ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК ДЛЯ ПРОЦЕССА РАСПЫЛЕНИЯ
HIGH-POWER SPUTTERING SOURCE

Настоящее изобретение относится к способу нанесения покрытий на подложки с помощью магнетронного распыления.
В рамках настоящего описания термин «ионно-плазменное распыление» применяется равнозначно термину «распыление».
При распылении мишень (катод) бомбардируется ионами, что ведет к тому, что происходит вынос материала мишени. Ускорение ионов по направлению к поверхности мишени из плазмы достигается посредством электрического поля. При магнетронном распылении над поверхностью мишени создается магнитное поле. Это побуждает электроны в плазме двигаться по спиральной траектории и циркулировать над поверхностью мишени. Благодаря их более длительному перемещению значительно увеличивается число соударений электронов с атомами и, соответственно, ионами, что ведет к более высокой степени ионизации в этой области над поверхностью мишени. Благодаря этому происходит усиленный вынос с распылением мишени непосредственно под этой областью. Это ведет к типичному для магнетронного распыления эродированию с вышележащей зоной распыления. Такое эродирование имеет тот недостаток, что большой участок мишени по существу не подвергается выносу. Однако материал мишени часто является дорогостоящим материалом. Поэтому иногда магнитная система, создающая магнитное поле позади мишени, конфигурируется таким образом, что это создает почковидную зону распыления, как представлено на Фиг. 1. В случае круглого катода магнитная система вращается вокруг центральной оси круглого катода, так что получается по существу равномерный вынос материала мишени. Однако остается еще тот недостаток традиционного распыления, что ионизации подвергается очень незначительная процентная доля вынесенного материала.
2
Настоящее изобретение относится, в частности, к HIPIMS-способу (HIPIMS=магнетронное распыление импульсами высокой мощности). Способ HIPIMS представляет собой одну из традиционных усовершенствованных технологий распыления, в которой используется действие импульсных разрядов с длительностью импульса в диапазоне от микросекунд до миллисекунд, с величинами удельной мощности свыше 100 Вт/см. Появление HIPIMS-технологии устранило наибольший недостаток традиционного распыления, а именно, очень низкую степень ионизации распыленных атомов. Так, в документах предшествующего уровня техники было показано, что с помощью HIPIMS-способа, в зависимости от материала, может быть достигнута доходящая до 100% ионизация распыленных частиц. При этом повышенная плотность тока разряда, по меньшей мере кратковременно, действующая на мишень, ведет к еще более высокой степени ионизации. Повышенная степень ионизации может изменить механизм роста слоев и тем самым влияет на характеристики слоя. Помимо всего прочего, это ведет к повышению прочности сцепления.
2
2
2
Типично применяемые средние величины удельной мощности, как при традиционном распылении, так и в HIPIMS-способе, находятся в области 20 Вт/см. При высоких нагрузках она может доходить до 50 Вт/см, если используются специальные устройства для охлаждения мишени. При этом соответственные плотности тока разряда находятся в области до 0,2 А/см. Однако с позиции физики плазмы и электротехники, не составляли бы проблемы гораздо более высокие величины удельной мощности и тем самым плотности тока разряда. Однако применимая к распыляемой мишени средняя мощность по существу ограничена тем, что существуют технические пределы охлаждения мишени. На этом основании в HIPIMS-способе мощность для распыления подводится в форме импульсов, причем длительность импульсов выбирается настолько короткой, чтобы вследствие воздействующей на мишень усредненной мощности не возникал перегрев. При этом ясно, что температура мишени и допустимая максимальная температура мишени очень сильно зависят от материала мишени и его теплопроводности, и его механических свойств.
При этом недостатком является то, что импульсная технология связана со значительными затратами на оборудование, так как должны использоваться генераторы, которые в состоянии распределять мощность во времени и в пространстве для импульсов распыляющей энергии. Это недостижимо с генераторами традиционной конструкции.
Чтобы обойти это препятствие, в предшествующем уровне техники предложено перейти к явно уменьшенной, по сравнению с общим размером мишени, величине зоны распыления и обеспечить перемещение этой зоны распыления по поверхности мишени. К примеру, в патентном документе US 6'413'382 на имя Wang и др., предложена магнитная система, которая привела к магнетрону, который покрывает менее 20% площади поверхности мишени. Магнитная система смонтирована с возможностью вращения позади поверхности мишени таким образом, что зона распыления по существу может перекрывать всю поверхность мишени. Хотя этот подход упрощает генераторы, все же не позволяет полностью отказаться от импульсной технологии. Соответственно этому, задано соотношение «импульс/пауза» на уровне менее 10%.
Правда, при этом остается недостаток в том, что рассчитанное на это соответствующее оборудование пригодно исключительно для применения в HIPIMS-технологии. Вследствие резко уменьшенного размера зоны распыления оказывается соответственно низкой скорость распыления. Если же потребуется иметь возможность чередования между образованными HIPIMS-способом слоями и слоями, полученными традиционным распылением, то соответственно сокращается также скорость традиционного распыления для этих слоев.
Подобным путем следуют авторы Nyberg и др. в патентном документе WO 03006703 A1. Они описывают, что повышенная плотность тока разряда достигается уменьшением области распыления. Чтобы компенсировать повышенное местное разогревание, область распыления перемещается. Кроме того, авторы Nyberg и др. описывают, что при промышленном применении сокращенная область распыления должна перемещаться по мишени с высокой скоростью, чтобы предотвратить расплавление поверхности. Этот способ позволяет использовать любой традиционный генератор. Одна возможность усматривается в том, что мишень подразделяется на многочисленные части, которые электрически отделены друг от друга. В последующем эти части названы частичными мишенями. При этом одна частичная мишень должна представлять собой полностью автономную мишень, которая, в частности, изолирована от другой частичной мишени в отношении подведения мощности, причем поверхности многочисленных частичных мишеней складываются в совокупную поверхность мишени. Поскольку в один момент времени общая мощность концентрируется на одной из этих частичных мишеней, соответственно этому можно регулировать местоположение, из которого фактически происходит распыление. За счет подключения и отключения частей можно обойтись без подвижных компонентов.
Недостатком конструкции авторов Nyberg и др. является тот факт, что такая конфигурация не может действовать в традиционном режиме магнетронного распыления, так как невозможно или технически весьма трудоемко равномерно распределять мощность от одного генератора на различные части. В частности, недостатком подхода авторов Nyberg и др. является также то, что это ведет к сильному эродированию каждой из подключаемых и отключаемых частичных мишеней. Это значит, что использование мишени является явно худшим по сравнению с вращающимися магнетронами, описанными авторами Wang и др.
Поэтому было бы желательным иметь в распоряжении оборудование, которое позволяет исполнять HIPIMS-способ без дорогостоящей технологии с использованием импульсного генератора, но и с обеспечением возможности переключения более простым путем на традиционный режим распыления.
Согласно изобретению эта задача решена тем, что мишень подразделяется на многочисленные, электрически изолированные самостоятельные частичные мишени, которые снабжаются энергией от блока энергоснабжения, который конфигурирован в HIPIMS-режиме как Master-Slave-блок («мастер-подчиненный»). Под конфигурацией «Master-Slave» следует понимать параллельное подключение выходов двух или более генераторов, причем регулируемая мощность выбирается на одном генераторе (мастере), и другие генераторы так связаны системой электронного управления, что они следуют мастеру в его регулировках. Предпочтительно в Master-Slave-конфигурации между собой соединено столько генераторов, сколько имеется отдельных электрически изолированных частичных мишеней. На отдельные частичные мишени в HIPIMS-режиме мощность передается только до тех пор, пока допускает их охлаждение. В HIPIMS-режиме частичные мишени по очереди подключаются и отключаются. Блок энергоснабжения в Master-Slave-конфигурации соответственно этому никогда не должен одновременно подавать полную мощность на все частичные мишени. Тем самым может быть использован экономически целесообразный генератор. Если же распыление должно выполняться традиционным путем, то Master-Slave-конфигурация отключается, и каждая частичная мишень получает в распоряжении собственный генератор. Тогда частичная мишень может работать с одним генератором как самостоятельный источник распыляемого материала. Если после отключения Master-Slave-конфигурации в распоряжении имеется не столько же генераторов, как частичных мишеней, то отдельные частичные мишени могут в течение длительного времени оставаться отключенными, или их отключение может чередоваться. Тем самым достигается то, что можно простым путем переключаться с HIPIMS-режима на режим традиционного распыления.
Предпочтительно позади частичных мишеней в каждом случае находятся подвижные магнитные системы, которые служат для того, чтобы каждая данная зона распыления перемещалась по данной частичной мишени. Если установка действует в HIPIMS-режиме, то, согласно изобретению, вращающиеся позади частичных мишеней магнитные системы предпочтительно перемещаются с частотой, которая предпочтительно не создает целочисленного соотношения с частотой периодически повторяющегося импульса мощности источника распыляемого материала. Благодаря этому обеспечивается то, что материал будет равномерно сниматься с поверхности мишени.
Теперь изобретение будет подробнее разъяснено в деталях и с привлечением чертежей.
Фиг. 1 показывает поверхность мишени вместе с перемещающейся зоной распыления, как это используется согласно прототипу в традиционном распылении.
Фиг. 2 показывает первый вариант осуществления настоящего изобретения с электрически изолированными частичными мишенями, которые в каждом случае имеют подвижную магнитную систему, причем блок энергоснабжения состоит из многочисленных генераторов, которые соединены в Master-Slave-конфигурации.
Фиг. 3 показывает первый вариант осуществления настоящего изобретения с электрически изолированными частичными мишенями, которые в каждом случае имеют подвижную магнитную систему, причем блок энергоснабжения состоит из многочисленных генераторов, которые не соединены в Master-Slave-конфигурации так, что каждая частичная мишень связана с одним генератором и может действовать с ним как самостоятельный источник распыляемого материала.
Фиг. 4 показывает моделированные характеристики охлаждения различных материалов после воздействия импульса мощности с длительностью 50 мсек.
Фиг. 5 показывает результаты спектроскопических измерений на дуговом разряде, в сравнении с такими же измерениями на соответствующем изобретению плазменном разряде.
Фиг. 6 показывает результаты спектроскопических измерений при традиционном распылении плазменным разрядом постоянного тока, в сравнении с такими же измерениями на соответствующем изобретению плазменном разряде.
Согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения, как схематически показано в Фиг. 2, блок 3 энергоснабжения через переключатель S1 подает напряжение и ток на размещенный в вакуумной камере 4 источник q1 распыляемого материала для работы распылительного устройства в HIPIMS-режиме. Блок 3 энергоснабжения сформирован из многочисленных генераторов от g1 до g6, которые связаны в Master-Slave-конфигурации. Они могут быть выполнены как генераторы постоянного тока в исполнении импульсного генератора постоянного тока. Источник q1 распыляемого материала выполнен как магнетронный источник распыляемого материала с частичной мишенью, причем согласно предпочтительному варианту в этом исполнении позади частичной мишени источника q1 распыляемого материала предусмотрена подвижная, предпочтительно установленная вращающейся магнитная система ms1. При работе благодаря подвижной, предпочтительно вращающейся магнитной системе ms1 зона распыления перемещается почти по всей площади мишени источника q1 распыляемого материала.
2
2
2
4
2
2
2
В вакуумную камеру 4 вводится благородный газ и/или реактивный газ, например, такой как N, O, CH, CH, чтобы, помимо всего прочего, можно было получить стабильную плазму для распыляющего разряда. Блок 3 энергоснабжения подводит мощность для распыления, которая, если бы непрерывно подавалась на q1, превысила бы термический предел источника q1 распыляемого материала. Однако мощность для распыления пригодна для создания одного магнетронного разряда, при котором плотность тока в расчете на площадь зоны распыления составляет более 0,2 А/см.
Через переключатели от S2 до S6 напряжение и ток могут подводиться на также находящиеся в вакуумной камере 4 источники q2-q6 распыляемого материала. Эти источники распыляемого материала по существу устроены так же, как источник q1 распыляемого материала.
В общем и целом, средняя мощность на отдельном источнике распыляемого материала не может превысить значение, задаваемое термическим пределом. Для достижения этого спустя известное время один источник распыляемого материала по очереди отключается, и подключается следующий, что ведет к последовательности импульсов. Когда все источники распыляемого материала были в работе таким образом, опять может быть подключен первый источник распыляемого материала, и цикл начинается с самого начала, что ведет к периодической работе. Возможны любые последовательности импульсов, которые позволяют поддерживать максимальную среднюю мощность на мишени.
Движущиеся позади источников распыляемого материала, предпочтительно вращающиеся магнитные системы перемещаются с частотой, которая предпочтительно не образует целочисленного соотношения с частотой периодически повторяющегося импульса мощности, подводимого к источнику распыляемого материала, благодаря чему обеспечивается то, что материал будет равномерно сниматься с поверхности мишени.
Если нужно перейти на традиционное распыление, то Master-Slave-конфигурация отключается. Тогда каждому источнику распыляемого материала придается по меньшей мере один генератор. Соответствующая конфигурация представлена на Фиг. 3. Если имеется большее число генераторов, нежели источников распыляемого материала, то сверхкомплектные генераторы могут быть прибавлены как подчиненные к уже соотнесенным с источниками распыляемого материала генераторам.
Если имеется меньшее число генераторов, нежели источников распыляемого материала, то избыточные источники распыляемого материала могут либо оставаться неиспользуемыми, либо различные источники распыляемого материала по очереди и периодически отключаются от энергоснабжения, так что на время паузы в подаче мощности они высвобождают один генератор.
2
2
2
В конкретном примере были подключены, например, 2 генератора постоянного тока AE Pinnacle с мощностью по 20 кВт в Master-Slave-конфигурации. Тем самым в распоряжении имелась максимальная мощность для распыления на уровне 40 кВт. Использовали круглый магнетрон такого типа, как представлен на  Фиг. 1, с диаметром мишени 150 мм. К мишени для распыления подавали регулируемый во времени импульс мощностью 40 кВт. Для мишени такого размера термический предел достигался, когда в среднем на нее подавалась мощность около 5 кВт. Расчет увеличения температуры поверхности во времени в зависимости от материала мишени представлен на Фиг. 4. Для импульсной мощности в 40 кВт при применении вышеописанного магнетрона следует ожидать удельной мощности в 600 Вт/см в расчете на площадь зоны распыления. При напряжении разряда 600 В тем самым достигается плотность тока на уровне 1,67 А/см. Как показывает моделирование методом конечных элементов согласно Фиг. 4, при распылении в условиях удельной мощности 1000 Вт/см и длительности импульса 50 мсек следует ожидать повышения температуры всего лишь на величину от примерно 50°С до 100°С для меди или алюминия, а также примерно на 350°С для титана. Как можно заключить из моделирования, расплавление поверхности и испарение с нее, как это часто упоминается, могут быть исключены.
После импульса с длительностью 50 мсек, вся мощность передается на точно такой же по конструкции другой круглый магнетрон. В конфигурации согласно данному примеру, вакуумная камера 6 включает такие же по конструкции круглые магнетроны, которые в каждом случае подключаются по очереди. Первый круглый магнетрон включается опять после временного интервала 300 мсек. Круглые магнетроны размещены в вакуумной камере по окружности вокруг поворотного стола, на котором расположены покрываемые подложки. Подключение отдельных круглых магнетронов может выполняться в последовательности против направления вращения поворотного стола, благодаря чему имитируется более быстрое вращение поворотного стола.
Магнитная система позади поверхности мишени вращается с частотой 180 об/мин. Это значит, что при повторении импульса, которое происходит каждые 300 мсек, не создается никакое целочисленное соотношение обеих частот.
При соответствующей изобретению конфигурации достигается значительное повышение тока разряда в пределах короткого времени, например, 500 мсек, которое поддерживается на стабильном уровне в течение всей длительности импульса. Вредные переходные процессы, какие обычно возникают в HIPIMS-способе вследствие пульсации с высокой частотой, с помощью соответствующего изобретению способа устраняются. Это обусловливается тем, что в соответствующем изобретению способе длительность импульса составляет многие миллисекунды, и переходные процессы становятся пренебрежимо малыми.
Согласно второму примеру соответствующего изобретению способа, к вышеописанной системе была приложена импульсная мощность в 40 кВт при длительности импульса 10 мсек при частоте повторений 10 Гц. Из этого следовала средняя мощность в 4 кВт на круглый магнетрон. Здесь в вакуумной камере были смонтированы до 10 круглых магнетронов, которые все могли получать энергоснабжение в вышеуказанной Master-Slave-конфигурации. Плазма разряда была проанализирована спектроскопическим путем, и было проведено сравнение с плазмой дугового испарения. Мишень в примере представляла собой титановую мишень. Фигура 5 показывает оба спектра в сравнении, причем они в каждом случае нормированы по своей интенсивности Ti(0)-линии при 365,35 нм. Оба разряда показывают сильные оптические эмиссии для Ti+ при 336,12 нм, 368,52 нм и не разрешенной в Фигуре двойной линии с длиной волны 375,93 нм и 376,132 нм. Из этого можно заключить, что соответствующий изобретению способ распыления, по сравнению с электродуговым испарением, ведет к более высокой ионизации вынесенного из мишени материала.
Согласно третьему примеру, в качестве материала мишени использовался титан-алюминиевый сплав с соотношением 50 атомных процентов Ti и 50 атомных процентов Al. Для сравнения соответствующего изобретению способа с традиционной технологией распыления была методом спектроскопии зарегистрирована плазма традиционного нанесения покрытий напылением и плазма в соответствующем изобретению способе, и они были сравнены между собой. Для традиционного нанесения покрытий напылением была использована конфигурация, показанная на Фиг. 3. Правда, поскольку для эксперимента в распоряжении имелись только 2 генератора постоянного тока, в каждом случае энергоснабжение источника распыляемого материала проводилось одним генератором, то есть, энергоснабжение подавалось одновременно на два источника распыляемого материала, и после предварительно заданного интервала времени по очереди мощности направлялись на два других источника распыляемого материала. Соответственное сравнение показано на Фиг. 6. В обоих случаях средняя мощность распыления составляла 4 кВт. Спектры были нормированы по линиям Al(0) при 394,4 нм и 396,15 нм. Обращает на себя внимание то, что в случае традиционного разряда постоянного тока линии для таких ионов, как Al+ при 390,07 нм, Ti+ с двойной линией при 375,93 нм и 376,132, а также при 368,52 нм и 336,12 нм, практически отсутствуют. Опять же можно сделать вывод, что в соответствующем изобретению способе имеет место более высокая степень ионизации вынесенного с мишени вещества.
Согласно одному дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения, способ выполнен как двухмагнетронный способ. При этом мощность для распыления во время одного импульса чередовалась с задержкой на многие микросекунды между по меньшей мере двумя распыляющими магнетронами с частотой чередования типично между 20-60 кГц, причем в каждом случае поверхность мишени попеременно становилась катодом или анодом. Чтобы не превысить термическую нагрузку мишени, подводимая к паре магнетронов мощность в каждом случае ограничивалась во времени, для чего после импульса производилось переключение на другую пару магнетронов.
Все примеры в целом были обсуждены применительно к круглым катодам. Однако специалисту безусловно ясно, что такой же принцип изобретения простым путем может быть распространен на прямоугольные катоды. Особенное преимущество настоящего изобретения состоит в том, что может быть использован более простой генератор постоянного тока, общая мощность которого, например, на уровне 40 кВт, может быть направлена в камеру для нанесения покрытия благодаря соответствующему изобретению подключению генератора к отдельным источникам распыляемого материала, и одновременно может быть достигнута степень ионизации, которая в рамках способа распыления обычно может быть достигнута только с помощью весьма сложных импульсных генераторов. В предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения предусмотрена подвижная магнитная система, которая обеспечивает перемещение зоны распыления над мишенью.
Соответствующий изобретению способ и соответствующее изобретению оборудование позволяют простым путем переходить от соответствующего изобретению распыления, которое ведет к высокой концентрации ионов, к традиционному распылению с более низкой концентрацией ионов.
2
В рамках данного описания был раскрыт способ создания плазменного разряда с плотностью тока разряда, которая, по меньшей мере в некоторых областях, локально превышает 0,2 А/см, с этапами:
- обеспечения блока энергоснабжения с предварительно заданной максимальной мощностью;
2
- обеспечения по меньшей мере двух магнетронных источников распыляемого материала с предварительно заданной в каждом случае зоной распыления и предварительно заданным термическим пределом, причем зона распыления выполнена настолько малой, что при воздействии максимальной мощности от блока энергоснабжения на один в каждом случае магнетронный источник распыляемого материала плотность тока разряда составляет свыше 0,2 А/см;
2
- с помощью блока энергоснабжения подача энергии с первой мощностью на первый из по меньшей мере двух магнетронных источников распыляемого материала в течение первого интервала времени, причем первая мощность выбирается достаточно большой, чтобы на магнетронном источнике распыляемого материала, по меньшей мере в одной области, создавалась локальная плотность тока разряда свыше 0,2 А/см, и причем первый интервал времени выбирается достаточно коротким, чтобы не превышался предварительно заданный термический предел первого магнетронного источника распыляемого материала;
2
- с помощью блока энергоснабжения подача энергии со второй мощностью на второй магнетронный источник распыляемого материала в течение второго интервала времени, причем вторая мощность выбирается достаточно большой, чтобы на втором магнетронном источнике распыляемого материала, по меньшей мере в одной области, создавалась локальная плотность тока разряда свыше 0,2 А/см, и причем второй интервал времени выбирается достаточно коротким, чтобы не превышался предварительно заданный термический предел второго магнетронного источника распыляемого материала,
отличающийся тем, что блок энергоснабжения включает по меньшей мере два генератора, которые связаны друг с другом в Master-Slave-конфигурации, причем оба интервала времени перекрываются не полностью.
2
Могут быть приготовлены третий и, предпочтительно, прочие магнетронные источники распыляемого материала с предварительно заданной в каждом случае зоной распыления и в каждом случае с предварительно заданным термическим пределом, причем зоны распыления сформированы таким образом, что при воздействии максимальной мощности от блока энергоснабжения на один в каждом случае магнетронный источник распыляемого материала плотность тока разряда составляет свыше 0,2 А/см, и блок энергоснабжения включает по меньшей мере столько подчиненных генераторов, что число подчиненных генераторов и мастер-генератор ведут к числу генераторов, которое является равным или большим, чем число магнетронных источников распыляемого материала.
Интервалы времени могут быть составлены периодически повторяющимися интервалами и поэтому образуют периодические импульсы.
Позади по меньшей мере одной из мишеней магнетронных источников распыляемого материала может быть предусмотрена подвижная, предпочтительно вращающаяся магнитная система, которая ведет к перемещающейся зоне распыления, протяженность которой является явно меньшей, чем поверхность мишени, однако большей чем 20% площади поверхности мишени.
Была представлена установка для магнетронного распыления с двумя или многими магнетронными источниками распыляемого материала и блоком энергоснабжения, причем блок энергоснабжения включает число генераторов, которое по меньшей мере соответствует числу магнетронных источников распыляемого материала, и предусмотрены средства, которые, с одной стороны, позволяют конфигурировать имеющиеся в блоке энергоснабжения генераторы с одним мастером и по меньшей мере одним подчиненным, и предусмотрено подключение, при котором мощность от таким образом конфигурированного блока энергоснабжения может быть подведена по очереди на магнетронные источники распыляемого материала, и, с другой стороны, средства, позволяющие конфигурировать блок энергоснабжения как серию изолированных генераторов, и выполнять подключение с возможностью подведения мощности в каждом случае по меньшей мере одного генератора в каждом случае к одному магнетронному источнику распыляемого материала.