Способ нанесения металлического покрытия из материала, подверженного активному окислению в атмосфере воздуха, и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2757882:
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") (RU)
Группа изобретений относится к технологии тонких пленок и предназначена для получения покрытий из материалов, которые могут быть использованы в рамках исследования свойств материалов, подверженных активному окислению в атмосфере воздуха, а именно получение данных о чистом материале с минимальным содержанием кислорода. Способ нанесения металлического покрытия из материала, подверженного активному окислению в атмосфере воздуха, включает загрузку подложки в объем рабочей камеры, ее вакуумирование, напуск в рабочую камеру инертного газа и получение металлического покрытия методом ионно-плазменного распыления дисковых мишеней в среде инертного газа с последующим осаждением на подложку в виде пленки, при этом рабочую камеру интегрируют в объем перчаточного бокса с обеспечением в объеме перчаточного бокса контролируемой инертной атмосферы, сначала подложку загружают в объем перчаточного бокса через вакуумируемый шлюз с возможностью напуска в шлюз инертной атмосферы бокса и достижения одинакового давления, и оттуда перемещают в рабочую камеру, расположенную внутри объема бокса, проводят вакуумирование объема рабочей камеры, осуществляют напуск в объем рабочей камеры инертного газа в диапазоне давлений от 1⋅10-3 до 3⋅10-3 Торр, включают вращение подложки, проводят ионную очистку поверхности подложки ионами инертного газа, поворачивают подложку и размещают ее параллельно устройству распыления дисковых мишеней, и проводят процесс нанесения металлического покрытия на подложку методом ионно-плазменного распыления соответствующей дисковой мишени, при этом на всех этапах осуществляют контроль натекания паров воды и кислорода в объем рабочей камеры и перчаточного бокса. Способ осуществляют в устройстве, содержащем рабочую камеру и перчаточный бокс, в рабочей камере установлено, по меньшей мере, одно устройство распыления дисковых мишеней 10, источник ионов 9, подложкодержатель 11 и система перемещения и вращения подложкодержателя 12, при этом рабочая камера интегрирована в объем перчаточного бокса, устройство распыления дисковых мишеней 10 и источник ионов 9 установлены на платформе, задающей их взаимную конфокальную ориентацию, а именно фокусировку осей на общую фокальную плоскость, в которой расположена подложка, при этом источник ионов 9 располагается соосно подложкодержателю 11, а устройство распыления дисковых мишеней 10 - под углом к оси «источник ионов - подложкодержатель», система перемещения и вращения подложкодержателя 12 выполнена с возможностью вращения подложки с контролируемой скоростью относительно осей устройства распыления дисковых мишеней 10 и источника ионов 9 и установки подложки в плоскости, перпендикулярной к оси устройства распыления дисковых мишеней, или к оси источника ионов. Технический результат - получение покрытия в виде пленки с характерными толщинами от единиц до десятка микрон, из материала, активно окисляющегося в атмосфере воздуха с минимальным содержанием кислорода, а также повышение адгезионной способности получаемого покрытия к поверхности подложки. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Группа изобретений относится к технологии тонких пленок и предназначена для получения покрытий из материалов, подверженных активному окислению в атмосфере воздуха. Способ и устройство могут быть использованы в рамках исследования свойств материалов, подверженных активному окислению в атмосфере воздуха, а именно, получение данных о чистом материале с минимальным содержанием кислорода.
Известно о нескольких разновидностях вакуумного оборудования, имеющего в своем составе вакуумную камеру, вписанную в объем бокса с инертной атмосферой внутри и предназначенного для подготовки поверхности подложек и нанесения различных покрытий, критичных к присутствию паров воды и кислорода.
В одном из способов используется установка для нанесения металлического покрытия на изделия из материала, интенсивно окисляющегося в атмосфере воздуха. Установка содержит в своем составе рабочую камеру, совмещенную с перчаточным боксом, в которой установлены устройство испарения для нанесения покрытий методом физического осаждения из газовой фазы и подложкодержатель (патент RU №2705834, МПК С23С 14/30, опубл. 12.11.2019 г.). Установка снабжена расположенными в рабочей камере ионно-лучевым устройством для очистки изделий низкоэнергетическими ионами и системой перемещения и вращения изделий, обеспечивающей перемещение изделий из рабочей камеры в перчаточный бокс и обратно. После загрузки изделия в рабочую камеру, проводится ее вакуумирование и контроль натекания кислорода, затем осуществляют ионно-лучевую очистку низкоэнергетическими ионами инертного газа, перемещают изделие в перчаточный, бокс и проводят в нем контроль полноты очистки изделия. Затем повторно загружают изделие в рабочую камеру, вакуумируют ее, и осуществляют обработку высокоэнергетическими ионами инертного газа. Затем проводят нанесение покрытия на изделие с использованием системы электронно-лучевого испарения.
Данный способ и устройство, описанное в нем, позволяют наносить целый ряд функциональных и защитных покрытий, а именно Cu, Ti, Zn, Nb, Mo, W, Sn, Cr, V, Cd, Zr и др. Также использование ионно-лучевой очистки позволяет эффективно удалять с поверхности изделия слой оксида и активировать поверхность для последующего нанесения покрытия. Недостатком является то, что загрузка подложки осуществляется напрямую в вакуумную камеру, что приводит к дополнительному загрязнению, как самой камеры, так и изделия. Данное обстоятельство приводит к усложнению процесса получения покрытия на изделии, так как необходимо после загрузки провести очистку поверхности изделия, потом выгрузить в перчаточный бокс и убедиться в чистоте поверхности, и опять загрузить в рабочую камеру, чтобы провести очистку и последующее нанесение покрытия.
Наиболее близким по технической сути аналогом заявляемой группы изобретений, выбранным в качестве прототипа, является решение, в котором описаны: установка для нанесения покрытий, содержащая перчаточный бокс, соединенный с вакуумной камерой через шлюз, в которой установлены устройства испарения, система вакуумирования и подложкодержатель, и способ нанесения покрытий, включающий создание в перчаточном боксе инертной атмосферы, загрузку изделия в рабочую камеру, вакуумирование рабочей камеры и нанесение покрытий методом физического осаждения из газовой фазы (заявка US №2012192750, МПК В65В 1/04, С23С 16/06, 16/455, опубл. 02.08.2012 г.). Устройство испарения содержит как минимум два распыляющих устройства с мишенями. Они расположены под углом к плоскости подложкодержателя и зеркально относительно оси проходящей через центр подложкодержателя. Способ предназначен для нанесения пирофорных материалов на круглую подложку, используемых при производстве тепловых ловушек, имеющих заданные параметры ИК-излучения.
Данный способ и установка позволяют получать покрытия с заданным химическим составом и контролируемой пористостью, но также не лишен недостатков. Загрузка подложки осуществляется напрямую в вакуумную камеру, что приводит к дополнительному загрязнению, как самой камеры, так и поверхности подложки и увеличивает время вакуумирования рабочей камеры. Отсутствует контроль натекания паров воды и кислорода в объем вакуумной камеры и перчаточного бокса, а также контроль полноты очистки поверхности подложки от загрязнений. Отсутствует возможность проведения ионной очистки поверхности подложки, что отрицательно влияет на адгезионную способность формируемого покрытия. Данный аспект усугубляется тем, что загрузка подложки происходит с открытием вакуумной камеры на атмосферу и все это требует более тщательной вневакуумной подготовки поверхности подложки (обезжиривание, травление и т.д.).
Единая задача, решаемая данными изобретениями, это исследование свойств чистого материала, подвергнутого активному окислению в атмосфере воздуха, в виде пленки с минимальным содержанием кислорода, а также повышение качества получаемого покрытия.
Единый технический результат, получаемый при использовании предлагаемого технического решения, это получение покрытия, в виде пленки с характерными толщинами от единиц до десятка микрон, из материала, активно окисляющегося в атмосфере воздуха с минимальным содержанием кислорода, а также повышение адгезионной способности получаемого покрытия к поверхности подложки.
Указанный технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту - способ нанесения достигается тем, что в способе нанесения металлического покрытия из материала, подверженного активному окислению в атмосфере воздуха, осуществляемом в рабочей камере и включающем загрузку подложки в объем рабочей камеры, вакуумирование рабочей камеры, напуск в рабочую камеру инертного газа и получение металлического покрытия методом ионного-плазменного распыления дисковых мишеней в среде инертного газа с последующим осаждением на подложку в виде пленки, существует особенность, заключающаяся в том, что рабочую камеру интегрируют в объем перчаточного бокса; обеспечивают в объеме бокса контролируемую инертную атмосферу, загрузку подложки в объем бокса через вакуумируемый шлюз, с возможностью напуска в шлюз инертной атмосферы бокса и достижения одинакового давления, последующую загрузку подложки в объем рабочей камеры, расположенной внутри объема бокса, проводят вакуумирование объема рабочей камеры, осуществляют напуск в объем рабочей камеры инертного газа в диапазоне давлений от 1⋅10-3 до 3⋅10-3 Торр, проводят ионную очистку поверхности подложки ионами инертного газа, проводят процесс нанесения металлического покрытия на подложку методом ионно-плазменного распыления соответствующей дисковой мишени, при этом на всех этапах осуществляют контроль натекания паров воды и кислорода в объем рабочей камеры и перчаточного бокса.
Указанный технический результат при осуществлении устройства достигается тем, что содержит рабочую камеру и перчаточный бокс, в рабочей камере установлено, по меньшей мере, одно устройство распыления дисковых мишеней, источник ионов, подложкодержатель и система перемещения и вращения подложкодержателя. Новым является то, что рабочая камера интегрирована в объем перчаточного бокса, устройства распыления дисковых мишеней и источник ионов представляют собой напылительный кластер, в котором устройства распыления дисковых мишеней и источник ионов устанавливаются на специальной платформе, задающей их взаимную конфокальную ориентацию - фокусировку осей на общую фокальную плоскость, в которой расположена подложка, и снабжена системой перемещения и вращения подложкодержателя. Источник ионов располагается соосно подложкодержателю и с его помощью проводится ионная очистка поверхности подложки перед нанесением покрытия. Устройства распыления дисковых мишеней располагаются под углом к оси источник ионов-подложкодержатель. Система перемещения и вращения подложкодержателя позволяет размещать подложку в плоскости перпендикулярной оси источника ионов или оси устройства распыления дисковых мишеней, а также вращать подложку с контролируемой скоростью относительно этих осей.
Всей совокупностью перечисленных признаков обеспечивается нанесение качественного равномерного покрытия из материала, подверженного активному окислению в атмосфере воздуха с минимальным содержанием кислорода, и имеющего высокую адгезионную способность к подложке. Это достигается следующим образом: предварительная обработка поверхности подложки перед нанесением покрытия, а также выгрузку из рабочей камеры и загрузку в герметичный контейнер подложки с нанесенным покрытием из материала, подверженного активному окислению в атмосфере воздуха, проводится в объеме перчаточного бокса, заполненного инертным газом с низким содержанием паров воды и кислорода, без окисления поверхности подложки и готового покрытия. Рабочая камера, интегрированная в объем перчаточного бокса, и постоянный контроль натекания паров воды и кислорода в объем бокса и рабочей камеры, практически полностью исключают контакт готового покрытия с атмосферой воздуха, и позволяет избежать окисления поверхности нанесенного покрытия. Использование напылительного кластера, состоящего из устройства распыления дисковых мишеней, источника ионов и системы перемещения и вращения подложкодержателя, позволяет без вскрытия рабочей камеры провести очистку поверхности подложки ионами инертного газа и нанесения требуемого покрытия за один цикл. Использование в качестве устройства распыления дисковых мишеней - магнетронного распылительного устройства (магнетрона), позволяет гибко и точно изменять скорость распыления и, как следствие, скорость осаждения материала на подложку.
Система перемещения и вращения подложки позволяет прецизионно управлять расстоянием от поверхности дисковой мишени или источника ионов до поверхности подложки и временем нахождения. Тем самым удается добиться равномерного распределения атомов осаждаемого материала на поверхности подложки и обеспечить равномерный рост пленки покрытия с высокой адгезионной способностью к поверхности подложки предварительно очищенной с помощью ионов инертного газа. В результате получаем покрытие из материала, подверженного активному окислению в атмосфере воздуха, с минимальным содержанием кислорода.
Заявленные изобретения взаимосвязаны настолько, что образуют единый изобретательский замысел. Действительно, при создании способа нанесения покрытий было изобретено новое устройство - установка для нанесения покрытий из материалов, подверженных активному окислению в атмосфере воздуха. Использование данной установки позволяет успешно решить поставленную задачу с получением требуемого технического результата - получение покрытия, в виде пленки с характерными толщинами от единиц до десятка микрон, из материала, активно окисляющегося в атмосфере воздуха с минимальным содержанием кислорода, а также повышение адгезионной способности получаемого покрытия к поверхности подложки. Следовательно, заявленные изобретения удовлетворяют требованию «единства».
При анализе уровня техники не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам данного изобретения. А также не выявлено факта известности влияния признаков, включенных в формулу, на технический результат заявленного технического решения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условиям «новизна» и «изобретательский уровень».
На Фиг. 1 представлен общий вид установки в составе перчаточного бокса с интегрированной в него вакуумной камерой, где 1 - рабочий объем герметичного перчаточного бокса, 2 - шлюз герметичного перчаточного бокса, 3 - рабочая (вакуумная) камера, интегрированная в объем герметичного перчаточного бокса, 4 - система откачки.
На Фиг. 2 представлены основные элементы вакуумной камеры, где 5 - стеклянный колпак рабочей камеры, 6 - основание рабочей камеры, 7 - патрубки от системы откачки, 8 - патрубки напуска инертного газа, 9 - источник ионов, 10 - устройство ионно-плазменного распыления дисковых мишеней, 11 подложкодержатель, 12 - система перемещения и вращения подложкодержателя.
На Фиг. 3 представлена схема проведения процесса по нанесению покрытия из материала, подверженного активному окислению в атмосфере воздуха.
Установка, реализующая заявленный способ, содержит перчаточный бокс 1 с замкнутой системой газоочистки и вакуумируемым шлюзом 2, в объем бокса интегрирована рабочая (вакуумная) камера 3 и система откачки 4. Рабочая камера состоит из стеклянного колпака 5 и основания - платформы 6, к основанию камеры подходят патрубки от системы откачки 7 и патрубки напуска инертного газа 8. В камере расположены источник ионов 9, устройство ионно-плазменного распыления дисковых мишеней 10, подложкодержатель 11 и система перемещения и вращения подложкодержателя 12. В качестве источника ионов используется кольцевой источник ионов, а в качестве устройства ионно-плазменного распыления используется магнетронное распылительное устройство (магнетрон). Откачка камеры происходит через шиберный затвор вакуумной системой на базе форвакуумного и турбомолекулярного насосов (на фигуре не показано). Пошагово схема проведения процесса по нанесению покрытия из материала, подверженного активному окислению в атмосфере воздуха представлена на фиг. 3.
На предприятии способ осуществляется следующим образом.
В перчаточном боксе 1 создают атмосферу инертного газа, например аргона, в диапазоне давлений от -5 Торр до +5 Торр, очищенной от кислорода и паров воды. После этого загружают подложку (например, золотую), на которую будет наноситься покрытие в шлюз бокса 2 и вакуумируют его. Далее проводят напуск атмосферы бокса в шлюз 2 до тех пор, пока не будет выравнено давление в объеме шлюза и бокса. Выгружают подложку из шлюза в объем бокса. После производят вакуумирование шлюза и напуск в объем рабочей камеры 3 инертного газа, до тех пор, пока не будет выравнено давление в объеме рабочей камеры и объеме бокса. Вскрытие рабочей камеры, установка подложки в подложкодержатель 11 и закрытие рабочей камеры. После последовательно проводят: вакуумирование рабочей камеры, напуск инертного газа до давления 1⋅10-3 Торр, включение вращения подложки 12 и запуск источника ионов 9 для проведения очистки поверхности подложки от различных загрязнений. Очистку поверхности подложки проводят не менее 10 минут. После завершения процесса ионной очистки поверхности подложки, подложкодержатель поворачивают на угол 45° и размещают его параллельно магнетронному распылительному устройству 10, проводят напуск инертного газа до давлений от 1⋅10-3 до 1⋅10-3 Торр. Далее проводят процесс нанесения металлического (например, алюминиевого или свинцового) покрытия на подложку методом ионно-плазменного распыления дисковой мишени. На всех этапах от загрузки подложки в вакуумируемый шлюз и выгрузку подложки с готовым покрытием в герметичном контейнере осуществляют контроль натекания паров воды и кислорода в объем рабочей камеры и перчаточного бокса. Содержание паров воды и кислорода поддерживается на уровне, не превышающем 1 ppm.
Преимуществами разработанных способа и установки является отсутствие контакта готового покрытия с кислородом из атмосферы воздуха, благодаря чему получается покрытия с минимальным содержанием кислорода, улучшается адгезионная способность покрытия к подложке и качество получаемого покрытия.
Таким образом, представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленной группы изобретений следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, воспроизводит заявленный способ, предназначенный для использования в технологии тонких пленок для нанесения металлических покрытий из материалов, подверженных активному окислению в атмосфере воздуха;
- для заявляемой группы изобретений в том виде, в котором она охарактеризована в формуле изобретения, подтверждена возможность ее осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета устройств.
Следовательно, заявляемая группа изобретений соответствует условию «промышленная применимость».
1. Способ нанесения металлического покрытия из материала, подверженного активному окислению в атмосфере воздуха, осуществляемый в рабочей камере и включающий загрузку подложки в объем рабочей камеры, вакуумирование рабочей камеры, напуск в рабочую камеру инертного газа и получение металлического покрытия методом ионно-плазменного распыления дисковых мишеней в среде инертного газа с последующим осаждением на подложку в виде пленки, отличающийся тем, что рабочую камеру интегрируют в объем перчаточного бокса с обеспечением в объеме перчаточного бокса контролируемой инертной атмосферы, сначала подложку загружают в объем перчаточного бокса через вакуумируемый шлюз с возможностью напуска в шлюз инертной атмосферы бокса и достижения одинакового давления, и оттуда перемещают в рабочую камеру, расположенную внутри объема бокса, проводят вакуумирование объема рабочей камеры, осуществляют напуск в объем рабочей камеры инертного газа в диапазоне давлений от 1⋅10-3 до 3⋅10-3 Торр, включают вращение подложки, проводят ионную очистку поверхности подложки ионами инертного газа, поворачивают подложку и размещают ее параллельно устройству распыления дисковых мишеней, и проводят процесс нанесения металлического покрытия на подложку методом ионно-плазменного распыления соответствующей дисковой мишени, при этом на всех этапах осуществляют контроль натекания паров воды и кислорода в объем рабочей камеры и перчаточного бокса.
2. Устройство для получения металлического покрытия из материала, подверженного активному окислению в атмосфере воздуха, содержащее рабочую камеру и перчаточный бокс, в рабочей камере установлено, по меньшей мере, одно устройство распыления дисковых мишеней, источник ионов, подложкодержатель и система перемещения и вращения подложкодержателя, отличающееся тем, что рабочая камера интегрирована в объем перчаточного бокса, устройства распыления дисковых мишеней и источник ионов установлены на платформе, задающей их взаимную конфокальную ориентацию, а именно фокусировку осей на общую фокальную плоскость, в которой расположена подложка, при этом источник ионов располагается соосно подложкодержателю, а устройства распыления дисковых мишеней - под углом к оси «источник ионов - подложкодержатель», система перемещения и вращения подложкодержателя выполнена с возможностью вращения подложки с контролируемой скоростью относительно осей устройства распыления дисковых мишеней и источника ионов и установки подложки в плоскости, перпендикулярной к оси устройства распыления дисковых мишеней, или к оси источника ионов.
3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что устройство распыления дисковых мишеней выполнено в виде магнетронного распылительного устройства.
4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что источник ионов выполнен кольцевым.
