УСТРОЙСТВО МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ
MAGNETRON SPUTTERING DEVICE

[001] Настоящее изобретение относится к устройству магнетронного распыления и способу магнетронного распыления.
[002] Примеры устройств магнетронного распыления уже известны из DE 10 2014 105 947 A1, DE 11 2008 000 702 T5 и EP 3 041 026 B1.
[003] В целом, под понятием «распыление», который происходит от глагола «распылять» = «атомизировать», понимают физический процесс, в котором атомы высвобождаются из твердого вещества, так называемой мишени, за счет бомбардировки ионами высокой энергии и тем самым переходят в газовую фазу. Высвобожденные атомы покрывают тело и оседают на его поверхности в виде тонкого слоя. Тело, на которое должно быть нанесено покрытие, обычно называют «подложкой». В технических применениях этот физический процесс используют, например, для нанесения покрытия на режущие инструменты, держатели инструментов и формующие инструменты.
[004] Данный тип процесса нанесения покрытия также известен как «осаждение распылением» и относится к группе вакуумных процессов PVD. PVD - сокращение от «physical vapour deposition» и означает физическое осаждение из паровой фазы. Покрытие обычно служит для повышения стойкости, защиты от износа и механической твердости.
[005] При физическом осаждении из паровой фазы исходный материла переводят в газовую фазу. Атомы, высвобождаемые из мишени, ускоряют путем ввода энергии на подложку, подлежащую покрытию, и осаждают на поверхности подложки в виде пограничного слоя. В процессе PVD материал, который должен быть осажден, т. е. материал мишени, обычно присутствует в виде твердого вещества и, как правило, расположен в вакуумированной камере для нанесения покрытия, также известной как реакционная камера. В этой реакционной камере подложка, на которую должно быть нанесено покрытие, находится на расстоянии от мишени.
[006] Энергию подают, например, путем приложения электрического поля постоянного тока между мишенью и анодом, при этом мишень образует отрицательно заряженный катод в электрическом поле постоянного тока. В этом случае реакционную камеру заполняют инертным технологическим газом, который приводят в ионизированное состояние за счет ввода энергии электрического поля постоянного тока (образование плазмы). Положительно заряженные ионы технологического газа ускоряют электрическим полем постоянного тока по направлению к положительно заряженной мишени и за счет этой «бомбардировки», т. е. посредством передачи физического ударного импульса, выбивают атомы материала мишени с ее поверхности, которые впоследствии перемещаются к подложке и покрывают ее поверхность. Таким образом, непрерывный поток положительно заряженных ионов ударяет по мишени, и поэтому процесс также известен как распыление при постоянном токе.
[007] В частном случае распыления при постоянном токе в дополнение к электрическому постоянному полю между катодом и анодом позади мишени формируют магнитное поле с помощью одного или нескольких электрических или постоянных магнитов, и поэтому такой процесс также называют «магнетронным распылением».
[008] Благодаря наложению электрического поля постоянного тока на магнитное поле ионы технологического газа перемещаются не параллельно линиям электрического поля, а отклоняются силой Лоренца по спиральной траектории или винтовой траектории на пути к поверхности мишени, что заставляет отдельные ионы преодолевать большее расстояние до попадания их на поверхность мишени. Этот более длинный путь увеличивает вероятность дальнейших столкновений между ионизированными ионами технологического газа и неионизированными ионами технологического газа. Другими словами, магнитное поле увеличивает ударную ионизацию и вместе с ней общее количество ионизированных атомов технологического газа. В частности, это приводит к увеличению скорости распыления, где скорость распыления представляет собой количество высвобождаемых атомов материала мишени. Таким образом, могут быть реализованы более высокие скорости нанесения покрытия без увеличения давления процесса. Увеличение давления процесса также приводит к увеличению скорости ионизации, поскольку момент отдельных ионов технологического газа может быть увеличен за счет условий более высокого давления внутри реакционной камеры. Таким образом, магнетронное распыление может улучшить рост слоя, однородность и/или свойства слоя на поверхности подложки по сравнению с простым катодным распылением. Увеличение скорости распыления приводит к меньшему рассеянию материала на его пути к подложке и к более плотному (менее пористому) поверхностному слою на поверхности подложки.
[009] Однако недостатком этого способа является то, что из-за принципа работы, т. е. электрического поля постоянного тока между мишенью и анодом, в качестве мишени или материала покрытия могут быть использованы только электропроводящие материалы. Если в качестве материала мишени используется электроизолирующий материал, то при осаждении атомов этого изоляционного материала на поверхности анода образуется электроизолирующий пограничный слой. Эта поверхность анода может быть, например, поверхностью подложки или поверхностью расходуемого листа, который соединен как анод. Из-за этого пограничного слоя в противном случае электропроводящий анод теряет свои электропроводящие свойства и, следовательно, свою функцию анода в электрическом поле постоянного тока. Это явление известно в науке как «эффект исчезающего анода» и препятствует осаждению многих представляющих интерес с технической точки зрения материалов (например, керамики, такой как оксид алюминия). Кроме того, этот эффект может разрушить устройство или, по меньшей мере, привести к прекращению процесса нанесения покрытия. Это явление может также возникать в процессах нанесения покрытия методом реактивного PVD, когда в реакционной камере помимо технологического газа присутствует химически активный газ. Если в таком процессе реактивного PVD обрабатывают, например, металлы (например, алюминий или цирконий), с использованием химической реакции путем добавления кислорода, создаются электронепроводящие слои, из-за чего анод может «исчезнуть».
[0010] Однако, особенно при нанесении покрытия на инструменты, держатели инструментов и т. п., часто в качестве материала покрытия целесообразно использовать электронепроводящие твердые вещества, такие как техническая керамика, поскольку эти материалы имеют высокую твердость, высокую термостойкость, хорошую теплопроводность, высокую химическую стойкость и коррозионную стойкость. В настоящем документе термин «техническая керамика» используется для ссылки на неорганическое электронепроводящее твердое вещество.
[0011] Таким образом, существует фундаментальная техническая проблема, заключающаяся в том, что с известными устройствами магнетронного распыления при постоянном токе электронепроводящие материалы не могут быть использованы для нанесения покрытия на подложку без риска «эффекта исчезающего анода».
[0012] Техническая возможность покрытия подложек электронепроводящим материалом обеспечивается так называемым двойным магнетронным распылением при переменном токе. Между двумя электродами, например, между мишенью и подложкой, подают переменный ток в прямом и обратном направлении, посредством чего поверхность подложки очищается при каждом изменении направления переменного тока на обратное, тем самым предотвращая «эффект исчезающего анода»
[источник: http://www.semicore.com/news/97-what-is-mf-ac-sputtering; доступен по состоянию на 26.04.2018 г.]. Этот способ нанесения покрытия существенно отличается от магнетронного распыления при постоянном токе тем, что он требует напряжения переменного тока или электрического поля переменного тока, что делает конструкцию устройства в целом более сложной с технической точки зрения и более объемной, и, таким образом, намного более затратной, и поэтому не представляет собой оптимального решения данной технической проблемы.
[0013] В вышеупомянутом документе DE 10 2014 105 947 A1 показан пример устройства или способа магнетронного распыления при постоянном токе для осаждения тонкой пьезоэлектрической пленки на акустический резонатор. Мишень состоит из электропроводящего алюминия, который легирован редкоземельным элементом, тоже являющимся электропроводящим. Эта публикация в основном касается задачи проектирования магнитного поля в интересах пьезоэлектрических свойств покрытия резонатора. Однако данная публикация не решает техническую проблему, описанную выше, но в ней явно упоминается, что мишень сделана из электропроводящего материала.
[0014] Вышеупомянутый документ DE 11 2008 000 702 T5 тоже не решает вышеупомянутую техническую проблему эффекта исчезающего анода. Описано устройство магнетронного распыления, которое используют для нанесения покрытия на подложки жидкокристаллического дисплея или полупроводниковые подложки, причем эта публикация посвящена расположению магнитов в устройстве и, следовательно, относится к другой технической области.
[0015] В вышеупомянутом документе ЕР 3041026 B1 предложено газовпускное отверстие для вакуумной камеры устройства магнетронного распыления, посредством которого должно быть гармонизировано распределение смешанного газа (технологический газ + химически активный газ) после входа в вакуумную камеру.
[0016] Сложная техническая проблема, описанная выше, приводит к технической задаче создания устройства магнетронного распыления или способа магнетронного распыления, в котором подложка может быть покрыта электронепроводящим материалом без возникновения «эффекта исчезающего анода».
[0017] В соответствии с настоящим изобретением данную проблему решают исходя из вышеупомянутого устройства магнетронного распыления, а именно: устройство магнетронного распыления содержит подложку; мишень, которая образует катод в электрическом поле постоянного тока и содержит электропроводящую смесь для нанесения покрытия на подложку; анод в электрическом поле постоянного тока; реакционную камеру, в которой расположены мишень и подложка, причем мишень расположена на расстоянии от подложки; и источник напряжения, выполненный с возможностью формирования электрического поля постоянного тока между катодом и анодом; при этом смесь содержит первый материал и второй материал, а подложка содержит третий материал, где первый материал является электронепроводящим твердым веществом, второй материал является электропроводящим твердым веществом, а третий материал является электропроводящим твердым веществом.
[0018] Кроме того, проблему в соответствии с настоящим изобретением решают с помощью способа, который включает следующие этапы: обеспечение подложки; обеспечение мишени, которая образует катод в электрическом поле постоянного тока и содержит электропроводящую смесь для нанесения покрытия на подложку, причем смесь содержит первый материал и второй материал, при этом первый материал является электронепроводящим твердым веществом, а второй материал является электропроводящим твердым веществом; обеспечение анода в электрическом поле постоянного тока; расположение мишени и подложки в реакционной камере, причем мишень располагают на расстоянии от подложки, при этом подложка содержит третий материал, который является электропроводящим твердым веществом; введение технологического газа во внутреннюю часть реакционной камеры; и формирование электрического поля постоянного тока между катодом и анодом.
[0019] С помощью устройства в соответствии с настоящим изобретением можно покрывать подложку электронепроводящим твердым веществом без возникновения эффекта исчезновения анода, несмотря на магнетронное распыление при постоянном токе. До настоящего времени это было возможно только посредством значительно более сложного и дорого магнетронного распыления при переменном токе. Это магнетронное распыление при переменном токе часто называют среднечастотным (Mid Frequency, MF) магнетронным распылением. Однако настоящее изобретение позволяет делать мишень электропроводящей путем добавления электропроводящего материала (второго материала) и продолжать обеспечивать эту электропроводность даже после того, как на поверхность подложки осаждены атомы мишени. Таким образом, подложка может быть покрыта простым и экономичным способом, например, технической керамикой, которая создает многочисленные полезные свойства покрытия. В соответствии с настоящим изобретением качество слоя и свойства слоя покрытия подложки в значительной степени определяются механическими и тепловыми свойствами электронепроводящего материала (первого материала). Второй материал добавляют только для создания электропроводимости. Следовательно, предназначенная для мишени смесь предпочтительно по большей части состоит из первого материала. С другой стороны, долю второго материала предпочтительно выбирают минимально возможной, т. е. настолько высокой, насколько это необходимо для создания требуемой электропроводимости смеси мишени. В таком случае свойства второго материала приводят только к незначительным, технически приемлемым изменениям в покрытии на подложке.
[0020] Еще одним преимуществом настоящего изобретения является то, что уже используемые обычные устройства магнетронного распыления могут быть применены без необходимости в дорогостоящей и сложной доработке или модернизации, поскольку для устройства или способа согласно настоящему изобретению требуется только заменить мишень.
[0021] Кроме того, существует еще одно преимущество по сравнению с вышеупомянутым устройством магнетронного распыления при переменном токе, поскольку устройство в соответствии с настоящим изобретением является независимым от времени, и поэтому проще в обращении.
[0022] В самом общем смысле подложка является объектом, на который нужно нанести покрытие. В данной заявке подложкой предпочтительно называют любого рода инструменты, детали инструментов, режущие инструменты, формующие инструменты, держатели инструментов и части держателей инструментов. Предпочтительно, но не обязательно, подложка в реакционной камере может быть расположена, например, на держателе подложки или прикреплена к нему с возможностью обратного съема.
[0023] В настоящем контексте под мишенью понимают твердое тело, которое, в сущности, может иметь геометрическую форму любого вида. Однако на практике укоренились мишени прямоугольной или круглой формы, причем мишень может быть предпочтительно размешена на держателе мишени в реакционной камере. Такой держатель мишени во время процесса нанесения покрытия может быть, использован, например, в качестве монтажной площадки, на которой может быть закреплена мишень с возможностью обратного съема.
[0024] Термин «реакционная камера» относится к корпусу, или рабочей камере, или рабочему объему устройства магнетронного распыления, в котором располагают мишень на расстоянии от подложки. Предпочтительно реакционная камера содержит, например, вакуумный насос для создания вакуума внутри нее. Предпочтительно реакционная камера также содержит газовпускное отверстие, через которое может быть введен технологический газ после создания вакуума, т. е. после того, как из внутренней части реакционной камеры удален воздух. Предпочтительно технологический газ является благородным газом, т. е. газом, который химически инертен, и поэтому не вступает в реакцию ни с одним или ни с более участниками реакции.
[0025] Источник напряжения подает электрическое напряжение или разность потенциалов между его точками соединения, например, реализуемыми в виде соединительных клемм или электрических выходов. В сущности, напряжение лишь незначительно зависит от электрического тока, который берут из источника напряжения. Подаваемое электрическое напряжение в идеале не зависит от соответствующего подключенного потребителя. В этом случае источник напряжения является источником напряжения постоянного тока. Это означает, что электрический выход источника напряжения постоянного тока, который подает отрицательное напряжение, соединяют с мишенью посредством кабельного соединения. Электрический выход, который подает положительное напряжение или нулевой потенциал (заземление), соединяют с анодом посредством кабельного соединения. Здесь необходимо упомянуть, что по соображениям безопасности заземление устройства предпочтительно находится в реакционной камере.
[0026] Мишень в соответствии с настоящим изобретением содержит первый материал и второй материал, что, иначе говоря, означает, что мишень состоит по меньшей мере из первого и второго материала. Таким образом, мишень содержит смесь или композицию материалов, состоящую по меньшей мере из первого материала и второго материала, но может также содержать другие материалы, например материалы-носители. Мишень в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно получена спеканием или горячим прессованием, но также может быть создана посредством других технологических процессов, с помощью которых можно объединять два различных исходных материала или ресурсов, которые предпочтительно присутствуют в виде порошка или в виде гранул, т. е. в виде твердых частиц, прежде чем их объединяют друг с другом в твердом теле.
[0027] Также необходимо отметить, что третий материал, или материал подложки, отличается от второго материала. Это означает, что химический состав третьего материала отличается от химического состава второго материала. Только измененной морфологии или структуры кристаллической решетки (например, кубической пространственно центрированной, кубической гранецентрированной или гексагональной плотноупакованной) еще не достаточно для различия между вторым материалом и третьим материалом.
[0028] В рассматриваемом случае электропроводность, которую также называют удельной проводимостью, является физической величиной, указывающей на способность вещества проводить электрический ток. В электротехнике электропроводность часто определяют как величину, обратную удельному сопротивлению вещества. Это сопротивление обычно указывают в единицах измерения системы СИ «ом⋅метр» (Ом⋅м). Электропроводность указывают в единицах измерения СИ «сименс на метр» (См/м).
6
–8
[0029] По существу вещества периодической таблицы могут быть разделены по электропроводности на четыре группы. Различают сверхпроводники, проводники, полупроводники и непроводники. Сверхпроводники являются материалами, в которых электрическое сопротивление падает почти до 0 при температуре ниже зависящей от материала температуры перехода, и электропроводность, таким образом, становится почти бесконечно большой. При температуре окружающей среды 25 °С проводники или проводящие материалы имеют электропроводность > 10 См/м. В группе полупроводников электропроводность зависит от чистоты материала. В группе непроводников, или изоляторов, электропроводность обычно определяют как < 10 См/м.
[0030] С физической точки зрения электропроводность также может быть объяснена с помощью так называемой зонной модели. В этой модели свойства энергии электронов разных материалов обычно делят на положение в так называемой валентной зоне и положение в так называемой зоне проводимости. Между валентной зоной и зоной проводимости существует так называемая запрещенная зона, с помощью которой по существу можно объяснить электропроводность материала. Например, если материал содержит большую запрещенную зону, его считают электронепроводящим или изолятором. Если, с другой стороны, материал содержит очень маленькую запрещенную зону, т. е. зона проводимости перекрывается с валентной зоной или непосредственно соединена с ней, материал считают электропроводящим. Это свойство особенно справедливо в отношении металлов. В изоляторах все электроны находятся в валентной зоне и могут быть подняты в зону проводимости только посредством ввода очень высокой энергии. В случае электропроводящих материалов либо все, либо по меньшей мере большая часть электронов находятся в зоне проводимости, что делает эти материалы проводящими без всякого ввода дополнительной энергии.
-3
-3
[0031] В данном случае представляется целесообразным определить твердое вещество как электропроводящее, если оно имеет электропроводность > 10 См/м при температуре окружающей среды 25 °C. В то же время твердое вещество нужно считать электронепроводящим, если оно имеет электропроводность < 10 См/м при температуре окружающей среды 25 °C.
1
2
1
2
1
2
[0032] В соответствии с аспектом настоящего изобретения первый материал имеет первую объемную долю ΔV, а второй материал имеет вторую объемную долю ΔV, причем имеет силу следующее соотношение: ΔV ≥ ΔV, предпочтительно ΔV ≥ 1,5 ΔV.
1
2
[0033] Здесь следует снова упомянуть, что второй материал добавляют только для того, чтобы обеспечить электропроводность покрытия. Полезные механические и тепловые свойства покрытия предпочтительно определяются свойствами материала первого материала. По этой причине целесообразно добавлять второй материал в объемной доле, которая меньше объемной доли первого материала. Для уточнения соотношения ΔV ≥ 1,5 ΔV следует отметить, что предпочтительная смесь содержит по меньшей мере 60 объемных процентов первого материала и не более 40 объемных процентов второго материала.
[0034] В соответствии с аспектом настоящего изобретения первый материал является первым неорганическим твердым веществом.
[0035] Неорганическое твердое вещество является веществом из периодической таблицы, которое присутствует в твердом состоянии при температуре по меньшей мере до 150 °С. Кроме того, под неорганическим материалом следует понимать материал, который не относится к живой природе.
[0036] В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения первое неорганическое твердое вещество является карбидом, нитридом и/или оксидом.
[0037] Карбиды и нитриды характеризуются очень сильными энергиями связи между атомами, которые приводят к высокой химической и тепловой стабильности, твердости и прочности, но в то же время к более низкой пластичности и достаточно высокой хрупкости. Высокая энергия связывания представлена на атомном уровне высокой долей ковалентных связей и низкой долей ионных связей.
[0038] Однако у оксидов преобладают ионные связи. Тем не менее, оксиды тоже характеризуются высокой твердостью, высокой износоустойчивостью и хорошей теплостойкостью, но более хрупкие, чем большинство обычных карбидов, и поэтому используются в технологии механической обработки предпочтительно для покрытий. Кроме того, оксиды проявляют высокую коррозионную стойкость при температурах вплоть до > 1000 °C.
[0039] В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения первое неорганическое твердое вещество является оксидом металла.
[0040] Оксиды металлов представляют собой соединения металла и кислорода и известны своими полезными свойствами в качестве материалов покрытия. В случае оксидов металла также преобладают ионные связи. Кроме того, они характеризуются (подобно оксидам) высокой твердостью, высокой износоустойчивостью и хорошей теплостойкостью.
2
2
3
2
[0041] В соответствии с аспектом настоящего изобретения оксид металла представляет собой оксид циркония (ZrO), оксид алюминия (AlO) или оксид титана (TiO).
2
5
[0042] Преимуществом эти оксидов металлов в качестве покрытия в технологии механической обработки является их высокая твердость и термостойкость, а также их высокая стойкость к химическим и тепловым воздействиям. Они также обладают высокой стойкостью к коррозии и все еще могут использоваться при высоких температурах в областях применения при температуре до 1000 °C. Оксид металла титанат алюминия (AlTiO) также может быть использован в качестве элемента покрытия в технологии механической обработки.
[0043] В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения второй материал является вторым неорганическим твердым веществом. Второе твердое неорганическое вещество отличается от первого неорганического твердого вещества. Разница заключается, в частности, но предпочтительно не исключительно, в свойствах электропроводности.
[0044] В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения второе неорганическое твердое вещество является элементарным металлом, боридом, карбидом и/или нитридом. При таком ограничении особое внимание должно быть уделено электропроводности второго материала, причем в качестве второго материала могут быть использованы только электропроводящие бориды, карбиды и/или нитриды. Элементарные металлы всегда обладают требуемой электропроводностью.
[0045] В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения второе неорганическое твердое вещество является карбидом.
x
y
[0046] Карбиды относятся к группе веществ, химическое соединение которых представлено элементом (E) и углеродом (C) с общей структурной формулой EC. К этой группе относятся как солеподобные, так и металлические соединения. В данном случае особенно предпочтительны металлические соединения, которые характеризуются высокой механической и тепловой стабильностью, а также высокой температурой плавления (от 3000 °С до 4000 °С).
3
2
[0047] В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения карбид является карбидом вольфрама (WC), карбидом ниобия (NbC), карбидом гафния (HfC), карбидом тантала (TaC), карбидом титана (TiC), карбидом молибдена (MoC) и/или карбидом хрома(CrC).
[0048] Карбид вольфрама (WC) имеет высокое значение твердости, а также температуру плавления 2785 °C. В целом, карбид вольфрама является основным компонентом многих типов карбидов и используется главным образом для инструментов механической обработки и в качестве материала для сверхпрочных компонентов и формующих инструментов. Карбид титана (TiC) является неорганическим химическим соединением элементов титана и углерода. Кроме того, он обладает очень хорошей электропроводностью и стабилен в воздухе при температуре вплоть до 800 °C. Он также характеризуется особенно высоким значением твердости до 4000 HV (твердость по Виккерсу). Этот материал особенно хорошо известен как материал покрытия для режущих пластин, фрезерных инструментов, сверл, формующих инструментов, полотен пилы и т. п. Карбид молибдена является интерметаллическим соединением, точно так же, как и карбид хрома. Оба материала могут быть использованы в качестве основы для коррозионно-стойких карбидных сплавов. Карбид ниобия (NbC) особенно выгоден в качестве материала для покрытия, так как этот карбид имеет гораздо более низкую закупочную цену по сравнению с карбидом вольфрама. Кроме того, он имеет очень похожие механические свойства с WC, но обладает более низкой плотностью. Другими полезными карбидами металла являются карбид тантала (TaC) и карбид гафния (HfC).
[0049] В соответствии с аспектом настоящего изобретения третий материал является карбидом, керметом, кубическим нитридом бора или сталью. Эти материалы, в частности, используют при изготовлении держателей инструментов и режущих инструментов для механической обработки, например для режущих пластин, токарных, фрезерных, сверлильных, развертывающих и отделочных инструментов.
[0050] В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения источник напряжения выполнен с возможностью формирования электрического поля постоянного тока посредством импульсов энергии.
[0051] Устройства магнетронного распыления, в которых электрическое поле постоянного тока обеспечивают импульсами энергии, также известны как устройства магнетронного распыления импульсами высокой мощности (High-energy Pulse Magnetron Sputtering, HiPIMS). Преимуществом такого усовершенствования является то, что к катоду может быть приложена более высокая мощность, посредством чего можно улучшить ионизацию технологического газа (т. е. образование плазмы). Материал мишени (смесь первого и второго материалов) сильнее ионизируется импульсами высокой энергии, что приводит к значительно более плотным и однородным слоям при формировании слоев на подложке, т. е. покрытие поверхности подложки оптимизируется. Импульсы энергии обычно имеют длительность импульса от 1 мкс до 150 мкс и обладают особенно выгодными мощностями > 1 МВт. Благодаря этим очень высоким мощностям на катоде можно достичь значительно более высоких степеней ионизации материала мишени. Эта высокая степень ионизации может значительно изменять свойства растущего слоя на подложке благодаря модифицированным механизмам роста и может, например, способствовать увеличению адгезии атомов покрытия на поверхности подложки.
[0052] В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения источник напряжения выполнен с возможностью формирования импульсов энергии мощностью > 0,1 МВт, предпочтительно > 0,5 МВт, особенно предпочтительно > 1 МВт.
[0053] В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения источник напряжения выполнен с возможностью приложения отрицательного напряжения смещения к подложке.
[0054] Когда к подложке прикладывают напряжение смещения, подложку располагают так, что она электрически изолирована от реакционной камеры. Преимуществом в данном случае является то, что реакционная камера или часть реакционной камеры служит в качестве анода, и/или нулевого потенциала или заземления для устройства магнетронного распыления. Предпочтительно к подложке прикладывают отрицательное напряжение или потенциал от -50 до -200 В, причем напряжение смещения в принципе может быть также ниже или выше ранее упомянутого интервала. Благодаря этому напряжению смещения подложки увеличивается ионная энергия частично ионизированной плазмы, которая формируется за счет ввода энергии электрического поля постоянного тока между катодом и анодом. Напряжение смещения приводит к ионной бомбардировке подложки. При очень высокой ионной бомбардировке неплотно связанные поверхностные загрязнения на поверхности подложки удаляются, а также грубеет поверхность подложки. Кроме того, данный эффект также используют, например, в эффективном процессе травления перед нанесением покрытия на подложку, чтобы улучшить адгезию покрытия. При умеренной ионной бомбардировке (напряжение смещения от 50 до 150 В) во время процесса распыления скорость движения атомов материала мишени в газовой фазе увеличивается. Это положительно влияет на структуру слоя в предпочтительных областях применения. Преимуществами, обусловленными приложением напряжения смещения, могут быть, например, увеличение энергии частиц (например, атомов смеси), увеличение плотности слоя, увеличение сжимающего напряжения и/или увеличение твердости покрытия подложки.
[0055] В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения подложка образует анод. Это означает, что подложку соединяют с источником напряжения или размещают на держателе подложки, который соединен с источником напряжения.
[0056] Преимуществом в этом случае будет то, что установку или электрическое соединение устройства можно сильно упростить, поскольку нужно просто соединить положительный выход источника напряжения с подложкой, а отрицательный выход соединить с мишенью.
[0057] В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения реакционная камера содержит корпус, который окружает мишень по меньшей мере частично и без соприкосновения с ней, причем подложка, реакционная камера и/или корпус образуют анод.
[0058] Термин «корпус» в данном случае означает, например, катодный лист, который по меньшей мере частично окружает катод, но расположен на расстоянии от него внутри реакционной камеры. Такой катодный лист может быть, например, расположен на определенном расстоянии от катода так, чтобы между катодным листом и катодом был зазор. В случае, когда корпус образует анод, технологическую газовую плазму, необходимую для процесса распыления, создают в пространстве между корпусом и катодом. В этом случае корпус тоже покрывается во время процесса нанесения покрытия. Преимуществом является то, что геометрия корпуса может быть выбрана произвольно и сконфигурирована в соответствии с конкретным устройством. Например, может быть обеспечена очень большая площадь поверхности, которую полностью используют в качестве анода. Большая поверхность анода особенно необходима при HiPIMS для плавного протекания процесса.
[0059] Вышеупомянутые возможности усовершенствования или аспекты устройства магнетронного распыления и преимущества, вытекающие из каждого из них, применимы в равной степени к способу магнетронного распыления согласно настоящему изобретению.
[0060] В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения покрытие поверхности подложки содержит атомы первого материала и атомы второго материала, причем атомы первого материала расположены таким образом относительно атомов второго материала, что покрытая поверхность подложки является электропроводящей.
[0061] «Расположение атомов первого материала относительно атомов второго материала» в данном случае означает гомогенизацию или распределение атомов по поверхности подложки. Преимуществом является то, что на поверхности подложки нет участка поверхности, где имеется скопление атомов первого материала или атомом второго материала. Предпочтительное расположение атомов первого материала относительно атомов второго материала существует, например, если соответствующие границы раздела между атомами первого материала и атомами второго материала обеспечивают общую электропроводность поверхности подложки.
[0062] В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения способ согласно настоящему изобретению включает следующий дополнительный этап: введение химически активного газа во внутреннюю часть реакционной камеры, причем химически активный газ содержит метан, ацетилен, азот или кислород, а  ионы химически активного газа таковы, что они могут реагировать с атомами первого материала и/или атомами второго материала.
[0063] При этом так называемом «реактивном распылении» к инертному технологическому газу, предпочтительно аргону, добавляют один или более химически активных газов. Эти химически активные газы реагируют на мишени в вакуумной камере или на подложке с распыленными атомами смеси и образуют с ними дальнейшие химические соединения. Полученные в результате продукты реакции затем осаждают на поверхности подложки.
[0064] Одним из преимуществ данного способа является то, что на свойства слоя реактивного распыления можно влиять, среди прочего, посредством притока химически активного газа или объемного потока химически активного газа. В добавление к кислороду и азоту также могут быть использованы другие химически активные газы, такие как водород, пар, аммиак, сероводород, метан или тетрафторметан.
[0065] Само собой разумеется, что вышеупомянутые признаки, которые будут описаны далее в настоящем документе, могут быть использованы не только в соответственно указанной комбинации, но и в других комбинациях или по отдельности в пределах объема настоящего изобретения.
[0066] Варианты реализации настоящего изобретения показаны на чертежах и описаны более подробно в последующем описании. На чертежах:
[0067] на Фиг. 1 показан схематический вид варианта реализации устройства магнетронного распыления;
2
на Фиг. 2 показано полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа изображение примера смеси ZrO-WC;
2
на Фиг. 3 показано полученное с помощью светооптического микроскопа изображение примера смеси ZrO-WC; и
2
на Фиг. 4 показано полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа изображение примера покрытия подложки смесью ZrO-WC; и
на Фиг. 5 показана схематическая последовательность способа.
[0068] На Фиг. 1 показано устройство магнетронного распыления в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, причем устройство магнетронного распыления обозначено в целом номером позиции 100.
[0069] Устройство 100 магнетронного распыления содержит реакционную камеру 10, во внутренней части 12 которой расположен стол 14 для подложки. В данном случае стол 14 для подложки выполнен с возможностью вращения и может быть приведен во вращательное движение с помощью приводного двигателя, не показанного здесь, причем скоростью вращения (в об/мин) можно управлять. Стол 14 для подложки может быть, например, установленной с возможностью вращения круглой металлической пластиной.
[0070] В данном случае во внутренней части 12 реакционной камеры 10 расположены шесть мишеней 16 в виде восьмиугольника вокруг стола 14 для подложки, причем в соответствии с настоящим изобретением обязательна только одна мишень.
[0071] На столе 14 для подложки расположен носитель 18 подложки, который, в показанном здесь случае, установлен с возможностью вращения на столе 14 для подложки, причем наличие носителя 18 подложки предпочтительно, но не обязательно. Носитель 18 подложки может быть, например, выполнен в виде корзинообразного устройства и, в зависимости от применения, изготовлен из электропроводящего или электронепроводящего материала. Носитель 18 подложки используют для удержания или фиксации с возможностью отсоединения подложки 20 во время процесса нанесения покрытия.
[0072] В настоящем варианте реализации на носителе 18 подложки расположены четыре подложки 20. Подложки 20 могут быть, например, фрезерными головками, на которые должно быть нанесено покрытие в устройстве 100 магнетронного распыления. Однако в соответствии с настоящим изобретением обязательно присутствовать должна только одна подложка 20.
[0073] Мишень (мишени) 16 и подложка (подложки) 20 расположены на расстоянии друг от друга во внутренней части 12 реакционной камеры 10.
[0074] В данном показанном варианте реализации реакционная камера 10 соединена с вакуумным насосом 22, который выполнен с возможностью создания вакуума или, по меньшей мере, отрицательного давления во внутренней части 12 реакционной камеры 10 до начала процесса нанесения покрытия. Вакуумный насос 22 может быть выполнен, например, в виде турбонасоса. Его используют для удаления молекул химически активного газа, такого как азот и/или кислород или воздух, из внутренней части 12 реакционной камеры 10 до начала процесса нанесения покрытия, создавая тем самым вакуум во внутренней части 12.
[0075] Преимуществом является то, что во внутреннюю часть 12 реакционной камеры 10 через газовпускное отверстие 24, расположенное в реакционной камере 10, вводят инертный технологический газ, такой как аргон или другой благородный газ, для создания в ней инертной рабочей атмосферы. Газовпускное отверстие 24 может быть, например, выполнено в виде газовой муфты, в которой в любом случае должно быть обеспечено герметичное закрытие газовпускного отверстия 24.
[0076] Устройство 100 магнетронного распыления дополнительно содержит источник 26 напряжения, который выполнен с возможностью формирования электрического поля постоянного тока. На Фиг. 1 источник 26 напряжения содержит два электрических выхода 28, 30, причем на показанной здесь иллюстрации выход 28 отрицательного напряжения соединен соответственно с шестью показанными мишенями 16, при этом мишени 16 в показанном здесь примере образуют катоды 30 в электрическом поле постоянного тока.
[0077] Мишень 16 необязательно должна служить в качестве катода 30. Стол 14 для подложки можно также использовать в качестве (дополнительного) катода 30 посредством соответствующего соединения с выходом 28 отрицательного напряжения или посредством прилагаемого напряжения. Например, в качестве катода 30 также может быть использован носитель мишени (не показан здесь).
[0078] На Фиг. 1 в качестве примера выход 32 положительного напряжения источника 26 напряжения соединен с реакционной камерой 10, тем самым реакционная камера 10 образует анод 34 в электрическом поле постоянного тока. В других вариантах реализации настоящего изобретения, не показанных здесь, в качестве анода 34 могут служить носитель 18 подложки или устройство, такое как один или более корпусов для мишени (мишеней) 16. Еще в одних применениях, не показанных здесь, в качестве примера могут быть использованы несколько анодов 34. Кроме того, преимуществом является то, что по меньшей мере один анод 34 используют в качестве заземления.
[0079] Имеющаяся в продаже система CemeCon магнетронного распылителя при постоянном токе может быть переключена на «специальную» пару анодов 34, которую называют «усилителем». Эти «усилители» имеют медную поверхность.
[0080] Следует отметить, что в других применениях также могут быть использованы несколько источников 26 напряжения и/или источник 26 напряжения с большим количеством электрических выходов и/или входов (не показан). Источники 26 напряжения могут быть выполнены с возможностью обеспечения катода 30 импульсным электропитанием, причем эти импульсы энергии (т. е. подача электроэнергии в течение определенного импульсного периода времени) имеют преимущественно мощность > 0,1 МВт, предпочтительно > 0,5 МВт, более предпочтительно >1 МВт. Источник 26 напряжения может, например, содержать генератор импульсов и/или модулятор ширины импульсов и предпочтительно выполнен с возможностью формирования множества форм импульсов, длительностей импульсов и/или амплитуд импульсов.
[0081] Если устройство 100 магнетронного распыления, показанное в качестве примера на Фиг. 1, используют для процесса нанесения покрытия или для способа магнетронного распыления (см. схематическое представление на Фиг. 5), то обеспечивают подложку 20, на которую нужно нанести покрытие, и располагают ее в носителе 18 подложки (этап S100). Это расположение может быть выполнено, например, путем вставки, вкручивания, вонзания, зажимания или завинчивания подложки 20 в носитель 18 подложки или на него. Кроме того, должна быть обеспечена мишень 16 (на Фиг. 1 шесть мишеней 16) и расположена во внутренней части 12 реакционной камеры 10 (этап S101), причем это расположение может быть выполнено, например, путем прикрепления мишени к носителю мишени. В данном случае носитель 18 подложки соединен с выходом 32 положительного напряжения источника 26 напряжения, тем самым мишень 16 образует катод 30 вместе с носителем мишени, который не показан здесь.
[0082] Шесть мишеней 16 содержат электропроводящую смесь 36 для нанесения покрытия на подложку 20, причем смесь 36 содержит первый материал 38 и второй материал 40. Первый материал 38 является электронепроводящим твердым веществом. Второй материал 40 является электропроводящим твердым веществом.
[0083] Кроме того, во внутренней части 12 реакционной камеры 10 должен быть обеспечен анод 34 (этап S102), причем это можно сделать, например (как на Фиг. 1), путем соединения выхода 32 положительного напряжения источника 26 напряжения с реакционной камерой 10.
[0084] Подложка 20 содержит третий материал 42, причем третий материал 42 является электропроводящим твердым веществом.
[0085] После того, как подложка 20 и мишень 16 обеспечены и расположены во внутренней части 12 реакционной камеры 10, реакционную камеру 10 можно закрыть, например герметично изолированной дверью. Как только реакционная камера 10 закрыта, во внутренней части 12 реакционной камеры 10 создают пониженное давление/вакуум с помощью вакуумного насоса 22. При этом также может быть обеспечено дополнительное нагревание с помощью нагревательного устройства (не показано здесь), которое нагревает внутреннюю часть 12 реакционной камеры 10 до температуры процесса. После того, как вакуум создан, во внутреннюю часть 12 реакционной камеры 10 через газовпускное отверстие 24 вводят технологический газ (этап S103) и формируют электрическое поле постоянного тока между катодом 30 и анодом 34 посредством источника 26 напряжения (этап S104).
[0086] Электрическое поле постоянного тока, формируемое источником 26 напряжения, вызывает ударную ионизацию атомов технологического газа, при которой атомы технологического газа делятся на отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы технологического газа, причем положительно заряженные ионы технологического газа ускоряют в направлении мишени 16 путем приложения поля постоянного тока. При столкновении ионов технологического газа с поверхностью мишени 16 атомы смеси 36 высвобождаются за счет передачи импульса, и эти атомы перемещаются от мишени 16 к подложке 20 и покрывают поверхность подложки 20 (этап S105). Во время этого процесса нанесения покрытия подложка 20 может быть перемещена, например, посредством вращательного движения стола 14 для подложки и дополнительного относительного вращательного движения носителя 18 подложки во внутренней части 12 реакционной камеры 10.
2
[0087] На Фиг. 2 показано полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа изображение поверхности примера мишени 16, которая содержит электропроводящую смесь 36, в данном случае представляющую собой ZrO-WC.
2
1
2
1
2
1
2
[0088] На Фиг. 3 показано соответствующее изображение смеси 36, полученное с помощью светооптического микроскопа. Смесь 36 состоит из первого электронепроводящего материла 38 (в данном случае оксид циркония (ZrO)) и второго электропроводящего материала 40 (в данном случае карбид вольфрама (WC)). Предпочтительно первый материал 38 имеет первую объемную долю ΔV, а второй материал 40 имеет вторую объемную долю ΔV, причем предпочтительно применяется следующее соотношение: ΔV ≥ ΔV, предпочтительно ΔV ≥ 1,5 ΔV.
2
[0089] На Фиг. 2 и 3 можно увидеть, что второй материал 40, или карбид вольфрама, является темным, а первый материал 38 (в данном случае оксид циркония (ZrO)) является светлым. Мишень 16 может быть, например, создана посредством горячего прессования или процесса спекания. В зависимости от процесса изготовления и производственной последовательности в смеси 36 получают более мелкие или более крупные микроструктурные компоненты.
2
2
3
2
3
2
[0090] В самом общем случае первый материал 38 может быть электронепроводящим твердым веществом. Предпочтительно, если первый материал 38 является первым неорганическим твердым веществом. Также предпочтительно, если первое неорганическое твердое вещество является карбидом, оксидом и/или нитридом, более предпочтительно оксидом металла. Особенно предпочтительно, если оксид металла представляет собой ZrO, AlO или TiO. Второй материал 40 в самом общем случае может быть электропроводящим твердым веществом. Предпочтительно, если второй материал 40 является вторым неорганическим твердым веществом. Также предпочтительно, если второе неорганическое твердое вещество является простым металлом, боридом, карбидом и/или нитридом, более предпочтительно карбидом. В частности, предпочтительно, если карбид представляет собой WC, NbC, HfC, TaC, TiC, MoC и/или CrC.
2
2
[0091] На Фиг. 4 показано полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа изображение после покрытия подложки 20 смесью ZrO-WC. Слой ZrO-WC осаждали на поверхность подложки 20, при этом подложка 20 содержит третий материал 42. Предпочтительно третий материал 42 является карбидом, керметом, кубическим нитридом бора или сталью.
[0092] Заявитель в качестве примера выполнил восемь процессов нанесения покрытия, этапы способа которых с соответствующими специфичными для процесса параметрами показаны ниже в таблице 1. Для осаждения смеси 36 в соответствии с настоящим изобретением на подложку 20 использовали систему нанесения покрытия типа CC800/HiPIMS производства компании CemeCon AG с вращающимся носителем 18 подложки (см. упрощенное представление на Фиг. 1). Этап «нанесение покрытия» способа (см. таблицу 1) выполняли при разных частотах высокоэнергетических импульсов и длительностях импульсов, а полученные в результате свойства покрытия показаны в таблице 2.
[0093] Таблица 1.  Технологический процесс варианта реализации способа нанесения покрытия согласно изобретению
Фаза способа
Этап способа
Измерение/единица
Время
Фаза 1 нагрева
Давление в начале
3 мПа
3000 с
Мощность нагрева при нагреве 1
9 кВт
Мощность нагрева при нагреве 2
14 кВт
Производительность турбонасоса
100 %
Вращение стола
0,33 об/мин
Фаза 2 нагрева
Мощность нагрева при нагреве 1
9 кВт
1200 с
Мощность нагрева при нагреве 2
14 кВт
Производительность турбонасоса
66 %
Вращение стола
0,33 об/мин
Предел теста печати
4 мПа
Фаза 1 травления
Мощность нагрева при нагреве 1
9 кВт
1200 с
Мощность нагрева при нагреве 2
14 кВт
Производительность турбонасоса
66 %
Вращение стола
1,00 об/мин
СЧ-напряжение смещения
-650 В
Частота
240 кГц
Давление аргона
350 мПа
Фаза 2 травления
Мощность нагрева при нагреве 1
9 кВт
3600 с
Мощность нагрева при нагреве 2
14 кВт
Производительность турбонасоса
66 %
Напряжение смещения пост. тока
-200 В
Ток усилителя плазмы
20 А
Поток аргона
250 млн
Поток криптона
190 млн
Вращение стола
1,00 об/мин
Нанесение покрытия
Мощность нагрева при нагреве 1
9 кВт
См. таблицу 2
Мощность нагрева при нагреве 2
14 кВт
Производительность турбонасоса
66 %
Вращение стола
1,00 об/мин
Поток аргона
650 млн
Частота HiPIMS
См. таблицу 2
Длина импульса HiPIMS
См. таблицу 2
Напряжение смещения стола HiPIMS
-70 В
Длина импульса стола HiPIMS
40 мкс
Смещение импульса стола HiPIMS
20 мкс
Мощность катода
4,5 кВт
Охлаждение
Температура вентиляции
180 °C
1800 с
Производительность турбонасоса
66 %
Вращение стола
1,00 об/мин
[0094] Таблица 2. Вариация частоты и длительности импульсов высокоэнергетических импульсов в примере процессов магнетронного распыления импульсами высокой энергии и их влияние на покрытие подложки
Частота[Гц]
Длительностьимпульса[мкс]
Время[с]
Твердость[ГПа]
МодульЮнга[ГПа]
Толщинапокрытия[мкм]
400
40
18 000
21,8
410
1,5
500
40
18 000
22,7
400
1,7
800
40
18 000
22,0
380
1,9
1000
40
18 000
22,5
420
2,0
2000
40
18 000
22,8
380
2,4
2000
70
10 800
22,5
420
1,5
2500
60
10 800
21,5
440
1,8
4000
40
18 000
21,7
350
2,5
[0095] В процессах, которые будут описаны, в качестве мишеней использовали 16 медных пластин, которые был оборудованы напаянными керамическими пластинами (состоящими из смеси 36 первого материала 38 и второго материала 40). Керамические пластины получали горячим прессованием пороша циркония, стабилизированного иттрием (первый материал 38), и порошка карбида вольфрама (второй материал 40).
[0096] В начале соответствующего процесса выполняли первую фазу нагрева (фаза 1 нагрева), на которой вакуумный насос 22 или турбонасос работал на полную мощность для создания вакуума. Такое использование турбонасоса на полной мощности необходимо, поскольку во время процесса нагрева, т. е. при нагреве материалов от комнатной температуры до рабочей температуры, связанные с материалом атомы газа (например, в смеси и т. п.) дегазируют в реакционной камере 10, и именно поэтому турбонасос должен удалять большее количество свободных молекул из реакционной камеры. Через 3000 секунд следует вторая фаза нагрева (фаза 2 нагрева), во время которой турбонасос работал при 66% от его мощности. Эта вторая фаза нагрева предпочтительна для обеспечения полного нагревания мишеней 16 и подложки 20 или для стабилизации температуры процесса.
[0097] Через 1200 секунд следовала первая фаза травления, которая также известна специалисту в данной области как «среднечастотное травление». При этом подложку 20 подвергают воздействию напряжения смещения, которое является высоким по сравнению с катодным напряжением. Высокое отрицательное напряжение смещения вызывает соударение большего количества ионов технологического газа с поверхностью подложки, чем с поверхностью мишени. Поэтому поверхность подложки 20 освобождается от загрязнений и дополнительно грубеет для последующего процесса нанесения покрытия, что улучшает адгезию покрытия. Первая фаза травления длится 1200 секунд.
[0098] За первой фазой травления следовала вторая фаза травления в течение 3600 секунд. При этом в реакционную камеру 10 вводили аргон и криптон и приводили в ионизированное состояние (в форме пучка ионов) посредством дополнительного тока усилителя плазмы. Эта вторая фаза травления особенно предпочтительна для подложек 20 с большим количеством краев, т. к. во время первой фазы травления края лишь слегка очищаются или грубеют. «Травление ионами аргона» приводит к улучшению адгезии слоя на поверхности подложки, причем пучок ионов может очищать или огрублять множество краев подложки.
[0099] После фазы травления выполняли этап «нанесение покрытия», который соответствует настоящему изобретению, причем варьировали как частоту, так и длительность импульса высокоэнергетических импульсов. При этом на толщину покрытия можно влиять путем регулирования параметров осаждения, таких как частота HiPIMS, ширина импульса HiPIMS, температуры, напряжение отклонения, скорости потока вводимых газов, а также количество эксплуатируемых мишеней 16, причем соответствующее влияние этих параметров процесса известно из предшествующего уровня техники.
[00100] Например, при частоте HiPIMS 2000 Гц, длительности импульса 40 мкс на катодах и времени нанесения покрытия 18 000 с получали покрытие подложки с толщиной слоя 2,4 мкм, твердостью 22,8 ГПа и модулем Юнга 380 ГПа. В еще одном примере процесса нанесения покрытия получали покрытие подложки с толщиной слоя 1,8 мкм, твердостью 21,5 ГПа и модулем Юнга 440 ГПа при частоте HiPIMS 2500 Гц, длительности импульса 60 мкс на катодах и времени нанесения покрытия 10 800 с (см. таблицу 1).
[00101] Твердость и модуль упругости (модуль Юнга) измеряли методом наноиндентирования в единицах измерения ГПа. В этом способе измерения алмазный образец, имеющий форму трехсторонней пирамиды, вдавливают в слой и регистрируют кривую смещения силы. Из этой кривой с помощью метода Оливера-Фарра могут быть получены механические свойства. Для наноиндентирования использовали индентор NHT1 от компании CSM, Швейцария.
[00102] В качестве заключительного этапа выполняли этап охлаждения, причем реакционную камеру 10 охлаждали аэрацией.
[00103] Здесь следует прямо сказать, что описанные выше фазы процесса (фаза 1 нагрева, фаза 2 нагрева, фаза 1 травления, фаза 2 травления, а также охлаждение) являются просто предпочтительными, но не обязательно должны выполняться с устройством 100 магнетронного распыления или способом в соответствии с настоящим изобретением.