ДУАЛЬНАЯ МАГНЕТРОННАЯ РАСПЫЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
DUAL MAGNETRON SPRAY-TYPE SYSTEM

Изобретение относится к плазменной технике и предназначено для нанесения на поверхность твердых тел пленок из металлов и их соединений, синтезированных в результате взаимодействия атомов, распыленных с поверхности металлического катода, и газовой среды.
Основным узлом установки для нанесения покрытий является магнетронная распылительная система. Магнетронная распылительная система содержит анод и катодный узел, который состоит из магнитной системы и распыляемой мишени. Силовые линии магнитного поля располагаются вдоль поверхности мишени. При подаче постоянного напряжения между катодом (мишенью) и анодом в среде рабочего газа зажигают тлеющий разряд. Магнитное поле локализует плазму непосредственно у мишени. Эмитированные с поверхности мишени электроны под действием электрического и магнитного полей двигаются вдоль ее поверхности по сложным циклическим траекториям, ионизируя атомы газовой среды. Это приводит к росту концентрации ионов в плазме и увеличению скорости распыления мишени.
Известные конструкции планарных магнетронных распылительных систем (см. Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. - М.: Радио и связь, 1982, с.11) предполагают наличие плоского катодного узла и анода, подключенных к источнику постоянного напряжения. Катодный узел в самом общем случае содержит магнитный блок и водоохлаждаемую мишень, которая представляет собой пластину из распыляемого материала, покрывающую магнитный блок.
Однако реактивное напыление Sn, Ti или Al при постоянном токе неэффективно из-за неустойчивости процесса и образования дуги, которая возникает у катода, покрывающегося оксидным изоляционным слоем. Диэлектрическая пленка снижает выход атомов при распылении мишени и изменяет ее эмиссионные свойства. Образование дуги может быть уменьшено за счет периодической разгрузки катода, например, при использовании генератора переменного тока. Однако это не предотвращает осаждение изоляционного материала на стенах камеры, что приводит к гашению разряда («проблема исчезающего анода»). Напыление на высоких частотах, как возможная альтернатива, неприемлемо из-за низких скоростей напыления желаемых материалов.
За прототип выбрана дуальная магнетронная распылительная система, описанная в патенте США №6361668 B1, С23С 14/34. Sputtering installation with two longitudinally placed magnetrons / Johannes Struempfel; Guenter Beister; Wolfgang Erbkamm; Stanley Rehn, all of Dresden (DE). - Опубликован 26.03.2002 г. Она содержит два планарных магнетрона, расположенных рядом друг с другом в одной плоскости, Каждый из магнетронов содержит корпус, магнитную систему и катод-мишень. Между магнетронами расположен магнитный шунт, выполненный из магнитной стали, который перераспределяет магнитные поля, связывая магнетроны между собой. Магнетроны подключены к системе питания с изменяемой полярностью. Когда на магнетроны подается отрицательный потенциал, происходит распыление мишени ионами рабочего газа, а когда положительный - плазменные электроны высаживаются на поверхность и разряжают диэлектрическую пленку, очищая катод.
Конструкции магнетронных распылительных систем должны обеспечивать высокую скорость распыления, минимальное отрицательное воздействие на обрабатываемые изделия, равномерность нанесения покрытий по толщине, высокую надежность работы и т.д. Здесь немаловажную роль играет конструкция магнитной системы, так как от нее зависит распределение электрического потенциала в пространстве, а следовательно, режим горения разряда.
Таким образом, задачей изобретения является создание магнетронной распылительной системы, стабильно работающей при напылении оксидов металлов и обеспечивающей высокие скорости напыления.
Техническим результатом изобретения является повышение равномерности процесса распыления мишени во времени при увеличенном коэффициенте распыления.
Для решения этой задачи предлагаемая система, как и прототип, содержит два планарных магнетрона, расположенных в одной плоскости рядом друг с другом. Каждый магнетрон, в свою очередь, содержит корпус, магнитную систему и плоскую мишень. Оба магнетрона подключены к системе питания с изменяемой полярностью.
В отличие от прототипа оба магнетрона размещены в дополнительном общем корпусе изолировано от него, а между магнетронами расположена дополнительная магнитная система, полярность которой совпадает с полярностью центральных магнитов планарных магнетронов. Система питания подключена к магнетронам так, что на магнетроны одновременно подаются импульсы противоположной полярности.
Использование общего корпуса для двух планарных магнетронов позволяет изолировать их от стенок вакуумной камеры и предотвратить запыление корпусов магнетронов, что привело бы к нестабильности горения разряда. Введение дополнительной магнитной системы увеличивает силу магнитного поля, препятствуя уходу электронов из системы, что в свою очередь увеличивает скорость напыления пленок. Разнополярное питание магнетронов позволяет передать функцию анода от одного катодного узла к другому. В одном полупериоде катод окисляется, в другом очищается.
Изобретение иллюстрируется графическими материалами, где на фиг.1 схематически представлена конструкция предлагаемой дуальной магнетронной распылительной системы, а на фиг.2 приведена блок-схема одного из возможных вариантов реализации источника питания с изменяемой полярностью.
Планарные магнетроны 1 и 2 расположены в одной плоскости рядом друг с другом и закреплены в общем корпусе 10 при помощи керамических изоляторов 8. При этом оба магнетрона изолированы друг от друга. Планарный магнетрон 1 состоит из корпуса 3, выполненного из немагнитного материала и являющегося внешним магнитопроводом. В центре его расположен блок постоянных магнитов 4, служащий источником магнитного поля устройства и одновременно центральным магнитопроводом. По периметру магнетрона расположены боковые магниты 9, являющиеся боковым магнитопроводом. Корпус магнетрона 1 покрывает плоская мишень 5. Магнетрон 2 имеет аналогичную конструкцию. Его корпус 3а также выполнен из немагнитного материала и имеет в центре блок постоянных магнитов 4а, а по бокам магниты 9а, которые выполняют те же функции, что и магнитная система магнетрона 1. Корпус магнетрона 2 закрыт плоской мишенью 5а. Между планарными магнетронами 1 и 2 расположена дополнительная магнитная система 6, выполненная из постоянных магнитов, силовые линии которых замыкаются на магнитные системы каждого из соседних магнетронов. Полярность дополнительной магнитной системы совпадает с полярностью центральных магнитов 4 и 4а.
Система питания показана на фиг.2 и представляет собой импульсный блок питания, имеющий два выхода по числу планарных магнетронов. Один выход подключен к одному планарному магнетрону, второй - к другому. В первый момент времени на один планарный магнетрон подается отрицательное напряжение, на второй - положительное. Затем с помощью преобразователя 14 происходит переключение полярностей на обоих выходах блока питания. Процесс переключения полярностей контролируется процессором 13, значения тока и напряжения, подаваемые на магнетроны, задаются с помощью органов управления 12 и выводятся с помощью световой индикации 15 на дисплей 11.
Работает устройство следующим образом.
Постоянные магниты 4, 4а, 9, 9а, и 6 создают продольное магнитное поле, расположение силовых линий 7 которого показано на фиг.1. К одному планарному магнетрону от источника питания подключено положительное напряжение, а к другому отрицательное. Таким образом, один магнетрон является катодом, а другой анодом.
Когда на магнетрон 1 подается отрицательный потенциал, он начинает притягивать положительно заряженные ионы рабочего газа из плазмы. Ускоренные ионы бомбардируют и распыляют мишень 5, одновременно передавая ей свой заряд. При этом мишень 5 накапливает положительный заряд. Поле этого заряда компенсирует первоначальное поле магнетрона, находящегося под отрицательным потенциалом, и дальнейшее распыление становится невозможным, так как ионы из разряда не притягиваются к мишени 5. Одновременно на магнетрон 2 подается положительный потенциал, и второй магнетрон выполняет функцию анода. Затем полярность напряжения на магнетронах меняется. После смены полярности положительный потенциал подается на магнетрон 1, и он притягивает электроны, которые нейтрализуют заряд ионов, превращая их в атомы, таким образом очищая мишень 5 магнетрона 1. В это время магнетрон 2 выполняет функцию катода. Т.е. ускоренные из плазмы рабочего газа ионы бомбардируют мишень 5а, которая распыляется и на ней идет накопление положительного заряда, тормозящего процесс распыления. При очередной смене полярности начинает распыляться очищенная от окислов мишень 5.
Функция анода последовательно переходит от одного катодного узла к другому. Таким образом мишени 5 и 5а поочередно распыляются и очищаются. Электрический разряд горит между парой магнетронов 1 и 2 и запыление поверхности рабочей камеры оксидными пленками не влияет на свойства разряда, т.е. конструкция лишена недостатков, связанных с «проблемой исчезающего анода».
Смена полярности на магнетронах происходит с частотой 1-100 кГц. Замкнутое магнитное поле у поверхности позволяет лучше удерживать плазму разряда непосредственно у мишени 5. Наличие дополнительной магнитной системы 6 препятствует уходу электронов из системы. Это приводит к значительному росту степени ионизации плазмы, что в свою очередь повышает скорость распыления мишеней 5 и 5а, а следовательно, и повышает скорость напыления пленок. Одновременная подача отрицательного и положительного потенциалов на магнетроны позволяет получать высококачественные покрытия, т.к. напыление происходит непрерывно и во время очистки одного из магнетронов загрязнения подложки не происходит (в это время происходит напыление другим магнетроном).
Таким образом, предлагаемая конструкция МРС позволяет напылять оксидные пленки с более высокой скоростью.