Магнетронная распылительная система

 

Магнетронная распылительная система (МРС) относится к плазменной технике и предназначена для нанесения пленок из металлов и их соединений. МРС содержит анод, катод-мишень и магнитную систему. Магнитная система представляет собой корпус из магнитомягкого материала, являющийся внешним магнитопроводом. Внутри него вдоль оси системы с зазорами на торцах расположен центральный магнитопровод. Все пространство между магнитопроводами вдоль центрального магнитопровода заполнено постоянными магнитами. В зазорах на торцах системы расположены дополнительные постоянные магниты, закрытые со стороны центрального магнитопровода концевыми наконечниками из магнитомягкого материала. Между ними и центральным магнитопроводом имеется зазор. МРС позволяет значительно увеличить зону равномерного напыления покрытия без увеличения габаритных размеров системы. 4 ил.

Устройство относится к плазменной технике и предназначено для нанесения на поверхность твердых тел тонких пленок из металлов и их соединений, синтезированных в результате взаимодействия атомов, распыленных с поверхностью металлического катода, с газоплазменной средой.

Основным узлом установки является магнетронная распылительная система (МРС).

МРС содержит катод-мишень, анод и магнитную систему. Силовые линии магнитного поля располагаются вдоль поверхности мишени. При подаче постоянного напряжения между катодом и анодом зажигается тлеющий разряд. Магнитное поле локализует плазму непосредственно у мишени. Эмиттированные с поверхности катода электроды под действием электрического и магнитного полей двигаются вдоль поверхности катода по сложным циклическим траекториям, многократно ионизуя атомы. Это приводит к росту концентрации ионов в плазме и к увеличению скорости распыления катода.

Известные МРС подразделяются на планарные системы [1, c.11] и коаксиальные [1, с.45].

Наиболее эффективная конструкция МРС коаксиального типа содержит катод в виде трубы из распыляемого материала. Магнитная система в виде набора кольцевых постоянных магнитов устанавливается либо внутри катода, либо снаружи. Соответственно, подложки для напыления пленок устанавливаются на цилиндрической поверхности вокруг катода либо внутри вдоль его оси. Коаксиальные конструкции имеют высокую производительность за счет увеличения площади одновременно обрабатываемых подложек. Однако такие конструкции непригодные для нанесения пленок на листовые материалы большой площади.

Планарные магнетронные системы в самом общем случае содержат вмонтированные в корпус магнитный блок, водоохлаждаемый катод-мишень который представляет собой пластину из распыляемого материала. Над катодом располагается анод, установленный по периметру мишени [1, c. 11 и 51]. Для нанесения пленок на листовые материалы большой площади размеры мишени выбираются большими. Известна, например, конструкция с линейной мишенью длиной 2 м и шириной 20 см [1, c. 57]. В такой конструкции интенсивно распыляемая часть поверхности мишени имеет вид замкнутой вытянутой дорожки, расположенной вдоль мишени. Подложка - листовой материал для нанесения покрытия располагается параллельно плоскости мишени и перемещается поперек мишени для равномерного нанесения пленки вдоль листового материала. Длина мишени, а следовательно, и МРС определяется шириной обрабатываемого материала.

Магнитная система магнетрона [2] представляет собой прямоугольное основание из магнитомягкого материала, являющееся магнитопроводом, на котором вдоль боковых сторон и по центру установлены протяженные постоянные магниты. Вся система помещена в корпус и закрыта сверху катодом-пластиной из распыляемого материала. Центральный магнит короче, чем боковые, и на торцах системы образованы зазоры между ним и корпусом. Такой магнитный блок создает поле, характеризующееся замкнутым контуром силовых линий, параллельных поверхностей распыляемой мишени. Учитывая большие продольные размеры МРС, изготовление магнитного блока требует большого количества дорогостоящего ферромагнитного материала. Кроме того, к размерам и форму магнитов представляются достаточно жесткие требования. При соблюдении этих требований такая магнитная система создает однородное по длине мишени магнитное поле, индукция которого плавно уменьшается по краям МРС. Данная МРС выбрана за прототип.

Равномерность толщины нанесенного покрытия зависит от скорости осаждения распыленного материала. В вышеописанной конструкции даже при высокой однородности магнитного поля вдоль всей поверхности мишени центральная зона образца будет напыляться с большей скоростью, чем периферийные зоны. Объясняется это прежде всего тем, что центральная зона образца имеет симметричную диаграмму напыления, а периферийные участки напыляются только с одной стороны. Как показали эксперименты, для магнетрона с длиной мишени 440 мм зона с постоянной магнитной индукцией составляет около 300 мм, а область с постоянной скоростью осаждения - только 220 мм, т.е. для нанесения пленки с равномерностью напыления не хуже 5% эффективно используется только половина длины мишени.

Изобретение направлено на решение задачи создания МРС для нанесения покрытия на листовые материалы большой площади, обладающей увеличенной областью равномерного напыления без увеличения размеров, а следовательно, и стоимости МРС.

Для решения этой задачи предлагаемая МРС, как и прототип, содержит анод и катод - мишень, покрывающую корпус магнитного блока. Магнитный блок содержит магнитопровод и постоянные магниты.

В отличие от прототипа корпус магнитного блока выполнен из магнитомягкого материала и является внешним магнитопроводом, внутри него на оси системы и с зазорами по торцам расположен внутренний магнитопровод, постоянные магниты заполняют пространство между магнитопроводами, а в зазорах на торцах системы помещены дополнительные магниты, закрытые со стороны внутреннего магнитопровода концевыми наконечниками из магнитомягкого материала, установленными с зазорами относительно внутреннего магнитопровода.

Выполненные корпуса магнитного блока из магнитомягкого материала позволяет ему одновременно играть роль внешнего магнитопровода. Нужная конфигурация магнитного поля в виде замкнутого контура силовых линий, параллельных поверхности мишени, создается благодаря наличию по оси системы внутреннего магнитопровода, расположенного так, что он образует по торцам зазоры между ним и внешним магнитопроводом. Наличие магнитопроводов уменьшает количество ферромагнитов, снижает требования к размерам и форме постоянных магнитов, так что магнитную систему становится возможным изготовлять из любой имеющейся в наличии номенклатуры магнитов.

Величина магнитной индукции дополнительного концевого магнита определяет степень увеличения магнитного поля в концевой зоне, а величина зазора x - степень его локализованности. Варьируя эти параметры, удалось оптимизировать магнитную систему магнетрона таким образом, что зона равномерного напыления для магнетрона длиной 440 мм возросла до 350 мм.

На фиг. 1 изображена магнитная система МРС, вид сверху при снятом катоде-мишени; на фиг. 2 - то же, продольное сечение; на фиг. 3 - то же, поперечное сечение.

Магнетронная распылительная система состоит из магнитного блока, изображено на фиг. 1, катода 1 и анода 2. Катод представляет собой металлическую пластину из распыляемого материала, которой закрыт корпус 3 магнитного блока.

Выполненный из магнитомягкого материала корпус 3 играет роль внешнего магнитопровода. Вдоль оси магнитной системы в корпусе 3 с зазорами по торцам расположен внутренний магнитопровод 4 из магнитомягкого материала. Постоянные магниты 5 заполняют полость между магнитопроводами 3 и 4 по всей длине системы. В зазорах на торцах системы помещены мощные концевые магниты 6, торцы которых со стороны внутреннего магнитопровода 4 закрыты концевыми наконечниками 7 из магнитомягкого материала. Между концевыми наконечниками 7 и центральными магнитопроводом 4 имеются зазоры x. . Анодом в данной конструкции является корпус установки. На фиг. 2-3 показана только его часть, обозначенная цифрой 2. Цифрой 8 обозначены силовые линии магнитного поля. Обрабатываемый листовой материал 9 перемещается поступательно поперек МРС (направление движения показано стрелкой на фиг. 3).

Работает устройство следующим образом. Постоянные магниты 5 создают над поверхностью катода 1 продольное магнитное поле, расположение силовых линий 8 которого показано на фиг. 3. Расположение индукции этого магнитного поля вдоль продольной оси МРС показано на фиг. 4, где 10 - индукция системы без концевых магнитов 6, а 11 - распределение индукции при наличии концевых магнитов 6 с концевыми наконечниками 7. Падение индукции 10 по торцам системы, как это имеет место в прототипе, дополнительно уменьшает зону равномерного напыления. Величина магнитной индукции концевого магнита 6 определяет степень увеличения B индукции 11 в концевой зоне, а величина зазора x - степень его локализованности l . Зазор x можно изменять, изменяя толщину концевого наконечника.

Между катодом 1 и анодом 2 подается постоянное напряжение и зажигается тлеющий разряд. Наличие замкнутого магнитного поля у поверхности катода позволяет локализовать плазму разряда непосредственно у катода-мишени. Участки мишени между входом и выходом силовых линий 8 магнитного поля начнут интенсивно распыляться, причем участки на концах мишени 1 благодаря увеличению индукции 11 магнитного поля на них будут распыляться с большей скоростью. Варьируя величинами магнитной индукции концевого магнита 6 и величиной зазора x , можно добиться такого увеличения скорости распыления по концам системы, которое будет компенсировать уменьшение скорости напыления по концам образца 9 за счет несимметричной диаграммы напыления.

Так, в частности, для магнетрона длиной 440 мм при индукции концевого магнита 6, равной 180 мТ, и величине зазора x = 15 мм ширина зоны равномерного напыления на образце 9 достигла 350 мм.

Таким образом, предлагаемое несложное усовершенствование конструкции МРС позволяет значительно увеличить ширину области равномерного напыления пленок на листовые материалы без увеличения габаритных размеров МРС.

Формула изобретения

Магнетронная распылительная система, содержащая анод и катод-мишень, покрывающую корпус магнитного блока, содержащего магнитопровод и постоянные магниты, отличающаяся тем, что корпус магнитного блока выполнен из магнитомягкого материала, внутри него на оси системы и с зазорами по торцам расположен внутренний магнитопровод, постоянные магниты заполняют пространство между магнитопроводами, а в зазорах на торцах системы расположены дополнительные магниты, закрытые со стороны внутреннего магнитопровода концевыми наконечниками из магнитомягкого материала, установленными с зазором относительно внутреннего магнитопровода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4