Планарный магнетрон с равномерной эрозией мишени
PLANAR MAGNETRON WITH UNIFORM TARGET EROSION

Предлагаемое изобретение относится к области применения низкотемпературных плазменных устройств, то есть к установке с магнетронным распылением. Это позволяет использовать заявленное техническое решение для обеспечения равномерной эрозии катодной мишени и увеличивает эффективность использованной мишени. Более детально изобретение касается усовершенствования конструкции расположения магнитов в катоде магнетрона.
Далее в тексте заявителем приведены термины, которые необходимы для облегчения однозначного понимания сущности заявленных материалов и исключения противоречий и/или спорных трактовок при выполнении экспертизы по существу.
Магнетронное распыление
Surface and Coatings Technology
Journal of Physics D: Applied Physics
– технология нанесения тонких плёнок на подложку с помощью катодного распыления мишени в плазме газового разряда. Технологические устройства, предназначенные для реализации этой технологии, называют магнетронными распылительными системами. Принцип магнетронного распыления основан на образовании над поверхностью катода столба плазмы, образующейся в результате столкновения электронов с молекулами инертного газа, чаще всего аргона. Для эффективной ионизации аргона, под распыляемый материал (мишень) размещают магнит магнетрона. Конструкция магнита является одним из наиболее важных факторов, влияющих на процесс магнетронного распыления [M. J. Murphy, D. C. Cameron, M. Z. Karim, and M. S. J. Hashmi, “Magnetic fields in magnetron sputtering systems,” , vol. 57, no. 1, pp. 1–5, 1993], [R. Hollerweger, D. Holec, J. Paulitsch, R. Rachbauer, P. Polcik, and P. H. Mayrhofer, “Magnetic field strength influence on the reactive magnetron sputter deposition of Ta2O5,” , vol. 46, no. 33, p. 335203, 2013]. Распределение магнитного поля над мишенью влияет на траектории электронов, поскольку магнитное поле «B» захватывает электроны находящиеся вблизи поверхности катода (мишень) разряда в виде плазмы  мишени в так называемую «магнитную ловушку» и направляет их по спирали увеличивает количество столкновения с атомам аргона и, соответственно, их ионизацию.
Journal of Applied Physics
Как только электрическое поле «E» прикладывается между мишенью и подложкой, дрейф E × B заставляет электроны двигаться по спирали вокруг поверхности мишени, более неупругие столкновения электронов с атомами газа на заднем плане приводят к образованию ионов вблизи поверхности мишени [W. D. Westwood, “Sputter Deposition, AVS Education Committee Book Series,” 2003], это увеличивает скорость ионизации, дрейфовые движения играют решающую роль в различных ситуациях, таких как генерация энергичных электронов и ионов в магнитом поля магнетрона [A. Anders, “Tutorial: Reactive high power impulse magnetron sputtering (R-HiPIMS),” , vol. 121, no. 17, p. 171101, 2017]. Электрическое поле ускоряет ионы по направлению к отрицательно заряженной поверхности мишени, что приводит к более высокой скорости распыления и, следовательно, более высокой скорости осаждения на подложке, где выброшенные атомы мишени образуют паровую фазу, а затем формируют тонкую пленку на подложке [W. D. Westwood, “Sputter Deposition, AVS Education Committee Book Series,” 2003].

Известно программное обеспечение COMSOL Multiphysics – понимание, прогнозирование, оптимизация реалистичных физических процессов и устройств с помощью численного моделирования.

С помощью программы COMSOL Multiphysics моделируют конструкции, устройства и процессы во всех областях инженерных, производственных и научных исследований. С помощью платформы COMSOL Multiphysics можно анализировать как отдельные, так и взаимосвязанные физические процессы. Среда разработки моделей (в англ. Model Builder), которая позволяет пройти все этапы от построения геометрической модели, задания свойств материалов и описания физики задачи до решения и визуализации результатов моделирования.

Разработав модель, возможно создать в Среде разработки приложений (в англ. Application Builder) на её основе приложение для моделирования со специализированным интерфейсом для решения типовых задач широким кругом пользователей, в числе которых коллеги, клиенты и люди с минимальным опытом численного моделирования. Для эффективного и структурированного хранения моделей и приложений платформа COMSOL Multiphysics содержит Систему администрирования моделей (в англ. Model Manager), которая представляет собой среду для эффективного хранения моделей в базе данных, контроля и управления различными версиями моделей и сопряженных файлов.

Чтобы создавать модели для решения специализированных прикладных и инженерных задач, можно дополнять возможности программного пакета COMSOL Multiphysics модулями расширения в любом их сочетании. Они открывают доступ к дополнительным специализированным инструментам, но при этом доступны в едином пользовательском интерфейсе и совместно функционируют как единое целое вне зависимости от того, какие физические явления вы моделируете.
–
Surface and Coatings Technology
Review of Scientific Instruments
Surface engineering
Известно изучение влияние магнитного поля на профиль эрозиигде переменная напряженность магнитного поля приводит к неравномерной эрозии мишени [A. M. Hofer-Roblyek, K.-H. Pichler, C. Linke, R. Franz, J. Winkler, and C. Mitterer, “Linking erosion and sputter performance of a rotatable Mo target to microstructure and properties of the deposited thin films,” , vol. 352, pp. 354–359, 2018]. Чтобы обеспечить более равномерную эрозию мишени, Ejima изменил конфигурацию магнита, создав множество вертикальных нулевых пятен в магнитном поле на поверхности катода [S. Ejima and Y. Shimizu, “Magnetic dome configuration for magnetron sputtering,” , vol. 72, no. 5, pp. 2374–2379, 2001]. Чтобы получить высокую и постоянную скорость осаждения, Xiang-Qian построил структуру с сильным магнитным полем, которая покрывала всю поверхность катода [M. Yehya and P. J. Kelly, “Novel enhanced magnetron sputtering system,” , vol. 20, no. 3, pp. 177–180, 2004].
Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films
Society of Vacuum Coaters 49 th Annual Technical Conference Proceedings
Journal of Physics D: Applied Physics
Результаты, представленные в [E. Shidoji, M. Nemoto, and T. Nomura, “An anomalous erosion of a rectangular magnetron system,” , vol. 18, no. 6, pp. 2858–2863, 2000], [G. Buyle, D. Depla, K. Eufinger, R. De Gryse, and W. De Bosscher, “Monte Carlo simulation of anomalous erosion in large area sputter magnetrons,” 2005], [Y. Yang, X. Liu, X. Chen, L. Cha, S. Xu, and C. Fan, “Cross corner effect in rectangular magnetron sputtering: experiments and monte carlo simulation.,” in , 2006, pp. 173–177], показывают, что при более внимательном рассмотрении профиля эрозии сверху видно, что профиль эрозии не является однородным, и аномальная эрозия произошла в криволинейном сечении с перпендикулярным магнитным полем чем 200 G на поверхности мишени. Для прямоугольных мишеней это видно по эффекту поперечного угла [Q. H. Fan, L. Q. Zhou, and J. J. Gracio, “A cross-corner effect in a rectangular sputtering magnetron,” , vol. 36, no. 3, p. 244, 2003]. Это явление связано с тем, что дрейфовая скорость электронов E×B уменьшается при дрейфе из изогнутой области, что является результатом более слабого магнитного поля в изогнутой области по сравнению с полем в прямолинейной области. Поскольку эта аномалия возникает в обеих искривленных областях, она становится ограничивающим фактором для мишени использования.
Известно изобретение по патенту DE 3331406 «Распыляющий катод».  Сущностью являются катодные устройства для систем катодного распыления, содержащие пластину-мишень из распыляемого материала, магнитную систему, расположенную за пластиной-мишенью с противоположными полюсами, которые расположены в таком положении относительно пластины-мишени, что по крайней мере часть поля линии, исходящие от полюсов, выходят через пластину-мишень и снова входят в нее, причем пластина-мишень представляет собой разъемную часть корытообразного полого тела 3, в котором размещена магнитная система 5, отличающаяся тем, что ферромагнитные части в области полюсов магнитная система (6 S 6a, 5b) подведена к задней части мишени (12). 2. Катодная установка по п.1, отличающаяся тем, что полый корпус (2) имеет дно (4) для размещения пластины-мишени (12), которая в нижней части в полюсной зоне магнитной системы (6 ) используются полосы (13, 14) из ферромагнитного материала, которые замыкают магнитную цепь между магнитной системой и мишенью, а остальная часть пола состоит из немагнитного материала. 3. Катодная установка по п.1, отличающаяся тем, что мишень (12) размещена на раме (3а) газонепроницаемо и непроницаемо для жидкостей и вместе с этим образует полый корпус (2) и что магнитная система (6) сама простирается до задней части визирной пластины. 4. Способ изготовления полого тела по п.2, отличающийся тем, что соединение ферромагнитных полос (13, 14) с немагнитным материалом основания (4) осуществляют электронно-лучевой сваркой.
Недостатком известного технического решения является то, что такая магнитная система создает неоднородность распределения магнитного поля над мишенью, что приводит к малому коэффициенту использования материала мишени, малым скоростям нанесения покрытий из-за узкой зоны эрозии и неравномерной эрозией мишени, что приводит к неоднородности толщины покрытий на подложки.
Известно изобретение по патенту FR2534276 «Способ и устройство для нанесения покрытия на изделие методом катодного напыления», сущностью является магнитный процесс нанесения покрытия на деталь катодным напылением так называемого w-игнетронного типа, отличающийся тем, что магнитное поле создается в результате наложения элементарных магнитных полей, комбинация которых такова, что результирующее поле одновременно имеет следующие три символа: а) - на поверхности мишени (2) и какой бы ни была степень эрозии и толщина последней, значение компоненты вектора магнитного поля, параллельной мишени (2), находится в пределах от 50 до 9QO Эрстеда;  б) - на поверхности мишени (2) и при любой степени ее эрозии значение составляющей вектора магнитного поля, параллельной мишени (2), не изменяется более чем на +20 % по отношению к ее среднему значению не менее чем на 60 % целевой площади (2); в) - у поверхности мишени и какой бы ни была степень эрозии последней, значение компоненты вектора магнитного поля в плоскости, параллельной мишени, не изменяется во времени более чем на +20 с от его среднего значения. Устройство с магнитным полем для реализации способа по п.1, отличающееся тем, что оно образовано сборкой сборочных единиц, изготовленных из постоянных магнитов и ферромагнитных деталей с высокой магнитной проницаемостью. Устройство магнитной цепи для реализации способа по п.1, отличающееся тем, что она образована сборкой сборочных единиц из магнитных катушек и ферромагнитных сердечников с высокой магнитной проницаемостью. Устройство магнитопровода по п.2, отличающееся тем, что оно образовано сборкой узлов из постоянных магнитов, магнитных катушек и ферромагнитных сердечников с высокой магнитной проницаемостью. Устройство с магнитной цепью по любому из пп.2 и 3, отличающееся тем, что магниты имеют ламинированную структуру, то есть образованы пакетом из нескольких элементарных магнитов О. Устройство магнитной цепи по любому из пп.2 и 5, отличающееся тем, что на поверхности мишени (2) значение составляющей вектора магнитного поля, параллельной мишени (2), поддерживается постоянным в течение времени, то есть по мере износа мишени (2), путем добавления или вычитания сборок, установленных параллельно, для получения соответствующей интенсивности магнитного поля. Устройство магнитопровода по перепроданному катиону 3, отличающееся тем, что на поверхности мишени (2) значение компоненты вектора магнитного поля, параллельного мишени (2), остается неизменной с течением времени по мере износа мишени (2) за счет изменения интенсивности электрического тока, который проходит через каждую из магнитных катушек различных подсборок. Устройство магнитной цепи по одному из пп.2 и 3, отличающееся тем, что постоянные магниты различных узлов выполнены из феррита, никеля, или кобальт-редкоземельный сплав, или любой другого подходящего материала. Устройство магнитной цепи по по пп.2 и 3, отличающиеся тем, что сердечники ферромагнетики изготавливаются из мягкого железа или любого другого материала с высокой магнитной проницаемостью.
Таким образом, по известному патенту магнетрон с магнитной системой выполнен из расположенных периферийных и центральных магнитов, замкнутых между собой, с плоскими расположенными по периферии и в центре магнитной системы.
Однако магнитная система известного устройства создает недостаточно мощное магнитное поле над поверхностью мишени, и из этого следует необходимость повышения значение подаваемого электрического тока для повышения напряженности магнетронного разряда. Кроме этого, известная магнитная система образует магнитное поле на обратной стороне магнетрона (на нерабочей), что может приводить к возникновению на обратной стороне нежелательных разрядов.
Недостатком известной конструкции планарного магнетрона являетсянеравномерная эрозия мишени вследствие того, что конструкции магнита на месте закругления приводит к более слабому магнитному полю, особенно в изогнутой области от поверхности эрозии, что приводит к уменьшению скорости дрейфа электронов в изогнутой области. В результате низкой скорости дрейфа электронов происходит неравномерная генерация бомбардировочных ионов, как следствие, эрозия мишени будет неравномерной.
При этом в заявленной магнитной системе создается достаточно мощное магнитное поле над поверхностью мишени вследствие того, что в заявленном техническом решении установлены более округлённые (округлые) дугообразные центральные магниты. При этом в заявленной магнитной системе не образуется магнитное поле на обратной стороне магнетрона.
Техническим результатом заявленного технического решения
является повышение равномерности эрозии мишени путем оптимизации конструкции магнита посредством добавления двух магнитов дугообразной формы по левую и правую стороны от центрального линейного с возможностью достижения равномерного распределения магнитного поля и, как следствие, равномерной эрозии прямоугольной мишени, и решения проблемы возникновения аномальной эрозии от изогнутой области исключительно прямоугольной мишени, а именно: равномерное распределение магнитного поля на мишени обеспечивает равномерное распределение дрейфовой скорости электронов E×B, что приводит к равному потоку бомбардировочных ионов на мишень, что далее приводит к равномерной эрозии на всех участках эрозии катода, предотвращает аномальную эрозию катода и обеспечивает надежность магнетронного распыления (напыления) на подложку, которая является анодом.
Сущностью заявленного технического решения
отличающийся тем, что
является магнетрон планарный с равномерной эрозией мишени, содержащий корпус, в котором размещены мишень и магниты,  корпус выполнен из магнитоактивного материала, мишень представляет собой прямоугольную мишень размером 530 мм x 100 мм и толщиной 10 мм, магниты представляют собой центральный линейный магнит, периферийный магнит и два магнита дугообразной формы, установленные слева и справа от центрального линейного магнита, причем упомянутая прямоугольная мишень расположена над центральным линейным и периферийным магнитами, а между центральным линейным и периферийным магнитами и нижней поверхностью упомянутой прямоугольной мишени образована герметичная полость, выполненная с возможностью входа и выхода охлаждающей воды для отвода тепла, выделяемого в прямоугольной мишени.
Заявленное техническое решение иллюстрируется Фиг.1 – Фиг.5.
На Фиг. 1
приведен 3D-вид структуры магнетрона (катода) для использования исключительно на прямоугольной мишени, при этом подложка (анод) на Фиг. не показана, где:
1 – болты,
2 – корпус,
3 – прямоугольная мишень (катод),
4 – герметичная полость между магнитами и нижней поверхностью мишени,
5 – входное и выходное отверстия для воды,
6 – периферийный магнит,
7 – линейные магниты,
8 – два дополнительных магнита дугообразной формы по левую и правую стороны от центрального магнита.
На Фиг. 2
приведено распределение магнитного поля, перпендикулярного поверхности мишени при традиционной конструкции магнита (два параллельно установленных магнита), полученное посредством программы «COMSOL», где:
- на нижней оси показана ширина магнетрона, мм,
- на левой оси показана длина магнетрона, мм,
- на правой оси показано измерение перпендикулярного магнитного поля на поверхности мишени, в единицах Гаусс .
Фиг. 3
приведен 3D-вид традиционного магнетрона со скоростью эрозии мишени по времени, где:
9 – аномальная эрозия от изогнутой области исключительно прямоугольной мишени.
- на правой оси показана скорость эрозии мишени по времени на поверхности мишени, в единицах
На Фиг. 4
приведено распределение магнитного поля, перпендикулярного поверхности мишени после добавления двух магнитов дугообразной формы, где:
- на нижней оси показано ширина магнетрона, мм,
- на левой оси показано длина магнетрона, мм,
- на правой оси показано измерение перпендикулярное магнитное поле на поверхности мишени, в единицах Гаусc (G).
- На Фиг.
5 приведен 3D-вид магнетрона со скоростью эрозии прямоугольной мишени по времени после добавления двух магнитов в конце центральной магнитной линии, где:
2
- на правой оси показана скорость эрозии прямоугольной мишени по времени на поверхности мишени, в единицах кг/м.
- Далее заявителем приведено описание заявленного технического решения.
Заявленный технический результат достигается разработкой планарного магнетрона с равномерной эрозией прямоугольной мишени. Чтобы ограничить аномальную эрозию, магнитное поле должно быть равномерное в пределах 10% на поверхности мишени как на криволинейных, так и на прямых участках эрозии.
Заявленный магнетрон состоит из следующих элементов (Фиг. 1):
– прямоугольной мишени 3 размером 530 мм x 100 мм и толщиной 10 мм;
– прямоугольная мишень 3 расположена над центральным линейным магнитом 7 и периферийным  магнитом 6;
– между магнитами 6 и 7 и нижней поверхностью прямоугольной мишени 3 образована герметичная полость 4;
– герметичная полость 4 содержит два отверстия 5 диаметром 6 мм с возможностью входа и выхода охлаждающей воды для отвода тепла, выделяемого  в прямоугольной мишени 3;
– по левую и правую стороны от центрального линейного магнита 7 установлены два магнита дугообразной формы 8 с возможностью достижения равномерного распределения магнитного поля и, как следствие, обеспечения равномерной эрозии прямоугольной мишени 3 – катода;
– все элементы собраны в корпус 2 из магнитоактивного материала, например, из нержавеющей стали, который закреплен, например, болтами 1.
пример осуществления заявленного технического решения
Далее заявителем приведены .
Пример.
Использование заявленного планарного магнетрона для достижения равномерной эрозии мишени (катода).
Берут заявленный планарный магнетрон, собранный, как описано выше (Фиг.1) Равномерное распределение магнитного поля на мишени обеспечивает равномерное распределение дрейфовой скорости электронов E×B, что приводит к равному потоку бомбардировочных ионов на мишень, что далее приводит к равномерной эрозии на всех участках эрозии катода, предотвращает аномальную эрозию катода и обеспечивает надежность магнетронного распыления (напыления) на подложку, которая является анодом.
Результаты представлены на Фиг. 4 и Фиг. 5.
На Фиг. 4 на правой оси показано измерение перпендикулярное магнитное поле на поверхности мишени, в единицах Гаусc (G).
На Фиг. 5 на правой оси показана скорость эрозии прямоугольной мишени по времени на поверхности мишени, в единицах
Для сравнения на Фиг. 2 приведено распределение магнитного поля, перпендикулярного поверхности мишени при традиционной конструкции магнита (два параллельно установленных магнита), полученное посредством программы «COMSOL», где:
- на нижней оси показана ширина магнетрона, мм,
- на левой оси показана длина магнетрона, мм,
- на правой оси показано измерение перпендикулярного магнитного поля на поверхности мишени, в единицах Гаус (G).
На Фиг. 3 приведен 3D-вид традиционного магнетрона со скоростью эрозии мишени по времени, где:
9 – аномальная эрозия от изогнутой области исключительно прямоугольной мишени.
- на правой оси показана скорость эрозии мишени по времени на поверхности мишени, в единицах
Из Примера можно сделать выводы, что по сравнению с традиционным магнетроном достигнуто:
• более равномерное распределение магнитного поля по поверхности мишени;
• большая и более равномерная эрозия катодной мишени;
• увеличение эффективность магнетрона.
достигнут заявленный технический результат
Таким образом, заявителем , а именно – разработана конструкция планарного магнетрона с равномерной эрозией мишени для равномерного распределения магнитного поля и равномерной эрозии катодной мишени, устраняющего недостатки известной конструкции магнита, а именно: обеспечено равномерное распределение магнитного поля по поверхности мишени, чем обеспечена равномерная эрозия катодной мишени и увеличена эффективность мишени.
Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна», предъявляемому к изобретениям, так как из исследованного заявителем уровня техники не выявлена совокупность признаков, приведенная в независимом пункте формулы изобретения.
Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень», предъявляемому к изобретениям, так как из исследованного заявителем уровня техники не выявлено соответствие совокупности приведенных в независимом пункте формулы изобретения признаков и совокупности полученных технических результатов.
Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость», предъявляемому к изобретениям, так как заявленное техническое решение возможно реализовать в промышленности посредством применения известных из уровня техники материалов, оборудование и технологий.