RU2066704C1

RU2066704C1 - Device for deposition of thin films in vacuum

Info

Publication number: RU2066704C1
Application number: RU92010553A
Authority: RU
Inventors: В.Н. Анциферов; С.П. Косогор
Original assignee: Республиканский инженерно-технический центр порошковой металлургии
Priority date: 1992-12-08
Filing date: 1992-12-08
Publication date: 1996-09-20

Abstract

FIELD: microelectronics. SUBSTANCE: device for deposition of thin films in vacuum has vacuum chamber with substrate holder, evaporator incorporating cathode, anode and igniting electrode, water-cooled drop catcher installed between cathode and substrate holder. Water-cooled drop catcher has height equal to diameter of cathode and is placed equidistantly from cathode and substrate holder. EFFECT: simplified design, manufacture of homogeneous condensates without drop phase with high speed of their deposition. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к технологии нанесения металлических покрытий и может использоваться в микроэлектронике. The invention relates to a technology for applying metal coatings and can be used in microelectronics.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для нанесения тонких пленок в вакууме, содержащее вакуумную камеру, электродуговой испаритель, состоящий из катода, анода и поджигающего электрода. (Авт. свид. СССР N 1368807, кл. С 23 С 14/32; 1978 г.). Низкая производительность данного устройства по нанесению тонких пленок объясняется тем, что подложки располагаются практически под отрицательным углом к испарителю, что является одним из основных недостатков. Closest to the proposed is a device for applying thin films in vacuum, containing a vacuum chamber, an electric arc evaporator, consisting of a cathode, anode and an ignition electrode. (Auth. Certificate. USSR N 1368807, class C 23 C 14/32; 1978). The low productivity of this device for applying thin films is explained by the fact that the substrates are located almost at a negative angle to the evaporator, which is one of the main disadvantages.

Предлагаемое устройство для нанесения тонких пленок в вакууме, содержащее вакуумную камеру и испаритель, состоящий из катода, анода и поджигающего электрода, отличается тем, что оно снабжено подложкодержателем и водоохлаждаемым каплеуловителем, между катодом и подложкодержателем установлен водоохлаждаемый каплеуловитель, который имеет высоту, равную диаметру катода и одинаково удален от катода и подложкодержателя. The proposed device for applying thin films in vacuum, containing a vacuum chamber and an evaporator, consisting of a cathode, anode and an ignition electrode, is characterized in that it is equipped with a substrate holder and a water-cooled droplet eliminator, a water-cooled droplet eliminator is installed between the cathode and the substrate holder, which has a height equal to the diameter of the cathode and equally distant from the cathode and substrate holder.

Наличие водоохлаждаемого каплеуловителя в устройстве для нанесения тонких пленок в вакууме позволяет получать покрытия, осаждаемые на подложку без капель, в связи с тем, что при распылении катода капли имеют прямолинейную траекторию. Это обеспечивает получение покрытия с заданной структурой при достаточно высокой скорости нанесения благодаря высокой плотности плазменного потока за каплеуловителем. Таким образом, предлагаемое устройство, отличающееся простотой конструкции, позволяет получать качественные однородные конденсат без капельной фазы с высокой скоростью их нанесения. The presence of a water-cooled droplet eliminator in the device for applying thin films in vacuum allows to obtain coatings deposited on the substrate without drops, due to the fact that when the cathode is atomized, the droplets have a straight path. This provides a coating with a given structure at a sufficiently high deposition rate due to the high density of the plasma stream behind the droplet eliminator. Thus, the proposed device, characterized by simplicity of design, allows to obtain high-quality homogeneous condensate without a drop phase with a high speed of their application.

На фиг. 1 представлено заявляемое устройство, вид сбоку; на фиг.2 вид сверху. In FIG. 1 presents the inventive device, side view; figure 2 is a top view.

Предлагаемое устройство для нанесения тонких пленок в вакууме содержит вакуумную камеру 1 и испаритель 2, состоящий из катода 3, анода 4 и поджигающего электрода 5. Внутри камеры 1 соосно с катодом 3 последовательно установлены водоохлаждаемый каплеуловитель 6 и подложкодержатель 8. Водоохлаждаемый каплеуловитель 6 выполнен из хорошо теплопроводного материала, например, меди и имеет высоту, равную высоте образца 7, установленного на подложкодержателе 8, и диаметру катода 3. Это позволяет полностью экранировать или улавливать все капли направленные с торцевой испаряемой поверхности катода 3 и тем самым создать оптимальную конструкцию устройства при максимальной скорости нанесения пленки без изменения энергетических характеристик плазменного потока. The proposed device for applying thin films in a vacuum contains a vacuum chamber 1 and an evaporator 2, consisting of a cathode 3, anode 4 and an ignition electrode 5. A water-cooled droplet eliminator 6 and a substrate holder 8. are installed in series with the cathode 3 in coaxial with cathode 3. The water-cooled droplet eliminator 6 is made of well heat-conducting material, for example, copper, and has a height equal to the height of the sample 7 mounted on the substrate holder 8 and the diameter of the cathode 3. This allows you to completely screen or capture all the drops directed connected with the end surface of the evaporated cathode 3 and thereby create the optimal design of the device at the maximum film deposition rate without changing the energy characteristics of the plasma flow.

При высоте каплеуловителя 6, превышающей диаметр катода 3 снижается скорость нанесения покрытия за счет уменьшения концентрации электронов и ионов, так как основная часть плазменного потока оказывается экранированной, а если высота каплеуловителя 6 меньше диаметра катода 3, капельная фаза попадает на подложкодержатель 8 и образцы 7. Это объясняется тем, что капли при распылении металла распределяются практически изотропно (разлет капель показан на фиг. 1 и 2), а при распылении катода 3 в верхней и нижней его точках капли могут попасть на подложку, что приведет к ухудшению качества пленки. Ширина каплеуловителя 6 выбирается равной ширине анода 1. Такой выбор позволяет увеличить площадь нанесения покрытия или пленки и исключить попадание капель с боковых сторон испарителя. Водоохлаждение к каплеуловителю 6 подводится автономно через медные водоохлаждаемые трубки. Для меньшего нагpева каплеуловитель 6 может быть электрически изолирован от корпуса вакуумной камеры 1. When the height of the droplet eliminator 6 exceeds the diameter of the cathode 3, the deposition rate decreases due to a decrease in the concentration of electrons and ions, since the main part of the plasma flow is shielded, and if the height of the droplet eliminator 6 is less than the diameter of the cathode 3, the droplet phase enters the substrate holder 8 and samples 7. This is because the droplets during the atomization of the metal are distributed almost isotropically (the expansion of the droplets is shown in Figs. 1 and 2), and when the cathode 3 is atomized, the droplets can fall onto the base LCD, which will lead to deterioration in the quality of the film. The width of the droplet eliminator 6 is chosen equal to the width of the anode 1. This choice allows you to increase the area of the coating or film and prevent droplets from the sides of the evaporator. Water cooling to the drip catcher 6 is supplied autonomously through water-cooled copper tubes. For less heating, the droplet eliminator 6 can be electrically isolated from the housing of the vacuum chamber 1.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

В вакуумной камере 1 между катодом 3 и анодом 4 посредством поджигающего электрода 5 создается вакуумная дуга, горящая в парах материала катода 3. По рабочей торцевой поверхности катода 3 хаотично передвигаются катодные микропятна, представляющие собой ограниченные участки поверхности с плотностью тока, достигающей значения 10⁸ А/см². При такой плотности тока материал катода 3 расплавляется, испаряется, частично ионизируется и разбрызгивается. При распылении катода 3 в испарителе 2 низковольтной сильноточной вакуумной дугой, функционирующей в быстроперемещающихся микропятнах, капельная фаза изотропно прямолинейно разлетается из зоны пятна (см. фиг.2) в направлении подложкодержателя 8 и осаждается на каплеуловителе 6, в плазменный поток, состоящий из пара и ионов, осаждается как на каплеуловитель 6, так и на подложкодержатель 8 с образцами 7, вследствие хаотичного движения ионов и электронов в плазменном потоке.A vacuum arc is created in the vacuum chamber 1 between the cathode 3 and the anode 4 by means of the ignition electrode 5 and burns in the vapor of the cathode material 3. Cathode spots move randomly along the working end surface of the cathode 3, which are limited sections of the surface with a current density reaching 10 ⁸ A / cm ² . At such a current density, the material of the cathode 3 melts, evaporates, partially ionizes, and sprays. When the cathode 3 is sprayed in the evaporator 2 with a low-voltage high-current vacuum arc operating in rapidly moving microspots, the droplet phase isotropically rectilinearly scatters from the spot zone (see Fig. 2) in the direction of substrate holder 8 and is deposited on droplet eliminator 6 into a plasma stream consisting of steam and ion precipitates both on the droplet eliminator 6 and on the substrate holder 8 with samples 7, due to the random movement of ions and electrons in the plasma stream.

В РИТЦ ПМ была испытана экспериментальная установка для нанесения тонких пленок в вакууме заявляемой конструкции с использованием медных, хромовых и других катодов диаметром 70 мм. Водоохлаждаемый каплеуловитель прямоугольной формы размерами 70 • 185 мм устанавливали на расстоянии 180 мм как от катода, так и от подложкодержателя. Распыление осуществляли низковольтной дугой при токе 80 А. В результате получали однородные по всей длине пленки без капельной фазы. Исследования по выявлению капельной фазы, проведенные на оптическом микроскопе "Neobhot-21" при увеличении в 2000 раз показали, что использование данного устройства позволяет получать однородные тонкие пленки без капельной фазы со скоростью ≈ 0,2 нм/с. At RITC PM, an experimental setup for applying thin films in a vacuum of the claimed design using copper, chromium and other cathodes with a diameter of 70 mm was tested. A water-cooled droplet eliminator of rectangular shape with dimensions of 70 • 185 mm was installed at a distance of 180 mm both from the cathode and from the substrate holder. Spraying was carried out by a low-voltage arc at a current of 80 A. As a result, films uniform over the entire length without a droplet phase were obtained. Studies on the detection of the droplet phase, carried out with a Neobhot-21 optical microscope with a 2000-fold increase, showed that the use of this device allows one to obtain uniform thin films without a droplet phase at a speed of ≈ 0.2 nm / s.

Таким образом, изготовление каплеуловителя предназначенного для улавливания капель способствует тому, что на подложкодержателе, установленном соосно катоду и каплеуловителю при условии равенства диаметра катода, высоте каплеуловителя и подложкодержателя с образцами, на последнем будет отсутствовать капельная фаза, потому что спектр разлета капель будет ограничен высотой каплеуловителя, а плазменный поток за каплеуловителем в области подложкодержателя будет состоять из ионов металла и незначительного количества пара 1-2% в зависимости от вида испаряемого материала катода. Предлагаемое устройство позволит получать тонкие пленки с высоким качеством при распылении катодов в электродуговых генераторах плазмы низковольтной, сильноточной дугой. Данные пленки могут быть использованы в радио-, микроэлектронике и других отраслях промышленности, где необходимы однородные пленки и покрытия с высокими физико- и химико-механическими свойствами. Thus, the manufacture of a droplet eliminator designed to capture droplets ensures that the droplet phase is absent on the substrate holder, which is equal to the cathode diameter, the height of the droplet eliminator and the substrate holder with the samples, because the expansion spectrum of the droplets will be limited by the height of the droplet eliminator and the plasma flow behind the droplet eliminator in the region of the substrate holder will consist of metal ions and a small amount of steam 1-2% depending on ty on the type of evaporated cathode material. The proposed device will allow to obtain thin films with high quality when spraying the cathodes in electric arc plasma generators with a low-voltage, high-current arc. These films can be used in radio, microelectronics and other industries where uniform films and coatings with high physical and chemical-mechanical properties are needed.

Claims

1. A device for applying thin films in vacuum, containing a vacuum chamber and an evaporator, consisting of a cathode, anode and an ignition electrode, characterized in that it is equipped with a substrate holder and a water-cooled droplet separator installed between the cathode and the substrate holder.

2. The device according to claim 1, characterized in that the water-cooled droplet eliminator is made with a height equal to the diameter of the cathode, and is installed at an equal distance from the cathode and the substrate holder.