УСТРОЙСТВО ДЛЯ МАГНЕТРОННОГО НАНЕСЕНИЯ СЛОЕВ И СПОСОБ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ Российский патент 2024 года по МПК C23C14/35 C23C14/56 H01J37/317 H01J37/34 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области тонкопленочной технологии, а именно к технологии получения слоев методом магнетронного распыления мишеней соответствующего состава - металлических, керамических, композитных.

Уровень техники

Благодаря возможностям и удобству использования, магнетронный метод синтеза слоев (металлических, оксидных, композитных, проводящих, полупроводниковых, аморфных, поликристаллических и т. п.) хорошо разработан (Rauner Behrish, Wolfgang Eckstein. Sputtering by Particle bombardment: Experiments and Computer Calculations from Threshold to MeV Energies. - Berlin: Springer, 2007; Е. Берлин, С, Дубинин, Л. Сейдман. Вакуумная технология и оборудование для нанесения и травления тонких пленок. ТЕХНОСФЕРА Москва 2007, 255 с.), имеется большое число устройств и способов для его осуществления (начиная с патента US 2146025).

Устройство для магнетронного (ионно-плазменного) нанесения покрытий (магнетронные установки) содержит, кроме прочего, вакуумную камеру (камера магнетрона) со средствами откачки и средствами контроля давления в камере и дозированного напуска газов, держатель подложки (объекта), на которую производят нанесение слоя, держатель мишени из распыляемого материала, средства формирования магнитного поля над поверхностью мишени, источник напряжения, обычно регулируемый, для подачи отрицательного смещения на мишень и создания и поддержания газового разряда внутри камеры, а также заслонку подложки со средствами привода, позволяющую прерывать поступление осаждаемого материала на подложку. Устройство также может содержать различные вспомогательные узлы, например, систему охлаждения катодного узла (в мощных - обязательно) и другие.

К общим недостаткам ионно-плазменных методов распыления можно отнести недостаточно высокий уровень контроля парциальных давлений газов в разрядном промежутке, который связан, в частности, и с относительно большими рабочими давлениями в камере и значительными колебаниями парциальных давления, требующими для измерения дорогостоящего оборудования, наличие которого оправдана лишь в исследовательских установках.

Особенно большое значение для процессов нанесения имеет величина парциального давления кислорода в разрядном промежутке, в камере магнетрона. Парциальное давление кислорода в камере определяется как дозированной подачей кислорода в камеру и откачкой из камеры, так и другими процессами: десорбцией кислорода с внутренних поверхностей камеры и с поверхностей устройств внутри камеры, в т.ч. с поверхностей подложки, катодного узла, заслонки, установочных деталей и т.п. Особое значение имеет нестабильное выделение кислорода с поверхности мишени в начале ее распыления, а затем и с некоторой ее глубины, до стабилизации процесса распыления.

Для очистки поверхностей внутри камеры магнетрона от адсорбата, в том числе и кислорода, используют, кроме нагрева, широко применяемого в вакуумной технике, и более эффективные, с учетом специфики магнетронной установки, газоразрядные способы. Известны способы распыления, в которых для дегазации внутренних поверхностей, для удаления, в основном, кислорода, используют газовый разряд внутри камеры между подложкой и заслонкой (US 2011/0220490). Для десорбции адсорбата с внутренних поверхностей камеры магнетрона используют также и другие варианты газового разряда, в том числе с использованием магнетронного разряда с обычными или специальными параметрами (например, US 2004/0055870). Удаление десорбированного со стенок материала, в том числе кислорода, обеспечивают откачкой объема камеры.

При начале распыления мишени, особенно оксидной, также в течение некоторого времени парциальное давление кислорода в камере магнетрона превышает его значение при установившемся процессе распыления. Состав нанесенного при этом на подложку слоя может отличаться на разной глубине или в слоях разных объектов, последовательно подаваемых в зону нанесения. Кроме того, наличие кислорода в камере магнетрона приводит к образованию отрицательных ионов кислорода, которые бомбардируют поверхность подложки, что может приводить к изменению структуры и/или состава наносимого слоя, а также скорости роста пленки. Таким образом, нестабильность парциального давления кислорода в камере магнетрона может неконтролируемо снижать качество покрытий и препятствует воспроизводимости процесса.

Известно, что присутствие кислорода в камере магнетрона вызывает, при наличии электрической емкости, включенной параллельно разрядному промежутку, осцилляции тока разряда, амплитуда которых зависит как от емкости конденсатора, так и от парциального давления кислорода (А.Х. Абдуев, А.М. Магомедов. Устойчивые токовые осцилляции при магнетронном распылении оксидных мишеней. Письма в ЖТФ, 1998, т. 24, в. 5, с. 58-62). Природа этого явления связана с многофакторностью процессов в разрядном промежутке (Ю.П. Райзер. Физика газового разряда/ М., «Наука», 1998, с. 304). Это явление позволяет управлять режимом магнетронного нанесения слоев (патент RU 2114487), переводя режим нанесения в режим с осцилляцией тока изменением емкости конденсатора, включенного параллельно питанию катода.

Недостатком описанных выше устройств и способов их применения является снижение качества слоев, наносимых магнетронным способом, и воспроизводимости их характеристик из-за бесконтрольных колебаний парциального давления кислорода в камере магнетрона.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей предлагаемого изобретения является повышение воспроизводимости процесса магнетронного нанесения слоев и воспроизводимости характеристик наносимых магнетронным способом слоев.

Технический результат достигается за счет того, что конструкция предлагаемого устройства для магнетронного нанесения и способ использования устройства предотвращают поступление распыляемого с мишени материала на подложку до момента снижения парциального давления кислорода до заданного - определяемого экспериментально для каждого наносимого материала - уровня, контролируемого по амплитуде осцилляций тока разряда.

Для достижения заявленного технического результата:

1) Предлагаемое устройство магнетронного распыления содержит:

- вакуумную камеру (камера магнетрона) со средствами откачки и средствами контроля давления в камере;

- катодный узел, содержащий источник магнитного поля, средства теплоотвода и держатель с мишенью из распыляемого материала;

- источник напряжения с возможностью приложения к распыляемой мишени отрицательного (относительно других элементов установки) смещения;

- держатель подложки с подложкой, на которую производят нанесение слоя;

- электрический конденсатор, включенный параллельно цепи разряда с возможностью задания емкости C в пределах от 0,1⋅I⋅U/T до 10,0⋅I⋅U/T, где:

I - величина тока разряда,

U - напряжение, приложенное к разрядному промежутку,

T - характерное время процесса перезарядки, определяющее период осцилляций, универсальное для многих явлений газового разряда и составляющее порядка 1⋅10^-4 с;

- средства для измерения амплитуды осцилляции тока разряда;

- средства ввода пороговых значений амплитуд осцилляций тока разряда, при которых заслонка открывается или закрывается;

- заслонку со средствами управления ею, выполненные с возможностью открывания или закрывания поступления на поверхность слоя, выращиваемого на подложке, материала, распыляемого с мишени, а также отрицательных ионов. Средства управлеия заслонкой содержат привод, выполненный с возможностью управления им вручную или электронными средствами;

2) Способ использования предлагаемого устройства предусматривает, что материал мишени распыляют в плазме магнетронного разряда в разреженном газе заданного состава при постоянном смещении, подаваемом на разрядный промежуток с включенным параллельно ему конденсатором, для чего:

- вводят разряд в режим автоколебаний путем выбора электрической емкости включенного параллельно разрядному промежутку конденсатора в пределах от 0,1⋅I⋅U/T до 10,0⋅I⋅U/T, где:

I - величина тока разряда,

U - напряжение, приложенное к разрядному промежутку,

T - характерное время процесса перезарядки, определяющее период осцилляций, универсальное для многих явлений газового разряда и составляющее порядка 1⋅10^-4 с;

- контролируют амплитуду автоколебаний разрядного тока (осцилляций),

- открытие заслонки и экспозицию подложки потоку осаждаемого материала производят только при амплитуде осцилляций (параметрических колебаний) разрядного тока ниже заданного уровня, а в случае невыполнения этого условия поступление распыляемого материала на подложку исключают закрытием заслонки.

Для автоматизации процесса средства управления заслонкой могут содержать, кроме привода заслонки:

- электронное пороговое устройство, управляющее приводом заслонки путем открытия или закрытия ее в зависимости от амплитуды осцилляции тока разряда,

- средства приема и анализа данных с блока регистрации амплитуды осцилляций тока разряда,

- средства для ввода пороговых значения амплитуд осцилляций тока разряда, при которых заслонка открывается или закрывается. Пороговые значения для открытия и закрытия заслонки могут не совпадать, поэтому средства их ввода могут быть выполнены с возможностью раздельного ввода пороговых значений для закрытия заслонки и для ее открытия.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена схема (без детализации и без общеизвестных узлов и коммутации; пунктиром обозначены функциональные связи) предлагаемого устройства для магнетронного нанесения слоев.

Цифрами на фигуре обозначены:

1 - камера магнетронной установки с системой откачки, средствами измерения вакуума и с системой дозированного напуска газов;

2 - подложка, на которую производят нанесение слоя;

3 - заслонка;

4 - привод заслонки;

5 - распыляемая мишень и катодный узел из держателя мишени, источника магнитного поля и других возможных стандартных элементов, например, системы теплоотвода;

6 - источник напряжения со средствами коммутации и регулировки;

7 - электрический конденсатор;

8 - блок измерения амплитуды осцилляций тока разряда;

9 - пороговое устройство для задания пороговых значений открытия или закрытия заслонки, которые могут совпадать или отличаться.

Осуществление изобретения

Изобретение основано на явлении захвата свободных электронов, возникающих при разряде в камере магнетрона, кислородом, что уменьшает разрядный ток и приводит, из-за влияния внутреннего сопротивления источника напряжения, к увеличению напряжения на разрядном промежутке и, соответственно, к увеличению тока разряда - этот процесс, в отсутствие конденсатора, уравновешивается за счет малой инерционности электрической системы источник питания и не приводит к возникновению осцилляций тока разряда. Включение же конденсатора параллельно цепи разряда создает электрическую инерционность, т.е. смещение фаз колебаний тока и напряжения, что приводит к возникновению осцилляций тока и напряжения. При номинальном напряжении U на разрядном промежутке (источник дает постоянное смещение, но из-за наличия внутреннего сопротивления и колебания разрядного тока напряжение не остается постоянным) максимальный заряд, накопленный конденсатором, составит q = C⋅U. При токе зарядки конденсатора порядка величины тока в разрядном промежутке магнетрона I время зарядки конденсатора составит величину порядка T = q/T = C⋅U/I. Если это время составляет величину порядка периода колебаний, в системе возникнут автоколебания, являющиеся в данном случае параметрическими колебаниями, связанные с процессами в разрядном промежутке магнетрона.

Изобретение относится к устройству для магнетронного нанесения слоев. Обсуждаемое устройство содержит вакуумную камеру, систему откачки, систему дозированного напуска газов, держатель подложки, заслонку подложки, держатель с мишенью из распыляемого материала, катодный узел, источник напряжения отрицательного смещения, подаваемого на мишень, и электрический конденсатор. Заслонка подложки выполнена с возможностью ручного или автоматического открытия и закрытия. Электрический конденсатор включен параллельно разрядному промежутку. Устройство также содержит средства контроля амплитуды осцилляций тока разряда и средства, обеспечивающие задание пороговых значений амплитуды осцилляций тока разряда, при которых обеспечивается возможность ручного или автоматического открытия заслонки для поступления на поверхность подложки материала, распыляемого с мишени, или закрытия заслонки. Обеспечивается предотвращение поступления распыляемого с мишени материала на подложку до момента снижения парциального давления кислорода до заданного, определяемого экспериментально для каждого наносимого материала, уровня, контролируемого по амплитуде осцилляций тока разряда. 1 ил.

Устройство для магнетронного нанесения слоев, содержащее вакуумную камеру, систему откачки, систему дозированного напуска газов и держатель подложки, отличающееся тем, что оно содержит заслонку подложки, выполненную с возможностью ручного или автоматического открытия и закрытия, держатель с мишенью из распыляемого материала, катодный узел, содержащий источник магнитного поля, источник напряжения отрицательного смещения, подаваемого на мишень, электрический конденсатор, включенный параллельно разрядному промежутку, средства контроля амплитуды осцилляций тока разряда, средства задания пороговых значений амплитуды осцилляций тока разряда, при которых обеспечивается возможность ручного или автоматического открытия заслонки для поступления на поверхность подложки материала, распыляемого с мишени, или закрытия заслонки.