RU2371514C1 - Dual magnetron spray-type system - Google Patents
Dual magnetron spray-type system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2371514C1 RU2371514C1 RU2008134254/02A RU2008134254A RU2371514C1 RU 2371514 C1 RU2371514 C1 RU 2371514C1 RU 2008134254/02 A RU2008134254/02 A RU 2008134254/02A RU 2008134254 A RU2008134254 A RU 2008134254A RU 2371514 C1 RU2371514 C1 RU 2371514C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetrons
- polarity
- magnetron
- magnetic
- planar
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к плазменной технике и предназначено для нанесения на поверхность твердых тел пленок из металлов и их соединений, синтезированных в результате взаимодействия атомов, распыленных с поверхности металлического катода, и газовой среды.The invention relates to a plasma technique and is intended for depositing films of metals and their compounds synthesized by the interaction of atoms sprayed from the surface of a metal cathode and a gaseous medium onto the surface of solids.
Основным узлом установки для нанесения покрытий является магнетронная распылительная система. Магнетронная распылительная система содержит анод и катодный узел, который состоит из магнитной системы и распыляемой мишени. Силовые линии магнитного поля располагаются вдоль поверхности мишени. При подаче постоянного напряжения между катодом (мишенью) и анодом в среде рабочего газа зажигают тлеющий разряд. Магнитное поле локализует плазму непосредственно у мишени. Эмитированные с поверхности мишени электроны под действием электрического и магнитного полей двигаются вдоль ее поверхности по сложным циклическим траекториям, ионизируя атомы газовой среды. Это приводит к росту концентрации ионов в плазме и увеличению скорости распыления мишени.The main assembly unit for coating is a magnetron spray system. The magnetron sputtering system comprises an anode and a cathode assembly, which consists of a magnetic system and a sputtering target. The magnetic field lines are located along the target surface. When a constant voltage is applied between the cathode (target) and the anode, a glow discharge is ignited in the working gas medium. A magnetic field localizes the plasma directly at the target. Electrons emitted from the target surface under the action of electric and magnetic fields move along its surface along complex cyclic trajectories, ionizing the atoms of the gaseous medium. This leads to an increase in the concentration of ions in the plasma and an increase in the sputtering rate of the target.
Известные конструкции планарных магнетронных распылительных систем (см. Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. - М.: Радио и связь, 1982, с.11) предполагают наличие плоского катодного узла и анода, подключенных к источнику постоянного напряжения. Катодный узел в самом общем случае содержит магнитный блок и водоохлаждаемую мишень, которая представляет собой пластину из распыляемого материала, покрывающую магнитный блок.Known designs of planar magnetron sputtering systems (see Danilin B.S., Syrchin V.K. Magnetron sputtering systems. - M.: Radio and Communications, 1982, p. 11) suggest the presence of a flat cathode assembly and anode connected to a constant source voltage. The cathode assembly in the most general case contains a magnetic block and a water-cooled target, which is a plate of atomized material covering the magnetic block.
Однако реактивное напыление Sn, Ti или Al при постоянном токе неэффективно из-за неустойчивости процесса и образования дуги, которая возникает у катода, покрывающегося оксидным изоляционным слоем. Диэлектрическая пленка снижает выход атомов при распылении мишени и изменяет ее эмиссионные свойства. Образование дуги может быть уменьшено за счет периодической разгрузки катода, например, при использовании генератора переменного тока. Однако это не предотвращает осаждение изоляционного материала на стенах камеры, что приводит к гашению разряда («проблема исчезающего анода»). Напыление на высоких частотах, как возможная альтернатива, неприемлемо из-за низких скоростей напыления желаемых материалов.However, reactive sputtering of Sn, Ti, or Al at a constant current is inefficient due to process instability and the formation of an arc, which occurs at the cathode coated with an oxide insulating layer. A dielectric film reduces the yield of atoms upon sputtering of a target and changes its emission properties. Arc formation can be reduced by periodically unloading the cathode, for example, by using an alternator. However, this does not prevent the deposition of insulating material on the walls of the chamber, which leads to quenching of the discharge (“the problem of the disappearing anode”). Spraying at high frequencies, as a possible alternative, is unacceptable due to the low spraying rates of the desired materials.
За прототип выбрана дуальная магнетронная распылительная система, описанная в патенте США №6361668 B1, С23С 14/34. Sputtering installation with two longitudinally placed magnetrons / Johannes Struempfel; Guenter Beister; Wolfgang Erbkamm; Stanley Rehn, all of Dresden (DE). - Опубликован 26.03.2002 г. Она содержит два планарных магнетрона, расположенных рядом друг с другом в одной плоскости, Каждый из магнетронов содержит корпус, магнитную систему и катод-мишень. Между магнетронами расположен магнитный шунт, выполненный из магнитной стали, который перераспределяет магнитные поля, связывая магнетроны между собой. Магнетроны подключены к системе питания с изменяемой полярностью. Когда на магнетроны подается отрицательный потенциал, происходит распыление мишени ионами рабочего газа, а когда положительный - плазменные электроны высаживаются на поверхность и разряжают диэлектрическую пленку, очищая катод.The dual magnetron sputtering system described in US Pat. No. 6,363,668 B1,
Конструкции магнетронных распылительных систем должны обеспечивать высокую скорость распыления, минимальное отрицательное воздействие на обрабатываемые изделия, равномерность нанесения покрытий по толщине, высокую надежность работы и т.д. Здесь немаловажную роль играет конструкция магнитной системы, так как от нее зависит распределение электрического потенциала в пространстве, а следовательно, режим горения разряда.The design of magnetron sputtering systems should provide a high atomization rate, minimal negative impact on the processed products, uniform coating thickness, high reliability, etc. Here, the construction of the magnetic system plays an important role, since the distribution of the electric potential in space, and, consequently, the mode of combustion of the discharge, depends on it.
Таким образом, задачей изобретения является создание магнетронной распылительной системы, стабильно работающей при напылении оксидов металлов и обеспечивающей высокие скорости напыления.Thus, the object of the invention is to provide a magnetron sputtering system that stably operates during the deposition of metal oxides and provides high deposition rates.
Техническим результатом изобретения является повышение равномерности процесса распыления мишени во времени при увеличенном коэффициенте распыления.The technical result of the invention is to increase the uniformity of the process of sputtering the target in time with an increased sputtering coefficient.
Для решения этой задачи предлагаемая система, как и прототип, содержит два планарных магнетрона, расположенных в одной плоскости рядом друг с другом. Каждый магнетрон, в свою очередь, содержит корпус, магнитную систему и плоскую мишень. Оба магнетрона подключены к системе питания с изменяемой полярностью.To solve this problem, the proposed system, like the prototype, contains two planar magnetrons located in the same plane next to each other. Each magnetron, in turn, contains a body, a magnetic system, and a flat target. Both magnetrons are connected to a polarity reversible power system.
В отличие от прототипа оба магнетрона размещены в дополнительном общем корпусе изолировано от него, а между магнетронами расположена дополнительная магнитная система, полярность которой совпадает с полярностью центральных магнитов планарных магнетронов. Система питания подключена к магнетронам так, что на магнетроны одновременно подаются импульсы противоположной полярности.Unlike the prototype, both magnetrons are located in an additional common housing isolated from it, and between the magnetrons there is an additional magnetic system, the polarity of which coincides with the polarity of the central magnets of planar magnetrons. The power system is connected to the magnetrons so that the pulses of the opposite polarity are simultaneously fed to the magnetrons.
Использование общего корпуса для двух планарных магнетронов позволяет изолировать их от стенок вакуумной камеры и предотвратить запыление корпусов магнетронов, что привело бы к нестабильности горения разряда. Введение дополнительной магнитной системы увеличивает силу магнитного поля, препятствуя уходу электронов из системы, что в свою очередь увеличивает скорость напыления пленок. Разнополярное питание магнетронов позволяет передать функцию анода от одного катодного узла к другому. В одном полупериоде катод окисляется, в другом очищается.The use of a common housing for two planar magnetrons makes it possible to isolate them from the walls of the vacuum chamber and prevent dusting of the magnetron bodies, which would lead to instability of the discharge burning. The introduction of an additional magnetic system increases the strength of the magnetic field, preventing the escape of electrons from the system, which in turn increases the rate of deposition of films. Bipolar supply of magnetrons allows you to transfer the function of the anode from one cathode node to another. In one half-cycle, the cathode is oxidized, in the other it is purified.
Изобретение иллюстрируется графическими материалами, где на фиг.1 схематически представлена конструкция предлагаемой дуальной магнетронной распылительной системы, а на фиг.2 приведена блок-схема одного из возможных вариантов реализации источника питания с изменяемой полярностью.The invention is illustrated by graphic materials, where figure 1 schematically shows the design of the proposed dual magnetron sputtering system, and figure 2 shows a block diagram of one of the possible options for implementing a power source with a variable polarity.
Планарные магнетроны 1 и 2 расположены в одной плоскости рядом друг с другом и закреплены в общем корпусе 10 при помощи керамических изоляторов 8. При этом оба магнетрона изолированы друг от друга. Планарный магнетрон 1 состоит из корпуса 3, выполненного из немагнитного материала и являющегося внешним магнитопроводом. В центре его расположен блок постоянных магнитов 4, служащий источником магнитного поля устройства и одновременно центральным магнитопроводом. По периметру магнетрона расположены боковые магниты 9, являющиеся боковым магнитопроводом. Корпус магнетрона 1 покрывает плоская мишень 5. Магнетрон 2 имеет аналогичную конструкцию. Его корпус 3а также выполнен из немагнитного материала и имеет в центре блок постоянных магнитов 4а, а по бокам магниты 9а, которые выполняют те же функции, что и магнитная система магнетрона 1. Корпус магнетрона 2 закрыт плоской мишенью 5а. Между планарными магнетронами 1 и 2 расположена дополнительная магнитная система 6, выполненная из постоянных магнитов, силовые линии которых замыкаются на магнитные системы каждого из соседних магнетронов. Полярность дополнительной магнитной системы совпадает с полярностью центральных магнитов 4 и 4а.
Система питания показана на фиг.2 и представляет собой импульсный блок питания, имеющий два выхода по числу планарных магнетронов. Один выход подключен к одному планарному магнетрону, второй - к другому. В первый момент времени на один планарный магнетрон подается отрицательное напряжение, на второй - положительное. Затем с помощью преобразователя 14 происходит переключение полярностей на обоих выходах блока питания. Процесс переключения полярностей контролируется процессором 13, значения тока и напряжения, подаваемые на магнетроны, задаются с помощью органов управления 12 и выводятся с помощью световой индикации 15 на дисплей 11.The power system is shown in figure 2 and is a switching power supply having two outputs in the number of planar magnetrons. One output is connected to one planar magnetron, the second to another. At the first moment of time, a negative voltage is applied to one planar magnetron, and a positive voltage to the second. Then, using the Converter 14, the polarity is switched at both outputs of the power supply. The process of switching the polarities is controlled by the processor 13, the current and voltage supplied to the magnetrons are set using the
Работает устройство следующим образом.The device operates as follows.
Постоянные магниты 4, 4а, 9, 9а, и 6 создают продольное магнитное поле, расположение силовых линий 7 которого показано на фиг.1. К одному планарному магнетрону от источника питания подключено положительное напряжение, а к другому отрицательное. Таким образом, один магнетрон является катодом, а другой анодом.
Когда на магнетрон 1 подается отрицательный потенциал, он начинает притягивать положительно заряженные ионы рабочего газа из плазмы. Ускоренные ионы бомбардируют и распыляют мишень 5, одновременно передавая ей свой заряд. При этом мишень 5 накапливает положительный заряд. Поле этого заряда компенсирует первоначальное поле магнетрона, находящегося под отрицательным потенциалом, и дальнейшее распыление становится невозможным, так как ионы из разряда не притягиваются к мишени 5. Одновременно на магнетрон 2 подается положительный потенциал, и второй магнетрон выполняет функцию анода. Затем полярность напряжения на магнетронах меняется. После смены полярности положительный потенциал подается на магнетрон 1, и он притягивает электроны, которые нейтрализуют заряд ионов, превращая их в атомы, таким образом очищая мишень 5 магнетрона 1. В это время магнетрон 2 выполняет функцию катода. Т.е. ускоренные из плазмы рабочего газа ионы бомбардируют мишень 5а, которая распыляется и на ней идет накопление положительного заряда, тормозящего процесс распыления. При очередной смене полярности начинает распыляться очищенная от окислов мишень 5.When a negative potential is applied to
Функция анода последовательно переходит от одного катодного узла к другому. Таким образом мишени 5 и 5а поочередно распыляются и очищаются. Электрический разряд горит между парой магнетронов 1 и 2 и запыление поверхности рабочей камеры оксидными пленками не влияет на свойства разряда, т.е. конструкция лишена недостатков, связанных с «проблемой исчезающего анода».The function of the anode is sequentially transferred from one cathode assembly to another. Thus, targets 5 and 5a are alternately sprayed and cleaned. An electric discharge burns between a pair of
Смена полярности на магнетронах происходит с частотой 1-100 кГц. Замкнутое магнитное поле у поверхности позволяет лучше удерживать плазму разряда непосредственно у мишени 5. Наличие дополнительной магнитной системы 6 препятствует уходу электронов из системы. Это приводит к значительному росту степени ионизации плазмы, что в свою очередь повышает скорость распыления мишеней 5 и 5а, а следовательно, и повышает скорость напыления пленок. Одновременная подача отрицательного и положительного потенциалов на магнетроны позволяет получать высококачественные покрытия, т.к. напыление происходит непрерывно и во время очистки одного из магнетронов загрязнения подложки не происходит (в это время происходит напыление другим магнетроном).The change of polarity on magnetrons occurs with a frequency of 1-100 kHz. A closed magnetic field at the surface makes it possible to better hold the discharge plasma directly at the
Таким образом, предлагаемая конструкция МРС позволяет напылять оксидные пленки с более высокой скоростью.Thus, the proposed design of the MPC allows you to spray oxide films with a higher speed.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008134254/02A RU2371514C1 (en) | 2008-08-20 | 2008-08-20 | Dual magnetron spray-type system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008134254/02A RU2371514C1 (en) | 2008-08-20 | 2008-08-20 | Dual magnetron spray-type system |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2371514C1 true RU2371514C1 (en) | 2009-10-27 |
Family
ID=41353141
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2008134254/02A RU2371514C1 (en) | 2008-08-20 | 2008-08-20 | Dual magnetron spray-type system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2371514C1 (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2467878C2 (en) * | 2011-01-24 | 2012-11-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) | Method of applying heat-resistant coating |
RU2602571C2 (en) * | 2011-04-20 | 2016-11-20 | Эрликон Серфиз Солюшнз Аг, Пфеффикон | High-power sputtering source |
RU175205U1 (en) * | 2016-10-07 | 2017-11-28 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Изовак" | MAGNETRON SPRAY SYSTEM OF CYLINDRICAL TYPE |
RU180112U1 (en) * | 2017-04-20 | 2018-06-04 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Поволжский государственный технологический университет" | Magnetron with increased utilization of the target material |
RU2741614C2 (en) * | 2015-11-12 | 2021-01-27 | Эрликон Серфис Сольюшнс Аг, Пфеффикон | Layout circuit and ion-plasma spraying method for optimized energy flow distribution |
-
2008
- 2008-08-20 RU RU2008134254/02A patent/RU2371514C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2467878C2 (en) * | 2011-01-24 | 2012-11-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) | Method of applying heat-resistant coating |
RU2602571C2 (en) * | 2011-04-20 | 2016-11-20 | Эрликон Серфиз Солюшнз Аг, Пфеффикон | High-power sputtering source |
RU2741614C2 (en) * | 2015-11-12 | 2021-01-27 | Эрликон Серфис Сольюшнс Аг, Пфеффикон | Layout circuit and ion-plasma spraying method for optimized energy flow distribution |
RU175205U1 (en) * | 2016-10-07 | 2017-11-28 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Изовак" | MAGNETRON SPRAY SYSTEM OF CYLINDRICAL TYPE |
RU180112U1 (en) * | 2017-04-20 | 2018-06-04 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Поволжский государственный технологический университет" | Magnetron with increased utilization of the target material |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR100899483B1 (en) | System and method for controlling ion density and energy using modulated power signals | |
Kouznetsov et al. | A novel pulsed magnetron sputter technique utilizing very high target power densities | |
US9941102B2 (en) | Apparatus for processing work piece by pulsed electric discharges in solid-gas plasma | |
JP4208970B2 (en) | Continuous deposition of insulating materials using multiple anodes with alternating positive and negative voltages | |
US20060278524A1 (en) | System and method for modulating power signals to control sputtering | |
RU2371514C1 (en) | Dual magnetron spray-type system | |
US6337001B1 (en) | Process for sputter coating, a sputter coating source, and sputter coating apparatus with at least one such source | |
JP4452333B2 (en) | Surface coating method using apparatus equipped with sputter electrode | |
US20150136585A1 (en) | Method for sputtering for processes with a pre-stabilized plasma | |
JPH04325680A (en) | Device for attaching reactive film onto substrate | |
US20100276283A1 (en) | Vacuum coating unit for homogeneous PVD coating | |
US6620299B1 (en) | Process and device for the coating of substrates by means of bipolar pulsed magnetron sputtering and the use thereof | |
US20070068794A1 (en) | Anode reactive dual magnetron sputtering | |
US20140238852A1 (en) | Cylindrical evaporation source | |
JPH05148644A (en) | Sputtering apparatus | |
JP2020503436A (en) | Sputter deposition source, sputter deposition apparatus, and method for depositing a layer on a substrate | |
JP2009280882A (en) | Sputtering apparatus | |
KR100480357B1 (en) | Film deposition apparatus having dual magnetron sputtering system and ion beam source which are synchronized | |
Glocker et al. | Recent developments in inverted cylindrical magnetron sputtering | |
RU2242821C2 (en) | Magnetron spraying system | |
RU2601903C2 (en) | Method for deposition of thin-film coatings on surface of semiconductor heteroepitaxial structures by magnetron sputtering | |
Yukimura et al. | Electrical characteristics of arc-free high-power pulsed sputtering glow plasma | |
RU182457U1 (en) | Installation for vacuum magnetron sputtering of thin films | |
TW202108799A (en) | Pulsed dc sputtering systems and methods | |
JPH07243039A (en) | Dc-magnetron reactive sputtering method |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170821 |