RU134932U1

RU134932U1 - MAGNETRON SPRAYING SYSTEM

Info

Publication number: RU134932U1
Application number: RU2013122312/02U
Authority: RU
Inventors: Радик Рафикович МУЛЮКОВ; Юлай Мухаметович Юмагузин; Константин Сергеевич Назаров; Ильдар Маратович Салимов; Самат Салаватович Шагивалеев
Priority date: 2013-05-14
Filing date: 2013-05-14
Publication date: 2013-11-27

Abstract

Магнетронная распылительная система сбалансированного типа, содержащая расположенные в вакуумной камере анод и катодный узел, включающий мишень и магнитный блок, отличающаяся тем, что она снабжена электродом, выполненным в виде сетки из тугоплавкого металлического материала, рабочий потенциал которой равен потенциалу катода и расположенной по отношению к аноду со стороны, противоположной катодному узлу, при этом расстояние между анодом и сеткой больше расстояния, при котором между сеткой и анодом возможен электрический пробой.A balanced type magnetron sputtering system comprising an anode and a cathode assembly located in a vacuum chamber, including a target and a magnetic unit, characterized in that it is provided with an electrode made in the form of a grid of refractory metal material, the working potential of which is equal to the potential of the cathode and located relative to the anode from the side opposite the cathode assembly, and the distance between the anode and the grid is greater than the distance at which electrical breakdown is possible between the grid and the anode.

Description

Полезная модель относится к плазменной технике и предназначена для нанесения посредством магнетронного распыления металлических и полупроводниковых покрытий в виде тонких пленок на различные изделия, часто в источниках информации называющиеся подложками, выполненные из металлических, полупроводниковых, диэлектрических материалов. Полезная модель может быть использована в различных областях промышленности: машиностроении, оптике, микроэлектронике, электротехнической и других отраслях промышленности, где для изделия необходимы щадящие условия нанесения пленок различных материалов.The utility model relates to plasma technology and is intended for application by magnetron sputtering of metal and semiconductor coatings in the form of thin films to various products, often referred to in the information sources as substrates, made of metal, semiconductor, dielectric materials. The utility model can be used in various fields of industry: mechanical engineering, optics, microelectronics, electrical and other industries, where the product requires gentle conditions for applying films of various materials.

Магнетронные распылительные системы (МРС) должны обеспечивать высокую скорость распыления, равномерность нанесения покрытия по толщине, не допускать нагрева подложки выше температуры, заданной техническими условиями, для чего в конструкции МРС предусматривается охлаждение подложки. МРС также должны быть надежными в эксплуатации. При разработке конструкций МРС необходимо обращать особое внимание на то, чтобы обеспечивался свободный разлет частиц распыляемого материала.Magnetron sputtering systems (MPC) should provide a high atomization rate, uniform coating over the thickness, and not allow the substrate to heat above the temperature specified by the technical conditions, for which the MPC design provides for substrate cooling. IFAs must also be reliable. When developing designs of MPC it is necessary to pay special attention to ensuring the free expansion of the particles of the sprayed material.

В зависимости от конфигурации электрических и магнитных полей в пространстве между электродами и размеров плазменной области разряда МРС делятся на два типа: сбалансированные и несбалансированные МРС (Кузьмичев А.И. Магнетронные распылительные системы. Кн. 1. Введение в физику и технику магнетронного распыления. К.: Аверс, 2008. С.146-149).Depending on the configuration of electric and magnetic fields in the space between the electrodes and the size of the plasma region of the discharge, MRSs are divided into two types: balanced and unbalanced MLSs (Kuzmichev A.I. Magnetron sputtering systems. Book 1. Introduction to the physics and technique of magnetron sputtering. K .: Avers, 2008. S.146-149).

В сбалансированных МРС силовые линии магнитного поля располагаются над поверхностью мишени, при этом основная их часть дважды пересекает поверхность мишени, соответственно плазма разряда локализуется в непосредственной близости от мишени.In balanced MRSs, the magnetic field lines are located above the target surface, with most of them crossing the target surface twice, respectively, the discharge plasma is localized in the immediate vicinity of the target.

В несбалансированных МРС силовые линии магнитного поля ориентированы преимущественно в сторону подложки. В таких МРС плазма разряда распространяется до подложки.In unbalanced MRS, the magnetic field lines are oriented mainly towards the substrate. In such MRS, the discharge plasma propagates to the substrate.

В случае, когда необходимы щадящие условия нанесения покрытий или тонких пленок на подложку, локализация плазмы разряда вблизи мишени является одним из обязательных условий работы МРС, без чего невозможно добиться необходимого качества покрытия (Кузьмичев А.И. Магнетронные распылительные системы. Кн.1. Введение в физику и технику магнетронного распыления. К.: Аверс, 2008. С.146-149). Ниже эта проблема будет рассмотрена более подробно.In the case when gentle conditions are necessary for applying coatings or thin films on a substrate, localization of the discharge plasma near the target is one of the essential conditions for the operation of MPCs, without which it is impossible to achieve the required coating quality (Kuzmichev A.I. Magnetron sputtering systems. Book 1. Introduction in physics and technology of magnetron sputtering. K .: Avers, 2008. S.146-149). Below this problem will be considered in more detail.

Типовая МРС содержит анод и катодный узел, включающий мишень, которая является собственно катодом, и магнитный блок, расположенные в вакуумной камере (Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы, М.: Радио и связь, 1982, С.11, 58). В зависимости от конфигурации создаваемого магнитного поля, как уже было отмечено, типовая МРС может быть как сбалансированного, так и несбалансированного типа.A typical MPC contains an anode and a cathode assembly, including a target, which is actually a cathode, and a magnetic unit located in a vacuum chamber (Danilin B.S., Syrchin V.K. Magnetron Sputtering Systems, Moscow: Radio and Communication, 1982, C .11, 58). Depending on the configuration of the generated magnetic field, as already noted, a typical MRS can be either balanced or unbalanced.

В обоих случаях при подаче постоянного электрического потенциала на анод между мишенью и анодом возникает тлеющий разряд. Эмитирующие из-за ионной бомбардировки с поверхности мишени электроны под действием соответствующим образом ориентированных электрического и магнитного полей движутся вдоль силовых линий магнитного поля по спиралевидным траекториям, претерпевая на своем пути многократные столкновения с атомами рабочего газа и ионизируют их. Это приводит к росту плотности плазмы (соответственно к росту скорости распыления мишени).In both cases, when a constant electric potential is applied to the anode, a glow discharge arises between the target and the anode. Electrons emitting due to ion bombardment from the target surface under the action of appropriately oriented electric and magnetic fields move along magnetic field lines along spiral paths, undergoing multiple collisions with working gas atoms in their path and ionize them. This leads to an increase in the plasma density (respectively, to an increase in the sputtering rate of the target).

Наличие в МРС охлаждения магнитного блока обеспечивает эффективность процесса распыления и надежность устройства.The presence of magnetic block in the MPC cooling ensures the efficiency of the atomization process and the reliability of the device.

К недостаткам типовой конструкции МРС при использовании ее в качестве сбалансированной МРС можно отнести возможность нарушения условий для локализации плазмы разряда вблизи мишени. При работе МРС некоторая часть силовых линий магнитного поля оказывается направленной в сторону подложки, что, в свою очередь, приводит к попаданию электронов в пространство между анодом и подложкой. Подложка, как правило, располагается на подложкодержателе. В процессе распыления частицы распыляемого материала свободно летят во всех направлениях. В результате осаждения частиц распыляемого материала на поверхности подложкодержателя, даже при условии его выполнения из диэлектрического материала, возникает контакт между подложкой и заземленным корпусом МРС. Зачастую подложка крепится непосредственно к корпусу МРС, и такой контакт возникает с начального момента распыления. Подложка, оказываясь под потенциалом земли, начинает выполнять функцию электрода, имеющего отрицательный по отношению к аноду потенциал. Электроны, проникающие в область между анодом и подложкой - электродом, приводят к ионизации атомов рабочего газа в области между анодом и подложкой и образованию плазмы разряда вблизи подложки. Из-за расширения области плазмы разряда и ее контакта с подложкой, подложкодержателем и другими элементами вакуумной системы увеличивается процесс газовыделения из-за десорбции загрязнений с поверхности этих элементов. Внедрение загрязнений в тонкое покрытие приводит к снижению качества покрытия. Приходится производить непрерывную «промывку» рабочего объема инертным газом, особенно в установках, работающих в промышленных условиях. При этом поток инертного газа может достигать 100 Па л/сек (Данилин Б.С., Минайчев В.Е. О рациональном использовании откачных средств для установок ионного распыления и травления материалов. Электронная техника. Сер. Микроэлектроника, 1974, вып.3(51), С.90-99). Кроме снижения качества покрытия отмеченные обстоятельства ведут к повышенному энергопотреблению при работе МРС, обусловленному повышением тока разряда из-за увеличения области плазменного разряда, что особенно ощутимо при работе МРС в промышленных условиях. Кроме того, происходит перерасход инертного газа из-за необходимости частой «промывки» рабочего объема камеры.The disadvantages of the typical design of MRS when using it as a balanced MRS include the possibility of violating the conditions for localization of the discharge plasma near the target. During MRS operation, some of the magnetic field lines are directed toward the substrate, which, in turn, leads to the entry of electrons into the space between the anode and the substrate. The substrate is typically located on a substrate holder. During the spraying process, the particles of the sprayed material fly freely in all directions. As a result of the deposition of particles of the sprayed material on the surface of the substrate holder, even if it is made of a dielectric material, contact occurs between the substrate and the grounded housing of the MPC. Often, the substrate is attached directly to the housing of the MPC, and such contact occurs from the initial moment of spraying. The substrate, finding itself under the ground potential, begins to fulfill the function of an electrode having a potential negative with respect to the anode. Electrons penetrating into the region between the anode and the substrate - electrode, lead to ionization of the working gas atoms in the region between the anode and the substrate and the formation of a discharge plasma near the substrate. Due to the expansion of the region of the discharge plasma and its contact with the substrate, the substrate holder, and other elements of the vacuum system, the gas evolution process increases due to desorption of contaminants from the surface of these elements. The incorporation of contaminants into a thin coating results in lower coating quality. It is necessary to carry out continuous “flushing” of the working volume with an inert gas, especially in installations operating in industrial conditions. In this case, the inert gas flow can reach 100 Pa l / s (Danilin B.S., Minaichev V.E. On the rational use of pumping means for ion spraying and etching materials. Electronic technology. Ser. Microelectronics, 1974, issue 3 ( 51), S.90-99). In addition to reducing the quality of the coating, the noted circumstances lead to increased energy consumption during the operation of the MPC due to an increase in the discharge current due to an increase in the plasma discharge region, which is especially noticeable when the MPC is operated in an industrial environment. In addition, an inert gas is consumed due to the need for frequent “flushing” of the working volume of the chamber.

Из описания к патенту РФ 2220226, МПК С23С 14/35, 2003 известна МРС, имеющая специальную распылительную камеру, соединенную с системой подачи рабочего газа. Такая камера с достаточной гарантией позволяет локализовать плазму в разрядной области. Напыление происходит в основном объеме вакуумной камеры, а распыленные частицы доставляются к подложке через специальное отверстие или сетку. Однако наличие распылительной камеры усложняет конструкцию МРС.From the description of the patent of the Russian Federation 2220226, IPC С23С 14/35, 2003, MPC is known having a special spray chamber connected to the working gas supply system. Such a camera, with a sufficient guarantee, allows localization of the plasma in the discharge region. Spraying occurs in the main volume of the vacuum chamber, and the sprayed particles are delivered to the substrate through a special hole or grid. However, the presence of a spray chamber complicates the design of the MPC.

За прототип полезной модели выбрана типовая МРС, описанная в (Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы).For the prototype of the utility model, a typical MPC is described, described in (Danilin B.S., Syrchin V.K. Magnetron Spray Systems).

Задачей полезной модели является повышение качества покрытия при сохранении простоты конструкции МРС.The objective of the utility model is to improve the quality of the coating while maintaining the simplicity of the design of the MPC.

Технический результат полезной модели заключается в том, чтобы не допустить воздействия плазмы разряда на подложку.The technical result of the utility model is to prevent the action of the discharge plasma on the substrate.

Магнетронная распылительная система сбалансированного типа содержит расположенные в вакуумной камере анод и катодный узел, включающий мишень и магнитный блок.A balanced type magnetron sputtering system comprises an anode and a cathode assembly located in a vacuum chamber, including a target and a magnetic unit.

В отличие от прототипа магнетронная распылительная система снабжена электродом, выполненным в виде сетки из тугоплавкого металлического материала, рабочий потенциал которого равен потенциалу катода, расположенной по отношению к аноду со стороны, противоположной катодному узлу, при этом расстояние между анодом и сеткой выбирается как можно более малым, но большим расстояния, при котором между ними возможен электрический пробой.Unlike the prototype, the magnetron sputtering system is equipped with an electrode made in the form of a grid of refractory metal material, the working potential of which is equal to the potential of the cathode located relative to the anode from the side opposite the cathode assembly, while the distance between the anode and the grid is selected as small as possible but large distances at which electrical breakdown is possible between them.

Рекомендуется выполнять сетку из следующих материалов: молибдена, вольфрама, тантала.It is recommended to make a grid of the following materials: molybdenum, tungsten, tantalum.

Сущность технического решения, защищаемого в качестве полезной модели, заключается в предотвращении пролета электронов из области плазмы разряда между мишенью и анодом в область между анодом и обрабатываемой подложкой посредством сетки, которая имеет отрицательный относительно анода потенциал (потенциал катода) и тем самым оказывает тормозящее действие на электроны, ускоренные полем анода.The essence of the technical solution, protected as a utility model, is to prevent the passage of electrons from the region of the discharge plasma between the target and the anode to the region between the anode and the substrate being processed by means of a grid that has a potential (cathode potential) negative with respect to the anode and thereby has an inhibitory effect on electrons accelerated by the anode field.

Расстояние между сеткой и анодом должно быть как можно более малым, чтобы электроны, получившие движение вдоль силовых линий магнитного поля, направленных в сторону подложки, тормозились отрицательным относительно анода потенциалом сетки и притягивались анодом, не попадая за пространство анода. Тем самым предотвращается возможность ионизации атомов рабочего газа в области между анодом и подложкой и воздействия плазмы на подложку. Вместе с тем расстояние между сеткой и анодом не должно быть меньшим расстояния, при котором между ними возможен электрический пробой.The distance between the grid and the anode should be as small as possible so that the electrons that move along the magnetic field lines directed towards the substrate are inhibited by the grid potential negative relative to the anode and are attracted by the anode without falling beyond the anode space. This prevents the possibility of ionization of the working gas atoms in the region between the anode and the substrate and the action of the plasma on the substrate. However, the distance between the grid and the anode should not be less than the distance at which electrical breakdown is possible between them.

Устранение плазмы из области, где располагается подложка, значительно снижает в этой области интенсивность газовыделения. Кроме того, исключается воздействие плазмы на поверхность подложки. Все отмеченное повышает качество покрытия и ведет к снижению энергопотребления при работе МРС.Elimination of plasma from the region where the substrate is located significantly reduces the intensity of gas evolution in this region. In addition, the effect of plasma on the surface of the substrate is excluded. All of the above increases the quality of the coating and leads to lower energy consumption during the operation of MPC.

Полезная модель является новой, несмотря на известность использования сетки в МРС, имеющих специальную распылительную камеру, соединенную с системой подачи рабочего газа. Как уже было отмечено выше, напыление в таких МРС происходит в основном объеме вакуумной камеры, а распыленные частицы доставляются к подложке через специальное отверстие или сетку. То обстоятельство, что альтернативой сетке служит отверстие, уже свидетельствует о выполнении этим отверстием или сеткой только функции разделения объема вакуумной камеры на два функционально различающихся отсека.The utility model is new, despite the prominence of using grids in MPCs with a special spray chamber connected to the working gas supply system. As noted above, the deposition in such MPC occurs in the main volume of the vacuum chamber, and the sprayed particles are delivered to the substrate through a special hole or grid. The fact that the hole serves as an alternative to the mesh already indicates that this hole or mesh fulfills only the function of dividing the volume of the vacuum chamber into two functionally different compartments.

Полезная модель поясняется рисунком, на котором показан общий вид МРСThe utility model is illustrated in the figure, which shows the General view of the IFA

МРС состоит из магнитопровода 1, выполненного из магнитомягкого материала, на котором установлен кольцевой постоянный магнит 2, покрытый мишенью 3. Все три элемента в совокупности, образуют катодный узел МРС, устанавливаемый на охлаждаемом столике вакуумной камеры (на фиг. не показаны). Для лучшего отвода тепла от катодного узла между ним и охлаждаемым столиком размещают теплопроводящую пасту (на фиг. не показана). Кольцевой анод 4 устанавливают на некотором расстоянии от мишени, которое при необходимости можно изменять с целью определения оптимальных параметров горения магнетронного разряда, так как анод 4 и катодный узел механически не связаны.The MPC consists of a magnetic circuit 1 made of soft magnetic material, on which an annular permanent magnet 2 is mounted, covered with a target 3. All three elements together form an MPC cathode assembly mounted on a cooled stage of the vacuum chamber (not shown in Fig.). For better heat removal from the cathode assembly, a heat-conducting paste is placed between it and the cooled table (not shown in Fig.). The annular anode 4 is installed at a certain distance from the target, which, if necessary, can be changed in order to determine the optimal combustion parameters of the magnetron discharge, since the anode 4 and the cathode assembly are not mechanically connected.

Близко к аноду со стороны, противоположной к катодному узлу, установлена металлическая сетка 5. Сетка выполнена из тугоплавкого металла, например, вольфрама и закреплена в вакуумной камере на специальных держателях (на фиг. не показаны). Поз. 6 показана условная поверхность, совпадающая при работе магнетронной распылительной системы с поверхностью обрабатываемой подложки (на фиг. не показана). В качестве мишени 3 могут использоваться металлические или полупроводниковые материалы в зависимости от того, какое покрытие необходимо получить на поверхности подложки (на фиг. не показана).Close to the anode from the side opposite to the cathode assembly, a metal mesh 5 is installed. The mesh is made of refractory metal, for example, tungsten and is fixed in a vacuum chamber on special holders (not shown in Fig.). Pos. 6 shows a conditional surface that coincides during the operation of the magnetron sputtering system with the surface of the processed substrate (not shown in FIG.). As target 3, metal or semiconductor materials can be used, depending on what coating needs to be obtained on the surface of the substrate (not shown in FIG.).

Магнетронная распылительная система работает следующим образом: между анодом 4 и мишенью 3 создается разность потенциалов с помощью высоковольтного источника питания (на фиг. не показан). Через систему напуска рабочего газа (на фиг. не показана) непосредственно в разрядную область между мишенью и анодом подается рабочий газ. Под действием разности потенциалов между анодом и мишенью рабочий газ ионизируется, возникает и поддерживается тлеющий разряд. Магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом 2, локализует большую часть плазмы разряда в непосредственной близости от мишени. Распыленные частицы, имея определенную длину пробега, достигают подложки и образуют на ее поверхности покрытие. Электроны, получившие движение вдоль незамкнутых силовых линий магнитного поля, направленных в сторону подложки, тормозятся отрицательным относительно анода потенциалом сетки и притягиваются анодом вследствие малого расстояния между сеткой и анодом, чем, в результате, предотвращается возможность ионизации атомов рабочего газа в области между сеткой и подложкой, которая при работе системы находится под потенциалом земли (также отрицательным относительно анода).The magnetron sputtering system operates as follows: between the anode 4 and the target 3, a potential difference is created using a high-voltage power supply (not shown in Fig.). Through the working gas inlet system (not shown in FIG.), Working gas is supplied directly to the discharge region between the target and the anode. Under the action of the potential difference between the anode and the target, the working gas is ionized, a glow discharge arises and is maintained. The magnetic field generated by the permanent magnet 2, localizes most of the discharge plasma in the immediate vicinity of the target. Sprayed particles, having a certain mean free path, reach the substrate and form a coating on its surface. Electrons moving along unclosed magnetic field lines directed toward the substrate are inhibited by the network potential negative relative to the anode and are attracted by the anode due to the small distance between the network and the anode, which prevents the possibility of ionization of the working gas atoms in the region between the network and the substrate which, when the system is in operation, is at ground potential (also negative with respect to the anode).

Заявляемая МРС была сконструирована, изготовлена и опробована в лабораторных условиях. Сетка была изготовлена из вольфрама. Размер ячеек сетки был выбран равным 5×5 мм. Расстояние между анодом и сеткой было выбрано равным 1,5 см. Длина свободного пробега распыленных частиц составляла примерно 7 см.The inventive MPC was designed, manufactured and tested in laboratory conditions. The mesh was made of tungsten. The mesh cell size was chosen equal to 5 × 5 mm. The distance between the anode and the grid was chosen equal to 1.5 cm. The mean free path of the sprayed particles was approximately 7 cm.

МРС была опробована, в частности, в двух ниже приведенных случаях, когдаThe IFA was tested, in particular, in the two cases below, when

1) В качестве распыляемой мишени была использована пластина монокристалла Si(111). При этом ток магнетронного разряда был равен 260 мА, энергия ионов рабочего газа (Ar⁺) равна 400 эВ. Скорость роста пленки на полированной керамической подложке составила 60 нм/мин.1) A Si (111) single crystal wafer was used as a sputtering target. In this case, the magnetron discharge current was 260 mA, the energy of the working gas ions (Ar ⁺ ) was 400 eV. The film growth rate on a polished ceramic substrate was 60 nm / min.

2) В качестве распыляемой мишени использован хром. При этом ток магнетронного разряда был равен 130 мА, энергия ионов рабочего газа (Ar⁺) равна 500 эВ. Скорость роста пленки на полированной керамической подложке составила 25 нм/мин.2) Chromium is used as a sputtered target. In this case, the magnetron discharge current was 130 mA, the energy of the working gas ions (Ar ⁺ ) was 500 eV. The film growth rate on a polished ceramic substrate was 25 nm / min.

В обоих случаях отмечено высокое качество получившейся пленки.In both cases, the high quality of the resulting film was noted.

Claims

A balanced type magnetron sputtering system comprising an anode and a cathode assembly located in a vacuum chamber, including a target and a magnetic unit, characterized in that it is provided with an electrode made in the form of a grid of refractory metal material, the working potential of which is equal to the potential of the cathode and located relative to the anode from the side opposite the cathode assembly, and the distance between the anode and the grid is greater than the distance at which electrical breakdown is possible between the grid and the anode.