ВАКУУМНАЯ УСТАНОВКА НАПЫЛЕНИЯ ПЛЕНОК С КАМЕРОЙ АБЛЯЦИИ
VACUUM UNIT FOR SPUTTERING FILMS WITH ABLATION CHAMBER

Изобретение относится к технике напыления тонких пленок из различных материалов, включая технику напыления многокомпонентных пленок и многопленочных структур, и может быть использовано в технологических установках напыления пленок.
Известны устройства (Патент US 6620299, 2003, или Шулаев В.М. Сверхтвердые наноструктурные покрытия в ННЦХФТИ / В.М. Шулаев, А.А. Андреев // Физическая инженерия поверхности. - 2008. - Т. 6, №1-2. - С. 4-19) для создания многокомпонентных покрытий ионно-плазменными методами, в которых используется несколько отдельных генераторов плазмы, каждый из которых обеспечивает определенное вещество напыляемого покрытия, из которого состоит его мишень. Таким образом, аналоги имеют целую группу генераторов плазмы (магнетронных распылителей) - по одному на каждую мишень. Как известно, вакуумные методы нанесения пленок обычно отличает ряд достоинств, среди которых высокие значения точности, производительности процесса, а также экологичность. Однако указанные известные устройства имеют и недостатки, к которым относятся сложность и большие объемы конструкции.
Известно устройство (Пленки легированного галлием оксида цинка, нанесенные с использованием несбалансированной магнетронной распылительной системы / А.А. Соловьев, А.Н. Захаров, С.В. Работкин и др. // Журнал технической физики. - 2010. - Т. 80, №5. - С. 127-131) с составной композитной мишенью, компонентный состав которой и стехиометрия соответствуют требуемому составу покрытия. Характерным достоинством этого аналога является применение более простой конструкции. К имеющимся недостаткам можно отнести тот факт, что при необходимости изменить состав покрытия требуется замена мишени или же как альтернативный вариант (метод) - введение дополнительных веществ с газовым потоком. Кроме того, следует учесть, что стоимость композитной мишени выше стоимости однокомпонентной, так как она сложнее в изготовлении, а также то, что содержание более летучих элементов многокомпонентной мишени со временем снижается, в результате чего изменяется стехиометрический состав мишени, а следовательно, и напыляемого покрытия.
Учитывая приведенные недостатки указанных аналогов, получили распространение устройства с секционированным барабаном мишеней. Как правило, в барабане крепится одна или несколько однокомпонентных мишеней и при наличии всего одного излучателя происходит абляция многокомпонентного состава при вращении однокомпонентных мишеней в зоне его луча. Кроме того, возможно нанесение многослойных структур покрытий попеременным включением в зону действия луча только одной из мишеней.
К указанному типу известных аналогов относится устройство для нанесения оксидных композиционных покрытий (патент РФ на ПМ №92240, 2010), содержащее секционированный барабан мишеней в виде полого усеченного конуса. В центре верхнего основания секционированного барабана находится эмиссионная зона плазменного излучателя. Особенностью устройства является то, что мишени, образующие секционированный барабан, могут находиться под разными электрическими потенциалами. Таким образом, устройство может работать даже при неподвижном секционированном барабане путем переключения электрических потенциалов к нужным мишеням. Регулировать плотность потока абляции с той или другой мишени в секционированном барабане можно путем управления плотностью электрического тока на эти мишени. При этом для абляции нет необходимости использовать магнитную систему, как в магнетронных ионно-плазменных распылителях. Это означает более высокую выработку мишеней. Мишени в секционированном барабане могут отличаться по химическому составу для осаждения композиционных покрытий. Известное устройство имеет недостатки. Для распыления мишеней ионно-плазменным потоком требуется достичь определенной плотности тока, которая пропорциональна площади задействованных мишеней и, таким образом, устройство имеет довольно высокое энергопотребление, уступая по энергетической эффективности традиционным магнетронным распылителям в указанных выше аналогах.
Близким по технической сущности является устройство ионно-ассистированного осаждения, известное также как устройство двулучевого осаждения ионным распылением (dual ion-beam sputtering deposition, фиг. 1, http://www.iiti.ac.in/DIBSD/about_DIBSD_facility.htm), содержащее основную вакуумную камеру технологической установки 1, которая является общей для всех элементов системы напыления, барабан мишеней 2 в виде шестигранной призмы, защитный кожух мишеней 3, выдвижную заслонку 4, излучатель 5, служащий для абляции мишеней, излучатель 6, служащий для очистки подложек и ионного ассистирования осаждению, подложки 7. Для нанесения покрытий на подложки в известном устройстве сначала проводится очистка подложек 7 с помощью излучателя 6 в течение времени ~15 мин. При этом выдвижная заслонка 4 закрывает барабан мишеней 2, излучатель 5 выключен, а излучатель 6 включен на полную мощность. После очистки подложек 7 проводится аналогичная операция очистки барабана мишеней 2 (около 5-10 мин на каждую мишень в барабане). При этом выдвижная заслонка 4 поворачивается и закрывает подложки 7, излучатель 6 выключен, а излучатель 5 включен на полную мощность. Затем проводится нанесение пленок: выдвижная заслонка 4 не перекрывает ни одно из направлений и работает по меньшей мере один излучатель - это излучатель 5. Излучатель 6 также может использоваться в операции осаждения как ассистирующий. Данная система проста, но при этом функциональна, имеет высокие значения коэффициента выработки мишеней и энергетической эффективности.
К недостаткам известного устройства относится следующее. В одной рабочей вакуумной камере содержатся сразу два логических блока ЛБ1 и ЛБ2. Первый ЛБ1 отвечает за очистку подложек 7 и ассистирование осаждению, а второй ЛБ2 - за абляцию нужных веществ с барабаном мишеней 2 на подложки 7. С одной стороны такой подход позволяет добиться высокой функциональности, а с другой - снижает точность и чистоту процесса. Это происходит из-за того, что выдвижная заслонка 4 не обеспечивает достаточной защиты от влияния нежелательных веществ продуцируемых одним блоком на другой. Так, продукты распыления подложек 7 при их очистке и работе блока ЛБ1 неминуемо попадают на эмиссионную поверхность излучателя 5, который относится к другому блоку - ЛБ2, а также на общую камеру и прочую оснастку. Это приводит к тому, что при работе излучателя 5 ЛБ2 производит как частицы вещества мишеней, так и частицы вещества подложек, что искажает ожидаемый технологом результат и изменяет химический состав напыляемых пленок. Возможно и обратное влияние двух блоков. При очистке мишеней и работе ЛБ2 вещества попадают на эмиссионную поверхность излучателя 4, общую камеру и оснастку. Последствия в этом случае также нежелательные: ЛБ2 вносит изменения в химический состав деталей ЛБ1 и результаты работы ЛБ1 искажаются, так как на подложку попадают вещества, сгенерированные при очистке мишеней. Кроме того, в системе нет защиты от блуждающих лучей, которые попадают на стенки камеры, вызывая абляцию находящихся на поверхности веществ, и вносят тем самым загрязнения в работу обоих блоков. Данное «перемешивание» различных химических веществ в одной и той же камере устройства-аналога отрицательно сказывается на воспроизводимость результатов, что особенно критично в нанотехнологиях, где как тончайшие слои вещества, так и отдельные группы атомов могут играть определенную роль, изменяя параметры тонкопленочной структуры.
Наиболее близким по технической сущности устройством, выбранным за прототип в настоящем изобретении, является система осаждения многослойных материалов из распыляемой мишени (патент US 6783637, 2004). В этой системе достигается большая производительность и функциональность за счет введения дополнительного барабана мишеней и дополнительного излучателя в блоке абляции. Основным ее отличием от предыдущего известного устройства является более удачная компоновка всех излучателей в виде трехлучевой звезды, образованной осями этих излучателей. При этом сами излучатели расположены в центре общей камеры, а генерируемые ими потоки направлены от центра к периферии. На периферии камеры расположены целевые объекты: мишени и подложки. Такое расположение излучателей друг относительно друга и относительно других деталей позволяет минимизировать загрязнение их эмитирующей поверхности потоками абляции, сгенерированными другими излучателями. Конструкция прототипа предусматривает наличие выдвижной заслонки для осаждения чувствительных к загрязнениям структур покрытий. Кроме того, в устройстве-прототипе предусмотрены дополнительные неподвижные заслонки на стенках камеры против блуждающих лучей, т.е. лучей, которые распространяются в незапланированном направлении и вызывают спонтанную абляцию частей установки. Однако камера, в которой происходят все технологические процессы, как и в предыдущем аналоге, является общей и разные логические блоки несмотря на перекомпоновку излучателей оказывают негативное влияние друг на друга, на точность и чистоту процесса осаждения в целом.
Необходимо отметить, что все рассмотренные выше устройства имеют общий недостаток, состоящий в потере производительности. Ни в одном из указанных аналогов нет возможности проводить одновременно очистку как мишеней, так и подложек, эти операции должны идти в них последовательно, друг за другом с соответствующими тратами рабочего времени установок и их операторов. В противном случае загрязнение осаждаемых пленок окажется чрезмерным практически для любого рода известных технологий.
Задачей изобретения является достижение в одной и той же установке высоких показателей производительности, технологической функциональности и экономичности расходования материалов при обеспечении чистоты и точности процесса напыления.
Технический результат изобретения заключается в увеличении производительности, точности, чистоты и экономичности напыления пленок, в получении новых функциональных возможностей установки.
Указанный технический результат достигается тем, что в вакуумной установке напыления пленок с камерой абляции, содержащей по меньшей мере один барабан мишеней, по меньшей мере один направленный в мишени излучатель, а также выдвижную заслонку и неподвижные заслонки, согласно изобретению она содержит вакуумную камеру абляции, герметично соединенную с основной вакуумной камерой в зоне обработки подложек посредством выходного патрубка, оснащенного внутри или на торце выдвижной заслонкой для разделения в закрытом ее положении вакуумной камеры абляции и основной вакуумной камеры, при этом вакуумная камера абляции включает блок абляции и содержит по меньшей мере один барабан мишеней, выполненный с возможностью вращения вокруг собственной оси, неподвижные заслонки мишеней, по меньшей мере один направленный в мишени излучатель, расположенные на периферии входные соединительные патрубки, выполненные с возможностью герметичного крепления излучателей или заменяющих их заглушек, гермошлюз для обслуживания барабана мишеней и выходной патрубок с каналом откачки газа, причем барабан мишеней расположен под гермошлюзом и защищен от блуждающих лучей излучателей неподвижными заслонками.
Расширить функциональный диапазон предлагаемого изобретения позволяет вариант его исполнения, при котором к вакуумной камере абляции подсоединен по меньшей мере один излучатель, ассистирующий осаждению пленки и направленный в сторону обрабатываемой подложки.
Получить новые функциональные возможности позволяет вариант исполнения предлагаемого изобретения, который предусматривает расположение внутри или на торце выходного патрубка, соединяющего вакуумную камеру абляции с основной вакуумной камерой, тепло- и электроизолированного от вакуумной камеры абляции проводника с высокой геометрической прозрачностью, выполненного с возможностью подачи на него электрического потенциала, отличного от потенциала камеры.
Повысить удобство периодического обслуживания, а также увеличить экономичность работы в случае напыления дорогостоящих материалов позволяет вариант предлагаемого изобретения с установленным съемным кожухом, с помощью которого перекрыта от попадания потока абляции внутренняя поверхность стенок выходного патрубка и примыкающая часть внутренней поверхности стенок вакуумной камеры абляции.
Далее изобретение поясняется прилагаемыми чертежами, описанием принципа его работы.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 схематично изображен предшествующий уровень техники; на фиг. 2-5 схематично изображены разрезы технологической вакуумной установки напыления пленок с камерой абляции, выполненной согласно настоящему изобретению (1 - основная вакуумная камера технологической установки, 2 - барабан мишеней, 3 - неподвижные заслонки, 4 - выдвижная заслонка, 5 - излучатель, 6 - излучатель очистки подложек, 7 - подложки, 8 - канал откачки газа, 9 - вакуумная камера абляции, 10 - гермошлюз, 11 - выходной патрубок, 12 - входные патрубки, 13 - ассистирующий излучатель, 14 - проводник с высокой геометрической прозрачностью, 15 - съемный кожух).
Вакуумная камера абляции включает выходной патрубок 11, с помощью которого он подключается к основной технологической камере 1 в зоне обработки поверхности подложек 7, входные патрубки 12 с помощью которых крепятся излучатели 5 и 13, расположенные в предлагаемом устройстве на периферии камеры абляции 9, потоки излучения которых направлены на барабан мишеней 2 или подложки 7. При этом барабан мишеней 2 расположен под гермошлюзом 10 в камере абляции 9 и выполнен с возможностью вращения вокруг своей оси. Барабан мишеней 2 защищен от блуждающих лучей неподвижными заслонками 3. Кроме того, в выходном патрубке 11 камеры абляции содержатся канал откачки газа 8, проводник с высокой геометрической прозрачностью 14 и съемный кожух 15.
На фиг. 2 показана камера абляции с одним излучателем 5 и с одним барабаном мишеней 2.
На фиг. 3 показана камера абляции с одним излучателем 5, с одним барабаном мишеней 2 и одним ассистирующим излучателем 13.
На фиг. 4 показана камера абляции с двумя излучателями 5, с одним барабаном мишеней 2 и двумя ассистирующими излучателями 13.
На фиг. 5 показана камера абляции с двумя излучателями 5, с двумя барабанами мишеней 2 и одним ассистирующим излучателем 13.
Принцип работы предлагаемого изобретения состоит в следующем.
-4
2
2
При закрытом положении выдвижной заслонки 4 проводится откачка камер 1 и 9 до остаточного давления не более 10 Па. После чего одновременно проводятся операции очистки подложек 7 и барабана мишеней 2. Барабан мишеней 2 и поворотный стол подложек 7 могут вращаться как дискретно с заданным шагом, так и непрерывно в зависимости от настроек двигателей. Для очистки в основной технологической камере 1 включается излучатель 6, а в камере абляции 9 включается излучатель 5. При этом в камеры 1 и 9 и/или в излучатели 5, 6 в зависимости от типа излучателей напускаются газы или смеси газов (Ar, O, N и др.), рекомендованные для очистки подложек и мишеней соответственно. Таким образом, в предлагаемом изобретении процесс очистки подложек 7 отделен от процесса очистки мишеней. Кроме того, эти два процесса могут проводится одновременно. В итоге технологическая операция очистки подложек проводится одновременно с технологической операцией очистки мишеней, но при этом не происходит попадания продуктов обработки одних деталей на другие детали, что имеет важное значение для сохранения точности и чистоты работы устройства при повышенной производительности. За счет совмещения во времени двух технологических операций, а именно очистки подложек и очистки мишеней, происходит экономия рабочего времени, что дает рост производительности установки.
Излучатель очистки подложек 6 обычно является излучателем ионно-плазменного (плазмохимического) типа. Излучатели 5 и 13 могут быть различных принципов действия, наиболее распространенными излучателями, вызывающими абляцию либо модификацию поверхности, являются излучатели трех типов: ионные, электронные, фотонные, излучающие соответственно ионы газов, электроны и фотоны света. Указанные частицы, попадая на поверхность мишени или подложки, вызывают отрыв атомов, находящихся на поверхности. При этом возможны как физический, так и химический механизмы взаимодействия, соответственно передача импульса и энергии и химическая реакция с образованием летучего соединения. Таким образом, процесс отрыва атомов с поверхности может иметь различную сущность: сублимация, распыление, химическая реакция.
На следующем этапе производят осаждение пленок. Для этого сначала открывают заслонку 4. Затем включают излучатель 5. Через входные патрубки 12 к камере абляции 9 должен быть подключен по меньшей мере один излучатель 5, который генерирует поток абляции с барабаном мишеней 2. Два или более излучателей 5 подключаются для увеличения скорости напыления пленок (фиг. 4) или для применения дополнительных мишеней (фиг. 5). Опционально могут быть подключены ассистирующие излучатели 13, позволяющие воздействовать на физико-химические процессы формирования пленок (фиг. 3-5). Если ассистирующие излучатели 13 не используются в технологическом процессе, то предназначенные для них входные патрубки камеры абляции 9 закрываются заглушками, позволяющими блоку абляции сохранять герметичность. Заглушка входного патрубка может быть выполнена из вакуумного прочного материала, такого как нержавеющая сталь, либо же оптически прозрачного, диэлектрического, немагнитного материала для наблюдения протекающих процессов или ввода электромагнитного луча, например, луча лазера или оптического пирометра. В результате работы излучателя 5 оторванные с поверхности барабана мишеней 2 атомы образуют поток абляции, который используется для осаждения вещества мишеней на подложки 7. Для более равномерного осаждения и осаждения партиями подложки 7 располагают на поворотном столе, который может быть изготовлен по планетарной модели, то есть содержать поворотный механизм для вращения подложек вокруг собственной оси.
После формирования потока абляции за счет действия излучателей 5 этот поток движется по направлению от барабана мишеней 2 к подложкам 7 за счет избыточной части энергии, сообщенной ему при отрыве с поверхности мишеней. Вещество потока непрерывно осаждается на поверхности подложек, образуя пленку.
Известной проблемой генерации потока абляции с помощью ионных излучателей является неконтролируемое присутствие в потоке абляции и в осаждаемых пленках атомов аргона или другого газа, подаваемого в излучатель и используемого для распыления мишеней. Чтобы минимизировать присутствие газовых примесей, согласно предлагаемому изобретению, в выходном патрубке камеры абляции расположен независимый канал откачки газа 8. Частицы вещества, оторванные с мишени, обладают большей энергией по сравнению с атомами газа ионного излучателя, потерявшими свою энергию на поверхности мишени при взаимодействии. Поэтому через канал откачки газа 8 в камере абляции 9 из нее удаляются в основном атомы газа излучателя, что, несомненно, повышает в конечном итоге чистоту напыляемых пленок. Однако следует отметить, что первоочередной задачей канала откачки газа 8 в камере абляции 9 является уже упомянутая откачка газа из камеры абляции 9 при закрытом положении выдвижной заслонки 4 во время чистки барабана мишеней 2, без которой этот процесс был бы невозможен или недопустим.
Форма камеры абляции 9 оптимизирована для совместного размещения в ней всех элементов блока абляции при выполнении в полной мере предписанных им функций, а также для гашения блуждающих лучей (пунктирные стрелки, фиг. 2-5). В связи с этим форма камеры абляции 9 зависит от комплектации блока абляции и соотношения излучателей 5, барабанов мишеней 2, ассистирующих излучателей 13, что видно на фиг. 2-5. Таким образом, камера абляции 9 имеет форму оптимальную для выполнения двух задач, во-первых, она концентрирует в себе все необходимые для абляции элементы, дополнительные и расширяющие возможности устройства элементы, направленные и размещенные нужным образом, во-вторых, содержит специальные зоны гашения блуждающих лучей, образованные неподвижными заслонками 3 и стенками камеры абляции 9.
2
2
3
4
2
3
2
2
При напылении пленок и структур, полученных чередованием пленок, синхронизируют повороты барабана мишеней 2. Барабан мишеней 2 вращается вокруг собственной оси на угол 360°/n, где n - количество мишеней (слотов) в барабане мишеней 2, через интервал времени, достаточный для напыления материала от каждой мишени барабана мишеней 2 на подложки 7. Возможен режим напыления пленки из двух или нескольких химических веществ, путем непрерывного вращения барабана мишеней 2. В последнем случае поток атомов, отобранных с разных мишеней, образует один и тот же абляционный поток, следуемый для осаждения на подложки 7. Возможен режим работы, связанный с использованием сразу двух или нескольких барабанов мишеней 2 (фиг. 5), при напылении сложных материалов или структур пленок. Каждая мишень в барабане мишеней 2 представляет собой тело в форме диска или параллелепипеда, полученное литьем или прессованием исходного материала. Барабан мишеней 2 защищен от нежелательных потоков вещества и блуждающих лучей неподвижными заслонками 3 для сохранения чистоты химического состава мишеней и ограничения потока абляции. Периодическое обслуживание устройства, связанное с извлечением барабана мишеней 2 и заменой мишеней, осуществляется с помощью гермошлюза 10. Для напыления пленок нужного химического состава на подложки 7 подбираются соответствующие мишени барабана мишеней 2. Устройство предназначено для напыления тонких (до 100 мкм) пленок и пленочных структур диэлектриков, полупроводников, металлов и полупроводников: TiO, TiN, SiO, SiN, YO, HfO, ZrO, ITO, FTO, Pt, Au, Ag, Al, Ti, Cr, Si, Ge, GaN, AlGaN, ZnO и других.
В предлагаемом изобретении доступен широкий спектр возможностей по управлению физико-химическими свойствами напыляемых пленок. Для этого регулируют параметры абляционного (излучатели 5) и ассистирующего излучения (излучатели 13): энергию и химический состав излучаемых частиц, плотность потока и пр., температуру подложек 7, давление газа в вакуумных камерах 1 и 9, а также дополнительные параметры, позволяющие увеличить диапазон функциональных возможностей установки.
Как известно, дополнительно повлиять на свойства формируемых пленок можно путем использования специального тела на пути распространения абляционного потока, нагретого до высоких температур (>800°С, методы hot-wall, hot-wire deposition). Учитывая тот факт, что абляционный поток в предлагаемом изобретении ограничен выходным патрубком 11 камеры абляции 9, указанные методы легко реализуются путем установки в этом патрубке съемного проводника с высокой геометрической прозрачностью 14 в виде сетки или перфорированного диска, на который может быть подан электрический потенциал, отличный от потенциала камеры абляции. Подводимый к проводнику 14 электрический потенциал может использоваться для его нагрева пропусканием тока либо для управления заряженными частицами абляционного потока.
Учитывая тот же самый факт, а именно то, что абляционный поток ограничен выходным патрубком 11 камеры абляции 9, в предлагаемом изобретении возможно довольно экономично наносить пленки, в том числе пленки из ценных, дорогостоящих материалов, таких как золото, платина, серебро. Для этого используется съемный кожух 15 камеры абляции 9, перекрывающий стенки камеры в области наибольшей плотности потока абляции, а именно в выходном патрубке 11 и на стыке этого патрубка с основным объемом камеры абляции 9. Съемный кожух 15 является коллектором нецелевого расходования мишеней. Он изготовлен из термостойкого материала, химически инертного по отношению к веществам мишеней. На данном кожухе в процессе работы устройства осаждается слой вещества, толщина которого со временем возрастает. Для утилизации сформированного слоя достаточно выключить установку, извлечь кожух и подвергнуть его специальной обработке. В прототипе и устройствах, аналогах не предусмотрено коллектора для сбора нецелевого расходования материалов мишеней, что отрицательно влияет на их экономичность, чистоту и точность работы. Пластичность (эластичность) материала съемного кожуха 15 требуется, с одной стороны, для удобства извлечения его из камеры абляции 9 через гермошлюз 10 либо через выходной патрубок 11, а с другой стороны, - для удобства обработки и утилизации веществ, попавших на кожух.