UA8368U - An electron-beam evaporator - Google Patents

Abstract

An electron-beam evaporator for refractory and chemically active metals consists of electron-beam gun and crucible with water cooling for the evaporation of material. The insert-hearth of chemically inert material relive to evaporative material is disposed inside the crucible. The external surface of insert-hearth has a groove in the form of heat-insulating cavity, and on the external surface there is a groove in the form of hemisphere.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Електронно-променевий випарник, що пропонується для захисту в якості корисної моделі, призначений для 2 електронної промисловості і може бути використаний у виробництві інтегральних мікросхем, а, більш точно, для напилення провідників, наприклад, титану, нікелю, алюмінію і таке ін. на підкладки із діелектричних матеріалів, в тому числі, на кераміку 22ХС, сіталл, полікор, сапфір і таке ін.The electron beam vaporizer offered for protection as a utility model is intended for 2 the electronic industry and can be used in the production of integrated microcircuits, and more precisely, for the sputtering of conductors, for example, titanium, nickel, aluminum, etc. on substrates made of dielectric materials, including 22Khs ceramics, sital, polycor, sapphire, etc.

Відомі електронно-променеві випарники з кільцевим катодом і анодом - тиглем, в який поміщають випаруваний матеріал (див., наприклад, патенти РФ Мо2121522 та Мо2133308 по кл. С23С14/24). В цих 710 електронно-променевих випарниках електрони, випромінювані катодом бомбардують тигель, нагрівають його до температури, що перевищує температуру випарування матеріалу в тиглі. За допомогою теплопередачі матеріал в тиглі нагрівається і випаровується. Недоліками подібних випарників є: взаємодія хімічно-активного розплавленого матеріалу з тиглем, що не дає можливості напилення плівок деяких металів, наприклад, нікелю або алюмінію навіть використовуючи тиглі із самого тугоплавкого матеріалу - монокристалічного молібдену. 12 Для напилення таких матеріалів, як нікель або алюміній використовуються електронно-променеві випарники з водоохолоджуваним тиглем, в якому розміщують випаруваний матеріал, котрий розігрівається електронним променем без додаткової теплопередачі.Known electron-beam evaporators with a ring cathode and an anode - a crucible in which the evaporated material is placed (see, for example, patents of the Russian Federation Mo2121522 and Mo2133308 under class C23С14/24). In these 710 electron beam vaporizers, electrons emitted by the cathode bombard the crucible, heating it to a temperature that exceeds the vaporization temperature of the material in the crucible. With the help of heat transfer, the material in the crucible is heated and vaporized. The disadvantages of such evaporators are: the interaction of the chemically active molten material with the crucible, which makes it impossible to spray films of some metals, for example, nickel or aluminum, even when using crucibles made of the most refractory material - monocrystalline molybdenum. 12 Electron beam vaporizers with a water-cooled crucible are used to spray materials such as nickel or aluminum, in which the vaporized material is placed, which is heated by an electron beam without additional heat transfer.

Таким випарником є пристрій по а.с. Мо126569, який і взятий нами за прототип.Such an evaporator is a device according to the a.s. Mo126569, which we took as a prototype.

Цей електронно-променевий випарник для тугоплавких і хімічно-активних матеріалів та напівпровідників складається з електронно-променевої гармати, пристрою для випарування матеріалу (тиглю-фланцю) і пристрою з водяним охолодженням для подачі випарюваного матеріалу.This electron beam vaporizer for refractory and chemically active materials and semiconductors consists of an electron beam gun, a device for vaporizing the material (crucible flange) and a water-cooled device for feeding the vaporized material.

Недоліком відомого електронно-променевого випарника є безпосередній контакт випаруваного матеріалу з водоохолоджуваним тиглем, із-за чого виникає потреба в додатковій потужності електронного променя для забезпечення напилення плівок необхідної товщини зі слушною швидкістю напилення. Іншими недоліками 22 прототипу є те, що для забезпечення потрібної потужності електронного променя потрібна більш потужна -о електронно-променева гармата і джерело живлення, що приводить до зниження надійності обладнання, значного перевищення споживання електроенергії. Так, наприклад, в промисловій установці УВН РЗ.3-60, призначеній для напилення багатошарових оптичних плівок на оптику, яку можливо використати в деяких випадках для напилення металів при виробництві мікросхем, використовується електронно-променева гармата со потужністю 10кВт. Ге)The disadvantage of the known electron-beam evaporator is the direct contact of the evaporated material with the water-cooled crucible, due to which there is a need for additional power of the electron beam to ensure sputtering of films of the required thickness with a suitable sputtering speed. Other disadvantages of the 22 prototype are that to ensure the required power of the electron beam, a more powerful electron-beam gun and a power source are required, which leads to a decrease in the reliability of the equipment, a significant excess of electricity consumption. So, for example, in the UVN RZ.3-60 industrial installation, designed for sputtering multilayer optical films on optics, which can be used in some cases for sputtering metals in the production of microcircuits, an electron beam gun with a power of 10 kW is used. Gee)

Для напилення плівок ніселю товщиною 1мкм на підкладку із кераміки "Полікор", нами був виготовлений випарник по а.с. Мо126569, але без механізму подачі випаруваного матеріалу. Матеріал для випаровування о поміщався у водоохолоджуваний тигель у вигляді навісок. Потужність електронно-променевої гармати 4кВт. сFor sputtering 1-μm-thick carrier films on a substrate made of "Polikor" ceramics, we made an evaporator according to the a.s. Mo126569, but without a mechanism for supplying evaporated material. The material for evaporation was placed in a water-cooled crucible in the form of hoods. The power of the electron beam gun is 4 kW. with

Випарник був вмонтований в установку вакуумного напилення УВН 71П3, котра до цього мала тільки резистивні випарники.The evaporator was installed in the UVN 71P3 vacuum spraying unit, which previously had only resistive evaporators.

В процесі експериментів і наладки установки, напилення плівок нікелю здійснити не вдалося із-за малої потужності електронно-променевої гармати, тому що навіска випаруваного матеріалу охолоджується через « тигель водою за рахунок теплопровідності. -In the process of experiments and setting up the installation, it was not possible to spray nickel films due to the low power of the electron beam gun, because the vaporized material is cooled through the crucible by water due to thermal conductivity. -

В основу корисної моделі, що пропонується, поставлена задача забезпечення можливості випаровування металів електронним променем малої потужності Ця задача реалізується шляхом розміщення у с водоохолоджуваному тиглі горна-вкладиша з хімічно-інертного матеріалу по відношенню до випаруваного, приThe basis of the proposed useful model is the task of ensuring the possibility of vaporization of metals by an electron beam of low power. This task is realized by placing in a water-cooled crucible a crucible liner made of a chemically inert material in relation to the evaporated, with

Із» цьому зовнішня поверхня дна горна-вкладиша виконана в вигляді теплоізоляційної порожнини, а внутрішня - у вигляді сфери.Therefore, the outer surface of the bottom of the rock liner is made in the form of a heat-insulating cavity, and the inner surface is in the form of a sphere.

Така конструкція горна-вкладиша дає змогу зменшити витрати енергії на розігрів випаруваного матеріалу і, як наслідок, забезпечити можливість випаровування такого хімічно-активного матеріалу як нікель за допомогою бо електронно-променевої гармати потужністю всього 2,5кКВт. со Суттєво також, що використання електронно-променевої гармати малої потужності дає зменшення споживання електроенергії, габаритів і ваги джерел живлення, а також підвищення надійності установки б вакуумного напилення і всього технологічного процесу. о 20 Суттєво також, що горн-вкладиш може бути виконаний з інертного матеріалу типу графіт, скло вуглець, нітрид бору і таке ін. Це дає можливість уникнути взаємодії матеріалу вкладиша з випаровуваним матеріалом і підвищити якість напиленої плівки.This design of the horn-liner makes it possible to reduce the energy consumption for heating the vaporized material and, as a result, to ensure the possibility of vaporizing such a chemically active material as nickel with the help of an electron beam gun with a power of only 2.5 kW. It is also significant that the use of a low-power electron beam gun reduces electricity consumption, dimensions and weight of power sources, as well as increases the reliability of the vacuum spraying installation and the entire technological process. o 20 It is also significant that the horn insert can be made of an inert material such as graphite, carbon glass, boron nitride, etc. This makes it possible to avoid the interaction of the liner material with the evaporated material and to improve the quality of the sprayed film.

Суттєво, що електронно-променевий випарник обладнаний горном-вкладишем, виконаним з сферичним дном. Це дає можливість виключити розрив стінок вкладиша при термічних нагрузках і цим саме підвищитиIt is essential that the electron-beam evaporator is equipped with a horn-insert made with a spherical bottom. This makes it possible to exclude the rupture of the walls of the liner during thermal loads and thus to increase it

Со надійність обладнання.With equipment reliability.

Електронно-променевий випарник, що пропонується до захисту в якості корисної моделі, пояснюється кресленнями, де на Фіг.1 зображений загальний вигляд випарника, а на Фіг.2 приведена конструкція горна-вкладиша.The electron-beam vaporizer proposed for protection as a useful model is explained by drawings, where Fig. 1 shows the general view of the vaporizer, and Fig. 2 shows the design of the mountain liner.

Випарник за Фіг.1 складається з електронно-променевої гармати 1, яка є генератором електронного променя 60 2; електромагніта 3; магніто проводу 4; водоохолоджуваного тигля 5; горна-вкладиша 6 випаруваного матеріалу 7; трубок 8 для подачі води на охолодження тигля 5 і електромагніта 3. Електромагніт З з магнітопровідником 4 утворюють фокусуючу магнітну систему для формування електронного променя.The vaporizer according to Fig. 1 consists of an electron beam gun 1, which is an electron beam generator 60 2; electromagnet 3; magnet wire 4; water-cooled crucible 5; mountain liner 6 of evaporated material 7; tubes 8 for supplying water for cooling the crucible 5 and the electromagnet 3. The electromagnet C with the magnetic conductor 4 form a focusing magnetic system for forming an electron beam.

У горні-вкладиші за Фіг.2 на зовнішній поверхні дна виконана виїмка у вигляді теплоізоляційної порожнини 9, а на верхній поверхні виконана виїмка у вигляді півсфери 10. бо Випарник працює таким чином.In the mountain insert according to Fig. 2, a recess in the form of a heat-insulating cavity 9 is made on the outer surface of the bottom, and a recess in the form of a hemisphere 10 is made on the upper surface, because the evaporator works in this way.

Випарник розміщується в герметичній камері, яка відкачується вакуумною системою до високого вакууму.The vaporizer is placed in a hermetic chamber, which is pumped by a vacuum system to a high vacuum.

Для охолодження тигля 5 та електромагніту З через трубку 8 подається проточна вода. Подається електричний струм на електромагніт З і електронну гармату 1. Електронно-променева гармата 1 розташована біля /Водоохолоджуваного тигля 5 і випромінює промінь електронів направлений вгору, котрий фокусуючою магнітною системою розвертається на кут близько 1802 і спрямовується в горн-вкладиш б на випаруваний матеріал 7.To cool the crucible 5 and the electromagnet C, flowing water is supplied through the tube 8. An electric current is supplied to the electromagnet C and the electron gun 1. The electron beam gun 1 is located near the water-cooled crucible 5 and emits a beam of electrons directed upwards, which is turned by the focusing magnetic system to an angle of about 1802 and directed into the horn insert b on the vaporized material 7.

Електрони, бомбардуючи випаруваний матеріал, розігрівають його до температури випаровування і він випаровується.Electrons, bombarding the evaporated material, heat it up to the evaporation temperature and it evaporates.

Пари випаруваного матеріалу потрапляють на підкладки, розташовані в зоні напилення, конденсуються на 70 них, завдяки чому на них формується плівка.The vapors of the vaporized material fall on the substrates located in the spray zone, condense on 70 of them, due to which a film is formed on them.

Для збільшення площі і рівномірного розігріву випаруваного матеріалу електронний промінь сканується по його поверхні. Сканування електронного променя досягається подачею на електромагніт З пилкоподібного струму.To increase the area and uniform heating of the vaporized material, the electron beam is scanned over its surface. Scanning of the electron beam is achieved by applying a sawtooth current to the electromagnet S.

Заявлений електронно-променевий випарник виготовлено, він використовується на нашому підприємстві в 7/5 Модернізованій установці вакуумного напилення УВН 71П33 для напилення плівок нікелю на підкладки із кераміки "Полікор" у виробництві інтегральних мікросхем НВЧ.The claimed electron beam vaporizer has been manufactured, it is used at our enterprise in the 7/5 Modernized vacuum sputtering unit UVN 71P33 for sputtering nickel films on substrates made of "Polycor" ceramics in the production of microwave integrated circuits.

В установці вмонтований випарник з електронно-променевою гарматою з максимальною потужністю 4кВт.An evaporator with an electron beam gun with a maximum power of 4 kW is installed in the installation.

Горн-вкладиш виконаний з графіту МПГб6. Потрібна товщина плівки нікелю 1їмкм напиляється за 15 хвилин при використанні всього 2,5кВт потужності електронно-променевої гармати. Горн-вкладиш завдяки своїй конструкції го забезпечує більш ніж 50 напилень без його руйнування, що в 10-15 разів більше ніж тиглі звичайної конструкції, а це велика перевага. 2 7 2)The horn insert is made of MPGb6 graphite. The required thickness of the nickel film of 1 µm is deposited in 15 minutes using only 2.5 kW of power of the electron beam gun. The horn insert, thanks to its design, provides more than 50 sprays without its destruction, which is 10-15 times more than a crucible of a conventional design, and this is a great advantage. 2 7 2)

ОШВ !OSHV!

ЯК Дж п, о)HOW J p, o)

Водо З з (Се) в (зе)Water From (Se) to (ze)

ВодоWater

Фіг. 1 | (ее) й кі «Fig. 1 | (ee) and what "

С моя не до 8 ска ос кеВ деяWith mine not up to 8 ska os keV deya

Кк ик о поко ее х ее с их не вих ажKk ik o poko ee h ee s ih no vyzh

КК Кук кю як кт ин кн З а ннKK Kuk kyu as kt in kn Z a nn

Аа ок вк тик,Aa ok vk tik,

Я 1-5 че ф. хоI 1-5 che f. ho

Ск жі ГА (ее)Sk zhi GA (ee)

Фіг. 2 (95) (о) со 50Fig. 2 (95) (o) so 50

Claims (1)

Формула винаходуThe formula of the invention Випарник електронно-променевий для тугоплавких і хімічно активних металів, що складається з електронно-променевої гармати та тигля з водяним охолодженням для випаровування матеріалу,Electron-beam evaporator for refractory and chemically active metals, consisting of an electron-beam gun and a water-cooled crucible for material evaporation, Со який відрізняється тим, що в тиглі розміщене горно-вкладиш з хімічно-інертного матеріалу по відношенню до випарювального матеріалу, причому на зовнішній поверхні дна горна-вкладиша виконана виїмка у вигляді теплоізоляційної порожнини, а на верхній поверхні виконана виїмка у вигляді півсфери.So, which differs in that the crucible has a rock insert made of a chemically inert material in relation to the evaporating material, and on the outer surface of the bottom of the rock insert there is a recess in the form of a heat-insulating cavity, and on the upper surface there is a recess in the form of a hemisphere. Офіційний бюлетень "Промислоава власність". Книга 1 "Винаходи, корисні моделі, топографії інтегральних во мікросхем", 2005, М 8, 15.08.2005. Державний департамент інтелектуальної власності Міністерства освіти і науки України.Official bulletin "Industrial Property". Book 1 "Inventions, useful models, topographies of integrated circuits", 2005, M 8, 15.08.2005. State Department of Intellectual Property of the Ministry of Education and Science of Ukraine. б5b5