PT1626433E - Dispositivo de pulverização catódica por magnetrão, cátodo cilíndrico e processo de colocação de finas camadas de componentes múltiplos num substracto - Google Patents

Description

PE1626433 1 DESCRIÇÃO "DISPOSITIVO DE PULVERIZAÇÃO CATÓDICA POR MAGNETRÃO, CÁTODO CILÍNDRICO E PROCESSO DE COLOCAÇÃO DE FINAS CAMADAS DE COMPONENTES MÚLTIPLOS NUM SUBSTRATO" O presente invento refere-se a um dispositivo de pulverização catódica por magnetrão e a um processo para colocação de finas camadas de componentes múltiplos num substrato, de acordo com o conceito das reivindicações 1 ou 9.

Os dispositivos pulverizadores de magnetrões, ou seja, alvos com disposições magnéticas, que possibilitam atomizar na direcção de um substrato, são há muito conhecidos pela aplicação em instalações de revestimento a vácuo, próprios para o revestimento de diferentes materiais em camadas. Estas instalações de revestimento a vácuo compreendem câmaras de vácuo onde se processa o revestimento. Estas câmaras de vácuo apresentam uma pressão de base numa gama de vácuo necessária que, de acordo com o parâmetro do processo, evita uma poluição durante a separação da camada. Durante o revestimento, as câmaras de vácuo apresentam uma pressão de trabalho, que pode estar visivelmente acima da pressão de base e estar condicionada ao gás do processo.

Os dispositivos pulverizadores de magnetrões, com 2 ΡΕ1626433 magnetrões cilíndricos apresentam uma elevada e vantajosa taxa de utilização dos materiais-alvo e um longo período de serviço. Utilizam-se cátodos cilíndricos que são totalmente constituídos por um material-alvo, conforme descrição no documento DD 217 964, por exemplo Por outro lado, também podem ser utilizados tubos de suporte, dotados de uma camada envolvente de material-alvo, conforme é descrito no documento US 4,356,073, sendo que também são divulgados pelo documento EP 0 703 599 cátodos com vários segmentos cilíndricos de diferentes materiais. Através de uma rotação uniforme do cátodo, obtém-se uma erosão uniforme do material-alvo sobre a superfície do cátodo cilíndrico, uma vez que é evitada uma pulverização local concentrada e simultaneamente uma formação de estrias.

Para a colocação de camadas de componentes múltiplos num substrato, como seja, por exemplo, o fabrico de absorventes fotovoltaicos, aplica-se frequentemente o processo de pulverização catódica. Neste caso, os componentes individuais da camada de diferentes alvos são pulverizados simultaneamente e colocados num substrato. Sobre este substrato misturam-se os componentes em camadas múltiplas. A pulverização pode ser obtida por diferentes formas. Vários alvos separados podem ser dispostos, alternadamente, em faixas com diferentes componentes de material. O substrato, em função da espessura pretendida da camada, passa por este alvo de forma a que os componentes do material se sobrepõem no substrato, permitindo a formação de camadas de componentes múltiplos. Desta forma, podem formar-se consideráveis 3 ΡΕ1626433 camadas homogéneas. A desvantagem deste processo reside no facto da instalação de revestimento a vácuo ser relativamente cara devido à necessidade de nestes sistemas ter que haver muitos cátodos individuais e uma câmara de vácuo expandida.

Por outro lado, existe também a possibilidade de utilizar apenas um alvo que é constituído por vários sectores com diferentes componentes de material. Neste caso, o substrato está colocado geralmente fixo e os componentes individuais são simultaneamente pulverizados e atingem ao mesmo tempo o substrato, para formar a camada de componentes múltiplos. Este processo tem a desvantagem de possuir alvos complexos e custos correspondentemente elevados. Além disso, podem incorporar-se impurezas na camada de componentes múltiplos porque os sectores individuais são geralmente unidos num alvo através de substâncias adesivas, estando aquele também submetido ao processo de pulverização. Além disso, estes alvos de componentes múltiplos são planos. Os alvos deste tipo, porém, permitem apenas uma reduzida utilização e apresentam uma área de reposição relativamente grande. Estas áreas originam dificuldades na tecnologia de processos e conduzem a um agravamento de qualidade da camada sobre o substrato.

Por conseguinte, o objectivo do presente invento consiste em proporcionar um dispositivo e um processo de pulverização catódica por magnetrão, com os quais seja possível a colocação num substrato de camadas de componentes 4 ΡΕ1626433 múltiplos, para que as desvantagens das técnicas actuais sejam suprimidas. Especialmente o objectivo do presente invento consiste na criação de uma instalação compacta de revestimento a vácuo, para possibilitar uma redução dos custos .

Este objectivo é alcançado pelo presente invento através de um dispositivo de pulverização catódica por magnetrão, de acordo com a reivindicação 1 e de um processo de acordo com a reivindicação 9. Outras vantagens do presente invento encontram-se assinaladas pelas caracteristicas mencionadas nas reivindicações dependentes. O dispositivo de pulverização catódica por magnetrão, criado pelo presente invento, possui uma câmara de vácuo e destina-se à deposição de várias camadas de componentes múltiplos sobre um substrato, é dotado de um cátodo cilíndrico, apoiado rotativamente num eixo longitudinal e de um sistema magnético. Este encontra-se instalado no interior do cátodo cilíndrico. 0 cátodo cilíndrico incorpora dois segmentos pelo menos com diferentes materiais-alvo e um dispositivo de pulverização catódica por magnetrão apresentando meios para rodar o cátodo cilíndrico e para deslocamento do substrato. Neste caso, os meios para rotação estão adaptados ao cátodo cilíndrico; este é rodado a uma velocidade em função da velocidade do substrato; os materiais-alvo misturam-se no substrato; por meio de co-pulverização catódica por magnetrão é depositada uma camada de componentes múltiplos no substrato. Através do auxílio 5 ΡΕ1626433 dos meios de rotação, o cátodo cilíndrico é rodado em torno do eixo longitudinal a uma velocidade suficientemente grande em relação à velocidade de deslocamento do substrato, de forma a depositar no substrato uma camada de componentes múltiplos. Inversamente, a um dispositivo de pulverização catódica por magnetrão com muitos alvos dispostos em série, aquele dispositivo de pulverização pode ser configurado de forma bem compacta. As instalações de revestimento a vácuo podem ser reduzidas consideravelmente relativamente ao tamanho utilizando este dispositivo de pulverização catódica por magnetrão criado pelo presente invento. Desta forma, os custos para a aquisição e manutenção que, além dos custos de exploração puros compreendem também os custos necessários para a superfície de colocação são reduzidos. Ao contrário do que acontece no caso dos alvos de componentes múltiplos planos, no caso do presente invento evita-se a existência de detritos de cola. Além disso a utilização de alvos é maior e a área de redeposição menor, permitindo uma maior qualidade da camada.

Preferencialmente, os meios para deslocação do substrato estão adaptados para deslocar perpendicularmente o substrato relativamente ao eixo longitudinal do cátodo cilíndrico. Desta forma pode obter-se uma elevada homogeneidade da camada depositada dos componentes múltiplos. 0 dispositivo de pulverização catódica por magnetrão compreende convenientemente vários cátodos cilíndricos . Com este dispositivo podem-se depositar camadas de 6 PE1626433 componentes múltiplos sobre grandes áreas de substratos. Para deposição de várias camadas sobrepostas é conveniente que o dispositivo de pulverização inclua vários cátodos cilíndricos que apresentem diferentes combinações de materiais-alvo . É vantajoso configurar cada segmento dos cátodos cilíndricos como segmentos cilíndricos. Contudo, também pode ser necessário executar em plano o lado exterior dos segmentos, se a colocação dos segmentos não for possível por meio de injecção de plasma. Por exemplo, as combinações cerâmicas de material pelo processo de injecção de plasma nem sempre podem ser depositadas sobre um alvo cilíndrico com a necessária espessura e homogeneidade.

Especialmente, quando os segmentos estão directa-mente limitados entre si, existe uma grande superfície-alvo para cada material. Para apoio, por exemplo, em caso de segmentos finos ou de estabilidade mecanicamente insuficiente, cada segmento pode ser colocado sobre um tubo de suporte.

Por princípio, todos os metais, óxidos metálicos e aqueles materiais, os quais, devido a problemas de produção, não permitem o fabrico de segmentos autoportantes (este caso inclui especialmente ITO, IZO, ZAO, cromo, ou volfrâmio) podem ser colocados em tubos de suporte. Os processos de fabrico neste caso são, por exemplo, a prensagem térmica isostática, a injecção de plasma, a soldadura ou 7 PE1626433 colagem. Por outro lado, todos os metais onde se possa fabricar segmentos autoportantes, por meio de, por exemplo, corte, estiramento, fresagem, dobragem ou calandragem, e em que os segmentos possam ser unidos num alvo por meio de solda de estanho ou soldadura eléctrica, ou mesmo adoptan-do-se soluções mecânicas como guias de "cauda de andorinha", podem ser utilizados para o fabrico de alvos cheios. Esta solução é válida particularmente para estanho, zinco, níquel, cobre, alumínio, prata, ouro, platina, molibdénio, titânio e neodimio.

As dimensões típicas dos alvos de cátodos cilíndricos são as seguintes: comprimentos, entre 500 e 4.500 mm; diâmetros entre 100 e 300 mm; espessura de parede 1 a 50 mm. E conveniente que a largura dos segmentos, com referência ao eixo dos cátodos cilíndricos, seja ajustada à estequiometria da camada de componentes múltiplos em função do rendimento de pulverização do respectivo material do alvo. Desse modo, o cátodo cilíndrico no dispositivo de pulverização pode ser accionado com velocidade de rotação constante. O processo criado pelo presente invento para deposição de camadas de componentes múltiplos num substrato por meio de pulverização catódica por magnetrão numa instalação de revestimento a vácuo é executado como segue: um cátodo apoiado rotativamente no sentido axial, compreenden- ΡΕ1626433 do pelo menos dois segmentos com materiais diferentes, é rodado, durante a deposição da camada de componentes múltiplos no substrato, em torno do eixo longitudinal por meio de um sistema magnético interno. Simultaneamente, o substrato passa a uma determinada velocidade pelo cátodo cilíndrico na direcção vertical em relação ao eixo longitudinal cilíndrico. Esta velocidade do substrato é escolhida em função do rendimento de pulverização e da distância entre o cátodo cilíndrico e o substrato, de forma a ajustar uma espessura pretendida da camada de componentes no substrato. A velocidade de rotação do cátodo cilíndrico é ajustada em função da velocidade do substrato, de forma a que cada segmento de alvo com os diferentes componentes de material seja pulverizado em rápida sequência. Devido à alta velocidade de rotação do cátodo cilíndrico em relação à velocidade do substrato, sobrepõem-se os componentes de material individualmente no substrato e misturam-se, ocasionando a deposição de uma camada de componentes múltiplos sobre o substrato.

Comparando o processo adoptado até agora, a deposição de cada camada processa-se consideravelmente homogénea, devido ao deslocamento relativamente lento em relação à rotação rápida do cátodo cilíndrico, sendo que a espessura da camada pode ser ajustada com exactidão. A estequiometria da camada de componentes múltiplos pode ser convenientemente ajustada porque a largura dos segmentos individuais em relação ao eixo longitudinal é 9 PE1626433 executada diferentemente em função do rendimento de pulverização do respectivo material-alvo e o cátodo cilíndrico do dispositivo de pulverização catódica por magnetrão é accionado por uma velocidade de rotação uniforme, portanto constante. A velocidade de rotação constante do cátodo cilíndrico situa-se convenientemente entre 5-20 rpm, preferencialmente a 10 rpm. Neste caso, deve considerar-se que a escolha óptima da velocidade de rotação dependerá do número de segmentos-alvo do cátodo cilíndrico. Quanto menor for este número, tanto mais alta terá de ser a velocidade de rotação seleccionada, para permitir uma mistura eficaz dos componentes e garantir um boa qualidade da camada.

Principalmente nos substratos que em relação ao movimento apresentem larguras grandes, mas também substratos com grande comprimento, utiliza-se com vantagem vários cátodos cilíndricos no dispositivo de pulverização para a deposição de camadas. Assim, a deposição de camadas pode ser acelerada. Se num substrato devam ser colocadas várias camadas, recomenda-se a colocação de várias camadas de componentes múltiplos em duas ou mais câmaras de vácuo.

Em comparação com a utilização de vários alvos dispostos em série, o presente invento apresenta a vantagem de, devido à configuração compacta do alvo de componentes múltiplos, o tamanho da instalação ser visivelmente reduzido. Assim, os custos de aquisição e da manutenção da insta- 10 ΡΕ1626433 lação de revestimento podem ser reduzidos. Ao contrário da utilização de alvos de componentes múltiplos de concepção plana, mais complicada, o cátodo cilíndrico criado pelo presente invento é de fabrico mais simples e de custos mais reduzidos. Além disso, esta concepção permite uma maior utilização do alvo e uma reposição visivelmente menor, assim como um melhoramento das caracteristicas das camadas.

Seguidamente, esclarece-se detalhadamente um exemplo de uma execução, documentada por um desenho, apresentando-se :

Fig. 1 uma vista em perspectiva de um cátodo cilíndrico, criado pelo presente invento que é constituído inteiramente por materiais-alvo; e Fig. 2 uma vista em perspectiva de um cátodo cilíndrico como criado pelo presente invento, estando os materiais-alvo apoiados num tubo de suporte. O cátodo cilíndrico 1, conforme fig. 1, criado pelo presente invento, tem a forma de um tubo cilíndrico. É constituído inteiramente por material-alvo e compreende no exemplo apresentado dois materiais-alvo. Cada um deles encontra-se em dois segmentos cilíndricos separados 2, 4 e 3, 5 que se confrontam. Os quatro segmentos 2, 3, 4 e 5 apresentam, respectivamente, um arco de círculo de 90° e um comprimento igual, que corresponde ao comprimento do cátodo cilíndrico. Para formação do cátodo cilíndrico 1 são ligados directamente entre si, por meio de soldadura, solda a 11 PE1626433 estanho ou outras soluções mecânicas, por exemplo, guia de cauda de andorinha.

Se o material, por motivo das suas característi-cas ou do processo de fabrico não permitir a colocação directa do cátodo cilíndrico de material-alvo, o cátodo cilíndrico 1' é formado simplesmente sobre um tubo de suporte 6 através da aplicação de diferentes materiais-alvo, conforme é representado na fig. 2. Os segmentos cilíndricos 2', 3', 4' e 5' podem ser colocados no tubo de suporte 6 por meio de injecção de plasma. Eles são confinantes e têm o mesmo comprimento e o mesmo arco de círculo de 90°.

Para utilização num dispositivo de pulverização catódica por magnetrão criado pelo presente invento, os cátodos cilíndricos 1 e 1' são dotados de meios apropriados (não representados) que permitem o seu apoio em torno do seu eixo longitudinal através de um sistema magnético disposto no seu interior, assim como um movimento de rotação axial simétrico.

Para colocação de uma camada de componentes múltiplos, o substrato é deslocado verticalmente ao eixo longitudinal do cátodo cilíndrico 1 a uma velocidade ajustada à espessura pretendida da camada a ser depositada. Simultaneamente, o cátodo cilíndrico 1 é rodado. A cada rotação do cátodo cilíndrico 1 os segmentos cilíndricos 2, 3, 4 e 5 são conduzidos tangencialmente ao sistema magnético inte- 12 ΡΕ1626433 rior e simultaneamente a partir destes segmentos cilíndricos é pulverizado material em rápida sequência. Este material é depositado no substrato apoiado pelo efeito de magnetrão. Dado a velocidade de rotação do cátodo cilíndrico 1 ser sensivelmente mais alta do que a velocidade do substrato, os componentes do material sobrepõem-se no substrato. Devido a esta sobreposição, os componentes do material misturam-se e formam uma camada de mistura dos componentes sobre o substrato.

Evidentemente que, se necessário, também podem ser utilizados dois ou mais segmentos para a formação dos cátodos cilíndricos 1 e 1'. A estequiometria da camada de componentes múltiplos também pode ser ajustada à velocidade de rotação uniforme dos cátodos cilíndricos 1, 1', de forma a que a largura do segmento cilíndrico seja ajustado correspondentemente aos componentes do material em função do rendimento do pulverizador. Por outro lado, também é viável que a estequiometria seja ajustada por uma velocidade de rotação irregular.

Para um substrato com grande superfície podem empregar-se vários cátodos cilíndricos 1, 1' num dispositivo de pulverização catódica por magnetrão. Num procedimento em cadeia podem, de novo, ser dispostas em série várias câmaras de vácuo com dispositivos de pulverização catódica por magnetrão, que são dotados de vários cátodos cilíndricos 1, 1' com diferentes combinações de materiais-alvo, para deposição em série num substrato de diferentes camadas 13 ΡΕ1626433 de componentes múltiplos.

Com o presente invento é possível a colocação de várias camadas de componentes múltiplos em substratos, por meio de instalações de revestimento a vácuo, com considerável redução do tamanho da instalação. Através da utilização dos cátodos cilíndricos 1, 1' é obtida uma elevada utilização do alvo e uma camada de alta qualidade.

Lisboa, 9 de Maio de 2007

Claims (16)

1. ΡΕ1626433 1 REIVINDICAÇÕES 1. Dispositivo de pulverização catódica por magnetrão, equipado com pelo menos uma câmara a vácuo, para deposição de camadas de componentes múltiplos pouco espessas num substrato, com um cátodo cilíndrico (1, 1') apoiado rotativamente em torno de um eixo longitudinal axial e um sistema magnético disposto no interior do cátodo cilíndrico, sendo que este cátodo compreende pelo menos dois segmentos (2, 2', 3, 3', 4, 4', 5, 5') com diferentes materiais-alvo, e o dispositivo de pulverização dispõe de meios para rodar o cátodo cilíndrico (1, 1') e meios para deslocação do substrato relativamente ao cátodo cilíndrico, caracterizado por os meios para rotação do cátodo cilíndrico serem próprios para rodar o cátodo cilíndrico (1, 1') continuamente a uma velocidade que depende da velocidade do substrato, de modo que os materiais-alvo misturam-se no substrato e assim, por meio de co-pulverização catódica por magnetrão, é depositada uma camada de componentes múltiplos no substrato.
2. 2. Dispositivo de pulverização, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os meios para deslocação do substrato serem próprios para deslocar o substrato numa direcção vertical em relação ao eixo longitudinal do cátodo cilíndrico (1, 1').
3. 3. Dispositivo de pulverização, de acordo com a 2 PE1626433 reivindicação 1 ou 2, caracterizado por o dispositivo compreender vários cátodos cilíndricos (1, 1').
4. 4. Dispositivo de pulverização, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por os cátodos cilíndricos (1, 1') possuírem diferentes combinações de materiais-alvo.
5. 5. Dispositivo de pulverização, de acordo com QUALQUER uma das reivindicações precedentes, caracterizado por os segmentos (2, 2', 3, 3', 4, 4', 5, 5') dos cátodos cilíndricos terem a forma de segmentos cilíndricos.
6. 6. Dispositivo de pulverização, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por os segmentos (2, 2', 3, 3', 4, 4', 5, 5') dos cátodos cilíndricos (1, 1') serem imediatamente adjacentes uns aos outros.
7. 7. Dispositivo de pulverização, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por os segmentos (2, 2', 3, 3', 4, 4', 5, 5') dos cátodos cilíndricos (1, 1') estarem dispostos num tubo de suporte (6) .
8. 8. Dispositivo de pulverização, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por os segmentos (2, 2', 3, 3', 4, 4', 5, 5') dos cátodos cilíndricos (1, 1'), relativamente ao eixo longitudinal dos cátodos cilíndricos, estarem adaptados à estequiometria 3 ΡΕ1626433 desejada da camada de componentes múltiplos em função do rendimento da pulverização do respectivo material-alvo.
9. 9. Processo para deposição de finas camadas de componentes múltiplos num substrato, numa instalação de revestimento sob vácuo por meio de co-pulverização catódica por magnetrão, com um cátodo cilíndrico (1, 1') apoiado rotativamente num eixo longitudinal de um dispositivo de pulverização catódica por magnetrão, caracterizado por: o cátodo cilíndrico (1, 1') compreender pelo menos dois segmentos (2, 2', 3, 3', 4, 4', 5, 5') com diferentes materiais e rodar em torno do eixo longitudinal por cima do sistema magnético interno durante a deposição das camadas no substrato; o substrato deslizar ao longo do cátodo cilíndrico (1, 1') durante o processo de pulverização; a velocidade do substrato ser ajustada em função do rendimento de pulverização e da distância do cátodo cilíndrico (1, 1') em relação ao substrato, de maneira a ajustar a espessura pretendida da camada dos componentes múltiplos sobre o substrato; e a velocidade de rotação do cátodo cilíndrico (1, 1') ser ajustada em função da velocidade do substrato, de maneira a que os segmentos-alvo (2, 2', 3, 3', 4, 4', 5, 5') sejam pulverizados em rápida sequência, sobrepondo-se os diferentes componentes no substrato e misturando-se, depositando assim uma camada de componentes múltiplos no substrato. 4 ΡΕ1626433
10. 10. Processo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por o cátodo cilíndrico (1, 1') ser executado de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 a 7.
11. 11. Processo de acordo com a reivindicação 9 ou 10, caracterizado por o substrato se deslocar perpendicularmente em relação ao eixo longitudinal do cátodo cilíndrico (1, 1') .
12. 12. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 11, caracterizado por o cátodo cilíndrico (1, 1') se deslocar a uma velocidade de rotação uniforme .
13. 13. Processo, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por a velocidade do cátodo cilíndrico ser 5-10 rpm, preferencialmente 10 rpm.
14. 14. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 13, caracterizado por a estequiometria da camada de componentes múltiplos ser ajustada de maneira a que a largura dos diferentes segmentos de material (2, 2', 3, 3', 4, 4', 5, 5') ser ajustada diferentemente em função do rendimento da pulverização.
15. 15. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 14, caracterizado por diferentes camadas de componentes múltiplos serem depostas no substrato por vários cátodos cilíndricos (1, 1') dispostos no dispositivo 5 ΡΕ1626433 de pulverização catódica por magnetrão.
16. 16. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 15, caracterizado por diferentes camadas de componentes múltiplos serem depostas no substrato por vários dispositivos de pulverização catódica por magnetrão dispostos na instalação de revestimento pelo menos em duas câmaras de vácuo, indo o substrato passar através das res-pectivas câmaras de vácuo sem interrupção do vácuo. Lisboa, 9 de Maio de 2007