Устройство для нанесения тонких пленок в вакууме

 

Изобретение относится к технологии нанесения металлических покрытий и может быть использовано в микроэлектронике. Устройство для нанесения тонких пленок содержит вакуумную камеру с подложкодержателем, испаритель, состоящий из катода, анода и поджигающего электрода, и снабжено подложкодержателем и водоохлаждаемым каплеуловителем, установленным между катодом и подложкодержателем. Водоохлаждаемый каплеуловитель имеет высоту, равную диаметра катода, и расположен на равном расстоянии от катода и подложкодержателя. Устройство отличается простотой конструкции и позволяет получать качественные однородные конденсаты без капельной фазы с высокой скоростью их нанесения. 1 з.п.ф. 2 ил.

Изобретение относится к технологии нанесения металлических покрытий и может использоваться в микроэлектронике.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для нанесения тонких пленок в вакууме, содержащее вакуумную камеру, электродуговой испаритель, состоящий из катода, анода и поджигающего электрода. (Авт. свид. СССР N 1368807, кл. С 23 С 14/32; 1978 г.). Низкая производительность данного устройства по нанесению тонких пленок объясняется тем, что подложки располагаются практически под отрицательным углом к испарителю, что является одним из основных недостатков.

Предлагаемое устройство для нанесения тонких пленок в вакууме, содержащее вакуумную камеру и испаритель, состоящий из катода, анода и поджигающего электрода, отличается тем, что оно снабжено подложкодержателем и водоохлаждаемым каплеуловителем, между катодом и подложкодержателем установлен водоохлаждаемый каплеуловитель, который имеет высоту, равную диаметру катода и одинаково удален от катода и подложкодержателя.

Наличие водоохлаждаемого каплеуловителя в устройстве для нанесения тонких пленок в вакууме позволяет получать покрытия, осаждаемые на подложку без капель, в связи с тем, что при распылении катода капли имеют прямолинейную траекторию. Это обеспечивает получение покрытия с заданной структурой при достаточно высокой скорости нанесения благодаря высокой плотности плазменного потока за каплеуловителем. Таким образом, предлагаемое устройство, отличающееся простотой конструкции, позволяет получать качественные однородные конденсат без капельной фазы с высокой скоростью их нанесения.

На фиг. 1 представлено заявляемое устройство, вид сбоку; на фиг.2 вид сверху.

Предлагаемое устройство для нанесения тонких пленок в вакууме содержит вакуумную камеру 1 и испаритель 2, состоящий из катода 3, анода 4 и поджигающего электрода 5. Внутри камеры 1 соосно с катодом 3 последовательно установлены водоохлаждаемый каплеуловитель 6 и подложкодержатель 8. Водоохлаждаемый каплеуловитель 6 выполнен из хорошо теплопроводного материала, например, меди и имеет высоту, равную высоте образца 7, установленного на подложкодержателе 8, и диаметру катода 3. Это позволяет полностью экранировать или улавливать все капли направленные с торцевой испаряемой поверхности катода 3 и тем самым создать оптимальную конструкцию устройства при максимальной скорости нанесения пленки без изменения энергетических характеристик плазменного потока.

При высоте каплеуловителя 6, превышающей диаметр катода 3 снижается скорость нанесения покрытия за счет уменьшения концентрации электронов и ионов, так как основная часть плазменного потока оказывается экранированной, а если высота каплеуловителя 6 меньше диаметра катода 3, капельная фаза попадает на подложкодержатель 8 и образцы 7. Это объясняется тем, что капли при распылении металла распределяются практически изотропно (разлет капель показан на фиг. 1 и 2), а при распылении катода 3 в верхней и нижней его точках капли могут попасть на подложку, что приведет к ухудшению качества пленки. Ширина каплеуловителя 6 выбирается равной ширине анода 1. Такой выбор позволяет увеличить площадь нанесения покрытия или пленки и исключить попадание капель с боковых сторон испарителя. Водоохлаждение к каплеуловителю 6 подводится автономно через медные водоохлаждаемые трубки. Для меньшего нагpева каплеуловитель 6 может быть электрически изолирован от корпуса вакуумной камеры 1.

Устройство работает следующим образом.

В вакуумной камере 1 между катодом 3 и анодом 4 посредством поджигающего электрода 5 создается вакуумная дуга, горящая в парах материала катода 3. По рабочей торцевой поверхности катода 3 хаотично передвигаются катодные микропятна, представляющие собой ограниченные участки поверхности с плотностью тока, достигающей значения 10⁸ А/см². При такой плотности тока материал катода 3 расплавляется, испаряется, частично ионизируется и разбрызгивается. При распылении катода 3 в испарителе 2 низковольтной сильноточной вакуумной дугой, функционирующей в быстроперемещающихся микропятнах, капельная фаза изотропно прямолинейно разлетается из зоны пятна (см. фиг.2) в направлении подложкодержателя 8 и осаждается на каплеуловителе 6, в плазменный поток, состоящий из пара и ионов, осаждается как на каплеуловитель 6, так и на подложкодержатель 8 с образцами 7, вследствие хаотичного движения ионов и электронов в плазменном потоке.

В РИТЦ ПМ была испытана экспериментальная установка для нанесения тонких пленок в вакууме заявляемой конструкции с использованием медных, хромовых и других катодов диаметром 70 мм. Водоохлаждаемый каплеуловитель прямоугольной формы размерами 70 · 185 мм устанавливали на расстоянии 180 мм как от катода, так и от подложкодержателя. Распыление осуществляли низковольтной дугой при токе 80 А. В результате получали однородные по всей длине пленки без капельной фазы. Исследования по выявлению капельной фазы, проведенные на оптическом микроскопе "Neobhot-21" при увеличении в 2000 раз показали, что использование данного устройства позволяет получать однородные тонкие пленки без капельной фазы со скоростью ≈ 0,2 нм/с.

Таким образом, изготовление каплеуловителя предназначенного для улавливания капель способствует тому, что на подложкодержателе, установленном соосно катоду и каплеуловителю при условии равенства диаметра катода, высоте каплеуловителя и подложкодержателя с образцами, на последнем будет отсутствовать капельная фаза, потому что спектр разлета капель будет ограничен высотой каплеуловителя, а плазменный поток за каплеуловителем в области подложкодержателя будет состоять из ионов металла и незначительного количества пара 1-2% в зависимости от вида испаряемого материала катода. Предлагаемое устройство позволит получать тонкие пленки с высоким качеством при распылении катодов в электродуговых генераторах плазмы низковольтной, сильноточной дугой. Данные пленки могут быть использованы в радио-, микроэлектронике и других отраслях промышленности, где необходимы однородные пленки и покрытия с высокими физико- и химико-механическими свойствами.

Формула изобретения

1. Устройство для нанесения тонких пленок в вакууме, содержащее вакуумную камеру и испаритель, состоящий из катода, анода и поджигающего электрода, отличающееся тем, что оно снабжено подложкодержателем и водоохлаждаемым каплеуловителем, установленным между катодом и подложкодержателем.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что водоохлаждаемый каплеуловитель выполнен с высотой, равной диаметру катода, и установлен на равном расстоянии от катода и подложкодержателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2