Способ формирования пленочного покрытия и магнетронное устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области нанесения покрытий, в том числе сверхпроводящих, и может быть использовано в машиностроении. Способ формирования пленочного покрытия включает магнетронное распыление противолежащих мишеней катодов, осаждение распыленного материала на подложку, расположенную сбоку от мишеней катодов, выполненную в виде анода с потенциалом земли или близким к потенциалу земли, общего для мишеней-катодов, при этом встречные потоки распыленного материала у каждой из мишеней фокусируют катодным потенциалом. Магнетронное устройство для формирования пленочного покрытия включает вакуумную камеру, по меньшей мере два противолежащих катода с мишенями и магнитной системой, системы эвакуации, подачи и регулирования расхода газовой смеси, подложку с устройством для ее крепления, размещенные в вакуумной камере, катоды расположены в дополнительной камере, соединенной с вакуумной камерой, при этом магнитные системы катодов расположены с обратной стороны каждой мишени, вокруг каждой мишени установлена цилиндрическая или в виде усеченного конуса сетка, стенки дополнительной камеры электрически изолированы, а плоскость, в которой расположены центры мишеней, параллельна плоскости подложки. Использование изобретения обеспечивает снижение отклонения состава покрытия от состава многокомпонентных мишеней. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области нанесения покрытий, в том числе сверхпроводящих, различных по назначению и составу, и может быть использовано в машиностроении, электронной, электротехнической, медицинской и других отраслях промышленности.

Известно магнетронное устройство для металлизации распылением (заявка Японии 1-16912, кл. С 23 С 14/36, 1989), имеющее противолежащие мишени, блок генерирования магнитного поля, ортогонального поверхности мишеней, с расположенной сбоку от зоны, ограниченной мишенями, подложкой, на которой формируют покрытие. В зоне между подложкой и мишенями установлен электрод, используемый для регулирования кинетической энергии электронов, ионов и/или количества электронов, ионов, взаимодействующих с подложкой. Использование устройства при формировании сложных по составу оксидных покрытий, таких как YBa₂Cu₃O_7-δ, не исключает отклонение состава его от состава мишени, особенно, при нанесении пленки на подложки увеличенного размера.

Известны также способ и устройство для формирования пленки путем магнетронного распыления мишени (заявка РСТ 92/16671, кл. С 23 С 14/34, 1993) в плазме распыляющего газа. В устройстве вокруг зоны образования плазмы в рабочей камере установлен экран, препятствующий налипанию материала. Перед формированием пленки экран подвергают термообработке, а в процессе напыления на экран подают напряжение смещения и охлаждают его с тем, чтобы образующаяся на подложке пленка имела заданную температуру. Способу и устройству также свойственны недостатки, обусловленные возможностью значительного отклонения состава пленки от состава мишени, что имеет место при распылении мишеней, например, из YВ₂Сu₃O_7-x.

В способе и установке для осаждения покрытия на подложке с микроотверстиями с использованием плоских магнетронов (патент Японии 6060390, кл. С 23 С 14/34, 1994) на расположенную напротив подложки мишень воздействуют потоком плазмы, генерируемой под действием магнитного поля, и осаждают распыленные частицы на поверхности подложки. При осаждении покрытия используют расположенное между подложкой и мишенью направляющее устройство, формирующее узконаправленный поток частиц материала мишени, и одновременно поддерживают двухмерное параллельное относительное перемещение плазмы и подложки. При формировании сложных по составу покрытий указанным способом в устройстве указанной конструкции возможно значительное несоответствие составов осаждаемого покрытия и распыляемых мишеней.

Наиболее близкими по технической сущности к заявляемому изобретению являются способ получения тонкой пленки напылением и установка с расположенными друг против друга мишенями (заявка ЕПВ 0273685, кл. С 23 С 14/34, 14/56, 1988), в котором для получения тонкой пленки на подложке в виде пленки, распыляют две мишени, расположенные друг против друга в вакуумной камере, и используют устройство для создания магнитного поля, направленного перпендикулярно к поверхности мишеней и ограничивающего область плазмы, и отражательный электрод, расположенный перед генераторами магнитного поля и окружающий мишени для направления электронов в пространство между мишенями. Генераторы магнитного поля расположены вокруг мишеней, создают вспомогательное поле, которое в комбинации с устройством для отражения электронов обеспечивает возможность регулировки толщины осаждаемой пленки на подложке большой ширины. Наличие электрода, расположенного перед генераторами магнитного поля, делает возможным изменение состава распыленного материала вследствие частичного высаживания на электроде составляющих плазменного потока, приводящего к отклонению от состава мишеней.

Технический результат от совокупности влияния признаков, предлагаемых в изобретении, заключается в снижении отклонения состава покрытия от состава многокомпонентных мишеней при формировании пленочных покрытий.

Указанный технический результат достигается в способе формирования пленочного покрытия, включающем магнетронное распыление противолежащих мишеней-катодов, осаждение распыленного материала на подложку, в котором осаждение распыленного материала осуществляют на расположенную сбоку от мишеней-катодов подложку, выполняющую роль анода с потенциалом земли или близким к потенциалу земли, общего для мишеней-катодов, при этом встречные потоки распыленного материала у каждой из мишеней подвергают фокусировке катодным потенциалом.

Технический результат достигается также в магнетронном устройстве для формирования пленочного покрытия, включающем вакуумную камеру, по меньшей мере, два противолежащих катода с мишенями и магнитной системой, системы эвакуации, подачи и регулирования расхода газовой смеси, устройство для крепления подложки, при этом оно содержит один анод, которым является устройство для крепления подложки, размещенное в вакуумной камере, а катоды размещены в дополнительной камере, соединенной с вакуумной камерой, при этом магнитные системы катодов расположены с обратной стороны каждой мишени, вокруг каждой мишени установлена цилиндрическая или в виде усеченного конуса сетка, являющаяся продолжением катода, причем стенки дополнительной камеры электрически изолированы, а плоскость, в которой расположены центры мишеней, параллельна плоскости подножки.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Использование подложки в качестве общего анода с потенциалом земли или близким к потенциалу земли позволяет организовать поток распыленного материала из зоны смешения к подложке в виде некоторого результирующего потока усредненного состава. Размещение подложки в стороне от плазменных потоков позволяет предотвратить прямое воздействие плазмы на формируемое покрытие и сохранить постоянство его состава.

Фокусировка каждого потока распыленного материала потенциалом катода вблизи мишени, осуществляемая вследствие отталкивания отрицательно заряженных составляющих потока (от элементов конструкции катода - сетки), позволяет избежать разделения по массам при распылении сложных оксидных систем, например YВ₂Сu₃O_7-х, на начальном этапе движения распыленных частиц и сохранить соответствие состава покрытия составу мишеней.

Снабжение катода цилиндрической или конической сеткой, размещенной вокруг мишени и являющейся его продолжением, выполняет роль фокусирующего устройства для потока плазмы на участке, прилегающем к мишени, и не экранирует силовые линии магнитного устройства.

Размещение магнитных устройств каждого катода с обратной стороны мишеней позволяет вывести элементы конструкции из зоны плазмы и исключить процесс осаждения на них распыленного материала и изменение его состава, что положительно сказывается на достижении технического результата.

Совмещение функций устройства для крепления подложки и анода в совокупности с электрической изоляцией стенок дополнительной камеры, в которой размещены катоды магнетронов, позволяет организовать магнетронный разряд между анодом и катодами и собственно распыление мишеней, и движение распыленного материала от мишеней к подложке без разделения составляющих потока по массам.

Размещение устройства для крепления подложки - анода в вакуумной камере, в стороне от зоны распыления материала, находящейся в дополнительной камере, соединенной с вакуумной камерой, позволяет свести до минимума воздействие потока плазмы на формируемое покрытие и способствует сохранению состава покрытия, близкого к составу мишеней.

Размещение поверхности подложки параллельно плоскости, в которой расположены центры мишеней, позволяет организовать ортогональное направление результирующего потока к поверхности подложки и избежать искажение состава покрытия вследствие неполного или избирательного осаждения составляющих потока при встрече с поверхностью подложки под некоторым углом.

Таким образом, использование предлагаемого способа и магнетронного устройства обеспечивает распыление материала мишеней с образованием встречных потоков распыленного материала и способствует созданию зоны смешения распыленного материала, образованной встречными потоками плазмы с высокой скоростью частиц в них и возникающей в этом случае турбулентностью, обеспечивает усреднение состава распыленного материала в зоне смешения без разделения по массовым числам составляющих. Формирование покрытия осаждением распыленного материала усредненного состава из зоны смешения на подложку обеспечивает максимальное приближение состава покрытия к составу мишеней.

На фиг.1 приведена схема сечения устройства для формирования пленочного покрытия предлагаемым способом с сеткой цилиндрической формы, на фиг.2 - то же с сеткой в виде усеченного конуса.

Устройство представляет собой вакуумную камеру 1, к которой примыкает объем 2, обращенный открытым торцом 6 в камеру 1. На стенках объема 2 размещены противоположно две пары катодов 3 с мишенями 4, оси 5 которых образуют телесный угол с вершиной, расположенной в плоскости 6, ортогональной подложке 7, которая укреплена на устройстве 8 в виде платформы карусельного типа, электрически соединенной с камерой 1. Для эвакуации газа из камеры 1 устройство снабжено системой 9, для подачи и регулирования расхода газовой смеси выполнено устройство 10. На стенках объема 2 выполнена электрическая изоляция 11. Вокруг мишеней 4 выше их поверхности установлены цилиндрические или в виде усеченного конуса сетки 12, укрепленные на катоде 3 и электрически соединенные с ним. С обратной стороны мишеней 4 катодов 3 размещены магнитные устройства 13.

Устройство работает следующим образом. Из вакуумной камеры 1 посредством системы 9 эвакуируют газ до давления, меньшего 1•10^-2 Па. Через систему подачи и регулирования расхода 10 в вакуумную камеру 1 подают газовую смесь на основе инертного газа. Подачей потенциала на катоды 3 организуют из-за наличия электрической изоляции 11 на стенках объема 2 аномальный разряд между анодом-подложкой 7 и мишенями 4. Вследствие наличия магнитного поля, созданного магнитными устройствами 13, плазма удерживается у поверхности каждой из мишеней 4, что обеспечивает распыление мишеней 4 в плазме низкого давления. Сетки 12, имеющие потенциал катода, вследствие отталкивания отрицательно заряженных ионов фокусируют потоки распыленного материала от мишеней 4, которые, встречаясь в вершине телесного угла, образованного осями 5 катодов 3, образуют зону смешения и результирующий поток распыленного материала в плоскости 6, ортогональной подложке 7. Поток распыленного материала мишеней 4 в связи с перемещением устройства карусельного типа 8 осаждают на каждом участке подложки 7, перемещаемой относительно плоскости 6, в виде тонкого слоя покрытия. Вследствие многократного прохождения каждого участка подложки 7 относительно результирующего потока распыленного материала из зоны смешения на подложке формируется тонкими (менее 1 нм) слоями покрытие одинакового состава по толщине покрытия и площади осаждения. Напряжение смещения, равное в этом случае потенциалу между катодами 3 и анодом-подложкой 7, способствует организации результирующего потока распыленного материала из зоны смешения на подложку 7.

При завершении процесса формирования покрытия подачу электрической мощности прекращают, подвод газовой смеси через систему подачи и регулирования 10, а также перемещение устройства 8 отключают, давление в вакуумной камере 1 выравнивают с атмосферным, снимают подложку 7, на которой сформировано покрытие. После замены подложки на другую процесс формирования покрытия повторяют.

Предлагаемые способ и магнетронное устройство использованы при формировании покрытия распылением двух катодов с мишенями из высокотемпературной сверхпроводящей керамики (Yва₂Сu₃O_7-х) на подложке из α-Аl₂О₃, покрытой серебром. На катодах установлены сетки в виде усеченного конуса с диаметрами оснований 40 и 70 мм и высотой 20 мм. Мощность, подводимая к каждому катоду, составила 25 Вт, время формирования покрытия 120 мин, давление в вакуумной камере (1-5)•10^-1 Па. В качестве газовой смеси использовали смесь аргона и кислорода (33 об. %). Толщина сформированного покрытия составила 800 нм. В результате сравнения исходных составов мишеней и полученного покрытия установлено, что состав мишеней соответствовал соединению YBа_2,02Сu_3,10O_7-х, полученное покрытие - YBa_2,01Cu_3,06O_7-x. Последнее свидетельствует о практическом отсутствии изменения состава при формировании покрытия.

Формирование покрытий распылением мишеней того же состава без фокусировки плазменных потоков и вынесения положительного электрода на подложку, при размещении подложки на пути распыленного потока материала сопровождалось получением покрытия состава YBa_{(1,07 -1,27)}Cu_{(0,38- 1,81)}O_7-x.

Таким образом, реализация Предлагаемых способа формирования пленочного покрытия и магнетронного устройства для его осуществления обеспечивает соответствие составов покрытия и сложных по составу мишеней.

Формула изобретения

1. Способ формирования пленочного покрытия, включающий магнетронное распыление противолежащих мишеней катодов, осаждение распыленного материала на подложку, отличающийся тем, что осаждение распыленного материала осуществляют на расположенную сбоку от мишеней катодов подложку, которую выполняют в виде анода с потенциалом земли или близким к потенциалу земли, общего для мишеней катодов, при этом встречные потоки распыленного материала у каждой из мишеней фокусируют катодным потенциалом.

2. Магнетронное устройство для формирования пленочного покрытия, включающее вакуумную камеру с размещенными в ней подложкой с устройством для ее крепления, по меньшей мере два противолежащих катода с мишенями и магнитными системами, системы эвакуации, подачи и регулирования расхода газовой смеси, отличающееся тем, что оно снабжено соединенной с вакуумной камерой дополнительной камерой, в которой размещены катоды с мишенями и магнитными системами, расположенными с обратной стороны каждой мишени, вокруг каждой мишени установлена цилиндрическая или в виде усеченного конуса сетка, являющаяся продолжением катода, при этом подложка с устройством для ее крепления выполнена в виде анода, стенки дополнительной камеры электрически изолированы, а плоскость, в которой расположены центры мишеней, параллельна плоскости подложки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2