Способ испарения тугоплавких металлов в вакууме и устройство для его осуществления

 

СОЮЗ СОВЕТСНИК

ССЦИАИИСТИЧЕСНИК

РЕСПУ6ИИН (51) 5 С 23 С 14/34

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

Г1РИ ГКНТ СССР (46) 30. 06. 92. Бюл. № 24 (21) 4337046/21 (22) 01 „12. 87 (71) Московский государственный педагогический институт им. В.И.Ленина .(72) В.Е.Радько (53) 621. 793.14 (088,8) (56) Технология тонких пленок. Справочник./под ред. Л.Майссела, P.Глэнга, М.: Советское радио, 1977, jT. 1 с. 59.

Слуцкая B.Â. Тонкие пленки в технике СВЧ. М.: Советское радио, 1967, с. 147 ° (54) СПОСОБ ИСПАРЕНИЯ ТУГОПЛАВКИХ

МЕТАЛЛОВ В ВАКУУМЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ

ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к техно" . логии нанесений тонких слоев тугоплавких металлов в вакууме и может быть использовано в электронной промышленности при изготовлении микросхем и в экспериментальной ядерной физике при изготовлении пленочных мишеней. Цель изобретения — повышение качества напыляемой пленки ; достигается путем сохранения степени вакуума, В устройстве для испарения

Изобретение относится к технологии нанесения тонких слоев тугоплавких металлов в вакууме и может быть использовано в электронной промьппленности при изготовлении элементов микросхем, а также B эксперимен-..аль„.SU, 1 20 1 А1 тугоплавких металлов при подаче на электроды низковольтного напряжения, при котором первые 3-5 импульсов тока не должны превьппать величины 3-5 A снимается предварительная механическая напряженность биметаллических пластин 3 и устанавливается рабочий тепловой баланс в испарительной системе..В этом режиме испарение тугоплавкого материала наконечников 1, 2 электродов практически отсутствует.

После увеличения токовых бросков до уровня 25-35 А происходит интен.сивное испарение тугоплавкого металла. При испарении ниобия или вольфрама 20-50 импульсов обеспечивают нанесение пленки толщиной более

100 мкг/см на площади около 50 см .

Ф

При этом в рабочей камере поддержива-.. ется вакуум на уровне 2,4 10 мм С„ рт.ст. в процессе непрерывной работы устройства в течение 2 ч. Это позволяет надежно получить высококачественные пленки тугоплавких метаплов

И, Re, Nb, Та, Ио с высокой адгезией к подложке беэ использованияметодов и средств электронно-лучевого испарения. 2 с.п. A-лы, 2 ил.. ной ядерной 4изике при изготовлении пленочных мишеней.

Цель изобретения — повьппение качества напыляемой пленки за.счет сохранения степени вакуума.

15720б1

Пя фиг. 1 изображено предлагаемое

ycòðîöñòâî, вид спереди; на фиг. 2 та же, вйд сбоку.

Устройство содержит наконечник 1 неподвижного электрода, наконечник 2 подвижного электрода, пластину,З термического биметалля, токоподвод.с хладопроводом 4 системы принудительного охлаждения подвижного электрода, крепежные болты 5 и б, температурноинерционный держатель (ТИД) 7 подвижнаго электрода с термостойкой деталью

8, контур 9 принудительного охлаждения подвижного электрода, ТИД 10 не- ц5 подвижного электрода с термостойкой деталью 11 изолятор 12, токоподвод

13 с контурам принудительного охлаждения неподвижного электрода, подложкадержатель 14 и направляющую планку ®0

15 подвижного электрода.

Для осуществления предлагаемого способа последовательно выполняют сле1

Ф д)ющие операции в условиях вакуума.

Два токонодводящих наконечника длиной 0,5-1,0 см и диаметром 0,20.5 см, изготовленных, например, иэ воль@рама, приводят в соприкосновение торцовыми поверхностями с обраэовянием электрического контакта между ниии. Включают системы принудитель30 ного охлаждения. Включают низкоомный источник напряжения, короткозамкнутый в области рассматриваемого контакта ме."ду наконечниками (V4 10 В, I 50100 А). При этом основная мощ" ность источника питания будет приложеня в области контакта между наконечниками электродов, в результате чего ня концах наконечников oGpaзуется каплеобразная зона расплавлен-

40 ного испяряемого металла.

Постепенно увеличивают расстояние между токоподводящими наконечниками.

При этом в первое время между ними не возникает разрыва электрической цепи 45 .зя счет того, что расплавленная капля метялля удерживается силами поверхностного натяжения ня обоих наконечниках. Между тем происходит дополнительное плавление и испа- 50 рение металля зя счет подводимой электрической энергии. Процесс испяр:ния заканчивается при значительном испарении капли расплава и наруюеиии электрической цепи. Практически длительность процесса испаряния капли составляет несколько десятков г.ппцисекунд, а перемещение

H 1êîHåчннкя осуществляют с помощью упругой биметаллической пластины, которая, изгибаясь под действием теплового потока, возникающего в области горячего промежутка, увеличива- ет расстояние между наконечниками до полного разрыва электрической цени.

После этого осуществляется принудительное охлаждение токоподводящих электродов и биметаллической пластины до рабочей температуры вакуумной камеры, что приводит к возврату биметаллической пластины в исходное положение и повторному замыканию контакта между наконечниками. Время охлаждения наконечников и прилежащих к ним,токоподводящих электродов и других деталей устройства (биметаллическая пластина, элементы крепежа) 1-3 с определяется условиями теплоотдачи в устройстве.

Выполнение операции принудительного охлящения позволяет достичь сохранении вакуума в системе при испарении самых тугонлявких металлов.

Циклы испарения повторяют до напыления требуемого количества металла.

Оптимизация процесса образования и испарения капли металла в горячем вакуумном промежутке требует согласования скорости перемещения подвижного наконечника электрода со скоростью его оплавления и скоростью испарения капли. Для такого согласования и применяется ТИЦ, который задерживает реакцию биметаллической пластины сначала на экстраток, связанный с оплавлением наконечника, а затем замедляет ее на время протекания экстратока, ответственного за испарение капли расплава в условиях переменного зазора в горячем промежутке. Размеры ТИД, выполняющего роль буАерной теплоемкости в процессе теплапередачи от горячего промежутка к биметаллической пластине и другим деталям устройства, подбирают экспериментально. Для биметаллической пластины никель-инвар шириной. 10 мл, длиной 80 мм и толщиной 0,3 мм был использован стальной ТИД массой около 60 г.

Устройство для испарения тугоплавких металлов в вакууме содержит электроды, наконечники 1 и 2 которых изготовлены иэ испаряемого материала

{например, вольфрама) и прижаты друг к другу до образования электрического контак" à между ними упругим усили5 .!5720 ем биметаллической пластины 3, кото- рая жестко Аиксирован» на хладопроводе 4, составленном из трех медных колец и стянутом крепежными болтами 5 и 6 так, что ее термическое искривление проходит в плоскости, перпендикулярной плоскостям этих колец. Использованы две биметаллические пластины никель-ковар шириной 1 см, длиf ной 8 см и. толщиной 0,3 ° 10 см. Hal конечник 2 подвижного электрода укреплен на ТИД 7 с помощью термостойкой детали 8 — танталового держате" ля. Сборка деталей 1-8 плотно вставляется внутрь медного контура 9 принудительного водяного охлаждения цилиндрической Формы, положение ТИД 7, фиксированного на свободном конце биметаллической пластины 3 с помощью 20

-крепежного болта 6, ограничено направляющей планкой 15. Термостойкий танталоьый T!ttt 10 неподвижного электрода фиксирован в тепловом контакте с деталью 11, которая с помощью r aAки крепится к изохщтору 12 (керамика). Держатели ТИД 7 и 10 изготовлены иэ стали, термостойкие детали

8 и 11 выполнены из тантала вместе со своими крепежными болтиками. 30

Электрод — ТИД 10 массой около 60 r служит для смягчения тепло ой нагрузки на керамический изолятор 12 и питается переменным напряжением до 10 В и током до 100 А (в импульсе). Сборка деталей 1, 10, 11, 12, связанная с накидной гайкой, плотно вставляется в контур водяного принудительного охлаж-дения неподвижного наконечника ци-. линдрической Аормы. Аксиально-снимет- 40 рично наконечникам и 2 расположен подложкодержатель 14 напыляемого . металла. Rce устрсйство размещено внутри камеры вакуумного универсального поста ВУП-1. 45

Устройство работает следующим образом.

Вакуумную камеру откачивают до остаточного давления (?-3) 10 им рт.ст, 50

На электроды подают низковольтное напряжение, при этом первые

3-5 импульсов тока не должны превышать величины 3-5 A. В результате снимается предварительная механическая напряженност. биметалличс.ских пластин 3 и устана лиэает:л рабочий тепловой баланс в .и пар. т -. :вн:.й системе. В этом режиме исг1арени» туго-, 6! 6 плавкого материала наконечников 1, 2 электродов практически отсутствует, Затем величину токовых бросков (по амперметру ВУП- ) Увеличивают до уровня 25-35 А, при котором происходит интенсивное испарение тугоплавкого металла. При испарении ниобия или вольглрама 20-50 импульсов (циклов) обеспечивают нанесение пленки толщиной более 100 мкг/см на площади

2 около 50 см . Причем.в рабочей каме2 ре поддерживается вакуум на уровне

2,4 10 мм рт. ст. в процессе непрерывной работы устройства в течение

2 ч, Это позволяет надежно получать высококачественные пленки тугоплавких металлов, например Ч, Ке, .Nb, Та, Ио, с высокой адгезией к подложке без использования методов и с редс тв электронно-луче во ro испарения.

Формула изобретения

1. Способ испарения тугоплавких металлов в вакууме, включающий сближение электродов, изготовленных из исплряемого металла до образования электрического контакта, пропускани е элек три чес ко го ток а между электродами, плавление и испарение металла в области контакта, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью. повышения качества напыляемои пленки за счет сохранения степени вакуума. после плавления металла осуществляют механическое разъединение электродов при одновременном испарении из зоны расплава, после раэмыкания контакта отключают подачу электрического тока и принудительно охлаждают электроды до рабочей температуры вакуумной камеры.

2. Устройство для испарения тугоплавких металлов в вакууме, содержащее токоподводы, электроды рас-. положенные соосно, виполненгп|е из испаряемого материала и закрепленные в механизме перемещения электрода, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения качества напыляемой пленки, токоподводы выполнены с возможностью охлаждения, ме:;д токоподвсдами и электр<дами установ-, лены -е-1вератур "о-инерционные держатели. а механизм перемещения электрода вы. олнен в ид» упругой биметал1

15720б1

J другой соещ нен с температурно-инер ционным держателем этого электрола. липпеской пластины, один торец которой жестко закреплен.в токоподводе, а

Составитель С.Батюк . Редактор M.Âàcèëüåâà Текред И.Иоргентал Корректор С.Шекмар

М W ВЮ 4 «ЭВ Й

Заказ 2815 Тираж 502 Подписное

ВЙИИПИ Государственного комитета по изобретениям и откр тк ытиям п и ГКНТ СССР р

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

ФФ И л. Гага ина, 101

Производственно-из но-издательский комбинат Патент, г; ужгород, у . р