LV15606B - Ierīce vakuuma pārklājumu izgatavošanai - Google Patents

Abstract

Izgudrojums attiecas uz ierīcēm vakuuma pārklājumu uzputināšanai. Piedāvātā magnetronā uzputināšanas ierīce ir pielāgota tās ievietošanai vakuuma kamerā un tā satur divus magnetronus, kas ir uzstādīti uz magnetronu turētāja, katrs uz savas rotācijas ass, kas ir ievietotas vadulē, kura ir pielāgota magnetronu nostiprināšanai tajā ar fiksācijas līdzekļu palīdzību, tādējādi ierīce ir pielāgota magnetronu pārvietošanai un nostiprināšanai, pēc izvēlēs mainot attālumus starp magnetroniem un no magnetroniem līdz pārklājamai virsmai un to leņķisko pozīciju vienam pret otru vai pret pārklājamo virsmu, tādējādi pielāgojot izgatavojamā pārklājuma uzputināšanas nosacījumus.

Description

IZGUDROJUMA APRAKSTS

Tehnikas nozare

[001] Izgudrojums attiecas uz ierīcēm vakuuma pārklājumu izgatavošanai, proti, uz magnetronās izputināšanas ierīcēm, kas ir pielāgotas ievietošanai vakuuma kamerā. Konkrēti uz ierīci, kurā tiek izmantoti divi magnetroni ar maināmu novietojuma ģeometrisko konfigurāciju, un kura nodrošina pārklājuma optisko īpašību diagnostiku tā izgatavošanas laikā.

Zināmā tehnikas līmeņa analīze

[002] Magnetronā izputināšana ir plaši izmantota metode vakuuma pārklājumu izgatavošanai (Braun M. (2015) Magnetron Sputtering Technique. In: Nee A. (eds) Handbook of Manufacturing Engineering and Technology. Springer, London). Izgatavojamo pārklājumu piemēri var būt viena vai vairāku elementu metāli, pusvadītāji, oksīdi, nitrīdi, karbīdi, hidrīdi, sulfīdi un citi savienojumi, kas ir uzklāti vienā vai vairākos slāņos.

[003] Tipiska magnetrona izputināšanas iekārta vakuuma pārklājumu izgatavošanai sastāv no vakuuma kameras, kura ir aprīkota ar vakuuma sūkņiem un kurā ievietots viena vai vairāku pārklājamo objektu turētājs, gāzu padeves sistēma un viens vai vairāki magnetroni, kas aprīkoti ar plakaniem vai cilindriskiem izputināmā materiāla mērķiem. Izputināmo mērķi pievienojot negatīvam spriegumam, tiek iedegta plazma. Plazmas pozitīvajiem joniem bombardējot mērķa virsmu, no virsmas tiek izsisti (izputināti) atomi, kuri, nonākot uz pārklājamā objekta virsmas, veido šīs virsmas pārklājumu. Magnetrons un pārklājamā virsma vairumā gadījumu ir novietoti pretī viens otram. Magnetroni var tikt darbināti dažādos izputināšanas režīmos, ieskaitot līdzstrāvas, maiņstrāvas, radiofrekvences, impulsu un augstas jaudas impulsu režīmus, izputināšanu veicot inertā vai reaktīvā atmosfērā.

[004] Izputināšanas procesa un pārklājumu kvalitātes kontrolei kamerā var tikt ievietoti arī sensori pārklājumu īpašību (biezuma, pretestības, optiskās caurlaidības u.c.) un magnetrona izlādes plazmas īpašību mērīšanai pārklājuma izgatavošanas laikā. Ir zināms, ka pārklājumu īpašību diagnostika to izgatavošanas laikā palīdz nodrošināt pārklājumu kvalitāti, tai skaitā to biezuma atbilstību prasībām (Zoller A. et al. In-situ Monitoring Boosts Yield of Thin-Film Deposition Processes. Photonics Spectra, July 2004).

[005] Svarīgs izputināšanas iekārtu konstrukcijas aspekts ir vakuuma kamerā ievietoto mezglu kompaktums, kas ļauj optimāli izmantot vakuuma kameras tilpumu, dodot iespēju tajā ievietot nepieciešamās tehnoloģiskās ierīces (magnetronus, paraugu turētājus un sensorus) nepieciešamajā konfigurācijā. Kompaktas atbalsta konstrukcijas un turētāji ļauj kamerā ievietot lielāka izmēra magnetronus un izgatavot salīdzinoši liela laukuma pārklājumus attiecībā pret vakuuma kameras izmēru. Tāpat svarīga ir iespēja šo konfigurāciju mainīt, dodot iespēju variēt izgatavojamo pārklājumu īpašības un ļaujot vienu izputināšanas iekārtu izmantot plaša spektra pārklājumu izgatavošanai.

[006] Ir vispārzināms, ka pārklājumu īpašības ir atkarīgas no to sastāva un mikrostruktūras.

[007] Ir vispārzināms, ka attālums no magnetrona līdz pārklājamajai virsmai ietekmē izgatavojamā pārklājuma blīvumu. Nemainot citus procesa parametrus, pārklājumu blīvums palielinās, samazinot attālumu starp izputināmo mērķi un pārklājamo virsmu.

[008] Ir virkne pielietojumu (piemēram - gāzu sensori), kuriem ir vajadzīgi zema blīvuma pārklājumi ar lielu iekšējās virsmas laukumu. Citiem pielietojumiem (piemēram - elektriski vadošiem pārklājumiem vai gāzu necaurlaidīgiem barjerslāņiem) ir nepieciešami augsta blīvuma pārklājumi.

[009] Ir zināms, ka izgatavojamā pārklājumu īpašības ir atkarīgas arī no leņķa starp izputināmā mērķa virsmu (magnetronu) un pārklājamo virsmu (LeBellac D., Azens A., Granqvist C.G. Angular selective transmittance through electrochromic tungsten oxide films made by oblique angle sputtering. Applied Physics Letters, 43, 4 (1995)).

[010] Tāpat ir zināms, ka pārklājumu īpašības ir atkarīgas no tā, vai izputināmā un pārklājamā virsma atrodas vai neatrodas uz vienas ass (pretī viena otrai). Ja virsmas neatrodas uz vienas ass (pff-axes sputtering), uz pārklājamās virsmas nonāk atomi, kas izputināmo virsmu ir atstājuši slīpā leņķī un tādēļ ir ar zemāku enerģiju nekā virsmai perpendikulāri izputinātie atomi (Pugel D.E, et al. Effects of target-to-substrate angle on off-axes sputter deposition and EPR studies of near-surface magneticproperties of YBCO thin films. Physica C: Superconductivity, Vol 341-348, Part 3, (2000), pp 2003-2004).

[011] Ir zināms, ka vienā vakuuma kamerā var tikt ievietoti vairāki magnetroni (EP0328257A2, WO2013023173A2). Magnetroni var tikt aprīkoti ar viena materiāla izputināmajiem mērķiem, tādējādi palielinot pārklājuma izgatavošanas ātrumu, vai ar dažādiem mērķiem, kas ļauj izgatavot vairākus elementus saturošus pārklājumus.

[012] US2016/0362812 Al apraksta magnetrona izputināšanas metodi, kurā tiek izmantots viens magnetrons, kura attālums no mērķa līdz pārklājamajai virsmai var tikt mainīts no 2” līdz 5”, un leņķis starp mērķa virsmas normāli un līniju, kas savieno mērķi un pārklājamo virsmu (pff-axes leņķis), var tikt mainīts starp 45 un 70 grādiem. Iespēja mainīt leņķi un attālumu ļauj iegūt pārklājumus ar dažādu sastāvu un īpašībām. Metodes trūkums ir tas, ka viena magnetrona konfigurācijā katram pārklājuma ķīmiskajam sastāvam ir jāizgatavo atbilstošs izputināšanas mērķis ar tieši tādu pašu sastāvu, kas ir darbietilpīgs un dārgs process.

Izgudrojuma izklāsts

[013] Izgudrojums attiecas uz vakuuma kamerā ievietotu magnetronās izputināšanas ierīci, kura satur divus magnetronus ar maināmu attālumu vienam no otra un no pārklājamās virsmas, un ar maināmu magnetronu leņķisko orientāciju vienam pret otru un pret pārklājamo virsmu. Izgudrojums nodrošina arī pārklājuma optisko īpašību diagnostiku tā izgatavošanas laikā.

[014] Šis izgudrojums nodrošina iespēju izvēlēties optimālu attālumu starp izputināmo mērķi un pārklājamo virsmu, ļaujot vienā vakuuma kamerā izgatavot plaša spektra pārklājumus ar dažādu sastāvu un mikrostruktūru.

[015] Būtiska izgudrojuma priekšrocība salīdzinājumā ar US2016/0362812 AI ir divu magnetronu izmantošana sistēmā, kā arī sistēmas iespējama konfigurēšana ne tikai off-axes ģeometrijā. Divu magnetronu izmantošana ļauj izgatavot divu vai vairāku elementu pārklājumus un plašā diapazonā neatkarīgi variēt šo elementu daudzumu pārklājumā, izmantojot vienus un tos pašus izputināšanas mērķus. Sastāva variēšanu nodrošina tas, ka katram magnetronam pievadītā izputināšanas jauda var tikt mainīta neatkarīgi no otra magnetrona jaudas.

[016] Iespēja mainīt attālumu no mērķa virsmas līdz pārklājamajai virsmai ļauj vienā izputināšanas iekārtā izgatavot pārklājumus ar dažādu mikrostruktūru. Pie mazāka attāluma pārklājumi ir blīvāki, pie lielāka - mazāk blīvi.

[017] Iespēja mainīt magnetronu leņķisko orientāciju ļauj:

saglabāt izputinātā materiāla plūsmas fokusu uz pārklājamo virsmu pie mainīta attāluma starp izputināmo mērķi un pārklājamo virsmu;

veikt pārklājumu izgatavošanu dažādos leņķos;

veikt pārklājumu izgatavošanu off-axes konfigurācijā.

[018] Iespēja veikt pārklājuma optisko īpašību diagnostiku tā izgatavošanas laikā ļauj noteikt pareizo pārklājuma biezumu, pie kura pārtraukt izputināšanas procesu. Šis izgudrojums iesaka optimālu optiskā kanāla novietojumu attiecībā pret magnetroniem un pārklājamo virsmu, nodrošinot precīzu optisko mērījumu.

[019] Būtisks izgudrojuma aspekts ir magnetronu turētāja konstrukcijas kompaktums un konceptuāla vienkāršība, kas ļauj ērti un precīzi mainīt magnetronu novietojumu attiecībā pret pārklājamo virsmu, neaizņemot daudz vietas vakuuma kamerā un atstājot nepieciešamo telpu procesa un pārklājumu īpašību diagnostikas sensoru ievietošanai.

[020] Magnetronās izputināšanas ierīce ir pielāgota ievietošanai vakuuma kamerā. Ierīce satur divus magnetronus, kas ir uzstādīti uz magnetronu turētāja, katrs uz savas rotācijas ass, kas ir ievietotas vadulē, kura ir pielāgota magnetronu fiksācijai tajā ar fiksācijas līdzekļu palīdzību, tādējādi ierīce ir pielāgota magentronu pārvietošanai un fiksācijai, pēc izvēles mainot attālumus starp magentroniem un attālumu no magentroniem līdz pārklājamajai virsmai, kā arī pēc izvēles neatkarīgi mainot magnetronu leņķisko orientāciju vienam pret otru un pret pārklājamo virsmu, tādējādi mainot izgatavojamā pārklājuma augšanas nosacījumus. Saskaņā ar vēlamo izpausmi, magnetronu turētājs ir izpildīts ar iespēju mainīt attālumu no magnetroniem līdz pārklājamajai virsmai robežās no 3 cm līdz 15 cm, starp magnetronu turētāju un kameras pamata plati ievietojot distancerus. Ierīce var saturēt optisko zondi un optisko kanālu izgatavojamā pārklājuma optisko īpašību mērīšanai, turklāt optiskā zonde ir pielāgota tikt optiski savienotai caur optisko kanālu ar gaismas avotu un spektrofotometru, kuri atrodas ārpus vakuuma kameras; optiskā zonde ir novietota starp magnetroniem, un ir orientēta perpendikulāri pārklājamajai virsmai.

Zīmējumu saraksts

[021] 1. zīm. ir attēlots vakuuma kamerā ievietojamā ierīce, kas satur divus magnetronus, kuri ir iestiprināti kopīgā turētājā;

2. zīm. - divu magnetronu izputināšanas shēma;

3. zīm. - irīdija (Ir) atomārās koncentrācijas un uzklāšanas ātruma atkarība no Ir mērķa izputināšanas jaudas;

4. zīm. - stikla pamatnes atstarošanās spektrs pirms pārklājuma uzklāšanas procesa;

5. zīm. - ZnO pārklājuma uz stikla pamatnes atstarošanās spektrs procesa 14. minūtē.

[022] Uz vakuuma kameras pamata plates (1) ir novietots magnetronu turētājs (2), kurā iestiprināti magnetroni (3 un 4) - l.zīm. Atbrīvojot fiksācijas līdzekļus, piemēram, uzgriežņus (5 un 6), magnetronus var pārvietot pa vaduli (7), kā arī rotēt katru ap savu asi. Pievelkot fiksācijas līdzekļus, piemēram, uzgriežņus (5 un 6), katrs no magnetroniem (3, 4) tiek fiksēts konkrētā vietā un konkrētā leņķiskā orientācijā. Attālumu starp magnetroniem (3 un 4) un pārklājamo virsmu (10) var mainīt, starp magnetronu turētāju (2) un kameras pamata plati (1) ievietojot distancerus.

Mainot katra magnetrona (3, 4) novietojumu un leņķisko orientāciju, mainās izgatavojamā pārklājuma augšanas nosacījumi.

[023] Optiskā zonde (8) caur optisko kanālu (9) (t.i. gaismas vadu) ir savienota ar gaismas avotu un spektrofotometru (kameras pamata plati (1)), kuri atrodas ārpus vakuuma kameras. Zonde (8) ir novietota starp magnetroniem (3 un 4) un orientēta perpendikulāri pret pārklājamo virsmu (10), kas ir novietota uz nesošās konstrukcijas plates (11). Raidot ienākošo gaismas staru pret pārklājamo virsmu (10) un, reģistrējot atstaroto gaismas staru, pārklājuma izgatavošanas laikā, tiek mērīts atstarošanās spektrs.

Izgudrojuma īstenošanas piemēri

[024] 1.piemērs.

Kārtiņu ķīmiskā sastāva kontrole, kas ilustrē divu magnetronu sistēmas priekšrocības salīdzinājumā ar viena magnetrona sistēmu. Cinka-irīdija oksīda (Zn-Ir-O) pārklājumi ar biezumu ~ 500 nm tika uzklāti uz stikla pamatnēm ar reaktīvo magnetrono kop-izputināšanu no metāliskiem Zn un Ir mērķiem (145 mm x 92 mm x 3 mm) Ar + O2 atmosfērā (2. zīm.). Pirms uzklāšanas procesa vakuuma kamerā tika atsūknēta līdz spiedienam < 1 χ 10'⁵ Torr. Ar un O2 gāzu plūsmas visiem paraugiem procesa laikā bija nemainīgas, attiecīgi, 20 sccm un 10 sccm. Uzputināšana noritēja 10 mTorr spiedienā, kas tika nodrošināts ar droseļvārstu. Attālums no mērķu virsmām līdz pamatnei un magnetronu (3, 4) leņķiskā orientācija ir parādīta 2. zīmējumā. Zn mērķis tika putināts ar 200 W jaudu nemainīgā DC režīmā. Lai variētu Zn un Ir koncentrāciju attiecību kārtiņās, Ir mērķis tika putināts ar jaudu, kura tika variēta no 0 līdz 25 W. Šādā veidā tika iegūtas Ir koncentrācijas diapazonā no 0,0 līdz 6,5 at.% un uzklāšanas ātrumi no aptuveni 5,0 līdz 8,5 nm/min (3. zīm.). Kārtiņu ķīmiskā sastāva analīze tika veikta ar rentgenstaru fluorescenci, bet kārtiņu biezums tika mērīts ar virsmas profilometru.

[025] 2.piemērs.

Kārtiņu biezuma kontroles piemērs, izmantojot atstarošanās spektra mērījumu uzklāšanas laikā. Optiskā zonde (8) bija novietota starp magnetroniem (3 un 4) saskaņā ar 1. zīmējumu. Abi magnetroni (3, 4) bija aprīkoti ar Zn mērķiem. Magnetronu (3, 4) un pārklājamās virsmas (10) savstarpējais novietojums bija tāds, kā parādīts 2. zīmējumā. Tika izgatavots ZnO pārklājums, mērķus izputinot Ar + 02 atmosfērā.

Ienākošā gaisma no gaismas avota tika vadīta caur optisko kanālu (9) un zondi (8), kura fokusē gaismu uz parauga virsmu. Atstarotā gaisma tika savākta šajā pašā zondē (8) un caur optisko kanālu (9) novadīta uz spektrofotometru ārpus vakuuma kameras. Gan atstarotās, gan krītošās gaismas ceļš ir paralēls parauga virsmas normālei. Lai iegūtu precīzu kārtiņas optisko īpašību mērījumu, uzklāšanas laikā tika veikti šādi soļi:

(i) uzņemts atstarotais spektrs bez pamatnes, lai iegūtu nulles līmeņa signālu, noņemot tumsas spektru un ieguldījumu no iekšējās atstarošanās uz savienojumu vietām;

(ii) uzņemts atstarotais spektrs ar pamatni un uz tās novietoto spoguli, lai iegūtu 100% atstarošanās līmeņa gaismas signālu;

(iii) tika uzņemts atstarošanās signāls stikla pamatnei (4. zīm.);

(iv) tika uzsākta pārklājuma uzklāšana un nepārtraukti mērīts atstarošanās spektrs (5. zīm.), kurā sāk veidoties minimumi un maksimumi (interference efekts), kuru novietojums un skaits ir tiešā veidā atkarīgs no pārklājuma biezuma.

[02 6] Izmantojot šo spektru, ir iespējams kalibrēt iekārtu biezuma kontrolei vai aprēķināt biezumu, zinot materiāla optiskās konstantes. Uzklāšanas process tiek pārtraukts brīdī, kad atstarošanās spektrs (un pārklājuma biezums) precīzi atbilst nepieciešamajam.

Claims (3)

1. Magnetronās izputināšanas ierīce, kas ir pielāgota ievietošanai vakuuma kamerā un kura satur divus magnetronus (3) un (4), kas ir uzstādīti uz magnetronu turētāja (2), katrs uz savas rotācijas ass, kas ir ievietotas vadulē (7), kura ir pielāgota magnetronu (3) un (4) fiksācijai tajā ar fiksācijas līdzekļu (5) un (6) palīdzību, tādējādi ierīce ir pielāgota magentronu (3) un (4) pārvietošanai un fiksācijai, pēc izvēles mainot attālumus starp magentroniem (3) un (4) un no magentroniem (3) un (4) līdz pārklājamajai virsmai (10), kā arī neatkarīgi pēc izvēles mainot magnetronu (3) un (4) leņķisko orientāciju vienam pret otru un pret pārklājamo virsmu (10), tādējādi mainot izgatavojamā pārklājuma augšanas nosacījumus.

2. Ierīce saskaņā ar 1 .pretenziju, kas atšķiras ar to, ka magnetronu turētājs (2) ir izpildīts ar iespēju mainīt attālumu starp magnetroniem (3) un (4) līdz pārklājamajai virsmai robežās no 3 cm līdz 15 cm, starp magnetronu turētāju (2) un kameras pamata plati (1) ievietojot distancerus.

3. Ierīce saskaņā ar jebkuru no iepriekšminētajām pretenzijām, kas satur optisko zondi (8) un optisko kanālu (9) izgatavojamā pārklājuma optisko īpašību mērīšanai, turklāt optiskā zonde (8) ir pielāgota tikt optiski savienotai caur optisko kanālu (9) ar gaismas avotu un spektrofotometru, kuri atrodas ārpus vakuuma kameras; optiskā zonde ir novietota starp magnetroniem (3) un (4) un ir orientēta perpendikulāri pārklājamajai virsmai (10).