RU2550464C2 - Способ и устройство для быстрого нагревания и охлаждения подложки и немедленного последующего нанесения на нее покрытия в вакууме - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к способу и устройству для нанесения покрытия на горячую подложку в вакуумной камере. Осуществляют размещение подложки (20) на подложкодержателе (24) таким образом, чтобы нижняя поверхность (21а) подложки контактировала с подложкодержателем поверхность к поверхности,подъем подложки (20) на расстояние d относительно подложкодержателя, нагрев поднятой подложки через ее верхнюю поверхность (21b) с помощью нагревательного устройства (22), немедленное последующее нанесение покрытия на горячую подложку, опускание подложки на подложкодержатель (24) и охлаждение подложки. Упомянутое устройство для нанесения покрытия на горячую подложку в вакуумной камере содержит подложкодержатель (24) с подъемным устройством (23) для подъема подложки (20), нижняя поверхность (21а) которой размещена на подложкодержателе (24), нагревательное устройство (22) для нагрева поднятой подложки (20) через ее верхнюю поверхность, и средство (29) для нанесения покрытия на подложку (20) сразу после нагрева. Обеспечивается быстрый нагрев и охлаждение подложки для последующего немедленного нанесения на нее покрытия в той же самой вакуумной камере. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для нагревания и/или охлаждения подложки в вакуумной камере. Затем нагретую подложку можно, например, сразу после этого, снабдить особым покрытием и позднее охладить до более низкой температуры.

Покрытие подложек тонкими слоями в вакууме напылением (PVD), химическим осаждением из паровой фазы (CVD), испарением и другими способами является общим методом, часто применяющимся в промышленности для получения особых функциональных слоев. Типичными примерами являются полупроводниковая промышленность, а также гелиоэнергетическая промышленность для производства солнечных элементов. Не собираясь ограничивать этим применимость представленного здесь способа, этот способ будет пояснен в качестве примера на основе получения особых магнитных многослойных структур.

Получение хорошо структурированных тонких слоев и многослойных структур на подложке в вакуумной камере важно, например, для получения магнитных туннельных контактов. Такие магнитные туннельные контакты являются существенными компонентами MRAM (магниторезистивная оперативная память), но они используются также, например, как датчики магнитного поля для считывания сохраненной информации в тонкослойных головках накопителей на жестких дисках. Здесь становится действенным так называемый эффект TMR (туннельное магнетосопротивление) или также так называемый эффект GMR (гигантское магнетосопротивление). Пример типичного пакета слоев показан на фиг.1.

Слои 1, 2 (имеющие особые магнитные ориентации, "закрепленные слои") и 3 ("свободный слой") выполнены из ферромагнитного материала. Показанные стрелки указывают направление намагниченности, которое лежит в плоскости слоя. Толщина отдельных слоев может варьироваться от менее 1,0 нм до нескольких десятков нм.

Последние разработки показали, что для получения высокоплотных MRAM необходимо ориентировать направление намагниченности по меньшей мере в некоторых из ферромагнитных слоев, присутствующих в наборе слоев перпендикулярно плоскости слоя. Такая перпендикулярная ориентация намагниченности может быть достигнута, наряду с прочим, тем, что особые ферромагнитные сплавы (например, CoPt, FePt, FePd) наносятся на горячую подложку методом катодного напыления. Требуемые температуры подложки лежат в диапазоне от 250°C до 500°C. Однако другие слои в наборе слоев должны, как и раньше, осаждаться на подложку при комнатной температуре, чтобы достичь требуемых свойств.

В области записывающих и считывающих головок для магнитных жестких дисков использование особых ферромагнитных материалов с высокой спиновой поляризацией может быть предпочтительным в слоистых системах со структурой, близкой к показанной на фиг.1. Упомянутыми материалами являются, прежде всего, так называемые, сплавы Гейслера. В этом случае для достижения желаемых свойств слоя также необходимо, чтобы материал наносился на горячую подложку. Однако и здесь другие слои в наборе слов должны наноситься на подложку при комнатной температуре.

И в других способах покрытия, а не только в связи с магниторезистивными датчиками, также может быть желательным нанесение тонких слоев на подложки при строго определенных, в основном высоких, температурах с чередованием с другими, "холодными" технологическими этапами.

Таким образом, для процессов покрытия такого рода, которые обычно проводятся в вакуумной камере, следует принимать во внимание множество условий и аспектов.

(a) Вообще говоря, вышеупомянутые тонкослойные системы следует производить за как можно более короткое время. В этой связи, почти всегда важно удерживать очень короткий интервал между осаждениями отдельных слоев, чтобы не ухудшить качество границ между слоями. С другой стороны, длительные производственные процессы привели бы к плохой производительности. Типичные времена покрытия составляют от нескольких секунд до нескольких десятков секунд. Перерывы между отдельными осаждениями также должны лежать в этих пределах.

(b) Для нанесения покрытия в вакуумной камере подложки типично держат на подложкодержателе. В случае кремниевых пластин, которые используются, например, для производства полупроводников, подложкодержатель чаще всего является охлаждаемым удерживающим приспособлением.

(c) В процессах покрытия подложка должна по большей части иметь определенную температуру (зависящую от материала слоя). Однако в настоящее время невозможно быстро нагревать или охлаждать подложку до другой температуры и затем, например, немедленно наносить покрытие. Если, например, нагрев и охлаждение должны быть осуществлены через удерживающее приспособление, его нужно снова охлаждать от упомянутых высоких температур до комнатной температуры в пределах короткого времени, что представляется особенно трудным, так как в вакуумной камере невозможно охлаждение посредством конвекции, и такое удерживающее приспособление неизбежно имеет относительно большую массу (а также теплоемкость).

(d) В полупроводниковой промышленности часто на горячую подложку осаждают единственный слой. В этом случае техническим решением является нанесение покрытия на подложку в особой вакуумной камере, оборудованной способным нагреваться держателем пластин (державка). Этот держатель постоянно удерживается при высокой температуре, и пластину помещают на горячий держатель для нанесения покрытия. После нанесения покрытия пластину перемещают, если требуется, в следующую технологическую камеру, например, используя вакуумный робот, чтобы проводить следующие (например, "холодные") этапы процесса.

Однако этот способ нанесения покрытий на горячие подложки нельзя с успехом применять для упомянутых магнитных и других многослойных систем, где индивидуальные слои требуют разных температур подложки. Как обсуждалось в пункте (a), перенос подложки в большинстве случаев несколько раз из одной камеры вакуумного напыления камеры в другую и снова назад был бы недопустим, либо из-за технологии процесса, либо из экономических соображений (производительность).

(е) В полупроводниковой промышленности общепринятым является также быстро доводить подложку до высокой температуры в особых вакуумных камерах, используя инфракрасные излучатели (RTP - быстрая термообработка). Наносить покрытие на подложки в вакуумных камерах этого типа невозможно, так как место устройства для нанесения покрытий занято радиационным нагревателем.

Поэтому задача настоящего изобретения заключается в разработке способа и устройства для быстрого нагрева и охлаждения подложки управляемым способом и для последующего немедленного нанесения на нее покрытия лишь в одной вакуумной камере. В соответствии с изобретением, можно провести эту процедуру доведения подложки до нужной температуры (нагрев или охлаждение) и затем последовательно нанести на нее покрытие несколько раз, чтобы можно было получить многослойную структуру при соответствующих заданных температурах подложки для отдельных процессов нанесения покрытия.

Эта задача достигается объектами патентования формулы изобретения.

Изобретение исходит из основной идеи поднимать (горячую) подложку с (охлажденного) подложкодержателя для нагрева и, по выбору, покрытия этой подложки. Таким образом, подложкодержатель может оставаться в этом охлажденном состоянии, так что нагретая подложка снова охлаждается, когда она позднее будет опущена на охлажденный держатель. Этим способом можно получить короткие продолжительности нагрева и охлаждения подложки и немедленно после этого наносить на нее покрытие в вакуумной камере.

Изобретение относится к способу нагревания/охлаждения и нанесения покрытия на подложку в вакуумной камере, содержащему следующие этапы: (1) размещение нижней поверхности подложки на подложкодержателе, (2) подъем подложки на заданное расстояние относительно подложкодержателя и (3) нагрев поднятой подложки через ее верхнюю поверхность с помощью нагревательного устройства, такого как радиационный нагреватель, (4) нанесение покрытия на нагретую подложку, например, перемещая ее в или через зону нанесения покрытия, (5) охлаждение подложки путем опускания ее на держатель и (6) по выбору, нанесение следующего покрытия на холодную подложку.

Согласно изобретению, можно, кроме того, осуществить последовательность операций, в которой устанавливаются разные заданные температуры подложки на отдельных этапах и, по выбору, сразу после этого на подложку при этой температуре наносится одно или более покрытий. Это также включает случай, когда подложка может удерживаться определенное время при относительно высокой температуре сразу после нанесения покрытия (доведения до нужной температуры).

Подложка в контексте изобретения может быть, например, кремниевой пластиной или другим носителем, на который либо уже нанесено покрытие, либо нет. Вакуумная камера, которая содержит устройства нагревания и нанесения покрытия, может быть частью полной системы, с которой соединены другие технологические камеры. Согласно изобретению, в вакуумной камере может быть предусмотрено транспортирующее устройство, такое, как робот (рука), чтобы перемещать подложку из стороны в сторону, возможно вместе с подложкодержателем. Газ, присутствующий в вакуумной камере, можно удалить из камеры, используя, например, вакуумные насосы, так что в вакуумной камере достигается, например, вакуум ниже 10^-7, в частности, ниже 10^-8, предпочтительно 10^-9 мбар или же ниже.

Когда подложка лежит на подложкодержателе, ее нижняя поверхность находится в контакте поверхность к поверхности с подложкодержателем. Верхняя поверхность подложки, на которую будет нанесено покрытие после нагрева, типично не должна контактировать с подложкодержателем.

Когда нижняя поверхность подложки помещается на подложкодержатель, подложка становится доступной для дальнейшей обработки ее верхней поверхности. Подложкодержатель может, например, удерживать подложку электростатическими силами (электростатический держатель, ESC). В зависимости от размера подложки, держатели подложек или пластин этого типа могут иметь значительную массу, например несколько килограмм.

Подложкодержатели этого типа могут быть выполнены разными способами. Существенно, чтобы обеспечивалась плоская поверхность. Например, подложкодержатель может иметь углубление, в которое можно поместить подложку, или он может быть плоским, чтобы нижнюю поверхность подложки можно было поместить к или на эту плоскую сторону/поверхность держателя. В обоих случая держатель может быть снабжен пальцами или захватами, которые могут втягиваться в держатель и выходить из него, и/или могут перемещаться или выходить из держателя так, что при их применении подложку можно поднять относительно остальной части держателя. Предпочтительно, размеры контактных поверхностей между пальцами или захватами и подложкой являются как можно меньшими, например, составляют менее 10%, в частности, менее 5%, типично менее 1% площади нижней поверхности подложки (верхняя и нижняя поверхности подложки имеют одинаковый размер во всех практических случаях). Альтернативно или же дополнительно, подложкодержатель может быть также выполнен так, чтобы пальцы или захваты держали подложку, когда остальная часть держателя опускается.

Согласно одному варианту осуществления, подложкодержатель содержит по меньшей мере два, в частности, три или четыре пальца и/или по меньшей мере один захват. При этом пальцы могут представлять собой, например, узкие стержни, имеющие, например, диаметр менее 2 мм. Захват может, например, иметь такую конструкцию, чтобы он захватывал подложку у ее нижней поверхности и с одной стороны, причем поверхности контакта с подложкой не превышают вышеупомянутых диапазонов. Захват может также быть (рисунок) устройством в виде рамы или части рамы (например, состоящий только из уголков рамы), на/в которое помещается подложка и, таким образом, он имеет малую поверхность контакта с подложкодержателем, как упомянуто выше.

Согласно одному варианту осуществления, пальцы или захват(ы) могут быть выполнены из материала (например, керамики), который плохо или практически совсем не проводит тепло. Таким образом, от нагреваемой или уже нагретой подложки передается минимально возможное количество тепловой энергии к (возможно даже охлажденному) подложкодержателю.

Согласно одному варианту осуществления, подложкодержатель охлаждается.

Например, подложкодержатель можно охлаждать, используя воду, и с этой целью он содержит соответствующие охлаждающие каналы. Для лучшего проведения тепловой энергии от подложки, лежащей на подложкодержателе, к подложкодержателю, в его противоположной плоской поверхности контакта с подложкой могут быть предусмотрены каналы для контактного газа, например, в форме желобов, для проведения гелия или аргона как контактных веществ между подложкой и подложкодержателем.

Таким образом, например, нагретая подложка может быть охлаждена после того, как на нее было нанесено покрытие и/или перед нанесением на нее (нового) покрытия, или ее можно быстро и эффективно довести до желаемой температуры в случае других технологических параметров.

Согласно одному варианту осуществления, подложку поднимают на высоту от 0,1 до 20 мм, в частности на 1-10 мм, предпочтительно на 2-5 мм.

Таким образом, практически полностью предотвращается передача тепла на более холодный подложкодержатель, так что подложку можно нагреть эффективно и быстро.

Подложку нагревают с помощью нагревательного устройства, в частности радиационного нагревателя, который находится в вакуумной камере и используется для нагрева подложки до определенной температуры. Эта температура может устанавливаться, например, извне до процесса нагрева.

Типично, на подложку, которая доведена до желаемой температуры, наносят покрытие в поднятом положении. В отличие от этого, на охлажденную подложку можно типично наносить покрытие в нижнем положении и в тесном контакте с плоской охлажденной поверхностью подложкодержателя.

Например, нагретую подложку можно привести в поднятое состояние в пределах нескольких секунд, в частности, за менее чем 2 секунды, в положение нанесения покрытия в вакуумной камере, в котором на нее может быть нанесено покрытие. С этой целью устройство для нанесения покрытия встроено в вакуумную камеру, например, таким образом, чтобы подложкодержатель с поднятой и нагретой подложкой можно было просто и легко перенести в направлении этого устройства нанесения покрытия. Процедура с охлажденной подложкой в нижнем положении идентична. Устройство нанесения покрытия можно также предусмотреть в соседней камере, чтобы подложкодержатель с подложкой можно было перемещать в соседнюю камеру посредством робота (руки).

Согласно одному варианту осуществления, подложка перемещается в направлении, параллельном нижней поверхности подложки.

Например, устройство нанесения покрытия может размещаться в вакуумной камере рядом с положением нагревания, чтобы этого устройства нанесения покрытия можно было достичь путем поперечного перемещения подложки с подложкодержателем параллельно поверхности подложки.

Таким образом, подложку можно легко и быстро перемещать, и нанесение покрытия на подложку, которая была доведена до особой температуры, можно начать без какой-либо дальнейшей задержки.

Согласно одному варианту осуществления, нагревом поднятой подложки управляют с помощью датчика.

Этот датчик может быть, например, пирометром, который находится в вакуумной камере и измеряет фактическую температуру подложки. Датчик или пирометр альтернативно могут находиться снаружи вакуумной камеры и определять температуру подложки, например, через окно в камере. Типичные пирометры предусматривают очень малую площадь измерения, примерно 1 мм² на расстоянии 40 см между пирометром и подложкой. По сравнению с измерением температуры с использованием термоэлемента в камере, измерение пирометром через окно в камере предпочтительно, так как пирометрическому датчику не нужно быть в контакте с подложкой, и он не атакуется реакционноспособными газами, если они применяются, в технологической камере. Согласно одному частному варианту осуществления, пирометр может быть соединен с контроллером, который, в свою очередь, может быть запрограммирован компьютером таким образом, чтобы результаты пирометра можно было анализировать, чтобы нагреватель мог приводиться в действие или же соответственно переналаживаться, чтобы установить правильную температуру подложки, а также, если нужно, поддерживать ее постоянной.

Таким образом, даже относительно сложными последовательностями температур подложки можно легко и точно управлять, в частности, в случае дальнейшего нанесения покрытия.

После нанесения покрытия может быть предпочтительным охладить подложку до более низкой температуры, и, в частности, затем снова нанести на нее покрытие. Это можно сделать, например, опуская подложку на (более холодный) подложкодержатель.

Согласно одному варианту осуществления, подложка охлаждается управляемым способом.

Управляемое охлаждение подложки может быть реализовано, например, тем, что подложкодержатель охлаждается управляемым способом. Например, можно было бы скомбинировать датчик или пирометр с контроллером для охладителя подложкодержателя, чтобы подложку, которая была опущена к подложкодержателю, можно было охладить до определенной температуры.

Согласно следующему варианту осуществления, можно ввести тепловой аккумулятор, который, в частности, был заранее доведен до желаемой температуры, между поднятой подложкой и подложкодержателем, чтобы компенсировать возможное падение температуры подложки. Тепловой аккумулятор может иметь, например, большую тепловую массу и предпочтительно может быть черным с его стороны, обращенной к подложке, но может быть выполнен таким на всех остальных поверхностях или по меньшей мере на поверхности, обращенной к подложкодержателю, чтобы минимизировать излучение тепла в камеру или в направлении подложкодержателя. Этот тепловой аккумулятор может, например, также перемещаться из стороны в сторону вместе с подложкой и подложкодержателем в целях нанесения покрытия, чтобы избежать значительного охлаждения подложки в процессе покрытия.

Согласно одному варианту осуществления, до последующего нанесения покрытия подложка поддерживается при определенной температуре в течение относительно долгого времени, в частности несколько минут, предпочтительно по меньшей мере 10 минут.

Согласно одному варианту осуществления способа по изобретению, подложка нагревается и/или охлаждается последовательно до различных заданных температур, в частности, в связи с последующим нанесением покрытия. Для этого можно предусмотреть контроллер для управления последовательностью технологических этапов, например, на нескольких отдельных этапах, если на подложку наносят покрытие несколько раз.

Изобретение относится также к системе для нагревания подложки в вакуумной камере. Система содержит подложкодержатель, подъемное устройство для подъема подложки, которая размещена своей нижней поверхностью на подложкодержателе, и нагревательными средствами для нагрева поднятой подложки через ее верхнюю поверхность.

Признаки, которые были описаны в связи со способом по изобретению, могут быть предпочтительными и как признаки системы по изобретению, и наоборот. Пояснения описанных признаков способа также должны быть применимы к признакам системы по изобретению.

Согласно одному варианту осуществления, на подложкодержателе предусмотрено подъемное устройство. Другими словами, подъемное устройство может, например, быть встроено в подложкодержатель. Например, подъемное устройство может содержать пальцы и/или захват(ы), как описано выше.

Согласно одному варианту осуществления, подъемное устройство выполнено так, чтобы предотвращать значительный тепловой поток между подложкодержателем и подложкой в поднятом состоянии.

Согласно одному варианту осуществления, поверхность подложкодержателя, обращенная к подложке, содержит по меньшей мере один канал для проведения контактного газа, чтобы усилить теплоперенос между подложкой и подложкодержателем.

Согласно одному варианту осуществления, система содержит контроллер для охлаждения подложкодержателя управляемым способом.

Согласно одному варианту осуществления, система содержит температурный датчик для нагрева подложки управляемым способом.

Согласно одному варианту осуществления, подложкодержатель можно перемещать в направлении, параллельном нижней поверхности подложки.

Согласно частному варианту осуществления, описанный выше способ выполняется с помощью описанной выше системы.

Далее изобретение будет обсуждаться более подробно с обращением к чертежам на одном примере (магнитный многослойный материал). Кроме того, возможны и другие способы нанесения покрытия на подложки, которые были доведены до определенной температуры, которые соответствуют настоящему изобретению.

Фиг.1 схематично показывает типичную слоистую структуру с верхним и нижним электродами, какая применяется, например, в слоистых TMR-системах для MRAM и TFH;

Фиг.2 схематически показывает пример катодного напыления с использованием мишени с соответствующей магнитной матрицей и подложкой на пути в зону нанесения покрытия;

Фиг.3a-3c схематически показывают ход процесса нагревания подложки;

Фиг.4 схематически показывает профиль температуры подложки;

Фиг.5 схематически показывает принцип фиг.2 с подложкодержателем, и

Фиг.6 схематически показывает размещение теплового аккумулятора на подложкодержателе.

Фиг.1 показывает для иллюстрации типичный набор TMR-слоев. Слои 1, 2 (имеющие особые магнитные ориентации, "закрепленный и опорный слой") и слой 2 ("свободный слой") выполнены из ферромагнитного материала и отделены друг от друга слоем оксида магния 0. Показанные стрелки указывают направление намагниченности, которая лежит в плоскости слоя. Толщины отдельных слоев могут варьироваться от менее 1,0 нм до нескольких десятков нанометров. Слой 3 ("свободный слой") вместе со слоем 4 ("верхний слой") образуют верхний электрод 8. Нижний электрод 9 состоит из слоев 5 ("затравочный слой № 1") и 6 ("затравочный слой № 2") и слоя 7 ("закрепленный слой" из антиферромагнитного материала, такого, как PtMn, IrMn), а также из пакета слоев 1 ("закрепленный слой"), 10 ("связующий слой") и 2 ("опорный слой").

В контексте примера, далее на основе фиг.2 будет описана особая процедура получения многослойной структуры путем катодного напыления, причем подложки покрывают отдельными материалами при заданной, высокой по выбору, температуре, как описано выше. Распыляющий катод содержит группу магнитов 16, чтобы объединить в пучок электроны, которые ответственны за ионизацию плазмы вблизи поверхности мишени 14. Во время этого "линейного динамического" осаждения (LDD) подложка 10, например, (кремниевая) пластина, проходит по прямой линии под распылительным катодом 14, 16, например, прямоугольным (смотри направление стрелки 12), чтобы при прохождении имело место (динамическое) покрытие.

Эта процедура отличается, например, от способов, принятых в полупроводниковой промышленности, где пластина остается без относительного перемещения, т.е. статично, под распылительным катодом во время операции покрытия.

Теперь способ LDD можно комбинировать с устройством, содержащим множество распылительных катодов, чтобы на подложку можно было по очереди нанести разные слои без потери времени. Таким образом, можно, например, получать желаемые многослойные структуры из разных материалов без относительно длительного времени транспортировки. Чтобы перемещать подложку 10 для этапов покрытия, ее держат на подложкодержателе. Последний может охлаждаться, например, (водо)охлаждаемый электростатический держатель (ESC), поверхность которого содержит встроенные каналы для улучшения рассеивания тепловой энергии, так что в качестве контактных веществ между подложкой 10 и ESC можно использовать гелий или аргон.

При получении многослойных материалов с помощью LDD, подложку 10 сначала перемещают, например, посредством робота из вакуумной транспортной камеры в камеру покрытия и помещают на держатель (подложкодержатель). Транспортная камера и камера покрытия могут быть затем отделены друг от друга посредством запорного клапана. После приложения электрического напряжения подложку 10 можно зафиксировать на держателе электростатическими силами. Кроме того, под подложкой 10 можно образовать/была образована газовая подушка для достижения хорошего охлаждения. "Охлаждающий газ" может удерживаться от проникновения в остальную часть вакуумной камеры посредством уплотнений.

Выбранный распылительный катод 14, 16 поджигается, и подложка 10 перемещается один или более раз через зону нанесения покрытия, пока не будет достигнута желаемая толщина слоя. Затем можно выбрать и поджечь следующий катод и таким образом нанести следующий слой набора, и т.д.

Далее на основе фиг.3a-3c будет более подробно пояснен принцип настоящего изобретения. Подложку 20 можно быстро нагреть, например, тем, что подложкодержатель 24 с подложкой 20 на нем перемещают внутри вакуумной камеры до нанесения покрытия на станцию нагрева, где нагревательное устройство 22, например радиационный нагреватель или массив радиационных нагревателей, помещают над подложкой 20 (пластиной) или держателем 24 напротив верхней поверхности 21b подложки 20. До этапа нагрева нижняя поверхность 21a подложки 20 сначала остается на держателе 24, как показано на фиг.3a. В этом состоянии подложки 20 на нее уже мог быть нанесен один или более слоев при комнатной температуре или при других температурах, или подложка пока еще не имеет никакого покрытия.

Для нагревания подложку 20 поднимают с держателя 24, например, таким образом, чтобы она больше не контактировала с держателем нижней поверхностью 21a подложки 20. Особый фиксатор может обеспечить, например, чтобы подложка 20 оставалась соединенной с держателем 24, например, через три или четыре "пальца" 23, которые удерживают подложку 20 по краям и выполнены так, что они имеют низкую и/или пренебрежимо малую теплопроводность, при этом поддерживается расстояние d в несколько (например, 2-3) миллиметров, как указано на фиг.3b.

Затем включается нагревательное устройство 22, и подложка 20 доводится до желаемой температуры. Температуру можно измерить, например, с помощью пирометра 26. Скорость повышения температуры и/или конечная температура могут устанавливаться схемой управления 26, 28, как показано на фиг.3c. Так как сама подложка 20, например, имеет лишь малую теплоемкость, можно достичь быстрого повышения температуры. Кроме того, вся структура подложкодержателя 24 и установка подходящих охлаждающих экранов могут гарантировать, что будет нагреваться только подложка 20, а температура остальных частей подложкодержателя 24 повысится как можно меньше.

Подложка 20 защищает подложкодержатель от излучения нагревательного устройства 22 (по меньшей мере частично), так что температура подложкодержателя 24 изменяется очень мало и предпочтительно остается постоянной.

Типичный профиль температуры подложки показан на фиг.4.

Фиг.5, в соответствии с принципом фиг.2, показывает, как можно нанести покрытие на подложку, в этом случае на подложку 20, которая уже была нагрета нагревательным устройством и доведена до желаемой температуры. Как только будет достигнута желаемая температура, держатель 24 с поднятой горячей подложкой можно переместить, или ее можно переместить автоматически управляемым способом (см. направление стрелки 25) так, чтобы можно было нанести (следующее) покрытие, как указано на фиг.5. Так как интервал между нагревом подложки 20 и нанесением покрытия очень короткий (например, всего несколько секунд), подложка не охлаждается или лишь чуть-чуть охлаждается до начала процесса нанесения покрытия.

Если подложка охлаждается слишком сильно, в основном во время нескольких проходов нанесения покрытия, можно предусмотреть дополнительный этап нагревания между операциями нанесения покрытия, и для этой цели подложка 20 может перемещаться из станции катодного напыления 29 посредством подложкодержателя 24 и переводиться под нагревательное устройство и, наконец, снова в станцию нанесения покрытия.

После нанесения покрытия при высокой температуре подложка 20 и держатель 24 могут быть, например, снова приведены в положение под нагревателем, подложка 20 может быть помещена на держатель 24, по выбору, также электростатически прижиматься к держателю 24. С помощью охлажденного держателя 24 и при использовании контактного газа подложку 20 можно быстро охладить. Например, скорость охлаждения можно установить, подбирая давление контактного газа.

В дальнейшем, например, также на другой станции нанесения покрытия, на охлажденную/холодную подложку могут быть нанесены следующие слои слоистой системы, например, при комнатной температуре или при любой другой температуре.

Согласно изобретению, тепловой аккумулятор 30, который был ранее доведен до желаемой температуры, может, кроме того, быть введен между поднятой подложкой 20 и держателем 24, чтобы компенсировать возможное падение температуры. Тепловой аккумулятор 30 имеет, например, большую теплоемкость и, предпочтительно, может быть черным на стороне, обращенной к подложке 20, но может быть выполнен таким на всех других поверхностях или по меньшей мере на поверхности, обращенной к держателю, чтобы тепловое излучение было минимальным. Этот тепловой аккумулятор 30 может, например, также перемещаться из стороны в сторону вместе с подложкой и подложкодержателем в целях нанесения покрытия, чтобы минимизировать охлаждение подложки во время нанесения покрытия.

Согласно одному варианту осуществления, лампы радиационного нагревателя могут быть покрыты фильтрующими слоями, чтобы испущенный инфракрасный свет содержал только такие длины волн, которые поглощаются либо в основном подложкой (типично кремнием), либо, альтернативно, в основном уже осажденной системой слоев.

Таким образом, согласно настоящему изобретению, подложку, которую требуется покрыть, можно легко нагревать и охлаждать до заданной температуры, по выбору с немедленным последующим покрытием, так что на подложку можно очень эффективно осадить множество слоев при разных температурах в пределах максимально возможно короткого времени.

Claims (24)

1. Способ нанесения покрытия на горячую подложку в вакуумной камере, содержащий следующие этапы:
(a) размещение подложки (20) на подложкодержателе (24) таким образом, чтобы нижняя поверхность (21а) подложки контактировала с подложкодержателем поверхность к поверхности,
(b) подъем подложки (20) на расстояние d относительно подложкодержателя,
(c) нагрев поднятой подложки через ее верхнюю поверхность (21b) с помощью нагревательного устройства (22),
(d) немедленное последующее нанесение покрытия на горячую подложку, и
(e) опускание подложки на подложкодержатель (24) и охлаждение подложки.

2. Способ по п. 1, в котором на охлажденную подложку наносят покрытие.

3. Способ по п. 1, в котором нагревательным устройством (22) управляют с помощью температурного датчика (26, 28) для определения температуры подложки и с помощью регулятора температуры для установления заданной температуры.

4. Способ по любому из пп. 1-3, в котором этап (d) содержит немедленное перемещение нагретой подложки вместе с подложкодержателем (24) в положение нанесения покрытия и нанесение покрытия на подложку.

5. Способ по любому из пп. 1-3, в котором подложку (20) поднимают на этапе (d) способа на расстояние от 0,1 до 20 мм, в частности, от 1 до 10 мм, относительно подложкодержателя (24).

6. Способ по любому из пп. 1-3, в котором нагревательное устройство состоит из инфракрасных излучателей, использующих фильтрующие слои, чтобы испущенный инфракрасный свет содержал только такие длины волн, которые поглощаются либо подложкой, либо уже осажденной системой слоев.

7. Способ по п. 4, в котором нагревательное устройство состоит из инфракрасных излучателей, использующих фильтрующие слои, чтобы испущенный инфракрасный свет содержал только такие длины волн, которые поглощаются либо подложкой, либо уже осажденной системой слоев.

8. Способ по любому из пп. 1-3, содержащий этап размещения теплового аккумулятора (30) между подложкодержателем (24) и поднятой подложкой (20) для компенсирования падения температуры подложки при нанесении покрытия.

9. Способ по п. 7, содержащий этап размещения теплового аккумулятора (30) между подложкодержателем (24) и поднятой подложкой (20) для компенсирования падения температуры подложки при нанесении покрытия.

10. Способ по любому из пп. 1-3, в котором подложкодержатель (24) охлаждают.

11. Способ по п. 8, в котором подложкодержатель (24) охлаждают.

12. Способ по любому из пп. 1-3, в котором сразу после охлаждения охлажденную подложку перемещают вместе с подложкодержателем (24) в положение нанесения покрытия и там наносят покрытие.

13. Способ по п. 4, в котором сразу после охлаждения охлажденную подложку перемещают вместе с подложкодержателем (24) в положение нанесения покрытия и там наносят покрытие.

14. Способ по п. 8, в котором сразу после охлаждения охлажденную подложку перемещают вместе с подложкодержателем (24) в положение нанесения покрытия и там наносят покрытие.

15. Способ по любому из пп. 1-3, в котором доведение подложки до требуемых температур с последующим нанесением покрытия проводят последовательно в несколько отдельных этапов.

16. Способ по п. 4, в котором доведение подложки до требуемых температур с последующим нанесением покрытия проводят последовательно в несколько отдельных этапов.

17. Способ по п. 12, в котором доведение подложки до требуемых температур с последующим нанесением покрытия проводят последовательно в несколько отдельных этапов.

18. Устройство для нанесения покрытия на горячую подложку в вакуумной камере, содержащее:
- подложкодержатель (24), причем подложкодержатель содержит подъемное устройство (23) для подъема подложки (20), нижняя поверхность (21а) которой размещена на подложкодержателе (24),
- нагревательное устройство (22) для нагрева поднятой подложки (20) через ее верхнюю поверхность, и
- средство (29) для нанесения покрытия на подложку (20) сразу после нагрева.

19. Устройство по п.18, в котором подъемное устройство (23) выполнено так, чтобы предотвратить тепловой поток между подложкодержателем (24) и подложкой (20).

20. Устройство по п.18 или 19, в котором подложкодержатель (24) содержит по меньшей мере один канал для контактного газа, и упомянутое устройство содержит, в частности, контроллер для управляемого охлаждения подложкодержателя (24).

21. Устройство по п.18 или 19, содержащее температурный датчик (26, 28) для управления нагревом подложки (20).

22. Устройство по п.20, содержащее температурный датчик (26, 28) для управления нагревом подложки (20).

23. Устройство по п.18 или 19, в котором подъемное устройство обеспечено на подложкодержателе (24).

24. Устройство по п.18 или 19, в котором подложкодержатель (24) может перемещаться, в частности, вместе с подложкой (20), в направлении, параллельном (25) нижней поверхности (21а) подложки.

Images