Устройство для нанесения покрытий на подложки в вакууме Российский патент 2017 года по МПК C23C14/35 

Изобретение относится к технологии нанесения тонких пленок, в частности нанопленок, в вакууме и может быть использовано в производстве изделий микроэлектроники, в том числе спинтроники.

Известно устройство для нанесения покрытий в вакууме, разработанное японской фирмой ULVAC (www.ulvac.com), содержащее установочное место для подложкодержателя с подложкой, электропривод, позволяющий вращать подложку вокруг собственной оси, и магнетроны с заслонками. Несмотря на высокое техническое исполнение, многофункциональность и высоковакуумную систему, устройство имеет один существенный недостаток - большую неравномерность толщины напыленной пленки. Неравномерность напыления пленки толщиной в 100 нм составляет около ±5% на расстоянии 40 мм от центра подложки.

Известно «Устройство перемещения подложкодержателя», описанное в патенте №2115764 С1, кл. С23С 14/50 от 10.07.1997, в котором с помощью двух сильфонов, двух тяг и привода вращения подложка может совершать возвратно-вращательное движение по осям X и У и непрерывно-вращательное вокруг оси Z. Это позволяет снизить неравномерность толщины пленки за счет варьирования положения подложкодержателя относительно источника распыляемого материала. Это устройство может быть использовано для любого источника пара, т.к. имеет три степени свободы, однако не исключает первоначального экспериментального определения закона перемещения подложкодержателя, а главное, является достаточно сложным как в изготовлении, так и в эксплуатации. Кроме того, надежность сильфонов на перегиб ограничена сроком их службы.

Фирма АКТАН ВАКУУМ (http://www.actan.ru) поставляет типовые механизмы для перемещения подложек. Они представляют вращающуюся платформу с подложкодержателями, смонтированными на одной оси с шестеренками, находящимися в зацеплении с центральной шестерней. При вращении платформы шестеренки обкатываются вокруг центральной шестерни так, что подложкодержатели совершают планетарное вращение, что и обеспечивает высокую равномерность толщины пленки. Толщина пленки может быть разной для разных источников пара. Неравномерность по толщине пленки может составлять не более ±2-3% по всей площади поверхности подложки.

Недостатком такого устройства является наличие зубчатой передачи, т.к. в условиях повышенных температур и высокого вакуума коэффициент трения существенно возрастает, что может приводить к торможению или поломке устройства.

Известно устройство, описанное в работе Минайчева В.Е. Нанесение пленок в вакууме. Серия «Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники», Книга 6, М.: Высшая школа, 1989 - с. 30. Оно представляет неподвижную кольцевую направляющую, по которой обкатываются сферические подложкодержатели, и таким образом реализуется планетарное движение сфер. Однако подложки находятся на разном расстоянии от оси вращения сферы, что приводит к разбросу по толщине от подложки к подложке, тогда как в пределах одной подложки неравномерность пленок по толщине может составлять ±(3-4)%. Указанная неравномерность является недопустимо большой в случае получения структур с осциллирующей зависимостью магнитосопротивления от толщины медной прослойки. Данное устройство применимо для электронно-лучевого напыления, т.е. для точечного источника или источника малых размеров, и не применимо для плоского источника в случае магнетронного распыления.

Магнетронное распыление является доминирующим в случае получения многослойных структур с гигантским магниторезистивным эффектом, где необходимы сплошные пленки малой толщины (≈1,5-10 нм).

Известно устройство для планетарного вращения пластин, встроенное в установку с магнетронным распылением из плоской мишени (Минайчев В.Е. Нанесение пленок в вакууме. Серия «Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники», Книга 6, М.: Высшая школа, 1989 - с. 88-91), взятое нами за прототип, которое реализовано в установке О1НИ-7-006. Оно состоит из электропривода, вакуумного ввода с поводковым зацепом, вращающейся платформы с подложкодержателями, находящимися на одной оси с роликами и опирающимися на кольцевую направляющую и вращающимися вокруг собственной оси, при этом подложки находятся под углом к поверхности мишени. Несмотря на то что подложкодержатели совершают планетарное вращение, разброс толщины по подложке достигает 15% по паспорту, а на практике до ±20% вследствие того, что не учитывается распределение пара от кольцевой зоны эрозии мишени. Кроме того, косое напыление приводит к большой шероховатости пленок, что отрицательно сказывается на электрических, а особенно на магнитных характеристиках пленок.

Техническим результатом предлагаемого решения является снижение неравномерности толщины и повышение качества пленок.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для нанесения покрытий на подложки в вакууме, включающем вакуумную камеру, магнетрон с кольцевой зоной эрозии мишени и связанные кинематически с реверсивным электроприводом вакуумный ввод с поводковым зацепом и платформу с подложкодержателями, которые кинематически связаны посредством оси с роликами, опирающимися на кольцевую направляющую, с возможностью вращения подложкодержателей вокруг своей оси и оси устройства, подложкодержатели смонтированы на платформе со смещением к центру мишени относительно зоны эрозии и параллельно поверхности мишени. Ролики опираются на кольцевую направляющую, опорная поверхность которой имеет скос. В центре платформы установлена ось (центральная ось), в нижней части которой закреплена заслонка, выполненная в виде диска с отверстиями, размер которых не менее размера подложек. В верхней части оси над платформой установлен поводок, связанный кинематически с поводковым зацепом. На платформе установлены стопоры для возможности поворота заслонки в противоположные стороны таким образом, что в одном положении заслонки отверстия находятся под подложками, а в другом положении - подложки закрыты заслонкой.

Кроме того, скос опорной поверхности кольцевой направляющей имеет скос не менее 7°.

Предлагаемое устройство показано на фиг. 1 и фиг. 2 (а, б).

На фиг. 1 представлено устройство в разрезе, где:

1 - подложка;

2 - подложкодержатель;

3 - вакуумная камера;

4 - реверсивный электропривод;

5 - вакуумный ввод;

6 - поводковый зацеп;

7 - поводок;

8 - центральная ось;

9 - первый стопор;

10 - заслонка;

11 - платформа;

12 - ролик;

13 - кольцевая направляющая;

14 - кольцевая зона эрозии мишени;

15 - второй стопор.

На фиг. 2а - вид платформы сверху, когда заслонка закрывает подложки. На фиг. 2б - вид платформы снизу, когда заслонка открывает подложки.

где: 2 - подложкодержатели;

7 - поводок;

9 - первый стопор;

10 - заслонка;

11 - платформа;

12 - ролики;

13 - кольцевая направляющая;

15 - второй стопор.

Работа предложенного устройства для нанесения покрытий заключается в следующем.

После установки подложек 1 на подложкодержатели 2 опускают колпак вакуумной камеры 3 и откачивают воздух из подколпачного пространства. Включают реверсивный электропривод 4 и через вакуумный ввод 5, поводковый зацеп 6 и поводок 7 передают вращение на центральную ось 8. Поводок 7 движется к стопору 9, закрывает заслонку 10 и начинает вращать платформу 11 с роликами 12. Ролики 12 обкатываются по кольцевой направляющей 13. Подложкодержатели 2 находятся на одной оси с роликами 12 и совершают планетарное движение при закрытой заслонке 10. Опорная поверхность кольцевой направляющей 13 имеет скос к центру устройства, составляющий не менее 7°, что позволяет роликам 12 иметь точечное касание и избежать торможения за счет разной линейной скорости в том случае, если ролики касаются поверхностью или даже двумя точками, находящимися на разных расстояниях от центра вращения. Это, в свою очередь, предотвращает образование металлической пыли за счет проскальзывания роликов и загрязнение напыляемых пленок. В таком положении включается магнетрон и происходит распыление мишени 14 с кольцевой зоной эрозии. После распыления мишени в течение времени, достаточного для ее обезгаживания, включается обратное вращение реверсивного электропривода 4. При этом поводок 7 движется к стопору 15, открывая заслонку 10, и упираясь в стопор 15, начинает вращать платформу 11 в обратную сторону. Происходит напыление пленки на подложку при ее планетарном вращении. По окончании процесса напыления осуществляют реверс и все повторяется вновь. После закрытия заслонки 10 выключают вращение и магнетрон.

Предлагаемое устройство было реализовано на установке «Оратория-5»01НИ-7-006.

Для получения анизотропных магнитных нанопленок был изготовлен второй комплект подложкодержателей с магнитной системой на основе постоянных магнитов SmCo5. Для определения положения подложки относительно зоны эрозии было исследовано распределение толщины пленки на подложке без ее вращения вокруг собственной оси. Оказалось, что для получения равномерных пленок центр подложки необходимо смещать на 10 мм к центру мишени относительно середины зоны эрозии. Для установки 01НИ-7-006 мишень имеет радиус 94 мм, середина зоны эрозии - 63 мм, а поэтому центр подложки находится на радиусе 53 мм. Были получены пленки с разбросом толщины ±1% на подложке 48×60 мм. Сами пленки гладкие, блестящие с необходимыми магнитными свойствами.

Основные технические преимущества заявляемого устройства для нанесения покрытий заключаются в следующем:

- Предлагаемое устройство снабжено оригинальной заслонкой, кинематически связанной с электроприводом устройства и не требует специального привода, что существенно повышает качество пленок и упрощает конструкцию устройства.

- В прототипе подложкодержатели расположены под углом к мишени, что ведет к затенению, шероховатости и низкому качеству пленок, особенно магнитных, а в предлагаемом устройстве подложкодежатели расположены параллельно поверхности мишени, что устраняет перечисленные недостатки.

- В прототипе на подложкодержателе располагается несколько подложек, вращающихся вокруг центра диска. Строго говоря, планетарное вращение осуществляют диски, а не подложки, что не дает возможности получения высокой равномерности толщины пленки. В предлагаемом устройстве подложка располагается по центру подложкодержателя и вращается вокруг собственной оси, что повышает равномерность толщины пленок.

- Опытным путем определено, что для получения равномерных пленок центр подложки должен быть смещен относительно середины зоны эрозии к центру мишени на 10 мм.

- В предлагаемом устройстве предусмотрены сменные подложкодержатели, в том числе для напыления пленок в магнитном поле.

Изобретение относится к технологии нанесения нанопленок в вакууме и может быть использовано в производстве изделий микроэлектроники. Устройство содержит вакуумную камеру, магнетрон с кольцевой зоной эрозии мишени и связанные кинематически с реверсивным электроприводом вакуумный ввод с поводковым зацепом и платформу с подложкодержателями. Подложкодержатели кинематически связаны посредством оси с роликами и установлены на платформе со смещением к центру мишени относительно зоны эрозии параллельно поверхности мишени. Ролики опираются на кольцевую направляющую, опорная поверхность которой имеет скос. В центре платформы, в нижней части оси, закреплена заслонка, выполненная в виде диска с отверстиями, размер которых не менее размера подложек. В верхней части оси, над платформой, установлен поводок, связанный с поводковым зацепом. На платформе установлены стопоры для возможности поворота заслонки в противоположные стороны. Изобретение направлено на снижение неравномерности толщины и повышение качества пленок. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для нанесения покрытий на подложки в вакууме, содержащее вакуумную камеру, магнетрон с кольцевой зоной эрозии мишени и связанные кинематически реверсивный электропривод, вакуумный ввод с поводковым зацепом и платформу с подложкодержателями, установленными с возможностью вращения вокруг своей оси и оси устройства, которые кинематически связаны посредством оси с роликами, установленными с опорой на кольцевую направляющую, отличающееся тем, что подложкодержатели установлены на платформе со смещением к центру мишени относительно зоны эрозии и параллельно поверхности мишени, а ролики установлены с опорой на кольцевую направляющую, опорная поверхность которой имеет скос, при этом в центре платформы расположена ось, в нижней части которой закреплена заслонка, выполненная в виде диска с отверстиями, выполненными с размером не менее размера подложек, а в верхней части оси, над платформой, установлен поводок, связанный кинематически с поводковым зацепом, причем на платформе установлены стопоры для обеспечения возможности поворота заслонки в противоположные стороны таким образом, что в одном положении заслонки отверстия расположены под подложками, а в другом положении подложки закрыты заслонкой.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что опорная поверхность кольцевой направляющей имеет скос не менее 7°.