RU1797629C - Устройство дл нанесени покрытий в вакууме - Google Patents

Abstract

Использование: нанесение покрытий распылением мишени в вакууме с высокой производительностью в электронной промышленности . Сущность изобретени : устройство содержит эмиттер электронов 9, расположенный в отдельной камере, сообщающейс  с технологической вакуумной камерой 17, анод 11 генератора плазмы, генерирующего после впуска технологического газа в камеру 37 плазменный поток S, который с помощью магнитов 64,30 и 21 направл ют на мишень 7. при этом положительные ионы ускор ютс  при подаче регулируемого отрицательного напр жени  на мишень, откуда атомы металла попадают на подложку 15. С этой целью мишень установi о Ш С

Description

лена в непосредственной близости от противоположного эмиттеру электронов конца патрубка 19, при этом расположенный недалеко от подложки магнит 106 осуществл ет

разделение и изменение направлени  части плазменного потока S2 на подложку. 11 з.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение может найти применение з электронной промышленности.

Целью изобретени   вл етс  повышение производительности.

На фиг. 1 схематично показано устройство дл  нанесени  покрытий с отдельным плазменным источником дл  нанесени  покрытий на ленту с установленной под углом к плазменному потоку мишенью; на фиг.2 - то же, с устанавливаемой с возможностью перемещени  в поперечном направлении к плазменному потоку мишенью и расположенным на ее обратной стороне магнитом; на фиг.З - неполное изображение вакуумной камеры и направление плазменного потока в варианте исполнени , аналогичном показанному на фиг.2 (в частности, магнитные силовые линии обозначены между магнитной катушкой на патрубке генератора плазмы и установленной под углом и перемещенной вниз мишенью; на фиг.4 - неполное изображение вакуумной камеры и направление плазменного потока при горизонтально установленной мишени в варианjre исполнени  устройства согласно фиг.2; на фиг;5-устройство, аналогичнре показанному на фиг.1, но с кольцеобразной мишенью , установленной непосредственно на камере генератора; на фиг.6 - устройство, аналогичное показанному на фиг.5, но с дополнительным входом дл  реактивного газа (в зону/между мишенью и подложкой и с дополнительной откачкой из камеры, ограниченной экранами; на фиг.7 - неполное изображение узла мишени с подложкой и с направлением магнитных силовых линий на кольцеобразной мишени согласно фиг.6; на фиг.8 - устройство, представленное на фиг.5. но с мишенью, выполненной в виде ванны или воронки; на фиг.9:- устройство с дополнительными посто нными магнитами в области двух расположенных под углом друг к другу мишеней; на фиг. 10 - кольцева  .составна  мишень в перспективе; на ф иг.,11 - продольный разрез изображенных на фиг.9 мишеней; на фиг. 12 - в перспективе мишеНи и технологическа  камера с пр моугольным поперечным сечением согласн-о фиг.9, 11; на фиг. 13 - устройство, изображенное на фиг,1. приспособленное дл  нанесени  покрытий на проволоку и с установленной в

поперечном направлении к плазменному потоку составной мишенью и кольцеобразно установленными насадами дл  подачи реактивного газа.

Устройство дл  нанесени  покрыти  (фиг.1) имеет вакуумную камеру 1 с отверстием 2 дл  откачки объема камеры, размоточное устройство 3. установленное с возможностью вращени , и намоточное устройство А, барабан 5, перегородку 18. раздел ющую вакуумный объем 1 на две камеры 16 и 17, патрубки 19 и 20 с намотанными на них магнитными катушками 21, змеевик 22, фиксируемую на кронштейне24

в наклонном положении к перегородке 18 и патрубку 19 мишенью 7с изол торами 14 и 23, два провод щих электрический ток и охлаждающую воду шлангопроводы 25,26, которые так же, как и труба змеевика 22 с

герметизацией/проведены через торцовую ;| стенку 27 вакуумной камеры 1 в местах,

обозначенных позици ми 8, с магнитную ка- тушки 106 на обратной стороне барабана 5, подложку 15 в виде ленты.

На другой торцовой стенке 28 вакуумной камеры 1 жестко установлена рейка, с помощью которой можно перемещать в направлении стрелки А магнитные катушки 64 и 30 с держател ми 31 и 32, при этом кон- .

центрично магнитным катушкам 64 и 30 расположен выполненный в виде полого профил , соосно установленный с продольной осью патрубка 19, анод 11. конец которого , удаленный на большее рассто ние от

камеры 17, снабжен изол тором 10, удерживающим эмиттер электронов 9.

Анод 11 на конце, обращенном к вакуумному объему камеры 1, содержит фланец . 33, с помощью которого анод фиксируетс 

на торцовой стенке 28 вакуумной камеры 1.

при этом между фланцем 33 и торцовой

стенкой 28 расположен изол тор 34 между

трубчатым анодом 11 и патрубком 19 или

торцовой стенкой 28. Выполненный в виде

полого профил  анод 11 содержит впускной штуцер 13 и охвачен змеевиком 12, через который протекает охлаждающа  вода. Изол тор 10 жестко соединен с пластиной, имеющей отверсти  35, в которой предусмотрены проходы дл  воды и электрического тока 36.

Во внутренней области 37 в виде трубы из эмиттера электронов 9 (который выполнен , например, из гексаборида лантана) с большой площади эмиттируют электроны и ускор ют их к аноду 11. С помощью газа, одновременно впускаемого в камеру генератора плазмы через штуцер 13, в камере 37 генератора поджигают плазму.

Посредством магнитных катушек 30,21, 64 и 106, которые охватывают как камеру 37 генератора плазмы, так и патрубок 19, закрепленный на торцевой стенке 27, патрубок 20, мишень 7 и держатель 5 подложки удерживаютс  на этих элементах, а плазму ограничивают между эмиттером электронов 9 камеры 37 генератора и мишенью 7 или подложкой 15, Магнитные пол  оказывают такое воздействие, что эмиттированные первичные электроны дрейфуют вдоль силовых линий и только в результате столкновений могут попасть к аноду 11, при этом захватываютс  выбитые из мишени 7 вторичные электроны, которые также способствуют ионизации. Генерируемые при этом ионы дрейфуют также вдоль магнитных силовых линий. На мишень 7 попадает поток ионов высокой интенсивности, однако энерги  ионов сравнительно мала, но когда на мишень 7 попадает отрицательный потенциал , то ионы из наружного сло  плазмы направл ютс  на мишень 7 с ускорением.

Путем изменени  магнитного пол  плазменный поток 2 можно направл ть под углом до 180°,-поэтому монтажное положение мишени 7 относительно продольной оси 2 камеры 37 генератора плазмы или потока плазмы или относительно патрубка 19 можно выбирать каким угодно.

При катодном распылении металлов в камеру 37 генератора плазмы через штуцер 13 впускают аргон, поджигают аргоновую плазму и.на мишень 7 подают напр жение в диапазоне от 100 В до 1 кВ. На поверхности мишени создаютс  услови ,, аналогичные услови м ДС-катодного распылени , при этом получаютс  сравнимые свойства нанесенных слоев. Однако по сравнению с ДС-катодным распылением имеют место следующие преимущества.

Подаваема  на мишень мощность  вл етс  значительно большей. Так, например , с помощью ионного тока плотностью 1 А/см и напр жени  на мишени 750 В создаетс  мощность на единицу поверхности мишени 750 Вт/см , Ее можно сравнить с максимальной мощностью на единицу поверхности при магнетронном ДС-катодном распылении в несколько дес тков Вт/см . Соответственно повышаетс 

и интенсивность нанесени  покрыти . Дл  меди интенсивность нанесени 

о

составл ет 1200 А /с при рассто нии до 5 подложки 100 мм и диаметре плазменного шнура 100 мм.

Электрический ток на мишени и напр жение на мишени можно регулировать независимо друг от друга, тогда как при

Q ДС-катодном распылении обе эти величины св заны одной характеристикой. Возможность независимого регулировани  тока и напр жени  дает преимущество, заключающеес  в том, что независимо друг от друга

5 на интенсивность распылени  можно воздействовать посредством тока на мишени, а на качество нанесенного сло  - посредством напр жени  на мишени.

Когда при реактивном катодном распы0 лени и вблизи, подложки 15 через впускной штуцер 38 в камеру 17 напускают реактивный газ, то физические услови  сравнимы с услови ми, создаваемыми при традиционном реактивном катодном распылении. В

5 качестве реактивного газа примен ют кислород , азот, аммиак или ацетилен.

Существенное отличие от традиционных устройств состоит в том, что вызывающие ионизацию электроны при реактивном

0 катодном распылении поставл ютс  мишенью 7, и поэтому процесс очень чувствителен к изменению химического свойства поверхности мишени. В устройстве ионы подают извне, и система ведет себ  значи5 тельно стабильнее.

Дополнительное преимущество заключаетс  и в том, что MHteHCHBHb плазменный поток можно использовать дл  увеличени  диссоциировани  атомов реак0 . тивного газа. Здесь не требуютс  дополнительные электроды и источники тока, что, как правило, необходимо дл  процесса реактивного распылени .

В одном из опытов с помощью описан5 мой системы наносили слои нитрида алюми ... О

ни  со скоростью осаждени  100 А/с, что в 3 раза превышает скорость, достигаемую при магнетронном ДС-реактивном распылении .

При значительном ослаблении магнитного пол  за мишенью 7 плазменный поток можно разделить на две ветви, одну из которых использовать дл  распылени  метал- лической мишени 7, а другую -К дл  активации реактивного газа или дл  плазменной обработки подложки 15. В этом случае путем подбора соответствующих ступеней давлени  независимо друг от друга можно оказывать воздействие на темпе0

ратуру электронов в обеих ветв х плазменного потока.

; При высоких плотност х энергии, при достаточно малом охлаждении мишени 7 с помощью плазменного потока можно расплавл ть и испар ть материал мишени.:В. этом случае мишень 7 необходимо устанавливать горизонтально, т.е. параллельно продольной оси патрубка 19. как показано на фиг.4,- ; . /

Под воздействием имеющейс  интенсивной плазмы получаютс  Слой улучшенного качества по сравнению со сло ми, полученными с помощью испарительных устройств , так как испарившиес  атомы металла в плазме частично ионизируютс .

Описанное устройство по конструкции проще известных, так как в противоположность испарению с помощью ионного или электронного луча не требуетс  высокого напр жени  (типичное напр жение источника 80 В, типичное напр жение на мйшёнй

700В), . -: v;:. / -; -:

Плазменный поток можно получать больших размеров и любой формы. Сканирующее устройство не требуетс . Благодар  тому, что плазменный поток сам по себе  вл етс  квазинейтральным, то управление им значительно упрощаетс . Дополнительные устройства дл  нейтрализации потока не требуютс .

Дл  покрыти : подложки сплавом опрет деленного состава можно, использовать соответствующуюмишень7 .

Однако, если необходимо изменить состав наносимого сло , то целесообразно примен ть различные мишени 7, состо щие из отдельных, легирующих компонентов, и плазменным потоком больших размеров перекрывать все мишени. Посредством подачи электрических напр жений различного уровн  к отдельным сортам мишеней можно регулировать желаемый состав сло .

Благодар  небольшому конструктивному размеру примен емой здесь мишени 7 элементы мишени из двух различных материалов можно устанавливать, например, в шахматном пор дке и тем достигать нанесени  сплава с небольшими колебани ми со- Јтава. . .- .,.-... : .-. .. :- 1 Кроме того, несколько мишеней 7 мож- йо устанавливать концентрично с осью плазменного потока S или перпендикул рно магнитным силовым лини м т. Так как дл  каждой мишени 7 необходимо симметричное оси плазменного потока направление нанесени , то на субстрате параллельно плазменному потоку S получаетс  посто нный по всей поверхности покрыти  состав различных компонентов нанесенного сло .

Кроме того, при соответствующем выборе рабочих параметров данное устройство также можно исг1ользов ть:в:кач естве источн и ка ирнов металria. Веро тность иониза- цй и рас;п;ы 1ен:нЫ) aYpitfpB/ме,таАла в п:лазм еннрм: rjoTqice    ёт - функцией .плотности пл;а мь1ги |ёмпе.ратурь эле.ктро-.

нрв;.: .г :Г : ( :тйкаплазмы путе;м п р :ижени ьпэр;ц«альнрго д в е нй ; ja c 30Qxi 0 Па; температуру эл;ёкт(о;н о в мр/ж,н HaripiiMep ::мё и еирнйз11руютс  уже ; н.а. гдлч4Не- П ррфе

не йольких еа;н % етрЪ -Й: |.ь;:-f.. ; Нс :и: Г1йст и Ь |ли:щ е; л р но: магнитны 5с лр;В-Ь1:м лХнй м, то: .вслед тви;е; рт ича ющйх :ра|/ %ч н ррт й рв:г H iejXlapMdpoBC e5p fl i biVc; o ;йельн;ь ф ciqpta ::иЩйвГ а а тс в руг

с)и, Сц- 14 см-

нрг6 пол  ТОО, Пс),; ;Это;;пйзвш ёт раздел ть разл ичн ы е фта и н лдор:ftt:J:. ;№-:;/:

:- Следует Т;а:к к Д

ве- п о:-фиг.;1 з Дус г ггре Н ; E(,8fче езг:-.

кбто ры й .ввЬДйтр  ,:рб. асть миш&ньзЬ 7 и г дЛЬжкр

ва риа нте ;в1у и  устройства по фйг.2 ; ;7 ст Ь Ыкр г

;нё 24 в:й:аклрн:н:ом ггол;о).Ва иант::вь|гйэл не Нйй со-гл а н й ф,иг.Д п р:едосл 1в дет

возможно сть.rfe ie e a b ... 7 на

кронштейне в вёртикаль нрм направлении

(фиглЗ). Кррм-е того, в этом устройстве-ергласно фиг.2-41 и:шень:Ка Јйре й обратной

стбррне наб а г итоли:,;

Устройство : с;ог:л-асно фйгб соде:ржит

анод 55, имеющий в; сечении пр  ругрльную форму, и с рот тст/йённр: выполненный

п дтруб(рк;3;8:у;о.х ан Я Цй;-д6 )1р н ител.ь.ныи1 имеющим: в;ид;, ; э:лЈкт:рр:м н;йтрм ЗЭ:. который перемещатьс  в на равлении стрелки :Е. -Крометргй, установленна  в камере 5р вакуумнрй: мер | 3,; подсоеди- ненной к отверстию 52 ;дл  и соединённой с камеррй 51,:мищен:ь: 4С1,вместе-с охлаждающим фланце:м зафйксирова на на

кольцеобразном или рамррбразном изол торе 42, который, в: сурюрчередь,. жестко установлен на фланце;43,  вл ющемс  элементом штуцера 38. Отуцер 38 содержит змеевик.44, котррьгй рднрвре менно  вл етс  магнитной катуЩ крй и подк-лючен ктрубе 45; кот ора  ,вР-первьгх лодводйт:и отводит охлаждающую:воду-и; во-вторых, образует тркопровод 44. Напротив мишени 40 п р е д у с м от ре н б ара ба н 46. Wo кото рому о брзбатываёма  лента 47 проходит от размоточного устройства 48 к намоточному устройству 49.

Плазма, выход ща  из штуцера 38, в частности, под воздействием магнита 39, направл етс  на мишень 40, при этом в наружном слое плазмы ионы газа ускор ютс  электрическим полем, направл ютс  на мишень 40 и распыл ют ее материал. При этом на мишени 40 не образуетс  эрозионна  воронка; напротив, материал мишени 40 снимаетс  равномерно. Пластина 66.между мишенью 40 и подложкой 47 преп тствует попаданию средней части плазменного шнура непосредственно на подложку 47. На стенке, раздел ющей друг от друга обе камеры 50 и 51, закреплена еще одна кольцеобразна  или рамообразна  магнитна  катушка 60, с помощью которой можно управл ть плазменными потоками 32 или оказывать на них воздействие,

В устройстве согласно фиг.6 патрубок 54 и анод 55 снабжены экранами 56 и 57, при этом ограниченна  обоими экранами 56 и 57 камера 58 подключена к дополнительной откэчной трубе 59. Эта промежуточна  откачка позвол ет предотвратить возможный поток нейтральных частиц от мишени 40 к источнику электронов 9 или полностью исключить его. Между барабаном 46 и мишенью 40, р дом с магнитной катушкой 60, установлена подключенна  к трубопроводу 62 рамообразна  труба 61 дл  напуска газа .с насадками 63. КрЪметого, предусмотрена друга , передвигаема  магнитна  катушка 65, котора  в сочетании с другими магнитными катушками 44 и 60 позвол ет оказывать воздействие на облако плазмы в области мишени 40. Вытекающий из насадок 63 газ (например, кислород) позвол ет сделать плазму химически более активной. Пластина 66, расположенна  в области продольной оси патрубка 54, позвол ет экранировать центральную часть плазменного потока.

В варианте выполнени  устройства согласно фиг.8 мишень 67 в сравнении с мишенью согласно фиг.5 выполнена в виде ванны или воронки, при этом подключенный к охлаждаемому трубопроводу 69 охлаждаемый фланец 68, зафиксированный на изол ционном кольце 42. имеет также соответствующую форму в виде ванны или воронки. Благодар  наклонному положению поверхности мишени 67 к продольной оси патрубка 38 используют ту составл ющую электрического пол , котора  проходит перпендикул рно магнитному полю так что около мишени 67 обеспечиваетс  траектори  электронов магнетронного типа.

В варианте выполнени  согласно фиг.9 две мишени 70 в виде пластины или пр моугольного параллелепипеда зафиксированы на двух подключенных к охлаждающему тру- 5 бопроводу 73 охлаждаемых фланцах 71, которые в своей внутренней области содержат посто нные магниты 72 или 74 (см. фиг.11), магнитные пол  которых могут создавать несколько траекторий 75 и 76. Обе мишени 70

0 соответственно образуют с продольной ось штуцера пр моугольного профил  угол а приблизительно по 45° каждый.

Как показано на фиг.Ю, мишень 40 согласно . фиг.5, 6 может также состо ть из

5 нескольких элементов 40 в виде кругового сектора, при этом отдельные элементы могут быть изготовлены из различных материалов и раздельно подключены к источнику тока 78.

0 Изображенные на фиг.11, 12 различные виды мишени 70 позвол ют осуществл ть равномерное нанесение сло  на подложку 47 в виде ленты сравнительно большой ширины , при этом на фиг.12 показано, что пат5 рубок 38 имеет пр моугольный профиль и что обе плоские поверхности мишени расположены под углом к противоположным внутренним стенкам 77 патрубка 38.

Устройство согласно фиг.13 отличаетс 

0 от устройств, изображенных на фиг. 1-12, в основном тем, что в вакуумной камере 80 вместо направл емой с помощью намоточных устройств 3 и 4 или барабана 5 подложки 15 в виде ленты перемещают проволоку

5 83 с помощью выполненного в виде клетки каркаса 105, на котором с возможностью вращени  установлены шесть параллельных друг другу роликов 82. Проволока 83 в процессе нанесени  покрыти  перемещает0 . с  с установленного на валу 85 размоточного устройства 84 по роликам 82 на установленное на ведущем валу 87 намоточное устройство 86. Эмиттер электронов 88 с вводами 90 дл  охлаждающей воды и под5 ачи напр жени  выполнен так же, как и на фиг. 1, при этом перемещаема  в направлении стрелки В магнитна  катушка 91 охватывает анод 92 с его змеевиком 93. Мишень 95 выполнена из нескольких концентрич0 но расположенных относительно друг друга элементов 94 и установлена таким образом, что ее дискообразна  торцова  поверхность располагаетс  поперек продольной оси анода 92.

5 Мише.нь 95 снабжена вводами 96 дл  подачи воды и напр жени , которые в местах , обозначенных позици ми 98, проход т через торцовую стенку 97. Позицией 99 обозначен штуцер дл  ввода реактивного газа в источник через насадки 103, а позицией 101 - магнитна  катушка. Обе магнитные катушки 91 и 101 имеют возможность перемещатьс  параллельно продольной оси анода 92 в направлении стрелки В.

Анод 92 содержит также штуцер дл  впуска технологического газа в камеру 100 генератора плазмы. Ролики 82 расположены на кольцеобразных роликодержател х 81, которые обеспечивают прохождение по центру плазменного тока к мишени 95. Маг- нит 101 оказывает непосредственное воздействие на плазменный поток в зоне держател  105.

| В соответствии с изобретением происходит высокоинтенсивное распыление и/или испарение металлов и диэлектриков с помощью генерируемого вне вакуумной камеры плазменного потока любого геометрического сечени . При этом энерги  частиц , воздействующих на мишень, значительно больше энергии известных устройств , например магнетронных или диодных . Данные конструкции устройств  вл ютс  сравнительно простыми, и плазму

.: . :.-

Ф о р м у л а и з 6 б р е т е н и  

Claims (3)

1. Устройство дл  нанесени  покрытий в вакууме, содержащее камеру с системой откачки и штуцером дл  подачи реактивного газа, в которой размещены мишень, подложка и генератор плазмы, укрепленный йа торце дополнительной камеры, соединенной с основной камерой патрубком, окруженным магнитами, и источник электропитани , отрицательна  клемма которого соединена с мишенью, отличающеес  тем, что, с целью повышени  производительности , мишень снабжена магнитной системой , размещённой на стороне мишени, обращенной от подложки, причем торец патрубка генератора плазмы обращен к поверхности мишени..

2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю.Щ е е- с   тем, что мишень выполнена с возможностью углового поворота и продольного перемещени .

3. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е- с   тем, что мишень выполнена в виде пр моугольника , а патрубок в сечении выполнен в виде пр моугольника, овала или окружности.

А. Устройство по пл.1-3. отл и-ча ю-. щ е е с   тем, что мишень размещена по оси симметрии кэмер.

генерируют совершенно независимо от мишени . Напр жение и ток мишени можно регулировать независимо друг от друга, что также невозможно в известных устройствах . .. . : -. :

Традиционные устройства магнетррн- ногр типа дл  нанесени  покрытий используют в диапазоне давлений 0.3-1,0 Па. При таких давлени х длина Свободного пробега выбитого атрма составл ет около 1 см. Вследствие небольшой длины свободного п робе га в ыбитые частицы материала рассе- иваютс . прежде чем; они дЬстигают подложки . Обычно дл  распыленил необходима энерги  частиц 400Н&6, при этом уровне энергии мишени, как; и прдложки, деформируютс , : ил и осуществл етс  нежелательныехимические реакций.;на пйверхиости мишени. Кроме систе мы  вл ютс  eiieij M4ejcKHMHJдл  определенных материалов, а это означает что выход вторйчных элёктт о рвуз поверхности миийени опреде/г е т эффективность

ПЛаЗМЫ.. v: :v:/: :;:. 7 -: V-:;: VC

5. Устройство поnri.1-4. о тд и ч а ю- щ е ее   тем, что мишень радмещейаf под углом к патрубку генератора плазмы или параллельно оси симметрии камеры.

6. УстрЬЙство ,отл и чfaю- ще е с:  . тем. чт р-торецгпатрубка генератора плазмы снабжен флдицем дл  креплени  электроизолирбванной мишени, причем мишень охватывает торец патрубка.- ;

7. Устррйство по пп.1-6, о rrtii ч а кх :-. щ е е с   тем, что мишень имеет вамнроб- разнукх чашеобрааную или воронкообразную форму; / ;. Г

8. Устройство по пп, 1,, о т л и чающее с   тем. что мишень выполнен в виде секторов из разных материалов, размещен- ных концентрично вокруг продольной оси патрубка генератора плазмы; ,

9. Устройство по п.1, от   и ч а ю щ ее- С   тем, что магйитМа  система мишени выполнена из отдельных:магнитов, полюса которых обращены к нерабочей стороне мишени. :

ТО, Устройство по пл.1-9, от л и чающеес  тем/что отверсти  штуцера подачи реактивного газа расположены эквидистантно мишени или концентрично вокруг нее параллельно плоскости мишени.

1.1. Устройство по п.1, отл и ч а ю щее- с   тем, что оно снабжено клеткообразным держателем, размещенным симметрично между соосно расположенными торцами патрубка генератора и мишени, при этом подложка в виде проволоки размещена на боковой поверхности держател .

12. Устройство по nn.l- S, отличающеес  тем, что патрубок генератора плазмы снабжен диафрагмами.

Приоритет по пункта м:

21.09.87 по пп. 1,9, 11;

12.02,88 по пп. 2-6 и 8; .

20.05,88 norm. 7 и 10.

фиг. 2

..;,:.V V Z :.:: / ------ JL- (

/ :/.: / :} :y -: .. -. -. .: .-;;::.: ;:-;:;: :.. . . :- .;,-; :;;/ ...- : . . .;

фаз.7

фиг: 43