Устройство ионного распыления (варианты)



Устройство ионного распыления (варианты)
Устройство ионного распыления (варианты)
Устройство ионного распыления (варианты)
Устройство ионного распыления (варианты)

 


Владельцы патента RU 2595266:

Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (RU)
Акционерное общество "Научно-исследовательский институт технической физики и автоматизации" (АО "НИИТФА") (RU)

Изобретение относится к области ионно-плазменного распыления, в частности к ионно-лучевому распылению мишеней для получения тонкопленочных проводящих, полупроводниковых и диэлектрических покрытий на движущихся или вращающихся подложках большой площади. Устройство ионного распыления содержит размещенные в вакуумной камере протяженный вдоль продольной оси О источник ионов с замкнутым дрейфом электронов с вертикальной осью Z, систему подачи газа, протяженную мишень, подложкодержатель и источник постоянного напряжения. Источник ионов имеет электрически соединенные верхний и нижний магнитопроводы замкнутой формы с соответственно верхним и нижним полюсными наконечниками катода, которыми ограничена выходная щель О-образной формы с протяженными участками, параллельными продольной оси О, а также размещенные в ограниченном внутренними поверхностями верхнего и нижнего магнитопроводов объеме анод замкнутой формы и магнитную систему в виде группы равномерно размещенных на протяжении источника ионов постоянных магнитов, причем анод расположен напротив выходной щели. Источник постоянного напряжения выводом с положительным потенциалом соединен с анодом, а заземленным выводом с отрицательным потенциалом - с магнитопроводами и мишенью. Мишень и подложкодержатель противолежат друг другу и размещены со стороны нижнего и верхнего полюсных наконечников катода соответственно, причем подложкодержатель закреплен с возможностью движения. Мишень выполнена в виде цилиндра и закреплена с возможностью вращения вокруг своей оси, которая параллельна продольной оси источника ионов О и пересекает его вертикальную ось Z. Поверхности верхнего и нижнего полюсных наконечников катода и обращенная к ним поверхность анода выполнены параллельными друг другу с наклоном к мишени, либо поверхности верхнего и нижнего полюсных наконечников катода и обращенная к ним поверхность анода выполнены параллельными вертикальной оси Z, причем верхний полюсный наконечник катода выступает в сторону вертикальной оси Z относительно нижнего полюсного наконечника катода, при этом угол α между лежащими в одной плоскости и пересекающими поверхность мишени в общей точке средней линией выходной щели на ее протяженном участке и нормалью к поверхности мишени выбран из интервала 50÷70°. Технический результат - снижение расхода материала мишени при ее равномерном эффективном распылении. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Предложение относится к области ионно-плазменного распыления, в частности к ионно-лучевому распылению мишеней с целью получения тонкопленочных проводящих, полупроводниковых и диэлектрических покрытий на движущихся или вращающихся подложках большой площади.

Известны и широко используются многочисленные устройства и способы для ионного распыления мишеней различной конфигурации, содержащие источник ионов с замкнутым дрейфом электронов: US 6236163 Bl, US 6130507 А (патенты: US 6236163 В1, класс МПК H01J 7/24, опубликован 22.05.2001; US 6130507 А, класс МПК H01J 27/02, опубликован 10.10.2000) - [1, 2], или так называемый источник Кауфмана: US 6063244 А, US 5492605 А (патенты: US 6063244 А, класс МПК С23С 19/34, опубликован 16.05.2000; US 5492605 А, класс МПК С23С 14/34, опубликован 20.02.1996) - [3, 4], имеющие плоскую мишень неподвижную или поворотную одно- или многопозиционную [1, 3, 4,] или мишень с внутренней или внешней распыляемой поверхностью [2]. Недостатком их является сложность устройств, недостаточная равномерность распыления мишени и соответственно низкий коэффициент использования материала мишени, а также то, что они практически не применимы для получения покрытий на подложках большой площади.

Известно устройство для ионного распыления мишени RU 2510735 С2 (патент RU 2510735 С2, класс МПК H01J 27/00, опубликован 10.04.2014) - [5], содержащее кольцевой источник ионов с замкнутым дрейфом электронов, выполненный с возможностью формирования ионного пучка, распространяющегося в промежутке между двумя условными вложенными друг в друга сходящимися по направлению от источника ионов к держателю мишени коническими поверхностями с общим основанием, ограниченным круговой выходной щелью кольцевого источника ионов, образующие которых составляют с общей осью конусов разные углы, а также держатель мишени, выполненный с возможностью поворота и/или вращения вокруг одной или нескольких осей. Недостатком данного устройства является сложность осуществления перемещений мишени по предлагаемым законам, низкие равномерность распыления и коэффициент использования материала мишени, а также ограниченность применения по размерам обрабатываемого объекта.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является устройство для нанесения покрытий в вакууме SU 1812243 А1 (патент SU 1812243 А1, класс МПК С23С 14/46, опубликован 30.04.1993) - [6], содержащее генератор ионного потока, имеющий разрядную зону и ионно-оптическую систему протяженной геометрии, формирующий из разрядной плазмы ионный пучок протяженной формы, который может быть сходящимся, в частном случае, источник ионов на основе холловского ускорителя с замкнутым дрейфом электронов, мишень, при этом источник ионов и мишень выполнены протяженными, систему подачи газа, подвижный подложкодержатель. Форма выходной щели замкнутая О-образная, протяженная мишень расположена параллельно разрядной зоне, напротив источника ионов, подложкодержатель расположен над протяженной мишенью с возможностью линейного перемещения. Недостатками данного устройства являются низкие равномерность распыления и соответственно коэффициент использования материала плоской мишени, который редко превышает 40%.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание протяженного устройства ионного распыления (варианты), обеспечивающего равномерное эффективное распыление мишени с повышенным коэффициентом использования материала мишени, позволяющего наносить покрытия на подложки большой площади.

Технический результат, достигаемый в изобретении, заключается в экономии материала мишени при ее равномерном эффективном распылении. Это особенно актуально, если для нанесения соответствующих покрытий требуется производить распыление мишеней из дорогостоящих материалов.

Указанная задача согласно первому варианту изобретения решается благодаря тому, что предлагаемое устройство ионного распыления содержит размещенные в вакуумной камере протяженный вдоль продольной оси О источник ионов с замкнутым дрейфом электронов с вертикальной осью Z, систему подачи газа, выполненную протяженной мишень, подложкодержатель и источник постоянного напряжения, при этом источник ионов имеет электрически соединенные верхний и нижний магнитопроводы замкнутой формы с соответственно верхним и нижним полюсными наконечниками катода, которыми ограничена выходная щель О-образной формы с протяженными участками параллельными продольной оси О, а также размещенные в ограниченном внутренними поверхностями верхнего и нижнего магнитопроводов объеме анод замкнутой формы и магнитную систему в виде группы равномерно размещенных на протяжении источника ионов постоянных магнитов, причем анод расположен напротив выходной щели. Источник постоянного напряжения концом с положительным потенциалом соединен с анодом, а заземленным концом с отрицательным потенциалом - с магнитопроводами и мишенью, которая выполнена из проводящего материала. Мишень и подложкодержатель противолежат друг другу и размещены со стороны нижнего и верхнего полюсных наконечников катода соответственно, при этом подложкодержатель закреплен с возможностью движения. В отличие от наиболее близкого аналога мишень в предлагаемом устройстве ионного распыления выполнена в виде цилиндра и закреплена с возможностью вращения вокруг своей оси, при этом ось мишени параллельна продольной оси источника ионов О и пересекает его вертикальную ось Z, поверхности верхнего и нижнего полюсных наконечников катода и обращенная к ним поверхность анода выполнены параллельными друг другу с наклоном к мишени, при этом угол α между лежащими в одной плоскости и пересекающими поверхность мишени в общей точке средней линией выходной щели на ее протяженном участке и нормалью к поверхности мишени выбран из интервала 50÷70°, кроме того, система подачи газа содержит две группы каналов расположенных симметрично относительно вертикальной оси Z, причем, в каждой группе каналов выходные каналы равномерно расположены в ряд на протяженном участке верхнего магнитопровода и сообщены с входным отверстием через параллельно-последовательные каналы, имеющие равное газодинамическое сопротивление, при этом выходные каналы имеют одинаковое сечение.

Указанная задача согласно второму варианту изобретения решается благодаря тому, что предлагаемое устройство ионного распыления содержит размещенные в вакуумной камере протяженный вдоль продольной оси О источник ионов с замкнутым дрейфом электронов с вертикальной осью Z, систему подачи газа, выполненную протяженной мишень, подложкодержатель и источник постоянного напряжения, при этом источник ионов имеет электрически соединенные верхний и нижний магнитопроводы замкнутой формы с соответственно верхним и нижним полюсными наконечниками катода, которыми ограничена выходная щель О-образной формы с протяженными участками параллельными продольной оси О, а также размещенные в ограниченном внутренними поверхностями верхнего и нижнего магнитопроводов объеме анод замкнутой формы и магнитную систему в виде группы равномерно размещенных на протяжении источника ионов постоянных магнитов, причем анод расположен напротив выходной щели. Источник постоянного напряжения концом с положительным потенциалом соединен с анодом, а заземленным концом с отрицательным потенциалом - с магнитопроводами и мишенью, которая выполнена из проводящего материала. Мишень и подложкодержатель противолежат друг другу и размещены со стороны нижнего и верхнего полюсных наконечников катода соответственно, при этом подложкодержатель закреплен с возможностью движения. В отличие от наиболее близкого аналога мишень в предлагаемом устройстве ионного распыления выполнена в виде цилиндра и закреплена с возможностью вращения вокруг своей оси, при этом ось мишени параллельна продольной оси источника ионов О и пересекает его вертикальную ось Z, поверхности верхнего и нижнего полюсных наконечников катода и обращенная к ним поверхность анода выполнены параллельными вертикальной оси Z источника ионов, причем верхний полюсный наконечник катода выступает в сторону вертикальной оси Z источника ионов относительно нижнего полюсного наконечника катода, при этом угол α между лежащими в одной плоскости и пересекающими поверхность мишени в общей точке средней линией выходной щели на ее протяженном участке и нормалью к поверхности мишени выбран из интервала 50÷70°, кроме того, система подачи газа содержит две группы каналов, расположенных симметрично относительно вертикальной оси Z, причем в каждой группе каналов выходные каналы равномерно расположены в ряд на протяженном участке верхнего магнитопровода и сообщены с входным отверстием через параллельно-последовательные каналы, имеющие равное газодинамическое сопротивление, при этом выходные каналы имеют одинаковое сечение.

Указанная задача по первому и второму вариантам изобретения также решается благодаря тому, что протяженная цилиндрическая мишень вращается непрерывно или поворачивается дискретно.

Предусмотрено, что протяженная цилиндрическая мишень устройства ионного распыления по первому и второму вариантам изобретения выполнена в виде трубы и присоединена к системе подачи хладагента.

Указанная задача по первому и второму вариантам изобретения также решается благодаря тому, что подложкодержатель выполнен плоским и закреплен с возможностью линейного перемещения относительно источника ионов перпендикулярно его вертикальной оси Z, либо подложкодержатель выполнен в виде протяженного барабана, ось которого параллельна оси цилиндрической мишени, и закреплен с возможностью вращения вокруг своей оси.

Сущность технического решения вариантов изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 схематически показано поперечное сечение предлагаемого устройства ионного распыления по первому варианту, с выполнением поверхностей верхнего и нижнего полюсных наконечников катода и обращенной к ним поверхности анода источника ионов с наклоном к мишени и электрическая схема подключения устройства ионного распыления при соединении мишени с землей;

на фиг. 2 схематически показано предлагаемое устройство ионного распыления по первому варианту в перспективе с обозначением продольной оси источника ионов - О и его вертикальной оси Z;

на фиг. 3 схематически показано поперечное сечение предлагаемого устройства ионного распыления по второму варианту, с выполнением поверхностей верхнего и нижнего полюсных наконечников катода и обращенной к ним поверхности анода параллельными вертикальной оси Z источника ионов и электрическая схема подключения устройства ионного распыления при соединении мишени с землей.

Устройство ионного распыления по первому варианту изобретения (фиг. 1) содержит размещенные в вакуумной камере (не показана) протяженный вдоль продольной оси О источник ионов типа ускорителя с замкнутым дрейфом электронов, который состоит из верхнего и нижнего полюсных наконечников катода 1, 2, анода 3, изолированного от корпуса с помощью группы изоляторов 4, системы подачи газа 5, магнитной системы в виде группы постоянных магнитов 6, верхнего и нижнего магнитопроводов 7, 8, а также мишень 9, источник постоянного напряжения 10 и подложкодержатель, который может быть выполнен плоским 11 или в виде протяженного барабана 12. Верхний и нижний магнитопроводы 7 и 8 выполнены протяженными, замкнутой формы и электрически соединены с верхним и нижним полюсными наконечниками катода 1 и 2 соответственно. Причем верхний и нижний полюсные наконечники катода 1, 2 ограничивают между собой выходную щель О-образной формы с протяженными участками параллельными продольной оси источника ионов О. В ограниченном внутренними поверхностями верхнего и нижнего магнитопроводов 7 и 8 объеме размещены анод 3, закрепленный через изоляторы 4 на нижнем магнитопроводе 8 и магнитная система. При этом анод 3 выполнен замкнутой формы и расположен напротив выходной щели источника ионов. Поверхность анода 3, обращенная к внутренним поверхностям верхнего и нижнего полюсных наконечников катода 1, 2 равноудалена от них по всему периметру источника ионов на расстояние, которое из конструктивных соображений не может быть менее 1,5 мм. Ширина выходной щели больше или равна зазору между внутренними поверхностями верхнего и нижнего полюсных наконечников катода 1, 2 и обращенной к ним поверхностью анода 3. Постоянные магниты 6 магнитной системы равномерно размещены на протяжении источника ионов по его внешнему контуру и замкнуты полюсами с верхним и нижним магнитопроводами 7, 8. Верхний и нижний магнитопроводы 7, 8 соединены между собой, причем, нижний магнитопровод 8 является одновременно нижней частью корпуса источника ионов, а верхний магнитопровод 7 с установленной на нем системой подачи газа 5 является одновременно верхней частью корпуса источника ионов. Система подачи газа 5 содержит две группы каналов расположенных симметрично относительно вертикальной оси Z источника ионов, при этом, выходные каналы каждой группы каналов равномерно расположены в ряд на соответствующем протяженном участке верхнего магнитопровода 7 и выходят в ограниченный внутренними поверхностями верхнего и нижнего магнитопроводов 7, 8 объем с анодом 3. Выходные каналы имеют одинаковое сечение и в каждой группе каналов сообщены со своим входным отверстием через параллельно - последовательные каналы, имеющие равное газодинамическое сопротивление. Каждый последующий канал, включая выходные каналы, имеет одно входное и два выходных отверстия, равноудаленных от входного отверстия, при этом, последующие каналы сообщены с предыдущими каналами посредством коллектора. Количество выходных каналов и, соответственно, параллельно-последовательно соединенных каналов каждой группы каналов зависит от длины источника ионов и требуемой равномерности подачи газа. Мишень 9 выполнена протяженной цилиндрической формы, в частном случае - в виде трубы, закреплена снизу корпуса источника ионов через опоры, расположенные по его торцам (не показаны) и допускающие вращение мишени вокруг своей оси и, присоединена к системе подачи хладагента (не показана), при этом ось мишени параллельна продольной оси источника ионов О и пересекает его вертикальную ось Z. Источник постоянного напряжения 10 концом с положительным потенциалом соединен с анодом 3, а заземленным концом с отрицательным потенциалом - с нижним магнитопроводом 8 и мишенью 9, выполненной из проводящего материала. Поверхности верхнего и нижнего полюсных наконечников катода 1, 2 и обращенная к ним поверхность анода 3 выполнены параллельными друг другу с наклоном от вертикальной оси источника ионов Z к мишени 9, таким образом, чтобы значение угла α 13 между лежащими в одной плоскости средней линией выходной щели 14 на ее протяженном участке, проведенной до точки пересечения с поверхностью мишени 9, направление которой соответствует направлению преимущественного выхода пучка ионов из источника, и нормалью к поверхности мишени 9 в этой точке соответствовало значению, выбранному из интервала 50÷70°. Напротив мишени 9 со стороны верхнего полюсного наконечника катода размещаются подложки, закрепленные или на плоском подложкодержателе 11, который закреплен с возможностью линейного перемещения относительно источника ионов перпендикулярно его вертикальной оси Z, или на подложкодержателе выполненным в виде протяженного барабана 12, который закреплен с возможностью вращения вокруг своей оси и, ось которого параллельна оси мишени 9. Предлагаемое устройство ионного распыления - протяженное, и может быть выполнено длиной до нескольких метров в зависимости от размеров подложкодержателей с подложками, на которые производится напыление, что показано на фиг. 2.

Устройство ионного распыления по второму варианту изобретения (фиг. 3) содержит размещенные в вакуумной камере (не показана) протяженный вдоль продольной оси О источник ионов типа ускорителя с замкнутым дрейфом электронов, который состоит из верхнего и нижнего полюсных наконечников катода 1, 2, анода 3, изолированного от корпуса с помощью группы изоляторов 4, системы подачи газа 5, магнитной системы в виде группы постоянных магнитов 6, верхнего и нижнего магнитопроводов 7, 8, а также мишень 9, источник постоянного напряжения 10 и подложкодержатель, который может быть выполнен плоским 11 или в виде протяженного барабана 12. Верхний и нижний магнитопроводы 7 и 8 выполнены протяженными, замкнутой формы и электрически соединены с верхним и нижним полюсными наконечниками катода 1 и 2 соответственно. Причем верхний и нижний полюсные наконечники катода 1, 2 ограничивают между собой выходную щель О-образной формы с протяженными участками параллельными продольной оси источника ионов О. В ограниченном внутренними поверхностями верхнего и нижнего магнитопроводов 7 и 8 объеме размещены анод 3, закрепленный через изоляторы 4 на нижнем магнитопроводе 8 и магнитная система. При этом анод 3 выполнен замкнутой формы и расположен напротив выходной щели источника ионов. Верхний и нижний полюсные наконечники катода 1, 2 удалены от обращенной к ним поверхности анода 3 каждый на равное расстояние по всему периметру источника ионов, которое из конструктивных соображений не может быть менее 1,5 мм. Ширина выходной щели больше или равна зазору между внутренней поверхностью нижнего полюсного наконечника катода 2 и обращенной к ней поверхностью анода 3. Постоянные магниты 6 магнитной системы равномерно размещены на протяжении источника ионов по его внешнему контуру и замкнуты полюсами с верхним и нижним магнитопроводами 7, 8. Верхний и нижний магнитопроводы 7, 8 соединены между собой, причем нижний магнитопровод 8 является одновременно нижней частью корпуса источника ионов, а верхний магнитопровод 7 с установленной на нем системой подачи газа 5 является одновременно верхней частью корпуса источника ионов. Система подачи газа 5 содержит две группы каналов расположенных симметрично относительно вертикальной оси Z источника ионов, при этом выходные каналы каждой группы каналов равномерно расположены в ряд на соответствующем протяженном участке верхнего магнитопровода 7 и выходят в ограниченный внутренними поверхностями верхнего и нижнего магнитопроводов 7, 8 объем с анодом 3. Выходные каналы имеют одинаковое сечение и в каждой группе каналов сообщены со своим входным отверстием через параллельно-последовательные каналы, имеющие равное газодинамическое сопротивление. Каждый последующий канал, включая выходные каналы, имеет одно входное и два выходных отверстия, равноудаленных от входного отверстия, при этом последующие каналы сообщены с предыдущими каналами посредством коллектора (на фигуре не показано). Количество выходных каналов и, соответственно, параллельно-последовательно соединенных каналов каждой группы каналов зависит от длины источника ионов и требуемой равномерности подачи газа. Мишень 9 выполнена протяженной цилиндрической формы, в частном случае - в виде трубы, закреплена снизу корпуса источника ионов через опоры, расположенные по его торцам (не показаны) и допускающие вращение мишени вокруг своей оси и, присоединена к системе подачи хладагента (не показана), при этом ось мишени параллельна продольной оси источника ионов О и пересекает его вертикальную ось Z. Источник постоянного напряжения 10 концом с положительным потенциалом соединен с анодом 3, а заземленным концом с отрицательным потенциалом - с нижним магнитопроводом 8 и мишенью 9, выполненной из проводящего материала. Поверхности верхнего и нижнего полюсных наконечников катода 1, 2 и обращенная к ним поверхность анода 3 выполнены параллельными вертикальной оси Z источника ионов, причем верхний полюсный наконечник катода 1 выступает в сторону вертикальной оси Z источника ионов относительно нижнего полюсного наконечника катода 2, при этом угол α 13 между лежащими в одной плоскости средней линией выходной щели 14 на ее протяженном участке проведенной до точки пересечения с поверхностью мишени 9, направление которой соответствует направлению преимущественного выхода пучка ионов из источника и нормалью к поверхности мишени 9 в этой точке выбран из интервала 50÷70°. Напротив мишени 9 со стороны верхнего полюсного наконечника катода 1 размещаются подложки, закрепленные или на плоском подложкодержателе 11, который закреплен с возможностью линейного перемещения относительно источника ионов перпендикулярно его вертикальной оси Z, или на подложкодержателе выполненным в виде протяженного барабана 12, который закреплен с возможностью вращения вокруг своей оси и, ось которого параллельна оси мишени 9. Предлагаемое устройство ионного распыления - протяженное, и может быть выполнено длиной до нескольких метров в зависимости от размеров подложкодержателей с подложками, на которые производится напыление.

Устройство по первому и второму вариантам изобретения работает следующим образом:

После откачки вакуумной камеры, где размещается устройство ионного распыления, до давления не выше 0,0013 Па в ограниченный внутренними поверхностями верхнего и нижнего магнитопроводов 7, 8 объем с анодом 3 через систему подачи газа 5 подается рабочий газ, как правило, Ar, Kr до давления в вакуумной камере от 0,04 Па до 0,08 Па. После подачи рабочего газа на анод 3 от источника постоянного напряжения 10 подается положительное смещение относительно корпуса источника ионов и верхнего и нижнего полюсных наконечников катода 1, 2 в диапазоне от 1 до 5 кВ. Вектор электрического поля перпендикулярен вектору магнитного поля от постоянных магнитов 6. В скрещенных электрическом и магнитом полях в замкнутой разрядной полости, ограниченной внутренними поверхностями верхнего и нижнего полюсных наконечников катода 1, 2 и обращенной к ним поверхностью анода 3, вследствие эффекта Холла возникает азимутально замкнутый дрейф электронов, производящих ионизационные столкновения с атомами рабочего газа. Образовавшиеся ионы за счет того же приложенного напряжения от источника постоянного напряжения 10 ускоряются через выходную щель, ограниченную верхним и нижним полюсными наконечниками катода 1, 2 в направлении размещаемой на их пути мишени 9 таким образом, что угол α 13 между лежащими в одной плоскости и пересекающими поверхность мишени в общей точке средней линией выходной щели 14 на ее протяженном участке, соответствующей направлению преимущественного выхода пучка ионов из источника, и нормалью к поверхности мишени 9 лежит в интервале 50÷70°, образуя сходящийся пучек. Указанный интервал значений соответствует практически для всех материалов максимальному коэффициенту распыления материала мишени 9 [7] и обеспечивает эффективность ее распыления. Получение заданного угла α 13 обеспечивается по первому варианту изобретения соответствующим наклоном к мишени 9 выполненных параллельными друг другу поверхностей верхнего и нижнего полюсных наконечников катода 1, 2 и обращенной к ним поверхности анода 3. Получение заданного угла α 13 обеспечивается по второму варианту изобретения с выполнением поверхностей верхнего и нижнего полюсных наконечников катода 1, 2 и обращенной к ним поверхности анода 3 параллельными вертикальной оси Z, за счет того, что верхний полюсный наконечник катода 1 выступает в сторону вертикальной оси Z относительно нижнего полюсного наконечника катода 2. Мишень 9 с помощью специального привода, расположенного вне вакуумной камеры, вращается непрерывно вокруг своей оси или поворачивается дискретно на некоторый угол через определенные промежутки времени, что обеспечивает ее равномерное распыление. Выполнение в предлагаемом устройстве ионного распыления мишени в виде цилиндра, в частности трубы, с возможностью вращения вокруг своей оси позволяет производить распыление с высоким коэффициентом использования материала мишени. Мишень 9, выполненная в виде трубы, в процессе распыления охлаждается, при этом хладагентом может служить вода, протекающая по ее полости. При необходимости охлаждения анода 3 также предусмотрено подключение его к средствам подачи хладагента.

Равномерное распыление мишени 9 обеспечивается также благодаря использованию в системе подачи газа 5 двух групп каналов с выходными каналами, равномерно расположенными на протяженных участках верхнего магнитопровода 7 и использованию принципа последовательного каскадного деления входного газового потока на множество равных по расходу газовых потоков за счет того, что каждый последующий канал имеет одно входное и два выходных отверстия, равноудаленных от входного отверстия, что обеспечивает равное газодинамическое сопротивление каналов. При этом каждая группа каналов может содержать на соответствующем протяженном участке верхнего магнитопровода 7 до 100 и более выходных каналов для подачи рабочего газа в ограниченный внутренними поверхностями верхнего и нижнего магнитопроводов 7, 8 объем с анодом 3, расположенных на расстоянии 10÷30 мм друг от друга в зависимости от длины источника ионов и требуемой равномерности подачи газа. Подобная система подачи газа подробно рассмотрена в патенте RU 2187218 (патент RU 2187218, классы МПК Н05Н 1/54, H01J 27/02, опубликован 10.08.2002) - [8].

Распыленный материал мишени 9 осаждается на подложках, размещаемых напротив мишени 9 на плоском подложкодержателе 11, и совершающем при напылении линейное перемещение относительно источника ионов перпендикулярно его вертикальной оси Z, или на протяженном барабане 12, совершающем при напылении вращение вокруг своей оси. Расстояние от поверхности мишени 9 до поверхности подложкодержателя составляет, как правило, 50-100 мм.

При необходимости обеспечить дополнительное ускорение ионов экстрагируемых из источника ионов в процессе распыления предлагаемое устройство ионного распыления по первому и второму вариантам изобретения может содержать дополнительный источник постоянного напряжения, конец с отрицательным потенциалом которого соединен с мишенью, 9 а заземленный конец с положительным потенциалом - с верхним и нижним магнитопроводами 7, 8.

Длина устройства ионного распыления может достигать нескольких метров в зависимости от задач и размеров подложкодержателей с подложками, на которые производится напыление.

Получаемый технический результат в результате создания устройства ионного распыления по первому и второму вариантам изобретения, обеспечивается благодаря применению протяженной цилиндрической мишени, в частности мишени, выполненной в виде трубы, которая непрерывно вращается или поворачивается на некоторый угол через определенные промежутки времени, что в сочетании с равномерной подачей газа в объем с замкнутой разрядной полостью источника ионов позволяет проводить равномерное распыление мишени с повышенным коэффициентом использования материала мишени. При этом выполнение устройства ионного распыления с направлением падения пучка ионов на мишень таким образом, что угол α, между лежащими в одной плоскости и пересекающими поверхность мишени в общей точке средней линией выходной щели на ее протяженном участке и нормалью к поверхности мишени, лежит в интервале 50÷70° приводит к эффективному распылению мишени. В результате обеспечивается экономия материала мишени при ее равномерном эффективном распылении, что особенно актуально при распылении мишеней из дорогостоящих материалов.

Эффективность и работоспособность предложенного технического решения была проверена на экспериментальном устройстве ионного распыления, изготовленном по второму варианту изобретения, как наиболее простому в изготовлении. Источник ионов типа ускорителя с замкнутым дрейфом электронов имел длину 600 мм с эффективной зоной распыления мишени 480 мм. В качестве мишени 9 была использована труба из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т диаметром 57 мм с толщиной стенки 3 мм и длиной 520 мм. В качестве постоянных магнитов 6 были применены составные самарий кобальтовые магниты с размерами 8×16×20 мм и одинаковой остаточной индукцией магнитного поля 0,8 Тл. Система подачи газа 5 содержала две группы каналов с выходными каналами, по 50 выходных каналов диаметром 2 мм в каждой группе, расположенных с шагом 10 мм в ряд по каждому протяженному участку верхнего магнитопровода 7. Поверхности верхнего и нижнего полюсных наконечников катода 1, 2 и обращенная к ним поверхность анода 3 были выполнены паралельными вертикальной оси Z источника ионов, причем, ширина выходной щели составляла 2 мм, зазор между внутренней поверхностью нижнего полюсного наконечника катода 2 и обращенной к ней поверхностью анода 3 также составлял 2 мм. Верхний полюсный наконечник катода 1 выступал в сторону вертикальной оси Z источника ионов относительно нижнего полюсного наконечника катода 2 таким образом, что зазор между его внутренней поверхностью и обращенной к ней поверхностью анода 3 составил 2,5 мм, а угол α 13, между лежащими в одной плоскости и пересекающими поверхность мишени 9 в общей точке средней линией выходной щели 14 на ее протяженном участке, соответствующей направлению преимущественного выхода пучка ионов из источника, и нормалью к поверхности мишени 9, составил 50°. Данное значение угла α 13 было выбрано с учетом уменьшения диаметра мишени по мере ее распыления, что вызывает увеличение угла α. В процессе распыления в полость мишени 9 подавался хладагент, в частности вода, при этом мишень 9 вращалась непрерывно со скоростью 2 оборота в минуту. Напряжение разряда при испытаниях составляло от 1 кВ до 5 кВ, ток разряда составлял от 0,2 А до 1 А. При этом ток пучка ионов, приходящий на мишень 9, достигал 95% от тока разряда. После испытаний, которые проводились в различных режимах работы источника ионов мишень 9 была демонтирована и разрезана поперек в пяти местах в эффективной зоне распыления мишени длиной 480 мм через каждые 120 мм. После этого в разных точках по сечению мишени 9 были проведены замеры ее остаточной толщины на каждом из отрезков с помощью микрометра. Остаточная толщина мишени 9 после проведенных испытаний составила от 1,85 мм до 1,88 мм. С учетом точности измерений неравномерность распыления поверхности мишени не превысила 3%. Учитывая высокую равномерность распыления поверхности мишени можно ожидать, что ее распыление можно проводить практически до полного износа. Это означает, что предельное значение коэффициента использования материала мишени может достигать 97%, а следовательно, обеспечивается экономия материала мишени. Результат при выполнении устройства ионного распыления по первому варианту изобретения не должен отличаться от описанного выше ввиду отсутствия отличий в физических принципах формирования ионного пучка в каждом из вариантов, при этом, для указанных выше параметров устройства ионного распыления наклон к мишени 9 поверхностей верхнего и нижнего полюсных наконечников катода 1, 2 и обращенной к ним поверхности анода 3 по отношению к вертикальной оси Z источника ионов составит 12°.

Технический результат предлагаемого изобретения в эксплуатации определяется созданием протяженного устройства ионного распыления с цилиндрической мишенью вращающейся вокруг своей оси и расположенной относительно источника ионов, обеспечивающего равномерную подачу газа, так, чтобы угол α между лежащими в одной плоскости и пересекающими поверхность мишени в общей точке средней линией выходной щели на ее протяженном участке и нормалью к поверхности мишени составлял 50÷70°.

Предлагаемое изобретение обеспечивает равномерное эффективное распыление мишени с повышенным коэффициентом использования материала мишени, и позволяет наносить покрытия на подложки большой площади.

Применение предлагаемого устройства ионного распыления по первому и второму вариантам изобретения позволит обеспечить экономию материала мишени при ее равномерном эффективном распылении, что особенно актуально при распылении мишеней из дорогостоящих материалов.

Исходя из вышеизложенного, задача создания протяженного устройства ионного распыления, обеспечивающего равномерное эффективное распыление мишени с повышенным коэффициентом использования материала мишени и позволяющего наносить покрытия на подложки большой площади, решена.

Источники информации

[1]. Патент US 6236163 В1, класс МПК H01J 7/24, опубликован 22.05.2001.

[2]. Патент US 6130507 А, класс МПК H01J 27/02, опубликован 10.10.2000.

[3]. Патент US 6063244 А, класс МПК С23С 19/34, опубликован 16.05.2000.

[4]. Патент US 5492605 А, класс МПК С23С 14/34, опубликован 20.02.1996.

[5]. Патент RU 2510735 С2, класс МПК H01J 27/00, опубликован 10.04.2014.

[6]. Патент SU 1812243 А1, класс МПК С23С 14/46, опубликован 30.04.1993.

[7]. Плешивцев Н.В. Катодное распыление. М.: Атомиздат. 1968 г.

[8]. Патент RU 2187218, классы МПК Н05Н 1/54, H01J 27/02, опубликован 10.08.2002.

1. Устройство ионного распыления, содержащее размещенные в вакуумной камере протяженный вдоль продольной оси О источник ионов с замкнутым дрейфом электронов с вертикальной осью Z, систему подачи газа, выполненную протяженной мишень, подложкодержатель и источник постоянного напряжения, при этом источник ионов имеет электрически соединенные верхний и нижний магнитопроводы замкнутой формы с соответственно верхним и нижним полюсными наконечниками катода, которыми ограничена выходная щель О-образной формы с протяженными участками, параллельными продольной оси О, а также размещенные в ограниченном внутренними поверхностями верхнего и нижнего магнитопроводов объеме анод замкнутой формы и магнитную систему в виде группы равномерно размещенных на протяжении источника ионов постоянных магнитов, причем анод расположен напротив выходной щели, при этом источник постоянного напряжения концом с положительным потенциалом соединен с анодом, а заземленным концом с отрицательным потенциалом - с магнитопроводами и мишенью, кроме того, мишень и подложкодержатель противолежат друг другу и размещены со стороны нижнего и верхнего полюсных наконечников катода соответственно, при этом подложкодержатель закреплен с возможностью движения, отличающееся тем, что мишень выполнена в виде цилиндра и закреплена с возможностью вращения вокруг своей оси, при этом ось мишени параллельна продольной оси источника ионов О и пересекает его вертикальную ось Z, поверхности верхнего и нижнего полюсных наконечников катода и обращенная к ним поверхность анода выполнены параллельными друг другу с наклоном к мишени, при этом угол α между лежащими в одной плоскости и пересекающими поверхность мишени в общей точке средней линией выходной щели на ее протяженном участке и нормалью к поверхности мишени выбран из интервала 50÷70°, кроме того, система подачи газа содержит две группы каналов, расположенных симметрично относительно вертикальной оси Z, причем в каждой группе каналов выходные каналы равномерно расположены в ряд на протяженном участке верхнего магнитопровода и сообщены с входным отверстием через параллельно-последовательные каналы, имеющие равное газодинамическое сопротивление, при этом выходные каналы имеют одинаковое сечение.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что протяженная цилиндрическая мишень вращается непрерывно или поворачивается дискретно.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что протяженная цилиндрическая мишень выполнена в виде трубы и присоединена к системе подачи хладагента.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что подложкодержатель выполнен плоским и закреплен с возможностью линейного перемещения относительно источника ионов перпендикулярно его вертикальной оси Z.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что подложкодержатель выполнен в виде протяженного барабана, ось которого параллельна оси мишени, и закреплен с возможностью вращения вокруг своей оси.

6. Устройство ионного распыления, содержащее размещенные в вакуумной камере протяженный вдоль продольной оси О источник ионов с замкнутым дрейфом электронов с вертикальной осью Z, систему подачи газа, выполненную протяженной мишень, подложкодержатель и источник постоянного напряжения, при этом источник ионов имеет электрически соединенные верхний и нижний магнитопроводы замкнутой формы с соответственно верхним и нижним полюсными наконечниками катода, которыми ограничена выходная щель О-образной формы с протяженными участками, параллельными продольной оси О, а также размещенные в ограниченном внутренними поверхностями верхнего и нижнего магнитопроводов объеме анод замкнутой формы и магнитную систему в виде группы равномерно размещенных на протяжении источника ионов постоянных магнитов, причем анод расположен напротив выходной щели, при этом источник постоянного напряжения концом с положительным потенциалом соединен с анодом, а заземленным концом с отрицательным потенциалом - с магнитопроводами и мишенью, кроме того, мишень и подложкодержатель противолежат друг другу и размещены со стороны нижнего и верхнего полюсных наконечников катода соответственно, при этом подложкодержатель закреплен с возможностью движения, отличающееся тем, что мишень выполнена в виде цилиндра и закреплена с возможностью вращения вокруг своей оси, при этом ось мишени параллельна продольной оси источника ионов О и пересекает его вертикальную ось Z, поверхности верхнего и нижнего полюсных наконечников катода и обращенная к ним поверхность анода выполнены параллельными вертикальной оси Z, причем верхний полюсный наконечник катода выступает в сторону вертикальной оси Z относительно нижнего полюсного наконечника катода, при этом угол α между лежащими в одной плоскости и пересекающими поверхность мишени в общей точке средней линией выходной щели на ее протяженном участке и нормалью к поверхности мишени выбран из интервала 50÷70°, кроме того, система подачи газа содержит две группы каналов, расположенных симметрично относительно вертикальной оси Z, причем в каждой группе каналов выходные каналы равномерно расположены в ряд на протяженном участке верхнего магнитопровода и сообщены с входным отверстием через параллельно-последовательные каналы, имеющие равное газодинамическое сопротивление, при этом выходные каналы имеют одинаковое сечение.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что протяженная цилиндрическая мишень вращается непрерывно или поворачивается дискретно.

8. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что протяженная цилиндрическая мишень выполнена в виде трубы и присоединена к системе подачи хладагента.

9. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что подложкодержатель выполнен плоским и закреплен с возможностью линейного перемещения относительно источника ионов перпендикулярно его вертикальной оси Z.

10. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что подложкодержатель выполнен в виде протяженного барабана, ось которого параллельна оси мишени, и закреплен с возможностью вращения вокруг своей оси.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к источникам ионов, предназначенным для ускорителей заряженных частиц. Заявленное изобретение характеризуется подачей на ускоряющий электрод ионно-оптической системы, размещенный между выходом пролетного канала и другим ускоряющим электродом, установленным в системе инжекции на выходе ионно-оптической системы, изменяющегося в процессе экстракции ионов электрического напряжения.

Изобретение относится к генераторам ионов, предназначенным для ускорителей заряженных частиц. .

Изобретение относится к технике получения пучков быстрых нейтральных частиц, в частности пучков нейтральных атомов, радикалов и молекул, и может быть использовано для очистки и полировки поверхностей объектов; для распыления, травления и осаждения тонких пленок различных материалов; для ассистирования процессов нанесения пленок инертными и химически активными частицами.

Изобретение относится к инжекционной технике, применяемой для создания мощных ионных пучков. .

Изобретение относится к технике получения пучков быстрых нейтральных частиц, в частности пучков нейтральных атомов, радикалов и молекул, и может быть использовано для распыления, травления и осаждения тонких пленок различных материалов.

Изобретение относится к области вакуумной электроники и может найти применение в технологических процессах, использующих протонные пучки, а также для сканирующей и просвечивающей протонной микроскопии.

Изобретение относится к источникам ионов, применяемых в ускорителях заряженных частиц. .

Изобретение относится к источникам ионов, предназначенных для ускорителей заряженных частиц. .

Изобретение относится к источникам ионов, предназначенных для ускорителей заряженных частиц. .

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к плазменным источникам, предназначенным для генерации интенсивных ионных пучков. .

Изобретение относится к устройствам для синтеза износостойких нанокомпозитных покрытий на изделиях в вакуумной камере. Устройство для синтеза покрытий, содержащее рабочую вакуумную камеру, соединенный с камерой анод, полый катод, эмиссионную сетку, перекрывающую полый катод, мишень, установленную на дне полого катода напротив эмиссионной сетки, источник питания разряда, положительным полюсом соединенный с камерой и анодом, а отрицательным полюсом - с полым катодом и мишенью, и генератор импульсов высокого напряжения, положительным полюсом соединенный с камерой и анодом, а отрицательным полюсом - с эмиссионной сеткой, дополнительно содержит вторую сетку и полый электрод, охватывающий пространство между сетками и соединенный с ними электрически, кроме того, устройство дополнительно содержит магнитную систему с арочной конфигурацией силовых линий, установленную за мишенью на дне полого катода.

Изобретение относится к области обработки поверхности объекта. Устройство для ионного распыления мишени и/или обработки поверхности объекта содержит кольцевой источник ионов, формирующий ионный пучок, распространяющийся в промежутке между двумя условными вложенными друг в друга сходящимися - в направлении от источника ионов к держателю объекта (мишени) - коническими поверхностями, образующие которых составляют с общей осью конусов разные углы и общее основание которых совпадает с окружностью, ограниченной круговой выходной щелью кольцевого источника ионов.

Изобретение относится к устройствам для ввода энергии ионизации в ионный или электронный источник с индуктивным или индуктивно-емкостным возбуждением. .

Изобретение относится к технике получения низкотемпературной плазмы и может быть использовано в источниках электронных и ионных пучков в качестве эмиттера. .

Изобретение относится к клапанам и предназначено преимущественно для быстрого и точного регулирования газовой среды накопительных камер инжекторов холодной плазмы, в реакторах для синтеза легких ядер, при давлении газа на входе клапана не более 10 мм ртутного столба.

Изобретение относится к плазменной технике и может использоваться для генерации потоков заряженных частиц, например ионов, в технологических целях и в космических двигательных установках.

Изобретение относится к методам получения нейтрализованных пучков заряженных частиц, их формирования, транспортировки и сепарации и может быть использовано в ионно-пучковых технологиях для ионной имплантации, обработки и модификации поверхностей, нанесения покрытий, для разделения изотопов, нагрева плазмы в ловушках для управляемого термоядерного синтеза и др.

Изобретение относится к генерации пучков нейтральных частиц (ПНЧ), в частности к системам нейтрализации заряженных пучков, и может быть использовано в космической технике, термоядерном синтезе и т.д.

Изобретение относится к способу нанесения покрытий плазменным напылением в динамическом вакууме и может найти применение в плазмометаллургии, авиационной и ракетно-космической промышленности.
Наверх