МАГНЕТРОННАЯ РАСПЫЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА Российский патент 2003 года по МПК C23C14/35 

Устройство относится к плазменной технике и предназначено для нанесения на поверхность твердых тел пленок из металлов и их соединений, синтезированных в результате взаимодействия атомов, распыленных с поверхности металлического катода, с газоплазменной средой.

Магнетронная распылительная система (МРС) [1] содержит анод и катодный узел, включающий мишень и магнитный блок. Силовые линии магнитного поля располагаются над поверхностью мишени. При подаче постоянного напряжения между катодом и анодом возникает тлеющий разряд. Магнитное поле локализует плазму разряда непосредственно у мишени. Эмитированные с поверхности катода электроны под действием электрического и магнитного полей двигаются вдоль поверхности катода по сложным циклическим траекториям, многократно ионизуя атомы. Это приводит к росту концентрации ионов в плазме и к увеличению скорости распыления катода.

Типичные конструкции разрядных устройств предполагают ввод рабочего газа непосредственно в вакуумную камеру. Это обусловливает равномерность распределения плотности газа по всему объему. Однако с целью снижения уровня загрязнений и увеличения длины свободного пробега распыленных частиц с одной стороны и для создания условий устойчивого горения разряда с другой необходимо обеспечить максимально низкое давление рабочего газа в основном объеме вакуумной камеры и более высокое (0,01-0,1 Па) в области плазмообразования. Одним из решений данной задачи является вариант с наличием специальной распылительной камеры [2], соединенной с системой подачи рабочего газа. Такая камера позволяет локализовать газ в разрядной области, а наличие небольших щелей в ней обеспечивает процесс откачки. При этом напыление происходит в основном объеме вакуумной камеры, а распыленные частицы доставляются к подложкам через сетку или специальные отверстия. Однако наличие распылительных камер усложняет конструкцию МРС, устанавливает ограничение на размеры подложки и, кроме того, становится гораздо труднее обеспечить статический режим откачки.

При этом анодом распылительной системы могут служить стенки вакуумной камеры, держатель подложек или специальный электрод, расположенный на некотором удалении от мишени. Так, например, в [1, стр.11] описывается планарная МРС, содержащая вмонтированный в корпус магнитный блок, плоскую водоохлаждаемую мишень и анод, установленный над ее поверхностью по периметру. Ввод рабочего газа предусматривается непосредственно в вакуумную камеру. Конструкция, предложенная в [3], также содержит катодный узел с магнитной системой и водоохлаждаемой мишенью. Анод выполнен цилиндрическим, имеет замкнутую полость, в которую подается рабочий газ, и крепится к катоду посредством диэлектрической втулки. Полость анода по всему периметру соединена с кольцевым соплом, расположенным на удаленном от мишени торце. Таким образом, анод и диэлектрическая втулка создают полузамкнутый объем над поверхностью мишени, в который направлено сопло системы газонапуска. Это также позволяет локализовать рабочий газ в области горения разряда. Недостатком такой конструкции является то, что анод перекрывает часть зоны разлета распыленных из мишени частиц, уменьшая тем самым скорость напыления пленок и эффект равномерности напыления по толщине, а также не позволяет менять расстояние между катодом и анодом. Данная МРС выбрана за прототип.

Конструкции магнетронных распылительных систем должны обеспечивать высокую скорость распыления, минимальное отрицательное воздействие на обрабатываемые изделия, равномерность нанесения покрытий по толщине, высокую надежность работы и т.д. Здесь немаловажную роль играет конструкция электродов системы, так как от нее зависит распределение электрического потенциала в пространстве, а следовательно, режим горения разряда, кроме того, она должна обеспечивать свободный разлет распыленных частиц.

Изобретение направлено на решение задачи создания МРС, работающей при пониженном давлении в вакуумной камере, не препятствующей разлету распыленных частиц и имеющей механически несвязанные электроды, что позволяет плавно менять расстояние между катодом и анодом для установления оптимального режима горения разряда.

Для решения этой задачи предлагаемая МРС, как и прототип, содержит корпус с магнитным блоком, плоскую мишень, покрывающую его, и полый анод, соединенный с системой подачи рабочего газа.

В отличие от прототипа контур анода выполнен в виде замкнутой трубы с инжекционными отверстиями, расположенными на равных расстояниях на ее длине и направленных в центр разрядной области. Устанавливается анод по периметру мишени на расстоянии от ее поверхности, сравнимом с длиной свободного пробега распыленных частиц. Кроме того, анод может содержать дополнительный водоохлаждаемый контур, имеющий тепловой контакт с трубкой, через которую подается рабочий газ. При этом электроды системы остаются механически несвязанными
Конструкция МРС схематически представлена на чертеже. Корпус 1 выполнен из магнитомягкого материала и является внешним магнитопроводом, в центре него расположен блок постоянных магнитов 2, служащий источником магнитного поля устройства и, одновременно, центральным магнитопроводом. Корпус покрывает плоская мишень 3, над которым расположен анод 4, с отверстиями 5 для инжекции рабочего газа, направленными в центр разрядной области. Анод распылительной системы представляет собой механически несвязанный с катодом замкнутый полый контур, соединенный с системой подачи газа и имеющий расположенные на равных расстояниях на его длине инжекционные отверстия, направленные в центр разрядной области. В случае необходимости охлаждения анода последний может быть выполнен в виде двух параллельных контуров, имеющих между собой по всей длине тепловой контакт. При этом первый собран по вышеупомянутой схеме и выполняет роль инжектора рабочего газа в разрядную зону магнетрона. Второй контур (не показан) не замкнут и по нему пропускается вода для охлаждения тела анода. Контур анода описывает периметр мишени и установлен на расстоянии от ее поверхности, сравнимом с длиной свободного пробега распыленных частиц (5-6 см).

Работает устройство следующим образом. Постоянные магниты 2 создают над поверхностью мишени 3 продольное магнитное поле, расположение силовых линий 6 показано на чертеже. Через отверстия 5 в аноде подается рабочий газ и устанавливается статический режим откачки, при котором поддерживается постоянное давление в вакуумной камере. Между катодом 1 и анодом 4 подается постоянное напряжение и зажигается тлеющий разряд. Наличие замкнутого магнитного поля у поверхности позволяет локализовать плазму разряда непосредственно у мишени, участки которой между входом и выходом силовых линий 6 начнут интенсивно распыляться. Варьируя величиной скорости напуска газа и местоположением анода, можно добиться такого режима работы устройства, при котором последний не будет оказывать существенного влияния на процесс напыления пленок, и давление газа в основном объеме вакуумной камеры будет значительно ниже, чем у поверхности мишени.

Таким образом, предлагаемая конструкция МРС позволяет работать в условиях пониженного давления в вакуумной камере, не препятствует разлету распыленных частиц и имеет несвязанную механически систему электродов.

Литература
1. Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. - М.: Радио и связь, 1982, с.11, 58.

2. Данилин Б. С. , Минайчев В.Е. О рациональном использовании откачных средств для установок ионного распыления и травления материалов. - Электронная техника. Сер. Микроэлектроника, 1974, вып. 3(51), с.90-99.

3. Заявка на патент России 93051301/02, кл. С 23 С 14/36, 1996.

Изобретение относится к плазменной технике и предназначено для нанесения пленок из металлов и их соединений в различных отраслях машиностроения. Магнетронная распылительная система содержит мишень, магнитный блок и полый анод, соединенный с системой подачи газа. Анод выполнен в виде замкнутого контура, имеющего по всей своей длине инжекционные отверстия, направленные в центр зоны магнетронного разряда. Контур расположен над поверхностью мишени на расстоянии, сравнимом с длиной свободного пробега распыленных частиц. Водоохлаждающий контур имеет тепловой контакт с трубкой анода по всей длине. Такая конструкция позволяет понизить давление рабочего газа в основном объеме вакуумной камеры без ухудшения параметров магнетронного разряда и процесса распыления материала мишени, а также подбирать оптимальный режим горения разряда путем плавного изменения расстояния между катодом и анодом. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Магнетронная распылительная система, содержащая мишень, магнитный блок и полый анод, соединенный с системой подачи газа, отличающаяся тем, что анод выполнен в виде замкнутого контура, имеющего по всей своей длине инжекционные отверстия, направленные в центр зоны магнетронного разряда, и расположенного над поверхностью мишени на расстоянии, сравнимом с длиной свободного пробега распыленных частиц.2. Магнетронная распылительная система по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена водоохлаждающим контуром, имеющим тепловой контакт с трубкой анода по всей длине.