RU2046840C1 - Apparatus for obtaining thin films by ion-plasma spraying method - Google Patents
Apparatus for obtaining thin films by ion-plasma spraying method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2046840C1 RU2046840C1 SU5066553A RU2046840C1 RU 2046840 C1 RU2046840 C1 RU 2046840C1 SU 5066553 A SU5066553 A SU 5066553A RU 2046840 C1 RU2046840 C1 RU 2046840C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cathode
- anode
- substrate holder
- target
- working
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано для получения тонких пленок от аморфного до эпитаксиального состояния с заданными стехиометрическими параметрами. The invention relates to microelectronics and can be used to produce thin films from amorphous to epitaxial state with specified stoichiometric parameters.
Наиболее близкой к изобретению является установка для получения тонких пленок методом ионно-плазменного распыления, содержащая корпус с рабочей и катодной камерами, соединенными диафрагмой с калиброванным отверстием, систему напуска рабочего газа, систему откачки, соосно калиброванному отверстию расположенные накаливаемый катод, анод и соленоиды в рабочей и катодной камерах, параллельно оси которых и напротив друг друга расположены держатель мишени и электроподогреваемый вращающийся подложкодержатель, низковольтные и высоковольтные источники постоянного напряжения, соединенные с анодом, катодом, подложкодержателем и мишенью. Closest to the invention is an apparatus for producing thin films by ion-plasma spraying, comprising a housing with a working and cathode chambers connected by a diaphragm to a calibrated hole, a working gas inlet system, a pumping system, an incandescent cathode, anode and solenoids located in the working and cathode chambers, parallel to the axis of which and opposite each other are located the target holder and the electrically heated rotating substrate holder, low and high voltage nt sources of constant voltage connected to the anode, cathode, substrate holder and target.
Однако при эксплуатации указанной установки наблюдается повышенное загрязнение рабочей атмосферы при использовании технического аргона и за счет распыления материала накаливаемого катода, при этом невозможность раздельного регулирования энергии и потока ионов, бомбардирующих мишень, не позволяет эффективно управлять процессом распыления многокомпонентных мишеней. Кроме того, отсутствие возможности управлять потоком ионов, падающих на подложку, а также миграцией атомов и ионов по подложке не позволяет управлять взаимосвязью между процессами распыления и осаждения и получать пленки в широком диапазоне состояний (аморфного, поликристаллического, эпитаксиального). However, during operation of this installation, increased pollution of the working atmosphere is observed when using technical argon and due to sputtering of a heated cathode material, while the impossibility of separate regulation of the energy and ion flux bombarding the target does not allow efficient control of the sputtering of multicomponent targets. In addition, the inability to control the flow of ions incident on the substrate, as well as the migration of atoms and ions along the substrate, does not allow one to control the relationship between sputtering and deposition processes and to obtain films in a wide range of states (amorphous, polycrystalline, epitaxial).
Все эти недостатки не позволяют получать чистые тонкие пленки с заданной стехиометрией и структурой при высокой однородности по толщине и площади пленки с управляемой ростовой анизотропией. All these disadvantages do not allow to obtain pure thin films with a given stoichiometry and structure with high uniformity in thickness and film area with controlled growth anisotropy.
Целью изобретения является повышение качества и воспроизводимости пленок. The aim of the invention is to improve the quality and reproducibility of films.
Для этого установка для получения тонких пленок методом ионно-плазменного распыления, содержащая корпус с рабочей и катодной камерами, соединенными диафрагмой с калиброванным отверстием, систему напуска рабочего газа, систему откачки, соосно калиброванному отверстию расположенные накаливаемый катод, анод и соленоиды в рабочей и катодной камерах, параллельно оси которых и напротив друг друга расположены держатель мишени и электроподогреваемый вращающийся подложкодержатель, низковольтные и высоковольтные источники постоянного напряжения, соединенные с анодом, катодом, подложкодержателем и мишенью, дополнительно снабжена двумя источниками ВЧ напряжения, соединенными с держателем мишени и подложкодержателем с возможностью сдвига фазы относительно друг друга, диафрагма выполнена в виде сопла, электрически изолированного от корпуса и соединенного либо с анодом, либо с катодом, либо с заземлением через трехпозиционный переключатель, система напуска рабочего газа снабжена системой двухстадийной геттерной очистки. For this, an apparatus for producing thin films by the method of ion-plasma spraying, comprising a housing with a working and cathode chambers connected by a diaphragm to a calibrated hole, a working gas inlet system, a pumping system, an incandescent cathode, anode and solenoids located in the working and cathode chambers coaxially calibrated hole , parallel to the axis of which and opposite each other are the target holder and the electrically heated rotating substrate holder, low-voltage and high-voltage sources of constant voltage The lines connected to the anode, the cathode, the substrate holder and the target are additionally equipped with two RF voltage sources connected to the target holder and the substrate holder with the possibility of phase shift relative to each other, the diaphragm is made in the form of a nozzle electrically isolated from the housing and connected either to the anode or with a cathode, or with grounding through a three-position switch, the working gas inlet system is equipped with a two-stage getter cleaning system.
Система двухстадийной геттерной очистки может быть выполнена в виде последовательно соединенных камеры магнетронного распыления с титановой мишенью и катодной камеры, снабженной титановым катодным экраном с отверстием, соосным титановому соплу. The two-stage getter cleaning system can be implemented as a series-connected magnetron sputtering chamber with a titanium target and a cathode chamber equipped with a titanium cathode screen with an opening coaxial to the titanium nozzle.
Сопло может быть выполнено сменным с разными по форме и размерам калиброванным отверстиями и регулируемым потенциалом. The nozzle can be made interchangeable with calibrated holes of various shapes and sizes and adjustable potential.
Подложкодержатель может быть выполнен водоохлаждаемым и подвижным вдоль оси. The substrate holder can be made water-cooled and movable along the axis.
Анод может быть выполнен подвижным вдоль оси. The anode can be made movable along the axis.
Сравнительный анализ изобретения с известными конструкциями показывает, что предлагаемое решение неизвестно. Благодаря введению новых конструктивно-функциональных элементов и предложенному конструктивному выполнению известных обеспечиваются: следующие преимущества. A comparative analysis of the invention with known designs shows that the proposed solution is unknown. Thanks to the introduction of new structural and functional elements and the proposed structural implementation of the known are provided: the following advantages.
За счет раздельного регулирования ВЧ напряжения на мишени, напряженности магнитного поля соленоида, анодного напряжения и потенциала диафрагмы достигается управление энергией и потоком ионов, бомбардирующих мишень, т.е. управляемости процесса распыления и однородности распыления по всей площади многокомпонентной мишени. By separately controlling the RF voltage on the target, the magnetic field of the solenoid, the anode voltage and the diaphragm potential, the energy and flux of ions bombarding the target are achieved, i.e. controllability of the spraying process and uniformity of spraying over the entire area of the multicomponent target.
За счет регулировки амплитуды и фазы ВЧ напряжения на подложке и термостатирования достигается управляемость процесса осаждения пленки без градиента состава и толщины, управление ростовой анизотропией и плотностью пленки. By adjusting the amplitude and phase of the RF voltage on the substrate and thermostating, controllability of the film deposition process without a gradient in composition and thickness, and control of the growth anisotropy and film density are achieved.
За счет высокой степени очистки рабочего газа в магнетронной камере и устранения попадания распыленного материала катода в рабочую камеру обеспечивается строгая воспроизводимость многокомпонентных тонких пленок. Due to the high degree of purification of the working gas in the magnetron chamber and the elimination of the atomized cathode material entering the working chamber, strict reproducibility of multicomponent thin films is ensured.
За счет подвижности анода вдоль оси достигается определенный тип ростовой анизотропии и управление энергией ионов, бомбардирующих мишень и подложку, обеспечивается устойчивость плазменного шнура. Due to the mobility of the anode along the axis, a certain type of growth anisotropy is achieved and the energy of the ions bombarding the target and substrate is controlled, and the plasma cord is stable.
Выполнение подложкодержателя водоохлаждаемым обеспечивает получение пленок в аморфном состоянии, а его подвижность вдоль своей оси обеспечивает возможность регулировки скорости роста пленки. The implementation of the substrate holder water-cooled provides films in an amorphous state, and its mobility along its axis provides the ability to adjust the film growth rate.
Управление скоростью роста пленки обеспечивается за счет всех перечисленных признаков. The control of the film growth rate is ensured by all of the above features.
Указанные новые свойства обеспечивают получение на предлагаемой установке высококачественных тонких пленок с заданной стехиометрией и структурой от аморфных и поликристаллических до эпитаксиальных пленок химически активных элементов (таких как редкоземельные металлы) и их сплавов с металлами группы железа (d-металлов), а также оксидных соединений, например, высокотемпературных сверхпроводников. These new properties ensure that the proposed installation produces high-quality thin films with a given stoichiometry and structure from amorphous and polycrystalline to epitaxial films of chemically active elements (such as rare-earth metals) and their alloys with metals of the iron group (d-metals), as well as oxide compounds, for example, high-temperature superconductors.
На фиг.1 показана схема предлагаемой установки; на фиг.2-3 графики зависимостей параметров пленок от режимов работы установки. Figure 1 shows a diagram of the proposed installation; figure 2-3 graphs of the dependences of the parameters of the films from the operating modes of the installation.
Установка для получения тонких пленок методом ионно-плазменного распыления состоит из корпуса с рабочей 1 и катодной 2 камерами, соединенными диафрагмой, выполненной в виде сопла 3 с калиброванным отверстием. Сопло 3 электрически изолировано от корпуса с камерами 1 и 2 и соединено с анодом 4, накаливаемым катодом 5 и заземлением 6 через трехпозиционный переключатель 7. Соосно калиброванному отверстию сопла 3 расположены накаливаемый катод 5, анод 4 и соленоиды 8 и 9 соответственно в рабочей камере 1 и в катодной камере 2. Параллельно катодно-анодной оси и напротив друг друга расположены держатель 10 мишени и электроподогреваемый с водяным охлаждением, вращающийся подложкодержатель 11 с установленной на нем подложкой 14. Держатель 10 мишени соединен с источником 12 ВЧ напряжения и источником 13 высоковольтного постоянного напряжения. Подложкодержатель 11 соединен с источником 14 постоянного и источником 12 ВЧ напряжения через фазовращатель 15 с возможностью сдвига фазы относительно ВЧ напряжения на держателе 10 мишени. Система 16 напуска рабочего газа снабжена системой двухстадийной геттерной очистки в виде последовательно соединенных камеры 17 магнетронного распыления с титановой мишенью и катодной камеры 2, снабженной титановым катодным экраном 18 с отверстием, соосным титановому соплу 3. Соленоид 8 в рабочей камере 1 выполнен в виде двух катушек Гельмгольца, между которыми в зоне однородного магнитного поля расположены держатели 10 и 11 мишени и подложки. Сопло 3 может быть сменным, с разными по форме и размерам калиброванными отверстиями. Между держателем 10 мишени и подложками установлена поворотная шторка 19. Installation for producing thin films by ion-plasma spraying consists of a housing with a working 1 and
Анод 4 может перемещаться вдоль анодно-катодной оси. Подложкодержатель 11 может перемещаться вдоль оси, перпендикулярной первой (на фиг.1 не показана). Anode 4 can move along the anode-cathode axis. The
Установка работает следующим образом. Installation works as follows.
После загрузки в рабочую камеру 1 мишеней и подложек она откачивается до вакуума 10-6 мм рт.ст. Затем системой 16 напуска рабочего газа через систему двухстадийной геттерной очистки подается аргон до давления 10-3 мм рт.ст. При этом технический аргон поступает в камеру 17 магнетронного распыления с титановой мишенью. При включении магнетрона распыляемый титан абсорбирует газовые примеси технического аргона и осаждается на стенках камеры 17. Далее рабочий газ подается в катодную камеру 2, где аргон ионизируется разогретым катодом 5. После ионизации возникающая плазма разогревает титановый экран 18 и титановое сопло 3, на которых адсорбируются оставшиеся ионы примесей. После включения соленоидов 8 и 9 подается потенциал +300 В на анод 4 и через трехпозиционный переключатель 7 на сопло 3. При этом сопло 3 становится промежуточным анодом, через калиброванное отверстие которого плазма из катодной камеры 2 вытягивается в рабочую камеру 1. После чего переключатель 7 замыкается на заземление 6 и сопло 3 приобретает потенциал корпуса. Для работы в более глубоком вакууме 8 * 10-4 мм рт.ст. (для получения пленок химически активных материалов) переключателем 7 сопло 3 соединяется с катодом. За счет этого достигается более мягкий режим работы, которым за счет подачи на сопло и катод отрицательного напряжения с разницей -10 В создаются условия, при которых сопло 3 со стороны рабочей камеры является катодом, а со стороны катода промежуточным анодом. Этим обеспечивается устойчивое поддержание плазмы в рабочей камере 1.After loading 1 targets and substrates into the
В случае высокоомной мишени (диэлектрики, полупроводники) на держатель мишени подается ВЧ напряжение, а при низкоомной мишени (металлы) постоянное напряжение (3 кВ). При этом за счет равномерного распределения потенциала по поверхности мишени (металл) постоянное напряжение (3 кВ). При этом за счет равномерного распределения потенциала по поверхности мишени происходит равномерное распыление мишени, чем обеспечивается равномерность по толщине растущей пленки и однородность ее состава при многокомпонентных мишенях. Заслонка 19 служит защитным экраном для подложек при очистке мишени. При открывании заслонки 19 осаждение распыляемого материала производится на подложки. In the case of a high-resistance target (dielectrics, semiconductors), the RF voltage is applied to the target holder, and a constant voltage (3 kV) for a low-resistance target (metals). In this case, due to the uniform distribution of potential over the target surface (metal), a constant voltage (3 kV). Moreover, due to the uniform distribution of the potential over the target surface, the target is sputtered uniformly, which ensures uniformity in the thickness of the growing film and uniformity of its composition for multicomponent targets. The
При росте металлических (низкоомных) пленок на подложкодержатель подается отрицательное напряжение смещения от 0 до -150 В в зависимости от распыляемого материала, заданной скорости напыления, глубины вакуума и заданных параметров пленки. With the growth of metallic (low-resistance) films, a negative bias voltage from 0 to -150 V is applied to the substrate holder, depending on the material being sprayed, the specified deposition rate, the vacuum depth, and the specified film parameters.
На фиг.2 приведена зависимость константы Ки перпендикулярной анизотропии аморфных Gd-Co пленок от величины напряжения смещения Uсм на подложкодержателе.Figure 2 shows the dependence of the constant K and the perpendicular anisotropy of amorphous Gd-Co films on the bias voltage U cm on the substrate holder.
На фиг. 3 приведена зависимость относительной плотности p/p0 пленок от напряжения смещения Uсм на подложкодержателе.In FIG. Figure 3 shows the dependence of the relative density p / p 0 of the films on the bias voltage U cm on the substrate holder.
Поскольку осаждение пленок производится в атмосфере аргона при давлении порядка 10-3-10-4 мм рт.ст. происходит внедрение атомов аргона в материал пленки, образуя микропоры и изменяя ее структуру. Варьируя потенциал смещения на подложке, можно воздействовать на ориентацию, плотность и структуру микропор, тем самым изменять плотность и константы анизотропии осажденных пленок d-металлов.Since the deposition of the films is carried out in an argon atmosphere at a pressure of the order of 10 -3 -10 -4 mm Hg Argon atoms are introduced into the film material, forming micropores and changing its structure. By varying the bias potential on the substrate, one can influence the orientation, density, and structure of micropores, thereby changing the density and anisotropy constants of the deposited d-metal films.
При получении диэлектриков и полупроводников на подложкодержателе в зависимости от заданных свойств пленки варьируют ВЧ смещением по мощности. Upon receipt of dielectrics and semiconductors on a substrate holder, depending on the specified properties of the film, the RF power is varied.
При получении аморфных пленок осаждение ведется на водоохлаждаемую подложку, также варьируются параметры смещения, скорость напыления и расстояние от мишени до подложки исходя из заданных параметров пленки. Upon receipt of amorphous films, deposition is carried out on a water-cooled substrate, the bias parameters, the deposition rate, and the distance from the target to the substrate are also varied based on the given film parameters.
При получении поликристаллических пленок используется электронагрев подложек. Upon receipt of polycrystalline films, the substrate is electrically heated.
Для обеспечения эпитаксиального роста пленок на монокристаллической подложке параметры: скорость роста, напряжение смещения, температура подложки и глубина вакуума подбираются в зависимости от конкретного распыляемого материала. To ensure the epitaxial growth of films on a single-crystal substrate, the parameters: growth rate, bias voltage, substrate temperature, and vacuum depth are selected depending on the particular sprayed material.
Предложенная установка позволяет осаждать пленки со скоростью от 0,2 до 200 нм/мин, в зависимости от распыляемого материала, с заданной стехиометрией, текстурой или структурой. The proposed installation allows the deposition of films with a speed of from 0.2 to 200 nm / min, depending on the sprayed material, with a given stoichiometry, texture or structure.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5066553 RU2046840C1 (en) | 1992-09-24 | 1992-09-24 | Apparatus for obtaining thin films by ion-plasma spraying method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5066553 RU2046840C1 (en) | 1992-09-24 | 1992-09-24 | Apparatus for obtaining thin films by ion-plasma spraying method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2046840C1 true RU2046840C1 (en) | 1995-10-27 |
Family
ID=21615296
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU5066553 RU2046840C1 (en) | 1992-09-24 | 1992-09-24 | Apparatus for obtaining thin films by ion-plasma spraying method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2046840C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2485209C1 (en) * | 2011-11-17 | 2013-06-20 | Учреждение Российской академии наук Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИАПУ ДВО РАН) | Formation method of ultrathin film |
RU2486279C1 (en) * | 2011-11-17 | 2013-06-27 | Учреждение Российской академии наук Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИАПУ ДВО РАН) | Method of forming ultrathin film |
RU2487188C1 (en) * | 2011-11-21 | 2013-07-10 | Учреждение Российской академии наук Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИАПУ ДВО РАН) | Method for formation of ultrathin film |
-
1992
- 1992-09-24 RU SU5066553 patent/RU2046840C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Иванов Р.Д. Магнитные металлические пленки в микроэлектронике. М.: Сов.радио, 1980, с.88. * |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2485209C1 (en) * | 2011-11-17 | 2013-06-20 | Учреждение Российской академии наук Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИАПУ ДВО РАН) | Formation method of ultrathin film |
RU2486279C1 (en) * | 2011-11-17 | 2013-06-27 | Учреждение Российской академии наук Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИАПУ ДВО РАН) | Method of forming ultrathin film |
RU2487188C1 (en) * | 2011-11-21 | 2013-07-10 | Учреждение Российской академии наук Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИАПУ ДВО РАН) | Method for formation of ultrathin film |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4941915A (en) | Thin film forming apparatus and ion source utilizing plasma sputtering | |
EP0328076B1 (en) | Thin film forming apparatus and ion source utilizing sputtering with microwave plasma | |
KR960002632B1 (en) | The method and the equipment for plasma-energized magnetron sputtering vapor deposition | |
KR100333800B1 (en) | An apparatus for generation of a linear arc discharge for plasma processing | |
US4992153A (en) | Sputter-CVD process for at least partially coating a workpiece | |
KR100547404B1 (en) | Coils for generating a plasma and for sputtering | |
US6113752A (en) | Method and device for coating substrate | |
US5000834A (en) | Facing targets sputtering device | |
US5431799A (en) | Collimation hardware with RF bias rings to enhance sputter and/or substrate cavity ion generation efficiency | |
US10056237B2 (en) | Low pressure arc plasma immersion coating vapor deposition and ion treatment | |
CA2326202C (en) | Method and apparatus for deposition of biaxially textured coatings | |
Musil et al. | High‐rate magnetron sputtering | |
RU2046840C1 (en) | Apparatus for obtaining thin films by ion-plasma spraying method | |
CZ278295B6 (en) | Process of sputtering layers and apparatus for making the same | |
JPH04235276A (en) | Device for coating substrate | |
CA3103016A1 (en) | Single beam plasma source | |
CN101864559B (en) | Grid mesh magnetron sputtering hafnium evaporation method | |
Valderrama et al. | High-RRR thin-films of NB produced using energetic condensation from a coaxial, rotating vacuum ARC plasma (CEDTM) | |
Wiatrowski et al. | Pulsed-DC selfsputtering of copper | |
KR930008340B1 (en) | Sputtering device | |
JP2955667B2 (en) | Method and apparatus for preparing a mixture thin film | |
JP2007308728A (en) | Method for forming crystalline thin film | |
JPH0688222A (en) | Sputter ion plating device | |
JP2687468B2 (en) | Thin film forming equipment | |
Gulbiński | Deposition of thin films by sputtering |