ДУГОВОЙ ИСПАРИТЕЛЬ С ЗАДАННЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ Российский патент 2016 года по МПК C23C14/32 C23C14/35 

Изобретение относится к дуговому испарителю, согласно ограничительной части п. 1 формулы. Под дуговым испарителем в последующем описании понимается устройство, при помощи которого в вакууме может быть зажжена дуга, активное пятно которой находится на катоде, причем посредством катода (мишени) предоставляется испаряемый металл, и под воздействием активного пятна происходит испарение материала мишени.

Дуговые испарители являются известными из уровня техники. Так, в US 3625848 Snaper предлагается «лучевая пушка» с катодом и анодом, которые размещаются таким образом, что между ними происходит искровой разряд. При этом катод выполнен из материала, который подвергается осаждению. Описанный в этой публикации анод имеет сужающуюся коническую форму и расположен в непосредственной близости к цилиндрическому катоду. Расположение, согласно этому уровню техники, представлено на фиг. 1. Магнитные элементы в данной конструкции не применяются. Поэтому движение активного пятна по мишени, исходя из сегодняшних возможностей, является очень медленным, несмотря на то, что тогда оно было описано как быстрое. Медленное движение активного пятна приводит помимо прочего к повышенной шероховатости слоев, нанесенных посредством дугового испарителя.

В противоположность этому, в документе US 4 620 913 (Clark Bergman) предложена многодуговая вакуумная система, в которой используются магнитные элементы. При этом речь идет о дуговом источнике с анодным соединением, причем используется камера или электрически изолированный вводимый анод. При этом, однако, имеется недостаток, состоящий в том, что лишь часть выходящих из мишени силовых линий магнитного поля входит в анод. Преимуществом такого устройства является стабильная генерация искры, в особенности при малых токах разряда. Распределение тока между камерой и вводимым анодом осуществляется посредством дополнительного подведения к вводимому аноду положительного напряжения.

В отношении дугового испарителя необходимо, чтобы при постоянно высоком коэффициенте испарения обеспечивалось нанесение слоев с малой шероховатостью поверхности. Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить такой дуговой испаритель.

Согласно изобретению, эта задача решается посредством дугового испарителя, согласно п. 1 формулы. В зависимых пунктах формулы описаны различные предпочтительные варианты осуществления предлагаемого в изобретении дугового испарителя.

Предлагаемый в изобретении дуговой испаритель содержит катод (мишень), анод и магнитные элементы, которые обеспечивают прохождение силовых линий магнитного поля по короткому пути от поверхности мишени к аноду.

Анод расположен в непосредственной близости от катода таким образом, что гарантируется соединение катода с анодом посредством силовых линий магнитного поля, выходящих из каждой точки испаряемой поверхности мишени, которая подвержена эрозии.

При этом магнитные элементы выполнены таким образом, что компоненты, параллельные поверхности мишени, существенно больше, чем компоненты, перпендикулярные поверхности мишени. Могут использоваться магнитные поля с напряженностью до 500 Гс, то есть с существенно большей напряженностью, по сравнению с напряженностями магнитных полей, обычно используемых в технологии напыления конденсацией из паровой фазы (PVD-технологии).

Описанный выше дуговой испаритель, по сравнению с уровнем техники, имеет более высокую скорость нанесения слоев (покрытия) при одновременной высокой гладкости слоев.

Сам предлагаемый в изобретении дуговой испаритель пригоден к эксплуатации в вакууме, причем достигается высокая скорость искры. При этом дуговой испаритель работает в режиме испарения металла. Генерируемые таким образом ионы металлов, как например Cr+, Ti+, могут без помех осаждаться на подложку и использоваться для травления ионами металлов. Возможна работа при малых токах разряда.

Посредством так называемого «подмагничивания» с помощью описанного в изобретении анода надежно устанавливается энергия ионов.

Изобретение далее детально описывается на примерах его осуществления и при помощи чертежей. На них представлено:

фиг. 1 - дуговой испаритель, согласно уровню техники;

фиг. 2 - дуговой испаритель, согласно уровню техники;

фиг. 3 - первый вариант осуществления предлагаемого в изобретении дугового испарителя;

фиг. 4 - вакуумное устройство с предлагаемым в изобретении дуговым испарителем;

фиг. 5 - вакуумное устройство с дуговым испарителем, согласно уровню техники;

фиг. 6 - распределение потенциала в устройстве, согласно фиг. 5;

фиг. 7 - распределение потенциала в предлагаемом в изобретении устройстве, согласно фиг. 4;

фиг. 8 - следующий вариант осуществления вакуумного устройства;

фиг. 9 - распределение потенциала в предлагаемом в изобретении устройстве, согласно фиг. 8;

фиг. 10 - следующий вариант осуществления вакуумного устройства.

фиг. 11 - распределение потенциала в предлагаемом в изобретении устройстве, согласно фиг. 10;

Для лучшего понимания изобретения ниже сначала в общих чертах представлен дуговой испаритель, согласно уровню техники. На фиг. 2 показана конструкция 201 дугового испарителя с анодом 203, расположенным на некотором расстоянии от расходуемого катода 209, согласно уровню техники. Расходуемый катод источника охлаждается посредством охлаждающего устройства 211 и соединен с отрицательным полюсом 213 источника постоянного тока. За расходуемым катодом предусмотрены магнитные элементы 215, которые служат для генерации магнитного поля над поверхностью мишени. Через активное пятно 205 проходит ток большой силы и, таким образом, большое количество электронов попадает в пространство испарителя. Электропроводящим материалом при этом является плазма дуги. Поскольку анод 203, согласно уровню техники, находится не в непосредственной близости от активного пятна 205, по пути к удаленному на некоторое расстояние аноду заряженные частицы должны пересекать область магнитного поля. Релевантным при этом является движение заряженной частицы с зарядом q, массой m, скоростью v, координатой r в электрическом поле E(r) и магнитном поле B(r). При этом воздействие оказывают различные силовые компоненты: при движении, параллельном направлению поля B, действует сила, пропорциональная qE. При движении перпендикулярно к направлению магнитного поля действует сила, пропорциональная q(E⊥+v⊥×B), что приводит к вращательному движению (по окружности), на которое, однако, накладывается дрейф в направлении E×B. Это приводит к образованию «виртуальной» токопроводящей дорожки 207, как показано на фиг. 2. При прохождении этой напоминающей спираль дорожки по пути к удаленному на некоторое расстояние аноду 203 находящийся в области покрытия рабочий газ (например, Ar, N₂) сильно ионизуется. Это приводит к образованию ионов газа, к увеличению напряжения разряда и к скачку потенциала катода. Кроме того, наблюдается снижение скорости нанесения покрытия.

На фиг. 3 показан вариант осуществления предлагаемого в изобретении дугового испарителя 301. Это лишь примерный вариант, и он может быть осуществлен в самых разных вариантах. Катод 309 выполнен из испаряемого материала и посредством токоподвода соединен с отрицательным полюсом источника напряжения. Посредством магнитных элементов 305 на поверхности катода создается магнитное поле, которое обеспечивает быстрое движение искрового разряда.

Силовые линии магнитного поля, которые выходят из поверхности мишени, на большей части поверхности расположены таким образом, что преобладающее их направление параллельно поверхности катода 309, и по короткому пути обеспечивается проход к аноду 303, который в форме кольца проходит вокруг кромки катода. Представленный на фиг. 3 дуговой испаритель может быть, однако, выполнен как в виде осесимметричного круглого катода, так и в виде прямоугольного катода. В центральной области катода, или вдоль оси катода, силовые линии поля всегда направлены перпендикулярно поверхности мишени, и поэтому эти области исключаются из эрозии. Это может достигаться, например, посредством экрана или заполненной выемки (оба элемента не показаны). В области 6 величина напряженности магнитного поля составляет от 40 до 500 Гс. Предпочтительными являются напряженности от 60 до 100 Гс, особенно предпочтительными - от 200 до 500 Гс для получения особенно гладких покрытий (слоев). Предлагаемое в изобретении расположение анода в комбинации с распределением магнитного поля обеспечивает возможность функционирования при таких сильных магнитных полях. В качестве материала мишени катода 309 могут быть использованы материалы для высокопрочных покрытий, такие как Ti, TiAl, Al, AlCr, TiSi, Cr и другие.

Согласно фиг. 3, в дуговом испарителе 301 анод 303 вместе с создаваемым магнитными элементами 305 магнитным полем расположен настолько близко к катоду 309, что силовые линии магнитного поля обеспечивают наличие токопроводящей дорожки 307 непосредственно от активного пятна 315 к аноду 303. Описанный выше дрейф по существу предотвращается, если электрическое поле проходит по существу параллельно магнитному полю. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения анод выполнен таким образом, что это выполняется при действии приложенного напряжения и включенного магнитного поля, и кроме центральных силовых линий магнитного поля почти все или, по меньшей мере, большая часть силовых линий магнитного поля идут к аноду. Траектория электронов характеризуется ларморовским радиусом и описывает круговую линию вокруг направления силовой линии поля. Радиус вращения для электрона при 10 Гс составляет приблизительно 1 мм, при 100 Гс - приблизительно 0,1 мм. Таким образом, при заданной напряженности магнитного поля траектория в значительной степени локализована вдоль силовой линии поля. Результатом использования такой конструкции является снижение общего напряжения разряда и увеличение скорости нанесения покрытия. Рабочий газ вблизи мишени ионизуется лишь незначительно.

Возможным предпочтительным применением настоящего изобретения является процесс травления ионами металлов (MIE).

Это возможно, благодаря следующей особенности предлагаемого в изобретении источника дугового испарителя. Особенность состоит в возможности осуществления независимого стабильного функционирования без рабочего газа в вакууме с давлением, меньшим 10^-3 Па. При этом это оказывается возможным, благодаря хорошей электрической привязке пятна 5 дуги к аноду, что обусловлено тем, что электрической проводимости металлической плазмы 8 достаточно для проведения тока от катода к аноду. Пары металла из источника дуги легко многократно ионизуются до высокой степени ионизации и могут под действием напряжения 12 смешения ускоряться по направлению к подложке 11. Таким образом, может эффективно осуществляться травление ионами металлов. Соответствующее устройство 401 для травления ионами металлов показано на фиг. 4. Оно содержит источник 403 дугового испарителя и держатель 407 для подложки, которые размещены в вакуумной камере 405. Держателю для подложки, снабженному подложкой (не показана на чертеже), травление которой необходимо осуществить, посредством источника 408 напряжения сообщается отрицательный потенциал, благодаря чему образующиеся на источнике дугового испарителя положительные ионы ускоряются по направлению к подложке.

Примечательным является то, что функционирование в вакууме может поддерживаться при очень низких значениях силы тока. При выборе пространства параметров для описанного выше процесса травления ионами металлов удивительным образом оказалось, что устойчивый (стабильный) процесс возможен даже при очень малых токах дугового разряда. По силовым линиям магнитного поля потенциал анода «переходит» в область, расположенную близко перед поверхностью мишени, благодаря чему может сохраняться токопроводящая дорожка.

Для алюминия устойчивый процесс может быть установлен при силах тока вплоть до значений немного больших 10 А, а для титана - при силах тока вплоть до значений немного больших 40 А. Посредством предлагаемого в изобретении дугового испарителя травление ионами металлов может быть устойчиво осуществлено с использованием других материалов, таких как, например, Cr, Nb, Ta и других металлов с высокой способностью к ионизации и высоким процентом многократной ионизации.

Предлагаемый в изобретении дуговой испаритель может быть использован при работе (нанесении) с различными покрытиями, которые со своей стороны сами также составляют предмет изобретения.

Для лучшего понимания ниже сначала в общих чертах описано использование дугового испарителя, согласно уровню техники. Соответственно этому, на фиг. 5 представлено данное устройство, смонтированное согласно уровню техники.

При этом стенка камеры образует камеру 505 для анода. Силовые линии магнитного поля, которые выходят из мишени, не имеют непосредственного соединения с анодом. На фиг. 5 показано устройство 501 нанесения покрытий с дуговым испарителем 503, который расположен в приемной камере 505, причем в приемной камере 505, кроме того, расположен держатель 507 для подложки, которому посредством источника 508 напряжения может быть сообщен отрицательный потенциал. В особенности, при больших значениях напряженности магнитного поля, которые приводят к повышению шероховатости покрытия (слоев), рабочий газ (например, N₂) оказывается сильнее ионизованным и, таким образом, увеличивается напряжение разряда, или потенциал перед мишенью. Кроме того, из-за высокой температуры электронов в разряде (2-5 эВ) искажается потенциал перед подложкой, как показано на фиг. 6.

На фиг. 4, в противоположность этому, показан вариант осуществления устройства, согласно изобретению, и он уже подробно описан выше.

Испаряющийся с высокой степенью ионизации материал катода под действием смещающего напряжения 408 ускоряется по направлению к подложке. Электрическая система катод 1 - анод 4 выполнена плавающей по отношению к массе 10 камеры.

В этом варианте осуществления изобретения потенциал U_plasma привязан к стенке камеры.

Ток разряда источника дуги течет от катода к аноду. Напряжение катода, составляющее в этом примере приблизительно от -16 до -25 В, устанавливается по отношению к аноду 4. Напряжение смещения на подложке, подаваемое с генератора 408, ускоряет ионы из плазмы с потенциалом плазмы U_plasma по направлению к подложке. Как показано на фиг. 7, распределение потенциала более не является искаженным, поскольку температура электронов такой плазмы составляет лишь приблизительно от 0,3 эВ до 1 эВ.

На фиг. 8 показан следующий вариант осуществления изобретения, а именно устройство 801 для нанесения покрытия с дуговым испарителем 803, который расположен в приемной камере 805, причем помимо этого в камере 805 расположен держатель 807 для подложки, которому посредством источника 808 напряжения можно сообщить отрицательное напряжение. Согласно этому варианту осуществления изобретения, в отличие от фиг. 4, катод плавающей системы катод-анод на фиг. 4 подключен к массе камеры (земле). При этом потенциал смещается, как показано на фиг. 9. Потенциал катода смещается к потенциалу массы камеры. Ток дугового разряда протекает от катода к аноду. Полученное от источника 808 напряжения (источника напряжение смещения) напряжение (в данном примере составляющее 40 В) обеспечивает ускорение ионов с дополнительным слагаемым U_bias+U_plasma.

На фиг. 8 катод накоротко замкнут с камерой и, таким образом, лежит на потенциале массы камеры. Однако также является возможным соединить катод и камеру посредством источника напряжения и, таким образом, добиться дополнительного смещения потенциала. Благодаря этому, можно достичь того, что потенциал плазмы, по меньшей мере, перед анодом является существенно положительным. Это показано на фиг. 10 и 11.

Изобретение относится к дуговому устройству для испарения материала при обработке подложки. Устройство содержит катод, анод, источник напряжения для создания на аноде положительного потенциала относительно катода. Устройство также содержит магнитные элементы, которые формируют магнитное поле над поверхностью катода. Анод (303) расположен в форме кольца вокруг кромки катода (309) в непосредственной близости от него из условия обеспечения расположения большей части силовых линий магнитного поля, создаваемого магнитными элементами (305), выходящих с поверхности катода (309), в преобладающем направлении, параллельном поверхности катода (309), и совместного с магнитным полем, создаваемым магнитными элементами (305), обеспечения вхождения силовых линий магнитного поля, выходящих из поверхности катода (309), в анод (303), если они не выходят из поверхности катода (309) в центральной области катода (309). В результате при постоянно высоком коэффициенте испарения обеспечивается нанесение слоев с малой шероховатостью поверхности. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Дуговое устройство для испарения материала при обработке подложки, содержащее:
катод (309), который имеет поверхность с материалом, испарение которого должно быть осуществлено,
- магнитные элементы (305), которые формируют магнитное поле над поверхностью катода (309),
- анод (303) для поглощения электронов, которые в процессе испарения выделяются с катода (309),
- источник напряжения, который обеспечивает на аноде (303), по меньшей мере, периодическое создание положительного потенциала относительно катода (309),
отличающееся тем, что
- анод (303) расположен в форме кольца вокруг кромки катода (309) в непосредственной близости от него из условия обеспечения расположения большей части силовых линий магнитного поля, создаваемого магнитными элементами (305), выходящих с поверхности катода (309), в преобладающем направлении, параллельном поверхности катода (309), и совместного с магнитным полем, создаваемым магнитными элементами (305), обеспечения вхождения силовых линий магнитного поля, выходящих из поверхности катода (309), в анод (303), если они не выходят из поверхности катода (309) в центральной области катода (309).

2. Дуговое устройство по п. 1, отличающееся тем, что положение и геометрия анода (303) по отношению к катоду (309) выбраны таким образом, что силовые линии магнитного поля входят в поверхность анода (303) под углом более 45°, предпочтительно перпендикулярно.

3. Дуговое устройство по п. 2, отличающееся тем, что положение и геометрия анода (303) по отношению к катоду (309) выбраны таким образом, что силовые линии магнитного поля и силовые линии электрического поля, которые входят в анод (303), проходят параллельно друг другу.

4. Дуговое устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что в центральной области катода (309) предусмотрены средства для предотвращения эрозии упомянутой области в процессе эксплуатации испарительного устройства.

5. Дуговое устройство по п. 4, отличающееся тем, что указанные средства для предотвращения эрозии включают в себя экран, размещенный в центральной области поверхности катода (309).

6. Вакуумное устройство (4 01, 801) для обработки подложки, содержащее приемную камеру (405, 805), держатель (407, 807) для подложки и дуговое устройство (403, 803) для испарения материала, отличающееся тем, что оно содержит дуговое устройство (403, 803) для испарения по любому из пп. 1-5.

7. Вакуумное устройство по п. 6, отличающееся тем, что катод дугового устройства испарения по отношению к приемной камере имеет плавающий, постоянный или положительный потенциал.