УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО РАСПЫЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ В ВАКУУМЕ Российский патент 1997 года по МПК C23C14/36 

Изобретение относится к области нанесения покрытий в вакууме и может быть использовано, например, при производстве тонкопленочных элементов многокомпонентных материалов, оптических покрытий, теплозащитных покрытий архитектурного стекла и других покрытий для товаров народного потребления на любых металлических, пластмассовых и других основаниях.

Известно устройство для ионно-плазменного распыления, содержащее магнитопроводящий корпус, источники магнитодвижущей силы с полюсными наконечниками, мишень, служащую катодом, изолированный анод, размещенный в отдельной камере (Проспект фирмы LEYBOLD-HERAEUS N 12.352.07 стр.7 от 07.05.87г.). Конструкция известного устройства не позволяет обеспечить возможность контролируемой бомбардировки растущей пленки ионами, либо реактивного (в случае нанесения диэлектрических пленок), либо инертного газа (в случае нанесения металлических пленок), способствующей повышению качества и скорости напыления пленки на движущейся подложке.

Известно, принятое за прототип, устройство для распыления магнитных материалов, содержащее магнитную систему с полюсными наконечниками, катод с мишенью, расположенный в полости магнитной системы, причем анод расположен между полюсными наконечниками и подложками (А.С. СССР, N 1030423, C 23 C 15/00,1983).

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются: магнитная система, включающая магнитопроводящий корпус с полюсными наконечниками, образующими замкнутый зазор и источники электродвижущей силы, катодный элемент и анод.

Причинами, препятствующими достижению необходимых технических результатов: повышение степени ионизации рабочего газа и обеспечение контролируемой ионной бомбардировки конденсата в процессе роста пленки являются конструктивные недостатки, заключающиеся в отсутствии возможности с использованием известного устройства осуществлять контролируемую обработку растущих металлических пленок бомбардировкой ионами инертного газа с целью подавления столбчатой микроструктуры и повышения плотности и адгезии пленок, а также повышать скорость осаждения диэлектрических пленок из-за отсутствия возможности проводить окисление металлической компоненты окисла путем бомбардировки ионами реактивного газа растущей пленки на движущейся подложке.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования устройства для распыления магнитных материалов, в котором за счет изменения конструкции, а именно за счет выполнения полюсных наконечников с образованием охватывающих друг друга зазоров, в одном из которых (охваченном) установлен выполненный в виде мишени-катода катодный элемент, а в другом (охватывающем) размещен анод, а также за счет выполнения полюсных наконечников при этом с чередующимися зазорами. При этом обеспечивается повышение степени ионизации рабочего газа и интенсивная ионная бомбардировка растущей пленки, сто способствует повышению качества напыляемых пленок и скорости напыления.

Для решения поставленной задачи в устройстве для ионно-плазменного распыления материалов в вакууме, содержащем магнитопроводящий корпус с источниками магнитодвижущей силы и полюсными наконечниками, образующими замкнутый зазор, катодный элемент и анод, согласно изобретению полюсные наконечники выполнены с образованием двух зазоров, один из которых охватывает другой, катодный элемент выполнен в виде мишени-катода, установленного в охваченном зазоре, а анод размещен с чередующимися зазорами.

Конструктивное выполнение полюсных наконечников такими, что они образуют два охватывающих друг друга зазора и размещение в одном из них катода-мишени, а в другом анода позволяет повысить степень ионизации рабочего газа в зоне напыления вследствие образования направленного ионного потока рабочего газа из прианодного слоя, где в зазоре между полюсными наконечниками скрещены электрическое и магнитное поля.

Ионный поток направлен перпендикулярно поверхности подложки или под углом к поверхности мишени и при этом часть ионов рабочего газа участвует в формировании магнетронного разряда, возникающего над поверхностью мишени, а другая часть обеспечивает интенсивную ионную бомбардировку растущей пленки.

Интенсивная ионная бомбардировка растущей пленки способствует подавлению столбчатой микроструктуры, повышению плотности и адгезии пленок, улучшая их качество.

При получении окисных соединений обеспечивается более полное прохождения реакции частиц распыленного материала с ионами рабочего газа в пространстве между мишенью и подложкой и на поверхности подложки. Это способствует полному окислению и повышает стехиометрию пленок.

Выполнение с чередующимися зазорами наконечников, между которыми установлены поочередно мишени и аноды, позволяет улучшить перемешивание потоков распыленных частиц мишени и ионов рабочего газа, тем самым увеличить однородность покрытий на подложках большой площади.

Повышение степени ионизации рабочего газа приводит к снижению рабочего давления устройства, что сопровождается увеличением скорости напыления и, следовательно, производительности процесса. Следствием повышения ионизации является также снижение напряжения разряда, позволяющее использовать менее мощные блоки питания, удешевляя тем самым оборудование.

На чертеже схематично изображено в разрезе предлагаемое устройство для ионно-плазменного распыления материалов в вакууме. Устройство содержит магнитопроводящий корпус 1 с полюсными наконечниками 2, 3, 4, которые образуют замкнутые зазоры и источники магнитодвижущей силы 5 с водяным охлаждением. В зазоре между полюсными наконечниками 2 и 3 установлен водоохлаждаемый анод 6, изолированный от корпуса, а в зазоре между полюсными наконечниками 3 и 4 установлен катодный элемент в виде мишени-катода 7 на водоохлаждаемом держателе, также изолированном от корпуса. Анод и катод-мишень могут перемещаться относительно полюсных наконечников. Штуцеры для подачи рабочего газа или смеси газов в анодную и катодную полости на чертеже не показаны. Над распыляемой поверхностью катода-мишени расположен подложкодержатель В. Все устройство помещено в вакуумную камеру (на чертеже не показана). Для предотвращения распыления полюсных наконечников 2, 3, 4 корпус 1 устройства может быть соединен с катодом-мишенью 7 через переменное сопротивление, которое на чертеже также не показано.

Устройство работает следующим образом.

После откачки вакуумной камеры по давлению не хуже 5•10^-4 Па напускают рабочий газ в полости, содержащие анод и катод-мишень, до давления 4 8•10^-2 Па. Если выбрать за точку нулевого потенциала катод-мишень 7, то к корпусу 1 прикладывается положительный потенциал от источника питания 500 1000В, к аноду 6 устройства положительный потенциал 2000 2500В. В скрещенных электрических и магнитных полях зазора между наконечниками 2, 3 и анода 6 происходит ионизация рабочего газа и формирование потока ионов газа в сторону подложкодержателя 8. На поверхности катода-мишени 7 возникает магнетронный разряд, в котором участвует часть ионов из потока сформированного в зазоре между деталями 2 и 3. Материал катода-мишени 7 распыляется, образуя поток частиц в направлении подложкодержателя. Причем потоки ионов рабочего газа и распыленных частиц катода-мишени направлены относительно друг друга таким образом, что образуют в плоскости подложкодержателя 8 зону равномерной обработки. Это осуществляется наклоном ионного потока к центру устройства за счет перемещения наконечника 2 вверх относительно наконечника 3, или за счет разворота плоскости наконечников 2 и 3 под наклоном относительно плоскости катода-мишени 7 по направлению к оси устройства. Перемещение анода 6 относительно наконечников 2 и 3 приводит к изменению геометрии ионного потока (сходящийся или расходящийся) относительно оси зазора между наконечниками 2 и 3. Перемещение катода-мишени 7 относительно наконечников 3 и 4 приводит к изменению геометрии потока распыленных частиц. При работе положение анода и мишени относительно наконечников выбирается оптимальным.

Экспериментальное устройство для ионно-плазменного распыления материалов в вакууме содержало титановую мишень в виде кольца с внешним диаметром 100 мм, внутренним 40 мм, утепленную относительно верхней плоскости наконечников на 1,8 мм. Анод выставлялся с зазором относительно нижней плоскости наконечников равным 1,5 мм. Ширина щели между наконечниками анода 4,0 мм.

Магнитная система обеспечивала напряженность магнитного поля в анодном зазоре 1500 э, над поверхностью катода-мишени 340э. При подаче напряжения на корпус устройства +1000В, отрицательный полюс блока питания соединен с корпусом установки, давление газообразного аргона, необходимое для возникновения магнетронного разряда составляло 9•10^-2 Па, ток разряда составлял 1,5А, напряжение 700В. Скорость осаждения на подложку, расположенную на расстоянии 150 мм от катода-мишени, составляла 200 нм/мин. Если подать на анод устройства напряжения +2500В, одновременно с подачей на корпус напряжения от другого блока питания +1000В, то магнетронный разряд возникает при давлении порядка 2•10^-2 Па, которого достаточно для возникновения направленного потока ионов рабочего газа из прианодной области. Ток разряда составлял в этом случае 2,5А, напряжение 500В. Расходный ток блока питания подключенного к аноду устройства при этом составил 500 мА. Скорость осаждения возрастала до 320 нм/мин.

Сущность изобретения состоит в усовершенствовании устройства для ионно-плазменного распыления материалов, в котором полюсные наконечники выполнены с образованием охватывающих друг друга зазоров. В охваченном зазоре установлен катод - мишень, а в охватывающем - анод. Полюсные наконечники могут быть выполнены с чередующимися зазорами. Выполнение устройства указанным образом позволяет повысить степень ионизации рабочего газа в зоне напыления вследствие образования направленного ионного потока рабочего газа из прианодного слоя, где в зазоре между полюсными наконечниками скрещены электрическое и магнитное поле. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для ионно-плазменного распыления материалов в вакууме, содержащее магнитопроводящий корпус с источником магнитодвижущей силы и полюсными наконечниками, образующими замкнутый зазор, катодный элемент и анод, отличающееся тем, что полюсные наконечники выполнены с образованием двух зазоров, один из которых охватывает другой, катодный элемент выполнен в виде мишени-катода, установленного в охваченном зазоре, а анод размещен в охватывающем зазоре. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что наконечники выполнены с чередующимися зазорами.