СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ МОЩНОСТИ Российский патент 2016 года по МПК H01J37/34 

Данное изобретение относится к способу создания импульсов мощности.

Такие импульсы мощности необходимы, например, в рамках технологии HIPIMS. HIPIMS является сокращением для High Power Impulse Magnetron Sputtering (напыление с помощью создаваемых магнетроном импульсов большой мощности). При этом речь идет о способе вакуумного покрытия, в котором с помощью очень высоких разрядных токов распыляется материал катода, за счет чего гарантируется, что распыленный материал сильно ионизируется положительно. Если одновременно прикладывать к подлежащей покрытию подложке отрицательное напряжение, то это приводит к тому, что возникающие за счет распыления положительные ионы ускоряются в направлении подложки и тем самым приводят к образованию плотного слоя. При этом используются мощности, например, от 40 кВт и более. Однако лишь в рамках очень короткого импульса мощности можно распылять материал с катода, поскольку он при более длительном воздействии проводимости может быть поврежден за счет перегрева. Таким образом, длительность, в течение которой можно с помощью высокой мощности распылять материал с катода, ограничена, что задает максимально допустимую длительность импульса.

Идея решения этой проблемы состоит в разделении всего катода на частичные катоды и подачи мощности последовательно на частичные катоды. Под этим понимается, что в устройстве для нанесения покрытия предусмотрено несколько изолированных друг от друга катодов (называемых в настоящем документе частичными катодами), так что локально ограниченно могут возникать высокие разрядные токи. Описание возможной реализации этой идеи приведено в заявке на патент Германии DE102011018363.

Во время воздействия на частичный катод импульса мощности с этого катода происходит распыление с высокой плотностью разрядного тока. Одновременно могут охлаждаться другие частичные катоды, прежде чем на них снова воздействует импульс мощности.

Однако заявителями было установлено, что сама длительность импульса оказывает большое влияние на свойства созданного с помощью магнетронного распыления слоя. Поэтому необходимы генераторы, которые способны выдавать как очень короткие, так и относительно длинные импульсы мощности.

Генераторы поставляют, как правило, надежно стабильное напряжение при неизменном токе. По-английски они называются power supply, что в переводе означает примерно снабжение мощностью. Ситуация усложняется, когда, как указывалось выше, необходимо создавать короткие импульсы мощности. При подключении источника, который должен отдавать мощность, например, 40 кВт, до отдачи полной мощности с помощью обычных источников напряжения проходит порядка 700 мкс. Если, как в данном случае, требуются импульсы мощности с более короткой длительностью импульсов, то имеющееся в распоряжении время заканчивается уже перед полным нарастанием мощности. Профиль мощности таких импульсов является, соответственно, не контролируемо динамичным, и основанный на них способ распыления приводит к образованию плохо воспроизводимых и не оптимальных по своим свойствам слоев.

Поэтому с помощью способа, согласно данному изобретению, должна быть создана возможность получения простым образом импульсов мощности с заданным профилем, при этом должна обеспечиваться возможность линейного изменения длительности импульсов мощности простым образом в широких пределах.

Задача решается согласно изобретению тем, что соотнесенные с первым частичным катодом интервалы импульсов мощности немного перекрываются во времени с соотнесенными со вторым частичным катодом интервалами импульсов мощности, что при переводе мощности с первого частичного катода на второй частичный катод, поставляющий мощность генератор не должен выключаться, и отбор мощности из генератора происходит непрерывно, и тем самым нет необходимости в новом нарастании мощности. В течение времени перекрытия обоих интервалов импульсов мощности плазма горит лишь у первого частичного катода, поскольку его полное сопротивление является значительно меньшим по сравнению с полным сопротивлением еще не зажженного второго частичного катода. Лишь когда в конце первого интервала импульсов мощности первый частичный катод отделяется от генератора, то зажигается плазма у второго частичного катода, однако при этом так быстро, что происходит по существу непрерывный отбор мощности из генератора. Если имеется третий частичный катод, то обеспечивается возможность небольшого перекрытия соотнесенного с третьим частичным катодом интервала импульсов мощности с соотнесенным со вторым частичным катодом интервалом импульсов мощности, так что снова при переводе мощности со второго частичного катода на третий частичный катод не происходит прерывания отбора мощности. В целом обеспечивается, что соотнесенный с n-м частичным катодом интервал импульсов мощности немного перекрывается с соотнесенным с (n-1)-м частичным катодом интервалом импульсов мощности, за счет чего при переводе мощности с (n-1)-го частичного катода на n-й частичный катод предотвращается прерывание отбора мощности из генератора. Лишь когда мощность переводится на последний частичный катод и выдан соотнесенный с этим последним частичным катодом импульс мощности, т.е. когда завершен цикл импульсов мощности, называемый в последующем группой, то прерывается отбор мощности из генератора. Последующая пауза отбора мощности используется для охлаждения частичных катодов, прежде чем на первый частичный катод снова подается соотнесенный с ним импульс мощности в соответствующем интервале.

Однако такой способ приводит к тому, что по меньшей мере подаваемый на первый частичный катод импульс мощности лежит в диапазоне времени нарастания мощности генератора, и соответствующий импульс мощности имеет соответствующий не желаемый профиль. Поэтому, согласно одному предпочтительному варианту выполнения данного изобретения, перед подачей мощности на первый частичный катод по меньшей мере в течение приблизительно интервала нарастания мощности подается мощность на так называемый фиктивный катод. Затем обеспечивается, что соотнесенный с первым частичным катодом интервал импульсов мощности немного перекрывается с интервалом нарастания мощности, за счет чего при переводе мощности с фиктивного катода на первый частичный катод предотвращается прерывание отбора мощности из генератора, и в рамках первого интервала импульсов мощности уже имеется в распоряжении по существу полная мощность. Указанный выше фиктивный катод может быть реализован, например, с помощью контура тока с активным сопротивлением, на котором падает соответствующее напряжение, и тем самым мощность преобразуется в тепло.

Как указывалось выше, интервал нарастания мощности может составлять порядка 700 мкс. Отдаваемая во время этого интервала генератором на фиктивный катод мощность не используется для процесса распыления, т.е. теряется и представляет потери. Это не создает проблем в том случае, когда цикл импульсов мощности, т.е. групповой интервал, является большим по сравнению с интервалом нарастания мощности, и тем самым потеря мощности составляет лишь небольшой процент. Однако это создает проблемы, когда интервалы импульсов мощности становятся настолько небольшими, что интервал нарастания мощности становится сравнимым с групповым интервалом. В таком случае происходит значительная и тем самым неприемлемая потеря мощности.

Это можно предотвратить с помощью другого предпочтительного варианта выполнения данного изобретения. А именно, заявителями было установлено, что как раз при коротких интервалах импульсов мощности еще совсем нет необходимости в охлаждении частичных катодов. В этом случае к первому циклу импульсов большой мощности примыкает второй цикл импульсов мощности. При этом обеспечивается, что первый интервал второго цикла импульсов мощности (т.е. второй группы) слегка перекрывается с последним интервалом импульсов мощности первого цикла импульсов мощности первой группы, так что перевод мощности с последнего частичного катода на первый частичный катод возможен без прерывания отбора мощности из генератора. Таким образом, для второй группы исключается интервал нарастания мощности и связанная с отводом мощности на фиктивный катод потеря мощности. Можно соответствующим образом располагать в ряд друг за другом столько групп, пока возникающее в частичных катодах выделение тепла не приводит к необходимости действительного прерывания подачи мощности. В такой последовательности групп лишь один раз в начале последовательности необходимо направлять мощность во время интервала нарастания мощности на фиктивный катод.

Ниже приводится более подробное пояснение изобретения на основании примеров технологии распыления.

В поясняемых ниже примерах применяются следующие сокращения:

Pavg - средняя мощность распыления

Pmax - максимальная мощность распыления (мощность в импульсе)

tpn - длина импульса

tdn - задержка импульса

N - количество групп (N=0…500)

n - номер канала (количество частичных катодов, n=0…6, n=0 соответствует фиктивному катоду)

fr - частота повторения

tr - период повторения = 1/fr.

Для предотвращения перегрева катода принимается, что внутри последовательности импульсов общее время, в течение которого на один частичный катод подается мощность, должно быть меньше 100 мс:

(tpn-tdn)*N<100 мс = Tmax.

Пример 1

В рамках первого примера на фиктивный катод в течение 0,5 мс подается мощность, т.е. интервал потерь tp0 составляет 0,5 мс и тем самым надежно охватывает интервал нарастания мощности, равный примерно 0,25 мс. Дополнительно к фиктивному катоду применяются 6 частичных катодов. Интервалы импульсов мощности, во время которых в одной группе мощность подается на один частичный катод, задаются равными tp1-6=0,2 мс, а перекрытие интервалов импульсов мощности задается равным td1-6=0,02 мс. В целом выполняются 10 циклов импульсов мощности, т.е. 10 групп образуют вместе с интервалом потерь одну последовательность. Таким образом, интервал всей последовательности составляет 10*6(0,2 мс-0,02 мс)+0,5 мс = 10,8 мс+0,5 мс = 11,3 мс.

Таким образом, интервал потерь, равный 0,5 мс, соотносится с применяемым для покрытия временем отдачи мощности, равным 10,8 мс. Тем самым по сравнению с потерей мощности на фиктивном катоде используется в более чем 20 раз превышающая мощность для целей покрытия.

Если во время интервала импульса мощности к одному частичному катоду прикладывается мощность 40 кВт и задана средняя мощность распыления 5 кВт на каждом частичном катоде, то интервал всей последовательности необходимо повторять с частотой 69,4 Гц, поскольку

(tpn-tdn)*N*Pmax*fr=0,18мс*10*40кВт*69,4 Гц=5 кВт.

Этому соответствует средняя потеря мощности на фиктивном катоде максимально 0,5мс*40кВт*69,4 Гц=1,39 кВт. Частота повторения 69,4 Гц соответствует длительности повторения 14,4 мс. При длительности интервала всей последовательности 11,3 мс это означает, что между последовательностями необходима пауза в 3,1 мс.

Пример 2

В рамках второго примера интервал импульсов мощности уменьшается до 0,07 мс, а количество групп повышается до 100. Остальные параметры сохраняются. Таким образом, длительность интервала всей последовательности составляет 100*6(0,07 мс-0,02 мс)+0,5 мс=30 мс+0,5 мс=30,5 мс.

Таким образом, интервал потерь, равный 0,5 мс, соотносится с применяемым для покрытия временем отдачи мощности, равным 30 мс. Тем самым по сравнению с потерей мощности на фиктивном катоде используется в более чем 60 раз превышающая мощность для целей покрытия.

Если во время интервала импульса мощности к одному частичному катоду прикладывается мощность 40 кВт и задана средняя мощность распыления 5 кВт на каждом частичном катоде, то интервал всей последовательности необходимо повторять с частотой 25 Гц, поскольку

(tpn-tdn)*N*Pmax*fr=0,05мс*100*40кВт*25 Гц=5 кВт.

Этому соответствует средняя потеря мощности на фиктивном катоде максимально 0,5мс*40кВт*25 Гц=0,5 кВт. Частота повторения 25 Гц соответствует длительности повторения 40 мс. При длительности интервала всей последовательности 30,5 мс это означает, что между двумя последовательностями необходима пауза в 9,5 мс.

Пример 3

В рамках третьего примера интервал импульсов мощности уменьшается до 0,05 мс, а количество групп повышается до 1000. Остальные параметры сохраняются. Таким образом, длительность интервала всей последовательности составляет 1000*6(0,05 мс-0,02 мс)+0,5 мс=180 мс+0,5 мс=180,5 мс.

Таким образом, интервал потерь, равный 0,5 мс, соотносится с применяемым для покрытия временем отдачи мощности, равным 180 мс. Тем самым по сравнению с потерей мощности на фиктивном катоде используется в более чем 360 раз превышающая мощность для целей покрытия.

Если во время интервала импульса мощности к одному частичному катоду прикладывается мощность 60 кВт и задана средняя мощность распыления 5 кВт на каждом частичном катоде, то интервал всей последовательности необходимо повторять с частотой 2,7 Гц, поскольку

(tpn-tdn)*N*Pmax*fr=0,03мс*1000*60кВт*2,7 Гц=4,86 кВт.

Этому соответствует средняя потеря мощности на фиктивном катоде максимально 0,5мс*60кВт*2,7 Гц=81 Вт. Частота повторения 2,7 Гц соответствует длительности повторения 360 мс. При длительности интервала всей последовательности 180,5 мс это означает, что между двумя последовательностями необходима пауза в 179,5 мс.

Пример 4

В рамках четвертого примера интервал импульсов мощности 0,05 мс и количество групп 1000 сохраняются, также как остальные параметры. Таким образом, длительность интервала всей последовательности составляет 1000*6(0,05 мс-0,02 мс)+0,5 мс=180 мс+0,5 мс=180,5 мс.

Таким образом, интервал потерь, равный 0,5 мс, соотносится с применяемым для покрытия временем отдачи мощности, равным 180 мс. Тем самым по сравнению с потерей мощности на фиктивном катоде используется в более чем 360 раз превышающая мощность для целей покрытия.

Если во время интервала импульса мощности к одному частичному катоду прикладывается не как в примере 3 мощность 60 кВт, а лишь 33 кВт, и задана средняя мощность распыления 5 кВт на каждом частичном катоде, то интервал всей последовательности необходимо повторять с частотой 5,05 Гц, поскольку

(tpn-tdn)*N*Pmax*fr=0,03мс*1000*33кВт*5,05 Гц=5 кВт.

Этому соответствует средняя потеря мощности на фиктивном катоде максимально 0,5мс*33кВт*5,05 Гц=83 Вт. Частота повторения 5,05 Гц соответствует длительности повторения 198 мс. При длительности интервала всей последовательности 180,5 мс это означает, что между двумя последовательностями необходима пауза в 17,5 мс.

Как следует из приведенных выше примеров, способ, согласно изобретению, позволяет просто изменять линейно длительность импульсов, высоту импульсов, частоту повторения импульсов, а также точный профиль импульсов при почти исчезающей малой потере мощности. Все величины, которые могут быть объединены под понятием линейно изменяемой характеристики импульса, оказывают при распылении и, в частности в рамках технологии HIPIMS, непосредственное влияние на свойства возникающих при этом слоев. Хотя в описании изобретения указано получение импульсов мощности в рамках технологии распыления, его можно предпочтительно применять везде там, где необходимо подавать сравнительно высокую импульсную мощность на нагрузку.

На фиг.1 показана соответствующая примерам ситуация как в виде единой последовательности, так и с разбивкой на интервал (0) потерь и интервалы (1-6) импульсов мощности на частичных катодах. При этом горизонтальная ось представляет время, а вертикальная ось соответствует отдаваемой генератором мощности, при этом в зонах перекрытия (например, td1) мощность должна разделяться между двумя нагрузками, что не изображено на фигуре. Однако на фигуре показаны лишь 3 группы.

Изобретение относится к области нанесения покрытий, к способу обеспечения импульсов мощности с линейно изменяемым интервалом импульсов мощности для распылительных катодов PVD, которые разделены на частичные катоды, при этом действующие на частичных катодах интервалы импульсов мощности выбраны таким образом, что они перекрываются. Технический результат - непрерывность отбора мощности от поставляющего мощность генератора. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ обеспечения импульсов мощности с линейно изменяемым интервалом импульсов мощности для работы распылительного катода для создания покрытия посредством осаждения паров (PVD), при этом распылительный катод PVD содержит первый частичный катод и второй частичный катод, при этом для частичных катодов задана максимальная средняя прикладываемая мощность, и при этом задается длительность интервалов импульсов мощности, при этом способ содержит следующие этапы:
a) обеспечения генератора с заданной, предпочтительно по меньшей мере после включения и по истечении интервала нарастания мощности, постоянной отдаваемой мощностью,
b) включения генератора,
c) подключения первого частичного катода к генератору таким образом, что первый частичный катод нагружается мощностью генератора,
d) разъединения генератора и первого частичного катода по истечении заданного интервала импульсов мощности, соответствующего первому частичному катоду,
e) подключения второго частичного катода к генератору таким образом, что второй частичный катод нагружается мощностью генератора,
f) разъединения генератора и второго частичного катода по истечении заданного интервала импульсов мощности, соответствующего второму частичному катоду,
при этом первый интервал импульсов мощности начинается во времени перед вторым интервалом импульсов мощности, и первый интервал импульсов мощности заканчивается во времени перед вторым интервалом импульсов мощности,
отличающийся тем, что этапы d) и е) выполняют таким образом, что первый интервал импульсов мощности и второй интервал импульсов мощности перекрываются во времени, и все интервалы импульсов мощности совместно образуют первую группу, так что отдача мощности из генератора сохраняется все время без перерыва между началом первого интервала импульсов мощности до конца второго интервала импульсов мощности, и отсутствует второй интервал нарастания мощности.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перекрытие во времени первого интервала импульсов мощности и второго интервала импульсов мощности составляет не более х% интервала нарастания мощности, или, если первый интервал импульсов мощности отличается по длительности от второго интервала импульсов мощности, составляет не более х% интервала импульсов мощности меньшей длительности, при этом х меньше или равен 20, предпочтительно х меньше или равен 10.

3. Способ по любому из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что распылительный катод PVD содержит по меньшей мере один дополнительный частичный катод, предпочтительно несколько дополнительных частичных катодов, при этом дополнительные частичные катоды подключают к генератору и разъединяют с ним в соответствии с этапами е) и f), при этом соотнесенный с очередным дополнительным частичным катодом интервал импульсов мощности перекрывается во времени с интервалом импульсов мощности, который соответствует непосредственно предыдущему частичному катоду, и первый, второй и дополнительный или дополнительные интервалы импульсов мощности вместе образуют непрерывную во времени первую группу, так что отдача мощности от генератора во время образованного первой группой группового интервала сохраняется все время без перерыва, и отсутствует второй интервал нарастания мощности.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что за первой группой следует вторая группа, внутри которой в соответствии с первой группой подают на первый, второй и, возможно, дополнительные частичные катоды импульсы мощности в пределах перекрывающихся интервалов импульсов мощности, при этом вторая группа следует за первой группой таким образом, что первый интервал импульсов мощности второй группы перекрывается с последним интервалом импульсов мощности первой группы, так что сохраняется все время без перерывов отдача мощности от генератора с начала первого интервала импульсов мощности первой группы до конца последнего интервала импульсов мощности второй группы, и отсутствует второй интервал нарастания мощности.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что в соответствии со сформулированными в п. 4 условиями для групп 1 и 2 следуют друг за другом N групп, при этом N является целым числом >1.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что количество N групп предпочтительно выбирают максимальным, но лишь настолько большим, что для каждого частичного катода n справедливо, что сумма соотнесенных с ним интервалов tpn импульсов мощности за вычетом перекрытия tdn для всех групп 1 - N не превышает максимальное время 100 мс.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что во время интервала потерь отдаваемая генератором мощность отдается на не используемую для нанесения покрытия нагрузку, при этом интервал потерь содержит по меньшей мере интервал нарастания мощности, и интервал потерь перекрывается с первым интервалом импульсов мощности первой группы, и интервал потерь вместе с группами образуют непрерывную последовательность.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что способ многократно повторяют, и что каждый раз после последнего интервала импульсов мощности генератор выключают для паузы, и выбирают паузу настолько длинной, что отдаваемая на частичные катоды усредненная во времени мощность соответствует заданному значению с учетом пауз.

9. Способ напыления с помощью создаваемых магнетроном импульсов большой мощности (HIPIMS), который содержит способ по п. 1, отличающийся тем, что заданная мощность генератора составляет по меньшей мере около 20 кВт, предпочтительно по меньшей мере около 40 кВт и особенно предпочтительно около 60 кВт.

10. Способ HIPIMS по п. 9, отличающийся тем, что параметры выбирают таким образом, что отдаваемая на частичные катоды усредненная во времени мощность менее 10 кВт и предпочтительно около 5 кВт, при этом преобладающая во времени и локально на частичных катодах плотность разрядного тока предпочтительно более 0,2 А/см².