PL161618B1 - Sposób i urzadzenie do osadzania cienkiej warstwy na przezroczystym podlozu PL - Google Patents

Abstract

1. Sposób osadzania cienkiej warstwy na przezro- czystym podlozu, w którym osadza sie cienka warstwe na powierzchni przezroczystego podloza przez napylanie katodowe, znamienny tym, ze tworzy sie otw arta, obu- dowana komore do wytwarzania atomów osadzanych na podlozu i wytwarza sie pole magnetyczne, umieszcza sie na jednym otwartym koncu prostokatnego równoleglos- cianu utworzonego przez plytki katodowe, przy czym przezroczyste podloze umieszcza sie na drugim otwartym koncu otwartego, prostokatnego równolegloscianu tak, ze po przylozeniu napiecia do plytek katodowych i anody wytwarza sie atomy w ilosci wystarczajacej do osadzenia cienkiej warstwy atomów na powierzchni przezroczy- stego podloza, jony wytwarza sie w ilosci wystarczajacej do bombardowania cienkiej warstwy, umieszcza sie pod- loze z przodu anody, wytwarza sie próznie w komorze, wprowadza sie gaz do komory pod cisnieniem od 10 ,1 do 10,2 paskali, doprowadza sie do plytek katodowych i anody napiecie od 200 do 1000V dla jonizacji gazu i emituje sie z prostokatnego równolegloscianu strumien atomów i strumien jonów w ilosciach wystarczajacych do osadzania cienkiej warstwy atomów na powierzchni pod- loza i bombarduje sie cienka warstwe strumieniem jonów 3 Urzadzenie do osadzania cienkiej warstwy na przezroczystym podlozu przez napylanie katodowe, znamienne tym, ze zawiera wiele plytek katodowych (1 ,2, 3,4) rozmieszczonych w ciaglym zwiazku dla utworzenia otw artej, obudowanej kom ory,... F IG 1 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do osadzania cienkiej warstwy na przezroczystym podłożu, zwłaszcza do wytwarzania arkuszy szkła, dla uzyskania cienkiej warstwy o bardzo wysokiej jakości względem otrzymywanej w stanie techniki.

W związku z tym w następującym opisie pod pojęciem „cienka warstwa rozumie się warstwę wykonaną z właściwych materiałów, zwykle metali, posiadającą grubość kilkudziesięciu setek A, która jest osadzona jako powłoka na powierzchni podłoża, takiego jak szkło, dla zapewnienia powierzchni o zmodyfikowanych własnościach fizycznych, mechanicznych, elektrycznych lub optycznych.

Znanych jest wiele sposobów i urządzeń do osadzania cienkiej warstwy. W następującym opisie dokonuje się odniesienia zwłaszcza do sposobu osadzania cienkiej warstwy za pomocą rozpylania katodowego. W tej dziedzinie technologii jest dostępna duża liczba patentów i publikacji.

Znany jest z opisów patentowych Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 2 146025, nr 3 282 816, nr 3 400066, nr 4041 353 sposób osadzania metalu na podłożu i urządzenie do przeprowadzania tego sposobu.

Opisy patentowe Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 3 616450 i nr 3 711 398 przedstawiają konstrukcję urządzenia do osadzania cienkiej warstwy na podłożu przy użyciu katody o kształcie cylindra, po której jednej stronie jest usytuowana anoda, a po przeciwnej stronie podłoże pokrywane powłoką. W tym urządzeniu atomy uzyskiwane z wewnętrznej ściany cylindra wytwarzają cienką warstwę na powierzchni podłoża umieszczonego prostopadle względem osi cylindra.

W opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 3 878 085 jest przedstawione urządzenie do osadzania cienkiej warstwy na płaskich powierzchniach, które wykorzystuje katodę wykonaną jako pojedyncza płaska płytka o kształcie eliptycznym, umożliwiającą poprawienie wydajności osadzania. W tym samym opisie są również przedstawione korzyści wynikające z zastosowania pól magnetycznych przyłożonych do katod, które zmniejszają napięcie wymagane do spowodowania wyładowania elektrycznego. Inne przykłady urządzeń do osadzania cienkich warstw na podłożach są przedstawione w opisach patentowych Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 4 060 470 i nr 4 472 259.

Sposób rozpylania katodowego dla osadzania cienkich warstw jest także opisany w publikacji L. Hollanda „Osadzanie próżniowe cienkich warstw, strony 401-460, wydanej przez Chapman and Hall Ltd i w publikacji L. L. Maissela, R. Clanga „Podręcznik technologii cienkowarstwowe, strony 3-1/4-44, wydanej przez McGraw Hill.

Sposób ten polega zasadniczo na tym, ze jony gazu wytwarzane w wyniku wyładowania elektrycznego są przyspieszane w kierunku katody i w wyniku uderzania w nią są uzyskiwane atomy, które są osadzne na powierzchni podłoża, tworząc wymaganą powłokę.

Przyczepność tak otrzymanych powłok nie zapewnia jednakże produkcji o dobrej jakości, szczególnie gdy cienka warstwa jest umieszczona w bezpośrednim kontakcie z zewnętrznym otoczeniem. Ta wada stanowi znaczne ograniczenie handlowego zastosowania produktów pokrytych cienkimi warstwami, takimi jak arkusze szklą na okna budynków i samochodów osobowych.

W książce J. S. Williamsa i J. M. Poate'a „Implantacja jonowa i obróbka wiązkowa, wydanej przez Academic Press (strony 189-259) zostało opisane doświadczenie przeprowadzone na próbkach laboratoryjnych, zgodnie z którymi przedstawiono, że gdy jest przeprowadzane bombardowanie jonowe powłoki, która jest tworzona w wyniku działania atomów wysyłanych przez katodę, uzyskiwana jest cienka warstwa, która posiada charakterystki przyczepności i jednorodności znacznie lepsze niż znane dotychczas.

Według wynalazku sposób osadzania cienkiej warstwy na przezroczystym podłożu, w którym osadza się cienką warstwę na powierzchni przezroczystego podłoża przez napylanie katodowe, polega na tym, że tworzy się otwartą, obudowaną komorę do wytwarzania atomów osadzanych na podłożu i wytwarza się pole magnetyczne. Umieszcza się anodę na jednym otwartym końcu prostokątnego równoległościanu utworzonego przez płytki katodowe, a przezroczyste podłoże umieszcza się na drugim otwartym końcu otwartego, prostokątnego równoległościanu tak, że po przyłożeniu napięcia do płytek katodowych i anody wytwarza się atomy w ilości wystarczającej do osadzania cienkiej warstwy atomów na powierzchni przezroczystego podłoża. Jony wytwarza się w

161 618 ilości wystarczającej do bombardowania cienkiej warstwy. Umieszcza się podłoże z przodu anody, wytwarza się próżnię w komorze. Wprowadza się gaz do komory pod ciśnieniem od 10,1 do 10,2 paskali. Doprowadza się do płytek katodowych i anody napięcie od 200 do 1000 V dla jonizacji gazu i emituje się z prostokątnego równoległościanu strumień atomów i strumień jonów w ilościach wystarczających do osadzania cienkiej warstwy atomów na powierzchni podłoża i bombarduje się cienką warstwę strumieniem jonów. Ogniskuje się strumień atomów i jonów na ograniczonym obszarze podłoża.

Urządzenie według wynalazku zawiera wiele płytek katodowych rozmieszczonych w ciągłym związku dla utworzenia otwartej, obudowanej komory. Płytki katodowe tworzą otwarty, prostokątny równoległościan mający dwa przeciwległe krótkie boki i dwa przeciwległe długie boki. Równoległościan ma stosunek długości krótkich boków do wysokości płytek 1:1 do 1:2 i krótkie boki mają wymiar mniejszy niż 70 mm. Zastosowano elementy magnetyczne umieszczone wokół płytek katodowych, elementy chłodzące dla płytek katodowych i anodę umieszczoną na jednym otwartym końcu prostokątnego równoległościanu i tworzącą kąt zasadniczo 90° względem każdej z płytek katodowych, przy czym przezroczyste podłoże jest umieszczone korzystnie na drugim otwartym końcu prostokątnego równoległościanu.

Anoda może być pierwszą anodą, a druga anoda jest umieszczona na drugim otwartym końcu prostokątnego równoległościanu, przeciwległe i równolegle do pierwszej anody. Druga anoda ma szczelinę dla strumienia jonów.

Urządzenie według wynalazku korzystnie zawiera też elektrodę umieszczoną równolegle do drugiej anody. Ta elektroda jest umieszczona w pobliżu boku drugiej anody i odwrócona od otwartego, prostokątnego równoległościanu.

Elementy chłodzące stanowią korzystnie kanał chłodzący otaczający wiele płytek katodowych.

Elementy magnetyczne stanowią korzystnie magnes trwały, otaczający wiele płytek katodowych.

Urządzenie zawiera korzystnie element wsporczy otaczający magnes trwały.

Zaletą wynalazku jest zapewnienie sposobu i urządzenia do zastosowania handlowego tej technologii badanej jedynie na skalę laboratoryjną i w szczególności, gdy ma być poddana obróbce znaczna powierzchnia podłoża, nieporównywalna z próbką laboratoryjną. Zwykle wówczas gdy podłoże jest arkuszem szkła, wymiar powierzchni odniesienia jest związany z zastosowaniem w budynku i/lub w samochodzie osobowym.

Wynalazek rozwiązuje problem zapewnienia sposobu i urządzenia do osadzania cienkiej warstwy na podłożu, wykorzystującego osadzanie atomów wysyłanych z katody i równocześnie dla jej utworzenia przeprowadzania bombardowania samej warstwy za pomocą jonów.

Dzięki zastosowaniu sposobu i urządzenia tego typu uzyskuje się cienkie warstwy osadzane na podłożu dowolnego typu, mające dużą przyczepność i jednorodność, umożliwiającą wykorzystanie warstw nawet w przypadku wystawienia na działanie zewnętrznego otoczenia.

Ze względu na wytwarzanie dużej ilości jonów przez, urządzenie, pokrywane powłoką podłoże może być umieszczone w większej odległości niż w stanie techniki i ilość gazu zasilającego w układzie może być zmniejszona przy równocześnie poprawionej czystości samej powłoki.

Elementy do wytwarzania atomów zawierają oddzielne płytki katodowe, umieszczone tak, zęby określać powierzchnie czołowe równoległościanu prostokątnego.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. I przedstawia urządzenie do osadzania cienkiej warstwy na przezroczystym podłożu według wynalazku w schematycznym przekroju poprzecznym, fig. 2 - urządzenie z fig. 1 w schematycznym widoku od dołu i fig. 3 - modyfijację urządzenie z fig. 1 w schematycznym przekroju poprzecznym.

Przedstawione na fig. 1 i 2 urządzenie zawiera płaską płytkę 5 określoną dalej jako anoda, dołączoną elektrycznie do końcówki dodatniej źródła energii elektrycznej, nie pokazanego na rysunku i cztery płytki 1, 2, 3,4 niezależne jedna od drugiej, dalej określone jako płytki katodowe, dołączone elektrycznie do końcówki ujemnej tego samego źródła energii za pomocą właściwych elementów łączących.

Płytki katodowe 12,3,4 są umieszczone tak, żeby tworzyć kąt 90° względem anody 5 i każda z płytek katodowych 1, 2, 3, 4 tworzy kąt 90° względem sąsiedniej płytki. W tym układzie płytki

161 618 katodowe 1, 2, 3, 4 tworzą równoległościan prostokątny, którego pionowe ściany są utworzone przez płytki i którego poziome powierzchnie czołowe są jedna, dolna, otwarta i druga, górna, zamknięta przez anodę 5.

Płytki katodowe 1,2,3,4 są wykonane z tego samego materiału przeznaczonego do osadzenia w postaci cienkiej warstwy na podłożu.

Magnesy trwałe 6 i bieguny magnetyczne 7, które zapewniają zamknięcie pierścienia magnetycznego są umieszczone wokół płytek katodowych 1, 2, 3, 4.

Dejonizowana woda chłodząca przypływa w kanale 8 dla utrzymania temperatury płytek katodowych 1, 2, 3, 4 w dopuszczalnych granicach.

Kanał chłodzący 8 jest zmknięty z jednej strony przez wewnętrzną powierzchnię płytek 1,2,3, 4 i z drugiej strony przez element wsporczy 9, który ponadto podtrzymuje magnes trwały 6 za pomocą śrub 15. Ekwipotencjalne powierzchnie metalowe 10 służą do zapobiegania wewnętrznemu wyładowaniu elektrycznemu, podczas gdy magnetyczny arkusz metalowy 11 tworzy zewnętrzne zamknięcie obwodu magnetycznego.

Cełe urządzenie opiera się na metalowym elemencie wsporczym 12, który również spełnia funkcję ekwipotencjalną.

Opisane powyżej urządzenie jest umieszczone w komorze szklanej lub metalowej, nie pokazanej na rysunku, wewnątrz której jest wytworzona próżnia. Następnie jest wprowadzany gaz pod ciśnieniem od 10,1 do 10,2 paskali i katody 1,2, 3, 4 są zasilane napięciem od 200 do 1000 V.

Gaz jest jonizowany, wytwarzając wyładowanie elektryczne pomiędzy anodą i katodami. Jony gazu przy wyładowaniu są przyspieszane w kierunku katod i po zetknięciu się z nimi jeden lub więcej atomów jest usuwanych w wyniku uderzenia. Uzyskane w ten sposób atomy są kierowane w przeciwnym kierunku z energią proporcjonalną do energii padającego jonu i są głównie kierowane do przeciwnej ściany pod kątem zawartym w 30°C. W wyniku tego atomy kończą swą drogę zwykle na przeciwległej katodzie i wracają w przeciwnym kierunku, pod warunkiem, że nie uderzają one w inne cząstki.

W wyniku tych odbić atomy mogą z dużym prawdopodobieństwem wybić elektrony gazu tworzącego plazmę i mogą być z kolei zjonizowane. Duża ilość jonów jest więc wytwarzana między ścianami katod 1, 2, 3, 4 i kierowana przez dodatni ładunek anody 5 do przeciwległego otworu i następnie do podłoża, na którym są one osadzane, równocześnie z atomami, dla wytworzenia wymaganej powłoki.

W celu uzyskania skutecznej jonizacji atomów i w wyniku tego ilości jonów wystarczającej do wytworzenia wymaganej grubości cienkiej warstwy, odległość pomiędzy płytkami katodowymi 1 i 3 jest mniejsza niż 70 mm. Ponadto stosunek tej odległości do wysokości płytek katodowych 11 3 wynosi od 1:1 do 1:2.

Jak przedstawiono powyżej, wynalazek zapewnia równocześnie strumienie, wytwarzane przez to samo źródło jonów i atomów, które po osadzeniu dają produkty, które mogą być korzystnie zastosowane również w styczności z otoczeniem zewnętrznym. Te produkty są nowe i przykładem ich są arkusze szkła pokrytego cienkimi warstwami, które mogą być zastosowane na okna w budynkach i samochodach osobowych.

Według zmodyfiko wanego wykonania przedstawionego na fig. 3, na której elementy podobne lub identyczne do powyżej opisanych są oznaczone dla uproszczenia tymi samymi odnośnikami jak urządzenie przedstawione na fig. 1 i 2, może zostać dodana druga anoda 13 umieszczona równolegle do anody 5 i zasilana oddzielnie napięciem różnym aniżeli anoda 5.

Druga anoda 13 jest wykonana z dwóch części 13' i 13 oraz jest wyposażona w szczelinę 16, w której jest skupiony strumień jonów.

Zewnętrznie względem drugiej anody 13 jest umieszczona elektroda 14 służąca do wydzielania i równocześnie przyspieszania jonów. Elatroda 14 jest zasilana przez napięcie ujemne od 5 kV do 500 kV dla przyciągania i przyspieszania jonów.

Zespół elektrod 13 i 14 tworzy rzeczywisty układ soczewek elektrycznych tak, że oprócz przyspieszania jony mogą być również ogniskowane.

Dzięki urządzeniu jak przedstawione na fig. 3 jest możliwe uzyskanie znacznie większego wewnętrznego i ogniskowanego bombardowania jonowego, które da możliwość poprawienia przyczepności cienkiej warstwy do podłoża w szczególnie ograniczonych obszarach.

161 618

Podczas gdy zostały opisane zalecane wykonania wynalazku, należy zrozumieć, że mogą być dokonane zmiany i modyfikacje, które są zawarte w jego istocie.

Jest możliwe w rzeczywistości zastąpienie płaskich płytek katodowych 1 i 3 z fig. 1 do 3 przez płytki katodowe 1 i 3 mające pewną krzywiznę promieniową, przy czym płytka katodowa I ma swą wklęsłość skierowaną do płytki katodowej 3 i odwrotnie.

W tym przypadku również maksymalna odległość pomiędzy wewnętrznymi powierzchniami płytek katodowych 1 i 3 jest mniejsza niż 70 mm i stosunek tej odległości i wysokości płytek katodowych może być zawarty w zakresie od 1:1 do 1:2.

. ---4 _Ł . ^^13

RG.3

'4 Jkt M J ¹ — — — .... w-i·

SS*.

	4

z

/ fe /11 ,12

FIG.1

T ii

Zakład Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.

Cena 10 000 zł

Claims (8)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób osadzania cienkiej warstwy na przezroczystym podłożu, w którym osadza się cienką warstwę na powierzchni przezroczystego podłoża przez napylanie katodowe, znamienny tym, że tworzy się otwartą, obudowaną komorę do wytwarzania atomów osadzanych na podłożu i wytwarza się pole magnetyczne, umieszcza się na jednym otwartym końcu prostokątnego równoległościanu utworzonego przez płytki katodowe, przy czym przezroczyste podłoże umieszcza się na drugim otwartym końcu otwartego, prostokątnego równoległościanu tak, że po przyłożeniu napięcia do płytek katodowych i anody wytwarza się atomy w ilości wystarczającej do osadzenia cienkiej warstwy atomów na powierzchni przezroczystego podłoża, jony wytwarza się w ilości wystarczającej do bombardowania cienkiej warstwy, umieszcza się podłoże z przodu anody, wytwarza się próżnię w komorze, wprowadza się gaz do komory pod ciśnieniem od 10,1 do 10,2 paskali, doprowadza się do płytek katodowych i anody napięcie od 200 do 1000 V dla jonizacji gazu i emituje się z prostokątnego równoległościanu strumień atomów i strumień jonów w ilościach wystarczających do osadzania cienkiej warstwy atomów na powierzchni podłoża i bombarduje się cienką warstwę strumieniem jonów.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ogniskuje się strumień atomów i jonów na ograniczonym obszarze podłoża.
3. 3. Urządzenie do osadzania cienkiej warstwy na przezroczystym podłożu przez napylanie katodowe, znamienne tym, że zawiera wiele płytek katodowych (1, 2, 3, 4) rozmieszczonych w ciągłym związku dla utworzenia otwartej, obudowanej komory, płytki katodowe (1,2,3,4) tworzą otwarty, prostokątny równoległościan mający dwa przeciwległe, krótkie boki i dwa przeciwległe długie boki, ten równoległościan ma stosunek długości krótkich boków do wysokości płytek 1:1 do 1:2 i krótkie boki mają wymiar mniejszy niż 70 mm, elementy magnetyczne (6, 7) umieszczone wokół płytek katodowych (1, 2, 3, 4), elementy chłodzące (8) dla płytek katodowych(l, 2, 3, 4) i anodę (5) umieszczoną na jednym otwartym końcu prostokątnego równoległościanu i tworzą kąt zasadniczo 90° względem każdej z płytek katodowych (1,2,3,4), przy czym przezroczyste podłoże jest umieszczone korzystnie na drugim otwartym końcu prostokątnego równoległościanu.
4. 4. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że anoda (5) jest pierwszą anodą, a druga anoda (13) jest umieszczona na drugim otwartym końcu prostokątnego równoległościanu, przeciwległe i równolegle do pierwszej anody (5), przy czym druga anoda (13) ma szczelinę (16) dla strumienia jonowi.
5. 5. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że zawiera elektrodę (14) umieszczoną równolegle do drugiej anody (13), przy czym elektroda (14) jest umieszczona w pobliżu boku drugiej anody (13) i odwrócona od otwartego, prostokątnego równoległościanu.
6. 6. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że elementy chłodzące (8) stanowią kanał chłodzący otaczający wiele płytek katodowych (1, 2, 3, 4).
7. 7. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że elementy magnetyczne (6) stanowią magnes trwały (6) otaczający wiele płytek katodowych (1, 2, 3, 4).
8. 8. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że zawiera element wsporczy (12) otaczający magnes trwały.

   161 618