Способ получения высококачественных пленок методом механической вибрации подложки

Изобретение относится к способу получения электропроводящего покрытия на металлической или неметаллической подложке с использованием механической вибрации. Осуществляют подачу рабочего газа в вакуумную камеру с подложкой и ионно-плазменное напыление проводящего покрытия на подложку магнетронным распылением. Упомянутую подложку закрепляют на штоке виброгенератора, приводимого в движение с помощью постоянного магнита, колеблющегося под действием переменного тока, проходящего через катушку, к которой присоединены мембраны, для обеспечения подложке колебаний в своей плоскости с образованием на поверхности подложки дефекта пленки в виде выступа атомов без обеспечения возможности закрепления на нем последующих ионов напыляемого покрытия. Упомянутые ионы закрепляются в образовавшейся впадине для обеспечения однородности и равномерности покрытия. Частота вибрации подложки является такой же, как частота переменного тока. Для создания упорядоченного потока ионов напыляемого покрытия, движущихся к вибрирующей подложке, между мишенью и подложкой устанавливают кольцо-катушку статора асинхронного двигателя, внутри которой напыляемые ионы отклоняются магнитным полем и начинают двигаться по спирали или винтовой линии. Обеспечивается получение сплошного однородного равномерного проводящего покрытия при минимизации энергии, затрачиваемой на промышленную реализацию заявляемого способа. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к области вакуумной техники и технологии получения наноструктур, а именно к способу магнетронного распыления на подложки электропроводящих пленок и может быть использовано для получения функциональных покрытий при производстве материалов электронной техники, а именно для изготовления элементов интегральных микросхем.

Процесс напыления электропроводящего металлического многослойного покрытия на подложку включает, как правило, подачу рабочего газа в вакуумную камеру с подложкой и ионно-плазменное напыление слоев покрытия на подложку магнетронным распылением. Напыление слоев покрытия на подложку ведут посредством магнетронов, содержащих мишени из различных металлов. На магнетроны подают постоянное напряжение в импульсном режиме путем асимметричного переключения подачи напряжения на мишени, до получения на подложке молекулярных слоев металл-металл покрытия заданной толщины.

Известен способ напыления электропроводящего металл-углеродного многослойного покрытия на ленточную подложку из не тканого волокнистого материала, включающий подачу рабочего газа в вакуумную камеру с подложкой и ионно-плазменное напыление слоев покрытия на движущуюся с постоянной скоростью ленточную подложку магнетронным распылением, отличающийся тем, что напыление слоев покрытия на движущуюся с постоянной скоростью ленточную подложку ведут посредством по крайней мере двух магнетронов, содержащих мишени из металла и углерода, при этом на магнетроны подают постоянное напряжение в импульсном режиме путем асимметричного переключения подачи напряжения на мишени при скважности по времени на мишени из металла дольше, чем на мишени из углерода, до получения на ленточной подложке молекулярных слоев металл-углеродного покрытия заданной толщины [1].

Однако этот известный способ рассчитан исключительно на металл-углеродные материалы и не годится для напыления металлических многослойных покрытий на подложки, что существенно сужает его функциональные возможности широкого промышленного применения.

Известен также способ напыления электропроводящего металл-углеродного многослойного покрытия на ленточную подложку из не тканого волокнистого материала, при котором производят очистку поверхности подложки, причем подложка представляет собой не тканый материал из химического волокна или хлопчатобумажный не тканый материал. Затем подают рабочий газ в вакуумную камеру с подложкой - аргон или азот - и осуществляют ионно-плазменное напыление слоев покрытия на движущуюся с постоянной скоростью ленточную подложку магнетронным распылением для получения нанометрического слоя покрытия с размером наночастиц менее 100 нм, при этом скорость перемещения подложки 0,5-10,0 м/мин. [2].

Существенным недостатком данного способа является то, что он не позволяет получать на подложке нанометрическое покрытие комбинированного состава заданной толщины с образованием сплошной проводящей поверхности.

Заявитель ставил перед собой конкретную задачу, а именно, разработать универсальный способ напыления как электропроводящих металл-углеродных так и металлических многослойных покрытий на прямоугольные подложки из металлического или не металлического материала, позволяющий получать на подложке из металлического или не металлического материала нанометрическое покрытие комбинированного состава заданной толщины с образованием сплошной проводящей поверхности. Полученный положительный технический результат был достигнут за счет новой существенной совокупности признаков способа получения высококачественных пленок методом механической вибрации подложки согласно настоящему изобретению, представленной в нижеследующей формуле изобретения: «способ получения высококачественных пленок методом механической вибрации подложки представляет из себя процесс напыления электропроводящего металл-углеродного или металлического многослойного покрытия на подложку, включающий подачу рабочего газа в вакуумную камеру с подложкой и ионно-плазменное напыление слоев покрытия на подложку магнетронным распылением, при этом напыление слоев покрытия на подложку ведут посредством по крайней мере двух магнетронов, содержащих мишени из металла и углерода, на магнетроны подают постоянное напряжение в импульсном режиме путем асимметричного переключения подачи напряжения на мишени при скважности по времени на мишени из металла дольше, чем на мишени из углерода, до получения на подложке молекулярных слоев металл-углеродного покрытия заданной толщины; подложку из металлического или не металлического материала закрепляют на штоке виброгенератора, приводимого в движение с помощью системы, аналогичной системе, используемой при создании вибрации подвижной катушкой громкоговорителя, когда постоянный магнит колеблется под действием переменного тока, проходящего через катушку, к которой подсоединяются мембраны, при этом подложка совершает колебания в своей плоскости, а частота вибрации является такой же, как частота переменного тока; при образовании на поверхности подложки дефекта пленки в виде выступа атомов под действием вибрации высокой частоты последующие ионы (кластеры ионов) не могут и/или не успевают на нем закрепиться, а залетают и закрепляются во впадине, минимизируя энергию системы и обеспечивая однородность и равномерность покрытия, для создания потока ионов, движущихся по вибрирующей подложке, между мишенью и подложкой устанавливают кольцо-катушку статора асинхронного двигателя и ионы, двигаясь внутри кольца-катушки, отклоняются магнитным полем и начинают двигаться по спирали или винтовой линии, образуя упорядоченный поток, причем в совокупности с вибрирующей подложкой подбирают такую частоту вибрации подложки и вращения магнитного поля, чтобы обеспечить требуемое качество напыления; между мишенью и подложкой устанавливают последовательно расположенные друг с другом, по меньшей мере, два кольца катушки статора асинхронного двигателя, изменяющие направление движения ионов и создающие сконцентрированный контролируемый направленный поток движущихся ионов в форме пучка прямых отрезков линий, позволяющего создавать покрытия требуемого качества и структуры; подложка из металлического или не металлического материала выполнена прямоугольной формы»

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлено схематически закрепление подложки на штоке виброгенератора по способу получения высококачественных пленок методом механической вибрации подложки, выполненного согласно настоящему изобретению; на фиг. 2 показана схема образования дефекта (выступа) пленки на статической подложке способа на фиг. 1; на фиг. 3 - представлен пример однородного и равномерного покрытия способа на фиг. 1, при котором под действием вибрации высокой частоты, ионы не успевают закрепиться на вершине неровности и «падают» на ниже лежащий слой атомов, минимизируя энергию системы; на фиг. 4 показана катушка статора асинхронного двигателя способа на фиг. 1 для создания потока ионов, движущихся по спирали или винтовой линии и вибрирующей подложке; на фиг. 5 показаны несколько колец катушки статора асинхронного двигателя способа на фиг. 1, последовательно расположенные друг с другом, изменяющие направление движения ионов и создающие их сконцентрированный контролируемый направленный поток.

Заявляемый способ получения высококачественных пленок методом механической вибрации подложки представляет из себя процесс напыления электропроводящего металл-углеродного или металлического многослойного покрытия на подложку прямоугольной формы из металлического или не металлического материала, закрепляемую к вибрирующей установке. Способ включает подачу рабочего газа в вакуумную камеру с подложкой и ионно-плазменное напыление слоев покрытия на подложку магнетронным распылением. На магнетроны подают постоянное напряжение в импульсном режиме путем асимметричного переключения подачи напряжения на мишени при скважности по времени на мишени из металла дольше, чем на мишени из углерода, до получения на подложке молекулярных слоев металл-углеродного покрытия заданной толщины.

Подложка 1 закрепляется через кронштейн 2 на штоке 3 виброгенератора 4 при помощи винта 5. С одной стороны кронштейн 2 имеет опору 6 подложки 1, располагаемую параллельно оси штока 3 виброгенератора 4. С другой стороны кронштейна 2 имеется противовес 7 для статического и динамического уравновешивания.

Виброгенератор 4 приводится в движение с помощью системы, аналогичной системе, используемой при создании вибрации подвижной катушкой громкоговорителя, то есть постоянный магнит колеблется под действием переменного тока, проходящего через катушку, к которой подсоединяются мембраны (фиг. 1). Подложка 1 может совершать колебания в своей плоскости, а частота вибрации является такой же, как частота переменного тока. За счет вибрации подложки 1 в ее плоскости обеспечивается однородность и равномерность покрытия.

Физическое объяснение явления состоит в том, что если начинает формироваться выступ 8 атомов (дефект пленки подложки) под действием вибрации высокой частоты, последующие ионы (кластеры ионов) 9 не могут и/или не успевают на нем закрепиться, а залетают и закрепляются во впадине 10, минимизируя энергию системы и обеспечивая однородность и равномерность покрытия (фиг. 2; 3).

Для создания потока ионов 11, движущихся по спирали или винтовой линии и вибрирующей подложке 12, между мишенью 13 и подложкой 12 устанавливают кольцо-катушку 14 статора асинхронного двигателя и ионы, двигаясь внутри кольца-катушки 14, отклоняются магнитным полем и начинают двигаться по спирали или винтовой линии, образуя упорядоченный поток, причем в совокупности с вибрирующей подложкой подбирают такую частоту вибрации подложки 12 и вращения магнитного поля, чтобы обеспечить требуемое качество напыления (фиг. 4).

Между мишенью 15 и подложкой 16 устанавливают последовательно расположенные друг с другом, по меньшей мере, два кольца 17 катушки статора асинхронного двигателя, изменяющие направление движения ионов и создающие сконцентрированный контролируемый направленный поток движущихся ионов в форме пучка прямых отрезков линий 18, позволяющего создавать покрытия требуемого качества и структуры (2-й п. формулы, фиг. 5).

Статор асинхронного двигателя представляет из себя сердечник, состоящий из пластин электротехнической стали и содержащий в себе медные обмотки, которые определенным образом уложены в пазах статора.

Статор двигателя, а точнее, размеры сердечника, количество катушек в каждой обмотке и толщина моточного провода из которого намотаны катушки определяют основные параметры двигателя. Например, от числа катушек в каждой обмотке зависит номинальное число оборотов двигателя, а от толщины провода, которым они намотаны, зависит номинальная мощность двигателя. Количество обмоток для трехфазного асинхронного двигателя всегда равно трем. А вот количество катушек в каждой из этих обмоток разное. Катушки могут наматывать в один или два провода.

Асинхронный двигатель имеет три "куска" медного провода, которые определенным образом уложены в пазы статора под углом в 120 градусов друг относительно друга. Все шесть концов обмоточных проводов выведены в клеммную коробку, которая находится на корпусе двигателя.

Предлагаемый способ получения высококачественных пленок методом механической вибрации подложки, являясь универсальным способом напыления электропроводящего металл-углеродного или металлического многослойного покрытия на подложку прямоугольной формы из металлического или не металлического материала, позволяет:

- получать на подложке из различных металлических или не металлических материалов нанометрическое покрытие комбинированного состава заданной толщины с образованием сплошной проводящей поверхности (виброгенератор приводится в движение с помощью системы, аналогичной системе, используемой при создании вибрации подвижной катушкой громкоговорителя, то есть постоянный магнит колеблется под действием переменного тока, проходящего через катушку, к которой подсоединяются мембраны, в результате подложка совершает колебания в своей плоскости, а частота вибрации является такой же, как частота переменного тока, при этом за счет вибрации подложки в ее плоскости обеспечивается однородность и равномерность покрытия);

- обеспечивать однородность и равномерность покрытия при минимизации энергии, затрачиваемой на промышленную реализацию заявляемого способа (физика процесса состоит в том, что при формировании дефекта пленки подложки, например, в форме выступа атомов под действием вибрации высокой частоты последующие ионы (кластеры ионов) не могут и/или не успевают на нем закрепиться, а залетают и закрепляются во впадине, исключая неровности и повреждения на поверхности покрытия);

- обеспечивать однородность, равномерность, требуемые качество и структуру покрытия (за счет установки между мишенью и подложкой кольца-катушки статора асинхронного двигателя, позволяющих двигаться ионам внутри кольца-катушки по вибрирующей подложке с отклонением магнитным полем по спирали или винтовой линии, образуя упорядоченный поток, или за счет установки между мишенью и подложкой последовательно расположенных друг с другом нескольких колец катушки статора асинхронного двигателя, изменяющих направление движения ионов и создающих сконцентрированный контролируемый направленный поток движущихся ионов).

Источники информации

[1] Описание изобретения к патенту №2677551 «Способ напыления электропроводящего металл-углеродного многослойного покрытия на ленточную подложку из не тканного волокнистого материала», С23С 14/35; С23С 14/3464; С23С 14/3485; С23С 14/562, заявлено 27.12.2017, опубликовано 17.01.2019.

[2] Европейский патент №WO2016155448 Al, С23С 14/35, опубликован 06.10.2016.

[3] Описание изобретения к патенту №2355625 «Способ получения углеродных наноструктур», В82В 3/00; С23С 14/35, заявлено 16.07.2007, опубликовано 20.05.2009.

[4] Описание изобретения к патенту №2505256 «Способ получения электропроводящего текстильного материала», A1D13/00; D03D 15/00; С23С 14/35; С23С 14/20, заявлено 09.11.2011, опубликовано27.01.2014. [5] Описание изобретения к патенту №2425173 «Установка для комбинированной ионно-плазменной обработки», С23С 14/02; С23С 14/22; С23С 14/56; С23С 14/58; В82В 3/00, заявлено 11.01.2009, опубликовано 20.07.2010.

[6] Описание изобретения к патенту №2173733 «Способ формирования сверхпроводящих пленочных покрытий из нитрида ниобия и проводника на его основе, С23С 14/06, заявлено 01.06.1999, опубликовано 20.09.2001.

[7] Описание изобретения к патенту №2398045 «Способ модификации поверхности тестильного материала», С23С 14/02; С23С 14/35, заявлено, 25.12.2008, опубликовано 27.08.2010.

[8] Патент Японии №2001-020072 А «Получение наноструктур», от 23.01.2001.

[9] Патент США №4726890 «Способ получения сверхпроводящих пленочных покрытий», С23С 14/06, опубликован 23.02.1989.

1. Способ получения электропроводящего покрытия на металлической или неметаллической подложке с использованием механической вибрации, включающий подачу рабочего газа в вакуумную камеру с подложкой и ионно-плазменное напыление проводящего покрытия на подложку магнетронным распылением, отличающийся тем, что упомянутую подложку закрепляют на штоке виброгенератора, приводимого в движение с помощью постоянного магнита, колеблющегося под действием переменного тока, проходящего через катушку, к которой присоединены мембраны, для обеспечения подложке колебаний в своей плоскости с образованием на поверхности подложки дефекта пленки в виде выступа атомов без обеспечения возможности закрепления на нем последующих ионов напыляемого покрытия, при этом упомянутые ионы закрепляются в образовавшейся впадине для обеспечения однородности и равномерности покрытия, при этом частота вибрации подложки является такой же, как частота переменного тока, причем для создания упорядоченного потока ионов напыляемого покрытия, движущихся к вибрирующей подложке, между мишенью и подложкой устанавливают кольцо-катушку статора асинхронного двигателя, внутри которой напыляемые ионы отклоняются магнитным полем и начинают двигаться по спирали или винтовой линии.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что между мишенью и подложкой устанавливают последовательно расположенные друг за другом, по меньшей мере, два кольца катушки статора асинхронного двигателя, изменяющие направление движения ионов и создающие сконцентрированный контролируемый направленный поток движущихся ионов в форме пучка прямых отрезков.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подложка из металлического или неметаллического материала выполнена прямоугольной формы.