Устройство для ионно-плазменного нанесения многокомпонентных пленок в вакууме

 

Изобретение касается нанесения покрытий в вакууме и может быть использовано при производстве изделий в электронной , приборостроительной, оптической и других отраслях промышленности. В устройстве требуемая стехиометрия достигается при создании в пространстве непосредственно над мишенью требуемого количественного соотношения атомов различных компонентов за счет определения размеров колец по предложенной расчетной формуле, а однородность стехиометрии по всей поверхности обеспечивается многократным дроблением колец из одного и того же компонента, разделенных кольцами из других компонентов. В устройстве кольцевые элементы располагают по распыляемой поверхности дискового элемента мишени. 2 ил. (Л С

СОК13 СOBETCKMX

С 1 ИАЛИ" ИЧЕГКИХ

РГ УЬБЛИК (ч)5 С 23 С 14/35

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

4 .V(m y+г,, и=

1=1"

1 1,2. р(1), (21) 4880467/21 (22) 06.11.90 (46) 15.05.93. Бюл. М 18 (75) З.В. Беришвили, И.Г. Гадахабадзе и Г.А. Схиладзе (73) З.В; Беришвили (56) Заявка Японии М 60 — 89572, кл. С 23 С 14/36, 1985.

Авторское свидетельство СССР

NÂ 1244960, кл. С 23 С 14/36, 1984. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО НАНЕСЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЪ|Х ПЛЕНОК В ВАКУУМЕ (57) Изобретение касается нанесения покрытий в вакууме и может быть использоваИзобретение относится к технике нанесения покрытий в вакууме, а именно к устройствам ионно-плазменного распыления магнетронного типа и может быть использовано для нанесения многокомпонентных пленок при производстве изделий в электронной, приборостроительной, оптической и других отраслях промышленности.

Цель изобретения — расширение технологических возможностей и повышение точности стехиометрического состава напыляемых пленок путем определения расчетного соотношения площадей распыления размыкаемых компонентов на поверхности мишени.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем анод, катод с дисковой мишенью, образующие катодный узел, магнитную систему с двумя разноименными полюсными наконечниками зам„„5Ц „„1816288 А3 но при производстве изделий в электронной, приборостроительной, оптической и других отраслях промышленности. В устройстве требуемая стехиометри я дости гается при создании в пространстве непосредственно над мишенью требуемого количественного соотношения атомов различных компонентов за счет определения размеров колец по предложенной расчетной формуле, а однородность стехиометрии по всей поверхности обеспечивается многократным дроблением колец из одного и того же компонента, разделенных кольцами из других компонентов. В устройстве кольцевые элементы располагают по распыляемой поверхности дискового элемента мишени.

2 ил. кнутой формы. один из которых размещен с зазором по контуру другого с нерабочей стороны мишени, при этом осевая линия зазора Р представляет собой два или более "сшитых" участков эвольвент, привод вращения маг- ( нитной системы, средство охлаждения ка- l тодного узла, мишень выполнена Q() составной, при этом на рабочей стороне ос- р новы мишени, изготовленной из одного компонента состава, размещен по меньшей мере один соосный кольцевой диск, изготовленный из другого компонента состава., а внешний радиус 1-той кольцевой зоны распыления определяется из выражения:

1816288 где р — количество кольцевых зон распыления на поверхности мишени;

4 — нижний индекс компонента стехиометрической формулы:А».1 А».2 ... А».» ... AQ напыляемой пленки, соответствующего I-й зоне распыления;

k» — коэффициент распыления компонента, соответствующего I-й зоне распыления;

m» — массовое число компонента. соответствующего l-й зоне распыления;

p — удельная плотность компонента, соответствующего I-й зоне распыления, г/см;

R — внешний радиус распыляемой зоны мишени, мм;

ro — внутренний радиус распыляемой зоны мишени, мм.

Действительно, если интенсивность облучения поверхности мишени считать постоянной и одинаковой на любом ее участке

dS в кольце с радиусами rp. R (зона равномерной эрозии материала мишени), что как раз и обеспечивается специальной конструкцией магнитной системы, то количество атомов N», выбиваемых из I-той кольцевой области будет равно:

N»= k» и(S», где k» — коэффициент распыления, указывающий количество атомов вещества, выбитых одним бомбардирующим ионом;

n» — поверхностная концентрация, т.е. количество атомов вещества на единичном квадрате поверхности. Здесь n» = .=3

= Na p — соответственно линейная конmf центрация, Ид — число Авогадро, m о — массовое число, »о» — обьемная плотность вещества; 3» = ж - (r»2-r»12) — площадь поверхности i-ro кольца.

Процентный состав атомов, выбиваемых плазмой из различных веществ А составной мишени, по отношению к общему числу выбитых атомов можно характеризовать нижними индексами (L») стехиометричес кой формулы:

А»1 А 2... Ag...А „, причем. на разных местах (т. е. с различными индексами»} может быть одно и то же вещество (в случае дробления кольца иэ одного и того же компонента). Здесь р — количество кольцевых областей на мишени и, естественно, оно может не совпадать с количеством компонентов, используемых при напылении. Таким образом, материалы в виде колец различных размеров на составной мишени можно комбинировать в разных сочетаниях для достижения необходимой однородности и стехиометричности состава напыляемого покрытия.

Учитывая стехиометрическую формулу, можно написать соотношение: й1 . N2 ..... . Np 1.1: 2 ; ...: 4ъ, или, по-другому:

Й1 Й2

i-1 L2 Lp

10 где А — некоторый коэффициент пропорциональности, подлежащий определению, Отсюда N» - Л ° 4 и, сравнивая с исходной формулой, получим: k» n S» =Л L» или

15 я» Д °

4 к» е и

Сложив все площади колец, получим общую площадь распыляемой области мишени:

20 2 2 4 л (Й вЂ” ro ) »

» =1 k» ° n3

Отсюда определяем (Ф - ф ,2, — „, „„

Подставляя il в выражение для S». будем иметь: величину

З0 2 2 Ж R2 — Pp

4 k< n7 или, проводя некоторые преобразования и подставляя выражения для известных величин, окончательно будем иметь заявленную итерационную формулу:

40 »

i =1,2 ... р.

Отсюда ясен и физический смысл формулы, состоящий в получении таких размеров кольцевых областей мишени (при любой степени их дробления), при которых количество атомов, выбиваемых из суммарной поверхности колец, выполненных из одного и того же компонента, было бы пропорционально сумме нижних индексов в стехиометрической формуле при тех же самых компонентах. Думается также, что теперь при внимательном рассмотрении анализ размерностей всех приведенных в формуле величин не вызывает никаких сомнений.

Следует отметить, что исходные данные для общих размеров мишени (Я, rp) взяты в соответствии с размерами подложек, подлежащих напылению, и требованиями к конструктивным, физическим и электрическим параметрам систем ионна-плазменного напыления иэ заявки-прототипа.

Остальные исходные данные (количественное соотношение компонентов в пленке) взяты иэ целей задачи получения многокомпонентных покрытий, либо являются справочными (k, m р ).

Отметим также. что данные, приведенные в заявке в таблицах 1 и 2, подтверждены конкретными практическими расчетами и экспериментальными результатами.

Ниже для наглядности приведен пример расчета возможных конструкций мишени с разной степенью дробления колец из одного и того же компонента для получения трехкомпонентной пленки с заданным стехиометрическим составом:

Al58 Tl14 S l28.

Здесь за основу мишени был взят алюминий. Общие размеры мишени взяты прежними (R = 40 мм, rp = 13,46 мм). Остальные исходные данные, а также результаты расчета приведены в таблице.

1. Общее количество колец мишени; 3

Преобразованная стехиометрическая формула:

AI58,0 Tl14,0 SI28.0

Результаты расчета: внутренние и внешние радиусы колец

r0 = 13,46

r1 = 26,20

r2 = 30,67 гз = 40,00

В соответствии с преобразованной стехиометрической формулой кольцо с радиусами (го, г1) выполнено иэ Al, (r>, г2) -из Ть (r2, гз) — из S . . Ъ

Аналогичная расшифровка проводится и для результатов других нижеприведенных примеров, 2. Общее количество колец мишени: 4

Преобразованная стехиометрическая формула:

А(18,2 TI14,0 SI28,0 А!39,8

Результаты расчета: внутренние и внешние радиусы колец г0 = 13,46

r1 = 18,43

r2 = 24,38 гз = 35,40 г4 = 40,00

3: Общее количество колец мишени: 5

Преобразованная стехиометрическая формула:

AI11,7 Т114,0 А!19,3 SI28,0 AI27,0

Результаты расчета: внутренние и внешние радиусы колец г0 13,46

r1 =- 16,82 г2 =- 23,18 гз = 26,56 га = 36,94

5 r5 = 40,00

4. Общее количество колец мишени; 9

Преобразованная стехиометрическая формула:

Al6,5 Tl5,з AlQ,0 SI11.2 AI11,6 Т18,7 А!14,2 SI16,8

10 AI16 7

Результаты расчета: внутренние и внешние радиусы колец го - 13,46 г1 = 15,42

15 г2- 18,26 гз - 20,30 г4 = 26,00

r5 27,88 г6- 30,59

20 rz = 32,55 га - 38,14

r9 - 40,00

Разбиение нижних индексов исходной стехиометрической формулы должно произ25 водиться таким образом, чтобы получаемые размеры колец (гь1, rl) легко позволяли их техническую реализацию.

На фиг. 1 показана конструкция устройства, разрез; ка фиг. 2- составная дисковая

30 мишень..

Описание устройства в статике.

Устройство состоит из катода 1 с укрепленной на нем дисковой мишенью 2 и анода

3. Внутренняя полость катода 1 охлаждает35 ся проточной водой (средство охлаждения не показано). С нерабочей стороны мишени

2 расположена магнитная система, состоящая из магнитопровода 4 с расположенными на нем парными постоянными

40 стержневыми магнитами 5, на которых эа счет магнитных сил укреплены замкнутые разноименные полюсные наконечники 6 и 7, расположенные с зазором 8 один относительно другого, при зто полюсный наконеч45 ник 6 охватывает по контуру полюсный наконечник 7. Магнитопровод 4 соединен с приводом вращения 9.

Устройство крепится к рабочей камере с патрубком откачки и патрубком подачи

50 рабочего газа, например, аргона (на черт. не показана).

Составная дисковая мишень (показанная на фиг. 1 и 2) для получения двухкомпо. нентной пленки со стехиометрическим

55 составом TI30Wzo выполнена следующим образом: основа мишени радиусом 50 мм изготовлена из вольфрама (W) толщиной 5 мм, на рабочей стороне основы мишени расположен соосный кольцевой диск толщиной 3 мм, изготовленный из титана (Т1) с внутрен1816288 =i ki Р

2(Параметры компонентов ним и внешним радиусами. соответственно, 13,5 мм и 25,1 мм.

Устройство работает следующим образом, В рабочей камере при помощи системы откачки создается предварительное разрежение 10 Па. Затем камера заполняется рабочим газом аргоном до давления

1,3 10 — 1,3 Па, Включается водяное охлаждение и привод вращения магнитной системы 9. На катод 2 подается отрицательное напряжение порядка 500 В. рабочий ток составляет 1-4

А, в результате чего над поверхностью мишени возникает газовый разряд магнитронного типа, который локализуется между полюсными наконечниками 6 и 7, материал мишени начинает равномерно распыляться и конденсироваться на подложке (на черт. не показано), образуя.многокомпонентную пленку с заданным стехиометрическим составом.

Изобретение позволяет варьировать в широком диапазоне стехиометрию напыляемых пленочных покрытий при сохранении их компонентного состава и выбирать размыкаемые компоненты мишени в обширном классе легирующих материалов.

Формула изобретения

Устройство для ионно-плазменного нанесения многокомпонентных пленок в вакууме, содержащее рабочую камеру, в которой размещены анод, катод с дисковой мишенью, магнитная система с двумя разноименными полюсными наконечниками замкнутой формы, установленными с нерабочей стороны мишени один относительно другого с эквидистантным зазором, осевая линия которого представляет собой "сшитые" участки эвольвент. привод вращения магнитной системы. средство охлаждения мишени и подложкодержатель с изделиями,, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расш ирен ия технологических возможно5 стей и повышения точности стехиометрического состава напыляемых пленок путем определения расчетного соотношения площадей распыляемых компонентов, мишень выполнена составной в виде дисковой осно10 вы, изготовленной иэ материала одного из распыляемых компонентов, на рабочей стороне которой соосно с ней размещено по меньшей мере по одному кольцевому диску, изготовленному из материала каждого иэ

15 остальных распыляемых компонентов, а внешний радиус полученного 1-го кольцевого элемента мишени соответствующего 1-й зоне распыления, определяется из выражения

20 г1 =

25 1=1,2 ...р, где р — количество кольцевых элементов мишени, 11 — нижний индекс компонента в стехиометрической формуле, соответствующего

30 1-му кольцевому элементу мишени, kt — коэффициент распыления компонента 1-кольцевого элемента, пц — массовое число компонента i-кольо цевого элемента, 35 о1 — удельная плотность компонента

i-кольцевого элемента, R — внешний радиус распыляемой эоны мишени, ro- внутренний радиус раслыляемой эо40 ны мишени.

1816288

Составитель 3. Беришвили

Редактор С. Кулакова . Техред М.Моргентал Корректор M. Самборская

Заказ 1649 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101