УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСАЖДЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК Российский патент 2023 года по МПК H01J37/02 C23C14/34 

Изобретение относится к вакуумно-плазменной технике, в частности к источникам атомов металлов преимущественно для осаждения тонких металлических пленок на металлические или диэлектрические подложки в вакуумной камере.

Наиболее распространенными устройствами нанесения тонких металлических и диэлектрических покрытий являются планарные магнетроны (патент №WO 95/16058), где мишень из распыляемого материала распыляется ионами плазмы магнетронного разряда. Эффективность магнетронных распылительных систем (МРС) обусловлена наличием арочного магнитного поля над поверхностью катода, на поверхности которого располагается распыляемый материал. Такое магнитное поле позволяет увеличивать степень ионизации в разряде, так как каждый электрон, влетевший в плазму разряда, движется по замкнутой криволинейной траектории вблизи поверхности мишени, которая по длине превышает разрядный промежуток в сотни и тысячи раз. Этот факт также позволяет поддерживать разряд при относительно низком давлении (0,1-1,0) Па, обеспечивающем транспортировку распыленных атомов до подложки на расстояние до мишени около 0,1 м (Патент №US 3878085).

Основным недостатком магнетронных распылительных устройств является низкая эффективность использования материала мишени. Большая часть выработки материала мишени происходит вблизи, так называемого, рейстрека (racetrack; область арочного магнитного поля над поверхностью мишени), а также возникают трудности при напылении магнитомягких материалов и ферромагнетиков: магнитное поле уменьшается и меняет форму за счет замыкания его через мишень.

Наиболее близким по технической сущности и принятым в качестве прототипа является «устройство для осаждения металлических пленок» (Патент РФ №2510984 С2), содержащее рабочую вакуумную камеру, эмиссионную сетку, полый катод, ограниченный эмиссионной сеткой, анод внутри полого катода, источник питания разряда, положительным полюсом соединенный с анодом, а отрицательным полюсом - с полым катодом, источник ускоряющего напряжения, положительным полюсом соединенный с анодом, а отрицательным полюсом - с эмиссионной сеткой.

Также устройство дополнительно содержит мишень в форме экрана, выполненного из фольги осаждаемого металла и расположенного на внутренней поверхности полого катода, эмиссионную сетку из осаждаемого металла, полый держатель подложек, установленный в рабочей вакуумной камере напротив эмиссионной сетки, полость которого оснащена экраном из фольги осаждаемого металла, а также источник напряжения смещения, который положительным полюсом соединен с рабочей вакуумной камерой, а отрицательным полюсом - с эмиссионной сеткой. В центре эмиссионной сетки дополнительно располагается экран. Дополнительно устройство содержит стержень, установленный на оси полого катода, соединенный с ним электрически и покрытый экраном из фольги осаждаемого металла, и постоянный магнит, установленный на наружной поверхности полого катода в центре его дна. Основными недостатками такого устройства является сложность изготовления конструкции, низкая скорость осаждения пленок, а также в следствие наличия магнитной системы вблизи полого катода невозможность использовать ферромагнитные материалы в качестве мишени.

Технический результат предложенного решения заключается в упрощении конструкции устройства и увеличении скорости осаждения пленок, что в свою очередь приводит к удешевлению изготовления устройства при одновременном расширении его функциональных возможностей за счет использования в качестве мишени как ферромагнитных, так и парамагнитных металлов.

Технический результат достигается тем, что предлагаемое устройство для осаждения металлических пленок содержит вакуумную камеру, полый катод, анод, мишень, держатель подложки, источник питания разряда положительным полюсом, соединенный с анодом, а отрицательным полюсом с катодом, а также дополнительный источник напряжения смещения. Предлагаемое устройство отличается тем, что полый катод состоит из параллельных друг другу двух плоских электродов, размещенных друг относительно друга на расстоянии от 10 до 40 мм, а в качестве первого электрода выбран электрод с возможностью водоохлаждения, при этом на его поверхности установлена мишень из распыляемого материала, напротив первого электрода параллельно поверхности с установленной мишенью из распыляемого материала размещен второй электрод, выполненный из тугоплавкого материала в виде прозрачной сетки с ячейкой размерами от 10 мкм до 5 мм, за которым параллельно ему размещен держатель подложек на расстоянии до 100 мм, при этом в качестве анода устройства служат стенки вакуумной камеры, а дополнительный источник напряжения смещения положительным полюсом соединен с отрицательным полюсом источника питания разряда, а отрицательным полюсом - с первым электродом катода.

Предлагаемое устройство, в котором используется полый катод с плоскими электродами, упрощает и удешевляет конструкцию устройства. Применение в качестве анода стенок вакуумной камеры также упрощает конструкцию устройства.

При расстоянии между электродами менее 10 мм и более 40 мм не формируется разряд с полым катодом. При размерах ячейки сетки второго электрода менее 10 мкм не происходит эффективного осаждения пленок, ввиду того, что сетка плохо пропускает через себя распыленные атомы металла. При размерах ячейки сетки более 5 мм усложняется управление осаждением пленок, в следствие искажения электрического поля на границах ячейки.

При расстоянии от подложки до электрода в виде сетки свыше 100 мм снижается эффективность и равномерность нанесения покрытия.

Применение дополнительного источника напряжения смещения положительным полюсом соединенного с отрицательным полюсом источника питания разряда, а отрицательным полюсом - со вторым катодом позволяет плавно регулировать скорость распыления мишени за счет увеличения энергии ионов, падающих на поверхность, и увеличения плотности плазмы разряда с полым катодом (за счет ионно-электронной эмиссии бомбардируемой поверхности) с сохранением основного механизма ионизации в разряде (осциллирующие электроны в полом катоде) и достигнуть высокие скорости осаждения пленок. Отсутствие внешнего магнитного поля позволяет проводить распыление мишеней как из ферромагнитных, так и парамагнитных металлов.

Таким образом, все перечисленные в разделе сущности изобретения признаки являются существенными и в совокупности позволяют обеспечить вышеуказанный технический результат.

Изобретение поясняется чертежами.

На Фиг. 1 изображена схема устройства для осаждения металлических пленок.

Устройство представляет собой: 1 - вакуумная камера (анод), 2 - первый водоохлаждаемый электрод, 3 - мишень, 4 - второй электрод в виде прозрачной сетки, 5 - источник питания разряда, 6 - источник смещения, 7 - держатель подложки, 8 - разряд с полым катодом.

На Фиг. 2 изображена ВАХ разряда в переходной области между тлеющим разрядом и разрядом с полым катодом при давлении 9-15 Па, 10-20 Па, 11-60 Па.

Устройство для осаждения металлических пленок содержит рабочую вакуумную камеру 1 (анод), два электрически изолированных электрода (катода), первый из которых 2 охлаждается водой и на нем устанавливается мишень 3 из распыляемого материала, второй электрод 4 выполнен из вольфрама в виде прозрачной сетки с размерами ячейки 30x30 мкм, источники питания разряда 5 и смещения 6, а также держатель подложек 7. Расстояние между электродами было 10 мм.

Источник питания разряда подключается положительным полюсом к заземленной стенке вакуумной камеры 1, которая является анодом, отрицательным полюсом - на второй электрод в виде сетки 4. Дополнительный источник питания смещения 6 подключается положительным полюсом к отрицательному полюсу источника 5 и отрицательным полюсом к электроду 2. Используемые блоки питания имеют гальваническую развязку, взаимозаменяемы в рамках устройства, а также в каждом из них предусмотрены амперметр и вольтметр для контроля разрядного напряжения/тока.

Держатель подложки, на которую производится осаждения распыляемого материала мишени 3, находится на расстоянии 40 мм от электрода в виде сетки. В качестве мишени использовались материалы с разными магнитными свойствами: Ti, W и Fe.

Устройство работает следующим образом.

Рабочую вакуумную камеру вместе с описанной ранее электродной системой и держателем подложек откачивают до давления 1 мПа, затем подают в камеру рабочий газ, например, аргон и увеличивают его давление до рабочего (от 0,1 до 50 Па). Включением источника 5 прикладывают между анодом 1 и катодами 2 и 4 напряжение Up до ~1 кВ. Зажигается тлеющий разряд между анодом 1 и плоскими катодами 2 и 4, образующими конфигурацию «полый катод». По мере увеличения разрядного напряжения, происходит плавное увеличение разрядного тока тлеющего разряда до порогового значения напряжения, при котором происходит переход в разряд с полым катодом, характеризующийся резким увеличением тока разряда (при этом напряжение разряда становится ниже 500 В) и интенсивным свечением между катодами 8. На Фиг. 2 показан пример вольтамперной характеристики разряда в переходной области между тлеющим разрядом и разрядом с полым катодом для различных рабочих давлений аргона.

После зажигания разряда с полым катодом 8 в промежутке между катодами 2 и 4 производится подача и увеличение напряжения смещения катода 2 с помощью источника питания 6. Увеличение напряжения смещения позволяет тонко регулировать в значительном диапазоне энергию ионов, бомбардирующих поверхность мишени 3, и, следовательно, скорость распыления, вычисляемую с помощью известных коэффициентов распыления используемой мишени.

Образующиеся в результате распыления мишени атомы металла проходят через отверстия в сетке электрода 4 и осаждаются на подложке, установленной на держателе подложки 7. Предлагаемая конструкция устройства позволяет достичь скорости нанесения до 2,0 мкм/ч для Ti, W и Fe.

Таким образом, предлагаемое устройство для осаждения металлических пленок позволяет упростить конструкцию и увеличить скорость осаждения пленок, что в целом приводит к удешевлению изготовления устройства при одновременном расширении его функциональных возможностей за счет использования в качестве мишени как ферромагнитных, так и парамагнитных металлов.

Изобретение относится к вакуумно-плазменной технике, а именно к источникам атомов металлов преимущественно для осаждения тонких металлических пленок на металлические или диэлектрические подложки в вакуумной камере. Технический результат - повышение скорости нанесения покрытий и упрощение конструкции устройства. Устройство для нанесения металлических пленок содержит вакуумную камеру, полый катод, мишень, держатель подложки, источник питания разряда положительным полюсом, соединенный с анодом, а отрицательным полюсом с катодом, а также дополнительный источник напряжения смещения. Полый катод устройства состоит из двух параллельных друг другу плоских электродов, размещенных относительно друг друга на расстоянии от 10 до 40 мм, первый электрод выполнен с возможностью водоохлаждения, при этом на его поверхности установлена мишень из распыляемого материала. Напротив первого электрода параллельно поверхности с установленной мишенью из распыляемого материала размещен второй электрод, выполненный из тугоплавкого материала в виде прозрачной сетки с ячейкой размерами от 10 мкм до 5 мм, за которым параллельно ему размещен держатель подложек на расстоянии до 100 мм. Анодом служат стенки вакуумной камеры, а дополнительный источник напряжения смещения положительным полюсом соединен с отрицательным полюсом источника питания разряда, а отрицательным полюсом с первым электродом катода. 2 ил.

Устройство для осаждения металлических пленок, содержащее вакуумную камеру, полый катод, анод, мишень, держатель подложки, источник питания разряда положительным полюсом, соединенный с анодом, а отрицательным полюсом с катодом, а также дополнительный источник напряжения смещения, отличающееся тем, что полый катод состоит из двух параллельных друг другу плоских электродов, размещенных относительно друг друга на расстоянии от 10 до 40 мм, а в качестве первого электрода выбран электрод с возможностью водоохлаждения, при этом на его поверхности установлена мишень из распыляемого материала, напротив первого электрода параллельно поверхности с установленной мишенью из распыляемого материала размещен второй электрод, выполненный из тугоплавкого материала в виде прозрачной сетки с ячейкой размерами от 10 мкм до 5 мм, за которым параллельно ему размещен держатель подложек на расстоянии до 100 мм, при этом в качестве анода устройства служат стенки вакуумной камеры, а дополнительный источник напряжения смещения положительным полюсом соединен с отрицательным полюсом источника питания разряда, а отрицательным полюсом с первым электродом катода.