КОМПОНОВОЧНАЯ СХЕМА И СПОСОБ ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО РАСПЫЛЕНИЯ ДЛЯ ОПТИМИЗИРОВАННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТОКА ЭНЕРГИИ Российский патент 2021 года по МПК H01J37/34 C23C14/34 

Настоящее изобретение относится к способу осаждения для систем нанесения покрытий методом термовакуумного осаждения из паровой фазы с помощью катодного распыления, обычно называемого также ионно-плазменным распылением. Предметом изобретения является наложение импульсов с большой плотностью мощности на разряд магнетрона и оптимальное распределение потока энергии на несколько компонентов магнетрона в составе установки для нанесения покрытий.

Уровень техники

В общем, в случае со способами нанесения покрытий с помощью ионно-плазменного распыления по меньшей мере одну мишень, которая включена в цепь как катод, бомбардируют ионами из плазмы, что приводит к съему материала с мишени. Обычно ионы с помощью электрического поля подвергают ускорению в направлении поверхности мишени. Кроме того, как правило, за мишенью, включенной в цепь как катод, задают дополнительное магнитное поле, чтобы электроны в плазме принудительно направлялись на спиральную траекторию и обращались вокруг поверхности мишени, подвергаемой ионно-плазменному распылению. При этом количество ударов по каждому электрону значительно увеличивают в такой степени, что обеспечивают повышенную ионизацию над поверхностью мишени, по меньшей мере на одном определенном участке, что приводит на мишени (именуемой далее по тексту также как мишень ионного распыления или распыляемый катод) к увеличенному ионно-плазменному уносу вещества непосредственно под этим участком. При этом образуются эрозионные канавки, типичные для магнетронного распыления, а зону, в которой обращаются электроны, то есть зону над возникающими эрозионными канавками называют гоночным треком.

Магнетронное распыление импульсами большой мощности (HiPIMS) представляет собой особый способ ионно-плазменного распыления или магнетронного распыления. При этом используют плотность мощности ионно-плазменного распыления (именуемую далее также как плотность мощности) от большой до очень большой. Использование большой плотности мощности ионно-плазменного распыления увязано с использованием большой плотности тока, которая приводит к ионизации распыленного материала. О способах магнетронного распыления импульсами большой мощности можно говорить, начиная с плотности мощности ионно-плазменного распыления свыше 300 Вт/см² или начиная с плотности тока свыше 0,5 А/см². При обычном магнетронном распылении плотность мощности составляет значения меньше 100 Вт/см². Площадь при этом определяют по магнетронному гоночному треку, известному специалистам.

В таком случае, в этом контексте значения плотности мощности (плотности мощности ионно-плазменного распыления) в 100 Вт/см² или более, прежде всего 300 Вт/см² или более, должны рассматриваться как большие значения плотности мощности.

Для предотвращения перегрева распыленного материала с мишени, обычно называемой также как мишень ионного распыления, во время способов ионно-плазменного распыления, при которых используют такие большие значения плотности мощности, прежде всего при способах магнетронного распыления импульсами большой мощности, плотность мощности ионно-плазменного распыления должна задаваться импульсообразно. В ЕР 2272080 В1 приведено описание импульсообразной задачи плотности мощности ионно-плазменного распыления. Для этой цели конденсатор заряжают на высокое напряжение и через переключатель подают его на магнетрон. Под действием высокого напряжения и при наличии распыленной газовой фазы зажигают магнетронный разряд, и ток катодного распыления нарастает до тех пор, пока конденсатор может поддерживать напряжение. С помощью этого способа, описанного в ЕР 227080 В1, можно генерировать импульсы катодного распыления длительностью от 10 мкс до примерно 200 мкс.

В WO/2012/143091 приведено описание способа для обеспечения последовательной задачи плотности мощности ионно-плазменного распыления на несколько мишеней ионного распыления T_i. Предлагается разделить катод на изолированные друг от друга частичные катоды или использовать вместо одного катода несколько катодов и последовательно подавать определенную мощность ионно-плазменного распыления поочередно на частичные катоды или на катоды таким образом, чтобы они могли запитываться импульсами мощности. В этом контексте мощность ионно-плазменного распыления представляет собой мощность, которую обеспечивают используемым устройством подвода мощности. При этом генератор мощности ионно-плазменного распыления G применяют на большое количество катодов или частичных катодов T_i (в данном случае - Т₁, Т₂, Т₃, Т₄, Т₅ и Т₆), причем импульсы плотности мощности подводят на эти частичные катоды T_i последовательно, не прерывая отбор мощности с генератора мощности ионно-плазменного распыления G, причем на каждый частичный катод T_i подводят соответственно один импульс плотности мощности на протяжении соответствующей длительности t_i импульса, как это схематично отображено, например, на фиг. 1 в отношении непрерывного отбора мощности с генератора мощности G на протяжении 2 периодов (2 Т). Плотность мощности ионно-плазменного распыления (или, как уже упоминалось выше, которую упрощенно называют также плотностью мощности) определяют в таком случае из мощности генератора Р, поделенной на площадь гоночного трека на соответствующем распыляемом катоде T_i. Среднюю потребляемую мощность Pav_i, то есть среднюю мощность ионно-плазменного распыления для распыляемого катода (напр., в кВт) получают из плотности мощности ионно-плазменного распыления (напр., в кВт/см²) умножением на площадь гоночного трека на соответствующем распыляемом катоде (напр., в см²), длительность включения (напр., в с) и частоту включений (напр., в с^-1).

В этом контексте под длительностью включения подразумевают длительность воздействия импульса мощности на распыляемый катод, то есть длительность t_i импульса на соответствующем распыляемом катоде T_i, а частоту включений определяют как 1/Т.

Если используют множество N>2 распыляемых катодов T_i и каждый распыляемый катод T_i вводят в действие в повторяющейся последовательности с длительностью последовательности, равной периоду Т, с одинаковой, предпочтительно постоянной мощностью ионно-плазменного распыления Р, отбираемой с генератора мощности G (в этом смысле называемой также импульсной мощностью Р), причем импульсную мощность подают поочередно на каждый распыляемый катод T_i по возможности без задержки во времени, и причем длительность t_i каждого импульса, на протяжении которой импульсную мощность подводят на соответствующий распыляемый катод, является одинаково длинной, тогда в этом случае потребляемую распыляемым катодом T_i мощность ионно-плазменного распыления, то есть среднюю мощность Pav_i ионно-плазменного распыления на каждый распыляемый катод получают из уравнения:

где:

Pav_i = средняя мощность ионно-плазменного распыления на каждый распыляемый катод,

Р = мощность генератора,

N = количество распыляемых катодов.

Для случая с неодинаковыми длительностями импульсов на каждом распыляемом катоде (t₁≠t_2…), но в остальном при одинаковых условиях режима работы (то есть, в остальном при запитке распыляемых катодов T_i в повторяющейся последовательности с длительностью частоты, равной периоду Т, без прерывания предпочтительно постоянного отбора мощности ионно-плазменного распыления с генератора и без задержки во времени между подачами импульсной мощности на соответствующие распыляемые катоды на протяжении периода Т) действительны:

где:

Pav_i = средняя мощность ионно-плазменного распыления на соответствующий распыляемый катод,

t_i = время включения (длительность импульса) соответствующего распыляемого катода,

Т = длительность периода соответствующей повторяющейся последовательности,

F = частота, с которой повторяющуюся последовательность повторяют.

Под i подразумевается каждый отдельный распыляемый катод в компоновочной схеме ионно-плазменного распыления, то есть, если компоновочная схема ионно-плазменного распыления включает в себя N-ное количество катодов, тогда i есть соответственно 1, 2, 3, … и до N.

Способ магнетронного распыления импульсами большой мощности (HiPIMS) используют, предпочтительно, для получения ионизированных паров из распыляемого материала и формирования тонких слоев покрытия посредством приложения отрицательного напряжения смещения на подложке (напряжение смещения). Степень ионизации ионизированных паров материала зависит от плотности тока или, в данном случае, от обеспечиваемой магнетронным разрядом плотности мощности ионно-плазменного распыления. Также известно, что при высокой ионизации распыленных частичек имеет место обратный ток ионов к мишени ионного распыления (то есть, к распыляемому катоду) и, следовательно, снижение скорости нанесения покрытий.

На фиг. 2 представлена характеристика удельной скорости нанесения покрытий, в мкм/кВт⋅ч, в зависимости от приложенной плотности мощности ионно-плазменного распыления. Удельную скорость нанесения покрытий можно рассматривать как скорость нанесения покрытий, отнесенную к средней мощности ионно-плазменного распыления, потому что ее определяют по толщине покрытия в единицу времени (например, время нанесения покрытия), отнесенную к средней мощности ионно-плазменного распыления, причем среднюю мощность ионно-плазменного распыления, в свою очередь, определяют по плотности мощности ионно-плазменного распыления, помноженной на площадь гоночного трека каждого распыляемого катода, как это можно видеть из уравнения 6:

где:

R_{spezif._i} = удельная скорость нанесения покрытий, в мкм/кВт⋅ч,

R = скорость нанесения покрытий, в мкм/ч,

Pav_i = средняя мощность ионно-плазменного распыления на соответствующий распыляемый катод.

Приведенные на фиг. 2 данные измерялись на титановом разряде (то есть, на разряде ионно-плазменного излучения с титаном в качестве материала распыляемого катода). Удельная скорость нанесения покрытий в этом примере в результате увеличения плотности мощности ионно-плазменного распыления с 500 Вт/см² до 1800 Вт/см² уменьшается примерно до половины (с примерно 6,5 мкм/кВт⋅ч до примерно 3,5 мкм/кВт⋅ч). Это означает, что отдача способов нанесения покрытий с использованием более высоких значений плотности мощности ионно-плазменного распыления оказывается менее продуктивной.

Как описано в WO/2012/143091 и видно из уравнения 1, при использовании импульсов мощности, которые последовательно и по времени равномерно подают на несколько распыляемых катодов в последовательности друг за другом, среднюю мощность ионно-плазменного распыления на каждом распыляемом катоде определяют по мощности ионно-плазменного распыления (называемой также импульсной мощностью), задаваемой на генераторе ионно-плазменного распыления или устройстве подвода мощности, и количеству задействованных распыляемых катодов. В свою очередь, это означает, что заданную на генераторе мощности G мощность Р можно уменьшать для преднамеренного достижения уменьшения плотности мощности ионно-плазменного распыления, чтобы удельная скорость нанесения покрытий увеличивалась, для чего при этом среднюю мощность ионно-плазменного распыления на каждый распыляемый катод Pav_i принудительно уменьшают, в остальном оставляя все другие настроенные параметры компоновочной схемы одинаковыми (не измененными). При этом, однако, возникает противоречивая ситуация, что, хотя скорость нанесения покрытий, увязанная со средней мощностью ионно-плазменного распыления, по расчетным выкладкам и должна бы увеличиваться вследствие использования меньшей плотности мощности ионно-плазменного распыления, происходит уменьшение собственно средней мощности ионно-плазменного распыления на каждый распыляемый катод и поэтому, следовательно, повышение производительности обеспечить невозможно. Более четко это разъяснено на основе фиг. 3.

На фиг. 3 показана характеристика скорости нанесения покрытий в зависимости от плотности мощности ионно-плазменного распыления согласно компоновочной схеме с 6 частичными катодами, как представлено на фиг. 1, с использованием удельной скорости нанесения покрытий из титана в зависимости от плотности мощности ионно-плазменного распыления, когда варьируют только заданную на генераторе мощности импульсную мощность Р, чтобы тем самым варьировать плотность мощности ионно-плазменного распыления (на каждый распыляемый катод). Здесь можно отчетливо определить, что при уменьшении плотности мощности ионно-плазменного распыления в результате уменьшения импульсной мощности Р в подобной компоновочной схеме для магнетронного распыления импульсами большой мощности средняя мощность ионно-плазменного распыления снижается настолько сильно, что удельная скорость нанесения покрытий также снижается, поскольку собственно скорость нанесения покрытий снижается сильнее, чем средняя мощность ионно-плазменного распыления.

Проблематичным при этом является также то, что вследствие меньшей гибкости для настройки плотности мощности (а при этом также и степени ионизации) в подобной компоновочной схеме для магнетронного распыления импульсами большой мощности имеет место также низкая степень гибкости для осаждения слоев с различными свойствами пленок, поскольку на многие свойства пленок влияют плотность мощности ионно-плазменного распыления и степень ионизации, которая дополнительно зависит также от материала мишени. Кроме того, при подобной компоновочной схеме оптимизация скорости нанесения покрытий, увязанной с мощностью ионно-плазменного распыления, заданной на генераторе мощности, представляется очень затруднительной в плане повышения производительности.

Задача изобретения

Задача настоящего изобретения заключается в разработке компоновочной схемы ионно-плазменного распыления и способа для осуществления способов нанесения покрытий с помощью импульсного ионно-плазменного распыления, прежде всего посредством ионно-плазменного распыления импульсами с большой плотностью мощности или посредством магнетронного распыления импульсами большой мощности, причем компоновочная схема ионно-плазменного распыления позволяет варьировать плотность мощности ионно-плазменного распыления, не приводя к потере производительности.

Решение задачи согласно настоящему изобретению

Задача решена за счет того, что согласно изобретению разработана компоновочная схема ионно-плазменного распыления с объединенной сетью генераторов G_j мощности ионно-плазменного распыления, которые соответственно обеспечивают импульсную мощность P_j.

Настоящее изобретение относится к компоновочной схеме ионно-плазменного распыления, вакуумной установке для нанесения покрытий и способу для осуществления способов нанесения покрытий магнетронным распылением импульсами большой мощности, причем в компоновочную схему ионно-плазменного распыления заложены по меньшей мере два различных варианта коммутации, причем благодаря переключению на второй вариант коммутации в случае с двумя компоновочными подсхемами ионно-плазменного распыления можно одновременно работать с импульсами большой мощности с обеспечением повышения производительности.

Подробное разъяснение изобретения приведено на основе следующих примеров:

N количество распыляемых катодов T_i должно быть увязано с количеством n генераторов ионно-плазменного распыления (называемых далее также генераторами мощности ионно-плазменного распыления) G_j для обеспечения того, чтобы результат выражения Pav_i=Р×t_i/Т для всех значений мощности Р, которые определяют плотность мощности ионно-плазменного распыления, представлял собой оптимальную или максимальную величину, причем мощность Р в этом примере определяют как сумму значений мощности P_j, отобранных соответствующих генераторов мощности:

На фиг. 4А показан пример компоновочной схемы ионно-плазменного распыления согласно изобретению, которая включает в себя объединенную сеть генераторов G_j мощности ионно-плазменного распыления. Соответствующее распределение импульсов t_i мощности ионно-плазменного распыления по времени для этой компоновочной схемы ионно-плазменного распыления представлено на фиг. 4Б, где:

P_j = мощность ионно-плазменного распыления, которая при отборе с соответствующего генератора G_j мощности на фиг. 4 составляет величину n, например, равна 6, то есть коэффициент j варьируется в этом примере от 1 до 6,

Sb_j = переключатель на мостовой схеме для коммутации отбора мощности P_j с соответствующего генератора G_j мощности,

Sp_i = импульсный переключатель для последовательной запитки соответствующих распыляемых катодов T_i (для последовательной подачи мощности ионно-плазменного распыления на соответствующие распыляемые катоды T_i), при этом N на фиг. 4 равно, например, 6, то есть коэффициент j варьируется в этом примере от 1 до 6, причем каждый распыляемый катод T_i запитывают мощностью ионно-плазменного распыления Р, которая в этом случае соответствует сумме значений отбора мощностей с генераторов мощности, то есть

Соответственно, в показанной на фиг. 4А компоновочной схеме ионно-плазменного распыления отбор мощности с 6-ти генераторов мощности ионно-плазменного распыления с помощью переключателей на мостовой схеме коммутируют таким образом, что обеспечивается суммарная мощность Р ионно-плазменного распыления, которая соответствует сумме значений отбора мощностей P_j соответствующих генераторов G_j мощности (то есть, при n=6, тогда: Р=P₁+Р₂+Р₃+Р₄+Р₅+Р₆). Посредством генерации последовательности импульсов переключателями от Sp1 до Sp6, управляемыми, например, биполярными транзисторами с изолированным затвором, можно генерировать последовательность импульсов мощности, как это представлено на фиг. 4Б. Отдельные импульсы мощности обладают импульсной мощностью Р (амплитуда). Работу множества генераторов мощности обеспечивают без прерываний.

При равной длительности импульсов, то есть при t_i=t_i+1 (тогда в этом примере t₁=t₂=t₃=t₄=t₅=t₆) и одинаковом отборе мощности с отдельных генераторов мощности, то есть при P₁=Р₂=Р₃=Р₄=Р₅=P₆ действительно следующее:

Pav_i=6×P_j/6=P_j

P=6*Pg_j

На фиг. 5A, Б показана подобная компоновочная схема ионно-плазменного распыления согласно изобретению, как на фиг. 4, только в представлении с другой схемой коммутации переключателей на мостовой схеме согласно изобретению, при которой использование распыляемых катодов обеспечивают в составе двух отдельных компоновочных подсхем ионно-плазменного распыления.

Как видно на фиг. 5А, размыкание переключателя Sb3 на мостовой схеме приводит к разбивке генераторов мощности соответственно на две группы, то есть в этом примере три генератора мощности (G₁, G₂ и G₃) из числа всех коммутируют на первую компоновочную подсхему А для обеспечения первой импульсной мощности Р_А=P₁+Р₂+Р₃, а другие три генератора мощности (G₄, G₅, G₆) коммутируют на вторую компоновочную подсхему В для обеспечения второй импульсной мощности P_B=Р₄+Р₅+Р₆. Аналогичным образом, соответственно трем распыляемым катодам обеспечивают связку с первой компоновочной подсхемой, а другим трем распыляемым катодам - со второй компоновочной подсхемой таким образом, что, к примеру, распыляемые катоды T₁, Т₂ и Т₃ импульсообразно и последовательно запитывают первой импульсной мощностью P_A, а другие три распыляемых катода Т₄, Т₅ и Т₆ запитывают второй импульсной мощностью P_B.

При этом коммутация переключателей от Sp1 до Sp3 и от Sp4 до Sp6 на биполярных транзисторах с изолированным затвором подобным образом может осуществляться с выборкой полностью раздельных последовательностей импульсов или синхронных последовательностей импульсов с одинаковыми или различными длительностями импульсов t_i, а также с одинаковыми или различными периодами T_A и T_B. Следует учитывать, что значения импульсной мощности Р_А=P₁+Р₂+Р₃ и P_B=Р₄+Р₅+P₆ меньше, чем суммарная импульсная мощность Р=P₁+Р₂+Р₃+Р₄+Р₅+Р₆. В результате при разбивке коммутации на две компоновочные подсхемы, как показано на фиг. 5, на распыляемые катоды T_i по сравнению со сведением коммутации в компоновочную схему ионно-плазменного распыления, как показано на фиг. 4, подводят меньшую плотность мощности ионно-плазменного распыления на каждый распыляемый катод. При этом средняя мощность Pav_i ионно-плазменного распыления на каждый распыляемый катод в компоновочных подсхемах согласно фиг. 5 остается такой же, как в компоновочной схеме ионно-плазменного распыления согласно фиг. 4.

В таком случае, согласно изобретению, согласно заключению из фиг. 2 суммарная скорость нанесения покрытий с использованием коммутации этих двух компоновочных подсхем больше, чем с использованием коммутации единой компоновочной схемы ионно-плазменного распыления, как на фиг. 4.

При одинаковой длительности t_i импульса отдельных импульсов мощности P_j в привязке к отдельным распыляемым катодам T_i (то есть, при t₁=t₂=t₃=t₄=t₅=t₆) и одинаковой отобранной мощности с отдельных генераторов мощности G_i (P₁=Р₂=Р₃=Р₄=Р₅=Р₆) действительно следующее:

Pav_iA=Pav_iB=n_A*P_j/n_A=n_B*P_j/n_B=3*P_i/3=P_i

Pav=P_j

импульсная мощность в компоновочных подсхемах А и В=P_A=P_B=3*Pj

На фиг. 6А, Б показан третий соответствующий вариант коммутации компоновочной схемы ионно-плазменного распыления согласно изобретению, которую согласно изобретению также можно коммутировать, как уже было показано на фиг. 4 и на фиг. 5. В данном варианте выставления все переключатели на мостовой схеме разомкнуты. Каждый распыляемый катод T_i отнесен к отдельному генератору мощности. Мощность P_C ионно-плазменного распыления для каждого распыляемого катода T_i соответствует в этом случае P_j, тем самым обеспечивается дополнительное уменьшение плотности мощности ионно-плазменного распыления. При этом средняя мощность ионно-плазменного распыления такая же, как в случае, например, с уже представленными выше вариантами коммутации согласно фиг. 4 и фиг. 5. Согласно представленному заключению, следующему из фиг. 2, в этом третьем варианте коммутации скорость нанесения покрытий больше по сравнению с таковыми при вариантах выставления согласно фиг. 4 и фиг. 5.

При одинаковой мощности P_j отдельных генераторов (G_j) действительно следующее:

Pav=P_j

импульсная мощность =P_C=P_j

Опираясь на вышеприведенные описания на основе компоновочной схемы ионно-плазменного распыления согласно изобретению, состоящей из 6 генераторов мощности ионно-плазменного распыления и 6 мишеней ионного распыления (распыляемых катодов), специалист может легко расширить решение на n-ное количество генераторов, а также на N-ное количество распыляемых катодов, в котором n≠6 и/или N≠6.

Примеры скоростей нанесения покрытий

На фиг. 7 представлен коэффициент увеличения скорости нанесения покрытий при переключении компоновочной схемы ионно-плазменного распыления согласно изобретению с коммутации согласно фиг. 4 на коммутацию согласно фиг. 5. В соответствии с вариантами выставления согласно примерам на фиг. 4 и фиг. 5 производили переключение между различными распыляемыми материалами в составе распыляемых катодов с выполнением осаждения соответствующих слоев покрытия.

При этом плотность мощности ионно-плазменного распыления в случае с коммутацией согласно фиг. 4 составляла 1800 Вт/см², а в случае с коммутацией согласно фиг. 5 - 900 Вт/см². Средняя мощность ионно-плазменного распыления в обоих случаях была одинаковой. Как показано на фиг. 7, по всем распыляемым материалам смогло быть определено увеличение скорости нанесения покрытий. Если бы в случае с коммутацией согласно фиг. 4 уменьшили плотность мощности в компоновочной схеме ионно-плазменного распыления, уменьшив импульсную мощность Р, то практически до половины уменьшили бы также и скорость нанесения покрытий и при этом не вышли бы на коэффициент увеличения скорости нанесения покрытий и, следовательно, не обеспечили бы повышение производительности.

Описание чертежей

На фиг. 1 показано распределение во времени импульсов мощности (также называемых импульсами катодного распыления) с импульсной мощностью Р в компоновочной схеме ионно-плазменного распыления с шестью частичными катодами (также называемыми распыляемыми катодами) от T₁ до Т₆. Импульсы мощности последовательно подают друг за другом на шесть частичных катодов, не прерывая отбор мощности с генератора G ионно-плазменного распыления, причем t₁ есть длительность импульса мощности, подведенной на протяжении периода Т на первый частичный катод Т₁ и, аналогично, t₂ есть длительность импульса мощности, подведенной на протяжении того же периода Т на второй частичный катод Т₂ и т.д., причем длительность t_i импульса - в данном примере с i = от 1 до 6 - выбрали так, что t₁=t₂=t₃=t₄=t₅=t₆. Временную последовательность коммутации мощности ионно-плазменного распыления с одной мишени ионного распыления (распыляемого катода в данном контексте) на другую осуществляют, как уже упоминалось выше, без прерывания подвода мощности Р со стороны генератора. Последовательность t₁-t₆ повторяют с длительностью периода Т и осуществляют также без перебоев со стороны генератора. В примере на фиг. 1 значения длительности импульсов от t₁ до t₆ представлены одинаково длинными. При этом длительность t_i каждого импульса для частичного катода T_i может задаваться индивидуально.

На фиг. 2 показана характеристика удельной скорости нанесения покрытий из титана в зависимости от плотности мощности ионно-плазменного распыления.

На фиг. 3 показана характеристика скорости нанесения покрытий в зависимости от плотности мощности ионно-плазменного распыления согласно компоновочной схеме ионно-плазменного распыления с 6 частичными катодами, как представлено на фиг. 1, с использованием удельной скорости нанесения покрытий из титана в зависимости от плотности мощности ионно-плазменного распыления.

На фиг. 4 (в составе из фиг. 4А и фиг. 4Б) показано конструктивное выполнение компоновочной схемы ионно-плазменного распыления согласно настоящему изобретению с объединенной сетью генераторов мощности ионно-плазменного распыления согласно изобретению (фиг. 4А), которые соответственно скоммутированы для обеспечения соответствующего распределения импульсов мощности ионно-плазменного распыления во времени, причем импульсная мощность соответственно составляет Р=P₁+Р₂+Р₃+Р₄+Р₅+Р₆, а импульсы мощности ионно-плазменного распыления подают на соответствующие частичные катоды T_i на протяжении соответствующей длительности t_i импульса, то есть на частичный катод T₁ - во время длительности импульса t₁, на частичный катод Т₂ - во время длительности импульса t₂, и т.д. (фиг. 4Б).

На фиг. 5 (в составе из фиг. 5А и фиг. 5Б) показано такое же конструктивное выполнение компоновочной схемы ионно-плазменного распыления согласно настоящему изобретению, как показано на фиг. 4, только в другом решении коммутации согласно изобретению (фиг. 5А), которое обеспечивает одновременное использование компоновочной схемы ионно-плазменного распыления с разбивкой на две различные компоновочные подсхемы А и В. На фиг. 5Б показано соответствующее распределение импульсов мощности во времени в компоновочных подсхемах ионно-плазменного распыления, причем мощность в компоновочной подсхеме А составляет P_A=P₁+Р₂+Р₃, а мощность в компоновочной подсхеме В составляет P_B=Р₄+Р₅+Р₆.

На фиг. 6 (в составе из фиг. 6А и фиг. 6Б) показано такое же конструктивное выполнение компоновочной схемы ионно-плазменного распыления согласно настоящему изобретению, как на фиг. 4 и фиг. 5, только в еще одном решении коммутации согласно изобретению (фиг. 6А), при котором никакие импульсы мощности больше не генерируют, а непрерывно, по отдельности запитывают соответствующие распыляемые катоды отбором мощности соответствующих генераторов мощности от G₁ до G₆ ионно-плазменного распыления, как показано на фиг. 6Б.

На фиг. 7 представлен коэффициент увеличения скорости нанесения покрытий при переключении компоновочной схемы ионно-плазменного распыления согласно изобретению с коммутации согласно фиг. 4 на коммутацию согласно фиг. 5.

В настоящем изобретении конкретно раскрыта сущность следующего.

Компоновочная схема ионно-плазменного распыления с количеством N распыляемых катодов или частичных катодов T_i с i = от 1 до N и с количеством n генераторов G_j мощности ионно-плазменного распыления с j = от 1 до n, причем N является целым числом и N≥2, а n также является целым числом и n≥2, причем компоновочная схема ионно-плазменного распыления включает в себя переключатели Sb_j на мостовой схеме для коммутации отбора мощности P_j соответствующего генератора G_j мощности ионно-плазменного распыления и импульсные переключатели Sp_i для распределения соответствующих отборов мощности P_j на соответствующие распыляемые катоды T_i, причем компоновочная схема ионно-плазменного распыления выполнена таким образом, что она может эксплуатироваться по меньшей мере в двух различных вариантах коммутации, причем:

в первом варианте коммутации соответствующие отборы мощности P_j n-ных генераторов G_j мощности ионно-плазменного распыления соответственно посредством переключателей на мостовой схеме могут коммутироваться таким образом, что обеспечивается суммарная мощность Р ионно-плазменного распыления, которая соответствует сумме отборов мощности P_j, то есть и причем посредством генерирования последовательности импульсов, с помощью соответствующих импульсных переключателей генерируется последовательность импульсов мощности с импульсной мощностью Р и периодом последовательности Т, причем отдельные импульсы мощности распределяются во времени на соответствующие распыляемые катоды T_i, причем распыляемые катоды соответственно запитываются во время длительности t_i импульса, а период Т соответствует сумме длительностей импульсов, то есть и

во втором варианте коммутации распыляемые катоды эксплуатируются по меньшей мере в двух отдельных компоновочных подсхемах А и В ионно-плазменного распыления, причем для эксплуатации компоновочных подсхем ионно-плазменного распыления отборы мощности соответственно с nA количества генераторов мощности ионно-плазменного распыления и с nB количества генераторов мощности ионно-плазменного распыления соответственно посредством переключателей на мостовой схеме могут коммутироваться таким образом, что обеспечивается первая импульсная мощность и вторая импульсная мощность причем n_A+nB=n, и причем посредством соответствующего генерирования последовательности импульсов, с помощью соответствующих импульсных переключателей генерируется соответственно первая последовательность импульсов мощности с импульсной мощностью Р_А и периодом последовательности T_A и вторая последовательность импульсов мощности с импульсной мощностью P_B и периодом последовательности T_B, причем отдельные импульсы мощности распределяются во времени на распыляемые катоды соответствующих компоновочных подсхем ионно-плазменного распыления, причем NA соответствует количеству распыляемых катодов в первой компоновочной подсхеме ионно-плазменного распыления A, a NB соответствует количеству распыляемых катодов во второй компоновочной подсхеме ионно-плазменного распыления В, и NA+NB=N, и причем период последовательности T_A соответствует сумме длительностей импульсов для распыляемых катодов в первой компоновочной подсхеме ионно-плазменного распыления А, а период последовательности T_B соответствует сумме длительностей импульсов для распыляемых катодов во второй компоновочной подсхеме ионно-плазменного распыления В, то есть и

Вакуумная установка для нанесения покрытий, имеющая компоновочную схему ионно-плазменного распыления согласно изобретению, как описано выше, причем компоновочная схема ионно-плазменного распыления выполнена таким образом, что во время осуществления способа ионно-плазменного распыления могут быть использованы импульсы большой мощности, которые обеспечивают использование больших плотностей мощности ионно-плазменного распыления со значениями 100 Вт/см² или более, предпочтительно - 300 Вт/см² или более.

Вакуумная установка для нанесения покрытий, как описано выше, в которой, предпочтительно, N=n.

Вакуумная установка для нанесения покрытий, как описано выше, в которой, предпочтительно, P_A=P_B.

Вакуумная установка для нанесения покрытий, как описано выше, в которой, предпочтительно, Р=P_A+P_B.

Вакуумная установка для нанесения покрытий, как описано выше, в которой, предпочтительно, NA=NB и/или nA=nB.

Способ нанесения покрытий на подложки посредством магнетронного распыления импульсами большой мощности, причем способ магнетронного распыления импульсами большой мощности осуществляют с помощью такой вакуумной установки для нанесения покрытий, как вышеописанная вакуумная установка для нанесения покрытий согласно изобретению.

Способ, как описано выше, причем, по меньшей мере, для осаждения слоя покрытия посредством способа магнетронного распыления импульсами большой мощности компоновочную схему ионно-плазменного распыления переключают на вариант коммутации по меньшей мере с двумя компоновочными подсхемами ионно-плазменного распыления, и причем обеспечивают коэффициент увеличения скорости нанесения покрытий по сравнению со способом магнетронного распыления импульсами большой мощности, который осуществлялся бы с помощью компоновочной схемы ионно-плазменного распыления при первом варианте коммутации.

Изобретение относится к компоновочной схеме ионно-плазменного распыления, вакуумной установке для нанесения покрытий и способу для осуществления способов нанесения покрытий магнетронным распылением импульсами большой мощности. Компоновочная схема ионно-плазменного распыления содержит распыляемые или частично распыляемые катоды и генераторы G_j мощности ионно-плазменного распыления, переключатели Sb_j на мостовой схеме для коммутации отбора мощности P_j соответствующего генератора G_j мощности ионно-плазменного распыления и импульсные переключатели Sp_i для распределения соответствующих отборов мощности P_j на соответствующие распыляемые катоды T_i. Компоновочная схема ионно-плазменного распыления выполнена с возможностью ее эксплуатации по меньшей мере в двух различных вариантах коммутации. Технический результат - обеспечение возможности варьировать плотность мощности ионно-плазменного распыления, не приводя к потере производительности. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Компоновочная схема ионно-плазменного распыления, включающая в себя N количество распыляемых катодов или частичных катодов T_i с i = от 1 до N и n количество генераторов G_j мощности ионно-плазменного распыления с j = от 1 до n, причем N является целым числом и N≥2, а n также является целым числом и n≥2, причем компоновочная схема ионно-плазменного распыления включает в себя переключатели Sb_j на мостовой схеме для коммутации отбора мощности P_j соответствующего генератора G_j мощности ионно-плазменного распыления и импульсные переключатели Sp_i для распределения соответствующих отборов мощности P_j на соответствующие распыляемые катоды T_i, причем компоновочная схема ионно-плазменного распыления выполнена с возможностью ее эксплуатации по меньшей мере в двух различных вариантах коммутации, причем в первом варианте коммутации соответствующие отборы мощности P_j n-ных генераторов G_j мощности ионно-плазменного распыления соответственно скоммутированы посредством переключателей на мостовой схеме таким образом, что обеспечивается суммарная мощность Р ионно-плазменного распыления, которая соответствует сумме отборов мощности P_j, то есть и причем посредством генерирования последовательности импульсов, с помощью соответствующих импульсных переключателей генерируется последовательность импульсов мощности с импульсной мощностью Р и периодом последовательности Т, причем отдельные импульсы мощности распределяются во времени на соответствующие распыляемые катоды T_i, причем распыляемые катоды соответственно запитываются во время длительности t_i импульса, а период Т соответствует сумме длительностей импульсов, то есть

отличающаяся тем, что во втором варианте коммутации распыляемые катоды скоммутированы по меньшей мере в двух отдельных компоновочных подсхемах А и В ионно-плазменного распыления, причем для эксплуатации компоновочных подсхем ионно-плазменного распыления отборы мощности соответственно с nA количества генераторов мощности ионно-плазменного распыления и с nB количества генераторов мощности ионно-плазменного распыления соответственно скоммутированы посредством переключателей на мостовой схеме таким образом, что обеспечивается первая импульсная мощность и вторая импульсная мощность причем nA+nB=n, и причем посредством соответствующего генерирования последовательности импульсов, с помощью соответствующих импульсных переключателей генерируется соответственно первая последовательность импульсов мощности с импульсной мощностью Р_А и периодом последовательности T_A и вторая последовательность импульсов мощности с импульсной мощностью P_B и периодом последовательности T_B, причем отдельные импульсы мощности распределяются во времени на распыляемые катоды соответствующих компоновочных подсхем ионно-плазменного распыления, причем NA соответствует количеству распыляемых катодов в первой компоновочной подсхеме ионно-плазменного распыления A, a NB соответствует количеству распыляемых катодов во второй компоновочной подсхеме ионно-плазменного распыления В, и NA+NB=N, и причем период последовательности T_A соответствует сумме длительностей импульсов для распыляемых катодов в первой компоновочной подсхеме ионно-плазменного распыления А, а период последовательности T_B соответствует сумме длительностей импульсов для распыляемых катодов во второй компоновочной подсхеме ионно-плазменного распыления В, то есть и

2. Компоновочная схема по п. 1, отличающаяся тем, что N=n.

3. Компоновочная схема по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что Р_А=P_B.

4. Компоновочная схема по одному из пп. 1-3, отличающаяся тем, что Р=P_A+P_B.

5. Компоновочная схема по одному из пп. 1-4, отличающаяся тем, что NA=NB и/или nA=nB.

6. Вакуумная установка для нанесения покрытий, имеющая компоновочную схему ионно-плазменного распыления, отличающаяся тем, что компоновочная схема ионно-плазменного распыления выполнена по одному из пп. 1-5 таким образом, что во время осуществления способа ионно-плазменного распыления могут быть использованы импульсы большой мощности, которые обеспечивают использование больших плотностей мощности ионно-плазменного распыления со значениями 100 Вт/см² или более, предпочтительно 300 Вт/см² или более.

7. Вакуумная установка по п. 6, отличающаяся тем, что N=n.

8. Вакуумная установка по п. 6 или 7, отличающаяся тем, что P_A=P_B.

9. Вакуумная установка по одному из пп. 6-8, отличающаяся тем, что Р=P_A+P_B.

10. Вакуумная установка по одному из пп. 6-9, отличающаяся тем, что NA=NB и/или nA=nB.

11. Способ нанесения покрытий на подложки посредством магнетронного распыления импульсами большой мощности, осуществляемого в вакуумной установке для нанесения покрытий, имеющей компоновочную схему ионно-плазменного распыления, включающую в себя N количество распыляемых катодов или частичных катодов T_i с i = от 1 до N и n количество генераторов G_j мощности ионно-плазменного распыления с j = от 1 до n, причем N является целым числом и N≥2, а n также является целым числом и n≥2, причем компоновочная схема ионно-плазменного распыления включает в себя переключатели Sb_j на мостовой схеме для коммутации отбора мощности P_j соответствующего генератора G_j мощности ионно-плазменного распыления и импульсные переключатели Sp_i для распределения соответствующих отборов мощности P_j на соответствующие распыляемые катоды T_i, причем компоновочную схему ионно-плазменного распыления эксплуатируют по меньшей мере в двух различных вариантах коммутации, причем:

- в первом варианте коммутации соответствующие отборы мощности P_j n-ных генераторов G_j мощности ионно-плазменного распыления соответственно могут коммутироваться посредством переключателей на мостовой схеме таким образом, что обеспечивается суммарная мощность Р ионно-плазменного распыления, которая соответствует сумме отборов мощности P_j, то есть и причем посредством генерирования последовательности импульсов, с помощью соответствующих импульсных переключателей генерируется последовательность импульсов мощности с импульсной мощностью Р и периодом последовательности Т, причем отдельные импульсы мощности распределяются во времени на соответствующие распыляемые катоды T_i, причем распыляемые катоды соответственно запитываются во время длительности t_i импульса, а период Т соответствует сумме длительностей импульсов, то есть и

- во втором варианте коммутации распыляемые катоды эксплуатируются по меньшей мере в двух отдельных компоновочных подсхемах А и В ионно-плазменного распыления, причем для эксплуатации компоновочных подсхем ионно-плазменного распыления отборы мощности соответственно с nA количества генераторов мощности ионно-плазменного распыления и с nB количества генераторов мощности ионно-плазменного распыления соответственно могут коммутироваться посредством переключателей на мостовой схеме таким образом, что обеспечивается первая импульсная мощность и вторая импульсная мощность причем nA+nB=n, и причем посредством соответствующего генерирования последовательности импульсов, с помощью соответствующих импульсных переключателей генерируется соответственно первая последовательность импульсов мощности с импульсной мощностью Р_А и периодом последовательности T_A и вторая последовательность импульсов мощности с импульсной мощностью P_B и периодом последовательности T_B, причем отдельные импульсы мощности распределяются во времени на распыляемые катоды соответствующих компоновочных подсхем ионно-плазменного распыления, причем NA соответствует количеству распыляемых катодов в первой компоновочной подсхеме ионно-плазменного распыления A, a NB соответствует количеству распыляемых катодов во второй компоновочной подсхеме ионно-плазменного распыления В, и NA+NB=N, и причем период последовательности T_A соответствует сумме длительностей импульсов для распыляемых катодов в первой компоновочной подсхеме ионно-плазменного распыления А, а период последовательности T_B соответствует сумме длительностей импульсов для распыляемых катодов во второй компоновочной подсхеме ионно-плазменного распыления В, то есть и

12. Способ по п. 11, в котором по меньшей мере для осаждения слоя покрытия посредством способа магнетронного распыления импульсами большой мощности компоновочную схему ионно-плазменного распыления переключают на вариант коммутации по меньшей мере с двумя компоновочными подсхемами ионно-плазменного распыления, и причем обеспечивают коэффициент увеличения скорости нанесения покрытий по сравнению со способом магнетронного распыления импульсами большой мощности, который осуществлялся бы с помощью компоновочной схемы ионно-плазменного распыления при первом варианте коммутации.

13. Способ по п. 11 или 12, в котором используют импульсы большой мощности, которые обеспечивают использование больших плотностей мощности ионно-плазменного распыления со значениями 100 Вт/см² или более, предпочтительно 300 Вт/см² или более.

14. Способ по одному из пп. 11-13, в котором N=n.

15. Способ по одному из пп. 11-14, в котором P_A=P_B.

16. Способ по одному из пп. 11-15, в котором Р=P_A+P_B.

17. Способ по одному из пп. 11-16, в котором NA=NB и/или nA=nB.