Плазмохимический реактор

Использование: Полезная модель относится к технологии плазменного нанесения покрытий, и может быть использована в устройствах для напыления диэлектрических и металлизированных пленок на подложки. Существо: Плазмохимический реактор содержит формирователь плазменного потока, состоящий из катода и анода и расположенный в вакуумной камере с плазмообразующим газом, при этом в вакуумной камере размещены экраны, элемент из распыляемого вещества и подложка для напыления пленки, вакуумная камера состоит из двух частей, в одной из которых расположены экраны и установленные по оси вакуумной камеры катод и анод, а в другой части вакуумной камеры размещен элемент из распыляемого вещества, выполненный в виде трубки, ориентированной по оси вакуумной камеры с обеспечением проникновения центрального ядра плазменного потока внутрь трубки, причем один конец упомянутой трубки вставлен в отверстие в одном из экранов, установленным ортогонально оси вакуумной камеры, а другой конец упомянутой трубки расположен с зазором возле подложки для напыления пленки. Плазмохимический реактор повышает эффективность напыления и уменьшает содержание примесей в напыляемых на подложку пленках и обеспечивает возможность нанесения различных видов покрытий (неэлектропроводящих и электропроводящих пленок). 1 н.п.ф.п.м., 1 ил.

Полезная модель относится к технологии плазменной технологии нанесения покрытий и может быть использована в устройствах для напыления диэлектрических и металлизированных пленок на подложки.

Известно устройство для ваккумно-плазменного нанесения неэлектропроводящих покрытий на изделия (подложки) в среде рабочего газа (патент РФ 2026417 МПК C23C 14/32 от 25.08.1992), содержащее вакуумную камеру, подключенные к источнику электропитания интегрально-холодный катод и анод электродугового разряда и держатель для изделий, средство, экранирующее по меньшей мере часть поверхности анода от металлогазовой плазмы вещества катода и установленным внутри вакуумной камеры с зазором относительно нее, а держатель размещен между экранирующим средством и катодом, при этом анод выполнен в виде корпуса вакуумной камеры, средство экранирования является анодом, а экранированная часть анодной поверхности обращена в сторону корпуса вакуумной камеры.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является известное устройство для напыления пленок на подложки (патент РФ 134931, МПК C23C 14/32 от 26.03.2013), содержащее формирователь плазменного потока, вакуумную камеру, в которой размещены мишени, основание и крепежные элементы, при этом первая мишень расположена на основании с обеспечением расположения подложек по сторонам первой мишени под углом к основанию и обеспечением воздействия плазменного потока на поверхность указанной мишени, вторая мишень выполнена в виде пластинчатой диафрагмы с отверстием для вырезания центрального ядра плазменного потока и закреплена посредством крепежных элементов параллельно основанию с экранированием подложек от прямого воздействия плазменного потока с обеспечением воздействия турбулентного плазменного потока на упомянутые подложки; отверстие во второй мишени выполнено с круглой формой, а первая мишень выполнена с квадратной формой.

Недостатком известных устройств являются недостаточная эффективность и деструкция или повреждение поверхности подложки за счет внедрения атомов нежелательных примесей, летящих с анода.

Технический результат, заключающийся в устранении отмеченных недостатков, а именно - в повышении эффективности напыления и уменьшения примесей в напыляемых на подложку пленках с обеспечением возможности нанесения различных видов покрытий (неэлектропроводящих и электропроводящих пленок), достигается в предлагаемом плазмохимическом реакторе, содержащем формирователь плазменного потока, состоящий из катода и анода и расположенный в вакуумной камере с плазмообразующим газом, при этом в вакуумной камере размещены экраны, элемент из распыляемого вещества и подложка для напыления пленки, тем, что вакуумная камера состоит из двух частей, в одной из которых расположены экраны и установленные по оси вакуумной камеры катод и анод, а в другой части вакуумной камеры размещен элемент из распыляемого вещества, выполненный в виде трубки, ориентированной по оси вакуумной камеры с обеспечением проникновения центрального ядра плазменного потока внутрь трубки, причем один конец упомянутой трубки вставлен в отверстие в одном из экранов, установленным ортогонально оси вакуумной камеры, а другой конец упомянутой трубки расположен с зазором возле подложки для напыления пленки.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором показана функциональная схема устройства.

Плазмохимический реактор содержит формирователь плазменного потока, состоящий из катода 1 и анода 2 и расположенный вакуумной камере, состоящей из двух частей - нижней 3 и верхней 4.

Анод 2 имеет вольфрамовую вставку 5.

В верхней части 4 вакуумной камеры расположен элемент из распыляемого вещества - трубка 6 (мишень) длиной , установленная по оси вакуумной камеры, и подложка 7, предназначенная для напыления пленки и связанная со штоком 8, предназначенным для установки подложки 7 на определенном расстоянии от торца трубки 6 (зазор X).

В нижней части 3 вакуумной камеры расположены экраны 9, один из которых установлен ортогонально оси вакуумной камеры

Вакуумная камера заполнена плазмообразующим газом.

Открытый конец трубки 6, расположенный на расстоянии h, вставлен в отверстие в одном из экранов 9.

Плазмохимический реактор работает следующим образом.

Формирователь плазменного потока, состоящий из катода 1 и анода 2, создает в нижней части 3 вакуумной камеры плазменный поток с размером внешней части сечения Ф_вн. В плазменном потоке наиболее интенсивная центральная часть имеет размер центрального ядра Ф_я .

Из плазменного потока трубкой 6 вырезается наиболее интенсивная часть Ф_я., при этом менее интенсивная часть Ф_вн. отсекается. Выделенная часть плазменного потока взаимодействует с материалом трубки 6.

Верхняя часть 4 вакуумной камеры является зоной плазмохимического взаимодействия. Меняя плазмообразующие газы и материал мишени - трубки 6, можно получать различные газо- и твердофазные вещества.

Взаимодействие плазменного потока Ф_я. с мишенью - трубкой 6, выполненной, например, из меди, приводит к образованию паров материала, движущихся в направлении подложки 7.

Внутренний диаметр трубки 6 и ее длина выбираются из условий оптимального взаимодействия центральной области плазменной струи с материалом мишени. Расстояние h выбирается из условия, чтобы использовалась наиболее интенсивная часть плазменного потока, содержащая минимальное количество неконтролируемых примесей, летящих с анода 2.

Вынос t конца трубки 6 над поверхностью экрана определяется из условия минимального попадания паров экрана 9 в трубку 6. Расстояние X задается с помощью штока 8 из требований размера и однородности области напыления пленки на подложке 7.

Плазмохимический реактор обеспечивает осаждение композитных пленок различных составов путем использования мишеней из различных материалов и плазмообразующих газов.

В предлагаемом плазмохимическом реакторе осуществляется напыление тонких пленок материалов при протекании газо- и твердотельных плазмохимических реакций на поверхности подложки из распыляемого вещества под воздействием мощных импульсных плазменных потоков.

Плазмообразующим газом являлся дейтерий при давлении в камере ~4 Торр. Запасаемая энергия в конденсаторной батарее составляла ~3,6 «Дж.

При длительности импульса электрического разряда 50 не мощность составляла ~10⁸-10 ¹⁰ Вт/см².

Скорость плазменной струи была равна (1÷4)·10⁷ см/с.

В известных устройствах с плазмообразующим газом азотом и плоскими мишенями из титана были получены тонкие композиционные пленки Ti, TiN и TiO₂ [6, 7]. Однако в пленках содержалась значительная концентрация примесей: Cu, W, C и ряд других, поступающих с анодного узла установки.

В предлагаемом плазмохимическом реакторе устройстве область формирования плазмы (нижняя часть 3 вакуумной камеры) и область напыления пленки (верхняя часть 4 вакуумной камеры) были отделены экранами 9, что позволило получать более чистые пленки на различных подложках, регулируя расстояние до подложки (x), длину трубки (l), а также расстояние от среза трубки до анода установки (h). Вынос трубки (t) над поверхностью экрана позволяет избежать попадание паров материала экрана в трубку - мишень.

С помощью предлагаемого устройства на алюминиевой подложке 7 в плазмообразующем газе дейтерии и медной трубке 6 была получена тонкая пленка основного карбоната меди (Cu₂(OD)2CO₃) зеленого цвета и пленка закиси меди (Cu₂O) красно-бурого цвета. При напылении пленки при тех же условиях на медную пластину образуются гидриды меди голубого цвета в центре зоны напыления и формируется ореол из свежеосажденной меди и закиси меди. При этом на пленках отсутствуют следы углерода, который всегда присутствует в пленках при напылении в известных устройствах.

Проведенные эксперименты показали возможность промышленного применения предлагаемого плазмохимического реактора для напыления тонких пленок различного состава на подложки.

Плазмохимический реактор для напыления пленки, содержащий размещенные в вакуумной камере с плазмообразующим газом формирователь плазменного потока, состоящий из катода и анода, экраны, элемент из распыляемого вещества и подложку для напыления пленки, отличающийся тем, что вакуумная камера состоит из двух частей, при этом экраны и установленные по оси вакуумной камеры катод и анод расположены в одной из частей камеры, а элемент из распыляемого вещества размещен в другой ее части, причем элемент из распыляемого вещества выполнен в виде трубки, ориентированной по оси вакуумной камеры с обеспечением проникновения центрального ядра плазменного потока внутрь трубки, одним концом вставленной в отверстие в одном из экранов, установленном ортогонально оси вакуумной камеры, а другим концом расположенной с зазором относительно подложки для напыления пленки.