МАГНЕТРОННОЕ РАСПЫЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
MAGNETRON SPUTTERING DEVICE

Изобретение относится к области нанесения покрытий, в частности к устройствам магнетронного распыления, и может быть использовано для вакуумного ионно-плазменного нанесения тонких пленок металлов и их соединений в вакууме на различные объекты, в том числе на объемные объекты сложной геометрической формы.
Обычно магнетронные распылительные устройства содержат анод, катод и источник магнитного поля (электромагнитную катушку или постоянные магниты), помещенные в вакуумную камеру с рабочим газом. После подачи постоянного напряжения между катодом и анодом в камере зажигается тлеющий разряд. Плазма локализуется у поверхности катода магнитным полем. Электроны двигаются в скрещенных электрическом и магнитном полях над поверхностью катода по сложным циклоидальным траекториям, многократно ионизуя атомы рабочего газа. Образовавшиеся ионы ускоряются в катодном падении потенциала и распыляют поверхность катода, выполняющего роль мишени. Эмитированные при этом вторичные электроны поддерживают горение разряда. Распыленные атомы материала катода осаждаются на подложку и формируют покрытие. К магнетронным распылительным устройствам предъявляются следующие требования:
1) распылительная система должна обеспечивать высокий коэффициент использования распыляемого материала мишени, поскольку выработка (распыление) мишени неравномерна, а стоимость мишени высока, так как мишень изготавливается из материалов особой степени чистоты или из драгоценного либо редкоземельного металла.
2) химический состав напыленного материала на объекте должен соответствовать материалу мишени. Степень химической чистоты материала мишени оказывает влияние не только на качество получаемого пленочного покрытия, но и на устойчивость и стабильность процесса распыления.
3) покрытие должно быть сплошным на объектах сложной формы, попадать в углубления и закрывать выпуклости для выполнения защитных, декоративных и других требуемых функций покрытия на всей поверхности объемного изделия.
Конструкции современных магнетронных распылительных систем весьма разнообразны. Наиболее распространенными из них являются конструкции с планарными и цилиндрическими катодами.
Основным недостатком планарных магнетронов с плоским (планарным) катодом является то, что эрозия катода происходит в узкой области, ограниченной магнитным полем. Это приводит к низкому коэффициенту использования катода-мишени, равному примерно 25% и, кроме того, планарные катоды имеют имеют низкую сплошность покрытия на деталях сложной геометрической формы.
Цилиндрические магнетроны обладают рядом преимуществ по сравнению с планарными. Цилиндрические магнетроны прямого действия содержат трубчатый катод из распыляемого материала, внутри которого располагается магнитная система (при этом распыляется внешняя поверхность катода).
Если магнитная система располагается снаружи катода, то распылению подвергается его внутренняя поверхность. Такие магнетроны называются цилиндрическими магнетронами обращенного типа. В цилиндрических системах обращенного типа достигается значительно больший коэффициент использования катода (до 90%), улучшается его охлаждение, что позволяет использовать большие уровни мощности, увеличивается скорость распыления катода и производительность установки. У обращенных магнетронов эффективность использования распыленного потока выше чем, у не обращенных. (Эффективность использования распыленного потока определяется как процентное отношение распыленного материала к материалу, используемому в формировании покрытия). Цилиндрические магнетроны имеют следующие недостатки:
- используются для покрытия плоских объектов больших размеров (пластины, проволока и т.п.). Не используются для покрытий объектов сложной геометрической формы, т.к. поток распыляемых атомов имеет узкую направленность;
- невозвратные потери распыляемого материала присутствуют и в цилиндрических магнетронах обращенного типа. Эти потери обусловлены тем, что часть распыляемого материала попадает в камеру через открытые концы цилиндрических катодов. Эти потери тем больше, чем больше отношение диаметра цилиндрического катода к его длине.
В магнетронных распылительных системах в качестве мишени используются также полые катоды в форме перевернутого тигля или чаши. В таких системах возможно покрытие объектов сложной геометрической формы. Такой катод описан в патенте RU 2261288. Распылительная система с описанным выше полым катодом позволяет покрывать объекты сложной геометрической формы, но в ней также присутствую невозвратные потери распыляемого материала мишени т.к. система не закрытая.
Известен магнетрон в котором предприняты действия для уменьшения потерь распыляемого материала (патент США №6235170), включающий в себя подложку, имеющую радиус R, предназначенную для образования покрытия из материала мишени на поверхности подложки, усеченную конусообразную мишень, расположенную на расстоянии от указанной подложки и имеющую внутреннюю поверхность для распыления, катод, расположенный рядом с усеченной конической мишенью; магнитные средства, взаимодействующие с указанной усеченной конической мишенью и катодом для обеспечения магнитного поля между указанной внутренней поверхностью и поверхностью подложки, причем указанное магнитное поле содержит линии потока, проходящие по внутренней поверхности, анод, расположенный рядом с указанными магнитными средствами для взаимодействия с указанным катодом и указанными магнитными средствами для обеспечения электрической плазмы над указанной внутренней поверхностью. Указанная внутренняя поверхность усеченной конической мишени имеет максимальный радиус между 1,5R и 2,0R, а подложка расположена ортогонально оси усеченной конической мишени на расстоянии от 0,1R до 0,4R от основания указанной усеченной конической мишени.
Однако описанный выше магнетрон для распыления предназначен для получения однородных покрытий на плоских подложках, кроме того в нем присутствуют невозвратные потери распыляемого вещества, поскольку основания конической мишени открытые.
В патенте RU 2390580 описано малогабаритное магнетронное распылительное устройство обращенного типа для получения покрытий, преимущественно на проволоке или волокне, содержащее размещенные в вакуумной камере с рабочим газом анод, водоохлаждаемый распыляемый цилиндрический катод и магнитную систему, создающую над поверхностью катода магнитное поле, отличающееся тем, что цилиндрический катод выполнен с внутренним диаметром от 0,5 мм до 5 мм. В описанном устройстве плазма локализуется у поверхности катода магнитным полем, которое заставляет электроны двигаться по сложным циклоидальным траекториям над поверхностью катода, многократно ионизуя атомы рабочего газа. Образовавшиеся ионы ускоряются в катодном падении потенциала, интенсивно распыляя поверхность катода. Часть распыленного материала осаждается на подложку, а оставшаяся часть осаждается на катод и перераспыляется, тем самым уменьшаются невозвратные потери распыляемого материала.
Магнетронное распылительное устройство, описанное в патенте RU 2390580 существенно уменьшает невозвратные потери распыляемого материала, но они присутствуют из-за открытых концов цилиндрического катода. Кроме того устройство предназначено только для нанесения покрытий на тонкую проволоку, т.к. внутренний диаметр цилиндра (катода-мишени) куда помещают объект для напыления на нем покрытия (подложку) с диаметром менее 5 мм.
В описанном устройстве катод изготовлен из распыляемого материала, что обуславливает не полное использование распыляемого материала, т.к. катод невозможно полностью распылить. Процесс распыления прекращается, когда толщина стенок в зоне максимального распыления уменьшится до минимального критического значения. Если использовать катод, в котором на внутренней поверхности создан слой из распыляемого дорогостоящего материала, то стремление более полно использовать дорогостоящий материал может привести к ухудшению качества наносимого покрытия из-за распыления основы катода.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание магнетронного распылительного устройства, обеспечивающего нанесение покрытий на объекты сложной геометрической формы с требуемым качеством (сплошностью и однородностью толщины) напыления и уменьшение невозвратных потерь распыляемого материала в процессе нанесения покрытий на объекты.
Для достижения поставленной цели магнетронное распылительное устройство обращенного типа, включающее в себя размещенные в вакуумной камере с рабочим газом анод, распыляемый полый катод с расположенными внутри объектами напыления, магнитную систему, создающую над поверхностью катода магнитное поле, дополнительно содержит второй полый катод с магнитной системой, причем первый и второй катоды имеют форму вогнутых полых чаш, обращенных друг к другу и в рабочем состоянии разъемно соединенных горловинами, образуя таким образом замкнутый (непрозрачный) для распыляемого материала объем, в котором обеспечено встречное от первого и второго катодов, движение атомов распыляемого материала по траекториям, имеющим большой диапазон углов направленности потока распыляемого материала относительно центральной плоскости держателя объектов (от 2° до 90°, осесимметрично, полный диапазон 174° с каждого катода).
Магнетронное распылительное устройство может быть дополнено вторым анодом, а на держатель объектов может подаваться управляющий потенциал.
В качестве катодов предлагается использовать двухкомпонентные катоды, включающие в себя основу (оболочку) из недорогого и легко обрабатываемого материала на которую нанесен дорогостоящий высокочистый или драгоценный распыляемый материал.
Магнетронное распылительное устройство дополнительно может содержать оптоволоконные щупы, установленные в полом катоде и покрытые тем же материалом, что и распыляемая поверхность катода, фотоприемник установленный вне катода и соединенный с управляющим устройством, расположенным вне магнетронного распыляющего устройства, выход которого соединен с источником питания магнетронного распыляющего устройства.
Таким образом, нанесение покрытий на объекты сложной геометрической формы обеспечивается благодаря использованию двух полых катодов, установленных напротив друг друга и разъемно соединенных, что позволяет размещать внутри системы объекты сложной геометрической формы. Причем встречное от первого и второго катодов движение атомов распыляемого материала происходит по траекториям с диапазоном углов направленности потока распыляемого материала относительно центральной плоскости держателя объектов от 2° до 90°, осесимметрично. Сплошное покрытие объектов сложной формы обеспечивается за счет большого диапазона углов направленности потока распыляемого материала катода (полный диапазон плоского угла 174° с каждого катода). Размер объектов ограничивается размерами катодов. Объект для нанесения покрытия, помещенный в замкнутый объем, образованный двумя катодами должен быть расположен таким образом, чтобы имелась возможность напыления на криволинейные выпуклые и вогнутые поверхности, но сам объект не перекрывал прикатодную область разряда. Для большей равномерности покрытия на объектах предельно сложной формы держатель объекта может иметь вращательные, качательные и линейные степени свободы и механические приводы, реализующие движения в направлениях степеней свободы.
Катоды, выполненные в виде вогнутых полых чаш, которые соединены горловинами, причем соединение не прозрачно для распыляемого материала, образуют закрытую обращенную распыляющую систему, практически исключающую невозвратные потери распыляемого вещества.
Введение второго анода и подача потенциала на держатель объектов позволяет управлять энергией потока ионов к объекту и изменять такие характеристики напыляемого покрытия как адгезия, плотность покрытия, скорость напыления.
Требуемое качество напыления (чистота напыления) обеспечивается введением контроля за остаточной толщиной слоя распыляемого материала. Контроль за толщиной остаточного слоя осуществляется путем наблюдения свечения плазмы через оптоволоконный щуп, вмонтированный в катод-мишень и сделанный из того же материала, что распыляемый слой мишени. Щуп расположен в зоне максимальной эрозии и покрыт распыляемым металлом в одном процессе с мишенью. При остаточной толщине слоя распыляемого материала менее 50 нм, интенсивность излучения плазмы экспоненциально растет с уменьшением толщины и становится измеримой фотоприемным устройством на втором конце оптического волокна (см. фиг. 2.). При достижении порогового значения интенсивности, управляющее устройство выдает сигнал на прекращение процесса распыления (отключается питание распылительного устройства) и информирует оператора о необходимости замены мишени. Для устойчивой работы системы можно использовать несколько волоконных щупов, вмонтированных в различные области катодов и соединенных вторым концом с одним или несколькими фотоприемными устройствами.
Основа двухкомпонентного катода может быть изготовлена из объемного материала (например, меди) методом механической обработки (точение, фрезерование, шлифовка, полировка) штамповки или литья. Такой катод непрозрачен для атомов распыляемого металла. Распыляемый металл, например родий, нанесен на внутреннюю, не распыляемую поверхность основы катода, например методом термического испарения в вакууме, обеспечивающим однородную зернистую структуру и текстуру распыляемого слоя внутренней поверхности катода.
Заявляемое магнетронное распылительное устройство показано на фиг. 1.
На рисунке изображен вариант устройства с двумя анодами.
На фиг. 2 показана зависимость уровня сигнала на фотоприемнике от толщины остаточного слоя родия. Расчет производился для центральной длины волны от 800 нм до 900 нм, что соответствует максимуму чувствительности распространенных фотоприемников на основе Si и GaAs, по данным для показателя поглощения металлического родия.(Источник информации « Handbook of optical constants of solids» / Palik E. D. - San Diego: Academic Press, 1998.)
Магнетронное распылительное устройство содержит вакуумную камеру 1, в которой размещены первый 2 и второй 3 аноды, установленный между чашами первого катода 4 и второго катода 5, магнитные системы первого и второго катодов 6 и 7, расположенные вблизи катодов, держатель напыляемых объектов 8, с объектом напыления 9, оптоволоконный щуп 10, фотоприемник 11 установленный вне катода и соединенный с управляющим устройством 12, выход которого соединен с источником питания 13. Соединение катодов осуществляется через изолирующие прокладки и вставки (на фиг. 1. не показаны) любым из методов соединения фланцев, например соединение типа байонет, оставляя при этом проходы для откачки и напуска газов.
Стрелками 14 показаны направления потоков распыляемого материала катодов. Распыляемые потоки 14 в каждой точке направлены перпендикулярно распыляемой поверхности 15. За счет вогнутой поверхности катодов 4 и 5 распыляемые потоки 14, попадающие на объект 9 имеют разные углы 16 с плоскостью держателя объектов.
Возможный вариант реализации магнитной системы описан в патенте US 7569123.
Устройство работает следующим образом. На держателе 8 закрепляются объекты 9, которые необходимо покрыть распыляемым металлом, держатель 8 устанавливается в замкнутом объеме, образованном катодами 4 и 5 и анодами 2 и 3. Вакуумная камера 1 закрывается, система откачки (на фиг. 1. не показан) создает необходимый вакуум и в камеру 1 подается рабочий газ (аргон). Рабочий газ через имеющиеся проходы в соединении катодов 4 и 5 заполняет объем между рабочими поверхностями катодов. На электроды магнетрона с источника питания 13 через управляющее устройство 12 подается необходимое напряжение (от 300В до 700В). Магнитные системы 6 и 7 создают над рабочей поверхностью катодов 4 и 5 магнитное поле. Над внутренней поверхностью катодов возникает магнетронный разряд, положительные ионы которого бомбардируют двухкомпонентные катоды, распыляя поверхность 15. Часть распыляемого материала осаждается на объект, расположенный на держателе 8, а оставшаяся часть осаждается на противостоящий катод и в дальнейшем перераспыляется, тем самым практически исключаются невозвратные потери распыляемого материала (остаются потери материала, осажденные на держателе, анодах и попавшие в места соединений катодов.)
В случае необходимости коррекции таких характеристик покрытия как адгезия, плотность покрытия, скорость напыления, изменяют потенциал анодов и держателя объектов.
При увеличении положительного управляющего потенциала на держателе, ионный ток к объекту уменьшается, а при уменьшении и подаче отрицательного потенциала - увеличивается, что позволяет влиять на процессы формирования покрытия и проводить предварительные ионные обработки поверхности.
Далее, контроль за толщиной остаточного слоя осуществляется при наблюдении свечения плазмы через оптоволоконный щуп 10, вмонтированный в катод 5. Щуп 10 расположен в зоне максимальной эрозии и покрыт распыляемым металлом в одном процессе с мишенью. Интенсивность излучения плазмы экспоненциально растет с уменьшением толщины, при остаточной толщине распыляемого слоя около 50 нм и менее становится измеримой фотоприемником 11 на втором конце оптического волокна. Результаты измерения фотоприемник передает на управляющее устройство 12. При достижении порогового значения интенсивности излучения, устройство 12 формирует сигнал на прекращение процесса распыления, отключает источник питания распылительной системы 13 и информирует оператора о необходимости замены (восстановления) мишени. Для устойчивой работы системы можно использовать несколько оптоволоконных щупов, вмонтированных в различные области катода и соединенных вторым концом с одним или несколькими фотоприемными устройствами.
Предлагаемое магнетронное распылительное устройство обеспечивает равномерное покрытие объектов напыления, в том числе сложной геометрической формы при минимальных невозвратных потерях распыляемого материала.
Источники информации
1. Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы // М.: Радио и связь, 1982,72 с.
2 Патент US 6235170 оп. 22.05.2001 МПК С23С 14/35 «Conical sputtering target» (Коническая мишень для распыления)
3 Патент RU 2390580 оп. 27.05.2010 МПК С23С 14/35 «Малогабаритное распылительное устройство»
4 Патент RU 2261288 оп. 10.01.2005 МПК С23С 14/34 «Полая катодная мишень и способы ее изготовления»
5 Патент US 7569123 оп 04.08.2009 МПК С23С 14/32 «Optimizing target erosion using multiple erosion regions in a magnetron sputtering apparatus » (Оптимизация распыления мишени с использованием нескольких областей в магнетронном распылительном аппарате)
6. Handbook of optical constants of solids. / Palik E. D. - San Diego: Academic Press, 1998.