ВАКУУМНАЯ УСТАНОВКА МАГНЕТРОННОГО НАПЫЛЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК НА ДВИЖУЩУЮСЯ ПОДЛОЖКУ

Полезная модель относится к области плазменной техники, в частности к устройствам магнетронного распыления, и может быть использована для вакуумного ионно-плазменного напыления тонких пленок на поверхность ленточной движущейся подложки для получения функциональных покрытий при производстве материалов электронной техники, а именно для конденсаторов, суперконденсаторов, аккумуляторов и подобных изделий.
При нанесении пленок на ленточные подложки используют планарные магнетронные распылительные системы (МРС) с плоскими мишенями. Для равномерного распыления используют протяженную вакуумную камеру, внутри которой перемещается подложка из листового материала. (Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. - М.: Радио и связь, 1982, с. 11, 57). Подложка выполнена с возможностью перемещения относительно катодов для того, чтобы обеспечить пространственную равномерность толщины наносимых покрытий.
Транспортировка подложек в вакуумной камере может производиться многими способами, например при помощи роликов, ременных приводов или линейных систем с двигателем (например, патент US 5170714, опубл. 15.12.1992). Ориентация подложек может быть вертикальной, или горизонтальной, или наклонной под определенным углом. Во многих сферах применения предпочтительным является размещение подложек на носителях во время их транспортировки. Транспортная линия может быть линейной (односторонней) или линейной двусторонней (вперед и назад по одному и тому же пути) либо, альтернативно, с отдельной возвратной линией. Упомянутые прямая и возвратная линии могут быть расположены рядом друг с другом или в многоярусной компоновке одна над другой, как, например, (патент US 5658114, опубл. 19.08.1997). Для загрузки и выгрузки подложек, а также для входа/выхода из среды вакуума может быть предусмотрены отдельные загрузочно-разгрузочная шлюзовые камеры. Подобным образом вход/выход транспортной линии в/из вакуума может происходить без влияния на условия вакуума в технологических камерах. В самом общем виде такая установка содержит вакуумную рабочую камеру (зону обработки), в которой расположена МРС, систему питания МРС, систему вакуумирования, систему напуска газа для создания рабочей газовой среды в зоне обработки, систему подачи образцов в зону обработки в виде шлюзовых камер на входе и выходе рабочей камеры и механизмов перемещения подложек, загрузочных устройств и др. (Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. М.: Радио и связь, 1982, с. 56).
Известно устройство вакуумного нанесения различных покрытий на поверхность диэлектрических материалов (патент RU №2138094, опубл. 20.09.1999), преимущественно листовых, с большой площадью поверхности. Установка содержит вакуумную рабочую камеру, в которой расположена магнетронная распылительная система МРС, система питания МРС, система вакуумирования, система напуска газа. Вакуумная камера разделена диафрагмами на отдельные отсеки, каждый из которых снабжен отдельной системой напуска газа. Через отсеки вакуумной камеры перемещается обрабатываемый образец, на который осаждается распыляемый материал. На входе и выходе рабочей камеры через шлюзовые затворы подсоединены входная и выходная шлюзовые камеры. Все камеры через вакуумные вентили подключены к вакуумной системе. Обрабатываемый материал расположен на подложках, которые перемещаются вдоль рабочей камеры механизмом перемещения с помощью рольганга этого механизма.
Недостатком данной установки является то, что скорость осаждения покрытий при работе магнетронов в разных зонах распыления рабочей камеры различна. Следовательно, возникает проблема пространственной однородности покрытий. Также необходим процесс вакуумирования входной, выходной и промежуточных шлюзовых камер, что усложняет весь процесс напыления и увеличивает затраты энергии. Также данная установка не может быть использована для подложки из рулонного материала.
Известно устройство вакуумного нанесения покрытий на рулонные материалы (патент RU №2521939, опубл. 10.07.2014). Устройство содержит модуль напыления с системой испарения и механизмом подачи испаряемого материала, систему перемотки, систему откачки, пневмосистему, систему охлаждения, систему управления и устройство перемещения, выполненное с возможностью стыковки-расстыковки с модулем напыления. Система перемещения подложки выполнена в виде жесткого блока, состоящего из двух плит, передней и задней, скрепленных между собой опорами, и содержит водоохлаждаемые направляющие ролики, неохлаждаемые отклоняющие ролики и ролики натяжения. Жесткий блок крепится задней плитой к внешней плите, расположенной на устройстве перемещения посредством крепящих блоков с обеспечением независимости от прогиба внешней плиты. Для передачи вращения от приводов и исполнительных механизмов на водоохлаждаемые направляющие установлен магнитожидкостной ввод вращения с обеспечением компенсации прогиба внешней плиты, который надевают на водоохлаждаемый направляющий ролик.
Недостатком данного устройства является то, что при напылении используют систему испарения и существует проблема охлаждения рулонного материала. Материал подложки во время напыления испытывает очень большую тепловую нагрузку из-за конденсации напыляемого материала.
Известна также установка для нанесения покрытий на ленточную подложку (патент RU №2167955, опубл. 27.05.2001). Установка содержит вакуумную камеру, по меньшей мере один магнетронный распылитель, системы эвакуации, подачи и регулирования расхода газа, устройство для перемещения ленты с одного барабана на другой. Устройство для перемещения ленты выполнено в виде платформы, имеющей возможность вращения, с установленными на периферии пассивными направляющими роликами. На платформе установлены съемные барабаны с возможностью реверсивного вращения, автономными приводами и тормозными устройствами.
Данная установка, является сложной в изготовлении и не может быть использована для подложки из рулонного материала.
В качестве прототипа можно выбрать вакуумную установку магнетронного напыления тонких пленок на движущуюся подложку УВНМ.Э-100/125-003 «Магна 2М», представленную в учебном пособии («Технология интегральной электроники», под общ. ред. А.П. Достанко и Л.И. Гурского. - Минск: «Интегралполиграф», 2009, стр 179-182, 190-192). Установка включает вакуумную камеру с системой откачки и напуска рабочего газа, вдоль которой расположены плоские катоды-мишени и магнитная система магнетронных распылительных устройств, расположенных над конвейером перемещения подложки вдоль рабочей камеры. «Магна-2М» предназначена для нанесения одно- и многослойных пленок из алюминия и его сплавов на кремниевые подложки диаметром 76, 100 и 125 мм магнетронным распылением. Установка имеет две шлюзовых камеры с кассетами для подачи подложек на конвейер и систему транспортировки конвейера для перемещения полупроводниковых подложек между кассетами, а также микропроцессорную систему управления с дисплеем. Конвейер закреплен на основании и имеет привод, соединенный через узлы передачи вращения с приводными валами передачи поступательного движения конвейера, установленными с двух сторон основания.
Недостатком данной установки является то, что она предназначена для нанесения многослойных пленок из алюминия и его сплавов на кремниевые подложки и не обеспечивает напыление на рулонную подложку. Данная установка является сложной, состоящей из трех вакуумных камер - рабочей камеры и двух камер загрузки и выгрузки подложек.
Технической задачей данного технического решения является расширение функциональной возможности установки за счет использования в качестве подложки рулонного материала и получения на нем равномерного покрытия тонкой пленки заданной толщины при упрощении конструкции установки.
Поставленная задача достигается тем, что вакуумная установка магнетронного напыления тонких пленок на движущуюся подложку содержит систему откачки и напуска рабочего газа в вакуумную камеру, вдоль которой расположены магнетронные распылительные устройства с плоским катодом-мишенью и магнитной системой, расположенные над конвейером перемещения подложки вдоль вакуумной камеры. Конвейер закреплен на основании и имеет привод, соединенный через узлы передачи вращения с приводными валами передачи поступательного движения конвейера, установленными с двух сторон основания. Новым является то, что на приводных валах конвейера через узлы передачи вращения в виде звездочек установлен цепной транспортер. Цепи транспортера перемещаются по закрепленным на основании поддерживающим и прижимным звездочкам. Цепи транспортера соединены стержнями-перемычками, установленными параллельно валам на определенном равном расстоянии вдоль цепного транспортера и закрепленными на его цепях. По стержням-перемычкам натянут и закреплен рулонный материал подложки, многократно перемещающейся вместе с цепным транспортером вдоль вакуумной камеры. Кроме этого стержни-перемычки закреплены на цепях цепного транспортера с помощью дугообразных скоб, жестко соединенных с цепями цепного транспортера. Стержни-перемычки выполнены в виде трубок, имеющих прямоугольное сечение. Расстояние между стержнями-перемычками определено структурой материала рулонной подложки и длиной звеньев цепи транспортера. Основание конвейера выполнено в виде прямоугольной рамы, закрепленной по периметру корпуса вакуумной камеры. На раме закреплены герконовые датчики перемещения подложки, расположенные над магнитами, установленными на цепях цепного транспортера. К электромотору привода конвейера подключен частотный регулятор.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид установки, на фиг. 2 представлена кинематическая схема конвейера, на фиг. 3 - общий вид цепного транспортера конвейера, на фиг. 4 - стержни-перемычки со скобами, на фиг. 5 - полученный материал с покрытием определенной толщины.
2
Вакуумная установка магнетронного напыления тонких пленок на движущуюся подложку содержит (фиг. 1) рабочую вакуумную камеру 1, соединенную с системой откачки 2 и системой напуска 3 рабочего газа. В качестве рабочего газа может быть использован, например, аргон, кислород, азот. В средней части вакуумной камеры расположены магнетронные распылительные устройства (МРУ) 4, которые расположены последовательно вдоль рабочей камеры и закреплены на верхней части вакуумной камеры через изолирующий кожух. Каждое магнетронное распылительное устройство включают плоский катод-мишень и магнитную систему. Анод соединен и примыкает к верхней части кожуха вакуумной камеры. МРУ подключены к источнику питания постоянным током 5 и имеют систему охлаждения 6. Под магнетронными распылительными устройствами 4 установлен конвейер 7 перемещения подложки вдоль рабочей камеры 1, который предназначен для передачи возвратно-поступательного движения и протяжки рулонного материала подложки через рабочую зону вакуумной камеры для получения одностороннего покрытия на материале подложки. Конвейер 7 перемещения подложки закреплен на основании, выполненном в виде прямоугольной металлической рамы 8, при этом рама расположена по периметру рабочей вакуумной камеры 1 и через изоляторы закреплена на корпусе камеры. Выполнение основания в виде прямоугольной рамы обеспечивает удобство расположения на ней элементов конвейера и дальнейшее их обслуживание. Конвейер 7 имеет (фиг. 2) привод в виде электромотора 10 с редуктором 11, например, червячного типа. К электромотору подключен частотный регулятор 9. Электромотор соединен через переходную муфту 12 и подшипник 13 с узлами передачи вращения - ведущей 14 и ведомой 15 звездочками вакуумного ввода. Ведомая 15 звездочка передает вращение на приводной ведущий вал 16 конвейера, который установлен и закреплен с одной стороны рамы 8. С другой стороны рамы 8 закреплен ведомый приводной вал 17 передачи поступательного движения конвейера. На концах приводных валов 16 и 17 расположены узлы передачи вращения в виде звездочек 18, на которых установлены и перемещаются вдоль рабочей камеры в прямом и обратном направлении цепи 19 цепного транспортера (фиг. 3). Цепи 19 цепного транспортера перемещаются по поддерживающим 20 и прижимным 21 звездочкам, которые последовательно установлены вдоль цепей и закреплены на раме 8. При этом поддерживающие звездочки 20 расположены между перемещающейся в прямом и обратном направлении цепью 19 и между рамой 8 и цепью, а прижимные 21 - над цепью 19 транспортера. Может быть установлено, например, 16 звездочек (по 8 на каждой цепи). Звездочки выполняют функцию закрепления и фиксации цепей транспортера в определенном положении над рамой, предотвращают провисание цепей и задают равномерное перемещение цепного транспортера вдоль рабочей камеры 1. Цепи 19 транспортера соединены между собой стержнями-перемычками 22, которые установлены параллельно приводным валам на определенном равном расстоянии (с определенным шагом) вдоль цепного транспортера. Стержни-перемычки 22 могут быть выполнены в виде полых металлических трубок, имеющих прямоугольное сечение. Стержни-перемычки закреплены на цепях 19 цепного транспортера с помощью дугообразных скоб 23 (фиг. 4). Скобы закреплены (приварены) своей средней замкнутой частью к цепи 19 цепного транспортера на расстоянии, заданном шагом расположения стержней-перемычек 22. Разомкнутая часть скоб 23 вставлена с двух сторон в отверстия трубок стержней-перемычек 22 в распор. При этом их можно легко снимать и снова устанавливать. Концы скоб могут быть закреплены на стержнях-перемычках сваркой. Это создает более надежное крепление стержней-перемычек к цепям цепного транспортера. Шаг расположения стержней-перемычек вдоль цепей транспортера может быть определен длиной звена цепи транспортера. При этом минимальный шаг - это длина звена цепи (в нашем примере составляет 12,7 мм). Шаг расположения стержней-перемычек определен также структурой материала рулонной подложки. Мягкий материал подложки требует меньшего шага для исключения провисания материала, а для более жесткого материал шаг может быть увеличен и будет равен длине нескольких звеньев цепи транспортера. В нашем примере шаг составляет 4 звена цепи для подложки, выполненной из нетканого нановолокнистого фторопластного материала плотностью 27 г/м. При этом стержни-перемычки 22 должны быть установлены с равным шагом вдоль всей цепи 19 транспортера. На стержнях-перемычках 22 натянут, закреплен и перемещается в прямом и обратном направлении вдоль рабочей камеры материал подложки 24 в виде рулона нетканого волокнистого или эластичного материала. Стержни-перемычки 22, установленные с определенным равным шагом вдоль цепного транспортера позволяют равномерно расположить материал рулонной подложки. Конструкция конвейера позволяет несколько раз перемещать рулонный материал подложки 24 вдоль рабочей камеры 1 под магнетронными распылительными устройствами 4 в прямом и обратном направлении, т.е. выполнять возвратно-поступательные движения под мишенями магнетронов для получения на рулонном материале подложки равномерного напыляемого слоя заданной толщины. Для определения количества оборотов подложки на цепном транспортере установлены датчики перемещения подложки, например, герконовые датчики 25, которые жестко закреплены на раме 8. На цепях цепного транспортира при этом закреплены магниты 26. Магниты могут быть закреплены на скобах 23 стержней-перемычек. При расположении датчиков 25 по краям рамы используют 4 герконовых датчика, которые показывают количество оборотов конвейера и позиционируют конечные точки подложки.
Установка вакуумного магнетронного напыления имеет блок управления 27 для контроля за напуском рабочего газа в зоны распыления, управления режимами работы магнетронных распылительных устройств 4, а также управления скоростью перемещения конвейера и фиксации показаний герконовых датчиков.
Вакуумная установка работает следующим образом.
Включают источники питания 5 постоянным током МРУ 4. При подаче постоянного напряжения между катодом и анодом МРУ зажигается тлеющий разряд. В рабочей камере 1 системами откачки 2 и напуска 3 предварительно производят откачку воздуха и напуск рабочего газа - аргона. Запускают электромотор 10 конвейера 7 для перемещения рулонного материала подложки 24 вдоль рабочей камеры 1. Скорость перемещения подложки задают частотным регулятором 28. Электромотор 10 через червячный редуктор 11 и узлы передачи вращения в виде звездочек 14, 15, 18, приводит в движение ведущий 16 и ведомый 17 валы вращения, а также цепной транспортер конвейера 7. Цепной транспортер с натянутой и закрепленной на его стержнях-перемычках 22 подложкой 24 в виде рулонного материала, непрерывно с постоянной скоростью многократно перематывает материал подложки вдоль рабочей камеры 1. В процессе напыления при прохождении рулонного материала подложки 24 через зону работы магнетронных распылительных устройств 4 на поверхности подложки формируют тонкий слой покрытия. При многократном перематывании рулонного материала подложки под МРУ 4 на подложке оседает слой напыляемого покрытия определенной толщины, распределяясь по всей длине рулонной подложки. За счет закрепленных на цепях 19 транспортера стержней-перемычек 22 рулонный материал равномерно без провисания и изгибов располагается на конвейере. Выполнение стержней-перемычек в виде трубок, имеющих прямоугольное сечение позволяет осуществить еще более равномерное расположение материала подложки на цепном транспортере, поскольку прямоугольные стержни повышают равномерность распределения на них материала. Поддерживающие 20 и прижимные 21 звездочки фиксируют цепи 19 конвейера в определенном положении, предотвращают его провисание, позволяя перемещать материал подложки по ровной поверхности на определенном расстоянии от МРУ 4. Поэтому на рулонной подложке формируется равномерная по толщине тонкая пленка напыляемого материала. Скорость перемещения конвейера с рулонной подложкой относительно мишеней МРУ и количество проходов подложки под мишенями определяют с помощью герконовых датчиков 25 перемещений, которые проходя над магнитами 26 показывают количество оборотов конвейера и позиционируют конечные точки подложки. Задают скорость перемещения подложки частотным генератором и определяют количество проходов, обеспечивая заданную толщину слоя покрытия. Скорость перемещения рулонного материала и другие параметры, указанные выше, контролируют блоком управления (БУ) 27. Полученный материал с равномерным покрытием определенной толщины в зависимости от числа проходов рулонного материала под МРУ представлен на (фиг. 5). Определение толщины нанесенного слоя осуществляют методом интерференции с помощью интерферометра МИИ-4.
Таким образом, предлагаемая установка позволяет получить на рулонном материале подложки равномерное нанометрическое покрытие заданной толщины. Установка имеет более простую конструкцию по сравнению с прототипом, т.к. в ней использована только одну рабочая камера, а в прототипе используют три камеры - одну рабочую и две шлюзовых камеры с кассетами для подложек, в которых необходимо создавать вакуум для подачи подложек в рабочую камеру.