Установка для вакуумного магнетронного напыления тонких пленок

Полезная модель относится к области плазменной техники, в частности к устройствам магнетронного распыления, и может быть использована для вакуумного ионно-плазменного напыления тонких пленок на поверхность подложки, для получения функциональных покрытий при производстве материалов электронной техники, а именно для конденсаторов, суперконденсаторов, аккумуляторов и подобных изделий.
Для нанесения тонких пленок методом вакуумного ионно-плазменного напыления используется явление распыления мишени в результате ее бомбардировки ионами инертного газа при низком давлении. При этом подложка размещается напротив мишени на некотором расстоянии, чтобы поток распыленных нейтральных атомов мишени попадал на подложку и осаждался на ее поверхности, образуя слой (тонкую пленку) из распыленного материала. Источником осаждаемого материала является магнетронное распылительное устройство (МРУ) или магнетронная распылительная система (МРС). Она содержит катод-мишень, анод и магнитную систему. Силовые линии магнитного поля располагаются вблизи поверхности мишени. При подаче постоянного напряжения между катодом и анодом зажигается тлеющий разряд. Эмитированные с поверхности мишени электроны под действием электрического и магнитного полей двигаются вдоль нее по сложным циклическим траекториям, многократно ионизируя атомы. Это приводит к росту концентрации ионов в плазме и увеличению скорости распыления катода. Магнитное поле локализует плазму непосредственно у поверхности мишени. Конструкции МРУ условно можно разделить на коаксиальные и планарные. Планарные магнетронные системы имеют более высокие скорости осаждения из-за направленной диаграммы распыленных частиц. При нанесении пленок на плоские поверхности относительно большой площади, например тонировании листового стекла, изготовлениизеркал и т.д., используют планарные МРУ с мишенями длиной до двух метров и шириной до двадцати сантиметров (Данилин Б.С, Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. М.: Радио и связь, 1982, с. 57). Для обеспечения равномерности пленок создается несколько зон распыления мишени (или несколько изолированных катодов), относительно которых перемещается обрабатываемый образец, на который осаждается распыляемый материал.
Известна установка, которая содержит вакуумную рабочую камеру (зону обработки), в которой расположена МРУ, систему питания МРУ, систему вакуумирования, систему напуска газа, т.е. создания рабочей газовой среды в зоне обработки, систему подачи образцов в зону обработки в виде шлюзовых камер на входе и выходе рабочей камеры и конвейеров перемещения подложек, загрузочных устройств и др. (Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. М.: Радио и связь, 1982, с. 56). Система питания МРС обычно представляет собой стабилизированный регулируемый источник постоянного тока с напряжением, не превышающим 1000 В (Данилин Б.С, Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. М.: Радио и связь, 1982, с. 13).
Основными недостатками такой установки являются. При использовании многокатодных или протяженных МРС, имеющих геометрические параметры, сравнимые с размерами рабочей камеры, в разных ее точках общее и парциальные давления рабочего газа могут быть неодинаковыми, что изменяет условия осаждения и характеристики разряда, а следовательно, снижает качество и ухудшает однородность покрытия. Такая установка не пригодна для нанесения многослойных покрытий, особенно тех, процесс напыления которых выдвигает различные требования к рабочей газовой среде.
Известно устройство магнетронного распыления (Патент №123778, опубл. 10.01.2013), для нанесения тонких пленок, включающее вакуумную камеру, соединенную с системой напуска рабочего газа, расположенные в ней подложку, представляющую собой анод, тело катода, мишень, магнитную систему магнетрона, находящуюся за мишенью и предназначенную для генерации магнитного поля, и дополнительные магниты, предназначенные для генерации внешнего магнитного поля. Мишень выполнена с размерами, сопоставимыми с размерами подложки, дополнительные магниты закреплены стационарно за подложкой со стороны, противоположной телу катода, а тело катода неподвижно закреплено на проставке из немагнитного материала.
Недостатком данной установки является то, что на ней нельзя использовать ленточные, рулонные материалы в качестве подложки.
Известно устройство нанесения покрытия на ленточный рулонный материал - лавсановую пленку для использования в электронной промышленности и нанесения декоративных покрытий (Патент №2208658, опубл. 20.07.2003). Устройство содержит средство транспортирования пленки, вакуумную камеру, направляющую опору, напылительную станцию с термическим, или электронно-лучевым, или дуговым, или магнетронным испарителем, средство напуска балластного газа в пространство между пленкой и направляющей опорой. Устройство имеет шлюзовую систему, состоящую из дополнительной камеры, выполненной в направляющей опоре, и форвакуумный насос, откачивающий балластный газ из дополнительной камеры. Станция напыления состоит из испарителя, в котором расположено испаряемое вещество. Экраны предохраняют стенки камеры от загрязнения. Испаряемое вещество напыляется на пленку, которая движется с подающей катушки через ролик к направляющей опоре. После нанесения покрытия пленка движется от направляющей опоры через ролик к приемной катушке.
Недостатком является то, что в данном устройстве существует проблема охлаждения ленточного материала. Материал подложки во время напыления испытывает очень большую тепловую нагрузку из-за конденсации напыляемого материала и излучения испарителя за счет использования круглого барабана, на который натягивается рулонный материал при протяжке его через рабочую камеру. Материал подложки можно использовать только с одной стороны.
В качестве прототипа можно выбрать вакуумную установку магнетронного напыления тонких пленок УВНМ.Э-100/125-003 «Магна 2М» представленную в учебном пособии («Технология интегральной электроники», под общ. ред. А.П. Достанко и Л.И. Гурского. - Минск: «Интегралполиграф», 2009, стр 179-182, 190-192). Установка включает вакуумную камеру с системой откачки и напуска рабочего газа, вдоль которой расположены по крайней мере два плоских катода -мишени и магнитная система магнетронов, находящаяся за катодом-мишенью, а также подложка с системой перемещения вдоль рабочей камеры. «Магна-2М» предназначена для нанесения одно- и многослойных пленок из алюминия и его сплавов на кремниевые подложки диаметром 76, 100 и 125 мм магнетронным распылением. Установка имеет две шлюзовых камеры с кассетами для подложек и систему транспортных устройств с ленточным конвейером для перемещения полупроводниковых подложек между кассетами, три магнетронных распылительных устройств и микропроцессорную систему управления с дисплеем.
Недостатком данной установки является то, что она предназначена для нанесения многослойных пленок из алюминия и его сплавов на кремниевые подложки и не обеспечивает напыление на ленточную подложку смешанного покрытия с комбинированным составом, т.е. нанесение одного комбинированного слоя.
Технической задачей данного решения является создание установки, которая позволяет расширить функциональные возможности, за счет получения на ленточной подложке нанометрического равномерного покрытия многокомпонентного состава, имеющего улучшенные механические свойства.
Поставленная задача достигается тем, что установка вакуумного магнетронного напыления тонких пленок содержит вакуумную камеру, вдоль которой расположены по крайней мере два магнетронных распылительных устройства, содержащих плоские катоды -мишени и магнитную систему, находящуюся за катодом-мишенью. Установка также включает систему откачки и напуска рабочего газа в вакуумную камеру и систему перемещения подложки вдоль вакуумной камеры с ленточным конвейером. Новым является то, что вдоль внешней боковой поверхности катодов-мишеней установлены экраны в виде металлических пластин, которые электрически изолированы от катода-мишени и выступают за их поверхность. Катоды-мишени выполнены из разных материалов. К ленточному конвейеру, перемещающему ленточную подложку многократно вдоль вакуумной камеры, подключен источник постоянного тока, создающий на подложке положительный относительно катода-мишени потенциал. Кроме этого ленточный конвейер перемещения подложки установлен на валах, перемещающих подложку вдоль вакуумной камеры, и закреплен на металлическом основании, а источник постоянного тока подключен к основанию ленточного конвейера. Катоды-мишени выполнены - один из металла, другой из углерода.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг 1 представлен общий вид предлагаемой установки, на фиг. 2 представлено магнетронное распылительное устройство, фиг. 3 - представлено изображение слоя напыляемой пленки на стеклянный образец.
Вакуумная установка магнетронного напыления тонких пленок содержит (фиг. 1) рабочую вакуумную камеру 1, соединенную с системой откачки 2 и системой напуска 3 рабочего газа. Для высоковакуумной откачки используют, например, паромасляный насос. В качестве рабочего газа может быть использован, например, аргон. Корпус рабочей камеры имеет прямоугольную форму с фланцами, установленную на четырех стойках на платформе. Сверху вакуумная камера имеет крышку 5. На передней панели расположены смотровые окна, предназначенные для визуального контроля за процессом в камере. В средней части вакуумной камеры расположены магнетронные распылительные устройства (МРУ) 4. В оптимальном случае используют два МРУ, но при необходимости может быть использовано три и больше. МРУ расположены последовательно вдоль рабочей камеры и закреплены через изоляторы на верхней части крышки 5 вакуумной камеры 1. Каждое магнетронное распылительное устройство включают (фиг. 2) плоский катод-мишень 6, выполненный из распыляемого материала, за которым, по отношению к подложке 7, расположена магнитная система 8. Катоды-мишени 6 каждого МРУ выполнены из разных материалов, например, - один выполнен из металла, а другой из углерода. Из металлов для изготовления катода-мишени может быть использован титан, серебро, медь, магний, алюминий. Анод соединен и примыкает к верхней части крышки 5 вакуумной камеры. Вдоль внешней боковой поверхности катодов-мишеней 6 относительно центральной линии вакуумной камеры установлены экраны 9 в виде металлических пластин. Таким образом при использовании двух МРУ вдоль внешней стороны каждого катода-мишени расположен один экран. При использовании трех МРУ экраны установлены на крайних катодах-мишенях с внешней стороны (со стороны вакуумной камеры). Пластины экранов 9 электрически изолированы от катода-мишени 6, например, расположены с зазором, образованным между поверхностью пластины и катодом-мишенью. Пластины экранов 9 выступают на 20-30 мм за поверхность катодов-мишеней 6. В рабочей камере расположен ленточный конвейер 10 перемещения ленточной подложки вдоль рабочей камеры 1, который предназначен для передачи возвратно-поступательного движения и многократной протяжки ленточного материала подложки 7 через рабочую зону вакуумной камеры для получения одностороннего покрытия на материале подложки. Ленточный конвейер 10 установлен и перемещается на валах 11 вдоль вакуумной камеры и закреплен на основании 12 в виде металлической рамы. Рама конвейера через изоляторы закреплена на корпусе вакуумной камеры. На конвейере 10 натянут, закреплен и перемещается - вращается вдоль рабочей камеры - материал ленточной подложки 7, которая выполнена, например, из нетканого волокнистого или эластичного материала.Такая конструкция ленточного конвейера позволяет несколько раз перемещать ленточный материал подложки 7 вдоль рабочей камеры 1 под магнетронными распылительными устройствами 4 в одном направлении, а также выполнять возвратно-поступательные движения. На ленточном конвейере 10 установлен датчик перемещения подложки 13, например, герконовый датчик. К металлическому основанию ленточного конвейера 10 подключен источник постоянного тока 14, создающий на подложке положительный относительно катода-мишени 6 потенциал. МРУ подключены к источнику питания постоянным током 15 и имеют систему охлаждения 16. Установка вакуумного магнетронного напыления имеет блок управления 17 для управления ленточным конвейером, напуском рабочего газа в зоны распыления, режимами работы магнетронных распылительных устройств 4.
Установка работает следующим образом. Включают источники питания 15 постоянным током МРУ. При подаче постоянного напряжения между катодом и анодом МРУ зажигается тлеющий разряд. Запускают ленточный конвейер 10 перемещения подложки вдоль рабочей камеры 1. В рабочей камере системами откачки 2 и напуска 3 предварительно производят откачку воздуха и напуск рабочего газа - аргона. На основание 12 ленточного конвейера от источника постоянного тока 14 подают напряжение и создают положительной относительно мишени 6 потенциал. Может быть подано напряжение >1000 В. В процессе напыления при прохождении ленточной подложки 7 через зону работы магнетронных распылительных устройств 4 на поверхности подложки формируют тонкий слой покрытия, содержащий элементы (молекулы и атомы) материалов, из которых выполнены мишени 6. Использование двух и более МРУ, имеющих мишени, выполненные из разных материалов, например, одна мишень выполнена из титана, а другая - из углерода, позволяет создать смешение этих материалов в плазме и получить двухкомпонентное металл-углеродное покрытие. За счет использования экранов 9 сбоку от катодов-мишеней 6 плазма, образуемая МРУ, концентрируется на определенном участке, т.е. потоки частиц с разных мишеней перенаправляют навстречу друг другу и задают определенную ограниченную геометрию плазмы. При этом плазма распыляемых материалов с разных мишеней смешивается в процессе напыления в пространстве между экранами и осаждается на участке подложки, расположенной под мишенями, создавая равномерное однородное покрытие многокомпонентного состава. Компоненты разных материалов создаются каждый из определенной мишени, а осаждаются на подложку совместно, образуя заданное многокомпонентное покрытие. Положительный потенциал, создаваемый источником постоянного тока 14 на ленточном конвейере 10 перемещения подложки по отношению к мишени 6 при напылении на подложку слоя материала, содержащего ионы металла, заряжает подложку и напыляемый слой также положительно по отношению к мишени. Это увеличивает разницу потенциалов и способствует ускорению процесса осаждения частиц распыляемого материала на участок подложки под мишенями. За счет этого увеличивается равномерность и плотность заполнения частицами материала подложки, а также обеспечивается стабильность механических свойств образуемого покрытия во времени. При напылении тонких пленок ионно-плазменным распылением атомы металла или молекулы углерода обладают, благодаря характерной для процессов ионно-плазменного распыления энергией соударения, высоким сцеплением с подложкой и покрытие получается плотным и с хорошей адгезией. Положительный потенциал на подложке увеличивает энергию соударения атомов и молекул, поэтому образующийся слой покрытия имеет еще более высокую плотность и адгезиею между поверхностью подложки и образовавшейся пленкой. Ленточный конвейер 10 с натянутой и закрепленной на нем ленточной подложкой 7 непрерывно с постоянной скоростью перематывает многократно материал подложки вдоль рабочей камеры 1. На подложке оседают слои напыляемого покрытия, равномерно распределяясь по всей длине подложки. МРУ расположены последовательно вдоль рабочей камеры 1 и ленточная подложка перемещается вдоль линии расположения МРУ, что позволяет получать по всей подложке равномерный по толщине напыляемый слой. Скорость перемещения ленточной подложки 7 относительно мишеней 6 и количество проходов под мишенями определяют с помощью герконового датчика перемещений 13. Скорость перемещения контролируют блоком управления (БУ) 17. На фиг. 3 представлено изображение слоя напыления, которое выполнено на стеклянном образце (использованы пластины силикатного монолитного материала), где представлено изображение морфологии образца с напылением при увеличении 20000 крат, указана толщина слоя напыления 247 нм. Определение толщины нанесенного слоя осуществляют методом интерференции с помощью интерферометра МИИ-4. Стеклянные образцы-свидетели выбраны потому, что определить толщину наноразмерной пленки на неровной пористой поверхности материала весьма сложно. Покрытия на стекле доступны для идентификации и тщательного исследования. Стеклянные образцы размещают в рабочей камере в процессе напыления на ленточной подложке или параллельно ей. Визуальный осмотр стеклянных образцов «на просвет» показывает, что полученный слой имеет хорошее качество напыления - плотность и равномерность наносимого покрытия. Адгезию полученного комбинированного покрытия проверяли с помощью скотча. Скотч наклеивали на покрытие и затем отрывали, при этом скотч почти не окрашивался, т.к. покрытие практически не отслаивалось. Таким образом предлагаемая установка позволяет получить на ленточной подложке нанометрическое покрытие многокомпонентного состава с улучшенными механическими свойствами - адгезией, равномерностью распределения напыляемого материала и плотностью покрытия при заполнении материала подложки, а также обеспечивает стабильность свойств покрытия во времени.