установка для нанесения тонкослойных покрытий

Формула изобретения

1. Установка для нанесения тонкослойных покрытий, содержащая магнетронную распылительную систему (МРС), размещенную в герметизированной рабочей камере, систему питания МРС, вакуумную систему и систему напуска газа в рабочую камеру, шлюзовые камеры на входе и выходе рабочей камеры и механизм перемещения подложек, отличающаяся тем, что система питания МРС снабжена блоком сравнения средних значений мощности, а также скоростей изменения тока и напряжения с опорными сигналами, выход блока сравнения подключен к прерывателю тока в цепи питания МРС и, через линию задержки, к стартовому устройству запуска системы питания МРС.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что выходная шлюзовая камера выполнена в виде глухого кармана.

3. Установка по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что система напуска газа в рабочую камеру выполнена многоканальной, причем расстояние между инжекционными отверстиями не превышает 100 см.

4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что камера напыления разделена диафрагмами на отдельные отсеки, каждый из которых снабжен отдельной системой напуска газа.

5. Установка по любому из пп.1 - 4, отличающаяся тем, что во входной шлюзовой камере дополнительно установлены электроды, подключенные к дополнительному источнику высокого напряжения.

6. Установка по п.5, отличающаяся тем, что источник высокого напряжения выполнен импульсным.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к плазменной вакуумной технике и предназначено для нанесения покрытий на поверхность преимущественно диэлектрических материалов в виде тонких пленок из металлов, их оксидов, нитридов и других соединений, синтезированных в результате взаимодействия рабочего газа с распыленными атомами катода.

Источником осаждаемого материала является 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.

Весьма полное описание возможных конструкций МРС представлено в монографии Данилина Б.С., Сырчина В.К. Магнетронные распылительные системы. - М.: Радио и связь, 1982, с. 72.

Условно их можно разделить на коаксиальные и планарные.

Коаксиальные конструкции (Кривобоков В.П., Кузьмин О.С., Легостаев В.Н. Магнетронная распылительная система. Заявка на патент РФ N 95121032, 13.12.95) имеют весьма большую удельную (на единицу площади мишени) производительность. Они отличаются большим коэффициентом использования материала. Обеспечивают высокую однородность по длине, легко монтируются и имеют ряд других преимуществ, но подобным системам свойственны и некоторые недостатки, наиболее существенными из них являются следующие:

а) катод в виде трубы обладает сравнительно большой стоимостью;

б) при обработке плоских листовых материалов значительная часть распыленных частиц летит под острым углом к обрабатываемой поверхности. В результате большого пробега в среде рабочего газа они термализуются и поэтому имеют относительно малые энергии, что создает проблемы обеспечения необходимой адгезии пленок по отношению к подложке.

Планарные магнетронные системы имеют более высокие скорости осаждения из-за направленной диаграммы распыленных частиц, однако в них область эрозии катода представляет собой узкую полосу в виде замкнутого трека, а коэффициент использования материала никогда не превышает 26%. Реально он составляет всего 10-15%.

С размером и формой зоны эрозии, а также с диаграммой направленности и транспортировкой распыленных частиц связана проблема равномерности наносимых пленок. Для небольших поверхностей она решается либо выбором геометрии мишени, либо сканированием подложкой или магнитным полем.

При нанесении пленок на плоские поверхности большой площади, например тонировании листового стекла, изготовлении зеркал и т.д., используют планарные МРС 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. Естественно, что увеличение площади и числа катодов требует приложения больших мощностей (до 100 кВт) и при этом не решается до конца проблема равномерности покрытий на периферийных участках, возникают новые трудности, связанные с отводом тепла от магнетронов и др.

Имеются возможности улучшить качество покрытия, прежде всего его равномерности на периферийных участках обрабатываемого объекта, путем повышения интенсивности распыления мишени на этих участках локальным увеличением напряженности магнитного поля (Ананьин П.С., Кривобоков В.П., Кузьмин О.С., Легостаев В. Н. Магнетронная распылительная система. Заявка на патент РФ N 96113838, 09.07.96). Однако она тоже не решает всех проблем. Одним из основных недостатков подобной системы является существенная неоднородность распыления катода по длине. В результате ресурс работы катода определяется ресурсом его периферийных участков, которые несколько сильнее подвержены эрозии.

Хорошо проявили себя в эксплуатации устройства для нанесения тонкослойных покрытий, построенные на использовании магнетрона (или группы магнетронов), стационарно установленного в вакуумной камере, вдоль которого движутся обрабатываемые изделия (Кривобоков В.П., Кузьмин О.С., Легостаев В.Н. Магнетронная распылительная система. Заявка на патент РФ N 95121032, 13.12.95). В данной конструкции МРС катод представляет собой ряд самостоятельных коаксиальных мишеней со своими магнитными системами, стоящих параллельно на расстоянии 100-200 мм друг от друга, а подложки для обрабатываемых листовых материалов расположены с обеих сторон от ряда мишеней вдоль боковых стенок камеры. Причем для снижения влияния дискретной структуры катода подложки имеют возможность сканирования в продольном направлении, что существенно повышает пространственную однородность толщины наносимых покрытий. Такой системе при использовании ее для обработки плоских листовых материалов свойственен основной недостаток коаксиальных МРС - большие потери и низкие энергии для распыленных частиц, летящих под малыми углами к обрабатываемой поверхности.

Как показал вышеприведенный обзор, качество покрытий, производительность для различных образцов очень сильно зависят от выбора той или иной конструкции МРС. Однако на технические характеристики устройств в целом большое влияние оказывают и иные системы и узлы установки для нанесения покрытий. В самом общем виде такая установка содержит вакуумную рабочую камеру (зону обработки), в которой расположена МРС, систему питания МРС, 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 механизмов 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). Эту установку по большинству признаков выбираем за прототип.

Укажем основные недостатки такой системы.

1. В магнетронных диодах любой конструкции, особенно большой мощности, существует возможность перехода рабочего тлеющего разряда в дуговой. Если этот процесс начался, необходимо быстро снизить напряжение до уровня, исключающего существование вакуумной дуги, иначе возможно разрушение катода, конструкционных элементов, а также нарушение однородности покрытия.

2. 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.

3. Такая установка обладает ограниченными функциональными возможностями, так как она не пригодна для нанесения многослойных покрытий, особенно тех, процесс напыления которых выдвигает различные требования к рабочей газовой среде. Так, например, известно (Андросова В.Г., Бронникова Е.Г., Васильев А. М. и др. Пьезоэлектрические резонаторы: справочник. М.: Радио и связь, 1992, с. 102), что при нанесении металлических пленок на диоксид кремния (стекло) адгезия заметно увеличивается, если между пленкой и подложкой находится очень тонкий (1-10 нм) слой хрома. В обычной установке улучшить адгезию металлической пленки на стекле таким образом невозможно.

Предлагаемая установка позволяет разрешить эти технические трудности, является наиболее универсальной и при замене материалов катодов МРС позволяет удовлетворить самые разные потребительские требования.

Установка для нанесения покрытий, как и прототип, содержит одну или несколько МРС, расположенных в герметизированной рабочей камере, систему питания МРС от стабилизированного регулируемого источника напряжения, систему вакуумирования и напуска газа в рабочую камеру, шлюзовые камеры на входе и выходе рабочей камеры и механизм перемещения подложек.

В отличие от прототипа система питания МРС дополнительно снабжена блоком сравнения среднего значения мощности разряда, а также скоростей изменения напряжения и тока с заданными значениями опорных сигналов. Выход блока сравнения подключен к прерывателю тока в цепи питания диода и, через линию задержки, к стартовому устройству запуска стабилизированного регулируемого источника напряжения. Такое выполнение системы питания МРС обеспечивает автоматическое отключение напряжения в случае перехода тлеющего разряда в дуговой и включение его с оптимальными характеристиками после гашения дуги. Сигнал об изменении мощности разряда используется для стабилизации выбранного параметра.

При напылении многослойных покрытий с использованием реверсивного движения образцов, что характерно для установок с малым числом катодов МРС, выходной шлюз целесообразно заменить на глухой карман, размеры которого должны соответствовать размерам напыляемого образца.

Для многокатодных МРС с протяженной рабочей камерой система напуска газа выполнена многоканальной, с разнесенной по объему системой инжекционных отверстий, расстояние между которыми не превышает 100 см.

Если в такой МРС рабочую камеру разделить диффузионными диафрагмами на отдельные отсеки, имеющие дифференциальную откачку, а инжекционные отверстия в каждом отсеке соединить с отдельной системой напуска газа, то такая установка позволяет одновременно наносить многослойные покрытия в различных газовых средах.

В ряде случаев образцы перед напылением целесообразно подвергать ионному травлению в плазме газового разряда при относительно высоком давлении рабочего газа. Для реализации функции ионной очистки во входной шлюзовой камере установлены электроды, подключенные к дополнительному источнику высокого напряжения. Источник высокого напряжения может быть выполнен импульсным биполярным.

Изобретение иллюстрируется фиг. 1, 2, 3, 4.

На фиг. 1 схематически изображено предлагаемое устройство с МРС планарного типа, имеющее несколько катодных узлов 1 со своими магнитными системами. МРС размещены в протяженной герметизированной рабочей камере 2. На входе и выходе рабочей камеры 2 через шлюзовые затворы 3 подсоединены входная 4 и выходная 5 шлюзовые камеры. Все камеры 2, 4 и 5 через вакуумные вентили (натекатели) 6 подключены к вакуумной системе (не показана). Приводы 7 вентилей 6 управляются системой контроля вакуума 8, которая, в свою очередь, соединена с датчиками давления 9 в каждой из камер 4, 2, 5. Обрабатываемый материал 10 расположен на подложках 11, которые перемещаются механизмом перемещения. Показаны только рольганги 12 этого механизма.

Катодные узлы 1 магнетронной распылительной системы подключены к системе питания МРС 13. Блок-схема одного из вариантов реализации этой системы представлена на фиг. 2. Магнетронный диод 1 подключен к стабилизированному регулируемому источнику напряжения 14. Источник 14, как и в прототипе, построен на базе выпрямителя с управлением по обратной связи. В цепь питания диода 1 включены датчик тока 15 и датчик напряжения 16. Часть блоков, выделенная на фигуре штриховой линией, представляет собой блок, реализующий функции сравнения среднего значения мощности разряда, а также скоростей изменения напряжения и тока с опорными сигналами. Этот блок содержит дифференциатор 17 и интегратор 18 тока, подключенные к датчику тока 15, а также дифференциатор 20 и интегратор 19 напряжения, подключенные к датчику напряжения 16. Выходы дифференциаторов 17 и 20 подключены к сумматору 22, а выходы интеграторов 18 и 19 - к умножителю 21. Выходы умножителя 21 и сумматора 22 соединены со входами компаратора 26, другие входы которого соединены с выходами источника опорных сигналов 23. Выход компаратора 26 подключен к прерывателю тока 27 в цепи питания диода 1 и через линию задержки 24 - к стартовому устройству запуска 25 источника стабилизированного регулируемого напряжения 14.

Принципиальная схема системы напуска газа в рабочую камеру 2 изображена отдельно на фиг. 3, чтобы не усложнять фиг. 1.

Для создания равномерного давления газа вдоль всей рабочей камеры 2 напуск газа осуществляется по нескольким каналам через инжекционные отверстия 28, расположенные вдоль камеры 2 на расстояниях друг от друга не более 100 см. Эта величина лимитируется двумя обстоятельствами: характерными расстояниями между конструкционными элементами в рабочей камере, где происходит перенос рабочего газа, и его давлением, точнее длиной свободного пробега атомов и молекул.

Желание как можно плотнее использовать объем рабочей камеры (благодаря этому увеличивается производительность установки) приводит к тому, что возникают затруднения для переноса рабочего газа по всему объему камеры. При этом в наиболее удаленных от инжекционных отверстий областях давление его отличается от давления вблизи отверстия на несколько процентов и более.

Этого достаточно, чтобы скорость осаждения покрытий при работе магнетрона в разных точках рабочей камеры была различной. Следовательно, возникает проблема пространственной однородности покрытий.

Опыт разработчика свидетельствует, что положительные результаты в выборе расположения инжекционных отверстий на практике достигаются в том случае, если расстояние между ними не более 100 см, т.е. не более 10L, где L - длина свободного пробега газовых молекул при давлениях, характерных для магнетрона.

Давление вдоль камеры 2 отслеживается датчиками давления рабочего газа 9. Сигналы с датчиков 9 поступают в схему контроля давления и управления напуском 29.

Инжекционные отверстия 28 подсоединены к натекателям 30, которые управляются системой контроля давления и управления напуском 29.

Натекатели 30 подсоединены к газовому баллону или к нескольким баллонам 31. Для многослойных покрытий баллоны 31 заполнены различными газами. Кроме того, рабочая камера 2 разделена диафрагмами 32 на отдельные отсеки, число которых совпадает с числом катодов МРС. Наличие небольших щелей между диафрагмами 32 и обрабатываемым материалом 10 при рабочих уровнях давления в камере 2 порядка 10^-1 Па практически не будет сказываться на составе газовой среды в каждом из отсеков, и каждый из отсеков будет заполнен своим рабочим газом. Так на фиг. 3 в порядке примера показано устройство для нанесения покрытия металл-оксид металла на стекло. В первом отсеке камеры 2 в атмосфере инертного газа Ar происходит напыление тонкого слоя хрома, улучшающего адгезию металлической пленки к стеклу. Затем во втором отсеке в среде аргона и, возможно, при небольшой добавке водорода происходит напыление металла. В третьем отсеке в атмосфере кислорода идет напыление окислов металлов.

Для проведения ионной очистки обрабатываемого материала во входной шлюзовой камере 4 расположен электрод 33, который подключен к источнику высокого напряжения 34 (см. фиг. 1).

Режим ионного травления осуществляется при относительно высоком давлении рабочего газа. Именно поэтому электрод 33 размещен в шлюзовой 4, а не в рабочей 2 камере. Источник высокого (1-10 кВ) напряжения 34 может быть как постоянным, так и импульсным. Импульсный режим травления реализовать технически сложнее. Однако наши исследования показали, что в наносекундном диапазоне биполярные импульсы высокого напряжения имеют некоторые преимущества при очистке очень загрязненной поверхности.

Следует отметить, что хотя на прилагаемых фигурах изображена установка только с планарной МРС, все основные узлы и принципы построения подобных машин остаются теми же при замене МРС на многокатодную коаксиальную систему, описанную в заявке на патент РФ N 95121032 от 13.12.95 г.

На фиг. 4 в порядке примера изображена установка для нанесения покрытия с малой по размерам рабочей камерой 2, но позволяющей обрабатывать крупногабаритные изделия 10. Здесь выходная шлюзовая камера 5 заменена накопительным объемом в виде глухого кармана 35. В этот карман помещается часть крупногабаритного изделия 10, в то время как другая его часть обрабатывается в камере 2.

Установка работает следующим образом.

Подготовленная к работе установка имеет постоянно вакуумированную рабочую камеру.

Во входной шлюз 4 на подложку 11 помещается лист обрабатываемого материала 10. Первая (входная) задвижка 3 этого шлюза 4 закрывается, вентиль 6 вакуумной системы открывается и начинается процесс вакуумирования входного шлюза. С помощью системы контроля вакуума 8 (через датчик давления 9) определяется тот момент, когда давление во входном шлюзе достигнет заданного уровня. После этого подается команда на открытие затвора 3, который разделяет входной шлюз 4 и рабочую камеру 2.

В следующей фазе дается команда на перемещение подложки в рабочую камеру. Одновременно с источника питания высокого напряжения 34 подается напряжение 1-10 кВ на электрод 33 системы ионной очистки. Вблизи поверхности обрабатываемого материала возникает плазма тлеющего разряда, которая очищает поверхность перед нанесением на нее покрытия.

После входа образца 10 в рабочую камеру 2 включается система напуска рабочего газа, который подается в зону, прилегающую к катоду магнетрона 1. Для этого после установления в рабочей камере нужного давления газа из системы контроля 29 подается команда открыть один из натекателей 30 (или все вместе, если это необходимо), после чего газ через инжекционные отверстия 28 поступает в рабочую камеру 2.

Затем подается питание на магнетроны 1 от системы 13. Система питания МРС 13 предназначена для стабилизации режима работы магнетронного диода, когда эмиссия ионов с катода магнетрона 1 и ток диода нестабильны во времени из-за различных загрязнений, геометрических неоднородностей, наличия окисного слоя на поверхности катода в результате взаимодействия с воздухом и т.д.

Особенно актуально применение этой системы в начальный период работы магнетрона, при проведении тренировки (т. е. после разгерметизации рабочей камеры).

Магнетрон работает в области нормального и аномального тлеющего разряда. При использовании магнетронов мощностью 10 кВт и более работа в области аномального тлеющего разряда (особенно в режиме "тренировки") сопряжена с опасностью образования холодной дуги, что ведет к перенапряжениям в высоковольтных элементах источников питания (необходимы большие запасы по надежности).

В предлагаемом устройстве реализована идея прогнозирования образования холодных дуг в магнетроне за счет слежения за областями несамостоятельных разрядов, предшествующих появлению холодной дуги. Эти области характеризуются (при идеальном рассмотрении) большими значениями dU/dt при Iconst за счет образования множества катодных пятен. Область же холодной дуги - большими значениями dI/dt при относительно малых значениях dU/dt.

Таким образом, для нормальной работы МРС необходимо отслеживать среднее значение мощности, а также скорость изменения тока и напряжения и при выходе их за пределы определенных значений формировать сигнал, отключающий питание МРС. Пример исполнения устройства, реализующего эти функции, представлен на фиг. 2. Необходимо отметить, что подобные схемы могут быть как более сложными, так и более простыми, но в любом случае от их использования очень существенно зависит эффективность работы всего устройства для нанесения покрытий на поверхность твердых тел.

Напряжение от стабилизированного регулируемого источника напряжения 14 подается на магнетронный диод 1. Источник 14, как правило, представляет собой стабилизированный выпрямитель с обратной связью. В цепь источника 14 включены датчик тока 15 и датчик напряжения 16. Сигнал с датчика тока 15 через дифференциатор 17 (функция которого - продифференцировать сигнал во времени) подается на сумматор 22. Точно также в сумматор через дифференциатор напряжения 20 подается сигнал с датчика напряжения 16. Т.о. блоки 17 и 20 формируют сигнал о скорости изменения тока и напряжения в цепи питания диода. Эти сигналы разнесены во времени, поэтому после сумматора 22 формируются отдельные сигналы изменения скорости тока и напряжения. Сигналы с интеграторов тока 18 и напряжения 19 после умножителя 21 характеризуют среднюю мощность разряда. Сравнение его в компараторе 26 с уровнем опорного напряжения от источника 23 также позволяет сформировать управляющий сигнал на прерыватель тока 27, при этом регулирующим параметром будет являться средняя мощность. Интегральный сигнал используется также для стабилизации питания диода. Параллельно с прерывателем тока 27 через линию задержки 24 подается сигнал к стартовому устройству запуска 25, которое через определенное время, необходимое для релаксации плазменных процессов, связанных с пробойными явлениями на катоде (это время регламентируется линией задержки 24), включает стабилизированный регулируемый источник напряжения 14 и выводит магнетронный диод 1 на рабочие параметры в соответствии с заложенным "мягким" режимом.

Таким образом минимизируется время, в течение которого магнетронный диод находится в нерабочем состоянии, и оптимизируются режимы его работы (он функционирует в наиболее выгодной области вольт-амперной характеристики).

Продолжим описание работы установки в целом.

Далее с помощью механизма перемещения подложек образец 10 двигается через рабочую камеру 2 в сторону выходного шлюза 5, в котором в это время должен быть вакуум. По мере перемещения образца идет напыление покрытия.

После освобождения входного шлюза 4 он отсекается от камеры 2 и разгерметизируется.

Если необходимо многослойное покрытие, то используют одновременную работу нескольких магнетронов. Причем в каждую зону, где расположен магнетрон, подается свой рабочий газ и выбираются свои электрические параметры. Например, если нам необходимо напылить трехслойное покрытие Cr-Ti-TiO₂, то в зону первого магнетронного диода с катодом из хрома подается аргон, во вторую и третью, где катоды выполнены из титана, соответственно аргон (или смесь аргон - водород) и смесь аргон - кислород. Таким образом, все магнетроны работают одновременно, причем каждый из них наносит свой слой, соответствующий составу его катода и газовой среды.

После того как процесс окончен, образец попадает в выходной шлюз 5, который затем изолируется от рабочей камеры затвором 3, разгерметизируется и обработанный образец извлекается из установки.

А в это время следующий образец помещается во входной шлюз 4, который затем подвергается вакуумированию и т.д.

Несколько по-другому организован процесс, если мы использовали рабочую камеру с глухим карманом 35 (фиг. 3).

Входной шлюз 4 с образцом вакуумируется. Открывается затвор 3, включается система ионной очистки, и образец 10 постепенно проходит вдоль работающих магнетронов 1 в глухой карман 35. Затем, после завершения обработки, он возвращается назад через входной шлюз 4. При этом глухой карман 35 и рабочая камера 2 непрерывно остаются под вакуумом, что в значительной степени освобождает оператора от необходимости повторять тренировку катодов магнетронов 1 и сокращает продолжительность вакуумирования установки.

По описанной здесь принципиальной схеме заявителем построены установки типа "Аметист", "Изумруд", "Опал", "Яхонт", которые прошли производственные испытания и используются на многих промышленных предприятиях. Они получили положительную оценку специалистов, но работа над их совершенствованием продолжается.