Магнетронная распылительная система
MAGNETRON SPUTTERING SYSTEM

Изобретение относится к конструкциям магнетронных распылительных систем и может быть использовано для получения покрытий из металлов, диэлектриков, полупроводников и т.п. в различных отраслях промышленности, в том числе в микроэлектронике.
Известна магнетронная распылительная система, состоящая из протяженного плоского магнетронного источника распыления материала. Магнетронный источник может располагаться вертикально как по центру вакуумной камеры, так и по ее окружности. Магнетронный источник распыления материалов в общем виде представляет из себя магнитный блок с закрепленной на его поверхности распыляемой мишенью. Вокруг магнетронного источника находится вращающаяся карусель (подложкодержатель) с подложками [1]. Недостаток такой магнетронной распылительной системы является высокая неравномерность по толщине напыления по длине подложки, особенно на краях подложкодержателя. Это связано с тем, что на краях распыляемой мишени поток вещества меньше, чем в середине распыляемой мишени. Поэтому для получения приемлемой неравномерности по толщине напыляемой пленки (обычно ±10%) длину подложкодержателя необходимо уменьшать. Это приводит к уменьшению числа закрепляемых подложек на подложкодержателе (т.е. к снижению производительности) и излишнему расходу материала мишени.
Известна магнетронная распылительная система, состоящая из вертикальной карусели с вращающимися подложками и магнетронного источника расположенного в центре карусели. Для получения высокой равномерности по толщине осаждаемого материала магнетронный источник выполнен цилиндрическим, внутри которого располагается магнитная система с перемещающимся вверх-вниз магнитным полем [2, стр. 45]. Это позволяет повысить равномерность осаждаемых покрытий по толщине. Недостатками такой магнетронной распылительной системы являются сложность конструкции и невозможность распыления нескольких различных материалов в едином вакуумном цикле.
Известна магнетронная распылительная система [3], состоящая из камеры, анода, катода-мишени и магнитного блока, содержащего магнитопровод с закрепленной мишенью. Для увеличения равномерности по толщине осаждаемых покрытий по длине катода-мишени боковые магниты вблизи концов магнитного блока имеют остаточную индукцию магнитного поля на (5-15) % выше, чем в середине магнитного блока, что приводит к повышению скорости осаждения покрытия на краях мишени. Недостатками такой магнетронной распылительной системы являются: уменьшение срока службы мишени за счет более интенсивного ее распыления на концах; необходимость в дополнительных магнитах для увеличения магнитного поля и, как следствие к необходимости увеличения габаритов магнитного блока; сложность конструкции, связанная со сложной конструкцией магнитного блока.
Наиболее близким к заявляемому объекту является плоская магнетронная распылительная система, состоящая из плоского магнетронного источника (от одного до нескольких штук) и барабана с подложками [4, стр. 57]. Для получения высокой равномерности используются специальные профилированные экраны, конфигурация которых подбирается эмпирически [4, стр. 55]. Недостатками такой магнетронной распылительной системы распыления является снижение эффективной скорости осаждения, что приводит к перерасходу материала мишени, что в ряде случаев (дороговизна материала мишени) является недопустимым.
Задача изобретения - создание конструкции плоской магнетронной распылительной системы, позволяющей производить осаждение различных покрытий с высокой равномерностью по толщине на протяженные подложки.
Еще одной задачей изобретения является создание конструкции плоской магнетронной системы с максимальной площадью поверхности протяженного подложкодержателя с высокой равномерностью осаждаемых покрытий по толщине и расположенного в пределах длины магнетронного источника распыления.
Еще другой задачей изобретения является снижение расхода материала распыляемых мишеней за счет устранения корректирующих профилированных экранов.
Поставленные задачи достигаются следующим образом.
Предлагается конструкция магнетронной распылительной системы, состоящая из одного или нескольких магнетронных источников распыления, расположенных вертикально по окружности вакуумной камеры и расположенным в центре вакуумной камеры барабана с подложками, состоящего из отдельных вертикально стоящих пластин, при чем каждая из пластин выполнена в виде двух пластин, скрепленных в середине, расположенном напротив центра магнетронного источника, а края каждой из пластин отогнуты по направлению к плоскости магнетронного источника. Таким образом расстояние от магнетронного источника распыления материала до подложки расположенной на краю пластины, образующей барабан подложкодержателя, будет меньше, чем расстояние от поверхности магнетронного источника до подложки, расположенной ближе к центру одной из пластин, образующей подложкодержатель.
Подложкодержатель, состоящий из двух пластин образует в центре угол меньше 180°. Так как скорость распыления материала мишени при уменьшении расстояния увеличивается, то на концах плоских пластин будет происходит увеличение толщины осаждаемого материала, т.е. произойдет выравнивание толщины осаждаемого материала в центре подложкодержателя и на его краях. Тем самым увеличивается равномерность осаждаемого покрытия по толщине, уменьшается расход материала мишени и появляется возможность увеличения числа обрабатываемых подложек за счет увеличения линейных размеров пластин, составляющих подложкодержатель. Угол в центре двух пластин выбирается экспериментально для получения покрытий с максимальной равномерностью по толщине и обычно находится в пределах 160°-170°. При угле меньше 160° увеличиваются габариты подложкодержателя, что не всегда приемлемо, а при угле большем 170° увеличивается неравномерность осаждаемых пленок по толщине.
На фиг. 1 (а, б) показана конструкция магнетронной системы распыления. Здесь: а - вид сбоку, б - вид сверху; 1 - вакуумная камера; 2 - магнетронные источники, расположенные по окружности внутри вакуумной камеры; барабан с подложкодержателями 3 с расположенными на них подложками 4; α - угол между двумя пластинами, образующими подложкодержатель 3.
В другом варианте магнетронные источники могут располагаться в центре вакуумной камеры - по окружности, а карусель (барабан) с подложкодержателями также по окружности на периферии вакуумной камеры. При таком расположении количество пластин, составляющих подложкодержатель, может быть увеличено.
Еще в другом варианте магнетронные источники и карусель (барабан) с подложкодержателями могут располагается горизонтально также по соответствующим окружностям. При этом карусель подложкодержателей может крепиться как на передней крышке вакуумной камеры, так и на задней крышке вакуумной камеры, а магнетронные источники, соответственно, также могут крепиться как на задней крышке вакуумной камеры, так и на передней крышке вакуумной камеры.
Для проверки правильности выбранных решений была изготовлена магнетронная распылительная система, состоящая из четырех вертикально расположенных по окружности плоских протяженных магнетронных источников распыления материалов. В центре вакуумной камеры располагался барабан с подложками, состоящий из шести подложкодержателей. Каждый из подложкодержателей состоял из двух плоских пластин, соединенных посредине в центре с углом 166°. Длина зоны эрозии мишени по длине мишени размером 465 мм составляла 435 мм. Длина плоской пластины, составляющей половину одного из шести подложкодержателя составляла 220 мм при ширине 110 мм. Подложка представляла из себя пластину из стекла 220×110 мм. Неравномерность осажденной пленки алюминия по толщине на длине 220 мм была ±10%, в то время как неравномерность пленки алюминия нанесенной на подложкодержатель состоящий из двух пластин, соединенных между собой в центре под углом 180° (т.е. представляющего прямую линию) составляла ±30%, т.е. использование такого подложкодержателя в магнетронной системе распыления позволило в 3 раза повысить равномерность осаждаемых покрытий (осаждаемых пленок) по толщине. При использовании плоского подложкодержателя зона осаждаемой пленки по длине подложкодержателя с неравномерностью по толщине ±10% составляет (280-290) мм, в то время как при использовании предложенной конструкции подложкодержателя зона осаждаемой пленки с неравномерностью по толщине ±10% составляет 440 мм. Равномерность осаждаемых покрытий по ширине подложкодержателя была не хуже ±3%.
Источники информации
1. Установка магнетронного распыления Caroline D12B. Каталог вакуумно-технологического оборудования компании ЗАО НПП «ЭСТО-Вакуум». www.esto-vacuum.ru.
2. Данилин Б.С, Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. - М.: Радио и связь; 1982, с. 45
3. Патент РФ 2242281. Магнетронная распылительная система. Опубл. 20.12.2004 г.
4. Данилин Б.С, Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. - М.: Радио и связь; 1982, с. 55, 57.