RU2584196C2

RU2584196C2 - Vacuum unit for sputtering films with ablation chamber

Info

Publication number: RU2584196C2
Application number: RU2014135312/02A
Authority: RU
Inventors: Евгений Федорович Шевченко; Игорь Александрович Сысоев
Priority date: 2014-08-28
Filing date: 2014-08-28
Publication date: 2016-05-20
Also published as: RU2014135312A

Abstract

FIELD: nanotechnology.

SUBSTANCE: invention relates to deposition of thin films. Vacuum unit for sputtering of films contains main vacuum chamber with processing zone of substrates and a vacuum chamber ablation, tightly connected with main vacuum chamber in zone of processing substrates by outlet branch pipe equipped with inside or on end of sliding shutter for separation in closed position of vacuum chamber ablation and main vacuum chamber. Vacuum chamber for ablation includes an ablation unit and contains at least one drum of targets, which can rotate about its axis, fixed shutter targets, at least one directed target radiator located on periphery of inlet connection pipes, made with possibility of tight attachment of radiators or replacement of their plugs, airlock for servicing drum targets and outlet branch pipe with gas discharge channel. Drum of targets is located under airlock and is protected against ground beams of radiators by fixed flaps. Higher accuracy, purity and efficiency of sputtering.

EFFECT: possibility of conducting process of cleaning substrates simultaneously with process cleaning of targets.

4 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к технике напыления тонких пленок из различных материалов, включая технику напыления многокомпонентных пленок и многопленочных структур, и может быть использовано в технологических установках напыления пленок.The invention relates to a technique for spraying thin films of various materials, including the technique of spraying multicomponent films and multi-film structures, and can be used in technological installations for spraying films.

Известны устройства (Патент US 6620299, 2003, или Шулаев В.М. Сверхтвердые наноструктурные покрытия в ННЦХФТИ / В.М. Шулаев, А.А. Андреев // Физическая инженерия поверхности. - 2008. - Т. 6, №1-2. - С. 4-19) для создания многокомпонентных покрытий ионно-плазменными методами, в которых используется несколько отдельных генераторов плазмы, каждый из которых обеспечивает определенное вещество напыляемого покрытия, из которого состоит его мишень. Таким образом, аналоги имеют целую группу генераторов плазмы (магнетронных распылителей) - по одному на каждую мишень. Как известно, вакуумные методы нанесения пленок обычно отличает ряд достоинств, среди которых высокие значения точности, производительности процесса, а также экологичность. Однако указанные известные устройства имеют и недостатки, к которым относятся сложность и большие объемы конструкции.Known devices (Patent US 6620299, 2003, or Shulaev V.M. Superhard nanostructured coatings at the NSCHIPT / V.M. Shulaev, A.A. Andreev // Physical surface engineering. - 2008. - V. 6, No. 1-2 . - P. 4-19) for the creation of multicomponent coatings by ion-plasma methods, which use several separate plasma generators, each of which provides a specific substance of the sprayed coating, of which its target consists. Thus, the analogues have a whole group of plasma generators (magnetron sprays) - one for each target. As you know, vacuum methods of film deposition are usually distinguished by a number of advantages, including high values of accuracy, process performance, and environmental friendliness. However, these known devices have disadvantages, which include complexity and large volumes of construction.

Известно устройство (Пленки легированного галлием оксида цинка, нанесенные с использованием несбалансированной магнетронной распылительной системы / А.А. Соловьев, А.Н. Захаров, С.В. Работкин и др. // Журнал технической физики. - 2010. - Т. 80, №5. - С. 127-131) с составной композитной мишенью, компонентный состав которой и стехиометрия соответствуют требуемому составу покрытия. Характерным достоинством этого аналога является применение более простой конструкции. К имеющимся недостаткам можно отнести тот факт, что при необходимости изменить состав покрытия требуется замена мишени или же как альтернативный вариант (метод) - введение дополнительных веществ с газовым потоком. Кроме того, следует учесть, что стоимость композитной мишени выше стоимости однокомпонентной, так как она сложнее в изготовлении, а также то, что содержание более летучих элементов многокомпонентной мишени со временем снижается, в результате чего изменяется стехиометрический состав мишени, а следовательно, и напыляемого покрытия.A device is known (Films of gallium doped zinc oxide deposited using an unbalanced magnetron sputtering system / A.A. Soloviev, A.N. Zakharov, S.V. Rabotkin, etc. // Journal of Technical Physics. - 2010. - T. 80 , No. 5. - S. 127-131) with a composite composite target, the component composition of which and stoichiometry correspond to the required coating composition. A characteristic advantage of this analogue is the use of a simpler design. The disadvantages include the fact that, if it is necessary to change the composition of the coating, it is necessary to replace the target or, as an alternative (method), the introduction of additional substances with a gas stream. In addition, it should be noted that the cost of a composite target is higher than the cost of a single-component one, since it is more difficult to manufacture, and also that the content of more volatile elements of a multicomponent target decreases over time, as a result of which the stoichiometric composition of the target and, consequently, the sprayed coating changes .

Учитывая приведенные недостатки указанных аналогов, получили распространение устройства с секционированным барабаном мишеней. Как правило, в барабане крепится одна или несколько однокомпонентных мишеней и при наличии всего одного излучателя происходит абляция многокомпонентного состава при вращении однокомпонентных мишеней в зоне его луча. Кроме того, возможно нанесение многослойных структур покрытий попеременным включением в зону действия луча только одной из мишеней.Given the above disadvantages of these analogues, devices with a partitioned target drum have become widespread. As a rule, one or several unicomponent targets are fastened in the drum and, if there is only one emitter, multicomponent composition is ablated during the rotation of unicomponent targets in the area of its beam. In addition, it is possible to apply multilayer coating structures by alternately including only one of the targets in the beam coverage area.

К указанному типу известных аналогов относится устройство для нанесения оксидных композиционных покрытий (патент РФ на ПМ №92240, 2010), содержащее секционированный барабан мишеней в виде полого усеченного конуса. В центре верхнего основания секционированного барабана находится эмиссионная зона плазменного излучателя. Особенностью устройства является то, что мишени, образующие секционированный барабан, могут находиться под разными электрическими потенциалами. Таким образом, устройство может работать даже при неподвижном секционированном барабане путем переключения электрических потенциалов к нужным мишеням. Регулировать плотность потока абляции с той или другой мишени в секционированном барабане можно путем управления плотностью электрического тока на эти мишени. При этом для абляции нет необходимости использовать магнитную систему, как в магнетронных ионно-плазменных распылителях. Это означает более высокую выработку мишеней. Мишени в секционированном барабане могут отличаться по химическому составу для осаждения композиционных покрытий. Известное устройство имеет недостатки. Для распыления мишеней ионно-плазменным потоком требуется достичь определенной плотности тока, которая пропорциональна площади задействованных мишеней и, таким образом, устройство имеет довольно высокое энергопотребление, уступая по энергетической эффективности традиционным магнетронным распылителям в указанных выше аналогах.The indicated type of known analogues includes a device for applying oxide composite coatings (RF patent for PM No. 92240, 2010), containing a sectioned target drum in the form of a hollow truncated cone. In the center of the upper base of the sectioned drum is the emission zone of the plasma emitter. A feature of the device is that the targets forming the sectioned drum can be under different electrical potentials. Thus, the device can work even with a stationary sectioned drum by switching electric potentials to the desired targets. It is possible to control the ablation flux density from one or another target in a sectioned drum by controlling the density of electric current to these targets. Moreover, for ablation there is no need to use a magnetic system, as in magnetron ion-plasma sprays. This means higher target production. Targets in a sectioned drum may vary in chemical composition to deposit composite coatings. The known device has disadvantages. To sputter targets with an ion-plasma flow, a certain current density is required, which is proportional to the area of the targets involved and, thus, the device has a rather high energy consumption, inferior in energy efficiency to traditional magnetron sprays in the above counterparts.

Близким по технической сущности является устройство ионно-ассистированного осаждения, известное также как устройство двулучевого осаждения ионным распылением (dual ion-beam sputtering deposition, фиг. 1, http://www.iiti.ac.in/DIBSD/about_DIBSD_facility.htm), содержащее основную вакуумную камеру технологической установки 1, которая является общей для всех элементов системы напыления, барабан мишеней 2 в виде шестигранной призмы, защитный кожух мишеней 3, выдвижную заслонку 4, излучатель 5, служащий для абляции мишеней, излучатель 6, служащий для очистки подложек и ионного ассистирования осаждению, подложки 7. Для нанесения покрытий на подложки в известном устройстве сначала проводится очистка подложек 7 с помощью излучателя 6 в течение времени ~15 мин. При этом выдвижная заслонка 4 закрывает барабан мишеней 2, излучатель 5 выключен, а излучатель 6 включен на полную мощность. После очистки подложек 7 проводится аналогичная операция очистки барабана мишеней 2 (около 5-10 мин на каждую мишень в барабане). При этом выдвижная заслонка 4 поворачивается и закрывает подложки 7, излучатель 6 выключен, а излучатель 5 включен на полную мощность. Затем проводится нанесение пленок: выдвижная заслонка 4 не перекрывает ни одно из направлений и работает по меньшей мере один излучатель - это излучатель 5. Излучатель 6 также может использоваться в операции осаждения как ассистирующий. Данная система проста, но при этом функциональна, имеет высокие значения коэффициента выработки мишеней и энергетической эффективности. Close in technical essence is an ion-assisted deposition device, also known as a dual-beam deposition by ion sputtering (dual ion-beam sputtering deposition, Fig. 1, http://www.iiti.ac.in/DIBSD/about_DIBSD_facility.htm), containing the main vacuum chamber of the technological installation 1, which is common to all elements of the spraying system, a target drum 2 in the form of a hexagonal prism, a protective casing of the targets 3, a retractable shutter 4, an emitter 5, used for ablation of targets, an emitter 6, used to clean the substrates and ion assist Bani deposition, the substrate 7. For coating on the substrate in the known apparatus cleaning is first performed with the substrate 7 via the radiator 6 for a time ~ 15 min. In this case, the sliding shutter 4 closes the drum of the targets 2, the emitter 5 is turned off, and the emitter 6 is turned on at full power. After cleaning the substrates 7, a similar operation is performed for cleaning the target drum 2 (about 5-10 minutes for each target in the drum). In this case, the sliding shutter 4 rotates and closes the substrate 7, the emitter 6 is turned off, and the emitter 5 is turned on at full power. Then the film is applied: the sliding shutter 4 does not overlap any of the directions and at least one emitter is working - this is the emitter 5. The emitter 6 can also be used in the deposition operation as an assistant. This system is simple, but at the same time functional, has high values of the target production coefficient and energy efficiency.

К недостаткам известного устройства относится следующее. В одной рабочей вакуумной камере содержатся сразу два логических блока ЛБ1 и ЛБ2. Первый ЛБ1 отвечает за очистку подложек 7 и ассистирование осаждению, а второй ЛБ2 - за абляцию нужных веществ с барабаном мишеней 2 на подложки 7. С одной стороны такой подход позволяет добиться высокой функциональности, а с другой - снижает точность и чистоту процесса. Это происходит из-за того, что выдвижная заслонка 4 не обеспечивает достаточной защиты от влияния нежелательных веществ продуцируемых одним блоком на другой. Так, продукты распыления подложек 7 при их очистке и работе блока ЛБ1 неминуемо попадают на эмиссионную поверхность излучателя 5, который относится к другому блоку - ЛБ2, а также на общую камеру и прочую оснастку. Это приводит к тому, что при работе излучателя 5 ЛБ2 производит как частицы вещества мишеней, так и частицы вещества подложек, что искажает ожидаемый технологом результат и изменяет химический состав напыляемых пленок. Возможно и обратное влияние двух блоков. При очистке мишеней и работе ЛБ2 вещества попадают на эмиссионную поверхность излучателя 4, общую камеру и оснастку. Последствия в этом случае также нежелательные: ЛБ2 вносит изменения в химический состав деталей ЛБ1 и результаты работы ЛБ1 искажаются, так как на подложку попадают вещества, сгенерированные при очистке мишеней. Кроме того, в системе нет защиты от блуждающих лучей, которые попадают на стенки камеры, вызывая абляцию находящихся на поверхности веществ, и вносят тем самым загрязнения в работу обоих блоков. Данное «перемешивание» различных химических веществ в одной и той же камере устройства-аналога отрицательно сказывается на воспроизводимость результатов, что особенно критично в нанотехнологиях, где как тончайшие слои вещества, так и отдельные группы атомов могут играть определенную роль, изменяя параметры тонкопленочной структуры.The disadvantages of the known device include the following. In one working vacuum chamber immediately contains two logical blocks LB1 and LB2. The first LB1 is responsible for cleaning the substrates 7 and assisting the deposition, and the second LB2 is responsible for the ablation of the necessary substances with the target drum 2 onto the substrates 7. On the one hand, this approach allows one to achieve high functionality, and on the other, reduces the accuracy and purity of the process. This is due to the fact that the sliding shutter 4 does not provide sufficient protection against the influence of undesirable substances produced by one unit on another. So, the spray products of the substrates 7 during their cleaning and operation of the LB1 unit inevitably fall on the emission surface of the emitter 5, which belongs to another block - LB2, as well as on the common chamber and other equipment. This leads to the fact that during operation of the emitter 5 LB2 produces both particles of target material and particles of substrate material, which distorts the result expected by the technologist and changes the chemical composition of the sprayed films. The inverse effect of the two blocks is also possible. When cleaning targets and working LB2 substances fall on the emission surface of the emitter 4, the common chamber and equipment. The consequences in this case are also undesirable: LB2 makes changes in the chemical composition of LB1 parts and the results of LB1 work are distorted, since the substances generated during the cleaning of the targets fall on the substrate. In addition, the system does not have protection against stray rays that fall on the walls of the chamber, causing the ablation of substances on the surface, and thereby introduce pollution into the operation of both units. This “mixing” of various chemicals in the same chamber of the analog device negatively affects the reproducibility of the results, which is especially critical in nanotechnology, where both the thinnest layers of matter and individual groups of atoms can play a role by changing the parameters of the thin-film structure.

Наиболее близким по технической сущности устройством, выбранным за прототип в настоящем изобретении, является система осаждения многослойных материалов из распыляемой мишени (патент US 6783637, 2004). В этой системе достигается большая производительность и функциональность за счет введения дополнительного барабана мишеней и дополнительного излучателя в блоке абляции. Основным ее отличием от предыдущего известного устройства является более удачная компоновка всех излучателей в виде трехлучевой звезды, образованной осями этих излучателей. При этом сами излучатели расположены в центре общей камеры, а генерируемые ими потоки направлены от центра к периферии. На периферии камеры расположены целевые объекты: мишени и подложки. Такое расположение излучателей друг относительно друга и относительно других деталей позволяет минимизировать загрязнение их эмитирующей поверхности потоками абляции, сгенерированными другими излучателями. Конструкция прототипа предусматривает наличие выдвижной заслонки для осаждения чувствительных к загрязнениям структур покрытий. Кроме того, в устройстве-прототипе предусмотрены дополнительные неподвижные заслонки на стенках камеры против блуждающих лучей, т.е. лучей, которые распространяются в незапланированном направлении и вызывают спонтанную абляцию частей установки. Однако камера, в которой происходят все технологические процессы, как и в предыдущем аналоге, является общей и разные логические блоки несмотря на перекомпоновку излучателей оказывают негативное влияние друг на друга, на точность и чистоту процесса осаждения в целом.The closest in technical essence the device selected for the prototype in the present invention is a system for the deposition of multilayer materials from a spray target (US patent 6783637, 2004). This system achieves greater productivity and functionality by introducing an additional target drum and an additional emitter in the ablation unit. Its main difference from the previous known device is a more successful arrangement of all emitters in the form of a three-beam star formed by the axes of these emitters. In this case, the emitters themselves are located in the center of the common chamber, and the flows generated by them are directed from the center to the periphery. On the periphery of the camera are the target objects: targets and substrates. This arrangement of the emitters relative to each other and relative to other parts allows you to minimize pollution of their emitting surface by ablation flows generated by other emitters. The design of the prototype provides a retractable shutter for the deposition of sensitive to pollution coating structures. In addition, in the prototype device additional fixed shutters are provided on the walls of the chamber against the stray rays, i.e. rays that propagate in an unplanned direction and cause spontaneous ablation of parts of the installation. However, the chamber in which all technological processes take place, as in the previous analogue, is common and different logical blocks, despite the rearrangement of the emitters, have a negative effect on each other, on the accuracy and purity of the deposition process as a whole.

Необходимо отметить, что все рассмотренные выше устройства имеют общий недостаток, состоящий в потере производительности. Ни в одном из указанных аналогов нет возможности проводить одновременно очистку как мишеней, так и подложек, эти операции должны идти в них последовательно, друг за другом с соответствующими тратами рабочего времени установок и их операторов. В противном случае загрязнение осаждаемых пленок окажется чрезмерным практически для любого рода известных технологий.It should be noted that all the above devices have a common drawback consisting in loss of performance. None of the indicated analogs has the ability to simultaneously clean both targets and substrates; these operations must be carried out in them sequentially, one after another with the corresponding waste of working time of the plants and their operators. Otherwise, contamination of the deposited films will be excessive for almost any kind of known technology.

Задачей изобретения является достижение в одной и той же установке высоких показателей производительности, технологической функциональности и экономичности расходования материалов при обеспечении чистоты и точности процесса напыления.The objective of the invention is to achieve in the same installation high performance, technological functionality and cost-effectiveness of the expenditure of materials while ensuring the purity and accuracy of the spraying process.

Технический результат изобретения заключается в увеличении производительности, точности, чистоты и экономичности напыления пленок, в получении новых функциональных возможностей установки.The technical result of the invention is to increase the productivity, accuracy, purity and economy of the deposition of films, in obtaining new functionality of the installation.

Указанный технический результат достигается тем, что в вакуумной установке напыления пленок с камерой абляции, содержащей по меньшей мере один барабан мишеней, по меньшей мере один направленный в мишени излучатель, а также выдвижную заслонку и неподвижные заслонки, согласно изобретению она содержит вакуумную камеру абляции, герметично соединенную с основной вакуумной камерой в зоне обработки подложек посредством выходного патрубка, оснащенного внутри или на торце выдвижной заслонкой для разделения в закрытом ее положении вакуумной камеры абляции и основной вакуумной камеры, при этом вакуумная камера абляции включает блок абляции и содержит по меньшей мере один барабан мишеней, выполненный с возможностью вращения вокруг собственной оси, неподвижные заслонки мишеней, по меньшей мере один направленный в мишени излучатель, расположенные на периферии входные соединительные патрубки, выполненные с возможностью герметичного крепления излучателей или заменяющих их заглушек, гермошлюз для обслуживания барабана мишеней и выходной патрубок с каналом откачки газа, причем барабан мишеней расположен под гермошлюзом и защищен от блуждающих лучей излучателей неподвижными заслонками.The specified technical result is achieved by the fact that in a vacuum installation for deposition of films with an ablation chamber containing at least one target drum, at least one emitter directed at the target, as well as a retractable shutter and fixed shutters, according to the invention it contains a vacuum ablation chamber connected to the main vacuum chamber in the processing zone of the substrates by means of an outlet pipe equipped inside or at the end with a sliding shutter for separation in its closed position by a vacuum ablation measures and the main vacuum chamber, while the vacuum ablation chamber includes an ablation unit and contains at least one target drum rotatable around its own axis, fixed target flaps, at least one emitter directed at the target, input connecting peripherals nozzles made with the possibility of hermetically fastening emitters or plugs replacing them, a pressure lock for servicing the target drum and an outlet nozzle with a gas pumping channel, and b the target araban is located under the pressurized gate and is protected from the wandering rays of the emitters by fixed shutters.

Расширить функциональный диапазон предлагаемого изобретения позволяет вариант его исполнения, при котором к вакуумной камере абляции подсоединен по меньшей мере один излучатель, ассистирующий осаждению пленки и направленный в сторону обрабатываемой подложки.To expand the functional range of the invention allows its embodiment, in which at least one emitter connected to the deposition of the film and directed towards the processed substrate is connected to the vacuum ablation chamber.

Получить новые функциональные возможности позволяет вариант исполнения предлагаемого изобретения, который предусматривает расположение внутри или на торце выходного патрубка, соединяющего вакуумную камеру абляции с основной вакуумной камерой, тепло- и электроизолированного от вакуумной камеры абляции проводника с высокой геометрической прозрачностью, выполненного с возможностью подачи на него электрического потенциала, отличного от потенциала камеры.To obtain new functionality allows the embodiment of the present invention, which provides for the location inside or at the end of the outlet pipe connecting the vacuum ablation chamber to the main vacuum chamber, heat and electric insulation from the vacuum ablation chamber of the conductor with high geometric transparency, made with the possibility of supplying electric potential other than the potential of the camera.

Повысить удобство периодического обслуживания, а также увеличить экономичность работы в случае напыления дорогостоящих материалов позволяет вариант предлагаемого изобретения с установленным съемным кожухом, с помощью которого перекрыта от попадания потока абляции внутренняя поверхность стенок выходного патрубка и примыкающая часть внутренней поверхности стенок вакуумной камеры абляции.To increase the convenience of periodic maintenance, as well as to increase the efficiency of work in the case of spraying expensive materials, the variant of the invention with a removable cover is installed, with which the inner surface of the walls of the outlet pipe and the adjacent part of the inner surface of the walls of the vacuum chamber of ablation are blocked from the ablation flow.

Далее изобретение поясняется прилагаемыми чертежами, описанием принципа его работы.Further, the invention is illustrated by the accompanying drawings, a description of the principle of its operation.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На фиг. 1 схематично изображен предшествующий уровень техники; на фиг. 2-5 схематично изображены разрезы технологической вакуумной установки напыления пленок с камерой абляции, выполненной согласно настоящему изобретению (1 - основная вакуумная камера технологической установки, 2 - барабан мишеней, 3 - неподвижные заслонки, 4 - выдвижная заслонка, 5 - излучатель, 6 - излучатель очистки подложек, 7 - подложки, 8 - канал откачки газа, 9 - вакуумная камера абляции, 10 - гермошлюз, 11 - выходной патрубок, 12 - входные патрубки, 13 - ассистирующий излучатель, 14 - проводник с высокой геометрической прозрачностью, 15 - съемный кожух).In FIG. 1 schematically shows the prior art; in FIG. 2-5 schematically shows sections of a technological vacuum film spraying apparatus with an ablation chamber made in accordance with the present invention (1 — main vacuum chamber of a technological installation, 2 — target drum, 3 — fixed shutters, 4 — retractable shutter, 5 — emitter, 6 — emitter cleaning substrates, 7 - substrates, 8 - gas pumping channel, 9 - vacuum ablation chamber, 10 - pressurized lock, 11 - outlet pipe, 12 - inlet pipes, 13 - assistant emitter, 14 - conductor with high geometric transparency, 15 - removable casing )

Вакуумная камера абляции включает выходной патрубок 11, с помощью которого он подключается к основной технологической камере 1 в зоне обработки поверхности подложек 7, входные патрубки 12 с помощью которых крепятся излучатели 5 и 13, расположенные в предлагаемом устройстве на периферии камеры абляции 9, потоки излучения которых направлены на барабан мишеней 2 или подложки 7. При этом барабан мишеней 2 расположен под гермошлюзом 10 в камере абляции 9 и выполнен с возможностью вращения вокруг своей оси. Барабан мишеней 2 защищен от блуждающих лучей неподвижными заслонками 3. Кроме того, в выходном патрубке 11 камеры абляции содержатся канал откачки газа 8, проводник с высокой геометрической прозрачностью 14 и съемный кожух 15.The vacuum ablation chamber includes an outlet pipe 11, with which it is connected to the main process chamber 1 in the surface treatment zone of the substrates 7, inlet pipes 12 with which emitters 5 and 13 are mounted, located in the proposed device on the periphery of the ablation chamber 9, the radiation flux of which directed to the drum of targets 2 or substrate 7. In this case, the drum of targets 2 is located under the pressure lock 10 in the ablation chamber 9 and is made to rotate around its axis. The target drum 2 is protected from stray rays by fixed flaps 3. In addition, the outlet pipe 11 of the ablation chamber contains a gas pumping channel 8, a conductor with high geometric transparency 14 and a removable casing 15.

На фиг. 2 показана камера абляции с одним излучателем 5 и с одним барабаном мишеней 2.In FIG. 2 shows an ablation chamber with one emitter 5 and one target drum 2.

На фиг. 3 показана камера абляции с одним излучателем 5, с одним барабаном мишеней 2 и одним ассистирующим излучателем 13.In FIG. 3 shows an ablation chamber with one emitter 5, with one drum of targets 2 and one assisting emitter 13.

На фиг. 4 показана камера абляции с двумя излучателями 5, с одним барабаном мишеней 2 и двумя ассистирующими излучателями 13.In FIG. 4 shows an ablation chamber with two emitters 5, with one drum of targets 2 and two assisting emitters 13.

На фиг. 5 показана камера абляции с двумя излучателями 5, с двумя барабанами мишеней 2 и одним ассистирующим излучателем 13.In FIG. 5 shows an ablation chamber with two emitters 5, with two target drums 2 and one assisting emitter 13.

Принцип работы предлагаемого изобретения состоит в следующем.The principle of operation of the invention is as follows.

При закрытом положении выдвижной заслонки 4 проводится откачка камер 1 и 9 до остаточного давления не более 10^-4 Па. После чего одновременно проводятся операции очистки подложек 7 и барабана мишеней 2. Барабан мишеней 2 и поворотный стол подложек 7 могут вращаться как дискретно с заданным шагом, так и непрерывно в зависимости от настроек двигателей. Для очистки в основной технологической камере 1 включается излучатель 6, а в камере абляции 9 включается излучатель 5. При этом в камеры 1 и 9 и/или в излучатели 5, 6 в зависимости от типа излучателей напускаются газы или смеси газов (Ar, O₂, N₂ и др.), рекомендованные для очистки подложек и мишеней соответственно. Таким образом, в предлагаемом изобретении процесс очистки подложек 7 отделен от процесса очистки мишеней. Кроме того, эти два процесса могут проводится одновременно. В итоге технологическая операция очистки подложек проводится одновременно с технологической операцией очистки мишеней, но при этом не происходит попадания продуктов обработки одних деталей на другие детали, что имеет важное значение для сохранения точности и чистоты работы устройства при повышенной производительности. За счет совмещения во времени двух технологических операций, а именно очистки подложек и очистки мишеней, происходит экономия рабочего времени, что дает рост производительности установки.When the sliding shutter 4 is closed, the chambers 1 and 9 are pumped out to a residual pressure of not more than 10 ^-4 Pa. After that, simultaneously cleaning operations of the substrates 7 and the target drum 2 are carried out. The drum of the targets 2 and the turntable of the substrates 7 can rotate both discretely with a given step, and continuously depending on the settings of the engines. For cleaning, the emitter 6 is turned on in the main process chamber 1, and the emitter 5 is turned on in the ablation chamber 9. In this case, gases or gas mixtures are introduced into chambers 1 and 9 and / or into emitters 5, 6 (Ar, O ₂ , N ₂ , etc.) recommended for cleaning substrates and targets, respectively. Thus, in the present invention, the cleaning process of the substrates 7 is separated from the cleaning process of the targets. In addition, these two processes can be carried out simultaneously. As a result, the technological operation of cleaning the substrates is carried out simultaneously with the technological operation of cleaning the targets, but the products of processing one part do not get on other parts, which is important to maintain the accuracy and cleanliness of the device with increased productivity. By combining in time two technological operations, namely, cleaning the substrates and cleaning the targets, there is a saving in working time, which gives an increase in the productivity of the installation.

Излучатель очистки подложек 6 обычно является излучателем ионно-плазменного (плазмохимического) типа. Излучатели 5 и 13 могут быть различных принципов действия, наиболее распространенными излучателями, вызывающими абляцию либо модификацию поверхности, являются излучатели трех типов: ионные, электронные, фотонные, излучающие соответственно ионы газов, электроны и фотоны света. Указанные частицы, попадая на поверхность мишени или подложки, вызывают отрыв атомов, находящихся на поверхности. При этом возможны как физический, так и химический механизмы взаимодействия, соответственно передача импульса и энергии и химическая реакция с образованием летучего соединения. Таким образом, процесс отрыва атомов с поверхности может иметь различную сущность: сублимация, распыление, химическая реакция.The substrate cleaning emitter 6 is typically an ion-plasma (plasma-chemical) type emitter. Emitters 5 and 13 can be of various operating principles, the most common emitters causing ablation or surface modification are emitters of three types: ionic, electronic, photonic, emitting gas ions, electrons and photons of light, respectively. These particles, falling on the surface of a target or substrate, cause the detachment of atoms located on the surface. In this case, both physical and chemical mechanisms of interaction are possible, respectively, the transfer of momentum and energy and a chemical reaction with the formation of a volatile compound. Thus, the process of detachment of atoms from the surface can have a different essence: sublimation, sputtering, chemical reaction.

На следующем этапе производят осаждение пленок. Для этого сначала открывают заслонку 4. Затем включают излучатель 5. Через входные патрубки 12 к камере абляции 9 должен быть подключен по меньшей мере один излучатель 5, который генерирует поток абляции с барабаном мишеней 2. Два или более излучателей 5 подключаются для увеличения скорости напыления пленок (фиг. 4) или для применения дополнительных мишеней (фиг. 5). Опционально могут быть подключены ассистирующие излучатели 13, позволяющие воздействовать на физико-химические процессы формирования пленок (фиг. 3-5). Если ассистирующие излучатели 13 не используются в технологическом процессе, то предназначенные для них входные патрубки камеры абляции 9 закрываются заглушками, позволяющими блоку абляции сохранять герметичность. Заглушка входного патрубка может быть выполнена из вакуумного прочного материала, такого как нержавеющая сталь, либо же оптически прозрачного, диэлектрического, немагнитного материала для наблюдения протекающих процессов или ввода электромагнитного луча, например, луча лазера или оптического пирометра. В результате работы излучателя 5 оторванные с поверхности барабана мишеней 2 атомы образуют поток абляции, который используется для осаждения вещества мишеней на подложки 7. Для более равномерного осаждения и осаждения партиями подложки 7 располагают на поворотном столе, который может быть изготовлен по планетарной модели, то есть содержать поворотный механизм для вращения подложек вокруг собственной оси.The next step is the deposition of films. To do this, first open the shutter 4. Then turn on the emitter 5. Through the inlet pipes 12, at least one emitter 5 must be connected to the ablation chamber 9, which generates an ablation stream with the target drum 2. Two or more emitters 5 are connected to increase the film deposition rate (Fig. 4) or for the use of additional targets (Fig. 5). Assistive emitters 13 can optionally be connected, allowing to influence the physicochemical processes of film formation (Fig. 3-5). If assisting emitters 13 are not used in the technological process, then the inlet pipes of the ablation chamber 9 intended for them are closed with plugs that allow the ablation unit to remain airtight. The plug of the inlet pipe can be made of a strong vacuum material, such as stainless steel, or an optically transparent, dielectric, non-magnetic material for observing ongoing processes or introducing an electromagnetic beam, for example, a laser beam or an optical pyrometer. As a result of the operation of the emitter 5, atoms detached from the surface of the target drum 2 form an ablation flow, which is used to deposit target material on the substrates 7. For more uniform deposition and deposition in batches, the substrates 7 are placed on a turntable, which can be made according to the planetary model, i.e. contain a rotary mechanism for rotating the substrates around its own axis.

После формирования потока абляции за счет действия излучателей 5 этот поток движется по направлению от барабана мишеней 2 к подложкам 7 за счет избыточной части энергии, сообщенной ему при отрыве с поверхности мишеней. Вещество потока непрерывно осаждается на поверхности подложек, образуя пленку.After the formation of the ablation flow due to the action of the emitters 5, this flow moves in the direction from the target drum 2 to the substrates 7 due to the excess part of the energy communicated to it upon separation from the target surface. The substance of the stream is continuously deposited on the surface of the substrates, forming a film.

Известной проблемой генерации потока абляции с помощью ионных излучателей является неконтролируемое присутствие в потоке абляции и в осаждаемых пленках атомов аргона или другого газа, подаваемого в излучатель и используемого для распыления мишеней. Чтобы минимизировать присутствие газовых примесей, согласно предлагаемому изобретению, в выходном патрубке камеры абляции расположен независимый канал откачки газа 8. Частицы вещества, оторванные с мишени, обладают большей энергией по сравнению с атомами газа ионного излучателя, потерявшими свою энергию на поверхности мишени при взаимодействии. Поэтому через канал откачки газа 8 в камере абляции 9 из нее удаляются в основном атомы газа излучателя, что, несомненно, повышает в конечном итоге чистоту напыляемых пленок. Однако следует отметить, что первоочередной задачей канала откачки газа 8 в камере абляции 9 является уже упомянутая откачка газа из камеры абляции 9 при закрытом положении выдвижной заслонки 4 во время чистки барабана мишеней 2, без которой этот процесс был бы невозможен или недопустим.A well-known problem of generating an ablation flux using ion emitters is the uncontrolled presence of argon atoms or other gas supplied to the emitter and used for sputtering targets in the ablation flux and in the deposited films. In order to minimize the presence of gas impurities, according to the invention, an independent gas pumping channel is located in the outlet pipe of the ablation chamber 8. Particles of matter detached from the target have higher energy compared to the gas atoms of the ion emitter, which lost their energy on the surface of the target during interaction. Therefore, mainly through the gas evacuation channel 8 in the ablation chamber 9, the emitter gas atoms are removed from it, which undoubtedly increases ultimately the purity of the sprayed films. However, it should be noted that the primary task of the gas evacuation channel 8 in the ablation chamber 9 is the already mentioned gas evacuation from the ablation chamber 9 when the sliding shutter 4 is closed while the target drum 2 is being cleaned, without which this process would be impossible or unacceptable.

Форма камеры абляции 9 оптимизирована для совместного размещения в ней всех элементов блока абляции при выполнении в полной мере предписанных им функций, а также для гашения блуждающих лучей (пунктирные стрелки, фиг. 2-5). В связи с этим форма камеры абляции 9 зависит от комплектации блока абляции и соотношения излучателей 5, барабанов мишеней 2, ассистирующих излучателей 13, что видно на фиг. 2-5. Таким образом, камера абляции 9 имеет форму оптимальную для выполнения двух задач, во-первых, она концентрирует в себе все необходимые для абляции элементы, дополнительные и расширяющие возможности устройства элементы, направленные и размещенные нужным образом, во-вторых, содержит специальные зоны гашения блуждающих лучей, образованные неподвижными заслонками 3 и стенками камеры абляции 9.The shape of the ablation chamber 9 is optimized for the joint placement in it of all the elements of the ablation unit when performing the functions fully prescribed by it, as well as for damping stray rays (dashed arrows, Fig. 2-5). In this regard, the shape of the ablation chamber 9 depends on the configuration of the ablation unit and the ratio of emitters 5, target drums 2, assisting emitters 13, as can be seen in FIG. 2-5. Thus, the ablation chamber 9 has an optimal shape for performing two tasks, firstly, it concentrates all the elements necessary for ablation, additional elements expanding the device’s capabilities, directed and placed in the right way, and secondly, it contains special damping zones for wandering rays formed by the fixed shutters 3 and the walls of the ablation chamber 9.

При напылении пленок и структур, полученных чередованием пленок, синхронизируют повороты барабана мишеней 2. Барабан мишеней 2 вращается вокруг собственной оси на угол 360°/n, где n - количество мишеней (слотов) в барабане мишеней 2, через интервал времени, достаточный для напыления материала от каждой мишени барабана мишеней 2 на подложки 7. Возможен режим напыления пленки из двух или нескольких химических веществ, путем непрерывного вращения барабана мишеней 2. В последнем случае поток атомов, отобранных с разных мишеней, образует один и тот же абляционный поток, следуемый для осаждения на подложки 7. Возможен режим работы, связанный с использованием сразу двух или нескольких барабанов мишеней 2 (фиг. 5), при напылении сложных материалов или структур пленок. Каждая мишень в барабане мишеней 2 представляет собой тело в форме диска или параллелепипеда, полученное литьем или прессованием исходного материала. Барабан мишеней 2 защищен от нежелательных потоков вещества и блуждающих лучей неподвижными заслонками 3 для сохранения чистоты химического состава мишеней и ограничения потока абляции. Периодическое обслуживание устройства, связанное с извлечением барабана мишеней 2 и заменой мишеней, осуществляется с помощью гермошлюза 10. Для напыления пленок нужного химического состава на подложки 7 подбираются соответствующие мишени барабана мишеней 2. Устройство предназначено для напыления тонких (до 100 мкм) пленок и пленочных структур диэлектриков, полупроводников, металлов и полупроводников: TiO₂, TiN, SiO₂, Si₃N₄, Y₂O₃, HfO₂, ZrO₂, ITO, FTO, Pt, Au, Ag, Al, Ti, Cr, Si, Ge, GaN, AlGaN, ZnO и других.During the deposition of films and structures obtained by the alternation of films, the rotations of the target drum 2 are synchronized. The drum of the targets 2 rotates around its own axis by an angle of 360 ° / n, where n is the number of targets (slots) in the target drum 2, after a time interval sufficient for deposition material from each target of the target drum 2 onto the substrates 7. The film can be sprayed from two or more chemicals by continuous rotation of the target drum 2. In the latter case, the flux of atoms selected from different targets forms the same ablation flow, followed for deposition on substrates 7. A possible mode of operation associated with the use of two or more target drums 2 at once (Fig. 5) when spraying complex materials or film structures. Each target in the target drum 2 is a disk or parallelepiped-shaped body obtained by injection molding or pressing of the starting material. The drum of the targets 2 is protected from unwanted flows of matter and stray rays by stationary shutters 3 to maintain the purity of the chemical composition of the targets and to limit the flow of ablation. Periodic maintenance of the device associated with removing the drum of the targets 2 and replacing the targets is carried out using a pressurized gate 10. To spray films of the desired chemical composition onto the substrates 7, the corresponding targets of the drum of the targets 2 are selected. The device is designed to spray thin (up to 100 μm) films and film structures dielectrics, semiconductors, metals and semiconductors: TiO ₂ , TiN, SiO ₂ , Si ₃ N ₄ , Y ₂ O ₃ , HfO ₂ , ZrO ₂ , ITO, FTO, Pt, Au, Ag, Al, Ti, Cr, Si, Ge, GaN, AlGaN, ZnO and others.

В предлагаемом изобретении доступен широкий спектр возможностей по управлению физико-химическими свойствами напыляемых пленок. Для этого регулируют параметры абляционного (излучатели 5) и ассистирующего излучения (излучатели 13): энергию и химический состав излучаемых частиц, плотность потока и пр., температуру подложек 7, давление газа в вакуумных камерах 1 и 9, а также дополнительные параметры, позволяющие увеличить диапазон функциональных возможностей установки.In the present invention, a wide range of possibilities is available for controlling the physicochemical properties of sprayed films. For this, the parameters of ablation (emitters 5) and assisting radiation (emitters 13) are controlled: energy and chemical composition of emitted particles, flux density, etc., temperature of substrates 7, gas pressure in vacuum chambers 1 and 9, as well as additional parameters to increase range of installation functionality.

Как известно, дополнительно повлиять на свойства формируемых пленок можно путем использования специального тела на пути распространения абляционного потока, нагретого до высоких температур (>800°С, методы hot-wall, hot-wire deposition). Учитывая тот факт, что абляционный поток в предлагаемом изобретении ограничен выходным патрубком 11 камеры абляции 9, указанные методы легко реализуются путем установки в этом патрубке съемного проводника с высокой геометрической прозрачностью 14 в виде сетки или перфорированного диска, на который может быть подан электрический потенциал, отличный от потенциала камеры абляции. Подводимый к проводнику 14 электрический потенциал может использоваться для его нагрева пропусканием тока либо для управления заряженными частицами абляционного потока.As you know, it is possible to additionally affect the properties of the formed films by using a special body on the path of propagation of the ablation flow heated to high temperatures (> 800 ° C, hot-wall, hot-wire deposition methods). Considering the fact that the ablation flow in the present invention is limited by the outlet pipe 11 of the ablation chamber 9, these methods are easily implemented by installing in this pipe a removable conductor with high geometric transparency 14 in the form of a mesh or perforated disk onto which an electric potential can be applied, excellent from the potential of the ablation chamber. The electric potential brought to the conductor 14 can be used to heat it by passing current or to control charged particles of the ablation flow.

Учитывая тот же самый факт, а именно то, что абляционный поток ограничен выходным патрубком 11 камеры абляции 9, в предлагаемом изобретении возможно довольно экономично наносить пленки, в том числе пленки из ценных, дорогостоящих материалов, таких как золото, платина, серебро. Для этого используется съемный кожух 15 камеры абляции 9, перекрывающий стенки камеры в области наибольшей плотности потока абляции, а именно в выходном патрубке 11 и на стыке этого патрубка с основным объемом камеры абляции 9. Съемный кожух 15 является коллектором нецелевого расходования мишеней. Он изготовлен из термостойкого материала, химически инертного по отношению к веществам мишеней. На данном кожухе в процессе работы устройства осаждается слой вещества, толщина которого со временем возрастает. Для утилизации сформированного слоя достаточно выключить установку, извлечь кожух и подвергнуть его специальной обработке. В прототипе и устройствах, аналогах не предусмотрено коллектора для сбора нецелевого расходования материалов мишеней, что отрицательно влияет на их экономичность, чистоту и точность работы. Пластичность (эластичность) материала съемного кожуха 15 требуется, с одной стороны, для удобства извлечения его из камеры абляции 9 через гермошлюз 10 либо через выходной патрубок 11, а с другой стороны, - для удобства обработки и утилизации веществ, попавших на кожух.Considering the same fact, namely, that the ablation flow is limited by the outlet pipe 11 of the ablation chamber 9, in the present invention it is possible to apply films rather economically, including films of valuable, expensive materials such as gold, platinum, silver. For this, a removable casing 15 of the ablation chamber 9 is used, overlapping the walls of the chamber in the region of the highest ablation flux density, namely, in the outlet pipe 11 and at the junction of this pipe with the main volume of the ablation chamber 9. The removable casing 15 is a collector for misuse of targets. It is made of a heat-resistant material chemically inert with respect to target substances. On this casing during the operation of the device, a layer of substance is deposited, the thickness of which increases with time. To dispose of the formed layer, it is enough to turn off the installation, remove the casing and subject it to special treatment. In the prototype and devices, analogues there is no collector for collecting misuse of target materials, which negatively affects their efficiency, cleanliness and accuracy. The plasticity (elasticity) of the material of the removable casing 15 is required, on the one hand, for convenience of extracting it from the ablation chamber 9 through the pressure lock 10 or through the outlet pipe 11, and on the other hand, for the convenience of processing and disposal of substances that have fallen on the casing.

Claims

1. A vacuum film spraying unit comprising a main vacuum chamber with a substrate treatment zone, characterized in that it comprises an ablation vacuum chamber sealed to the main vacuum chamber in the substrate processing zone by means of an outlet nozzle equipped with a retractable shutter inside or at the end for separation in its closed position, the vacuum ablation chamber and the main vacuum chamber, while the vacuum ablation chamber includes an ablation unit and contains at least one target drum made with the possibility of rotation around its own axis, fixed target flaps, at least one emitter directed at the target, peripheral input connecting pipes made with the possibility of hermetically fastening the emitters or plugs replacing them, a pressure gate for servicing the target drum and an output pipe with a gas pumping channel, moreover, the target drum is located under the pressure lock and is protected from the wandering rays of the emitters by fixed flaps.

2. Installation according to claim 1, characterized in that at least one emitter is connected to the vacuum ablation chamber, assisting the deposition of the film and directed towards the processed substrate.

3. Installation according to claim 1, characterized in that inside or at the end of the outlet pipe connecting the ablation vacuum chamber to the main vacuum chamber, a geometrically transparent conductor is arranged that is electrically and electrically insulated from the ablation vacuum chamber, configured to supply an electric potential to it, different from the potential of the ablation chamber.

4. Installation according to claim 1, characterized in that it comprises a removable casing covering the inner surface of the walls of the outlet pipe and the adjacent part of the inner surface of the walls of the vacuum chamber of ablation from getting into the ablation flow.