УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ПОКРЫТИЙ

Полезная модель относится к плазменной технике, а именно к устройствам для нанесения оптических, защитных и других многослойных покрытий на поверхности подложек путем вакуумного распыления металлов, и может быть использована для нанесения наноструктурированных покрытий, применяющихся в рентгеновской и нейтронной оптике.
Напыление наноструктурированных покрытий, применяющихся в рентгеновской и нейтронной оптике, может потребовать нанесения более 1000 слоев с толщиной от 3 нм и разницей в сотые доли нанометров. Для нанесения таких покрытий, требуется высокая равномерность толщины и низкая шероховатость наносимого слоя материала - межслойная шероховатость, для чего очень важно во время многочасового процесса напыления контролировать и стабилизировать не только параметры рабочей среды, такие как давление и расход газа, а также параметры напыления, такие как скорость движения подложки и мощность магнетронов, для чего необходимо отслеживать и компенсировать динамику осаждения материала, которая меняется по мере расходования мишеней в процессе цикла работы.
Основным недостатком существующих устройств для нанесения многослойных покрытий использующих для напыления на планарные и диэлектрические подложки группы магнетронов, является отсутствие функциональных возможностей для напыления сверхтонких наноструктурированных слоев.
3
Известно устройство для нанесения многослойных покрытий (1. Песков Б.Г., Щебетов А.Ф., Касман Я.А., Колыванова Н.Г «Установка магнетронного распыления для изготовления суперзеркал». Вакуумная техника и технология. 2003 Том 13 №3), содержащее герметизированную рабочую камеру объемом 3,7 м с ионным источником, для очистки подложек с помощью тлеющего разряда, вертикально закрепленными на раме магнетронами косвенного охлаждения, одноканальную систему напуска рабочего газа, вакуумную систему, транспортную систему линейного перемещения с держателем подложек с редуктором установленным на оси шагового двигателя, позволяющую перемещать держатель подложек со скоростью в диапазоне 9-56 мм/с и контрольно-измерительные элементы расхода газа и давления, взаимосвязанные с блоком управления технологическими процессами связанным с запорно-регулирующими элементами, в виде запорных клапанов, задвижек и т.п.
В указанном аналоге [1] загрузку, обработку и выгрузку подложек производят в одной рабочей камере, что требует откачки атмосферы каждый раз при загрузке и выгрузке изделий. Наряду с этим, при открывании рабочей камеры, ее стенки покрываются слоем загрязняющих веществ, удаленных с, поверхностей подложек при их предварительной обработке. Это приводит к загрязнению остаточной атмосферы в камере и образованию окисной пленки на поверхности катодов магнетронов, что отрицательно влияет на состав и структуру сверхтонких металлических слоев, в которые проникают кислород, углерод и другие примеси и приводит к снижению равномерности толщины и повышению межслойной шероховатости. Одноканальное исполнение системы напуска газа приводит к неравномерному распределению рабочего газа в вакуумном пространстве и образованию зон концентраций рабочего газа, что снижает равномерность толщины покрытия.
Узкий диапазон скоростей движения подложки ограничивает диапазон толщин напыляемых слоев, что не позволяет подбирать оптимальные режимы напыления сверхтонких слоев требуемой толщины. Кроме того, перемещение с постоянной скоростью подложек вдоль магнетронов с мишенями из разных материалов, скорости распыления которых в процессе многочасового цикла работы изменяются, приводит к неравномерному распылению вещества и к недопустимым отклонениям от заданных параметров толщин слоев и межслойных шероховатостей наноструктурированного покрытия.
Указанные недостатки ограничивают применение упомянутого устройства для нанесения многослойных наноструктурированных покрытий, применяющихся в рентгеновской и нейтронной оптике.
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели является устройство для нанесения многослойных покрытий (2. RU, №2261289 С1, МПК - С23С 14/35 (2000.01)) содержащее герметизированную рабочую камеру с закрепленными на боковой стенке по меньшей мере одним ионным источником, выполненным с возможностью изменения угла падения ионного потока, и по меньшей мере двумя магнетронами, многоканальную систему напуска рабочего газа, вакуумную систему, шлюзовую камеру, отделенную от рабочей камеры вакуумным затвором, реверсивную камеру, установленную на выходе рабочей камеры, транспортную систему линейного перемещения с держателем подложек и контрольно-измерительные элементы давления и расхода газа, взаимосвязанными с блоком управления технологическими процессами, связанным с запорно-регулирующими элементами.
Система напуска рабочего газа выполнена в виде каскада подающих каналов, расположенных в основании корпуса ионного источника. Каналы в каждом каскаде последовательно симметрично делятся на два, и имеют равную длину, а расстояние между выходными отверстиями, расположенных с двух сторон относительно магнитной системы, не превышает 40 мм [2]. Система напуска рабочего газа через отсечной клапан подключена к регулятору расхода газа (запорно-регулирующие элементы). В качестве средств предварительной откачки в вакуумной системе используются форвакуумные насосы, а в качестве средств высоковакуумной откачки - диффузионные насосы, которые сообщены системой трубопроводов. Вакуумная система также включает контрольно-измерительные элементы давления в виде датчиков и регулирующие элементы в виде вакуумных задвижек для создания и поддержания рабочего давления.
Выполнение многоканальной газовой системы в виде каскада подающих каналов ориентировано на равномерность подачи рабочего газа к ионным источникам, при этом вблизи магнетронов в зоне образования плазмы возможно неравномерное распределение газового потока, что, при отсутствии мониторинга динамики осаждения распыляемого материала и анализа газовой среды приводит к снижению равномерности толщины покрытия и повышению межслойной шероховатости.
В устройстве - аналоге подложка при напылении перемещается вдоль магнетронов с постоянной, заданной в начале цикла работы, скоростью. При таком движении подложки вдоль магнетронов, мишени которых выполнены из разных материалов, и скорости осаждения которых в процессе многочасового цикла работы изменяются, напыляются слои различной структуры. Отсутствие возможности своевременно скорректировать скорость перемещения подложки в соответствии с изменяющимися параметрами распыления магнетронов, приводит к неравномерному осаждению материалов и к недопустимым отклонениям от заданных параметров толщин слоев и межслойных шероховатостей наноструктурированного покрытия.
Указанные недостатки ограничивают применение известного устройства для нанесения многослойных наноструктурированных покрытий, применяющихся в рентгеновской и нейтронной оптике.
В основу полезной модели поставлена задача усовершенствования устройства для нанесения многослойных покрытий, в котором за счет конструктивных особенностей обеспечивается оптимизация контроля динамики осаждения пленкообразующих материалов для своевременной стабилизации режима напыления с возможностью высокоточной корректировки скорости движения подложки при каждом проходе, что обеспечивает напыление наноструктурированных слоев заданной толщины и межслойной шероховатости, расширяя функциональные возможности устройства.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для нанесения многослойных покрытий, содержащем герметизированную рабочую камеру с закрепленными на боковой стенке по меньшей мере одним ионным источником, выполненным с возможностью изменения угла падения ионного потока, и по меньшей мере двумя магнетронами, многоканальную систему напуска рабочего газа, вакуумную систему, шлюзовую камеру, отделенную от рабочей камеры вакуумным затвором, реверсивную камеру, установленную на выходе рабочей камеры, транспортную систему линейного перемещения с держателем подложек и контрольно-измерительные элементы расхода газа и давления, взаимосвязанные с блоком управления технологическими процессами, связанным с запорно-регулирующими элементами, согласно полезной модели дополнительно содержатся контрольно-измерительные элементы скорости осаждения покрытия, установленные напротив каждого магнетрона, и взаимосвязанные с блоком управления технологическими процессами, связанным с приводом транспортной системы, выполненным на основе сервопривода и прецизионного безлюфтового редуктора с возможностью управления скоростью перемещения в диапазоне 10 - 300 мм/с.
Целесообразно выполнение блока управления технологическими процессами с возможностью обеспечения корректировки скорости перемещения держателя подложки по формуле:
где V - скорость перемещения держателя подложки,
q - скорость осаждения покрытия,
- ширина зоны напыления, мм;
σ - толщина слоя, мм.
Целесообразно контрольно-измерительные элементы расхода газа выполнять в виде элементов контроля состава плазмы, установленных в рабочей камере над каждым магнетроном, и элемента контроля остаточных газов, установленного с внешней стороны рабочей камеры.
Сущность полезной модели поясняется рисунком, где схематически показано устройство для нанесения многослойных покрытий.
Устройство для нанесения многослойных покрытий содержит герметизированную рабочую камеру 1 модульного типа, на входе которой установлена отделенная вакуумным затвором 2 шлюзовая камера 3, а на выходе установлена реверсивная камера 4.
Шлюзовая камера 3 снабжена нагревателями и автоматизированной вакуумной системой, включающей насос сухой высоковакуумной откачки, насос предварительной откачки, контрольно-измерительные элементы давления, советующие запорно-регулирующие элементы.
Рабочая камера 1 и реверсивная камера 4 соединены с образованием единого вакуумного пространства, для уменьшения времени откачки их внутренние поверхности выполнены из стали с шероховатостью Ra=0.16, а для защиты от перегрева стенки выполнены охлаждаемыми. Вдоль боковой стенки рабочей камеры 1 последовательно закреплены протяженный в вертикальном направлении ионный источник 5 с замкнутым дрейфом электронов, выполненный с возможностью изменения угла падения ионного потока, и две пары протяженных в вертикальном направлении магнетронов 6 прямого охлаждения с длиной мишени 750 мм и шириной 120 мм, подключенные к источникам питания, работающим на постоянном токе. Различные комбинации закрепления на магнетронах мишеней из магнитных/немагнитных материалов и диэлектриков подбираются в зависимости от требований к покрытию. Напряжение разряда регулируется в диапазоне 0-650 В.
Для удобства монтажа и замены мишеней магнетроны 6 закреплены в откидных нишах 7, снабженных актуаторами.
Вдоль каждого магнетрона 6 в нишах 7 расположены образующие многоканальную газовую систему подающие каналы 8, с обращенными к зоне образования плазмы отверстиями. Газовая система снабжена контрольно-измерительными элементами 9 контроля состава плазмы, в виде оптических датчиков, закрепленных в камере 1 над каждым магнетроном, и контроля остаточных газов, в виде квадрупольного масс-спектрометра, установленного с внешней стороны рабочей камеры, а также соответствующими запорно-регулирующими элементами 10, в виде электромагнитных отсечных клапанов и регуляторов расхода газа, через которые к подающим каналам 8 осуществляется подача рабочего газа газовым блоком, обеспечивающим возможность работы с тремя газами: аргоном, азотом, кислородом.
Вакуумная система включает установленные симметрично магнетронам 6 насосы 11 сухой высоковакуумной откачки, например, турбомолекулярные насосы с магнитным подвесом ротора, линии высокого давления которыхподключены к насосу 12 предварительной откачки, например, винтовому форвакуумному. Вакуумная система снабжена контрольно-измерительными элементами 13 давления, например, вакуумными датчиками для определения значения вакуума в рабочей камере 1 и определения давления в форвакуумных линиях, а также соответствующими запорно-регулирующими элементами 14, в виде клапанов и вакуумных задвижек.
Привод 15 транспортной системы выполнен на основе сервопривода и прецизионного безлюфтового редуктора, обеспечивая перемещение держателя 16 подложек в широком диапазоне скоростей, достигающем 10-300 мм/с, с высокой точностью передачи крутящего момента и погрешностью при корректировке скорости, не превышающей 1%. Благодаря возможности перемещения с большой скоростью, возможно применение высоких мощностей распыления, что повышает производительность устройства. Для исключения ударов и вибраций транспортная система линейного перемещения оборудована гибкими демпфирующими элементами. Держатель 16 выполнен со сменной установочной пластиной для размещения подложек различного типоразмера.
Шлюзовая камера 3 снабжена системой автоматической смены подложек (на рис. не показана), обеспечивающей возможность одновременного нахождения двух держателей 16 с подложками, одна из которых прошла процесс напыления, другая - проходит подготовку к напылению. Такая компоновка позволяет увеличить производительность установки за счет сокращения циклов откачки шлюзовой камеры 3.
Напротив каждого магнетрона в стенке рабочей камеры 1 установлены контрольно-измерительные элементы 17 скорости осаждения покрытия, выполненные в виде кварцевых датчиков.
Устройство для нанесения многослойных покрытий содержит шкаф питания, оборудованный блоком 18 управления технологическими процессами с панелью управления (возможно как ручное, так и полностью автоматизированное управление), отображающей основные элементы устройства и их состояние. Блок 18 содержит информационно взаимосвязанные модуль 19 контроля остаточных газов в камере и состава плазмы и управления газовой, вакуумной системами, в частности напуском газа, давлением, а также модуль 20 контроля параметрами напыления скорости осаждения материала управления параметрами напыления, в частности приводом 15 транспортной системы, источниками питания ионного источника 5, магнетронов 6.
Модуль 19 информационно взаимосвязан с контрольно-измерительными элементами 9, 13, и электрически связан с соответствующими запорно-регулирующими элементами 10 и 14.
Модуль 20 информационно взаимосвязан с контрольно-измерительными элементами 17 и электрически связан с приводом 15 транспортной системы, обеспечивая управление скоростью перемещения держателя 16. Модуль 20 электрически связан с источниками питания ионного источника 5 и магнетронов 6.
Устройство работает следующим образом.
3
Плоскую подложку размером 500×500×4 мм устанавливают в держателе 16 подложек и помещают в шлюзовую камеру 3, где при помощи автоматизированной вакуумной системы и нагревателей производится предварительная откачка воздуха и нагрев подложки для обезгаживания и очистки поверхности подложки.
-3
-1
В рабочей камере 1 насосами 11 и 12 вакуумной системы достигается базовое давление 1×10 Па. При достижении в камерах 1 и 3 базового давления, щелевой затвор 2 открывается, подложка перемещается в рабочую камеру 1, после чего щелевой затвор 2 закрывается. Модуль 19 блока 18 на основании сигналов от контрольно-измерительных элементов 13 газовой системы заполняет рабочую камеру 1 рабочим газом, например, аргоном, до рабочего давления, например, 1×10 Па, поддерживаемого в процессе всего цикла напыления модулем 19 при помощи запорно-регулирующих элементов 10. Через отверстия подающих каналов 8 рабочий газ (или смесь газов) равномерно поступает в зону образования плазмы магнетронов 6, закрепленных в откидных нишах 7. При этом обеспечивается равномерность давления и распределение, рабочего газа в рабочей камере.
При перемещении подложки вдоль ионного источника 5 происходит ионная очистка поверхности подложки от загрязнений, адсорбированных атомов и молекул, продуктов химических реакций. Эффективность очистки ионного источника определяется углом падения ионного потока и количеством циклов обработки.
При перемещении подложки вдоль магнетронов 6, в соответствии с рецептом напыления (чередованием материалов, толщин слоев и их количества), блоком управления 20 поочередно подается заданное напряжение на магнетроны с требуемыми пленкообразующими материалами мишеней, в частности используется два магнетрона с никелем и два с титаном. В реверсивной камере 4 подложка меняет направление движения, чередуя последовательность слоев магнетронного напыления с промежуточной ионной полировкой для получения более плотных и бездефектных пленок.
Оптическими датчиками (элемент 9) непосредственно перед нанесением каждого слоя контролируется состав плазмы и плотность газового потока и в случае отклонений модуль 19 регулирует параметры напуска газа при помощи запорно-регулирующих элементов 10. Квадрупольным масс-спектрометром (элемент 9), установленным с внешней стороны камеры, контролируется с высокой точностью наличие примесных компонентов в рабочей камере и в случае их выявления модулем 20 по сигналу модуля 19 производится дополнительная откачка для очистки вакуумного пространства. Таким образом, обеспечивается стабильность протекания физико-химических процессов в плазме при каждом проходе и в процессе всего цикла напыления, что обеспечивает напыление слоев с низкой межслойной шероховатостью, составляющей 1 нм.
Наряду с этим, перед нанесением каждого слоя с помощью магнетрона 6, советующим кварцевым датчиком (элемент 17) определяется скорость осаждения покрытия q соответствующей мишени, в соответствии с которой модулем 20 блока управления 18 корректируется скорость перемещения держателя 16 по формуле (1), с учетом заданных значений ширины слоя напыления (например, 120 мм) и требуемой толщины слоя (например, 10 нм). Для управления скоростью перемещения модулем 20 приводу 15 задается расчетное значение скорости V.
За счет выполнения привода 15 транспортной системы на основе сервопривода и прецизионного безлюфтового редуктора обеспечивается с высокой точностью передача крутящего момента при достаточно высоком номинальном крутящем моменте, что позволяет расширить диапазон скоростей перемещения держателя 15 от 10 до 300 мм/с, обеспечивая при этом плавность хода с заданной скоростью на ограниченно коротких расстояниях, обусловленных размером камеры и расположением магнетронов.
Возможность высокоточной корректировки скорости перемещения в зависимости от существующей динамики напыления, в частности скорости осаждения покрытия, позволяет своевременно стабилизировать параметры напыления, сохраняя при этом параметры рабочей среды, заданные модулем 19 управления газовой и вакуумной системами, а также сохраняя заданную модулем 20 мощность магнетрона 6, что обеспечивает равномерность осаждения сверхтонкого слоя материала с низкой шероховатостью.
После напыления последнего слоя системой автоматической смены подложек шлюзовой камеры 3 производится смена подложек.
3
С использованием предлагаемого устройства на подложке параметрами 500×500×4 мм сформировано суперзеркало с чередованием 97 слоев никеля и 97 слоев титана (с коэффициентом превышения критического угла полного отражения для природного никеля m=2.5) при толщине каждого слоя от 7 до 70 нм. Покрытие характеризуется высокой равномерностью и точностью толщины по площади подложки с отклонениями, не превышающими 2%, и низкой межслойной шероховатостью, составляющей 1 нм.
Таким образом, при эксплуатации предлагаемого устройства обеспечивается оптимизация контроля динамики осаждения пленкообразующих материалов для своевременной стабилизации режима напыления с возможностью высокоточной корректировки скорости движения подложки при каждом проходе, что обеспечивает напыление наноструктурированных слоев заданной толщины и межслойной шероховатости, расширяя функциональные возможности устройства для нанесения зеркальных наноструктурированных покрытий, применяющихся в рентгеновской и нейтронной оптике.