УСТАНОВКА ДЛЯ ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО РАСПЫЛЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК C23C14/35 

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для изготовления магнитного носителя информации (магнитные ленты и диски).

Известно устройство в составе вакуумной установки, в котором разогрев подложки-основы бомбардирующими электронами (в основном быстрыми) предотвращается с помощью особой конструкции мишени, две части которой расположены под углом друг к другу, и диафрагмы, охлаждаемые части которой располагаются на расстоянии, равном диаметру внутреннего отверстия кольцевой подложки. Таким образом, уменьшается разогрев основы-подложки горячими электронами и она меньше подвергалась деструктивным изменениям (заявка Японии N 59-220912, МКИ H O1 F 41/18, С 23 С 15/00, опубликована 12.12.84.). Однако устройство имеет существенные недостатки:
1. Сложность конструкции мишени.

2. Скорость осаждения при такой геометрии электродов значительно падает из-за экранирования потока распыляемого материала.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа является установка, состоящая из вакуумной камеры и магнетронного распылителя, в которой используется дополнительный анод, выполненный в виде сетки, расположенной между мишенью и подложкой. До 92% электронов перехватываются анодом, что в значительной степени защищает подложку от быстрых электронов: (патент США N 4395323, заявка N 257314 МКИ С 23 С 15/00, МКИ 204/298, опубликован 26.07.83.).

Недостатком этой конструкции является то, что в ней не устраняется полностью разогрев подложки, особенно при возрастании мощности, рассеиваемой на мишени.

Целью изобретения является повышение степени аморфности вакуумного конденсата и повышение качества покрытия за счет предотвращения разрушения нетермостойкой подложки при значительных удельных мощностях, рассеиваемых на мишени (больших скоростях осаждения). Указанная цель достигается тем, что в предлагаемую установку для ионно-плазменного распыления и нанесения покрытий, включающую вакуумную камеру, соединенную с магистралью рабочего газа, расположенных в ней планарный магнетронный распылитель с мишенью и анодом, диафрагму (дополнительный анод) и держатель подложки, между диафрагмой и держателем подложки вблизи последнего дополнительно введены два электрода, выполненные в виде линейчатых решеток из тонкой проволоки с периодом решеток и расстоянием между ними 2,5-3 мм, на каждый из которых могут подаваться различные по величине отрицательные относительно анода экспериментально подбираемые потенциалы.

Сетка 1, расположенная ближе к катоду 3 (см. фиг.1), работает в области высокой плотности плазмы и имеет размер ячейки меньше, чем размер ячейки сетки 2, расположенной ближе к держателю подложки 5. При соответствующем подборе отрицательных потенциалов на сетках 1 и 2 (-U₁ и -U₂) Граница области горения плазмы удаляется от держателя с подложкой в результате чего они не подвергаются бомбардировке "горячими" электронами и не разогреваются. Величина ячейки каждой сетки определяется величиной ларморовского радиуса электронов. Введение дополнительных электродов, выполненных в виде линейчатых решеток между ними 2,5-3 мм, на каждый из которых могут подаваться различные по величине отрицательные относительно анода экспериментально подбираемые потенциалы, отвечает критерию новизны.

Сравнительный анализ заявленного устройства с прототипом показывает наличие существенных признаков, определяющих конструкцию распылительного устройства и позволяющих достичь положительный эффект, а именно, эффективно предотвратить разогрев подложки при распылении, тем самым повысить качество покрытия и предохранить нетермостойкую основу от разрушения, а также приблизить мишень к подложке, без разогрева последней, что увеличивает скорость осаждения.

На основании проведенных опытов установлено, что термостойкость ряда полимерных основ (полиэтилентерефталата, лаварила -3, лаварила -4 и др.) в вакууме снижается по сравнению с испытаниями на воздухе в несколько раз. Предотвращение разогрева подложки позволяет достичь положительного эффекта без дополнительного охлаждения подложки до более низких температур. Так, например, при получении тонкопленочного магнитного слоя Со-О для носителя записи на нетермостойкой лавсановой основе (а.с. N 1440264) предотвращение разогрева основы и деструкции ее поверхности, а также стабильность ее температуры во время осаждения пленки оказывают существенное влияние на свойства носителя и неизменность их по площади конденсата.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

Фиг.1- принципиальная схема подколпачного устройства установки для ионно-плазменного распыления.

Фиг. 2 зависимость установившейся температурной подложки от тока разряда при распылении железной мишени:
а до введения электродов,
б после введения электродов и подачи на них потенциала -100 В относительно анода,
фиг. 3 зависимость установившейся температуры полимерной подложки от напряжения на введенных электродах при различных мощностях распыления железной мишени:
а ток мишени I_m 0,3 А, напряжение на мишени U_m -440 В,
б I_m 0,4 А, U_m -480 В,
в I_m 0,2 A, U_m -400 B.

Установка (фиг.1) содержит вакуумную камеру, в которой расположены магнетронный распылитель 3, диафрагма 6, сетки 1,2, находящиеся в общем случае под различным отрицательным потенциалом относительно анода 4, где плотность плазмы ниже, на подобранном экспериментально расстоянии друг от друга, позволяющем локализовать плазму в пространстве катод-сетка 1 сетка 2. Для регулирования величины потенциала на сетках в схему введены переменные сопротивления. В частности, при нулевом потенциале относительно анода сетки превращают в дополнительный анод, что уменьшает потенциал горения плазмы при понижении давления в вакуумной камере. При отрицательном потенциале на сетках они практически не влияют на режим горения плазмы.

Сетки для достижения возможности большой прозрачности в отношении потока осаждаемого материала выполнены в виде линейчатых решеток из тонкой (⊘≥ 0,1 мм) проволоки, имеющей либо одинаковый с мишенью состав, либо состоящей из основного компонента мишени (например, при распылении мишеней из сплавов на основе железа, проволоки сетки также железная) так как в плазме происходит незначительное распыление сеток. Период линейчатых решеток определяется величиной ларморовского радиуса электронов плазмы. Он должен быть равен или меньше радиуса для эффективного улавливания электронов. В случае применяемых нами режимов распыления мишени период подобран экспериментально и составляет 2,5-3 мм. Электрод 2, расположенный ближе к подложкодержателю, находится в области меньшей плотности плазмы и может иметь больший период линейчатой решетки.

Конструкция электродов в виде линейчатых сеток (а, скажем, не сеток с квадратной ячейкой) позволяет повысить прозрачность их для потока молекул осаждаемого вещества не снижая заметно эффективность улавливания электронов, летящих к подложке. В техническом решении прозрачность сеток для распыляемого материала была не менее 0,8. Соответствующим подбором величин отрицательных потенциалов на сетках область горения плазмы отодвигается от подложки и полностью локализуется в пространстве катод-сетка.

Экспериментально установлено, что установка друг над другом сеточных электродов (по сравнению с одним в патенте США N 4395323 МКИ С 23 С 15/00 и статьей IEEE Transon Elect. Devices, 1987, ЕД-34, N 3, р. 628-632, на которую сделана ссылка в книге Данилина Б.С. "Применение низкотемпературной плазмы для нанесения тонких пленок",-М. Энергоиздат, 1989, с.138) позволяет при одинаковых потенциалах на сетках существенно снизить разогрев поверхности подложек.

На графике (фиг. 2) представлена зависимость температуры основы от тока рязряда при неизменных геометрических размерах и расстоянии от магнетронного распылителя до анода и держателя основы. Кривая "а" соответствует изменению температуры подложки-основы при наличии между катодом и держателем только диафрагмы, расположенной параллельно мишени. Кривая "б" соответствует изменению температуры подложки при введении сеток, находящихся под потенциалом U₁ U₂ -100 В относительно анода.

На фиг. 3 приведены кривые, соответствующие изменению температуры держателя основы для различных значений тока плазмы и напряжений на катоде при изменении напряжения на сетках. Видно, что эффективное предотвращение разогрева подложки в зависимости от рассеиваемой мишени мощности происходит при напряжении на сетках 30^oC-80 В. При -80 B стабилизация температуры подложки.

Подача потенциала на сетки практически не изменяла мощность разряда и скорость осаждения пленки, а введение сеток уменьшало скорость осаждения примерно на 10% на каждую сетку.

Графики дают возможность выбраться в зависимости от решаемых задач оптимальный режим. Так, используя скоростное напыление, можно за малые интервалы времени получать поликристаллические пленки (T_подл. подниматься до 25-50^oC) или с целью получения аморфного конденсата выбрать режим, когда температура поверхности подложки практически не отличается от температуры охлаждаемого держателя.

Таким образом, введение дополнительных электродов с регулируемым на них потенциалом позволило эффективно противодействовать разогреву поверхности подложки.

Пример конкретного исполнения.

Магнетронный распылитель с мишенью 3 располагался в 10 мм от заземленного анода 4, диафрагма 6 под потенциалом анода находилась на расстоянии 35 мм от анода 4. Сетки 1,2, выполненные в виде линейчатых решеток с периодом 2,5-3 мм намотаны проволокой диаметром 0,1 мм из распыляемого материала и располагались на расстоянии 3-5 мм друг от друга. Для области давления рабочего газа 5•10^-3 мм рт.ст. и мощности, рассеваемой на мишени 120-150 Вт), причем сетка 1 на расстоянии 20 мм от диафрагмы. На сетку 2 подавался, как правило, потенциал анода, а на сетку 1 отрицательный потенциал от 0 до -100 В. Давление рабочего газа 5•10^-3 мм рт.ст. Напряжение на мишени - 400 В, ток мишени 0,3 А.

При подаче на сетку 1 потенциала U -100 В и указанных I и U_m температура подложки на держателе устанавливалась на 4-5^o выше температуры держателя, который охлаждался водопроводной водой (фиг.3 в). По мере уменьшения абсолютного значения потенциала температура подложки росла, т.е. происходил ее разогрев потоком электронов плазмы. Исходя из кривых "а", "б", фиг.3 можно видеть, что абсолютное значение разницы температур подложки при -100 В и -25 В составляет 16-18^o. На рис. 3"б" видно, что по мере роста мощности разряда абсолютное значение уменьшения температуры разогрева подложки становится меньше. На первый взгляд ΔT невелика, однако в случае необходимости получения аморфных конденсатов такая разница температур может решающей).

Получение аморфного вакуумного конденсата определяется скоростью осаждения, температурой подложки, наличием аморфизирующей добавки. При других фиксированных параметрах осаждения температура подложки может полностью определять структурное состояние конденсата. Так, при напылении FeCr и FeNi; Mn конденсатов при температуре подложки 10-16^o фиксировалась аморфная структура, при 16-25^oC аморфно-кристаллическая, а выше 30^oC устойчиво формировалась кристаллическая структура. ЫЫЫ2

Использование: в приборостроении для изготовления магнитного носителя информации (магнитные ленты и диски) на нетермостойкой основе. Сущность изобретения: в установку для ионно-плазменного распыления, содержащую вакуумную камеру, соединенную с системой напуска рабочего газа, расположенные в ней планарный магнетронный распылитель и держатель подложки, на которую происходит напыление материала мишени, введены дополнительные электроды-сетки в виде линейчатых решеток с определенным расстоянием между ними, расположенные в непосредственной близости от держателя подложки, что обеспечивает повышение степени аморфности вакуумного конденсата и качества покрытия. 3 ил.

Установка для ионно-плазменного распыления и нанесения покрытий, включающая вакуумную камеру, соединенную с системой напуска рабочего газа, расположенные в ней планарный магнетронный распылитель с мишенью и анодом, дополнительный анод, выполненный в виде диафрагмы, и держатель подложки, отличающаяся тем, что, с целью повышения степени аморфности вакуумного конденсата и повышения качества покрытия за счет предотвращения разрушения нетермостойкой подложки, между диафрагмой и держателем подложки введены два электрода, расположенные вблизи держателя подложки и выполненные в виде решеток с линейчатыми структурами, угол между направлениями которых составляет 0 90^o, а прозрачность каждой решетки не менее 0,8.