Магнетронное распылительное устройство

Изобретение относится к плазменной технике и предназначено для создания многослойных тонкопленочных структур. Предлагаемое магнетронное распылительное устройство предназначено для нанесения многослойных покрытий на подложку и содержит, по крайней мере, три мишени, расположенные вокруг центральной оси устройства так, что образуют призму, имеющую ось вращения, совпадающую с осью устройства, распыляемые поверхности мишеней обращены наружу и каждая содержит, по крайней мере, по одному распыляемому материалу, а магнитная система расположена с обратной стороны мишеней. Мишени могут иметь отдельные магнитные системы, выполненные с возможностью поворота совместно с мишенью вокруг оси для приведения ее в положение, в котором поверхность мишени становится параллельной напыляемой подложке, и могут иметь одну общую магнитную систему, состоящую из двух частей: общей неподвижной магнитной системы, активная часть которой ориентирована в направлении размещения напыляемой подложки, и подвижной, представляющей собой полюсные наконечники расположенные между мишенями и выполненные с возможностью замыкания магнитной цепи при повороте призмы вокруг оси, для приведения призмы в положение, в котором поверхность мишени становится параллельной напыляемой подложке.

Изобретение относится к плазменной технике и предназначено для создания многослойных тонкопленочных структур.

Обычно для этой цели используются планарные магнетронные распылительные системы (МРС), имеющие длину, определяемую шириной подложки. В известной магнетронной распылительной системе [RU 2107971 С1, 1998] корпус магнетрона выполнен из магнитомягкого материала и играет роль внешнего магнитопровода. Конфигурация магнитного поля в виде замкнутого контура силовых линий, параллельных поверхности мишени, создается благодаря наличию центрального магнитопровода, а магнитное поле создается постоянными магнитами. Магнитный корпус закрыт плоской мишенью из немагнитного распыляемого материала.

Многослойная структура на подложке создается путем поочередного нанесения слоев материалов, распыляемых в магнетронном разряде. В случае плоской жесткой подложки магнетроны располагаются один, за одним параллельно друг другу и плоскости подложки. Напыление осуществляется либо при перемещении группы магнетронов относительно неподвижной подложки, либо при перемещении подложки относительно неподвижных магнетронов. В режиме однопроходного нанесения многослойной структуры процесс происходит при постоянной скорости взаимного перемещения подложки и магнетронной группы и при одновременной работе магнетронов в индивидуальных режимах.

В многопроходном режиме нанесения многослойной структуры магнетроны включаются поочередно в соответствии с порядком нанесения слоев. Для каждого магнетрона индивидуально могут устанавливаться режим уровня мощности питания, скорость перемещения подложки и число проходов. Имеется возможность послойного контроля процесса нанесения каждого покрытия.

В случае нанесения покрытий на пленочные подложки геометрия расположения магнетронов усложняется. Обычно для поддержания постоянного температурного режима в процессе нанесения покрытий пленка прижимается к охлаждаемому барабану, причем угол охвата барабана зависит от диаметра барабана, расстояния от магнетрона до подложки, от ширины потока и распределения плотности распыляемых частиц по его сечению. На практике минимальное значение 20°. Это вызывает необходимость смещения

последующих магнетронов от первоначальной плоскости и поворот их на угол , причем смещение пропорционально межосевому расстоянию барабанов и углу .

В работе [Me Kenzle D.R. Production of solar absorbing cermet films by dual catode DC magnetron sputtering. Thin Solid Films», 1979, 62, №3, с.317-325.] приводится магнетронная распылительная система с двумя мишенями для нанесения двухслойного покрытия методом реактивного распыления. Изменение состава покрытия осуществляется параллельным переносом подложки, при котором подложка сначала помещается над одной мишенью, а затем над другой.

В патенте [US 5215639 А, 1993] раскрывается способ изготовления двухкомпонентной плоской прямоугольной мишени, в которой несущая пластина из первого материала имеет углубление определенного профиля, заполненное вторым материалом.

В патенте [JP, 2-9108 А, 1990] раскрывается способ формирования трехслойного покрытия с помощью круглой трехкомпонентной мишени, состоящей из центрального диска из первого материала, расположенных вокруг него кольца из второго и внешнего кольца из третьего материалов. В процессе формирования покрытия изменяют диаметр потока плазмы.

Способ получения тонкой пленки из разнородных материалов раскрыт также в патенте [JP, 1-246356 А, 1989]. В нем плоская круглая мишень из первого материала окружена конической мишенью из второго материала, причем мишени имеют отдельные магнитные системы. Раздельное осаждение каждого компонента осуществляется поочередной подачей потенциалов на мишени.

Главный недостаток приведенных выше мишеней из разных материалов состоит в близком расположении участков разнородных материалов мишеней друг к другу, следствием чего является неизбежность взаимного загрязнения поверхностей мишеней продуктами распыления. Это приводит к загрязнению отдельных слоев и размытости их границ. Поэтому данные конструкции мишеней больше всего приемлемы для создания многокомпонентных композиционных пленок.

Наиболее близким аналогом является магнетронное распылительное устройство, раскрытое в патенте [US, 6620299 B1, 2003], в котором в одном из вариантов приведена система из четырех отдельных магнетронов, расположенных симметрично через 90° вокруг одной оси, обращенных мишенями во внутрь, навстречу друг другу, а подложкой служит цилиндрическое тело, вращающееся вокруг общей с магнетронами оси. Одна пара расположенных навстречу друг другу мишеней состоит из алюминия, другая - из титана. Такая магнетронная система позволяет получать трехслойное покрытие TiN -TiAlN- Аl₂О ₃ на цилиндрической подложке. В первом процессе в аргоно - азотной смеси напыляется слой TiN, во втором процессе в той же газовой смеси напыляется слой TiAIN, в третьем процессе

аргоно-кислородной смеси напыляется слой Аl ₂О₃. Биполярный режим питания мишеней и их переключение выполняется по определенной программе.

Недостатками данного устройства являются невозможность нанесения покрытий на плоскую подложку и большая вероятность взаимного «запыления» мишеней.

Настоящее изобретение решает задачу создания компактной магнетронной распылительной системы, позволяющей наносить многослойные покрытия на плоские, цилиндрические и пленочные подложки любой ширины и протяженности.

Поставленная задача решается тем, что, как и известное магнетронное распылительное устройство для нанесения многослойных покрытий на подложку, заявляемое содержит, по крайней мере, три мишени, расположенные вокруг центральной оси устройства и содержащие каждая, по крайней мере, по одному распыляемому материалу, а также магнитную систему.

Новым является то, что мишени расположены так, что образуют призму, имеющую ось вращения, совпадающую с осью устройства, распыляемые поверхности мишеней обращены наружу, а магнитная Система расположена с обратной стороны мишеней.

Кроме того, каждая мишень имеет отдельную магнитную систему, выполненную с возможностью поворота совместно с мишенью вокруг оси для приведения ее в положение, в котором поверхность мишени становится параллельной напыляемой подложке.

Кроме того, все мишени имеют одну общую магнитную систему, состоящую из двух частей: общей неподвижной магнитной системы, активная часть которой ориентирована в направлении размещения напыляемой подложки, и подвижной, представляющей собой полюсные наконечники расположенные между мишенями и выполненные с возможностью замыкания магнитной цепи при повороте призмы вокруг оси, для приведения призмы в положение, в котором поверхность мишени становится параллельной напыляемой подложке.

Кроме того, магнитная система мишеней содержит постоянные магниты для обеспечения магнитного поля.

Кроме того, магнитная система дополнительно содержит катушки, питаемые постоянным током.

Кроме того, призма, образованная мишенями, помещена в металлический экран, имеющий одну продольную прорезь, ориентированную к напыляемой подложке.

Кроме того, экран электрически соединен с мишенью, для предотвращения возникновения разрядов в области нерабочих позиций.

Кроме того, устройство дополнительно содержит средство поворота призмы при достижении заданной толщины покрытия, образованного на подложке при распылении одной из мишеней призмы.

Кроме того, максимальный угол поворота призмы составляет =(2/n)*(n-1), где n-число граней призмы.

Настоящее изобретение направлено на создание нового магнетронного распылительного устройства, предназначенного для создания на подложке многослойной тонкопленочной структуры, отличающегося компактностью расположения распыляющихся мишеней и универсальностью применения. В отличие от предшествующих конструкций настоящее изобретение позволяет наносить многослойные покрытия, как на неподвижные, так и на движущиеся плоские подложки, а также на пленочные материалы.

Режим неподвижной подложки приемлем, если размеры подложек не превышают размеров мишеней. Протяженные подложки требуют перемещения относительно мишени. Нанесение покрытий может осуществляться как за один проход, так и в режиме сканирования подложки относительно мишени.

Выбор режима нанесения покрытия осуществляется от соотношения таких факторов, как мощность магнетронного разряда, скорость перемещения подложки, расстояние от мишени до напыляемой поверхности, температура подложки и толщина наносимого покрытия.

Все это в равной мере относится к случаю нанесения покрытий на пленочные подложки. В зоне нанесения покрытия пленка должна прилегать к охлаждаемому барабану.

Чередование наносимых слоев осуществляется простым поворотом призмы соответствующей гранью, образованной мишенью из определенного материала, к подложке после достижения заданной толщины определенного покрытия в предыдущем цикле. В каждом цикле должен быть обеспечен соответствующий состав газовой среды.

При необходимости режим нанесения может регулироваться изменением потенциала на мишени и магнитного поля путем изменения тока в катушках.

В предложенном магнетронном распылительном устройстве исключена вероятность взаимного загрязнения мишеней, что обеспечивает чистоту наносимых тонкопленочных слоев покрытий.

В дальнейшем изобретение поясняется графическими материалами.

На фиг.1 схематически показано поперечное сечение магнетронного распылительного устройства с тремя мишенями и отдельными магнитными системами.

На фиг.2 схематически показано поперечное сечение магнетронного распылительного устройства с четырьмя мишенями и отдельными магнитными системами

На фиг.3 схематически показано поперечное сечение магнетронной распылительной системы с тремя мишенями и общей магнитной системой.

На фиг.4 схематически показано поперечное сечение магнетронной распылительной системы с четырьмя мишенями и общей магнитной системой.

На фиг.5а и 5б приведен вариант исполнения трехгранной магнетронной распылительной системы.

Предлагаемое магнетронное распылительное устройство, приведенное на фиг.1, содержит три отдельных магнетрона, образующих трехгранную призму. Мишени 1 выполнены из разных материалов. Магнитопроводы 2 выполнены в виде желобов из магнитомягкой стали, закрытых с торцов стенками из того же материала. Постоянные магниты 3 образуют сердечник. Магнетроны и экран 4 электрически соединены и имеют общий потенциал, создаваемый одним источником питания (не показан). Нанесение покрытия на подложку 6 осуществляется через прорезь 5 в экране 4.

Магнетронное распылительное устройство с четырьмя отдельными магнетронами приведено на фиг.2. Магнетроны соединены в одну прямоугольную призму. Магнитопроводы 2, мишени 1, экран 4 и сердечники из постоянных магнитов 3 аналогичны приведенным выше (фиг.1).

Магнетронное распылительное устройство с общей магнитной системой и поворотной призмой, образованной тремя мишенями 1 приведено на фиг.3. Магнитная система образована магнитопроводом 2, постоянным магнитом 3, магнитной вставкой 7 и полосньми наконечниками 8. Мишени 2 вместе с полосными наконечниками 8 образуют трехгранную призму, способную поворачиваться вокруг оси относительно неподвижных магнитной системы 2 и экрана 4, благодаря зазору 9 между магнитопроводом и полюсными наконечниками. Для регулировки магнитного поля предусмотрена катушка 10, питаемая от источника постоянного тока (не показан). Нанесение покрытия на подложку 6 осуществляется через прорезь 5 в экране 4.

Магнетронное распылительное устройство такого же типа с четырьмя поворотными мишенями приведено на фиг.4. Назначение деталей и их обозначения те же, что на фиг.3.

В приведенном на фиг.5а и 5б варианте магнетронного распылительного устройства, предназначенного для создания теплоотражающего покрытия на плоском стекле с размерами 500×500 мм, размер мишеней 1 составляет 78×700 мм при общей длине устройства 774мм. Диаметр неподвижного корпуса, образованного экраном 4 и дисками 21 и 22, составляет 151 мм. Корпус магнитопровода 2 выполнен из магнитомягкой стали, а центральный сердечник содержит постоянные магниты б с размерами 12,5×12,5×50 мм и вставку 7 из магнитомягкой стали. Магнитная индукция системы составляет 0,05 Тл.

Материалами мишеней являлись олово, нихром и серебро.

Магнетронное распылительное устройство расположено в вакуумной камере, снабженной шлюзовым устройством (не показаны). Анодом служит заземленный корпус камеры 17.

Держателем корпусов магнитопроводов 2 служат трехгранные призмы 23 и 24, соединенные в одно целое трубой 25. Корпуса магнитопроводов 2 присоединены к граням призм нарезными втулками 20, имеющими осевые отверстия. Втулка 11, соосно соединенная с держателем, служит для передачи вращения магнитной системе с мишенями от детали 18, связанной с приводным устройством (не показано), а также для ввода и отвода охлаждающей воды.

Магнетронное распылительное устройство укреплено на стенке камеры с помощью фланца 12. Изоляция магнетронного распылительного устройства от вакуумной камеры осуществляется деталями 13, 14 и 15, выполненными из диэлектрика, причем деталь 15 одновременно служит опорой свисающего конца устройства.

Вакуумное уплотнение 16 позволяет сохранить вакуум при повороте устройства для замены мишеней.

Охлаждение мишеней осуществляется водой, поступающей к мишени по внутренней осевой трубе 19 через отверстия в нарезных втулках 20. Выход воды происходит через трубу 25.

Устройство работает следующим образом.

Напыляемое изделие (в нашем случае стеклянная пластина 500*500 мм), расположенное на подвижном столике, через вакуумный клапан вводилось в камеру из шлюзового устройства (не показаны).

После достижения в камере давления не выше 3×10 ^-3 Па подавался рабочий газ CO₂ и устанавливалось рабочее давление 1,35×10 ^-1 Пa. Включалась система охлаждения магнетронного распылительного устройства. Против прорези экрана 4 устанавливалась мишень 1 из олова. При напряжении на магнетронном распылительном устройстве 320 В и токе разряда 2,5 А напылялся слой SnO ₂ толщиной 38 нм за несколько проходов столика со стеклянной пластиной под прорезью экрана при определенной скорости перемещения..

Напряжение снималось, выключалась подача газа СO ₂, поворотом устройства на угол 120° устанавливалась в рабочее положение мишень из нихрома. В камеру напускался новый рабочий газ - аргон до давления 9,0*10^-2 Па. При режиме 270 В и 1 А за один проход столика наносился слой нихрома толщиной 1 нм.

Напряжение снималось, очередным поворотом устройства на 120° устанавливалась в рабочее положение мишень из серебра. Давление аргона устанавливалось на уровне 1,35*10^-1 Па. При режиме 260 В и 1,25 А за один проход столика наносился очередной слой серебра.

Далее в порядке, изложенном выше, на стеклянную пластину наносился слой нихрома, а затем слой SnO₂.

Таким образом, на стеклянной пластине было получено пятислойное покрытие SnO₂-нихром (Ni-Cr)-Ag-нихром (Ni-Cr)-SnО₂, обеспечившее пропускание в видимой области (на длине волны 560 нм) 82% и отражение в инфракрасной области спектра (на длине волны 10 мкм) 91%.

1. Магнетронное распылительное устройство для нанесения многослойных покрытий на подложку, имеющее, по крайней мере, три мишени, расположенные вокруг центральной оси устройства и содержащие каждая, по крайней мере, по одному распыляемому материалу, а также магнитную систему, отличающееся тем, что мишени расположены так, что образуют призму, имеющую ось вращения, совпадающую с осью устройства, при этом распыляемые поверхности мишеней обращены наружу, а магнитная система расположена с обратной стороны мишеней.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждая мишень призмы имеет отдельную магнитную систему, выполненную с возможностью поворота совместно с мишенью вокруг оси, для приведения ее в положение, в котором поверхность мишени становится параллельной напыляемой подложке.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что все мишени, образующие призму, имеют одну общую магнитную систему, состоящую из двух частей: общей неподвижной магнитной системы, активная часть которой ориентирована в направлении размещения напыляемой подложки, и подвижной, представляющей собой полюсные наконечники, расположенные между мишенями и выполненные с возможностью замыкания магнитной цепи при повороте призмы вокруг оси, для приведения призмы в положение, в котором поверхность мишени становится параллельной напыляемой подложке.

4. Устройство по п.1, или 2, или 3, отличающееся тем, что магнитная система мишеней содержит постоянные магниты для создания магнитного поля.

5. Устройство по п.1, или 2, или 3, отличающееся тем, что магнитная система мишеней дополнительно содержит катушки, питаемые постоянным током.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что призма, образованная мишенями, размещена в металлическом экране, имеющем одну продольную прорезь, ориентированную к напыляемой подложке.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что экран электрически соединен с мишенью для предотвращения возникновения разрядов в области нерабочих позиций.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно содержит средство поворота призмы при достижения заданной толщины покрытия, образованного на подложке при распылении одной из мишеней призмы.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что максимальный угол поворота призмы составляет =(2/n)·(n-1), где n - число граней призмы.