí doutnavý výboj, hořící mezi katodou 2 anodou 3 a držákem 4 se substráty 5} tento doutnavý výboj hoři v takzvaném udržovacím prostoru v udržovacím magnetickém poli se siločarami 10, vytvořeném elektromagnetem nebo trvalým magnetem. Aby vznikl výboj/ je nutné, aby hodnota indukce magnetického pole byle dostatečně velká. To znamená, aby se alespoň kolem jedné siločáry pohybovaly bez srážky s anodou 3 všechny elektrony s energiemi až do hodnoty E = eU, přičemž U max./Ug/J a e a 1,602 . 10^ c je náboj elektronu. Z toho plyne, že je-li vzdálenost anody od této siločáry rovna R, potom poloměr r rotace elektronů s energii eU musí být menši; nežli hodnota R,’ tedy ••-ΙΪΨ -oi·***· Bej/žŠ!'·

V tomto výraze znamená B indukci pole na dané siločáře a m o 9,11 . 10 kg je hmotnost elektronu. 3e-íi nápřiklad vzdálenost siločáry od anody £ rovna R = 10 mm, a je-li l)_g a -100 V a = -500 V, potom hodnota U a 500 V a indukce B musi mlt hodnotu alespoň

7,5 mT. Potřebné hodnoty indukce B bývaji obvykle v rozsahu od 2 mT do 20 mT.

Činnost zařízení podle obr. 2 je následující: Protože celá vakuová komora 2 tvoří anodu, je zhotovena z vodivého materiálu. Zdroje £5, 7 napěti a U_s dodávají napěti v rozsahu například od nuly do 1 OOO V. V udržovacím prostoru je vytvořeno výsledné takzvané udržovací magnetické pole, složené ze dvou magnetických polí. Prvni magnetické pole, jehož siločáry procházejí rovinnou katodou 2, udržovacím prostorem a substráty 5 s držákem 4, je vytvářeno zdrojem, tj. první cívkou 21· napájenou proudem I₂· První civ7

CS 273 447 Bl ka 11 je nasazena souose na válcové jádro 12 magnetického obvodu, jehož osa je totožná s osou rovinné katody 2 a držáku 4 se substráty 5. Druhá cívka 14 vunitř válcového jádra 12 je napájena proudem Ip kterým se vytváří druhé magnetické pole, jehož siločáry 16 mají tvar tunelu nad rovinnou katodou 2. Složením prvního a druhého magnetického pole vzniká výsledné udržovací magnetické pole, jehož velikost indukce a jehož tvar je řiditelný změnou indukce prvního a/nebo druhého magnetického pole, a to řízením velikosti stejnosměrných proudů I₂ a/nabo 1^ tekoucích do cívek 11, 14. Siločáry, které sou vně udržovacího prostoru, neovlivňují proces probíhájcci uvnitř udržovacího prostoru.

Tvar magnetických poli vysvořených cívkami 11 a 14 je kromě toho upraven válcovým jádrem 12 z magneticky měkké ocelí. Činnost zařízeni podle obr. 2 je v dalším popsána a vysvětlena diagramy uvedenými na obr. 4, 5, 6 a 7.

Zařízeni podle obr. 3 je jedním ze mnoha možných konkrétních geometrických uspořádání. V zobrazeném zařízeni se rozprašuje vnější povrch válcové katody 17, kolec které jsou umístěny substráty 5 na vnitřní stěně souosého válcového dutého držáku 19 substrátů 5. Činnost zařízení zajištujo první magnetické pole, jehož siločáry 201 utají radiální uspořádání v prostoru mezi válcovou katodou 17 a vnitřním povrchem držáku 19 substrátů 5. Zdrojem tohoto prvního magnetického pole je kotoučová cívka 20 nasazená na vodici trn 22, který je součásti.magnetického obvodu 21a + 21b + 22 + 23 +· 25 +· 24 a 26. Toto magnetické pole musi být dostatečně intenzívni, aby umožnilo záchyt elektronů v oblasti mezi katodou 17 a substráty 5 podobně, jako je tomu v planárnía uspořádání podle obr. 2. V zařízeni podle obr. 3 může být také vytvořeno druhé magnetické pole v blízkosti válcové katody 17 a činnost tohoto druhého magnetického pole je zcela analogická činnosti druhého magnetického pole v planárním uspořádáni podle obr. 2. Dva trvalé válcové magnety 23 a 24 vytvářejí dvě rotačně symetrická magnetická pole, která jsou na obr. 3 znázorněna siločarami 231 a 241. Složením prvního magnetického pole, znázorněného siločarami 201, a druhého magnetického pole, znázorněného siločarami 231, 241, vzniká výsledné udržovací magnetické pole,' jehož velikost magnetické indukce a jehož tvar jsou ovlivnitelné změnou indukce prvního a/nebo druhého magnetického pole. Indukci prvního magnetického pole lze měnit změnou stejnosměrného proudu tekoucího kotoučovou cívkou 20. Indukci druhého magnetického pole lze měnit pouze výměnou dvou trvalých magnetů 23, 24 za jiné, které máji jinou hodnotu magnetické indukce.

Zařízeni podle obr. 3 lze principiálně použit také v inverzním režimu, při kterém vnější, dutý válec ja rozprašovanou katodou a vrstvy se nanášejí na substráty, umístěné v centru duté katody, tj. v její ose. V tom případě musí být druhé magnetické pole koncentrováno u vnějšího válce jakožto duté katody.

Na obr. 4 jsou znázorněny tři případy závislosti proudu I , tekoucího na substráty 5, na napětí U_g mezi substráty 5 a anodou 2 v zařízeni podle obr. 2 pří různé hodnotě indukce prvního magnetického pole, které je vytvářeno proudem I₂ tekoucím do cívky

11. V případě; že I₂ “ O, potom zařízení podle obr. 2 je totožné s vyvázaným magnetronera, o čemž svědčí také křivka 30 závislosti proudu I na napětí U . Proud I je velmi malý va srovnáni s proudem 1^ tekoucím na katodu a při vysokých záporných hodnotách napětí U_g, až například do -500 V téměř nenarůstá, ale nasycuje se. Při zvýšení hodnoty proudu I₂ na hodnotu 1 A, zrněni sa zařízení vlastně na nevyvážený magnetron. Množství iontů odsávaných z magnatronu se sice zvýši, ale nikoliv vice než na necelých 23 procent proudu na katodu, jak je patrné z křivky 31. Při dalším výrazném zvýšení proudu I₂, tekoucího do cívky 11, na hodnotu 10 A, se zrněni charakter celého zařízeni podle obr. 2, protože magnetické pole mezi katodou 2 a substráty 5 dosáhne dostatečně vysoké magnetické indukce pro vznik doutnavého výboje, charakteristického pro navrhované řešeni. Proud I_s tekoucí na substráty v závislosti na napětí U_g nezi katodou 2 a anodou prudce '.-urůstá a dosahuje stejné hodnoty jako proud tekoucí na katodu 2 jíž při napětí - -2CC V, jak je patrné z křivky 32. Kromě toho křivka 32 na rozdíl od křivek 30 a 21 nevykazuje saturaci, což svědčí o tom, že výboj v zařízení je udržován také procesy no sucstratec

5, což je ilustrováno diagramem podle obr. 5.

CS 273 447 Bl

Na obr. 5 Je uveden přiklad křivky 33 závislosti proudu katody 2 na napětí mezi katodou 2 a anodou v zařízeni podle obr. 2. Dále je znázorněna křivka 34 závislosti napětí U_g mezi substráty 5 a anodou při stálém proudu I_g 200 mA tekoucím na substráty £5 a při konstantním magnetickém poli; tj. při konstantních proudech X₂ » 10 A a Ι_χ a -2 A.

Z diagramu na obr. 5 je zřejmé, že proud je velmi málo závislý ná napětí U^ meti katodou a anodou, což je charakteristika zcela odlišná od známých charakteristik magnetronů. Tato skutečnost je důsledkem toho, že výboj je udržován procesy na substrátech a katoda pouze odsává určité množství iontů z tohoto výboje. Proud I_g na substráty 5 tačs i při proudu I a O a je tedy zřejmé, že poměr může v daném zařízeni dosáhnout libovolně vysokých hodnot. Při napět! U^ » -5Ů0 V je poměr Ig/¹^ vyšši nežli 5.

Na obr. 6 je ukázáno, jskou významnou výhodou zařízeni podle obr. 2 poskytuje a čeho je tato výhoda důsledkem. V diagramu jsou vyneseny závislosti proudu I_g, tekoucího na sub střáty, tedy křivky 35, 36, 37 na velikosti'vzdálenosti d^mezi substráty a katodou. Křivka 35 se týká vyváženého magnetronu; tedy při í₂ O, křivka 36 se týká nevyváženého magnetronu, tedy při I, «lAg křivka 37 se týká zařízeni podle vynálezu, tedy při I₂ =

A. Z diagramu je patrné, že hustota plazmatu a tedy taká iontový proud připadající na proud 1 tekoucí na substráty rychle klesá u vyváženého i nevyváženého magnetronu a již ve vzdálenosti d « 60 mm mezi katodou a substráty činí maximálně 30 % proudu tekoucího na ka todu. Naproti tomu při hodnotě proudu I₂ = 10 A jsou hodnoty-proudu I_g tekoucího na substráty vysoké a téměř nezávislé na vzdálenosti d až do hodnoty d a 150 mm, kdy hodnota indukce magnetického pole klesne pod potřebnou prahovou hodnotu a zařízeni již nevyhovuje definici podle předloženého řešeni.

Na obr. 7 je ukázána možnost ovládáni proudu I_, tekoucího na substráty, pomoci prou s du lj, tekoucího do cívky 14 na Obr. 2; která vytváří druhé magnetické pole sa siločarami 16, Křivka 33,' která znázorňuje vztah I_g a f /tj/ má výrazně klesajlci charakter. Při vysokých hodnotách proudy Ip tskouciho do cívky 14 pro Vytvořeni druhého magnetického pole, je vlče elektronů zachyceno timto druhým magnetickým polem, a tím se sníží poměr proudů I_g/I₂, Změnami proudu lj lze ovládat proud I_g minimálně od hodnoty 0,35 A do l;0 A přičemž napětí U se mění jan málo; jak ja patrné z průběhu křivky 39.

Konstrukci zařízeni pro prováděni způsobu podle vynálezu lze obměňovat, modifikovat mnoha různými způsoby, podle toho, jakého druhu jsou substráty, jaký je speciální účel po užiti a jaká je velikost substrátů. Tvar a velikoet substrátů jakož i charakter části povrchu substrátů, dále okolnost, zda části povrchu, které mají být opatřeny vrstvami žádaných vlastnosti, jsou V dutinách anebo na místech jinak obtížně přístupných, vede k nutnosti uplatněni zvláštních nároků na způsob a zařízení podle vynálezu. Oe důležitou výhodou způsobu a zařízeni pro jeho prováděni, že různé potřebné alternativy a modifikace konstrukčního provedeni j3ou vždy dobře možné,’ což má význam technický i ekonomický. 3e nutno ještě zdůraznit, že v praxi prakticky stěži může vzniknout případ, kdy velikost substrátu znemožni využití způsobu a zařízeni podle vynálezu z důvodů velmi malých nebo naopak velkých rozměrů.

Claims (9)

1. Způsob iontového plátováni při naprašováni vrstev nebo iontového leptáni substrátů a/nebo vrstev v doutnavém výboji, hořícím v plynu nebo ve směsi plynů za sníženého tla ku, při kterém se na substráty naprašuji částice rozprašované z povrchu katody, napájené stejnosměrným záporným nebo vysokofrekvenčním napětím U^ proti anodě, a při kterém se substráty udržuji na stejnosměrném záporném nebo na vysokofrekvenčním·napětí U_g proti anodě, vyznačující se tim, že se v udržovacím prostoru mezi katodou a substráty

CS 273 447 Bl vytvoří udržovací magnetické pole, jehož siločáry spojují katodu se substráty a na hraniční ploše udržovacího prostoru má udržovací magnetické pole alespoň takovou hodnotu magnetické indukce, při které všechny elektrony s energii E — ell, kde e 5 1,602 .

. 10 ^⁹ C a U a max. ϊ/^υι</ι/^υ5/^ , mají poloměr rotace elektronu kolem každé hraniční siločáry menší, nežli js vzdálenost anody od hraniční siločáry, a to v celém jejím úseku mezi katodou a substráty, a interakcí udržovacího magnetického pole s doutnavýra výbojem, hořicim mezi katodou, anodou a substráty, se vytvoří a udrží plazma v udržovacím prostoru, a tak se substráty, popřípadě vrstvy na substrátech, bombarduji kladnými ionty z plazmatu udržovacího prostoru, a tim se na substráty riaprašuji vrstvy při iontovém plátováni nebo se povrch substrátů leptá,' přičemž rychlost nanášení vrstvy a jeji vlastnosti nebo rychlost leptání se ovlivňuji intenzitou iontového bombardu substrátů a katody.

2. ^sůsob podle bodu 1, vyznačující se tim; že změnou tvaru a/nebo indukce udržovacího magnetického pole mezi katodou a substráty ss řídí poměr iontového produ I_s tekoucího na substráty k iontovému proudu tekoucímu na katodu,' čímž sa ovlivňuje rychlost nanášení vrstev a jejich vlastnosti nebo rychlost leptáni substrátů a/nebo vrstev.

3. Způsob podle bodů 1 a 2, vyznačujici se tim, že udržovací magnetické pole s proměnnou indukci a tvarem se vytváří složením alespoň dvou magnetických polí, přičemž siločáry prvního magnetického pole procházejí katodou a substráty,' siločáry druhého magnetického pole vytvářej! uzavřený tunel siločar nad katodou a změnou indukce alespoň jednoho z obou magnetických poli se ovládá tvar a/nebo indukce výsledného takzvaného udržovacího magnetického pole.

4. Zařízeni pro próváděni způsobu podle bodu 1, sestávající z vakuové komory, ve které je umietěna katoda rozprašovsciho zdroje, držák se substráty a anoda, přičemž ve stěně vakuové komory je umístěn přívod pracovního plynu a čerpací výstup, vně vakuové komory jsou umístěny dva zdroje napětí, a to zdroj stejnosměrného nebo vysokofrekvenčního napětí jehož záporný případně první pól je připojen ke katodě, a zdroj stejnosměrného naho vysokofrekvenčního napětí U_s, jehož záporný případně první pól je připojen k držáku se substráty, zatímco kladné póly případně druhé póly obou zdrojů jsou spolu spojeny a připojeny k anodě, vyznačující se tim,' že součásti zařízeni je alespoň jeden zdroj (11) udržovacího magnetického pole, koncentrovaného v udržovacím prostoru mezi katodou (2; 17) a substráty (5) tak; že jeho siločáry (10, 15, 201) spojují katodu (2, 17) a držák (4, 19) se substráty (5) a jak anodá (3), tak stěny vakuové komory (1) jsou vně udržovacího prostoru.

5. Zařízeni podle bodu 4 pro provádění způsobu podle bodu 1, vyznačujici se tim, že zdrojem prvního udržovacího magnetického pole je trvalý magnet a/nebo elektromagnet.

6. Zařízeni podle bodu 5 pro provádění způsobu padle bodů 1, 2 a 3 vyznačující se tím, že zařízení obsahuje alespoň dva zdroje udržovacího magnetického pole/ z nichž alespoň jeden první zdroj je zdrojem (11/ 20) prvního magnetického pole a alespoň jeden druhý; je zdrojem (14/ 23, 24) druhého magnetického pole, přičemž alespoň jeden první zdroj (11, 20) a/nebo alespoň jeden druhý zdroj (14, 23, 24) je vytvořen elektromagnetem.

7. Zařízeni podle bodu 6 pro prováděni způsobu podle bodů 1, 2 a 3; vyznačujici se tim, že katoda (2) je rovinná/ souosá s držákem (4) se substráty (5) umístěnými proti rovinné katodě (2), přičemž elektromagnet pro vytvoření prvniho udržovacího magnetického pole se siločarami (15) sestává z první cívky (11),- připojené ke zdroji proudu 1^, která je souosá s rovinnou kruhovou katodou (2) i kruhovým držákem (4) substrátů (5) a do jejíž dutiny je vloženo jádro (12) z měkké oceli, souosé s kruhovou katodou (2), a toto jádro (12), které je společným magnetickým obvodem první cívky (11) a souosé druhé cívky (14), příslušející elektromagnetu pro vytvořeni druhého udržovacího magnetického pole se siločarami (16), připojené ke zdroji proudu 1^, je souosé s kruhovou

CS 273 447 Bl rovinnou katodou (2), na kterou doléhá jednak svým soustředným trnem, upevněným uvnitř jádra (12) k jeho vnějšímu čelu; jednak svým kruhovým okrajem válcové části, v jejiž dutině ve tvaru válcového mezikruži je uložena druhá civka (14) elektromagnetu, přičemž válcové jádro (12) je pomoci příruby upevněno přes těsněni a izolaci (13) k okraji výřezu ve svislé stěně vakuové komory (1), která je zároveň anodou (3).

8. Zařízeni podle bodu 6 pro prováděni způsobu podle bodů 1, 2 a 3, vyznačující se tim, že katoda má tvar plného nebo dutého rotačně symetrického tělesa a zdroje magnetických poli jsou umístěny rotačně symetricky vzhledem k ose katody, přičemž substráty jsou umístěny kolem vnějšího povrchu katody nebo uvnitř duté katody.

9. Zařízeni podle bodu 6 pro prováděni způsobu podle bodů 1; 2 a 3, vyznačující se tim, že ve válcové komoře (18), která je zároveň anodou zařízeni, je upevněn dutý, souosý válcový držák (19), jehož průměr ja menši nežli průměr komory (18), a na jehož vnitřní válcovou plochu jsou upevněny substráty (5),’ přitom Válcová vakuová komora (18) je zcela zapuštěna do souosé válcové nádoby (21a), která je magnetickým obvodem celého zařízeni a jejíž vnitřní průměr je větší nežli vnější průměr vakuové válcové komory (18); přičemž dno (21b) válcové nádoby (21a) je v ose rotační symetrie nádoby (21a) a celého zařízeni opatřeno trnem (22); na kterém jsou nad sebou'umístěny prvni trvalý válcový magnet (23) a nad nim druhý trvalý válcový magnet (24) pro vytvořeni druhého udržovacího magnetického pole; znázorněného siločarami (231, 231) ve tvaru uzavřených tunelů; přičemž mezi oběma trvalými magnety (23, 24) je vložen válcový sloupek (25) z měkké oceli, ve které je také zhotovena válcová podložka (26) v dutině nad druhým, horním trvalým válcovým magnetem (24); a na tuto sestavu obou trvalých magnetů, sloupku a podložky z magneticky měkké oceli je nasazena válcová katoda (17), nahoře uzavřená a dolním Okrajem postavená na přirúbu otvoru ve dnu válcové vakuové komory (18) a tato příruba je trnem (22) zajištěna spolu s celou vakuovou komorou (18) a válcovým držákem (19) substrátů (5) v souosé poloze^ přičemž ve válcové dutině mezi dnem (21b) válcové nádoby (21a) a dnem válcové vakuové komory (18) je uložena kotoučová civka (20) elektromagnetu pro vytvořeni prvního udržoovaciho magnetického pole, znázorněného radiálními siločarami (201); a konečně je válcová vakuová komora (18) opatřena přívodem (27) a průchodkou ke katodě, přívodem (28) a průchodkou k držáku (4) substrátů (5) a přívodem (29) k anodě, která Je zároveň válcovou vakuovou komorou (18).