RU2817684C1 - Device for sputtering of thin-film coatings - Google Patents
Device for sputtering of thin-film coatings Download PDFInfo
- Publication number
- RU2817684C1 RU2817684C1 RU2023133215A RU2023133215A RU2817684C1 RU 2817684 C1 RU2817684 C1 RU 2817684C1 RU 2023133215 A RU2023133215 A RU 2023133215A RU 2023133215 A RU2023133215 A RU 2023133215A RU 2817684 C1 RU2817684 C1 RU 2817684C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- planetary mechanism
- controller
- rotation
- substrates
- encoder
- Prior art date
Links
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 title claims abstract description 8
- 238000009501 film coating Methods 0.000 title claims abstract description 6
- 239000010409 thin film Substances 0.000 title claims abstract description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 25
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000000576 coating method Methods 0.000 abstract description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 19
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 19
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 6
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 6
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 3
- -1 Radical M-100 ion Chemical class 0.000 description 2
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 2
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 2
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 2
- 238000000992 sputter etching Methods 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001128 Sn alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PWKWDCOTNGQLID-UHFFFAOYSA-N [N].[Ar] Chemical compound [N].[Ar] PWKWDCOTNGQLID-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VVTSZOCINPYFDP-UHFFFAOYSA-N [O].[Ar] Chemical compound [O].[Ar] VVTSZOCINPYFDP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 229910003437 indium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- PJXISJQVUVHSOJ-UHFFFAOYSA-N indium(iii) oxide Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[In+3].[In+3] PJXISJQVUVHSOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области технологии изготовления приборов оптоэлектроники, а именно к устройствам получения тонкопленочных покрытий для цифровых дисплеев, светоизлучающих диодов.The present invention relates to the field of technology for manufacturing optoelectronics devices, namely to devices for producing thin-film coatings for digital displays and light-emitting diodes.
Известно устройство для напыления тонкопленочных покрытий (Установка ионно-магнетронного напыления нанокристаллических покрытий (КВАНТ) Сергеев В.П., Яновский В.П. и др./Физическая механика 7, Спецвыпуск Ч.2(2004) 333-336), которое взято за прототип. Устройство для напыления пленок содержит вакуумную камеру, магнетронный и ионный источники, вращающийся предметный стол с подложками, нагреватели, систему управления вращением предметного стола.A device for sputtering thin-film coatings is known (Installation for ion-magnetron sputtering of nanocrystalline coatings (QUANT) Sergeev V.P., Yanovsky V.P. et al. / Physical mechanics 7, Special issue Part 2 (2004) 333-336), which is taken for the prototype. The film deposition device contains a vacuum chamber, magnetron and ion sources, a rotating object table with substrates, heaters, and a control system for the rotation of the object table.
Недостатком известного устройства являются недостаточные функциональные возможности в части управления толщиной напыленного слоя за один цикл (оборота предметного), первоначально представляющего собой островки наносимых пленок перед последующим ионным травлением в этом же цикле для получения текстуры и возможности самого ионного травления, управляемого только током травления.The disadvantage of the known device is the insufficient functionality in terms of controlling the thickness of the deposited layer in one cycle (revolution of the object), initially representing islands of applied films before subsequent ion etching in the same cycle to obtain texture and the possibility of ion etching itself, controlled only by the etching current.
Целью предлагаемого технического решения является расширение функциональных воможностей устройств в части управления текстурой и шероховатостью пленок.The purpose of the proposed technical solution is to expand the functional capabilities of devices in terms of controlling the texture and roughness of films.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство для напыления тонкопленочных покрытий, содержащее вакуумную камеру, магнетронный и ионный источники, вращающийся планетарный механизм (карусель), нагреватели, систему управления скоростью и направлением вращения планетарного механизма (карусели), дополнительно введены энкодер, соединенный с осью вращения карусели с подложками и контроллер, выполненный с возможностью сканирования заданное число раз подложек перед зоной магнитронного напыления и перед ионным пучком, при этом ко входу контроллера подключен выход энкодера, а к выходу контроллера - система управления скоростью и направлением вращения планетарного механизма.This goal is achieved by the fact that a device for sputtering thin-film coatings containing a vacuum chamber, magnetron and ion sources, a rotating planetary mechanism (carousel), heaters, a control system for the speed and direction of rotation of the planetary mechanism (carousel), additionally includes an encoder connected to the axis rotation of the carousel with substrates and a controller configured to scan the substrates a specified number of times in front of the magnetron sputtering zone and in front of the ion beam, while the encoder output is connected to the controller input, and a system for controlling the speed and direction of rotation of the planetary mechanism is connected to the controller output.
Связь вновь вводимых признаков и достижения цели заключается в следующем.The connection between newly introduced features and goal achievement is as follows.
Контроллер по энкодеру определяет момент выхода карусели с подложками из зоны магнетронного напыления (справа) и, в соответствии с установкой параметров, меняет направление вращения карусели до момента выхода подложек из зоны напыления (слева). Далее контроллер снова меняет направление вращения карусели и, таким образом, происходит сканирование подложек перед зоной магнетронного напыления в заданное на контроллере число раз. Аналогично контроллер с помощью энкодера управляет сканированием подложек перед ионным пучком на заданное контроллером число раз. Это позволяет оперативно подбирать и оптимизировать толщину напыленного и стравливаемого слоя с целью получения нужной степени текстуры, шероховатости, прозрачности и электропроводности пленок, тем самым, повышая функциональные возможности устройства.The controller uses an encoder to determine the moment the carousel with substrates leaves the magnetron sputtering zone (right) and, in accordance with the parameter settings, changes the direction of rotation of the carousel until the substrates leave the sputtering zone (left). Next, the controller again changes the direction of rotation of the carousel and, thus, the substrates are scanned in front of the magnetron sputtering zone the number of times specified on the controller. Similarly, the controller, using an encoder, controls scanning of the substrates in front of the ion beam the number of times specified by the controller. This allows you to quickly select and optimize the thickness of the sprayed and etched layer in order to obtain the desired degree of texture, roughness, transparency and electrical conductivity of the films, thereby increasing the functionality of the device.
Описание устройства в статикеDescription of the device in statics
На фиг.1 представлено схематичное изображение устройства.Figure 1 shows a schematic representation of the device.
Устройство содержит вакуумную камеру 1, которая содержит магнетронный источник 2, ионный источник 3, вращающийся планетарный механизм 6 с подложками 4, нагреватель 5, при этом в вакуумной камере дополнительно размещены вращающийся планетарный механизм 6, выполненный с возможностью размещения подложек 4, систему управления скоростью и направлением вращения планетарного механизма 6, энкодер 7, соединенный с осью вращения планетарного механизма 6 с подложками 4, контроллер 8 сканирования, вход которого подключен к выходу энкодера 7, а выход к системе управления вращением планетарного механизма 6.The device contains a vacuum chamber 1, which contains a magnetron source 2, an ion source 3, a rotating planetary mechanism 6 with substrates 4, a heater 5, while the vacuum chamber additionally houses a rotating planetary mechanism 6 configured to accommodate substrates 4, a speed control system and direction of rotation of the planetary mechanism 6, an encoder 7 connected to the axis of rotation of the planetary mechanism 6 with substrates 4, a scanning controller 8, the input of which is connected to the output of the encoder 7, and the output to the rotation control system of the planetary mechanism 6.
Устройство работает следующим образом. После ионной очистки подложек с использованием ионного источника 3 включается магнетрон. После выхода подложек из зоны напыления магнетронного источника 2 справа (при вращении карусели по направлению часовой стрелки, фиг.1) контроллер 8 сканирования определяет этот момент по показаниям энкодера 7 и меняет направление вращения планетарного механизма на противоположное. После выхода подложек из зоны напыления справа (фиг.1) контроллер снова меняет направление вращения карусели. Так продолжается заданное в установках контроллера число раз для цикла напыление-травление. После того, как подложка достигла ионного источника, по аналогии с вышеописанным процессом сканирования магнетронным пучком происходит заданное на контроллере число раз изменение смены направления движения планетарного механизма 4 и сканирования ионным пучком подложек.The device works as follows. After ion cleaning of the substrates using the ion source 3, the magnetron is turned on. After the substrates leave the deposition zone of the magnetron source 2 on the right (when the carousel rotates clockwise, Fig. 1), the scanning controller 8 determines this moment according to the readings of the encoder 7 and changes the direction of rotation of the planetary mechanism to the opposite. After the substrates leave the deposition zone on the right (Fig. 1), the controller again changes the direction of rotation of the carousel. This continues the number of times specified in the controller settings for the sputtering-etching cycle. After the substrate has reached the ion source, by analogy with the above-described process of scanning with a magnetron beam, the number of times specified on the controller changes the direction of movement of the planetary mechanism 4 and scans the substrates with the ion beam.
Таким образом, оператор имеет возможность задать толщину слоя покрытия, напыленного за цикл нанесения и травления.Thus, the operator has the opportunity to set the thickness of the coating layer deposited during the application and etching cycle.
Примеры конкретного осуществленияExamples of specific implementation
Пример 1Example 1
Производилось напыление прозрачных электропроводящих пленок оксида индия, легированного оловом, в кислородно - аргоновой смеси. Перед осаждением проводили ионную очистку в рабочей смеси газов. Напуск рабочей смеси проводили через ионный источник «Радикал М-100». Во время процесса осаждения планетарный механизм с 6-ю подложками поочередно проходил область воздействия распыления и область воздействия ионного источника. Цикл прохождения карусели повторялся до 500 раз. В качестве мишени использовался сплав In-Sn. Установка монтировалась на базе модернизированного агрегата вакуумного УРМ 3.279.029.Transparent electrically conductive films of indium oxide doped with tin were deposited in an oxygen-argon mixture. Before deposition, ion purification was carried out in a working gas mixture. The working mixture was injected through the Radical M-100 ion source. During the deposition process, the planetary mechanism with 6 substrates alternately passed through the sputtering area and the ion source area. The cycle of passing the carousel was repeated up to 500 times. An In-Sn alloy was used as a target. The installation was mounted on the basis of a modernized vacuum unit URM 3.279.029.
В табл.1 и на фиг.2,3 приведены экспериментальные результаты, полученные на заявляемом устройстве и иллюстрирующие влияние времени ионной обработки (количества сканирований) на параметры пленок ITOTable 1 and Figs. 2 and 3 show the experimental results obtained on the inventive device and illustrating the influence of ion treatment time (number of scans) on the parameters of ITO films
Таблица 1. Зависимость области когерентного рассеяния (степени нанокристалличности) от времени ионной обработкиTable 1. Dependence of the coherent scattering region (degree of nanocrystallinity) on the time of ion treatment
В табл.1 представлена зависимость области когерентного рассеяния (ОКР) от времени ионной обработки. Так минимальные значения ОКР соответствует времени обработки 40 сек.Table 1 shows the dependence of the coherent scattering region (CSR) on the time of ion treatment. So the minimum OCR value corresponds to a processing time of 40 seconds.
На фиг.2 приведены спектры пропускания T пленок ITO на кварцевой подложке для разных времен ионной обработки, свидетельствующие об уменьшении толщины пленки при увеличении времени ионной обработки с сохранением коэффициента пропускания.Figure 2 shows the transmission spectra T of ITO films on a quartz substrate for different times of ion treatment, indicating a decrease in film thickness with increasing time of ion treatment while maintaining the transmittance.
На фиг.3 представлены относительные изменения удельного сопротивления пленок ITO свежеприготовленных 0(ρ0)) и спустя 6 месяцев ρ), иллюстрирующие тот факт, что увеличение времени ионной обработки приводит к уменьшению степени деградации пленок.Figure 3 shows the relative changes in the resistivity of freshly prepared ITO films 0(ρ 0 )) and after 6 months ρ), illustrating the fact that increasing the time of ion treatment leads to a decrease in the degree of degradation of the films.
Таким образом, новые функциональные возможности устройства позволяют управлять свойствами пленок, в частности сохранением параметров со временем.Thus, the new functionality of the device makes it possible to control the properties of films, in particular, the preservation of parameters over time.
Пример 2Example 2
Производилось напыление пленок нитрида алюминия в азот - аргоновой смеси. Перед осаждением проводили ионную очистку в рабочей смеси газов. Напуск рабочей смеси проводили через ионный источник «Радикал М-100». Во время процесса осаждения планетарный механизм с 6-ю подложками поочередно проходил область воздействия распыления и область воздействия ионного источника. Цикл прохождения карусели повторялся до 500 раз. В качестве мишени использовался Al 99,999% чистоты. Установка монтировалась на базе модернизированного агрегата вакуумного УРМ 3.279.029.Aluminum nitride films were sputtered into a nitrogen-argon mixture. Before deposition, ion purification was carried out in a working gas mixture. The working mixture was injected through the Radical M-100 ion source. During the deposition process, the planetary mechanism with 6 substrates alternately passed through the sputtering area and the ion source area. The cycle of passing the carousel was repeated up to 500 times. Al 99.999% purity was used as a target. The installation was mounted on the basis of a modernized vacuum unit URM 3.279.029.
На фиг.4 приведены экспериментальные результаты, полученные на заявляемом устройстве и иллюстрирующие влияние мощности сопутствующей ионной обработки во время напыления на параметры пленок AlN.Figure 4 shows the experimental results obtained on the inventive device and illustrating the influence of the power of the accompanying ion treatment during deposition on the parameters of AlN films.
Из рисунка видно, что значения шероховатости уменьшаются с ростом тока ионной обработки. Т.е. ионно-лучевая обработка способствует снижению шероховатости растущих пленок нитрида алюминия, поверхность получается более гладкой и однородной. Более того, известно, что при значениях среднеквадратичной шероховатости подложки менее 4 нм, возможен синтез тонких пленок AlN с высокой ориентацией по оси c. Напротив, при наличии шероховатости поверхности подложки рост вдоль оси c становится маловероятным.It can be seen from the figure that the roughness values decrease with increasing ion treatment current. Those. Ion beam treatment helps reduce the roughness of growing aluminum nitride films, resulting in a smoother and more uniform surface. Moreover, it is known that at values of the root-mean-square roughness of the substrate less than 4 nm, it is possible to synthesize thin AlN films with a high orientation along the c axis. On the contrary, if the substrate surface is rough, growth along the c axis becomes unlikely.
На фиг.5 представлен типичный спектр пропускания и отражения пленок нитрида алюминия при токе ионно-лучевой обработки 30 мА.Figure 5 shows a typical transmission and reflection spectrum of aluminum nitride films at an ion beam treatment current of 30 mA.
В табл.2 показаны экспериментальные результаты, иллюстрирующие влияние мощности сопутствующей ионной обработки на свойства пленок нитрида алюминия.Table 2 shows experimental results illustrating the influence of the power of accompanying ion treatment on the properties of aluminum nitride films.
Таблица 2. Значения ширины запрещенной зоны и показателя преломления AlNTable 2. AlN band gap and refractive index values
Таким образом, регулируя мощность сопутствующей ионно-лучевой обработки, можно регулировать структуру и свойства получаемых покрытий нитрида алюминия.Thus, by adjusting the power of the accompanying ion-beam treatment, it is possible to regulate the structure and properties of the resulting aluminum nitride coatings.
На фиг.6 можно увидеть дифрактограммы пленок нитрида алюминия, осажденных на подложку из кремния Si(100) при разных токах обработки:In Fig. 6 you can see diffraction patterns of aluminum nitride films deposited on a Si(100) silicon substrate at different processing currents:
a - 0 мА, b - 10 мА, c - 20 мА, d - 30 мА, e - 40 мА.a - 0 mA, b - 10 mA, c - 20 mA, d - 30 mA, e - 40 mA.
Из рисунка видно, что увеличение тока обработки приводит к увеличению степени кристалличности пленки.It can be seen from the figure that an increase in the processing current leads to an increase in the degree of crystallinity of the film.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2817684C1 true RU2817684C1 (en) | 2024-04-18 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2606363C2 (en) * | 2015-05-27 | 2017-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Carousel-type unit for multi-layered coatings magnetron sputtering and method of equal thickness nano-coating magnetron sputtering |
| US20180254172A1 (en) * | 2010-06-25 | 2018-09-06 | Canon Anelva Corporation | Sputtering apparatus, film deposition method, and control device |
| RU2021120868A (en) * | 2021-07-15 | 2023-01-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Удмуртский государственный университет" | Device for sputtering nanocrystalline coatings |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20180254172A1 (en) * | 2010-06-25 | 2018-09-06 | Canon Anelva Corporation | Sputtering apparatus, film deposition method, and control device |
| RU2606363C2 (en) * | 2015-05-27 | 2017-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Carousel-type unit for multi-layered coatings magnetron sputtering and method of equal thickness nano-coating magnetron sputtering |
| RU2021120868A (en) * | 2021-07-15 | 2023-01-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Удмуртский государственный университет" | Device for sputtering nanocrystalline coatings |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Сергеев В.П. и др. Установка ионно-магнетронного напыления нанокристаллических покрытий (КВАНТ), Физическая механика 7, Спецвыпуск Ч.2, 2004, 333-336. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2545306B2 (en) | Method for producing ZnO transparent conductive film | |
| JP2004511655A (en) | Preparation method of indium tin oxide thin film using magnetron negative ion sputtering source | |
| JP2001192821A (en) | Method for depositing film on substrate, and article obtained by the method | |
| WO2018090926A1 (en) | Transparent conductive film and preparation method therefor, sputtering target, transparent conductive substrate and solar cell | |
| RU2817684C1 (en) | Device for sputtering of thin-film coatings | |
| JP4099252B2 (en) | Method for depositing metal oxide layer on substrate by sputtering induction and optical working layer system | |
| CN114107917B (en) | Copper-doped zinc oxide transparent conductive film and preparation method thereof | |
| WO2023005136A1 (en) | Neutral density filter, and preparation method and preparation device therefor | |
| CN115044887A (en) | Preparation method of indium tin oxide film | |
| Hamzah et al. | Effect of post-annealing in oxygen environment on ITO thin films deposited using RF magnetron sputtering | |
| CN111139439B (en) | Method for preparing film on large-area substrate through magnetron sputtering | |
| JPH0850815A (en) | Transparent conductor and manufacture thereof | |
| JPH058527B2 (en) | ||
| Danchuk et al. | Mechanisms of formation and morphology of co-sputtered YZO films at ultralow Yttrium concentration | |
| TWI417410B (en) | A manufacturing method of electric conduction film | |
| CN111575666B (en) | Method for preparing (222) strong texture ITO film | |
| Zhang et al. | Tuning the optical and electrical properties of HiPIMS-ITO films by variation of annealing temperature | |
| CN112941476B (en) | Tin dioxide/copper/tin dioxide multilayer transparent conductive film and preparation method and application thereof | |
| CN110408887B (en) | Preparation method of ITO transparent conductive layer on surface of wafer-level silicon-based aluminum | |
| CN112853309B (en) | Preparation method of ITO film suitable for HIT battery | |
| CN103103479A (en) | Method for preparing p-type zinc oxide film through sulfur and nitrogen co-doping | |
| CN114032501B (en) | Method for compatible far infrared transparency and conductivity in film material | |
| KR100207279B1 (en) | Method of coloring the metal product | |
| JP4022849B2 (en) | Method for producing metal oxide film-coated member | |
| CN115261813A (en) | Polycrystalline silver film with adjustable and controllable dielectric constant and preparation method thereof |