CZ30018U1 - Zařízení k řízení depozice tenkých vrstev ve vakuovém vícetryskovém plazmovém systému - Google Patents

Description

Technické řešení spadá do oblasti aplikace technologických postupů při vytváření tenkých vrstev, zejména čistých kovů, jejich oxidů, nitridů či dalších sloučenin, na povrchu substrátu a týká se zařízení k řízení depozice tenkých vrstev ve vakuovém vícetryskovém plazmovém systému při využití plazmochemických reakcí v aktivní zóně generovaného výboje. Řešení je uzpůsobeno zejména ve spojení s uplatněním technologií plazmové trysky pracující na principu výboje v duté katodě hořící v režimu HCA (Hollow Cathode Are).

Dosavadní stav techniky

Výboj v duté katodě jako technologický nástroj pro depozici tenkých vrstev je znám již od osmdesátých let minulého století. V praxi jsou systémy využívající nízkotlakou dutou katodu zpravidla tvořeny reaktorem ve formě uzemněné kovové nádoby, v níž je pracovní tlak udržován v rozpětí 10'⁵ až 10² Pa pomocí turbomolekulámí vývěvy. Tryskou, která slouží zároveň jako elektroda, proudí do reaktoru pracovní plyn a v její spodní části je umístěna dutá katoda, která je vyrobena z materiálu odpovídajícímu vytvářené vrstvě. Aby nemohlo dojít k přehřátí trysky, je tato chlazena zpravidla vodou protékající měděným chladičem, který trysku pevně obepíná. Prostřednictvím trysky jsou do systému dodávány zpravidla inertní pracovní plyny, zatímco reaktivní plyny, jako například kyslík nebo dusík, jsou do reaktoru přiváděny odděleně. Proud pracovního plynu v trysce lze regulovat do té míry, že jeho výtoková rychlost může být v závislosti na pracovním tlaku jak nadzvuková, tak podzvuková. K vygenerování plazmatu a zapálení výboje dochází v ústí duté katody. Výboj je pak unášen proudícím pracovním plynem dovnitř reaktoru, kde se vytváří intenzivní plazmachemický kanál, který je možné využít k technologickým účelům, jako je třeba nanášení tenkých vrstev, opracování povrchů apod. Výboj v duté katodě odprašuje povrch trysky, tedy duté katody, a takto odprášený materiál je plazmatickým kanálem unášen směrem k substrátu, kde vytváří deponovanou vrstvu. Výhodou popsaného systému je skutečnost, že tok částic na substrát není na rozdíl od magnetronu způsoben pouze difúzí kladně nabitých částic, ale je důsledkem subsonického nebo supersonického proudu pracovního plynu. Tohoto faktu lze s úspěchem využít k deponování vrstev na substráty komplikovaných tvarů, např. do dutin a podobně, neboť je možné nasměrovat proudící kanál přímo na požadovanou plošku, což je popsáno například ve spise CZ 283407 o názvu ,jZpůsob a zařízení pro vytváření povlaku na vnitřních stěnách dutých substrátů, zejména trubic“. Další výhodou používání těchto metod je možnost depozice magnetických vrstev, protože magnetické pole generované deponovanou vrstvou jen velmi málo ovlivňuje tok částic na substrát. Klíčovou výhodou výboje v duté katodě ve srovnání s magnetronovým naprašováním je však vysoká depoziční rychlost při reaktivním naprašování, tzv. sputteringu. Protože tryskou zpravidla proudí pouze inertní pracovní plyn, například Ar. He apod., nedochází v průběhu depozice k oxidaci trysky a pokrývání jejího vnitřního povrchu tenkou dielektrickou vrstvou. Tento jev označovaný v praxi jako „target poisoning“ negativně ovlivňuje depoziční rychlost právě u magnetronových systémů, kde v závislosti na poměru průtoku reaktivní a nereaktivní složky pracovního plynu, v závislosti na odprašovaném materiálu, módu buzení výboje a v závislosti na výkonu absorbovaném ve výboji může depoziční rychlost reaktivního sputteringu klesnout až na zlomek depoziční rychlosti při naprašování čistého kovu. V případě výboje v duté katodě dochází ke kontaktu odprášeného materiálu a reaktivní složky pracovního plynu až vně trysky a požadovaná chemická reakce tak probíhá mimo erozní zónu rozprašovaného terče. Depoziční rychlost reaktivního naprašování je proto v případě duté katody plně srovnatelná s depoziční rychlosti nereaktivního sputteringu.

Vhodnými modifikacemi původní konfigurace duté katody se v posledních letech podařilo její depoziční rychlost ještě zvýšit. Například využitím pulzního režimu místo kontinuálního bylo možné dosáhnout vyšších hodnot středního výbojového proudu, a tím pádem i většího množství rozprášených částic, při zachování stejné teplotní zátěže. Toto bylo experimentálně ověřeno např. ve stati Hubička Z., Čada M., Potůček Z., Ptáček P., Síchová H., Málková Z., Jastrabík L. and Trunda B., Low pressure deposition of Li_xZn_yO thin films by means of RFplasma jet systém. Thin

- 1 CZ 30018 Ul

Solid Films 447, 656 (2004). Další významnou úpravou s pozitivním vlivem na depoziční rychlost bylo využití tzv. „hollow cathode are“ (HCA) režimu, jehož teorie je detailně popsána např. v práci: C. M. Ferreiraa and J. L. Delcroix, Theory of the hoolow cathode are, Journal of Applied Physics 49, 23 0 (1979). Tryska duté katody, nebo alespoň její spodní část, není v tomto případě chlazena vodou a po zapálení výboje dochází v důsledku iontového dopadu, tzv. bombardmentu, k jejímu cílenému ohřevu. Ve stavu tepelné rovnováhy je vnitřní strana trysky ohřívána dopadajícími ionty a vnější strana ochlazována tepelnou radiací. V závislosti na použitém materiálu se může tryska ohřát i na více jak 1500 °C a k růstu vrstvy tak přispívá nejen odprašování povrchu trysky, ale i její evaporace. S rostoucí teplotou je podíl evaporace vyšší. Tato metoda byla využita např. při depozici CrN vrstev a popsána v publikaci Baránková H, Bárdoo. L., and Gustavsson L.-E., High-rate hot hollow cathode are deposition of chromium and chromium nitride fdms, Surace & Coatings Technology 188-189, 703 (2004).

Při porovnám použití technologie duté katody s magnetronovým naprašováním je možno uvést i některé nevýhody, když velkým handicapem je např. vysoká nehomogenita deponované vrstvy. Na rozdíl od magnetronu, kde velikost rovnoměrně poprášené plochy do značné míry koresponduje s velikostí rozprašovaného terče, je tloušťkový profil vrstvy naprášené dutou katodou vždy výrazně nehomogenní a má přibližně tvar rotačně symetrické dvoudimenzionální Gaussovy křivky. Nehomogenita vrstvy naprášené dutou katodou je tím větší, čím menší je vzdálenost mezi tryskou a substrátem. S rostoucí naprašovací vzdáleností ale významně klesá depoziční rychlost vose symetrie. Přitom právě dobrá homogenita vrstev a vysoká depoziční rychlost jsou klíčovými požadavky pro úspěšnou průmyslovou aplikaci vyvíjených systémů. K dosažení obou těchto cílů se v posledních letech testuje několik modifikací původního uspořádání duté katody. Jedním z nich je např. využití dvou deskových terčů umístěných paralelně proti sobě tak, jak je popsáno např. v odborném článku Kubo Y, Iwabuchi Y, Yoshikawa M., Sáto Y and Shigesato Y, High rate deposition of photocatalytic TiCf films with high activity by hollow cathode gas-flow sputtering method. Journal of Vacuum Science & Technology A 26, 893 (2008). Tato technika je známa pod názvem gas-flow sputtering (GFS) a vůbec poprvé byla popsána v roce 1989 v článku Ishii K. High-tate low kinetic energy gas-flow-sputtering systém. Journal of Vaccum Science & Technooogy A 7, 256 (1989). Principiálně je tato technika podobná výboji v duté katodě, dosahované depoziční rychlosti při reaktivním sputteringu jsou výrazně vyšší než u klasického magnetronového naprašování a homogenita deponovaných vrstev ve směru umístění terčů je s magnetronem plně srovnatelná.

Jiným možným způsobem jak kompenzovat tloušťkovou nehomogenitu vrstev připravených pomocí duté katody je využití tzv. vícetryskového systému, tedy uspořádat několik trysek vedle sebe do jedné řady tak, aby jednotlivé plazmatické kanály tvořily buď ucelenou plazmovou stěnu, nebo vzájemně kompenzovaly poklesy depozičních rychlostí při okrajích plazmových kanálů. Nejčastěji používaným regulačním mechanismem rychlosti depozice tenkých vrstev je proudová nebo výkonová regulace jednotlivých trysek. Je prokázáno, že zatímco v případě magnetronového naprašování je tento mechanismus plně dostačující, v případě výboje v duté katodě je použitelný pouze pro oblast doutnavého výboje. Bylo zjištěno, že pro nízké hodnoty výkonu a proudu roste depoziční rychlost spolu s absorbovaným výkonem. S nimi však roste i teplota nechlazené části trysky a v důsledku toho i odpovídající termoemise. V blízkosti bodu, kdy výboj přejde z režimu doutnavého výboje do režimu HCA, dojde k výraznému poklesu napětí a tím pádem i absorbovaného výkonu. Teplota trysky i depoziční rychlost však stále rostou. Z uvedeného je zřejmé, že v případě výboje v duté katodě pracující v režimu HCA není depoziční rychlost jednoznačnou funkcí absorbovaného výkonu a použití výkonové regulace při vysokých depozičních rychlostech je komplikované.

V nedávné minulosti byly testovány i jiné způsoby regulace depoziční rychlosti. Například ve spisu US 20120193219 Al - „Method for determinnig process-specific data of a vacuum deposition proces“ je popsána regulační metoda využívající optickou emisní spektroskopii k řízení některých parametrů při deponování tenkých vrstev prostřednictvím magnetronu. V jiném spisu US 4166783 A - „Deposition rate regulation by Computer kontrol of sputtering systems“ je popsána metoda zpětnovazební regulace depoziční rychlosti prostřednictvím počítačem řízeného

-2 CZ 30018 Ul monitoringu výkonu. Žádná z uvedených metod však není aplikovatelná na výboj v duté katodě hořící v HCA režimu.

Úkolem předloženého technického řešení je představit nové zařízení k řízení depozice tenkých vrstev ve vícetryskovém plazmovém systému při využití plazmochemických reakcí v aktivní zóně generovaného výboje, kde pomocí jednoduchého regulačního mechanismu je možno spolehlivě kontrolovat depoziční rychlost jednotlivých dutých katod tvořících vícetryskový plazmový systém.

Podstata technického řešení

Stanoveného cíle je dosaženo technickým řešením, kterým je zařízení k provádění způsobu řízení depozice tenkých vrstev ve vakuovém vícetryskovém plazmovém systému využívajícím plazmochemické reakce v aktivní zóně generovaného výboje a tvořeném alespoň jednou řadou plazmatických trysek, jejichž pracovní trubice jsou zakončeny dutou katodou, jejíž ústí je ustaveno v blízkosti horní plochy nosné soupravy s uloženým substrátem, kde podstata řešení spočívá v tom, že v plášti vakuové komory jsou vytvořeny otvory, které jsou umístěny na úrovni dutých katod plazmových trysek a které jsou opatřeny průhlednými průzory, za každým z nichž je vně vakuové komory instalován infračervený pyrometr, který je nasměrován na koncovou část duté katody za účelem sledování její povrchové teploty a je napojen na řídící jednotku, na níž jsou dále napojeny zdroje napětí jednotlivých plazmových trysek a pohonný mechanizmus nosné soupravy.

Ve výhodném provedení technického řešení při vybavení vakuové komory dvěma řadami nebo dvěma dvojicemi řad plazmových trysek jsou plazmové trysky v každé řadě uloženy ekvidistantně tak, že mezi každými dvěma sousedními plazmovými tryskami je stejná vzdálenost (d), přičemž v řadách vzájemně protilehlé plazmové trysky jsou vždy ve směru kolmém na posuv substrátu vzájemně posunuty o polovinu vzdálenosti (d), kde plazmové trysky v obou řadách jsou vzhledem k umístění substrátu ustaveny v šikmém směru proti sobě tak, že průsečnice rovin procházejících jejich podélnými osami leží v rovině pokrývaného substrátu.

Předkládaným technickým řešením se dosahuje nového a vyššího účinku v tom, že umožňuje vysokorychlostní depozici homogenních vrstev nanášených prostřednictvím reaktivního naprašování s využitím výboje v duté katodě hořícím v režimu HCA. Dosahovaná depoziční rychlost je oproti standardním metodám reaktivního magnetronového naprašování v DC módu až o řád vyšší a přibližně 2x až 3x vyšší oproti klasickému výboji v duté katodě či GFS metodě hořící v režimu doutnavého výboje a přitom zachovává homogenitu naprášených vrstev na předem požadované úrovni. Velkou výhodou popsané metody je zejména fakt, že je zcela modulární a tudíž rozšířitelná na libovolně velkou pokrývanou plochu.

³⁵ Objasnění výkresů

Konkrétní příklady provedení zařízení podle technického řešení jsou znázorněny na připojených výkresech, kde obr. 1 je celkové schéma základního provedení zařízení, obr. 2 je zjednodušený půdorysný pohled na zařízení z obr. 1 se znázorněním vzájemného roz40 místění dvou sousedních řad plazmových trysek, obr. 3 je algoritmus činnosti řídící jednotky pro každou konkrétní trysku, obr. 4 je grafické znázornění tloušťkového profilu vytvářených tenkých vrstev naprašovaných vícetryskovým systémem podle vynálezu z různých vzdáleností, obr. 5 je grafické znázornění depoziční rychlosti jako funkce absorbovaného výkonu, obr. 6 je grafické znázornění depoziční rychlosti jako funkce teploty duté katody, obr. 7 je půdorysný pohled na alternativní provedení zařízení vybavené jednou řadou plazmových trysek,

-3CZ 30018 Ul obr. 8 je půdorysný pohled na alternativní provedení zařízení vybavené dvěma dvojicemi řad plazmových trysek a obr. 9 je celkové schéma alternativního provedení zařízení vybaveného dvěma dvojicemi řad plazmových trysek.

Výkresy, které znázorňují představované technické řešení a prokazují jeho účinky, a následně popsané příklady konkrétních provedení v žádném případě neomezují rozsah ochrany uvedený v definici, ale jen objasňují podstatu řešení.

Příklady uskutečnění technického řešení

Zařízení umožňující řízení depozice tenkých vrstev ve vakuovém vícetryskovém plazmovém systému podle technického řešení jev základním provedení znázorněném na obr. 1 a obr. 2 tvořeno vakuovou komorou 1, v jejímž vnitřním prostoru 101 ie instalována nosná souprava 2 pro uložení substrátu 3, na který je deponována požadovaná tenká vrstva. Nosná souprava 2 je tvořena soustavou sestávající z chladícího válce 21, opatřeného neznázoměným pohonným mechanizmem, a z náváděcích válců 22, mezi nimiž je posouván substrát 3, tvořený například elastickou folií.

Vakuová komora Ije přes spojovací hrdlo 102 a neznázoměný oddělovací regulační ventil standardně propojena s rovněž neznázoměnou Čerpací jednotkou, například vývěvou. Do vnitřního prostoru 101 vakuové komory I jsou shora zaústěny jednak přívod 104 reaktivního plynu a jednak dvě řady plazmových trysek 4 nainstalovaných v neoznačených přírubách vytvořených v plášti vakuové komory I tak, že jejich ústí se nachází v blízkosti horní plochy nosné soupravy 2 s uloženým substrátem 3. Plazmové trysky 4 jsou v řadě uloženy ekvidistantně tak, že mezi každými dvěma sousedními plazmovými tryskami 4 je stejná vzdálenost d, přičemž v řadách vzájemně protilehlé plazmové trysky 4 jsou vždy ve směru kolmém na posuv substrátu 3 vzájemně posunuty o polovinu vzdálenosti d, jak je znázorněno na obr. 2. Plazmové trysky 4 v obou řadách jsou vzhledem k umístění substrátu 3 ustaveny v šikmém směru proti sobě tak, aby průsečnice rovin procházejících jejich podélnými osami ležela v rovině pokrývaného substrátu 3. Jednotlivé plazmové trysky 4 jsou tvořeny chladičem 41, vyrobeným s výhodou z mědi, kterým protéká chladicí kapalina, například voda, a který je přes ochranný rezistor 5 vodivě spojen se zdrojem 6 napětí. Chladič 41 těsně obepíná dutou katodu 44, jejíž výtoková část přesahuje spodní okraj chladiče 41 přibližně o 15 až 20 mm a která navazuje na pracovní trubici 42, kterou proudí inertní pracovní plyn. Samotný chladič 41 je vně obklopen izolačním krytem 43, například keramickým nebo křemenným, zabraňujícím zapalování parazitních výbojů v průběhu depozice.

V plášti vakuové komory I jsou vytvořeny otvory 103, které jsou umístěny na úrovni dutých katod 44 plazmových trysek 4 a které jsou opatřeny průhlednými průzory 7, vyrobenými například z borosilikátového skla. Za každým z těchto průzorů 7 je vně vakuové komory I instalován infračervený pyrometr 8, který je nasměrován na koncovou část duté katody 44 za účelem sledování její povrchové teploty. Celé zařízení je pak vybaveno řídící jednotkou 9, na níž jsou napojeny jak infračervené pyrometry 8, tak zdroje 6 napětí jednotlivých plazmových trysek 4 a pohonný mechanizmus chladícího válce 21 nosné soupravy 2.

Při depozici tenké vrstvy na substrát 3 je v každé plazmové trysce 4 samostatně zapálen výboj, jehož parametry jsou řízeny prostřednictvím vnějšího zdroje 6 napětí. Spodní okraj duté katody 44, který vyčnívá z měděného chladiče 41 a není tudíž chlazený, se v důsledku iontového bombardmentu v průběhu depozičního procesu ohřeje na vysokou teplotu přesahující už při nízkých proudech hodnotu 1000 °C. Tato teplota jednotlivých dutých katod 44 je individuálně bezkontaktně sledována infračervenými pyrometry 8, které odesílají signál o aktuální povrchové teplotě duté katody 44 do řídící jednotky 9, která je vyhodnocuje a upravuje na základě obdrženého signálu výbojový proud, činnost řídící jednotky 9 se řídí algoritmem, který je zobrazen na obr. 3.

V závislosti na výbojovém režimu každé plazmové trysky 4 reguluje řídící jednotka 9 efektivní hodnotu proudu, a to buď střední hodnotu proudu, v případě plazmové trysky 4 pracující v DC režimu, nebo střídu, v případě plazmové trysky 4 pracující v pulzním režimu, kdy je kontrolován poměr mezi aktivní a pasivní částí pulzu. Řídící jednotka 9 testuje odchylku aktuální a požado-4CZ 30018 Ul váné teploty a je-li tato odchylka větší než povolená tolerance ΔΤ, sníží proud nebo zkrátí střídu, je-li teplota trysky vyšší než požadovaná a naopak. Jedinou výjimkou je indikace zapálení obloukového výboje. Dojde-li v průběhu depozice k zapálení elektrického oblouku mezi výstupní částí duté katody 44 a libovolnou anodou uvnitř vakuové komory I, je tento vznik oblouku vždy doprovázen prudkým poklesem teploty duté katody 44 pod kritickou teplotu T_k nebo pod hranici měřitelnosti příslušného pyrometru 8. V takovém případě řídící jednotka 9 přeruší depoziční proces, např. vysunutím neznázoměné clony mezi systém plazmových trysek 4 a substrát 3, a to až do doby, než dojde k obnovení stabilních depozičních podmínek. Základním úkolem řídící jednotky je udržovat teplotu všech dutých katod 44 v průběhu depozičního procesu na stejných hodnotách tak, aby depoziční rychlosti jednotlivých dutých katod 44 plazmových trysek 4 byly shodné. Aby tento jednoduchý regulační mechanismus fungoval, je nutné, aby všechny duté katody 44 byly vyrobeny ze stejného materiálu, měly stejné geometrické rozměry, tedy délku, vnitřní a vnější průměr, aby byly vyústěny ve stejné vzdálenosti od substrátu 3 a byly protékány stejným proudem pracovního plynu. Z provedených experimentů se ukázalo, že při splnění těchto podmínek je depoziční rychlost jednoznačnou funkcí teploty, což je dokladováno grafickým znázorněním na obr. 6. Závislost depoziční rychlosti na výkonu je pak znázorněna na obr. 5 a na obr. 4 je uvedeno grafické znázornění porovnám tloušťkového profilu vytvářených tenkých vrstev naprašovaných vícetryskovým systémem podle vynálezu z různých vzdáleností. S pomocí zmíněného grafu lze prokázat, že např. pro titanové duté katody 44 o vnitřním průměru 6 mm, průtoku argonu cca 200 sccm, pracovním tlaku 15 Pa a pro vzdálenost plazmové trysky 4 od substrátu 3 o velikosti 5 cm, má naprášená vrstva Gaussovský profil s odpovídajícím rozptylem σ~ 1,9 cm. V takovém případě postačuje k naprášení vrstvy o maximální nehomogenitě 10 % umístit jednotlivé plazmové trysky 4 s rozestupy 4,4 cm od sebe. Toto však platí pouze za předpokladu, že depoziční rychlost dutých katod 44 jednotlivých plazmových trysek 4 je stejná.

Popsaná konstrukce zařízení není jediným možným provedením podle technického řešení, ale jak je patmé z obr. 3, může být do vnitřního prostoru 101 nainstalována pouze jedna řada plazmových trysek 4, nebo jak plyne z obr. 8 a obr. 9, může být zařízení vybaveno dvěma dvojicemi řad plazmových trysek 4. Nosná souprava 2 pro uložení substrátu 3 nemusí být tvořena chladícím válcem 21 a naváděcími válci 22, ale může být tvořena horizontálně posuvným plochým stolkem vybaveným prostředky pro upevnění substrátu 3, například desky nebo plátu, na který se tenká vrstva deponuje.

Průmyslová využitelnost

Zařízení k řízení depozice tenkých vrstev ve vakuovém vícetryskovém plazmovém systému konstruované podle technického řešení je vhodné pro využití ve všech průmyslových oborech zabývajících se vysokorychlostní plazmatickou depozicí tenkých vrstev. Lze je sice využít i pro depozice čistých kovů, hlavní uplatnění však najde zejména u reaktivního naprašování oxidových sloučenin, jako jsou vrstvy T1O2, AI2O3, Fe2O₃, Ζ1Ό2, WO₃, ZnO a řada dalších.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims (3)

1. Zařízení k provádění způsobu řízení depozice tenkých vrstev ve vakuovém vícetryskovém plazmovém systému využívajícím plazmochemické reakce v aktivní zóně generovaného výboje a tvořeném alespoň jednou řadou plazmatických trysek (4), jejichž pracovní trubice (42) jsou zakončeny dutou katodou (44), jejíž ústí je ustaveno v blízkosti horní plochy nosné soupravy (2) s uloženým substrátem (3), vyznačující se tím, že v plášti vakuové komory (1) jsou vytvořeny otvory (103), které jsou umístěny na úrovni dutých katod (44) plazmových trysek (4) a které jsou opatřeny průhlednými průzory (7), za každým z nichž je vně vakuové komory (1) instalován infračervený pyrometr (8), který je nasměrován na koncovou část duté katody (44) za účelem sledování její povrchové teploty a je napojen na řídící jednotku (9), na níž jsou dále na-5CZ 30018 Ul pojeny zdroje (6) napětí jednotlivých plazmových trysek (4) a pohonný mechanizmus nosné soupravy (2).

2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že při vybavení vakuové komory (1) dvěma řadami nebo dvěma dvojicemi řad plazmových trysek (4) jsou plazmové trysky (4)

5 v každé řadě uloženy ekvidistantně tak, že mezi každými dvěma sousedními plazmovými tryskami (4) je stejná vzdálenost (d), přičemž v řadách vzájemně protilehlé plazmové trysky (4) jsou vždy ve směru kolmém na posuv substrátu (3) vzájemně posunuty o polovinu vzdálenosti (d), kde plazmové trysky (4) v obou řadách jsou vzhledem k umístění substrátu (3) ustaveny v šikmém směru proti sobě tak, že průsečnice rovin procházejících jejich podélnými osami leží ío v rovině pokrývaného substrátu (3).