SE501888C2 - En metod och en apparat för generering av en urladdning i egna ångor från en radiofrekvenselektrod för kontinuerlig självförstoftning av elektroden - Google Patents

Description

A501 sas 2 magnetroner, i vilka sputtringsnivåerna är relativt höga på grund av den magnetiska inneslutningen av urladdningen vid targetelekt- rodens (katodens) yta och ett lågt arbetstryck för gasen jämfört med vanliga sputtringssystem. Detta lägre arbetstryck är viktigt för att upprätthålla urladdningen i metallångor eftersom tar- getens nödvändiga förångningstemperatur är lägre vid lägre tryck och ångornas relativa täthet i arbetsgasen kan därför vara högre.

Trots denna fördel hos magnetroner genomfördes den kontinuerliga sj älvsputtringen endast med koppartarget. Den nu aktuella uppfin- ningen använder sig av en sputtringsprincip som nyligen utveck- lats av en av uppfinnarna (L. Bárdoš, tjeckisk patentansökan 1990) för filmsputtring i ihåliga material och rör. Sputtringen sker i en radiofrekvensgenererade (RF) plasmastråle i en arbets- gas som strömmar genom den ihåliga RF-elektroden, vilken fungerar som en hålkatod medan anoden är själva RF-plasmat. Den ihåliga RF-elektroden kan fungera som en target sputtrad av joner gene- rerade i plasmastrålen. Elektrodmaterialet kan reagera med en aktiv gas i plasmastrålen och reaktionsprodukten kan fällas ut som en tunn film på substratets ytor.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ett syfte med den föreliggande uppfinningen är därför att övervinna de ovan nämnda upptäckternas begränsningar och nackdelar enligt teknikens ståndpunkt och att erbjuda en förbättrad metod och en apparat för att skapa en urladdning i de egna ångorna från en radiofrekvenselektrod för kontinuerlig sj älvsputtring av elektroden.

Enligt första syfte med uppfinningen omfattar en metod för gene- rerandet av en urladdning i de egna ångorna från en radiofre- kvenselektrod för kontinuerlig självsputtring av elektroden i följande steg: (a) skapandet av en radiofrekvensurladdning för en radiofre- kvenselektrod med ihålig geometri i en hjälpgas som införs i urladdningsområdet och regleras till det tryck som är nödvändigt för att en hålkatodurladdning skall påbörjas inuti den ihåliga 501 888 i 3 radiofrekvenselektroden, vilket skapar sputtring och/eller för- ångning av elektrodens yta, (b) en ökning av radiofrekvenseffekten till den ihåliga elektroden för att öka densiteten hos de ångor som innehåller partiklar som frigjorts från den ihåliga elektroden genom sputt- ringen och/eller förångningen av den radiofrekvensgenererade hålkatodurladdningen upp till den densitet vid vilken en konti- nuerlig urladdning kvarstår efter det att tillförseln av hj ölpgas stängts och pumpningen av gas från urladdningsområdet justeras till ett värde som är nödvändigt för att upprätthålla den själv- kontinuerliga urladdningen.

Enligt ett andra syfte med den föreliggande uppfinningen tjänar den ihåliga radiofrekvenselektroden som inlopp för hj älpgasen.

Enligt ett tredje syfte med den föreliggande uppfinningen visas en apparat för generering av den aktuella typen av urladdning enligt de tidigare två syftena, bestående av en reaktor pumpad av en vakuum, en radiofrekvensgenerator med en enhet för impedansanpassning, en gasbehållare och vidare omfattande: åtminstone en ihålig radiofrekvenselektrod vakuumtått installerad i reaktorn genom ett isolerat vakuuminlopp och avslutad med en ihålig target, en hjålpgas som införs från gasbehållaren in i den ihåliga targeten i reaktorn genom en gasventil, en kontrollventil mellan reaktorn och vakuumpumpen för att reglera trycket i reak- torn, en radiofrekvenseffekt från radiofrekvensgeneratorn kopplad genom impedansanpassningsenheten till radiofrekvenselektroden, en motelektrod kopplad till radiofrekvensgeneratorn för genere- ring av ett radiofrekvent plasma mellan radiofrekvenselektroden och motelektroden, en hålkatodurladdning genererad av radiofre- kvenseffekten och det radiofrekventa plasmat inuti den ihåliga radiofrekvenselektrodens target i en blandning av hjålpgas och ångor som skapats genom sputtring och/eller förångning av en inre del av det ihåliga targeten.

Enligt ett fjärde syfte med den föreliggande uppfinningen gene- reras hålkatodurladdningen vid värden på radiofrekvenseffekten I 501 888 4 som är tillräckliga för' att orsaka. ett kraftigt sputtrande och/eller förångande av det ihåliga targeten, hålkatodurladd- ningen upprätthålls utan hjälpgas, varför gasventilen är stängd och pumpningshastigheten minskas med kontrollventilen.

Enligt ett femte syfte med den föreliggande uppfinningen är den ihåliga radiofrekvenselektroden rörformad och hjälpgasen förs in i den ihåliga targeten genom den ihåliga radiofrekvenselektroden.

Enligt ett sjätte syfte med den föreliggande uppfinningen repre- senteras motelektroden antingen av en del av reaktorvåggen eller av en substrathållare med tillhörande substrat.

Enligt ett sjunde syfte med den föreliggande uppfinningen gene- reras hålkatodurladdningen i det ihåliga targeten i det magnetis- ka fält som skapas genom magneter eller elektromagnetiska lind- ningar.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Ändamålen, funktionerna och fördelarna med den föreliggande uppfinningen som den beskrivits ovan klargörs genom den be- skrivning av uppfinningen som ges i samband med de följande figurerna, i vilka: FIG. l(a) är en schematisk bild av steg (a) i uppfinningens metodik genom vilken en radiofrekvensurladdning gene- reras av en radiofrekvenselektrod med ihålig form i en hjälpgas som förs in i urladdningsområdet och regleras till det tryck som är nödvändigt för att skapa en hål- katodurladdning inuti den ihåliga radiofrekvenselek- troden, vilket orsakar sputtring och/eller förångning av elektrodens yta, FIG. l(b) är en schematisk bild av steg (b) i uppfinningens metodik genom vilken en ökning av radiofrekvenseffek- ten till den ihåliga radiofrekvenselektroden orsakar 501 8828 _ 5 en kontinuerlig urladdning i ångor med partiklar som frigjorts från elektroden genom sputtring och/eller förångning i den ihåliga katodurladdningen utan något inflöde av hjälpgasen och.med pumpningen justerad till det värde som är nödvändigt för att underhålla denna själv bibehållna urladdning.

FIG. 2 är en schematisk planvy av en belysande utförandeform av den föreliggande uppfinningen, vilket visar ett exempel på en apparat för att generera en urladdning i de egna ångorna från en radiofrekvenselektrod för kontinuerlig självsputtring av elektroden enligt upp- finningens metodik.

DETALJERAD BESKRIVNING Med hänvisning till fig. l(a) och fig. l(b) kan den föreliggande uppfinningens metodik beskrivas i två steg, (a) och (b): I fig. 1 (a), som motsvarar steg (a) i den föreliggande upp- finningens metodik, matas en radiofrekvenselektrod 1 med ihålig form, avslutad med en ihåligt target 2, med en radiofrekvensef- fekt 3. Elektroden 1 genererar en radiofrekvent urladdning 4 i en hjälpgas 5, och pumpningshastigheten 6 justeras till ett tryck som är nödvändigt för att initiera en hålkatodurladdning 7 inuti den ihåliga targeten 2 i den ihåliga radiofrekvenselektroden 1.

Denna hålkatodurladdning 7 genereras genom att den ihåliga radio- frekvenselektroden 1 ges en negativ elektriskt potential (även kallad “self-bias" ), automatiskt skapat av det radiofrekventa plasmat 4, vilken har rollen av en virtuell anod. Hålkatodurladd- ningen 7 orsakar sputtring och/eller förångning av den inre elektrodytan som år i kontakt med urladdningen, dvs av en inre del av den ihåliga targeten 2 som avslutar elektroden l. På så sätt exciteras hålkatodurladdningen 7 i en blandning av hjälp- gasen 5 och det sputtrade och/eller förångade materialet från den ihåliga targeten 2. Densiteten av ångorna som frigörs från den ihåliga targeten 2 beror på intensiteten av bombardemanget av de 801 888 6 joner som produceras i hålkatodurladdningen och påverkas av radiofrekvenseffekten 3. På grund av den ihåliga formen på targeten 2 kan jondensiteten i den ihåliga katodurladdningen 7 vara hög vid relativt låg effekt 3, jämfört med normala sput- tringssystem. Vid sanuna radiofrekvenseffekt 3 fås större utbyte för en mindre storlek på elektroden 1 och/eller targeten 2. Ett inflöde av hjälpgasen 5 till området runt det radiofrekventa plasmat 4 och in i den ihåliga targeten 2 i den ihåliga elektro- den 1 kan utföras på flera sätt. Genereringen av hålkatodurladd- ningen 7 kan dock vara enklare när elektroden l är rörformad och används för införsel av hjälpgasen 5 i radiofrekvensurladdningen 4.

I fig. l(b) vilken motsvarar steg (b) i uppfinningens metodik beskrivs en procedur som följer efter steg (a) i den beskrivna metoden. En ökning av radiofrekvenseffekten 3 som förser radio- frekvenselektroden orsakar en ökad sputtring och/eller förångning av det ihåliga targeten 2 och en erosionszon 8 i den ihåliga targeten 2 kan överhettas genom ett jonbombardemang. Detta orsakar en större emission av elektroner från erosionszonen 8, följd av en ytterligare jonisering och av ett större jonbom- bardemang av den här delen. En sådan lavinartad process leder till en extrem ökning av produktionen av ångor från targetmate- rialet upp till en kvalitativt ny process, där en kontinuerlig hålkatodurladdning 9 kan ske i de ångor som frigjorts från den ihåliga targeten och inflödet av hjälpgasen 5 (se fig. 1(a)) kan stängas. Under sådana förhållanden justeras pumpningshastigheten 6 för att upprätthålla den själv-kontinuerliga hålkatodurladd- ningen 9. I de flesta fall måste pumpningshastigheten 6 reduceras eller pumpningen till och med stoppas efter att inflödet av hj älpgas har stoppats, på grund av ångproduktionen från targeten.

Radiofrekvensströmmen 3 kan ökas för att öka ångproduktionen, men dess maxvärde är begränsat av temperaturstabiliteten för den överhettade eroderade delen 8 av den ihåliga targeten 2.

Med hänvisning till fig. 2 kommer att beskrivas en belysande utföringsform i enlighet med den föreliggande uppfinningen som 501 888 n _ 7 en exemplifierande apparat för generering av en urladdning i ångorna från en radiofrekvenselektrod för kontinuerlig sj älvsput- tring av elektroden enligt den metod som beskrivs ovan. En ihålig radiofrekvenselektrod 1 avslutad med en ihålig target 2 instal- leras vakuumtätt i reaktorn 16 genom en isolerande vakuumgenom- föring 14. Hjälpgas 5 förs in i den ihåliga targeten i reaktorn genom en gasventil ll från gasbehållaren 10 och gastrycket i reaktorn kontrolleras genom en kontrollventil 18 mellan reaktorn och vakuumpumpen 17. Radiofrekvenseffekt 3 matas till radiofre- kvenselektroden 1 från ena polen på en radiofrekvensgenerator 12 genom en impedansanpassningsenhet med en seriell kapacitans 13.

Radiofrekvenskretsen avslutas med en motelektrod 15 kopplad till den andra polen på radiofrekvensgeneratorn 12 och ett radiofre- kvent plasma 4 genereras mellan radiofrekvenselektroden 1 och motelektroden 15. Vid tillräcklig effekt 3 genereras en hålkato- durladdning 9 inuti den ihåliga targeten 2 i en blandning av hjälpgasen 5 och de ångor som bildats genom sputtring och/eller förångning av en inre del av den ihåliga targeten 2 genom nämnda hålkatodurladdning 9. Denna hålkatodurladdning 9 kan genereras vid en radiofrekvenseffekt som är tillräckligt hög för att orsaka stark sputtring och/eller förångning av den ihåliga targeten 2, så att hålkatodurladdningen 9 endast upprätthålls genom ångor som frigjorts- från den ihåliga targeten 2. Vid dessa förhållanden stängs gasventilen ll och pumphastigheten reduceras med kontroll- ventilen 18. Både den ihåliga radiofrekvenselektroden 1 och den ihåliga targeten kan vara rörformade och kan användas för till- försel av hjälpgas S in i reaktorn 16. I många fall kan motelekt- roden 15 ersättas med en del av reaktorväggen. När apparaten skall användas för beläggning av film på ett substrat, uppfylls motelektrodens roll av en substrathållare och substratet 19.

Hålkatodurladdningen 9 i den ihåliga targeten kan genereras i det magnetiska fält som skapas av magneter eller elektromagnetiska spolar 20. I detta arrangemang kan hålkatodurladdningens densitet inuti den ihåliga targeten förbättras genom en magnetisk inne- slutning. Detta arrangemang kommer också till användning för Stabilisering av hålkatodurladdningen 9 vid lägre ångtryck än i fallet utan magnetiskt fält.

A501 ass EXEMPEL Metoden och apparaten i enlighet med den föreliggande upp- finningen kan användas för att skapa en urladdning i de egna àngorna för kontinuerlig självsputtring även för andra metaller än koppar. På grund av möjligheten med en generering av radiofre- kventa hálkatodurladdningar i elektroder av rörform med liten diameter (i storleken 0,1 - l mm), kan medelströmmen per ytenhet vara ganska hög, upp till storleksordningen kw/cmz, redan vid en radiofrekvenseffekt av omkring 100 W. Bidrag av sputtrat och/eller förángat material från targeten som resultat av ett intensivt jonbombardemang kan därför producera ett resulterande àngtryck som är högt nog för att upprätthålla den kontinuerliga urladdningen även för hårda metaller som Ti. Ett exempel på en typisk uppsättning processparametrar för urladdningær i egna àngor för Ti är följande: - en rörformad radiofrekvenselektrod installerad 1 den elekt- riskt jordade metalliska reaktorn avslutas med det rörformade targeten av Ti med en yttre diameter 5 mm och en inre diameter 2 mm, - en radiofrekvenseffekt på 150 w genererar det radiofrekventa plasmat i reaktorn och den sätter också igång en hàlkatodurladd- ning inuti targeten av Ti 1 argon som flyter i radiofrekvense- lektroden genom targeten in i reaktorn som hålls vid ett tryck av omkring 0,5 Torr genom kontinuerligt pumpning, - vid en radiofrekvenseffekt på över 250 W blir targeten av Ti ytterst varm och en kontinuerlig urladdning koncentrerad till mynningen på targeten av Ti förblir stabil också efter att in- flödet av argon stängts och följd av en ordentlig minskning av pumpningshastigheten, - vid dessa förhållanden bekräftar den optiska emissionen från urladdningen att endast rent titan är närvarande.

En urladdning i elektrodens egen ånga i enlighet med den före- liggande uppfinningen kan uppfyllas också med likström i stället 501 888. 9 för en radiofrekvensgenerering av hålkatodurladdningen. Lik- strömsurladdningen är dock av sämre stabilitet än den radiofre- kvensgenererade eftersom ett radiofrekvent plasma i det senare fallet orsakar en stadig egen förjonisering för hålkatodurladd- ningen. Vid likströmsgenerering måste dessutom motsvarande anod arrangeras i närhet av hålkatodelektroden. Vid radiofrekvens- generering spelas anodens roll av det radiofrekventa plasmat sjalv.

Metoden och apparaten i enlighet med den föreliggande uppfin- ningen har en fördel särskilt vid tillämpningar, då lokala ihåliga delar av substratets yta måste beläggas med mycket rena filmer. Apparaten enligt uppfinningen kan användas inte bara för deponeringen av filmer inuti ihåliga substrat och rör, utan också i ett arrangemang av multielektroder för tillämpningar omfattande beläggning av stora områden.

Claims (7)

501 888 10 PATENTKRAV

1. Metod för att generera en urladdning i egna àngor vid en radiofrekvenselektrod för kontinuerlig självsputtring av elek- troden innefattande stegen: (a) generering av en radiofrekvensurladdning (4) vidden radio- frekvenselektrod (1) med ihålig form i en hjälpgas (S) införd i urladdningsområdet och pumpad till ett tryck nödvändigt för ett startande av en hålkatodurladdning (7) inuti den ihåliga radio- frekvenselektroden, vilket orsakar sputtring och/eller förångning av elektrodens yta, (b) ökande av radiofrekvenseffekten (3) till hålkatoden för att öka densiteten hos ångorna av partiklar som frigörs från den ihåliga elektroden genom denna sputtring och/eller förángning i en radiofrekvensgenererad hålkatodurladdning (9) när en densitet vid vilken en själv-kontinuerlig urladdning kvarstår efter det att inflödet av hjälpgasen stängts av och pumpningen av gas från urladdningsområdet justerats till ett värde som är nödvändigt för underhållandet av den själv-kontinuerliga urladdningen. att den ihåliga radiofrekvenselektroden i steg (a), tjänar som ett inlopp

2. Metod enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av för hjälpgasen.

3. Apparat för att generera en urladdning i egna ångor för en radiofrekvenselektrod (1) för kontinuerlig självsputtring av en elektrod enligt metoden i krav 1 och 2, bestående av en reaktor som pumpas av en vakuum, en radiofrekvensgenerator med en impedansanpassningsenhet och en gasbehållare, k ä n n e t e c k - n a d av åtminstone en ihålig radiofrekvenselektrod (1) vakuumtätt in- stallerad i reaktorn genom en isolerad vakuumgenomföring (14) och avslutad med en ihåligt target (2), en hjälpgas (5) som införs i den ihåliga targeten i reaktorn (16) genom en gasventil (ll) från gasbehållaren (10), en kontrollventil (18) mellan reaktorn och vakuumpumpen (17) för att evakuera reaktorn, 501 888. ll en radiofrekvenseffekt (3) matad från en radiofrekvensgene- rator (12) genom impedansanpassningsenheten (13) till radiofre- kvenselektroden, en motelektrod (15) kopplad till radiofrekvensgeneratorn för generering av ett radiofrekvent plasma (4) mellan radiofrekvens- elektroden och motelektroden, en hålkatodurladdning (9) genererad av radiofrekvenseffekten och det radiofrekventa plasmat inuti den ihåliga targeten vid radiofrekvenselektroden i en blandning av hjålpgasen och ångor utvecklade genom sputtring eller förångning av en inre del av den ihåliga targeten.

4. Apparat enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k - n a d av att hålkatodurladdningen genereras vid värden på radiofrekvenseffekten som är tillräckliga för att orsaka kraftig sputtring och/eller förångning av den ihåliga targeten, varjämte hålkatodurladdningen.bibehålls utan hjålpgasen, varvid gasventi- len stängs och pumphastigheten minskas med kontrollventilen.

5. Apparat enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k - n a d av att den ihåliga radiofrekvenselektroden är rörformad och hjälpgasen införs i den ihåliga targeten genom den ihåliga radiofrekvenselektroden.

6. Apparat enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k - n a d av att motelektroden utgörs antingen av delar av reaktor- väggen eller av en substrathållare och substrat (19).

7. Apparat enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k - n a d av att hålkatodurladdningen i den ihåliga targeten genereras i det magnetiska fält som skapas av magneter eller elektromagnetiska spolar (20).