УСТАНОВКА ПЛАЗМЕННОГО НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ И СПОСОБ ПОКРЫТИЯ ИЛИ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ ПОДЛОЖКИ Российский патент 2014 года по МПК H05H1/34 B23K10/00 

Изобретение относится к установке плазменного нанесения покрытий и способу покрытия или обработки поверхности подложки согласно ограничительной части независимого пункта формулы изобретения соответствующей категории.

Из многочисленных различных процессов термического напыления с помощью установок плазменного нанесения покрытий некоторые проводят в области вакуума, т.е. при технологическом давлении, которое меньше, чем давление воздуха в окружающей среде. Такие процессы должны, естественно, проводиться в вакуумируемых рабочих камерах. При этом в зависимости от процесса в рабочей камере могут потребоваться давления порядка нескольких сотых миллибара или даже еще меньше.

При плазменном напылении нагреванием технологического газа принято создавать плазменную струю, в которую вводят необходимый для покрытия материал, в большинстве случаев в порошкообразном или же в текучем виде, т.е. как газ или жидкость. В частности, при введении газа или жидкости известно также проведение плазменного напыления как реакционного процесса, т.е. сопоставимого с химическим осаждением из паровой фазы (CVD - Chemical vapor deposition). При этом введенная в горячую плазменную струю текучая среда модифицируется, например, за счет разрыва связей или разложения молекул таким образом, что в плазменной струе сперва возникает желательное для покрытия вещество. Примером этого при получении на подложке, например на полупроводниковой пластине, слоя оксида кремния является использование гексаметилдисилоксана (HMDSO) в качестве реакционноспособного вещества.

В этих вакуумных процессах известной проблемой является то, что плазменная струя, движущаяся в вакуумированной рабочей камере, приводит к всасывающему действию в области сопла плазменной горелки. Если для реакционного процесса в плазменную струю вводят газ или жидкость, то в результате модификации такой текучей среды в плазменной струе появляются частицы или частички порошка. Это может привести к тому, что частицы, в частности, по краям плазменной струи, изменят направление движения, снова двинутся назад в направлении сопла, а затем вследствие всасывающего действия снова всосутся в плазменную струю. Такие «рециркулированные» частички или частицы порошка, которые не расплавляются или достаточно не пластифицируются, по всем правилам приводят к нежелательным нарушениям в создаваемом на подложке покрытии.

Эта проблема возникает также в процессах, при которых в плазменную струю вводят порошок. Так, нерасплавленные или непластифицированные или лишь частично расплавленные или пластифицированные частицы порошка аналогичным образом, как это описано выше, движутся назад в направлении сопла, а затем всасываются в плазменную струю. Эти частицы или частички порошка также приводят к нежелательным примесям на подложке.

Изобретение хочет помочь решению этой проблемы. Поэтому задачей изобретения является предложение установки плазменного нанесения покрытий и способа покрытия или обработки поверхности подложки, при которых нежелательное проникновение частиц в плазменную струю по меньшей мере заметно сокращается.

Объекты изобретения, решающие эту задачу в аппаратном и технологическом отношении, охарактеризованы независимыми пунктами формулы изобретения соответствующей категории.

Таким образом, согласно изобретению предлагается установка плазменного нанесения покрытий для покрытия и обработки поверхности подложки с рабочей камерой, которая является вакуумируемой и в которой может быть размещена подложка, и с плазменной горелкой для создания плазменной струи нагреванием технологического газа, причем плазменная горелка имеет сопло, через которое плазменная струя может выходить из плазменной горелки и простираться вдоль продольной оси в рабочей камере, при этом ниже по течению от сопла в рабочей камере предусмотрено механическое ограничивающее приспособление, которое простирается вдоль продольной оси и защищает плазменную струю от бокового, нежелательного проникновения частиц.

Это ограничивающее приспособление отделяет горячую быструю плазменную струю от холодного, спокойного, т.е. по существу застойного, вакуума и тем самым препятствует тому, чтобы частицы из области вакуума сбоку нежелательным образом всасывались в горячую плазменную струю. При этом под выражениями «боковое» или «сбоку» понимается наискось или перпендикулярно относительно продольной оси.

Ограничивающим приспособлением ограничивается расширение плазменной струи перпендикулярно продольной оси.

Этим ограничивающим приспособлением плазменная струя окружается или охватывается таким образом, что сбоку в плазменную струю не могут более попасть никакие уже нежелательные частицы.

Предпочтительно, ограничивающее приспособление установлено непосредственно ниже по течению от сопла плазменной горелки, поскольку здесь всасывающее действие сильнее всего и тем самым проникновение частиц является наиболее вероятным.

Предпочтительно, ограничивающее приспособление выполнено в виде трубы, в частности металлической трубы.

Согласно предпочтительному примеру выполнения ограничивающее приспособление выполнено в виде цилиндрической трубы, диаметр которой максимум в десять раз, в частности максимум в пять раз, превышает диаметр сопла у его выходного отверстия.

Для проведения реакционных процессов, предпочтительно, дополнительно предусмотрено инжекционное приспособление для инжекции в плазменную струю реакционноспособной текучей среды.

Возможен такой вариант выполнения, когда инжекционное приспособление содержит кольцеобразное инжекционное сопло, которое расположено в ограничивающем приспособлении.

Согласно предпочтительному варианту выполнения предусмотрен подложкодержатель (8) для удерживания подложки (3), причем ограничивающее приспособление (12) простирается на по меньшей мере 80%, предпочтительно по меньшей мере 90% расстояния между соплом (41) и подложкодержателем (8). Благодаря этой мере плазменная струя по существу защищена от примесей по всей своей длине от сопла плазменной горелки до подложки.

Кроме того, изобретением предлагается способ покрытия или обработки поверхности подложки посредством установки плазменного нанесения покрытий, при котором размещают подложку в рабочей камере, вакуумируют рабочую камеру до давления менее одного бара, посредством плазменной горелки нагреванием технологического газа создают плазменную струю, которая выходит через сопло из плазменной горелки и может простираться вдоль продольной оси в рабочей камере, при этом плазменную струю защищают механическим ограничивающим приспособлением, которое простирается вдоль продольной оси, от бокового, нежелательного проникновения частиц.

Этим механическим ограничивающим приспособлением ограничивают расширение плазменной струи ниже по течению от сопла в рабочей камере перпендикулярно продольной оси.

Для проведения реакционных процессов в плазменную струю инжектируют реакционноспособную текучую среду посредством инжекционного приспособления.

С технологической точки зрения предпочтительной мерой является также тот случай, когда ограничивающим приспособлением защищают плазменную струю на по меньшей мере 80%, предпочтительно по меньшей мере 90% ее длины между соплом и подложкой.

Способ согласно изобретению годится, в частности, для таких процессов, при которых технологическое давление в рабочей камере при нанесении покрытий составляет максимум 100 миллибар, предпочтительно максимум 50 миллибар и, в частности, максимум 30 миллибар. Собственно, как раз при низких технологических давлениях особенно отчетливо выражена опасность нежелательной рециркуляции или нежелательного всасывания частиц из области вакуума в плазменную струю. Такие частицы, которые могут присутствовать, например, в виде молекул, свободных радикалов или прочих очень мелких частиц даже в нанометровом диапазоне, при низких технологических давлениях имеют большую длину свободного пробега в вакууме, так что увеличивается вероятность того, что подобные радикалы могут проникнуть в плазменную струю или могут засасываться в нее. При атмосферном давлении или при еще большем технологическом давлении такие частицы, как правило, сразу же тормозятся, как только они покинут плазменную струю с боков.

Другие предпочтительные меры и варианты выполнения вытекают из зависимых пунктов формулы изобретения.

Ниже изобретение более подробно поясняется как в аппаратном, так и в технологическом отношении на примерах выполнения и со ссылкой на чертежи. На схематичных, не масштабированных чертежах:

фиг.1 изображает пример выполнения установки плазменного нанесения покрытий согласно настоящему изобретению,

фиг.2 - вид ограничивающего приспособления с фиг.1,

фиг.3 - сечение ограничивающего приспособления по линии III-III на фиг.2,

фиг.4 - вид сверху ограничивающего приспособления с направления взгляда IV на фиг.2, и

фиг.5 - вариант примера выполнения с фиг.1.

Ниже изобретение поясняется на основе примера, особенно релевантного для практики, а именно на основе процесса реакционного плазменного напыления. При этом в плазменную струю вводят жидкий или газообразный исходный материал. Благодаря высокой энергии плазменной струи молекулы или составляющие текучего исходного материала модифицируются, например, за счет разрыва связей, отделения составляющих и т.п., вследствие чего возникают желательные для покрытия компоненты. Такие процессы в принципе сопоставимы также с процессами химического осаждения из паровой фазы (CVD), почему их иногда именуют реакционным термическим CVD-процессом. В частности, особенно подходящим для этого типа способов является способ так называемого плазменного напыления при низком давлении (Low Pressure Plasma Spraying - LPPS) или плазменного напыления при низком давлении тонких пленок (LPPS-TF).

Однако разумеется, что изобретение ни в коей мере не ограничено этими процессами реакционного плазменного напыления. Оно по смыслу аналогичным образом пригодно для всех процессов плазменного напыления, проводимых в вакууме, т.е. при технологическом давлении, которое меньше давления окружающего воздуха. Дело в том, что в ходе процессов вакуумного плазменного напыления возникает описанная выше проблема рециркуляции частиц и частичек порошка, которая должна решаться или по меньшей мере минимизироваться с помощью изобретения. В частности, изобретение пригодно для таких процессов вакуумного плазменного напыления, при которых в плазменную струю вводят порошкообразный исходный материал.

На фиг.1 схематично изображен пример выполнения установки плазменного нанесения покрытий согласно изобретению, которая повсюду обозначена позицией 1. Установка 1 плазменного нанесения покрытий содержит рабочую камеру 2 с плазменной горелкой 4 для создания плазменной струи 5 нагреванием технологического газа. Плазменная струя 5 выходит через сопло 41 плазменной горелки 4 и расширяется в рабочем состоянии вдоль продольной оси А. Дополнительно предусмотрено управляемое насосное устройство 7, соединенное с рабочей камерой 2, для установки в рабочей камере 2 технологического давления. В рабочей камере 2 предусмотрен подложкодержатель 8 для удерживания подложки 3, который может быть выполнен с возможностью перемещения по меньшей мере в одном направлении, перпендикулярном продольной оси А, как это показано на фиг.1 двойной стрелкой В. Благодаря этому подложка 3 может перемещаться перпендикулярно продольной оси А, так что действию плазменной струи могут последовательно подвергаться различные участки подложки 3. Дополнительно или альтернативно, подложкодержатель 8 может быть выполнен так, чтобы подложка в случае необходимости могла вращаться во время обработки или нанесения покрытий.

Предпочтительно, плазменная горелка 4 также установлена на двух- или трехкоординатном подвижном держателе, как показывают стрелки С на фиг.1, так что относительное положение плазменной горелки 4 и тем самым сопла 41 относительно подложки 3 является изменяемым в двух или трех измерениях. В частности, может изменяться расстояние от сопла 4 до подложки 3.

Что касается других подробностей варианта выполнения установки 1 плазменного напыления и, в частности, диапазонов технологических параметров и инжекции в плазменную струю 5, то здесь следует сослаться на европейскую патентную заявку № 08154091.6 того же заявителя.

Жидкий или газообразный исходный материал, который при реакционном плазменном напылении инжектируют в плазменную струю 5, может быть введен в плазменную струю 5 в различных местах, например в сопле 41 или выше по течению непосредственно перед соплом 41 или вместе с технологическим газом в осевом направлении, т.е. в направлении продольной оси А, или же посредством инжекционного приспособления 11, которое расположено ниже по течению дальше от сопла. Конечно, возможны также комбинации этих вариантов. В частности, в отношении введения в плазменную струю 5 текучих сред следует сослаться на ЕР-А-1895818 того же заявителя, а также на уже цитировавшуюся европейскую патентную заявку № 081540916 того же заявителя.

Согласно изобретению в рабочей камере 2 предусмотрено механическое ограничивающее приспособление 12, которое простирается вдоль продольной оси А и защищает плазменную струю 5 от бокового нежелательного проникновения частиц. Кроме того, благодаря этому ограничивается расширение плазменной струи перпендикулярно продольной оси А, горячая плазменная струя отделяется от более холодной по сравнению с ней области вакуума. В данном примере выполнения ограничивающее приспособление выполнено в виде цилиндрической трубы, простирающейся в направлении продольной оси А и проходящей соосно продольной оси А. Предпочтительно, ограничивающее приспособление 12 изготовлено из металлического материала, в частности из металла или сплава.

С помощью ограничивающего приспособления эффективно пресекается рециркуляция частичек или частиц порошка, как это показано стрелками D на фиг.1. Таким образом, препятствуют тому, чтобы частицы, движущиеся в результате всасывающего действия плазменной струи 5 назад в направлении сопла 41, снова могли проникнуть в плазменную струю с боков, т.е. наискось или перпендикулярно относительно продольной оси А. Благодаря этой мере удается заметно повысить качество получаемого покрытия на подложке.

Предпочтительно, ограничивающее приспособление 12 начинается непосредственно ниже по течению от сопла 41 (непосредственно за соплом 41). В зависимости от конструкции оно может граничить с соплом 41. Кроме того, предпочтительно, чтобы ограничивающее приспособление 12 простиралось на по меньшей мере 80%, предпочтительно по меньшей мере 90% расстояния между соплом 41 и подложкой 3, поскольку таким образом плазменная струя по существу защищена по всей своей длине между соплом 41 и подложкой 3. Никакие частицы не могут больше нежелательным образом проникнуть из области вакуума в плазменную струю 5 с боков, т.е. наискось или перпендикулярно относительно продольной оси А.

Эта защита плазменной струи 5 особенно важна также в том случае, если, как в описанном здесь примере выполнения, дальше вниз по течению от сопла 41 предусмотрено инжекционное приспособление 11.

Соответствующие размеры ограничивающего приспособления 12 зависят от конкретного случая применения и могут быть оптимизированы под него. Ограничивающее приспособление 12 следовало бы рассчитывать таким образом, чтобы оно полностью охватывало плазменную струю относительно латерального направления, т.е. поперек продольной оси А, т.е. в области ограничивающего приспособления 12 плазменная струя должна по существу полностью проходить внутри ограничивающего приспособления 12. С одной стороны, диаметр ограничивающего приспособления 12, или его просвет перпендикулярно продольной оси А, не должен быть слишком малым, поскольку в этом случае перенос тепловой энергии от плазменной струи 5 на ограничивающее приспособление 12 слишком силен и может повредить последнее. С другой стороны, диаметр ограничивающего приспособления 12, или его просвет перпендикулярно продольной оси А, не должен быть настолько большим, чтобы ограничивающее приспособление 12 уже не представляло более никакого действительного ограничения для латеральной протяженности (перпендикулярно продольной оси А) плазменной струи, поскольку в этом случае существовала бы, например, опасность того, что внутри ограничивающего приспособления может происходить нежелательная рециркуляция частиц.

Ограничивающее приспособление не существенно для формирования плазменной струи или управления ею, поскольку форма или структура плазменной струи в основном определяются соотношениями давления и энергии, а также газовыми потоками. Ограничивающее приспособление отделяет горячую плазменную струю от более холодного вакуума.

Таким образом, соответствующий диаметр или просвет ограничивающего приспособления зависит от плазменной струи и, в частности, от ее латеральной протяженности, которую она имела бы без ограничивающего приспособления. Следовательно, латеральная протяженность плазменной струи тем больше, чем ниже технологическое давление в рабочей камере и чем выше мощность плазмы. Специалист может приспособить размеры ограничивающего приспособления под соответствующий случай применения.

На практике при цилиндрических трубчатых ограничивающих приспособлениях 12 подходящими являются, в частности, диаметры, составляющие по меньшей мере 5-10 см и до 50 см.

Конечно, нет необходимости в том, чтобы ограничивающее приспособление 12 было выполнено в виде цилиндрической трубы, и возможны также другие виды поперечного сечения, такие как четырехугольные, многоугольные, овальные или с иной кривизной. Предпочтительно, может быть также, чтобы ограничивающее приспособление 12 меняло площадь своего поперечного сечения в направлении продольной оси А.

На фиг.2-4 ограничивающее приспособление 12 показано точнее. На фиг.2 показан вид сбоку ограничивающего приспособления 12 с фиг.1. Ограничивающее приспособление 12 выполнено в виде металлической цилиндрической трубы 12, простирающейся в направлении продольной оси А и имеющей диаметр Е. Труба снабжена сбоку шлицем 121, который позволяет наблюдать за плазменной струей 5 во время работы, а также, например, может служить для установки датчиков. Для стабилизации предусмотрены фиксирующие элементы 122.

Кроме того, шлиц 121 служит для установки трубчатого инжекционного сопла 111, являющегося частью инжекционного приспособления 11, с помощью которого реакционноспособная текучая среда может подаваться в плазменную струю. В отношении этого кольцевого сопла 111, опять-таки, следует сослаться на уже цитировавшуюся европейскую патентную заявку № 081540916 того же заявителя.

На фиг.3 показано сечение ограничивающего приспособления по линии III-III на фиг.2. Здесь, в частности, можно распознать также трубчатое инжекционное сопло 111.

На фиг.4 показаны вид сверху ограничивающего приспособления 12 с направления взгляда IV на фиг.2 и входное отверстие 123 ограничивающего приспособления 12.

Разумеется, что в тех вакуумных процессах, при которых в плазменную струю 5 вводят не текучую среду, а, например, порошок, можно отказаться от инжекционного приспособления 11 или кольцеобразного инжекционного сопла 111.

Наконец, на фиг.5 по аналогии с изображением на фиг.1 показан еще один вариант примера выполнения установки 1 плазменного нанесения покрытий. В отличие от фиг.1 в этом варианте трубчатое инжекционное сопло предусмотрено снаружи ограничивающего приспособления 12, так что оно охватывает ограничивающее приспособление 12. Разумеется, что предусмотрено по меньшей мере одно щелевое или сопловое соединительное отверстие, через которое текучая среда может вводиться в плазменную струю.

В примере выполнения способа согласно изобретению более подробно поясняются получение и применение тонкого слоя SiO_x с помощью реакционноспособной термической плазмы низкого давления. Для получения может быть использована стандартная плазменная горелка с возможностью термического плазменного напыления, например плазменная горелка с тремя катодами и каскадным анодом, которая выполнена с водяным охлаждением. В частности, для этого подходит плазменная горелка, реализуемая заявителем под называнием TriplexPro. В качестве плазмообразующего газа могут быть применены аргон, смесь аргона и водорода или аргона и гелия, а реакционноспособный компонент, который инжектируют в плазменную струю, может состоять, например, из смеси газообразного гексаметилдисилоксана (HMDSO) с кислородом. Обычно доля кислорода в смеси HMDSO/О₂ составляет примерно от 2% до 3% газового потока. Чтобы добиться высокого выхода газа, реакционноспособный компонент инжектируют в плазменную струю 5 посредством кольцеобразного инжекционного сопла 111. Расстояние между подложкой 3 и инжекционным соплом 111 составляет около 77 см. Расстояние сопла 41 плазменной горелки 4 от подложки составляет около 1 м, технологическое давление в рабочей камере составляет от 0,2 миллибар до 1 миллибар, в частности около 0,5 миллибар, а подводимая к плазменной горелке мощность составляет от 8 кВт до 16 кВт. Расход кислорода составляет около 3,4 литра в минуту.

Таким образом, могут быть нанесены высококачественные слои SiO_x толщиной, например, 2 мкм, но также и толщиной, меньшей или равной 10-20 мкм. Скорость осаждения на подложке размером 10 см × 30 см обычно составляет 10 нм/с или больше, причем, что касается подаваемого газа HMDSO, то может достигаться высокий выход газа. Слои SiO_x отличаются большой чистотой. В частности, часто наблюдаемый без ограничивающего приспособления 12 молочный внешний вид покрытия на подложке 3 больше не виден или же заметно уменьшен.

Изобретение относится к области плазменного нанесения покрытий. Установка плазменного нанесения покрытий или обработки поверхности подложки (3) содержит рабочую камеру (2), которая является вакуумируемой и в которой может быть размещена подложка (3) и плазменная горелка (4) для создания плазменной струи (5) нагреванием технологического газа, причем плазменная горелка (4) имеет сопло (41), через которое плазменная струя (5) может выходить из плазменной горелки (4) и простираться вдоль продольной оси (А) в рабочей камере (2). Ниже по течению от сопла (41) в рабочей камере (2) предусмотрено механическое ограничивающее приспособление (12), которое простирается вдоль продольной оси (А) и защищает плазменную струю (5) от бокового нежелательного проникновения частиц. Технический результат - повышение качества покрытия. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Установка плазменного нанесения покрытий для покрытия или обработки поверхности подложки (3) с рабочей камерой (2), которая является вакуумируемой и в которой может быть размещена подложка (3) с подложкодержателем (8) для удерживания подложки (3) и с плазменной горелкой (4) для создания плазменной струи (5) нагреванием технологического газа, причем плазменная горелка (4) имеет сопло (41), через которое плазменная струя (5) может выходить из плазменной горелки (4) и простираться вдоль продольной оси (A) в рабочей камере (2), при этом ниже по течению от сопла (41) в рабочей камере (2) предусмотрено механическое ограничивающее приспособление (12), которое простирается вдоль продольной оси (A) и защищает плазменную струю (5) от бокового, нежелательного проникновения частиц, причем ограничивающее приспособление (12) простирается на по меньшей мере 80% расстояния между соплом (41) и подложкодержателем (8).

2. Установка по п.1, причем ограничивающее приспособление (12) расположено непосредственно ниже по течению от сопла (41) плазменной горелки (4).

3. Установка по п.1, причем ограничивающее приспособление (12) выполнено в виде трубы, в частности металлической трубы.

4. Установка по п.1, причем ограничивающее приспособление (12) выполнено в виде цилиндрической трубы, диаметр (E) которой максимум в десять раз, в частности максимум в пять раз, превышает диаметр сопла (41) у его выходного отверстия.

5. Установка по п.1, причем дополнительно предусмотрено инжекционное приспособление (11) для инжекции в плазменную струю (5) реакционноспособной текучей среды.

6. Установка по п.5, причем инжекционное приспособление (11) содержит кольцеобразное инжекционное сопло (111), которое расположено в ограничивающем приспособлении (12).

7. Установка по п.1, причем ограничивающее приспособление (12) простирается на по меньшей мере 90% расстояния между соплом (41) и подложкодержателем (8).

8. Способ покрытия или обработки поверхности подложки посредством установки плазменного нанесения покрытий, при котором размещают подложку (3) в рабочей камере (2) на подложкодержателе (8), вакуумируют рабочую камеру (2) до давления менее одного бара, посредством плазменной горелки (4) нагреванием технологического газа создают плазменную струю (5), которая через сопло (41) выходит из плазменной горелки (4) и может простираться вдоль продольной оси (A) в рабочей камере (2), при этом плазменную струю (5) защищают механическим ограничивающим приспособлением (12), которое простирается вдоль продольной оси (A), от бокового, нежелательного проникновения частиц, причем ограничивающее приспособление (12) простирается на по меньшей мере 80% расстояния между соплом (41) и подложкодержателем (8).

9. Способ по п.8, причем в плазменную струю инжектируют реакционноспособную текучую среду посредством инжекционного приспособления (11).

10. Способ по п.8, причем плазменную струю (5) защищают ограничивающим приспособлением (12) на по меньшей мере 90% ее длины между соплом (41) и подложкой (3).

11. Способ по п.8, при котором технологическое давление в рабочей камере (2) при нанесении покрытий составляет максимум 100 миллибар, предпочтительно максимум 50 миллибар и, в частности, максимум 30 миллибар.