Способ изготовления и реставрации мишени для магнетронного распыления в вакууме

 

Изобретение относится к микроэлектронной промышленности, стремительное развитие которой требует резкого увеличения производства полуфабрикатов из алюминия особой чистоты (АОЧ) в виде распыляемых мишеней. Изобретение позволяет значительно снизить расход дорогостоящего и дефицитного материала, т. к. заявляемый способ обеспечивает возможность использования мишеней, в которых лишь рабочая распыляемая часть выполнена из АОЧ. Остальная часть, изготовленная из алюминия высокой частоты (АВЧ), но с допустимым количеством примесей, может использоваться многократно, расходуемую часть изготавливают из прутка, придают ему форму углубления основы и проводят сварку под давлением, нагревая всю мишень до 330 - 450^oC, и впрессовывая расходуемую часть в углубление. 1 ил.

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к созданию экономичных профилей из дефицитных, дорогостоящих материалов повышенной степени чистоты, например из алюминия особой чистоты (АОЧ).

В последние годы интенсивно развивается и находит все более широкое применение микрорадиоэлектроника. При создании микросхем особую значимость приобретают системы и методы нанесения тонкопленочных покрытий.

В настоящее время считается установленным, что наиболее перспективными в этом направлении являются магнетронные распылительные системы (МРС), а также установки и линии на их основе. В МРС электроны, эммитируемые с мишени под воздействием ионной бомбардировки, захватываются магнитным полем и совершают цилкоидальное движение по замкнутым траекториям вблизи мишени. Высокая плотность ионного тока и большая удельная мощность, рассеиваемая на мишени, резко увеличивает скорость распыления материалов в МРС.

Локализация электронов вблизи мишени предотвращает бомбардировку ими подложек, в результате чего снижается температура и уменьшается радиационные дефекты в создаваемых структурах. Увеличение скорости распыления с одновременным снижением давления рабочего газа позволяет существенно снизить степень загрязнения пленок посторонними газовыми включениями.

Форма мишени обуславливается маркой распыляемого материала и геометрией магнитной системы. Мишень должна, прежде всего, обеспечивать высокий коэффициент использования ее материала, что особенно важно, поскольку выработка (распыление) мишени неравномерна, а стоимость ее высока, так как мишень изготавливается из материалов особой степени чистоты. Еще одной важной характеристикой процесса распыления является также воспроизводимость химического состава материала мишени на подложке. Степень химической чистоты материала мишени оказывает влияние не только на качество воспроизводимого пленочного покрытия, но и на устойчивость и стабилизацию процесса распыления.

Известен способ изготовления мишени с плоской рабочей частью, представляющей собой выполненный из АОЧ цельнометаллический диск с аксиально расположенными с обеих сторон его утолщениями в зоне распыления (рабочая часть) и в зоне крепления его в магнетроне (основа-держатель) (см. Минайчев В. Е. Одиноков В. В. Тюфаева П. П. Магнетронные распылительные устройства (магнетроны). Обзоры по электронной технике. Серия "Технология, организация производства и оборудование". 1979, вып. 8). Преимущества этого способа по сравнению с другими известными, заключаются в том, что мишень, выполненная таким способом, обеспечивает высокую технологичность процесса распыления, а также достижение более высокого коэффициента использования распыляемого материала (80 90 объема рабочей части мишени).

Основной недостаток состоит в том, что этот способ применим для выполнения мишени из однородного дорогостоящего материала алюминия особой чистоты. Т. е. здесь имеет место непроизводительный расход АОЧ: понятно, что лишь распыляемая (рабочая) часть мишени расходуется по назначению - воспроизведению на подложке, а остальная, значительная часть переходит в отходы. Использование мишени прекращается с завершением выработки ее рабочей части. Эту мишень заменяют новой, т. е. полученной с полным циклом трудозатрат на ее изготовление.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления составной мишени магнетронного источника (авт. св. N 1025754), который принят за прототип. Способ включает выполнение углубления в основе вследствие распыления материала основы в магнетронном источнике и заполнение углубления материалом покрытия путем литья. При этом основа и распыленный материал разнородны по физико-химическим свойствам.

Недостатком известного способа является то, что указанное расширение неприемлемо для мишеней магнетронного источника из металлов особой чистоты, т. к. заполнение углубления в основе литьем, учитывая, что материал основы и компенсатора различен по физико-химической природе, не исключает наличие пузырьков или замкнутых объемов воздуха, не обеспечивает требуемой плотности шва в зоне контакта, а переработка изделий из АОЧ ведется в условиях глубокого вакуума (10^-4 10^-9 мл Н).

Целью изобретения является обеспечение необходимого качества напыления особо чистого алюминия, стабилизации процесса и повышение его технико-экономических показателей за счет экономии дорогостоящего материала.

Поставленная цель достигается тем, что изготавливают основу из алюминия высокой чистоты, сумма примесей которого не превышает 0,0049 0,145 суммы примесей распыляемого металла, выполняют в основе углубление и заполняют его распыленным металлом алюминием особой чистоты, при этом распыляемый металл в виде прутка эллипсовидного сечения укладывают в углубление, нагревают вместе с основой до температуры 330 450^oC и запрессовывают в углубление.

Границы допустимой разницы суммы примесей материала основы и распыляемой части определены исходя из экономичности и эксплуатационных свойств мишени.

Изменение в сторону уменьшения разницы суммы примесей материала основы и распыляемой части, составляющей 0,0049 нецелесообразно, т. к. превращает материал основы в алюминий особой чистоты, что ведет к значительному увеличению материальных затрат.

В том случае, если эта разница будет превышать 0,145 то при осуществлении процесса сварки давлением основы, имеющей углубление, и кольца, вследствие диффузии в пограничной зоне не будет удовлетворено требование по чистоте к распыляемому материалу АОЧ.

Увеличение осевого радиуса кольцевой канавки выше выбранного предела и ниже нижнего предела приводит к снижению показателей эффективности процесса, т. е. к снижению его КПД по использованию полезной поверхности распыления.

Для обеспечения технико-экономических условий при изготовлении мишени из всех известных вариантов сочленения наиболее оптимальным является сварка давлением (выпрессовывание).

Заявляемый способ изготовления мишени позволяет значительно снизить расход дорогостоящего распыляемого материала алюминия особой чистоты. Кроме того, отработанная мишень становится воспроизводимой, так как имеется возможность замены лишь рабочей части мишени, что приводит к снижению трудовых и материальных затрат при изготовлении новых мишеней и их реставрации.

Как показал поиск научно-технической информации и патентной документации, известны конструкции мишени с разнородным материалом распыляемой рабочей части (патент США N 4505798, патент США N 4444635, авт. св. СССР N 620513), целью которых является обеспечение возможности регулирования химсостава, наносимого на подложку покрытия. Эти технические решения иные по свойствам, назначению и достигаемому эффекту в сравнении с предложенным решением. Таким образом, заявляемая совокупность признаков является новой и обеспечивает достижение положительного эффекта, т. е. заявляемое решение соответствует критерию существенные отличия.

В качестве примера для конкретной реализации разработки применяли составную мишень, представленную на чертеже. Она состоит из базы-держателя (или основы) 1, крепящейся в магнетроне, и распыляемой рабочей части мишени, представляющей собой разъемное кольцо 5 эллипсоидального сечения с апогеем по вертикали, изготовленные соответственно из алюминия высокой чистоты с суммарным содержанием примесей 0,01 и алюминия особой чистоты с суммарным содержанием примесей 0,0005 Следует отметить, что база-держатель имеет выступы в верхней части 2 и 8 нижней части 3, причем в верхнем выступе имеется аксиальная канавка 4.

Разница суммарных примесей материала основы и распыляемой части мишени в этом случае составляет 0,0995 Заявляемая мишень для распыления изготавливалась следующим образом.

Вначале изготавливали основу из АОЧ методом горячей штамповки из круглой заготовки с предварительной ее распрессовкой согласно ТУ 48-5-1/0-85. Геометрические размеры мишени соответствуют указанным в техническом условии: D 188 мм, d₂ 160 мм, d₁ 91 мм, d 130 мм, Н 10,5 мм, h 3,0 мм. На верхней выступающей поверхности осуществили кольцевую расточку с размерами: (d₄-d₅) 23,5 мм, что соответствует зависимости (d₄-d₅) 1/4 · (1/2 D) и h₁ 10,1 мм, что соответствует зависимости h₁ 3/4 · (H + h). Затем из чушковой заготовки алюминия особой чистоты изготавливали рабочую распыляемую часть мишени-кольца 5.

Изготовленные элементы мишени подвергали травлению (вначале в растворе NaOH, затем в растворе "царской водки" HNO₃ HCl 1 3), после чего промывали в горячей дистиллированной воде и обрабатывали спиртом, а затем нагревали до температуры Т 350^oC. Нагретую основу помещали в штамп, в кольцевую расточку укладывали кольцо 5 и усилием гидропресса (П-457) Р 200 кгс/см³ запрессовывали кольцо в расточку основы.

Расход металла на изготовление 1 мишени составляет 1,460 кг, а вес компрессованного кольца 0,500 кг, т. е. составляет менее 35 Трудозатраты на изготовление предложенной мишени (включая операции кольцевой расточки, изготовления кольца, запрессовывания кольца в основу мишени) составили 40 от трудозатрат, которые имеют место при изготовлении новой мишени.

Было изготовлено и испытано более 1500 шт. мишеней предложенной конструкции. Испытания проведены в промышленных условиях. Мишень закрепляли в магнетроне, на противоположной стороне устанавливали 10 пластин для напыления. Процесс вели при напряжении 500 В (начало) и 380 370 В (окончание) и токе 10 А. Напряжение снижают по мере выработки распыляемой части мишени.

Толщина напыляемого слоя 1,2 мкм, скорость процесса 10 пластин за 1 ч.

Результаты проведенных исследований показали, что при применении заявляемого способа процесс распыления протекает стабильно и не требует внесения дополнительных корректировок в режим работы МРС в сравнении с использованием известной мишени. "Прожегов", т. е. вовлечения в процесс распыления после выработки распыляемой части нерабочей части мишени не зафиксировано. Качество напыляемой пленки соответствует требованиям ГОСТ и не уступает качеству пленки, получаемой при распылении известной мишени.

Использование изобретения позволит обеспечить необходимое качество напыления, стабилизировать процесс и повысить его технико-экономические показатели за счет экономии дорогостоящего материала.

Формула изобретения

Способ изготовления и реставрации мишени для магнетронного распыления в вакууме, включающий изготовление основы из металла, выполнение углубления в основе и формирование расходуемой части мишени с заполнением углубления распыляемым материалом покрытия, отличающийся тем, что, с целью обеспечения необходимого качества распыления, стабилизации процесса и повышения его технико-экономических показателей за счет снижения расхода дорогостоящего материала, основу изготавливают из металла расходуемой части, но с допустимым превышением количества примесей относительно примесей расходуемой части на 0,0049 0,135% а расходуемую часть формируют из прутка алюминия особой чистоты и после заполнения им углубления основы всю мишень нагревают до 330 - 450^oС и запрессовывают расходуемую часть в углубление.

РИСУНКИ

Рисунок 1