RU2107970C1

RU2107970C1 - Magnetron spraying system

Info

Publication number: RU2107970C1
Application number: RU95121032A
Authority: RU
Inventors: В.П. Кривобоков; О.С. Кузьмин; В.Н. Легостаев
Original assignee: Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете
Priority date: 1995-12-13
Filing date: 1995-12-13
Publication date: 1998-03-27

Abstract

FIELD: plasma engineering; spraying thin films of metals and their alloys on sheet insulating materials of large area. SUBSTANCE: system has chamber accommodating cathodes and magnetic system. Cathodes are made in the form of sprayed material tubes provided with individual magnetic systems placed vertically in single row and spaced 100-200 mm apart; substrates are made of sheet material and placed on either side along side wall of chamber; they are free to displace relative to cathode row. EFFECT: improved design. 4 dwg

Description

Устройство относится к плазменной технике и предназначено для нанесения тонких пленок из металлов и их соединений, синтезированных в результате взаимодействия атомов, распыленных с поверхности металлического катода, с атомами плазмообразующего газа в магнетронном разряде, на поверхность твердых тел, преимущественно диэлектрических листовых материалов. The device relates to a plasma technique and is intended for applying thin films of metals and their compounds synthesized as a result of the interaction of atoms sputtered from the surface of a metal cathode, with atoms of a plasma-forming gas in a magnetron discharge, on the surface of solids, mainly dielectric sheet materials.

Основным узлом установки является магнетронная распылительная схема (МРС). The main unit of the installation is the magnetron sputtering circuit (MPC).

МРС содержит катод-мишень, анод и магнитную систему. Силовые линии магнитного поля располагаются вдоль поверхности мишени. При подаче постоянного напряжения между катодом и анодом зажигается тлеющий разряд. Магнитное поле локализует плазму непосредственно у мишени. Эмиттированные с поверхности катода электроны захватываются магнитным полем, под действием электрического поля двигаются вдоль поверхности катода по сложным циклическим траекториям, многократно ионизуя плазму. Это приводит к росту концентрации ионов в плазме и к увеличению скорости распыления катода. The MPC contains a target cathode, an anode, and a magnetic system. The lines of force of the magnetic field are located along the surface of the target. When a constant voltage is applied between the cathode and the anode, a glow discharge is ignited. A magnetic field localizes the plasma directly at the target. Electrons emitted from the surface of the cathode are captured by a magnetic field; under the influence of an electric field they move along the cathode surface along complex cyclic trajectories, ionizing the plasma many times. This leads to an increase in the concentration of ions in the plasma and to an increase in the cathode sputtering rate.

Известные МРС подразделяются на планарные системы с плоской или конусной мишенью (Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. - М. : Радио и связь, 1982, с. 11) и коаксиальные (там же, с. 45). Known MPCs are divided into planar systems with a flat or conical target (Danilin BS, Sychin VK Magnetron sputtering systems. - M.: Radio and communications, 1982, p. 11) and coaxial (ibid., P. 45 )

Коаксиальные конструкции имеют в 3-5 раз большую производительность, чем планарные, за счет увеличения площади одновременно обрабатываемых подложек. Наиболее эффективная конструкция МРС коаксиального типа, выбранная за прототип, содержит катод в виде трубы из распыляемого материала. Магнитная система в виде набора кольцевых постоянных магнитов устанавливается либо внутри катода, либо снаружи. Соответственно подложки для напыления пленок устанавливаются на цилиндрической поверхности вокруг катода либо внутри вдоль его оси. Такие конструкции непригодны для нанесения пленок на листовые материалы большой площади. Coaxial structures have 3-5 times greater productivity than planar ones due to the increase in the area of simultaneously processed substrates. The most efficient coaxial type MPC design selected for the prototype contains a cathode in the form of a pipe made of sprayed material. A magnetic system in the form of a set of ring permanent magnets is installed either inside the cathode or outside. Accordingly, the substrate for the deposition of films are installed on a cylindrical surface around the cathode or inside along its axis. Such structures are unsuitable for applying films on sheet materials of a large area.

Планарные магнетронные системы имеют более высокие скорости осаждения пленок, однако в них распылению подвергается узкая кольцеобразная область мишени, и коэффициент использования материала мишени не превышает 26% объема мишени. С коэффициентом использования распыляемого материала тесно связана проблема равномерности распыления мишени, а следовательно, и равномерности наносимых пленок. Для небольших поверхностей она решается либо выбором геометрии мишени, либо сканированием магнитного поля. Planar magnetron systems have higher film deposition rates, however, a narrow ring-shaped region of the target is sprayed in them, and the coefficient of utilization of the target material does not exceed 26% of the target volume. Closely related to the utilization rate of the sprayed material is the uniformity of the sputtering of the target and, consequently, the uniformity of the applied films. For small surfaces, it is solved either by choosing the geometry of the target, or by scanning the magnetic field.

При нанесении пленок на плоские поверхности с большой площадью, например, при тонировании стекла, изготовлении зеркал, используют планарные МРС с мишенями длиной до 2 м и шириной до 20 см (там же, с 57). Для их равномерного распыления создается несколько линейных зон распыления, поперек которых перемещается подложка из листового материала. Естественно, что увеличение распыляемой площади требует приложения больших мощностей (до 100 кВт) и возникают проблемы равномерности покрытий, особенно на периферии обрабатываемого объекта. Кроме того, в таких системах сложно решается проблема их охлаждения. When applying films to flat surfaces with a large area, for example, when tinting glass, making mirrors, planar MPCs with targets up to 2 m long and up to 20 cm wide are used (ibid., P. 57). For their uniform spraying, several linear spray zones are created across which a substrate of sheet material moves. Naturally, increasing the sprayed area requires the application of high power (up to 100 kW) and there are problems of uniformity of coatings, especially on the periphery of the processed object. In addition, in such systems it is difficult to solve the problem of their cooling.

Изобретение решает задачу нанесения пленок на листовые материалы большой площади (до 2,5 м²) с хорошей равномерностью пленки.The invention solves the problem of applying films to sheet materials of a large area (up to 2.5 m ² ) with good film uniformity.

Для решения этой задачи магнетронная распылительная система, как и прототип, содержит камеру, коаксиальные катод в виде трубы из распыляемого материала и магнитную систему, а также подложки у стенок камеры. To solve this problem, the magnetron sputtering system, like the prototype, contains a chamber, a coaxial cathode in the form of a pipe from the sprayed material and a magnetic system, as well as a substrate near the walls of the chamber.

В отличие от прототипа предлагаемая МРС содержит несколько катодов со своими магнитными системами, расположенных вертикально в ряд на расстоянии 100-200 мм друг от друга, а подложки - листовой материал расположены с обеих сторон от ряда катодов вдоль боковой стенки камеры. Причем подложки выполнены с возможностью перемещения относительно катодов для того, чтобы повысить пространственную равномерность толщины наносимых покрытий путем их сканирования. In contrast to the prototype, the proposed MPC contains several cathodes with their magnetic systems located vertically in a row at a distance of 100-200 mm from each other, and the substrate - sheet material located on both sides of the cathode row along the side wall of the chamber. Moreover, the substrates are movable relative to the cathodes in order to increase the spatial uniformity of the thickness of the applied coatings by scanning them.

На фиг. 1 приведен общий вид рабочей камеры МРС. Камера представляет собой призматический вакуумно-плотный корпус 1 прямоугольного сечения. По его центру на расстоянии 100-200 мм друг от друга размещен ряд цилиндрических катодов 2, длина которых примерно равна высоте корпуса 1. Между стенками камеры 1 и рядом катодов 2 установлены с возможностью возвратно-поступательного движения с амплитудой, примерно равной расстоянию между катодами 2, листовые обрабатываемые изделия (подложки) 3. Отверстие 4 в торцевой стенке камеры служит для ее откачки, а отверстия 5 служат для размещения привода возвратно-поступательного движения кареток с обрабатываемыми изделиями 3. In FIG. 1 shows a General view of the working chamber of the MPC. The chamber is a prismatic vacuum-tight housing 1 of rectangular cross section. A row of cylindrical cathodes 2 is placed at its center at a distance of 100-200 mm from each other, the length of which is approximately equal to the height of the housing 1. Between the walls of the chamber 1 and a number of cathodes 2 are mounted with the possibility of reciprocating motion with an amplitude approximately equal to the distance between the cathodes 2 , sheet processed products (substrates) 3. The hole 4 in the end wall of the chamber is used for pumping it out, and the holes 5 are used to accommodate the reciprocating drive of the carriages with the processed products 3.

На фиг. 2 изображен общий вид элемента катода 2, расположение силовых линий магнитного поля 6 и траектория движения электронов 7 вдоль его поверхности; на фиг. 3 и 4 - конструкции магнитных систем с постоянными магнитами 8 внутри катода 2 (фиг. 3) и с внешним расположением обмотки электромагнита 10. Цифрами 9 на фиг. 3 и 4 обозначен канал для потока охлаждающей катод 2 жидкости. Во втором варианте изготовления магнитной системы обмотка 10 ее выполнена с каналом 11 для потока охлаждающей жидкости. In FIG. 2 shows a general view of the cathode element 2, the arrangement of the lines of force of the magnetic field 6 and the trajectory of the electrons 7 along its surface; in FIG. 3 and 4 show the construction of magnetic systems with permanent magnets 8 inside the cathode 2 (Fig. 3) and with the external location of the winding of the electromagnet 10. The numbers 9 in FIG. 3 and 4, the channel for the flow of the cooling cathode 2 liquid is indicated. In the second embodiment of the manufacture of the magnetic system, its winding 10 is made with a channel 11 for the flow of coolant.

Работает предлагаемая распылительная система следующим образом. При подаче рабочего напряжения при давлении газа в рабочей камере 1 порядка 0,01-1 Па между катодами 2 и анодом, которым являются заземленные стенки камеры 1, зажигается тлеющий разряд. Ионы из разряда, бомбардируя катоды 2, вызывают эмиссию электронов. Ускоряясь электрическим полем, эти электроны поддерживают разряд и, испытывая воздействие поперечного для них магнитного поля, двигаются вокруг каждого из катодов 2 по сложным циклоидальным траекториям 7. Длительная циркуляция электронов усиливает процессы ионизации, повышает концентрацию ионов у поверхности катодов 2 и увеличивает скорость их распыления. Таким образом, каждый из катодов 2 является как бы линейным источником распыляемого материала, который осаждается на подложке 3. Расстояние между катодами 2, и, следовательно, их число регламентируется величиной длины свободного пробега распыленных атомов с энергией, свойственной МРС (в данном случае 10-100 эВ) в газовой среде при указанном выше давлении. Такая схема расположения позволяет обеспечить необходимую равномерность покрытия по толщине на подложке 3, так как при этом имеет место интерференция потоков частиц от соседних катодов. Практика показала, что оптимальное расстояние между центрами катодов 2 лежит в пределах 100-200 мм при расстоянии до подложки порядка 100 мм. Увеличение числа катодов не сократит технологического цикла, но потребует использования более мощной системы питания, утяжелит рабочую камеру. Если катоды будут стоять реже, появятся значительные пространственные неоднородности покрытия, так как между проекциями катодов на обрабатываемой поверхности возникнут зоны, в которых толщина покрытия будет значительно ниже средней. The proposed spray system operates as follows. When the operating voltage is applied at a gas pressure in the working chamber 1 of the order of 0.01-1 Pa between the cathodes 2 and the anode, which are the grounded walls of the chamber 1, a glow discharge is ignited. Ions from the discharge, bombarding cathodes 2, cause the emission of electrons. Accelerated by an electric field, these electrons maintain a discharge and, under the influence of a transverse magnetic field for them, move around each of the cathodes 2 along complex cycloidal trajectories 7. Long-term circulation of electrons enhances the ionization processes, increases the concentration of ions at the surface of the cathodes 2, and increases their sputtering speed. Thus, each of the cathodes 2 is, as it were, a linear source of atomized material, which is deposited on the substrate 3. The distance between the cathodes 2, and, therefore, their number is regulated by the mean free path of atomized atoms with an energy characteristic of MRS (in this case, 10- 100 eV) in a gaseous medium at the above pressure. Such an arrangement makes it possible to ensure the necessary uniformity of coating over the thickness on the substrate 3, since in this case interference of particle flows from neighboring cathodes takes place. Practice has shown that the optimal distance between the centers of the cathodes 2 lies in the range of 100-200 mm with a distance to the substrate of the order of 100 mm. An increase in the number of cathodes will not shorten the technological cycle, but will require the use of a more powerful power system, and will make the working chamber heavier. If the cathodes are less frequent, significant spatial inhomogeneities of the coating will appear, since zones between the cathode projections on the treated surface will appear in which the coating thickness will be significantly lower than average.

Магнитное поле требуемой конфигурации 6 может создаваться либо постоянными магнитами (фиг. 3), либо электромагнитом (фиг. 4). В первом случае магнитная система представляет собой кольцевые магниты 8, собранные в секции, разделенные концентраторами 8' и помещенные внутрь катода 2. Отверстия в кольцевых магнитах 8 образуют канал 9 для потока охлаждающей катод 2 жидкости. Концентраторы 8' оптимизируют конфигурацию магнитного поля у поверхности катода 2. The magnetic field of the desired configuration 6 can be created either by permanent magnets (Fig. 3), or by an electromagnet (Fig. 4). In the first case, the magnetic system is an annular magnet 8, assembled in sections, separated by hubs 8 'and placed inside the cathode 2. The holes in the annular magnets 8 form a channel 9 for the flow of cooling liquid 2 to the cathode. Concentrators 8 'optimize the configuration of the magnetic field at the surface of the cathode 2.

Вполне работоспособным является и другой вариант, когда магнитное поле создается внешним источником. В качестве такого источника может служить соленоид 10, который с большим шагом намотан вокруг трубы 2. Здесь силовые линии магнитного поля ориентированы в аксиальном направлении вдоль поверхности катодной трубы 2. Another option is also quite operational when the magnetic field is created by an external source. As such a source, a solenoid 10 can be used, which is wound with a large pitch around the tube 2. Here, the magnetic field lines are oriented in the axial direction along the surface of the cathode tube 2.

Для того чтобы обеспечить приемлемую (не менее 70%) прозрачность соленоида 10 для распыленных частиц, шаг его намотки должен быть весьма большим (примерно 30-100 мм). Отсюда удельное (на единицу длины) число витков будет незначительным (для заявляемой конструкции это 10-30 витков/м). Чтобы обеспечить необходимую индукцию, надо, чтобы ток в соленоиде составлял 10²-10³ А. Это обстоятельство вынуждает использовать принудительное охлаждение соленоида через канал 11.In order to ensure acceptable (at least 70%) transparency of the solenoid 10 for atomized particles, its winding pitch should be very large (approximately 30-100 mm). Hence, the specific (per unit length) number of turns will be insignificant (for the claimed design it is 10-30 turns / m). To provide the necessary induction, it is necessary that the current in the solenoid is 10 ² -10 ³ A. This circumstance forces the use of forced cooling of the solenoid through channel 11.

Claims

A magnetron sputtering system containing a chamber, a coaxial cathode in the form of a tube of sprayed material and a magnetic system, as well as substrates along the walls of the chamber, characterized in that it contains several vertical cathodes mounted in a row at a distance of 100-200 mm from each other and equipped with individual magnetic systems, and the substrate for the sheet material being processed are located on both sides of the row of cathodes and are arranged to move relative to the cathodes.