МАГНЕТРОННАЯ РАСПЫЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА Российский патент 1998 года по МПК H01J37/317 H01J37/34 C23C14/35 

Устройство относится к плазменной технике и предназначено для нанесения тонких пленок из металлов и их соединений, синтезированных в результате взаимодействия атомов, распыленных с поверхности металлического катода, с атомами плазмообразующего газа в магнетронном разряде, на поверхность твердых тел, преимущественно диэлектрических листовых материалов.

Основным узлом установки является магнетронная распылительная схема (МРС).

МРС содержит катод-мишень, анод и магнитную систему. Силовые линии магнитного поля располагаются вдоль поверхности мишени. При подаче постоянного напряжения между катодом и анодом зажигается тлеющий разряд. Магнитное поле локализует плазму непосредственно у мишени. Эмиттированные с поверхности катода электроны захватываются магнитным полем, под действием электрического поля двигаются вдоль поверхности катода по сложным циклическим траекториям, многократно ионизуя плазму. Это приводит к росту концентрации ионов в плазме и к увеличению скорости распыления катода.

Известные МРС подразделяются на планарные системы с плоской или конусной мишенью (Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. - М. : Радио и связь, 1982, с. 11) и коаксиальные (там же, с. 45).

Коаксиальные конструкции имеют в 3-5 раз большую производительность, чем планарные, за счет увеличения площади одновременно обрабатываемых подложек. Наиболее эффективная конструкция МРС коаксиального типа, выбранная за прототип, содержит катод в виде трубы из распыляемого материала. Магнитная система в виде набора кольцевых постоянных магнитов устанавливается либо внутри катода, либо снаружи. Соответственно подложки для напыления пленок устанавливаются на цилиндрической поверхности вокруг катода либо внутри вдоль его оси. Такие конструкции непригодны для нанесения пленок на листовые материалы большой площади.

Планарные магнетронные системы имеют более высокие скорости осаждения пленок, однако в них распылению подвергается узкая кольцеобразная область мишени, и коэффициент использования материала мишени не превышает 26% объема мишени. С коэффициентом использования распыляемого материала тесно связана проблема равномерности распыления мишени, а следовательно, и равномерности наносимых пленок. Для небольших поверхностей она решается либо выбором геометрии мишени, либо сканированием магнитного поля.

При нанесении пленок на плоские поверхности с большой площадью, например, при тонировании стекла, изготовлении зеркал, используют планарные МРС с мишенями длиной до 2 м и шириной до 20 см (там же, с 57). Для их равномерного распыления создается несколько линейных зон распыления, поперек которых перемещается подложка из листового материала. Естественно, что увеличение распыляемой площади требует приложения больших мощностей (до 100 кВт) и возникают проблемы равномерности покрытий, особенно на периферии обрабатываемого объекта. Кроме того, в таких системах сложно решается проблема их охлаждения.

Изобретение решает задачу нанесения пленок на листовые материалы большой площади (до 2,5 м²) с хорошей равномерностью пленки.

Для решения этой задачи магнетронная распылительная система, как и прототип, содержит камеру, коаксиальные катод в виде трубы из распыляемого материала и магнитную систему, а также подложки у стенок камеры.

В отличие от прототипа предлагаемая МРС содержит несколько катодов со своими магнитными системами, расположенных вертикально в ряд на расстоянии 100-200 мм друг от друга, а подложки - листовой материал расположены с обеих сторон от ряда катодов вдоль боковой стенки камеры. Причем подложки выполнены с возможностью перемещения относительно катодов для того, чтобы повысить пространственную равномерность толщины наносимых покрытий путем их сканирования.

На фиг. 1 приведен общий вид рабочей камеры МРС. Камера представляет собой призматический вакуумно-плотный корпус 1 прямоугольного сечения. По его центру на расстоянии 100-200 мм друг от друга размещен ряд цилиндрических катодов 2, длина которых примерно равна высоте корпуса 1. Между стенками камеры 1 и рядом катодов 2 установлены с возможностью возвратно-поступательного движения с амплитудой, примерно равной расстоянию между катодами 2, листовые обрабатываемые изделия (подложки) 3. Отверстие 4 в торцевой стенке камеры служит для ее откачки, а отверстия 5 служат для размещения привода возвратно-поступательного движения кареток с обрабатываемыми изделиями 3.

На фиг. 2 изображен общий вид элемента катода 2, расположение силовых линий магнитного поля 6 и траектория движения электронов 7 вдоль его поверхности; на фиг. 3 и 4 - конструкции магнитных систем с постоянными магнитами 8 внутри катода 2 (фиг. 3) и с внешним расположением обмотки электромагнита 10. Цифрами 9 на фиг. 3 и 4 обозначен канал для потока охлаждающей катод 2 жидкости. Во втором варианте изготовления магнитной системы обмотка 10 ее выполнена с каналом 11 для потока охлаждающей жидкости.

Работает предлагаемая распылительная система следующим образом. При подаче рабочего напряжения при давлении газа в рабочей камере 1 порядка 0,01-1 Па между катодами 2 и анодом, которым являются заземленные стенки камеры 1, зажигается тлеющий разряд. Ионы из разряда, бомбардируя катоды 2, вызывают эмиссию электронов. Ускоряясь электрическим полем, эти электроны поддерживают разряд и, испытывая воздействие поперечного для них магнитного поля, двигаются вокруг каждого из катодов 2 по сложным циклоидальным траекториям 7. Длительная циркуляция электронов усиливает процессы ионизации, повышает концентрацию ионов у поверхности катодов 2 и увеличивает скорость их распыления. Таким образом, каждый из катодов 2 является как бы линейным источником распыляемого материала, который осаждается на подложке 3. Расстояние между катодами 2, и, следовательно, их число регламентируется величиной длины свободного пробега распыленных атомов с энергией, свойственной МРС (в данном случае 10-100 эВ) в газовой среде при указанном выше давлении. Такая схема расположения позволяет обеспечить необходимую равномерность покрытия по толщине на подложке 3, так как при этом имеет место интерференция потоков частиц от соседних катодов. Практика показала, что оптимальное расстояние между центрами катодов 2 лежит в пределах 100-200 мм при расстоянии до подложки порядка 100 мм. Увеличение числа катодов не сократит технологического цикла, но потребует использования более мощной системы питания, утяжелит рабочую камеру. Если катоды будут стоять реже, появятся значительные пространственные неоднородности покрытия, так как между проекциями катодов на обрабатываемой поверхности возникнут зоны, в которых толщина покрытия будет значительно ниже средней.

Магнитное поле требуемой конфигурации 6 может создаваться либо постоянными магнитами (фиг. 3), либо электромагнитом (фиг. 4). В первом случае магнитная система представляет собой кольцевые магниты 8, собранные в секции, разделенные концентраторами 8' и помещенные внутрь катода 2. Отверстия в кольцевых магнитах 8 образуют канал 9 для потока охлаждающей катод 2 жидкости. Концентраторы 8' оптимизируют конфигурацию магнитного поля у поверхности катода 2.

Вполне работоспособным является и другой вариант, когда магнитное поле создается внешним источником. В качестве такого источника может служить соленоид 10, который с большим шагом намотан вокруг трубы 2. Здесь силовые линии магнитного поля ориентированы в аксиальном направлении вдоль поверхности катодной трубы 2.

Для того чтобы обеспечить приемлемую (не менее 70%) прозрачность соленоида 10 для распыленных частиц, шаг его намотки должен быть весьма большим (примерно 30-100 мм). Отсюда удельное (на единицу длины) число витков будет незначительным (для заявляемой конструкции это 10-30 витков/м). Чтобы обеспечить необходимую индукцию, надо, чтобы ток в соленоиде составлял 10²-10³ А. Это обстоятельство вынуждает использовать принудительное охлаждение соленоида через канал 11.

Магнетронная распылительная система (МРС) относится к плазменной технике является основным узлом установки для нанесения тонких пленок из металлов и их соединений на диэлектрические листовые материалы большой площади. МРС содержит камеру, в которой расположены катоды и магнитная система. Катоды выполнены в виде труб из распыляемого материала, снабжены индивидуальными магнитными системами, расположенными вертикально в ряд на расстоянии 100-200 мм друг от друга, а подложки - листовой материал - расположены с обеих сторон вдоль боковой стенки камеры и выполнены с возможностью перемещения относительно ряда катодов. 4 ил.

Магнетронная распылительная система, содержащая камеру, коаксиальные катод в виде трубы из распыляемого материала и магнитную систему, а также подложки вдоль стенок камеры, отличающаяся тем, что содержит несколько вертикальных катодов, установленных в ряд на расстоянии 100 - 200 мм друг от друга и снабженных индивидуальными магнитными системами, а подложки для листового обрабатываемого материала расположены с обеих сторон от ряда катодов и выполнены с возможностью перемещения относительно катодов.