Способ формирования пленочного покрытия и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области нанесения покрытий и может быть использовано в машиностроении. Способ включает магнетронное распыление противолежащих мишеней, осаждение распыленного материала на подложку, при этом распыленный материал направляют в зону смешения, образованную по меньшей мере двумя встречными потоками распыленного материала, направление каждого из встречных потоков распыленного материала в зону смешения отклонено в сторону подложки для организации результирующего потока распыленного материала из зоны смешения на подложку, которую перемещают относительно потока. Устройство включает вакуумную камеру, по меньшей мере два противолежащих магнетрона с мишенями, устройство для крепления подложки, при этом магнетроны размещены в объеме, соединенном с вакуумной камерой, оси магнетронов образуют телесный угол 160-180^o, вершина которого обращена в сторону подложки и размещена в плоскости, ортогональной подложке, на расстоянии, превышающем расстояние между противолежащими мишенями, причем устройство для крепления подложки выполнено с возможностью перемещения относительно плоскости, в которой находится вершина телесного угла. Использование изобретения обеспечивает снижение отклонения состава покрытий от состава мишеней. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области нанесения покрытий, в том числе сверхпроводящих, различных по назначению и составу, и может быть использовано в машиностроении, электронной, электротехнической, медицинской и других отраслях промышленности.

Известны способ получения тонкой пленки сверхпроводящего многокомпонентного оксида с использованием расположенных друг против друга мишеней и установка (заявка Японии 1-246355, кл. С 23 С 14/08, 14/34, 1990), в которых для получения тонкой пленки на подложке из оксидированного кремния с малым отклонением по составу от мишени распыляют мишень, например, из оксида, содержащего иттрий, барий и медь в соотношении 1:2:3. Осаждение проводят в магнитном поле между двумя мишенями с двух сторон подложки с подачей кислорода внутрь камеры после осаждения компонентов оксида, имеющего в этом случае состав YBa₂Cu₃O_7-δ. При использовании способа и устройства для формирования покрытий возможно отклонение состава покрытия от состава мишени, особенно при нанесении пленки на подложки увеличенного размера.

Известны также способ и установка для получения тонкой пленки магнетронным напылением с расположенными друг против друга мишенями (заявка ЕПВ 0273685, кл. С 23 С 14/34, 14/56, 1988), в котором для получения тонкой пленки на подложке в виде пленки используют две мишени, расположенные друг против друга в вакуумной камере, и устройство для создания магнитного поля, направленного перпендикулярно к поверхности мишеней и ограничивающего область плазмы, и отражательный электрод, расположенный перед генераторами магнитного поля и окружающий мишени для направления электронов в пространство между мишенями. Генераторы магнитного поля расположены вокруг мишеней, создают вспомогательное поле, которое в комбинации с устройством для отражения электронов обеспечивают возможность регулировки толщины осаждаемой пленки на подложке большой ширины, расположенной между мишенями.

Способу и устройству также свойственны недостатки, обусловленные возможностью значительного отклонения состава пленки от состава мишени, что имеет место при распылении мишеней сложного состава, например, из YВ₂Сu₃O_7-x.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ обработки поверхности (патент США 4880515, кл. С 23 С 14/34, 1989) подложки магнетронным распылением как минимум двух мишеней и осаждением распыленного материала на поверхности подложки, формируя тонкую пленку, при этом подложку помещают между двумя мишенями на определенном расстоянии между ними. Сзади каждой пары мишеней устанавливают как минимум один магнит таким образом, чтобы полюсы одной полярности первого магнита обращены к полюсам противоположной полярности второго магнита, создавая в промежутке между магнитами магнитное поле. Напротив подложки за пределами магнитного поля установлен как минимум один электромагнит, полюса которого противоположны полярности полюсов магнитов, расположенных сзади мишеней, что приводит к возрастанию компоненты магнитных силовых линий параллельно мишеням и увеличению плотности плазмы у поверхности мишеней.

При формировании сложных по составу покрытий указанным способом возможно значительное несоответствие составов осаждаемого покрытия и распыляемых мишеней вследствие того, что подложка расположена между двумя мишенями и каждый магнетрон работает как одиночный, и возможного в этом случае разделения потока распыленного материала по массам.

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство для напыления покрытий с противолежащими мишенями (заявка Японии 63-20303, кл. С 23 С 14/34, 1988), имеющее противолежащие мишени, магниты распылителей, создающие магнитное поле, ортогональное поверхности напыления покрытия, подложку, закрепленную на держателе и расположенную вблизи полости, ограниченной мишенями на держателе. Вакуумная камера устройства снабжена системами эвакуации, подачи и регулирования расхода газа. Полость между мишенями закрыта экраном таким образом, чтобы поток напыляемых частиц попадал только на поверхность подложки.

Наличие экрана, ограничивающего полость между мишенями, делает возможным изменение состава распыленного материала вследствие частичного высаживания на экране составляющих плазменного потока, приводящего к отклонению от состава мишеней.

Технический результат от совокупности влияния признаков, предлагаемых в изобретении, заключается в снижении отклонения состава покрытия от состава многокомпонентных мишеней при формировании пленочных покрытий.

Указанный технический результат достигается в способе формирования пленочного покрытия, включающем магнетронное распыление противолежащих мишеней, осаждение распыленного материала на подложку, в котором распыленный материал направляют в зону смешения, образованную по меньшей мере двумя встречными потоками распыленного материала, направление каждого из встречных потоков распыленного материала в зону смешения отклонено в сторону подложки таким образом, чтобы организовать результирующий поток распыленного материала из зоны смешения на подложку, а формирование покрытия ведут осаждением распыленного материала результирующего потока с перемещением подложки относительно результирующего потока.

Технический результат обеспечивается также в устройстве для осуществления способа, включающем вакуумную камеру, по меньшей мере два противолежащих магнетронных распылителя мишеней, системы эвакуации, подачи и регулирования расхода газовой смеси, устройство для крепления подложки, в котором магнетроны размещены вне камеры в объеме, соединенном с вакуумной камерой, оси магнетронов образуют телесный угол 160-180^o, вершина которого обращена в сторону подложки и размещена в плоскости, ортогональной подложке, на расстоянии, превышающем расстояние между противолежащими мишенями, причем держатель подложки выполнен с возможностью перемещения относительно плоскости, в которой находится вершина телесного угла.

Согласно предлагаемому изобретению распыленный материал направляют в зону смешения, образованную встречными потоками распыленного в плазме материала с высокой скоростью частиц в них и возникающей в этом случае турбулентностью, что обеспечивает усреднение состава распыленного материала в зоне смешения без разделения по массовым числам составляющих. Формирование покрытия осаждением распыленного материала усредненного состава из зоны смешения на подложку обеспечивает максимальное приближение состава покрытия к составу мишеней.

Отклонение направления потоков распыленного материала в сторону подложки необходимо для образования результирующего потока, направленного в сторону подложки, что обеспечивает подвод распыленного материала к подложке и собственно процесс формирования покрытия распыленным материалом, состав которого близок к составу мишеней.

Перемещение подложки относительно результирующего потока распыленного материала обеспечивает стабильность состава покрытия, соответствующего составу мишеней, по поверхности подложки.

Размещение противолежащих магнетронов таким образом, что их оси составляют телесный угол от 160 до 180^o, позволяет, с одной стороны, организовать зону смешения плазменных потоков распыленного материала с достаточной турбулентностью, с другой - организовать и придать направление движения результирующему потоку распыленного материала. Уменьшение угла менее 160^o не обеспечивает достаточной степени смешения потоков, увеличение более 180^o нарушает процесс транспортировки распыленного материала к подложке.

Размещение вершины телесного угла в плоскости, ортогональной подложке, обеспечивает направление движения результирующего потока распыленного материала к подложке и собственно организацию процесса формирования покрытия осаждением. Причем ортогональность плоскости, где размещена вершина телесного угла, к подложке обуславливает максимальную степень осаждения распыленного материала результирующего потока.

Расположение магнетронов в отдельном объеме, соединенном с вакуумной камерой, также способствует организации результирующего потока распыленного материала усредненного состава из объема к подложке в вакуумной камере вследствие перепада давления плазмообразующего газа в объеме и вакуумной камере.

Превышение расстояния от вершины телесного угла до подложки более расстояния между противолежащими мишенями позволяет исключить изменение состава формируемого покрытия вследствие воздействия (нагрева и бомбардировки) частиц на формируемое покрытие.

Выполнение держателя подложки с возможностью перемещения относительно ортогональной плоскости, где размещена вершина телесного угла, обеспечивает соответствие состава покрытия составу мишеней вследствие исключения локальных колебаний состава по площади покрытия.

На фиг. 1 приведена схема сечения устройства для формирования покрытия предлагаемым способом с перемещением подложки произвольной формы, укрепленной на устройстве карусельного типа, на фиг.2 - то же с перемещением подложки в виде ленты.

Устройство представляет собой вакуумную камеру 1, к которой примыкает объем 2, обращенный открытым торцом в камеру 1. На стенках объема 2 размещены противоположно две пары магнетронов 3, оси 4 которых образуют телесный угол с вершиной 5, расположенной в плоскости 6, ортогональной подложке 7. Расстояние между противолежащими мишенями 8 магнетронов 3 меньше, чем расстояние между вершиной 5 телесного угла и подложкой 7, которая укреплена на устройстве 9 в виде платформы карусельного типа. Для эвакуации газа из камеры 1 устройство снабжено системой 10, для подачи и регулирования расхода газовой смеси выполнено устройство 11.

Устройство работает следующим образом. Из вакуумной камеры 1 посредством системы 10 эвакуируют газ до давления, меньшего 1•10^-2 Па. Через систему подачи и регулирования расхода 11 в объем 2 подают газовую смесь на основе инертного газа. Подачей электрической мощности на электроды магнетронов 3 организуют распыление мишеней 8 в плазме низкого давления. Организуют перемещение подложки 7, укрепленной на устройстве 9 в виде платформы карусельного типа, относительно плоскости 6. Потоки распыленного материала мишеней 8, встречаясь в вершине 5 телесного угла, образованного осями 4 магнетронов 3, образуют зону смешения и результирующий поток распыленного материала в плоскости 6, ортогональной подложке 7. В связи с вращением устройства 9 на каждом участке подложки 7, перемещаемой относительно плоскости 6, осаждают тонкий слой покрытия из распыленного материала. Вследствие многократного прохождения каждого участка подложки 7 относительно результирующего потока распыленного материала из зоны смешения на подложке формируется тонкими (менее 1 нм) слоями покрытие одинакового состава по толщине покрытия и площади осаждения.

При завершении процесса формирования покрытия магнетроны 3, подвод газовой смеси через систему подачи и регулирования 11, а также перемещение устройства 9 отключают, давление в вакуумной камере 1 выравнивают с атмосферным, снимают подложку 7, на которой сформировано покрытие. После замены подложки на другую процесс формирования покрытия повторяют.

Предлагаемые способ и устройство использованы при формировании покрытия распылением двух мишеней из высокотемпературной сверхпроводящей керамики (YВa₂Сu₃O_7-х) на подложке из α-Аl₂O₃, покрытой серебром. Расстояние между противолежащими мишенями составило 60 мм, телесный угол, образованный осями магнетронов, - 176^o, расстояние вершины телесного угла от плоскости подложки - 65-80 мм. Мощность, подводимая к каждому магнетрону, составила 26 Вт, время формирования покрытия 120 мин, давление в вакуумной камере (1-5)•10^-1 Па. В качестве газовой смеси использовали смесь аргона и кислорода (33 об. %). Толщина сформированного покрытия составила 900 нм. В результате сравнения исходных составов мишеней и полученного покрытия установлено, что состав мишеней соответствовал соединению YBа_2.02Сu_3.10O_7-х, полученное покрытие - YBa_2,00Cu_3,05O_7-x. Последнее свидетельствует о практическом отсутствии изменения состава при формировании покрытия.

Формирование покрытий распылением мишеней того же состава без образования зоны смешения при размещении подложки на пути распыленного потока материала сопровождалось изменением состава покрытия (YBa_{(1,07- 1,27)}Cu_{(0,38- 1,81)}О_7-x).

Таким образом, реализация предлагаемых способа формирования пленочных покрытий и устройства для его осуществления обеспечивает соответствие состава покрытий составу сложных по составу мишеней.

Формула изобретения

1. Способ формирования пленочного покрытия, включающий магнетронное распыление противолежащих мишеней, осаждение распыленного материала на подложку, отличающийся тем, что распыленный материал направляют в зону смешения, образованную по меньшей мере двумя встречными потоками распыленного материала, направление каждого из встречных потоков распыленного материала в зону смешения отклоняют в сторону подложки с возможностью образования результирующего потока распыленного материала из зоны смешения на подложку, которую перемещают относительно результирующего потока.

2. Устройство для формирования пленочного покрытия, включающее вакуумную камеру, по меньшей мере два противолежащих магнетрона с мишенями, системы эвакуации, подачи и регулирования расхода газовой смеси, подложку с устройством для ее крепления, отличающееся тем, что магнетроны размещены в объеме, соединенном с вакуумной камерой, оси магнетронов образуют телесный угол 160-180^o, вершина которого обращена в сторону подложки и размещена в плоскости, ортогональной подложке, на расстоянии, превышающем расстояние между противолежащими мишенями, причем устройство для крепления подложки выполнено с возможностью перемещения относительно плоскости, в которой расположена вершина телесного угла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2