RU2311492C1

RU2311492C1 - Device for high-speed magnetron sputtering

Info

Publication number: RU2311492C1
Application number: RU2006114574/02A
Authority: RU
Inventors: Виктор Иванович Чайрев (RU); Виктор Иванович Чайрев; Джун Мьен Чой (Cr); Джун Мьен Чой
Original assignee: Виктор Иванович Чайрев; Чой Джун Мьён
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2007-11-27

Abstract

FIELD: vacuum deposition of metal and dielectric coatings.

SUBSTANCE: device can be used for making items having coatings made of metals, glass, polymer films and fabrics. Anode of device has gas distribution system, which provides uniform supply of working gas along total surface of cathode to be sputtered; anode is under positive potential. Cathode has cooling system and cathode-target to be sputtered, which target-cathode is disposed between poles of magnetic system. Magnetic system has set of magnets with pole tips disposed onto water-cooled magnetic circuit made of soft magnetic steel. Set of magnets is under floating potential. Factor of usage of target material is equal to 60-70%.

EFFECT: high uniformity of coating; minimized thermal load onto substrates.

4 cl, 3 dwg

Description

Устройство относится к технике вакуумного нанесения металлических и диэлектрических покрытий методом магнетронного распыления на различные подложки, включая металлы, стекло, полимерные пленки и ткани.The device relates to techniques for vacuum deposition of metal and dielectric coatings by magnetron sputtering on various substrates, including metals, glass, polymer films and fabrics.

Известны устройства для вакуумного нанесения покрытий методом магнетронного распыления, в которых распыляемая мишень находится над магнитной системой (J.S.Chapin. Research / Development. 1, 39, 1974, патент РФ №2107971, С23С 14/35, 1998).Known devices for vacuum coating by magnetron sputtering, in which the sprayed target is located above the magnetic system (J.S. Chapin. Research / Development. 1, 39, 1974, RF patent No. 2107971, C23C 14/35, 1998).

Такие устройства имеют сравнительно небольшие скорости нанесения покрытий (~50 Å/с), поскольку мишень распыляется в основном в узкой зоне, что приводит к локальному перегреву ее при больших мощностях. Это в свою очередь приводит к термомеханическому изгибу мишени, и в итоге к выходу из строя конструкции магнетрона. Кроме того, при реактивном распылении участки мишени, не подвергающиеся распылению, т.е. ее центральные и периферийные области, покрываются диэлектрическими слоями, которые вызывают пробои, что негативно сказывается на работе источника питания магнетрона, вплоть до выхода его из строя (A.Segers et al. Arc discharges in the reactive sputtering of electrical insulating compounds. Society of Vacuum Coaters. 45-th Annual Techn. Conf. Proceedings. 2002, p.30-35). Эти же пробои являются причиной появления дефектов в покрытии из-за капельной фазы материала мишени, возникающей в результате микропробоев диэлектрических областей. Арочная конфигурация магнитного поля в таких устройствах приводит к тому, что электроны и ионы с энергией ~500 эВ, двигаясь по незамкнутым на поверхности мишени линиям магнитного поля, попадают на подложку, вызывая ее перегрев, что не позволяет наносить покрытия с требуемой производительностью на подложки из нетермостойких материалов, такие как полимерные пленки, ткани и т.п.Such devices have relatively low deposition rates (~ 50 Å / s), since the target is sputtered mainly in a narrow zone, which leads to its local overheating at high powers. This, in turn, leads to thermomechanical bending of the target, and as a result to failure of the magnetron structure. In addition, in reactive sputtering, non-sputtering target portions, i.e. its central and peripheral regions are covered by dielectric layers that cause breakdowns, which negatively affects the operation of the magnetron power source, up to its failure (A. Segers et al. Arc discharges in the reactive sputtering of electrical insulating compounds. Society of Vacuum Coaters. 45-th Annual Techn. Conf. Proceedings. 2002, p.30-35). The same breakdowns are the cause of defects in the coating due to the droplet phase of the target material resulting from micro breakdowns of the dielectric regions. The arched configuration of the magnetic field in such devices leads to the fact that electrons and ions with energies of ~ 500 eV, moving along lines of the magnetic field that are not open on the target surface, fall on the substrate, causing it to overheat, which does not allow coating with the required performance on the substrates non-heat resistant materials such as polymer films, fabrics, etc.

Наиболее близкой к предлагаемому устройству является конструкция магнетрона, в которой мишень расположена между полюсными наконечниками магнитной системы, находящейся под плавающим потенциалом (R.Kukla et al. A highest rate self-sputtering magnetron source. Vacuum, V.41, №7-9, p.1968-1970, 1990). В этой конструкции магнитные силовые линии располагаются практически параллельно распыляемой поверхности мишени, так что магнетронный разряд достаточно равномерно распределяется по мишени, и вся ее поверхность подвергается эффективному распылению, т.е. на поверхности мишени не образуется нераспыляемых участков. Кроме того, поскольку полюсные наконечники магнитной системы находятся под плавающим потенциалом (~ -10В), то электроны, находящиеся над ними, не получают достаточно энергии, чтобы вызвать поток ионов, т.е. напыляемая подложка не перегревается из-за воздействия ионов и электронов даже при больших мощностях, подводимых к мишени.Closest to the proposed device is the design of the magnetron, in which the target is located between the pole tips of the magnetic system under floating potential (R. Kukla et al. A highest rate self-sputtering magnetron source. Vacuum, V.41, No. 7-9, p. 1968-1970, 1990). In this design, the magnetic field lines are located almost parallel to the sprayed surface of the target, so that the magnetron discharge is fairly evenly distributed over the target, and its entire surface undergoes effective spraying no spray areas are formed on the target surface. In addition, since the pole pieces of the magnetic system are at a floating potential (~ -10V), the electrons above them do not receive enough energy to cause an ion flux, i.e. the sprayed substrate does not overheat due to the action of ions and electrons even at high powers supplied to the target.

Известное устройство имеет следующие недостатки.The known device has the following disadvantages.

Из распределения параллельной и перпендикулярной составляющих магнитного поля на поверхности мишени для такой конструкции следует, что перпендикулярная составляющая магнитного поля B_⊥ пересекает поверхность мишени, т.е. равняется нулю, только в одной точке. Это указывает на то, что интенсивность магнетронного разряда здесь максимальна, так что негативное влияние неравномерности разряда плазмы в этой конструкции в значительной мере сохраняется.From the distribution of the parallel and perpendicular components of the magnetic field on the target surface for such a structure, it follows that the perpendicular component of the magnetic field B _⊥ intersects the target surface, i.e. equals zero, at only one point. This indicates that the intensity of the magnetron discharge is maximum here, so that the negative effect of the non-uniformity of the plasma discharge in this design is largely preserved.

Кроме того, для обеспечения минимального нагрева подложки при высокоскоростном магнетронном распылении необходимо, чтобы водоохлаждаемый анод находился под положительным смещением относительно земли (J.R.Doyle et al. Effect of anode bias on plasma confinement in direct current magnetron discharges. Y. Vac. Sci. TechoL, A 12(3), May/Jun 1994).In addition, to ensure minimum substrate heating during high-speed magnetron sputtering, it is necessary that the water-cooled anode be positively offset from the ground (JR Doyle et al. Effect of anode bias on plasma confinement in direct current magnetron discharges. Y. Vac. Sci. TechoL, A 12 (3), May / Jun 1994).

Для получения качественных покрытий с высокой равнотолщинностью рабочий газ следует подавать на поверхность мишени с высокой равномерностью по всей ее длине, что примерно вдвое уменьшает необходимое для работы магнетрона количество газа и за счет этого примерно вдвое снижает газовую нагрузку на высоковакуумный насос.To obtain high-quality coatings with high uniform thickness, the working gas should be supplied to the target surface with high uniformity along its entire length, which approximately halves the amount of gas required for the operation of the magnetron and thereby reduces the gas load on the high-vacuum pump by about half.

Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства для высокоскоростного магнетронного распыления, имеющего максимальную скорость нанесения покрытия при минимальной термической нагрузке на напыляемую поверхность.The objective of the invention is to provide a device for high-speed magnetron sputtering having a maximum coating rate with minimal thermal load on the sprayed surface.

В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность наносить в вакууме металлические и диэлектрические покрытия с высокой равномерностью по толщине и с минимальной тепловой нагрузкой на напыляемые подложки, обеспечивая коэффициент использования материала мишени в 60-70%, при этом увеличивается скорость нанесения покрытий, уменьшается температура поверхности, на которую наносится покрытие при одновременном снижении требуемой скорости высоковакуумной откачки.As a result of the use of the present invention, it becomes possible to apply metal and dielectric coatings in vacuum with high uniformity in thickness and with a minimum heat load on the sprayed substrates, providing a coefficient of utilization of the target material of 60-70%, while the deposition rate increases, the surface temperature decreases, on which the coating is applied while reducing the required high-vacuum pumping speed.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в устройстве для высокоскоростного магнетронного распыления, содержащем корпус с магнитной системой, между полюсами которой установлен распыляемый катод, причем на распыляемой поверхности имеются выступы, служащие для электростатического удержания плазмы на поверхности мишени, а мишень имеет вид полого катода, при этом магнитная система находится под плавающим потенциалом, и анод, анод находится под положительным относительно земли потенциалом и включает в себя газораспределительную систему, состоящую из металлической трубы прямоугольного сечения, внутри которой расположены перфорированные перегородки, которые образуют четыре каскада газораспределения с равномерной подачей рабочего газа на поверхность распыляемого катода, а магниты магнитной системы установлены сверху полюсных наконечников, причем магнитопровод магнитной системы имеет жидкостное охлаждение.The above technical result is achieved in that in a device for high-speed magnetron sputtering, comprising a housing with a magnetic system, between the poles of which a sprayed cathode is mounted, and on the sprayed surface there are protrusions serving to electrostatically hold the plasma on the target surface, and the target has the form of a hollow cathode, while the magnetic system is at a floating potential, and the anode, anode is at a potential positive relative to the ground and includes a gas distribution tion system consisting of a metal tube of rectangular section, inside which are located the perforated partitions, which form a four-stage valve with a uniform supply of the working gas on the surface of the sputtering cathode and the magnets of the magnetic system mounted on top of the pole pieces, the magnetic circuit of the magnetic system has liquid cooling.

В устройстве на боковых гранях магнитов установлены магнитные шунты из магнитной стали.In the device, magnetic magnetic steel shunts are installed on the side faces of the magnets.

В предлагаемом устройстве мишень может быть припаяна к системе охлаждения низкотемпературным припоем, а может крепиться к системе охлаждения механически, например винтами.In the proposed device, the target can be soldered to the cooling system with low-temperature solder, and can be attached to the cooling system mechanically, for example with screws.

Сущность изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг.1 представлена общая схема конструкции предлагаемого устройства.Figure 1 presents the General design diagram of the proposed device.

На фиг.2 представлена схема системы газораспределения.Figure 2 presents a diagram of a gas distribution system.

На фиг.3 - картина силовых линий магнитного поля на поверхности мишени.Figure 3 is a picture of the magnetic field lines on the surface of the target.

Устройство для высокоскоростного магнетронного распыления содержит магнитную систему 1, катод-мишень 2, анод с системой газораспределения 3. Магнитная система включает в себя магниты 4, полюсные наконечники 5 и магнитопровод 6, охлаждаемый водой через медную трубку 15, припаянную к магнитопроводу.A device for high-speed magnetron sputtering contains a magnetic system 1, a cathode-target 2, an anode with a gas distribution system 3. The magnetic system includes magnets 4, pole tips 5 and a magnetic circuit 6, cooled by water through a copper tube 15 soldered to the magnetic circuit.

Между полюсными наконечниками магнитной системы установлен катод-мишень 2 с системой охлаждения 7, электрически изолированный от магнитопровода изолятором 8. В данном случае мишень припаяна к системе охлаждения низкотемпературным припоем. Однако мишень может крепиться к системе охлаждения и механически, например винтами. На распыляемой поверхности имеются выступы 9, служащие для электростатического удержания плазмы на поверхности мишени, т.е. мишень имеет вид полого катода. Пунктиром на мишени показана характерная зона выработки материала мишени. Штифты 10 служат для фиксации мишени в процессе ее пайки к системе охлаждения. Винты 11 служат для фиксации катодного узла в магнитной системе. Полюсные наконечники вместе с магнитами закрыты медным кожухом 12, предназначенным для отвода тепла от магнитов.A cathode-target 2 with a cooling system 7, electrically isolated from the magnetic circuit by an insulator 8, is installed between the pole tips of the magnetic system. In this case, the target is soldered to the cooling system with a low-temperature solder. However, the target can be attached to the cooling system and mechanically, for example with screws. There are projections 9 on the sprayed surface, which serve to electrostatically confine the plasma on the target surface, i.e. the target has the form of a hollow cathode. The dotted line on the target shows the characteristic zone of the target material. The pins 10 are used to fix the target in the process of soldering to the cooling system. Screws 11 serve to fix the cathode assembly in the magnetic system. The pole pieces together with the magnets are closed by a copper casing 12, designed to remove heat from the magnets.

Анод состоит из системы газораспределения 3 и трубки водяного охлаждения 13, припаянной или приваренной к верхней части системы газораспределения. Анод электрически изолирован от корпуса магнетрона изоляторами 14.The anode consists of a gas distribution system 3 and a water cooling tube 13, soldered or welded to the upper part of the gas distribution system. The anode is electrically isolated from the magnetron body by insulators 14.

Расположение магнитов сверху полюсных наконечников позволяет существенно изменить картину силовых линий магнитного поля на поверхности мишени (фиг.3).The location of the magnets on top of the pole pieces can significantly change the picture of the magnetic field lines on the surface of the target (figure 3).

Как можно видеть из фиг.3, такая установка магнитов соответствующей намагниченности позволяет получить равномерную интенсивность магнетронного разряда практически по всей ширине распыляемой мишени. Для устранения возможной неоднородности магнитного поля по длине мишени, которая может быть вызвана зазорами между магнитами и разной степенью их намагниченности, используют магнитные шунты 16 из магнитомягкой стали (на фиг.1 не показаны).As can be seen from figure 3, such an installation of magnets of the corresponding magnetization allows you to get a uniform intensity of the magnetron discharge over almost the entire width of the sputtered target. To eliminate possible heterogeneity of the magnetic field along the length of the target, which can be caused by the gaps between the magnets and their different degrees of magnetization, magnetic shunts 16 made of soft magnetic steel are used (not shown in FIG. 1).

Схема системы газораспределения приведена на фиг.2. Система газораспределения состоит из металлической трубы прямоугольного сечения 17, внутри которой расположены перфорированные перегородки 18. Они образуют четыре каскада газораспределения 19, 20, 21 и 22. Эта система похожа на хорошо известную бинарную систему газораспределения (F.Milde et al. Gas Inlet System for Large Area Linear Magnetron Sputtering Sources. Society of Vacuum Coaters, 44-th Annual Technical Conference Proceedings, 2001, p.204-209), однако выгодно отличается от нее простотой изготовления, надежностью (не засоряется) и имеет меньшее время реакции потока газа, необходимого для поддержания заданного технологического процесса.The timing system is shown in figure 2. The gas distribution system consists of a metal pipe of rectangular cross-section 17, inside which perforated partitions are located 18. They form four gas distribution cascades 19, 20, 21 and 22. This system is similar to the well-known binary gas distribution system (F. Milde et al. Gas Inlet System for Large Area Linear Magnetron Sputtering Sources. Society of Vacuum Coaters, 44th Annual Technical Conference Proceedings, 2001, p.204-209), however, compares favorably with its ease of manufacture, reliability (does not clog) and has a shorter gas flow reaction time, necessary to maintain a given technologically process.

В обычной бинарной системе газораспределения газ сильно тормозится за счет соударений со стенками малых каналов, поэтому при быстроменяющихся процессах, как в реактивном распылении, она не всегда успевает отследить процесс. Предлагаемая система практически устраняет этот недостаток. Вместо одной трубы 17 в данной конструкции возможно использовать четыре трубы квадратного сечения, по одной на каждый каскад. При этом трубы должны быть герметично сварены по периметру.In a conventional binary gas distribution system, gas is strongly inhibited due to collisions with the walls of small channels, therefore, with rapidly changing processes, as in jet spraying, it does not always have time to track the process. The proposed system virtually eliminates this drawback. Instead of one pipe 17 in this design, it is possible to use four pipes of square section, one for each cascade. In this case, the pipes must be hermetically welded around the perimeter.

Устройство для высокоскоростного магнетронного распыления работает следующим образом.A device for high-speed magnetron sputtering works as follows.

Вакуумная камера, в которую установлено устройство, откачивается до давления не более 5·10^-5 мм рт.ст. Затем в анод с газораспределительной системой 3 подается рабочий газ, как правило аргон. При этом на анод от источника питания подается постоянное положительное напряжение от +10 до +500 В, в зависимости от требуемого технологического процесса. На катод-мишень 2 от источника питания подается постоянное отрицательное напряжение величиной от -300 до -1000 В. Над мишенью зажигается магнетронный разряд, при этом на полюсах магнитной системы 5 возникает плавающий потенциал величиной ~ -10 В в зависимости от состава остаточного газа в вакуумной камере. Мощность, подаваемая на анод и катод данного устройства, ограничена только теплопередачей от мишени 2 к системе охлаждения 7, при этом тепловая нагрузка на подложку обусловлена только энергией конденсирующихся атомов мишени. По сравнению с обычным устройством магнетронного распыления, в котором мишень расположена над магнитной системой, предлагаемое устройство позволяет примерно в 10 раз увеличить удельную мощность на поверхности мишени, что примерно в 10 раз повышает скорость нанесения покрытий без существенного повышения температуры подложки. Наличие анода 3 с системой газораспределения 17, включающей четыре каскада распределения рабочего газа 19, 20, 21 и 22, обеспечивает равномерную подачу газа по всей рабочей поверхности мишени, за счет чего обеспечивается равнотолщинность наносного покрытия материала мишени по всей длине магнетрона.The vacuum chamber in which the device is installed is pumped to a pressure of not more than 5 · 10 ^-5 mm Hg. Then, the working gas, usually argon, is supplied to the anode with the gas distribution system 3. At the same time, a constant positive voltage from +10 to +500 V is applied to the anode from the power source, depending on the required process. A constant negative voltage of -300 to -1000 V is applied to the target cathode 2 from the power source. A magnetron discharge is ignited above the target, while a floating potential of ~ -10 V arises at the poles of magnetic system 5, depending on the composition of the residual gas in the vacuum the camera. The power supplied to the anode and cathode of this device is limited only by heat transfer from the target 2 to the cooling system 7, while the thermal load on the substrate is due only to the energy of the condensing atoms of the target. Compared with a conventional magnetron sputtering device in which the target is located above the magnetic system, the proposed device allows increasing the specific power on the target surface by about 10 times, which increases the coating rate by about 10 times without significantly increasing the substrate temperature. The presence of the anode 3 with a gas distribution system 17, which includes four cascades of distribution of the working gas 19, 20, 21 and 22, provides a uniform gas supply over the entire working surface of the target, due to which the thickness of the applied coating of the target material is provided over the entire length of the magnetron.

ЛитератураLiterature

1. J.S. Chapin. Research / Development. 1, 39 (1974).1. J.S. Chapin. Research / Development. 1, 39 (1974).

2. П.С.Ананьин, В.П.Кривобоков, О.С.Кузьмин, В.Н.Легостаев. Магнетронная распылительная система. Патент РФ №2107971, С23С 14/35, 1998.2. P.S. Ananyin, V.P. Krivobokov, O.S. Kuzmin, V.N. Legostaev. Magnetron Spray System. RF patent No. 2107971, C23C 14/35, 1998.

3. A.Segers et al. Arc discharges in the reactive sputtering of electrical insulating compounds. Society of Vacuum Coaters. 45-th Annual Techn. Conf. Proceedings. 2002, p.30-35.3. A. Segers et al. Arc discharges in the reactive sputtering of electrical insulating compounds. Society of Vacuum Coaters. 45th annual Techn. Conf. Proceedings. 2002, p.30-35.

4. R.Kukia et al. A highest rate self-sputtering magnetron source. Vacuum, V.41, №7-9, p.1968-1970, 1990.4. R. Kukia et al. A highest rate self-sputtering magnetron source. Vacuum, V.41, No. 7-9, p. 1968-1970, 1990.

5. J.R.Doyle et al. Effect of anode bias on plasma confinement in direct current magnetron discharges. Y. Vac. Sci. Techol, A 12(3), May/Jun 1994.5. J. R. Doyle et al. Effect of anode bias on plasma confinement in direct current magnetron discharges. Y. Vac. Sci. Techol, A 12 (3), May / Jun 1994.

6. F.Milde et al. Gas Inlet System for Large Area Linear Magnetron Sputtering Sources. Society of Vacuum Coaters, 44-th Annual Technical Conference Proceedings, 2001, p.204-209.6. F. Milde et al. Gas Inlet System for Large Area Linear Magnetron Sputtering Sources. Society of Vacuum Coaters, 44th Annual Technical Conference Proceedings, 2001, p.204-209.

Claims

1. Устройство для высокоскоростного магнетронного распыления, содержащее анод и корпус с магнитной системой, между полюсами которой установлена мишень в виде распыляемого катода с выступами на его распыляемой поверхности, служащими для электростатического удержания плазмы на поверхности мишени, при этом магнитная система находится под плавающим потенциалом, отличающееся тем, что анод находится под положительным относительно земли потенциалом и включает в себя газораспределительную систему, состоящую из металлической трубы прямоугольного сечения, внутри которой расположены перфорированные перегородки, которые образуют четыре каскада газораспределения с равномерной подачей рабочего газа на поверхность распыляемого катода, а магниты магнитной системы установлены сверху полюсных наконечников, причем магнитопровод магнитной системы имеет жидкостное охлаждение.1. Device for high-speed magnetron sputtering, containing an anode and a housing with a magnetic system, between the poles of which a target is mounted in the form of a sprayed cathode with protrusions on its sprayed surface, which serve to electrostatically hold the plasma on the target surface, while the magnetic system is at a floating potential, characterized in that the anode is at a positive potential relative to the ground and includes a gas distribution system consisting of a straight metal pipe nogo-section, inside which are located the perforated partitions, which form a four-stage valve with a uniform supply of the working gas on the surface of the sputtering cathode and the magnets of the magnetic system mounted on top of the pole pieces, the magnetic circuit of the magnetic system has liquid cooling.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на боковых гранях магнитов установлены магнитные шунты из магнитной стали.2. The device according to claim 1, characterized in that magnetic magnetic steel shunts are installed on the side faces of the magnets.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что мишень имеет систему охлаждения, к которой припаяна низкотемпературным припоем.3. The device according to claim 1, characterized in that the target has a cooling system to which a low-temperature solder is soldered.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что мишень имеет систему охлаждения, к которой прикреплена механически, например, винтами.4. The device according to claim 1, characterized in that the target has a cooling system to which is mechanically attached, for example, by screws.