УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАСПЫЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ В ВАКУУМЕ Российский патент 1995 года по МПК C23C14/46 

Изобретение относится к обработке изделий в вакууме, а именно к устройствам для распыления материалов в вакууме ионным пучком, и может быть использовано в электронной, оптической, приборостроительной и других машиностроительных отраслях промышленности при нанесении многослойных покрытий из различных, в том числе дорогостоящих или токсичных материалов при гравировании или формообразовании (корректировке формы) поверхностей путем направленного распыления материалов.

Известны устройства для распыления материалов в вакууме ионным пучком, содержащие установленные в вакуумной камере источник ионов, узел крепления мишеней из распыляемого материала и держатель с подложками.

Достоинствами метода распыления материалов ионным пучком являются возможность распыления любых материалов, высокая чистота процесса напыления, проводимого в условиях высокого вакуума ( ≈10^-4 мм рт.ст.), высокое качество напыленных пленок (однородность состава, равномерность толщины, хорошая адгезия, механическая прочность и др.), возможность контроля и управления процессом напыления, возможность получения компонентных пленок любого состава распылением соответствующей мишени, либо распылением набора мишеней из нескольких материалов в одном процессе.

Основными недостатками данного типа устройств являются: низкая их производительность по сравнению с устройствами ионно-плазменного распыления, а также с устройствами распыления, использующими, например, резистивные, электронно-лучевые и другие типы испарителей, "широкое" угловое распределение распыляемого материала (близкое к "закону косинуса", характерному для резистивных и электронно-лучевых способов распыления), что не позволяет проводить процесс направленного распыления (локального напыления) материалов и, следовательно, приводит к большому расходу материала мишени и к загрязнению распыляемым материалом стенок камеры.

Известны источники интенсивных пучков ионов-дуоплазматроны, на основе которых могут быть созданы распылительные устройства с высокой производительностью (плотность тока ионов до 10 А/см²), не уступающие, например, электронно-лучевым испарителям (плотность тока порядка нескольких А/см²).

Однако основным недостатком данного типа устройств является большой угол расходимости ионного пучка, что так же не позволяет локализовать в пространство поток распыляемого вещества и приводит к большому расходу материала мишени и к загрязнению распыляемым материалом стенок камеры.

Известно устройство для распыления ионным пучком, содержащее установленные в вакуумной камере источник ионов, узел крепления мишени с распыляемым материалом и держатель с обрабатываемой подложкой, в котором для локализации в пространстве потока распыляемого вещества и уменьшения загрязнения распыляемым материалом стенок камеры используются диафрагма, ограничивающую апертуру ионного пучка, и ловушка распыленного материала.

Основными недостатками данного устройства являются:
загрязнение обрабатываемой поверхности подложки материалом диафрагмы, которая находится в рабочей зоне пучка;
неэффективность ловушки распыленного материала, поскольку ограничение апертуры ионного пучка не изменяет угловое распределение потока распыляемого материала, остающееся "широким".

Основными недостатками всех указанных выше устройств, ухудшающими их эксплуатационные характеристики, являются большой расход (непроизводительное использование) распыляемого материала мишени, загрязнение распыляемым материалом стенок рабочей камеры, что имеет решающее значение при распылении, например, дорогостоящих и токсичных материалов.

Цель изобретения улучшение эксплуатационных характеристик за счет уменьшения загрязнения распыляемым материалов стенок камеры, повышение экономичности расхода материала мишени, расширение технологических возможностей устройства, увеличение срока службы мишени.

Цель достигается тем, что в известном устройстве, содержащем установленные в вакуумной камере источник ионов, узел крепления мишеней, несущий по меньшей мере одну мишень с распыляемым материалом, и держатель подложек, распыляемая поверхность мишени имеет форму собирающего рефлектора, а держатель подложек установлен так, чтобы обрабатываемая поверхность подложки была расположена в максимуме индикатрисы потока распыленного материала мишени.

Кроме того, распыляемая поверхность мишени имеет форму сферы, центр которой совмещен с обрабатываемой поверхностью подложки.

Кроме того, распыляемая поверхность мишени оптически связана с выходной апертурой источника ионов и с обрабатываемой поверхностью подложки.

Кроме того, распыляемая поверхность мишени имеет форму параболы, фокус которой совмещен с обрабатываемой поверхностью подложки или с выходной апертурой источника ионов.

Кроме того, распыляемая поверхность мишени имеет форму эллипса, один фокус которого совмещен с выходной апертурой источника ионов, а другой с обрабатываемой поверхностью подложки.

Кроме того, распыляемая поверхность мишени выполнена в виде углубления, дно которого имеет форму собирающего рефлектора. Углубление может быть выполнено, например, в виде лунки или в виде желоба.

В мишени выполнено по меньшей мере одно сквозное отверстие, боковая поверхность которого имеет форму собирающего рефлектора. При этом выходная апертура источника ионов, распыляемая поверхность мишени и обрабатываемая поверхность подложки могут быть расположены соосно.

Узел крепления мишеней и/или источник ионов снабжены приводами перемещения с возможностью смены участков распыляемой поверхности.

Сопоставительный анализ предлагаемого устройства для распыления материалов в вакууме с известным показывает, что предлагаемое устройство отличается тем, что распыляемая поверхность мишени имеет форму собирающего рефлектора, а держатель подложек установлен так, чтобы обрабатываемая поверхность подложки была расположена в максимуме индикатрисы потока распыленного материала мишени, что позволяет уменьшить загрязнение распыляемым материалом стенок камеры и, следовательно, улучшить эксплуатационные характеристики устройства. При этом предлагаемое устройство отличается также тем, что распыляемая поверхность мишени может иметь форму сферы, центр которой совмещен с обрабатываемой поверхностью подложки, что так же позволяет уменьшить загрязнение распыляемым материалом стенок камеры.

Кроме того, предлагаемое устройство отличается тем, что распыляемая поверхность мишени может быть оптически связана с выходной апертурой источника ионов и с обрабатываемой поверхностью подложки. При этом распыляемая поверхность мишени может иметь форму параболы, фокус которой совмещен с обрабатываемой поверхностью подложки или с выходной апертурой источника ионов, или форму эллипса, один из фокусов которого совмещен с выходной апертурой источника ионов, а другой фокус совмещен с обрабатываемой поверхностью подложки. Указанные отличия так же позволяют уменьшить загрязнение распыляемым материалом стенок камеры.

Кроме того, предлагаемое устройство отличается так, что распыляемая поверхность мишени может быть выполнена в виде углубления, например, в форме лунки или желоба, дно которого имеет форму собирающего рефлектора, что повышает экономичность расхода материала мишени.

Кроме того, предлагаемое устройство отличается тем, что в мишени может быть выполнено по меньшей мере одно сквозное отверстие, боковая поверхность которого имеет форму собирающего рефлектора, при этом выходная апертура источника ионов, распыляемая мишень и обрабатываемая поверхность подложки могут быть расположены соосно, что расширяет технологические возможности устройства.

Кроме того, предлагаемое устройство отличается тем, что узел крепления мишеней и/или источник ионов могут быть снабжены приводами перемещения с возможностью смены участков распыляемой поверхности мишени, что увеличивает срок службы мишеней.

На фиг.1 показан общий вид конструктивной схемы предлагаемого устройства для распыления материалов в вакууме; на фиг.2 варианты конструктивного исполнения устройства; на фиг.3 возможные формы распыляемой поверхности мишеней; на фиг.4 вариант конструктивного исполнения устройства с кольцевой мишенью.

Устройство (фиг. 1) содержит установленные в вакуумной камере 1 автономный источник ионов 2 (например, дуоплазматрон или источник Кауффмана), узел крепления мишеней 3, на котором расположены одна или несколько мишеней 4 с распыляемым материалом, и держатель подложек 5 с размещенными на нем подложками 6, подлежащими обработке. Распыляемая поверхность мишени 7 имеет форму собирающего рефлектора (вогнутого зеркала), держатель подложек 5 установлен так, что при распылении какого-либо участка мишени 4 пучком ионов с выходной апертурой 8 обрабатываемая поверхность подложки 9 находится в направлении максимума 10 индикатрисы (диаграммы направленности) потока 11 распыленного материала мишени 4. Узел крепления мишеней 3, источник ионов 2 и держатель подложек 5 могут быть снабжены соответствующими приводами перемещениями 12, 13, 14.

Распыляемая поверхность мишени 7 может иметь сферическую форму (фиг. 2, а), при этом центр F этой сферической поверхности совмещен с обрабатываемой поверхностью подложки 9.

Распыляемая поверхность мишени 7 может быть расположена так, чтобы она имела оптическую связь как с выходной апертурой 8 источника ионов 2, так и с обрабатываемой поверхностью подложки 9 (фиг.2, б,в,г). При этом распыляемая поверхность мишени 7 может иметь, например, параболическую форму, при этом фокус параболы F может быть совмещен или с выходной апертурой 8 источника ионов 2 (фиг. 2,б), или с обрабатываемой поверхностью подложки 9 (фиг.2,в). Распыляемая поверхность мишени 7 может быть выполнена также в форме эллипса (фиг. 2, г), при этом выходная апертура 8 источника ионов 2 может быть расположена в одном фокусе (F₁), а обрабатываемая поверхность 9 подложки 6, соответственно, во втором фокусе (F₂) эллипса.

Распыляемая поверхность 7 мишени 4 может быть выполнена в виде углубления (фиг. 3,а), дно которого имеет форму собирающего рефлектора. При этом углубление может быть выполнено, например, в виде лунки (фиг.3,б) или в виде желоба (фиг.3,в).

Мишень 4 может быть выполнена также с одним (или несколькими) сквозных отверстием, например, в виде кольца (фиг.3,г), внутренняя боковая поверхность которого имеет форму собирающего рефлектора. При этом выходная апертура 8 источника ионов 2, распыляемая поверхность 7 мишени 4 и обрабатываемая поверхность 9 подложки 6 могут быть расположены соосно (фиг.4).

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Вакуумная камера 1 (фиг.1) предварительно откачивается до высокого вакуума (10^-5-10^-6 мм рт. ст. ). После подачи рабочего газа например, Ar, и соответствующих напряжений на электроды ионного источника внутри него (в его разрядной камере) возникает плазменный разряд, содержащий ионы рабочего газа. С помощью ионно-оптической системы происходит формирование ("вытягивание", ускорение, фокусировка) пучка ионов, который, будучи направленным через выходную апертуру 8 на поверхность 7 мишени 4, распыляет ее. Созданный таким образом поток 11 распыленного материала мишени 4, достигая поверхности 9 подложки 6 и осаждаясь на ней, образует пленку напыленного материала с необходимой структурой и другими характеристиками (толщиной, однородностью, плотностью и др.).

Благодаря тому, что распыляемая поверхность 7 мишени 4 имеет форму собирающего рефлектора, поток распыленного материала 11 является существенно неизотропным, т. е. имеется направление 10, в котором индикатриса (диаграмма направленности) потока распыленного материала 11 имеет резко выраженный максимум.

Именно на этом направлении максимума индикатрисы потока распыленного материала, устанавливается обрабатываемая подложка, поэтому основная масса распыленного материала осаждается на подложке, и уменьшается загрязнение распыляемым материалом стенок камеры.

Для увеличения срока службы мишеней одна или несколько мишеней 4 могут быть расположены на общем узле крепления 3, соединенным с приводом перемещения 12, обеспечивающим замену участка распыляемой поверхности 7 мишени 4 по мере ее "срабатывания" (изменения формы) на соседний участок с исходной формой поверхности.

При наличии на узле крепления 3 нескольких мишеней, содержащих различные материалы, смена мишеней (или распыляемых участков их) может производиться по заданной программе непосредственно во время проведения процесса распыления. В некоторых случаях (например, когда источник ионов находится в фокусе собирающего рефлектора) замену участков распыляемой поверхности более целесообразно обеспечивать с помощью привода перемещения 13, соединенного с источником ионов 2. При этом возможен и комбинированный вариант аппаратного исполнения, при котором, например, смена участков распыляемой поверхности одной мишени 4 производится перемещением источника ионов 2, а смена различных мишеней производится перемещением узла крепления 3.

С помощью привода перемещения 14, которым может быть снабжен держатель 5 подложек 6, можно обеспечить, при необходимости, более равномерное осаждение напыляемого материала на поверхность подложки, или напыление пленок с определенным рельефом, или обработку в одном процессе нескольких подложек, причем все эти перемещения могут производиться автоматически по заданной программе.

При выборе конкретного варианта конструктивного исполнения устройства, в частности, взаимного расположения источника ионов, распыляемой мишени и обрабатываемой подложки, следует учитывать многочисленные факторы, определяющие как форму ионного пучка, бомбардирующего мишень, так и форму пространственного распределения потока распыленного материала. В частности, форма ионного пучка определяется типом источника ионов, режимом его работы (потенциалами на электродах ионно-оптической системы), размерами и формой выходной апертуры, расстоянием до распыляемой мишени.

Форма пространственного распределения потока распыленного материала зависит от энергии ионов, соотношения атомных весов вещества рабочего газа и материала мишени, угла падения ионов на поверхность мишени, структуры распыляемой поверхности мишени (аморфная, поликристаллическая, кристаллическая) и других факторов. Среди возможных типов пространственного распределения потока распыленного материала можно выделить три основных вида: изотропное (распределение по закону косинуса), "нормальное" (с ярко выраженным максимумом на диаграмме направленности-индикатрисе плотности потока распыленного материала в направлении нормали к поверхности мишени) и "зеркальное" (с максимумом индикатрисы в направлении зеркального отражения оси пучка от поверхности мишени). Как показывает анализ, при ионном распылении большинства аморфных и поликристаллических материалов, в частности металлов, наблюдаются два последних вида распределения "нормальное" и "зеркальное". "Нормальное" или "надкосинусное" распределение имеет место при распылении более легкими ионами с высокими энергиями (Е > 10 кэВ) и при малых углах падения пучка (относительно нормали к поверхности. С уменьшением энергии ионов (до 1 кэВ и менее) и с увеличением их массы при падении ионов под углом к распыляемой поверхности направление преимущественной эмиссии (максимум индикатрисы) смещается от нормали к поверхности в сторону направления, соответствующего зеркальному отражению бомбардирующих ионов.

В случае "нормального" или близкого к нему углового распределения плотности потока распыленного материала мишени наиболее целесообразной будет такая конструкция распылительного устройства, в котором распыляемая поверхность 7 мишени 4 имеет сферы (фиг.2,а), в центре которой устанавливается срабатываемая поверхность 9 подложки 6. В этом случае при любой форме пучка (параллельной или расходящейся) и независимо от угла падения пучка на поверхность мишени, направлением максимума плотности (индикатрисы) распыленного материала с любого участка распыляемой поверхности мишени будет направление к центру сферы, где и расположена подложка, т.е. будет иметь место "фокусировка" потока распыляемого материала в заданную точку на поверхность подложки. Такая конструкция устройства обеспечивает, помимо уменьшения загрязнения стенок камеры и увеличения производительности процесса ионно-лучевого напыления, возможность проведения процесса направленного распыления (локального напыления) материалов, например, для создания рельефа или для формообразования (или доводки формы) оптических и других высокоточных поверхностей.

В случае углового распределения плотности потока распыленного материала, близкого к "зеркальному", более эффективной является такая конструкция распылительного устройства, при которой основная система элементов выходная апертура источника ионов распыляемая поверхность мишени обрабатываемая поверхность подложки представляет собой оптически связанную систему (фиг.2,б, в, г). Для ионных источников с расходящимся пучком (типа УЗДП, дуоплазматрон и др.) более целесообразным является выполнение распыляемой поверхности мишени в форме эллипса или параболы, в фокусе которых устанавливается выходная апертура источника ионов (точнее, условная точка "начала" пучка). При этом в случае эллиптической поверхности мишени (фиг.2,г) подложка устанавливается в другом фокусе эллипса, а в случае параболической мишени (фиг.2,б) подложка устанавливается тем, чтобы прямая линия мишень-подложка была параллельна оси параболы.

Для ионных источников с параллельным или слаборасходящимся пучком (например, источник Кауфмана), подложку целесообразно поместить в фокусе параболы распыляемой поверхности мишени, а источник ионов установить так, чтобы ось ионного пучка была параллельна оси параболы (фиг.2,в).

С целью более экономичного расхода материала мишени ее распыляемая поверхность может быть выполнена в виде углубления (фиг.3,а), дно которого имеет форму собирающего рефлектора, а боковые стенки имеют форму, обеспечивающую перераспыление материала с их поверхности на дно углубления. Кроме того, наличие боковых стенок, т.е. "заглубление" распыляемой поверхности мишени, способствует дополнительному ограничению углового распределения распыленного материала, т.е. дополнительному уменьшению загрязнения распыляемым материалом стенок камеры. Углубление может быть выполнено, например, в виде лунки (фиг.3,б) или в виде желоба (фиг.3,в).

Дальнейшее ограничение непроизводительной части потока распыленного материала и расширение технологических возможностей устройства может быть достигнуто выполнением в мишени сквозного отверстия, (например, мишень в виде кольца) внутренняя боковая поверхность которого имеет форму собирающего рефлектора, обеспечивающую преимущественное распыление материала мишени через отверстие кольца. При этом (фиг.4) ионный источник 2, распыляемая мишень 4 и подложка 6 могут быть установлены на одной оси. Поскольку в последнем случае распыляемой поверхностью мишени является внутренняя боковая поверхность 7 кольца, и обрабатываемая поверхность 9 подложки 6 может находиться в зоне прямого действия ионного пучка, то процесс распыления будет иметь некоторые особенности. В случае использования металлической мишени 4 и диэлектрической подложки 6 процесс распыления пойдет без особенностей, если использовать не нейтрализованный электронами "чистый" ионный пучок. В этом случае обрабатываемая поверхность диэлектрической подложки накапливает положительный заряд и "отражает" пучок ионов. В то же время нейтральные атомы распыляемой металлической мишени беспрепятственно могут осаждаться на подложке.

При распылении металлических мишеней на металлическую подложку или диэлектриков на диэлектрическую подложку (с нейтрализацией ионного пучка) процесс напыления так же будет происходить, однако, с несколько меньшей скоростью. Возможность напыления здесь обусловлена известной зависимостью скорости распыления от угла падения ионов: максимальная скорость распыления большинства материалов наблюдается при больших углах падения ионов относительно нормали к поверхности (при α 50-75^о), и эта максимальная скорость в 2-4 раза больше скорости распыления при нормальном падении. В нашем случае, следовательно, скорость распыления мишени, а значит и скорость напыления на подложку будет больше скорости распыления этого материала с подложки из-за прямой бомбардировки ее ионами пучка (при нормальном падении). Подбором соответствующих условий (форма распыляемой поверхности, форма апертуры пучка, расстояние мишень-подложка и др.) можно регулировать скорость процесса напыления.

Таким образом, предлагаемое устройство улучшает эксплуатационные характеристики за счет уменьшения загрязнения распыляемым материалом стенок камеры.

Кроме того, предлагаемое устройство повышает экономичность расхода материала мишени за счет уменьшения непроизводительной части потока распыляемого материала.

Кроме того, предлагаемое устройство имеет более широкие технологические возможности за счет большого выбора конструктивных вариантов исполнения распыляемых мишеней и взаимного расположения элементов системы; ионный источник распыляемая мишень подложка в рамках предлагаемого технического решения устройства для распыления материалов в вакууме.

Использование: в ионно-лучевом нанесении материалов, в оптической, электронной и др. отраслях промышленности при получении покрытий из дорогостоящих либо токсичных материалов. Сущность изобретения: в устройстве используется ионный источник, пучок которого распыляет мишень, выполненную в форме собирающего рефлектора, а держатель подложек установлен относительно источника и мишени так, чтобы обеспечить фокусировку максимума индикетрисы потока распыляемого материала мишени на обрабатываемой поверхности подложки. 11 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАСПЫЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ В ВАКУУМЕ, включающее установленные в вакуумной камере источник ионов, узел крепления мишеней, несущий по меньшей мере одну мишень с распыляемым материалом и держатель подложек, отличающееся тем, что распыляемая поверхность мишени имеет форму собирающего рефлектора, а держатель подложек установлен относительно мишени и источника так, чтобы обеспечить фокусировку максимума индикатрисы потока распыляемого материала мишени на обрабатываемой поверхности подложки. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что распыляемая поверхность мишени оптически связана с выходной апертурой источника ионов и обрабатываемой поверхностью подложки. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что распыляемая поверхность мишени имеет форму сферы, центр которой совмещен с обрабатываемой поверхностью подложки. 4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что распыляемая поверхность мишени имеет форму параболоида, фокус которой совмещен с обрабатываемой поверхностью подложки. 5. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что распыляемая поверхность мишени имеет форму параболоида, фокус которой совмещен с выходной апертурой источника ионов. 6. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что распыляемая поверхность мишени имеет форму эллипсоида, один фокус которого совмещен с выходной апертурой источника ионов, а другой его фокус совмещен с обрабатываемой поверхностью подложки. 7. Устройство по пп. 1-6, отличающееся тем, что в мишени выполнено углубление, дно и стенки которого образуют распыляемую поверхность мишени, причем дно углубления имеет форму собирающего рефлектора, а форма стенок обеспечивает перераспыление распыленного материала мишени на дно углубления. 8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что углубление выполнено в виде лунки. 9. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что углубление выполнено в виде желоба. 10. Устройство по пп. 1-3, отличающееся тем, что в мишени выполнено по меньшей мере одно сквозное отверстие, боковая поверхность которого имеет форму собирающего рефлектора. 11. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что выходная апертура источника ионов, распыляемая поверхность мишени и обрабатываемая поверхность подложки расположены соосно. 12. Устройство по п. 1-11, отличающееся тем, что, с целью увеличения срока службы мишени, узел крепления мишени и/или источник ионов снабжены приводами перемещения с возможностью смены участков распыляемой поверхности мишени.