Устройство для напыления пленок в плазме

 

Изобретение относится к акустике и акустоэлектронике, в частности к нанесению, диэлектрических и пьезоэлектрических пленок на поверхность подложки методом плазменно-реактивного распыления металлической мишени в вакууме. Цель изобретения - эффективность использования мишени. Это достигается тем, что устройство для напыления пленок в плазме содержит магнетронный распылитель с катодом-мишенью, анодом, подложкодержателем, магнитной системой, и источник постоянного напряжения, между катодом-мишенью и анодом введен конденсатор переменной емкости, а магнитная система удовлетворяет условию 0,05≅ B≅ 0,07, где B - величина магнитной индукции, Тл. 1 ил.

Изобретение относится к акустике и акустоэлектронике, в частности к нанесению диэлектрических и пьезоэлектрических пленок на поверхность подложки методом плазменно-реактивного распыления металлической мишени в вакууме. Пленки могут быть использованы в качестве источников и приемников акустических колебаний, применяемых в медицинской диагностике, в звуковых сигнализаторах, акустическом зондировании земной поверхности, акселерометрах давления.

Известен ряд устройств для реактивного магнетронного напыления диэлектрических пленок, а именно устройство, которое содержит источник постоянного тока с напряжением 500-700 В, катод-мишень, водоохлаждаемый держатель катода-мишени, магнитную систему. Для увеличения ресурса работы и повышения эффективности охлаждения катода-мишени в его поверхности, прилегающей к водоохлаждаемому держателю, выполнены выступы, а на сопряженной поверхности водоохлаждаемого держателя между полюсными наконечниками магнитной системы выполнены пазы, соответствующие выступам на катоде-мишени.

Недостатком данного устройства является то, что при малых давлениях, порядка 1,33 ˙10^-1 Па, наблюдается локальный разогрев поверхности мишени, причем величина тока разряда не больше, чем при более высоких давлениях активного газа, Это обстоятельство ведет к уменьшению тока разряда и, как следствие, к снижению скорости травления мишени.

Известно также устройство для реактивного напыления пленок, содержащее анод, П-образное основание с полостью для хладагента, на торцах которого закреплены катод-мишень, снабжено мембраной, закрепленной на выступах, которые выполнены на внутренней боковой поверхности основания. Под давлением хладагента мембрана прижимается всей полостью к поверхности катода-мишени, создавая хороший тепловой эффект-контакт.

Недостатком данного устройства является то, что при уменьшении давления и сохранении неизменным тока разряда наблюдаются локальные перегревы поверхности мишени, местоположение которых носит случайный характер.

Известно также устройство для реактивного магнетронного нанесения диэлектрических пленок, содержащее катод-мишень, выполненную в виде полого цилиндра, внутри которого циркулирует охлаждающая жидкость, расположенную между полюсными наконечниками постоянного магнита и вставленную в цилиндрический анод большего диаметра, на стенках которого выполнены отверстия, в которых размещаются подложки. Для питания устройства используется источник постоянного тока напряжением 300-500 В.

Недостатком данного устройства является низкая скорость распыления мишени, которая ограничивается плотностью тока с поверхности мишени. Увеличение плотности тока больше допустимой ведет к расплавлению мишени.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для напыления пленок в плазме, содержащее магнетронный распылитель с катодом-мишенью, анодом, подложкодержателем, магнитной системой, и источник постоянного напряжения. Магнитная система располагается в держателе, охлаждаемом проточной водой, к которому прикрепляется металлическая мишень. Анод представляет собой кольцо и располагается по периметру мишени между подложкодержателем и катодом-мишенью. Для более полного устраненя и бомбардировки мишени вторичными электронами катодный блок окружается заземленным экраном.

Недостатком данного устройства является малая скорость распыления мишени, ограниченная перегревом последней.

При уменьшении давления рабочего газа менее 5˙ 10^-1 Па происходит уменьшение допустимой плотности тока. Однако скорость распыления мишени при таком режиме возрастает, это объясняется уменьшением числа частиц распыленного материала, вернувшихся на мишень. Причина уменьшения допустимой плотности тока следующая. Кроме движения заряженных частиц от мишени-катода к аноду, диффузионный ток характеризуется наличием тока в цепи источника тока, заряженные частицы движутся на поверхности мишени-катода, причем это движение частиц - дрейфовый ток, в 3-10 раз превышает диффузионный. При уменьшении давления возрастают длины пролета частиц, величина дрейфового тока также возрастает. Магнитное поле, создаваемое дрейфовым током, уменьшает статическое магнитное поле постоянных магнитов. Это, в свою очередь, увеличивает диффузионный ток и уменьшает дрейфовый. Падение дрейфового тока увеличивает магнитное поле, частицы начинают накапливаться у мишени-катода и все повторяется сначала. Отражением этого явления служит появление переменной составляющей тока в цепи источника питания. Колебания носят шумовой характер с шириной полосы дорожки ≈10 кГц и центральной частотой 110-120 кГц. При давлении активного газа более 5 ˙10^-1 Па шумовые колебания имеют место, но их величина на порядок меньше и их спектр не имеет ярко выраженного максимума. Переход в автоколебательный режим может осуществляться путем уменьшения давления как плавным увеличением зоны яркого свечения плазмы и ростом величины колебаний в цепи питания, так и скачкообразно. Появление ВЧ-колебаний не является недопустимым явлением в работе устройства. Более того, колебания дополнительно разогревают плазму, увеличивая размер зоны эрозии примерно на 30%. Кроме того, при выращивании диэлектрических пленок греют поверхности диэлектрика, улучшая энергетические условия роста пленки без существенного разогрева подложки. Однако через 2-10 мин спектр шумовых колебаний сужается, амплитуда возрастает. Одновременно начинает разогреваться небольшой участок мишени площадью ≈ 0,1-0,3 см². Далее примерно через 10 мин этот участок поверхности мишени расплавляется, а узкая спектральная полоса шумовых колебаний рассыпается. Уменьшение анодного тока в два раза не исключает разогрева мишени, а только увеличивает время до ее расплавления.

Цель изобретения - эффективность использования мишени.

Этот достигается тем, что устройство для напыления пленок в плазме содержит магнетронный распылитель с катодом-мишенью, анодом, подложкодержателем, магнитной системой и источник постоянного напряжения, между катодом-мишенью и анодом введен конденсатор переменной емкости, а магнитная система удовлетворяет условию 0,05 ≅B≅0,07, где В - величина магнитной индукции в Тл.

На чертеже представлено предлагаемое устройство. Устройство состоит из катода 1 с металлической мишенью 2 в виде диска, магнитного блока 3 с концентрическими наконечниками 4, расположенного внутри водоохлаждаемого держателя 5, расположенных над катодом-мишенью кольцевого анода 6 и подложкодержателя 7, диэлектрического стакана 8 между подложкодержателем и катодом-мишенью, источника 9 питания, при этом положительная клемма выходного напряжения соединена с кольцевым анодом, отрицательная - с катодом-мишенью, и конденсатора 10 переменной емкости, у которого роторные пластины соединены с валом электродвигателя, подключенного между анодом и катодом.

Устройство работает следующим образом.

В рабочем вакуумном объеме, где расположено устройство, устанавливается давление активного газа примерно 5 ˙10^-2 Па. Включают напряжение источника питания. Над поверхностью металлического катода-мишени загорается газовый разряд магнетронного типа, в котором происходит интенсивная ионизация атомов активного газа. Одновременно с включением напряжения источника питания включается электродвигатель и роторные пластины переменного конденсатора начинают вращаться. В газовом разряде устанавливаются колебания частотой примерно 150 кГц, однако емкость, подключенная параллельно газоразрядному промежутку, вносит дополнительную реактивность в колебательную систему и оказывает влияние на частоту колебаний. Поскольку емкость не постоянна, то и частота колебаний изменяется. При полном обороте роторных пластин за 5 с в плазме не успевает произойти пространственная группировка заряженных частиц, на мишени не образуется участок повышенной температуры и не создаются условия для локального перегрева мишени. Мишень бомбардируется равномерно по всей зоне эрозии, которая примерно на 30% больше, чем при давлении, когда электромагнитные колебания в плазме не возбуждаются. При напылении диэлектрических пленок электромагнитные колебания дополнительно греют поверхность напыляемой пленки, что положительно сказывается на качестве этой пленки. Осаждение пленки в таких условиях может производиться на подложку меньшей температуры, что ведет к уменьшению остаточного напряжения при остывании в условиях несовпадения коэффициента температурного расширения пленки и подложки. Таким образом, использование переменной емкости позволяет реализовать автогенераторный режим горения газового разряда магнетронного типа, при котором площадь эрозии мишени больше и качество выращивания пленок выше, и увеличить предельно допустимую плотность тока без нарушения поверхности катода-мишени.

П р и м е р. Рассмотрим предлагаемое устройство для напыления диэлектрических пленок при напылении оксида цинка. В качестве мишени используют цинковый диск, кислород при общем давлении 0,8 ˙10^-2 - 0,4 ˙10^-2 Па. Предварительный нагрев подложки 300±10^оС. Стабильное течение процесса напыления проводится в течение 14 ч при напряжении 660 ±5 В и токе разряда 200 ±5 мА. Емкость меняется от 75 до 180 пФ за 2,5 с (время одного оборота двигателя 5 с). Скорость роста пленки составляет 5,4 мкм/ч. Расстояние от подложки до мишени составляет 21,5 мм. Результатом является напыление пленки толщиной 75 мкм.

Предлагаемое устройство обеспечивает стабильное травление мишени и, как следствие, устойчивое протекание плазмохимической реакции при напылении на подложках диэлектрических и пьезоэлектрических пленок.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАПЫЛЕНИЯ ПЛЕНОК В ПЛАЗМЕ, содержащее магнетронный распылитель с катод-мишенью, анодом, подложкодержателем, магнитной системой и источник постоянного напряжения, отличающееся тем, что в него введен между катод-мишенью и анодом конденсатор переменной емкости, а магнитная система удовлетворяет условию 0,5 ≅ B ≅ 0,07 , где B - величина магнитной индукции, Тл.

РИСУНКИ

Рисунок 1