RU203823U1 - Магнетронное распылительное устройство для синтезирования неоднородной пленки на поверхности подложки - Google Patents
Магнетронное распылительное устройство для синтезирования неоднородной пленки на поверхности подложки Download PDFInfo
- Publication number
- RU203823U1 RU203823U1 RU2020143331U RU2020143331U RU203823U1 RU 203823 U1 RU203823 U1 RU 203823U1 RU 2020143331 U RU2020143331 U RU 2020143331U RU 2020143331 U RU2020143331 U RU 2020143331U RU 203823 U1 RU203823 U1 RU 203823U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- anode
- solenoids
- target cathode
- orthogonal
- electric field
- Prior art date
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims abstract description 21
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 title claims abstract description 5
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims abstract description 12
- 238000009826 distribution Methods 0.000 abstract description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 10
- 230000004907 flux Effects 0.000 abstract 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 11
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 4
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 4
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000007888 film coating Substances 0.000 description 1
- 238000009501 film coating Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 238000010584 magnetic trap Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/34—Sputtering
- C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J25/00—Transit-time tubes, e.g. klystrons, travelling-wave tubes, magnetrons
- H01J25/50—Magnetrons, i.e. tubes with a magnet system producing an H-field crossing the E-field
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
- H01J37/34—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к магнетронному распылительному устройству для синтезирования неоднородной пленки на поверхности подложки. Упомянутое устройство содержит вакуумную камеру, расположенные в вакуумной камере анод, катод-мишень и магнитный блок. Магнитный блок состоит из соленоидов, расположенных под катодом-мишенью ортогонально линиям электрического поля, и соленоидов, расположенных над поверхностью анода ортогонально линиям электрического поля. Соленоиды, расположенные над поверхностью анода, повернуты на 90 градусов в своей плоскости относительно соленоидов, расположенных под катодом-мишенью. Соленоиды, ортогональные плоскостям анода и катода-мишени, расположены параллельно линиям электрического поля по периметру катода-мишени и анода. Обеспечивается возможность управлять распределением силовых линий и напряженности магнитного поля в разрядном промежутке и реализовывать их различные конфигурации, определяющие перераспределение ионного потока наносимого материала на поверхности подложки в соответствии с требуемым распределением материала и/или его свойств по подложке. 2 ил.
Description
Полезная модель относится к классу устройств, позволяющих наносить из магнетронной плазмы покрытие высокого качества, в том числе и наноразмерное.
Применение магнитных полей в распылительных системах позволяет уменьшить давление газа в вакуумной камере и обеспечить его практически стопроцентную ионизацию, что положительно сказывается на чистоте синтезируемых тонких пленок.
Если силовые линии электрического и магнитного полей параллельны, то траектории электронов представляет собой спираль с непрерывно изменяющимся шагом: они вращаются вокруг силовой линии магнитного поля за счет поперечной компоненты скорости и движутся равноускоренно вдоль силовых линий обоих полей.
Магнетронное распыление в скрещенных (ортогональных) электрическом и магнитном полях в настоящее время представляется самым востребованным методом синтеза наноразмерных пленок. При этой технологии траектории движения электронов даже в однородном магнитном поле представляют собой сложные пространственные кривые и плохо поддаются моделированию и аналитическому расчету. Поэтому эмпирические представления до сих пор имеют определяющее прикладное значение. При анализе движения частиц в магнетронном разряде нужно учитывать ограничение разрядного объема электродами, процессы на их поверхностях и реальное распределение электрического поля в межэлектродном промежутке. На траектории движения частиц влияют конфигурация электродной системы, величина напряженности и конфигурация магнитного поля.
До недавнего времени целью всех технологических разработок являлось получение максимально совершенных и однородных пленочных покрытий. Однако в последнее время наметилась тенденция к синтезу неоднородных пленок, особенно в наноразмерном диапазоне. Причем неоднородными они могут быть по различным параметрам - по составу, по толщине, по структуре, по каким-либо свойствам и т.д. Отчасти это связано с развитием и применением фрактального подхода к технологическим процессам и последним достижениям фрактальной физики и геометрии. Вне конкуренции здесь использование газового разряда в магнетронных распылительных устройствах (МРУ).
Для реализации подобной неоднородности можно, например, использовать структурированные электромагнитные поля видимого диапазона, вводимые в вакуумную камеру в процессе синтеза пленок [Способ получения тонких пленок с фрактальной структурой. Серов И.Н., Марголин В.И. Патент РФ на изобретение №2212375, приоритет от 14.11.2002, выдан 20.09.2003, МКП 7 В82В 3/00, Опубл. 20.09.2003, Бюл. №26.] Но на этом пути возникают громадные трудности, связанные как с созданием устройств, реализующих такие поля, так и с их "одноразовостью" - при необходимости изменить какой-либо элемент структуры поля или синтезируемой пленки необходимо менять все устройство целиком - заново его разрабатывая и конструируя.
Более целесообразным и технологичным является использование магнетронных распылительных устройств с неоднородным управляемым магнитным полем в разрядном промежутке. Такое поле будет влиять на прохождение ионов от катода к аноду-подложке, и направлять различные части потока в соответствующие локализации подложки, формируя таким образом локальные зоны неоднородности.
В работе [Исследование характеристик плазмы в несбалансированной магнетронной распылительной системе А.А. Соловьев, Н.С. Сочугов, К.В. Оскомов, С.В. Работкин // Физика плазмы, 2009, том 35, №5, с. 443-452] в целях изучения процесса формирования и переноса носителей заряда в магнетронном разряде с несбалансированной конфигурацией магнитного поля были проведены зондовые измерения характеристик плазмы и энергии ионов в области, простирающейся от магнитной ловушки у поверхности катода до подложки.
В настоящее время о пространственных распределениях параметров плазмы, особенно в магнетронах с несбалансированной конфигурацией магнитного поля, известно очень немного. Поэтому основной задачей работы Соловьева с соавторами было экспериментальное определение распределения характеристик плазмы в пространстве между катодом и подложкой в магнетронной распылительной системе с электромагнитной катушкой, позволяющей изменять конфигурацию магнитного поля над поверхностью катода в широких пределах.
Было показано, что для увеличения плотности плазмы в области подложки необходимо создать в пространстве между ней и магнетроном аксиальное магнитное поле, величина которого достаточна для эффективного удержания электронов и предотвращения их ухода на стенки камеры. При этом потенциал плазмы может понижаться до отрицательных значений, а характеристики плазмы в пространстве катод-подложка распределяются весьма неравномерно, что может быть использовано для синтеза неоднородных пленок. Энергетические распределения ионов в магнетронном разряде являются неравновесными, имеют максимум, соответствующий термализованным частицам, ионизованным при потенциале плазмы, и высокоэнергетический хвост с энергиями до 20-30 эВ. Интенсивность высокоэнергетического хвоста в распределениях ионов по энергиям зависит от давления в камере, степени несбалансированности магнетрона и локальных распределений магнитных полей.
Известна магнетронная распылительная система с дополнительным соленоидом [Мельников С.Н., Кундас С.П., Свадковский И.В. Моделирование и численные исследования параметров магнетронных распылительных систем // Доклады БГУИР, 2007. - июль - сентябрь (19), №3.], содержащая расположенные в вакуумной камере анод и катодный узел, включающий катод-мишень, магнитный блок из постоянных магнитов и дополнительный соленоид, расположенный параллельно линиям электрического поля. Использование дополнительного соленоида, установленного в промежутке катод-мишень - подложка, позволяет управлять соотношением ион/атом в процессе нанесения.
Недостатком использования соленоидов в качестве магнитов является большее, по сравнению с постоянными магнитами, искривление силовых линий, что приводит к градиенту в направлении, перпендикулярном силовым линиям и искажает траектории движения электронов. Кривизна линий вызывает такое специфическое дрейфовое движение, обусловленное изменением направления магнитного поля, как центробежный дрейф, т.е. дрейф под действием центробежной силы для частиц, движущихся вдоль силовых линий.
Для повышения равномерности распыления катода-мишени целесообразно применять длинные соленоиды с однородным магнитным полем, а также специальные магнитопроводы. Однако это увеличивает массу, размеры и усложняет конструкцию установок, но не приводит к абсолютной равномерности распыления из-за ухода ионов на торцы системы и снижению их концентрации на краях МРС.
По совокупности существенных признаков наиболее близким аналогом предлагаемого устройства является магнетронное распылительное устройство сбалансированного типа, которое содержит вакуумную камеру, расположенные в вакуумной камере анод, катод-мишень и магнитный блок. (RU №134932 U1, МПК С23С 14/35.27.11.2013 «Магнетронная распылительная система»).
Недостатком известного устройства является наличие постоянных магнитов, расположенных под катодным узлом, что позволяет реализовывать магнетронное распыление в ортогональных (скрещенных) полях. Однако, использование постоянных магнитов представляет собой значительные неудобства. Требования к изменению конфигурации магнитного поля приводят к необходимости изменения расположения магнитов или вообще их замены, что нетехнологично. Кроме того, магнитные поля постоянных магнитов не подлежат регулировке.
Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является обеспечение возможности управлять распределением силовых линий и напряженности магнитного поля в разрядном промежутке и осуществлять реализацию их различных конфигураций, определяющих перераспределение потока наносимого материала в пространстве и на поверхности подложки в соответствии с требуемым распределением материала и/или его свойств по подложке.
Поставленная задача решается за счет того, что, так же, как известное, предлагаемое магнетронное распылительное устройство для синтезирования неоднородной пленки на поверхности подложки содержит вакуумную камеру, расположенные в вакуумной камере анод, катод-мишень и магнитный блок. Но, в отличие от известного, магнитный блок состоит из соленоидов, расположенных под катодом-мишенью ортогонально линиям электрического поля, соленоидов, расположенных над поверхностью анода ортогонально линиям электрического поля, причем соленоиды, расположенные над поверхностью анода повернуты на 90 градусов в своей плоскости относительно соленоидов, расположенных под катодом-мишенью, а параллельно линиям электрического поля по периметру катода-мишени и анода расположены соленоиды, ортогональные плоскостям анода и катода-мишени.
Достигаемым техническим результатом является осуществление возможности управлять распределением силовых линий и напряженности магнитного поля в разрядном промежутке и реализовывать их различные конфигурации, определяющие перераспределение потока наносимого материала в пространстве и на поверхности подложки в соответствии с требуемым распределением материала и/или его свойств по подложке.
Магнетронное распылительное устройство для синтезирования неоднородной пленки на поверхности подложки работает следующим образом. Между катодом-мишенью и анодом зажигается газовый разряд и включаются соленоиды, параллельные вектору электрического поля, вследствие чего удлиняется траектория движения электронов в разрядном промежутке, обеспечивая практически полную ионизацию атомов и молекул распыляемого материала.
Затем включаются соленоиды, расположенные под катодом-мишенью и над анодом и путем подбора их параметров (тока, напряжения, при необходимости расположения) достигается требуемое распределение параметров магнитного поля в межэлектродном пространстве, приводящее к перераспределению до этого однородного потока распыляемого материала в соответствии с требуемыми параметрами. Это может быть неоднородное, но контролируемое распределение примеси по поверхности подложки; толщины пленки в различных локациях подложки; латентной структуры синтезируемой пленки и других параметров.
К сожалению, подбор управляющих параметров для соленоидов осуществляется эмпирическим опытным путем для каждой конкретной установки, конкретного материала и конкретной решаемой задачи. Производить расчеты конфигурации магнитных полей и их параметров даже в общем виде пока не представляется возможным вследствие отсутствия соответствующей вычислительной базы и конкретного понимания происходящих в разрядном промежутке процессов взаимодействия неоднородных магнитных полей с распыляемым материалом.
Полезная модель поясняется чертежами, не включающими вакуумную камеру, где на фиг. 1 показана конструкция предлагаемого магнитного распылительного устройства - вид сбоку, а на фиг. 2 - вид сверху, где 1 - катод-мишень; 2 - анод; 3 - соленоиды, расположенные под катодом-мишенью; 4 - соленоиды, расположенные над анодом, ортогонально соленоидам, расположенным под катодом-мишенью; 5 - соленоиды, ортогональные плоскостям анода и катода-мишени. Пунктиром показаны соленоиды, расположенные вне видимости.
Для проверки работоспособности предлагаемого магнетронного распылительного устройства были проведены экспериментальные исследования на основе модернизированного вакуумного поста ВУП-4М, оснащенного дополнительным магнетронным устройством по предлагаемой полезной модели. Производилось распыление рафинированной меди. Подбор параметров соленоидов (напряжения и тока) позволил синтезировать на подложке неоднородную по толщине пленку меди, представляющую собой систему "холмов" высотой до 1 мкм и пленочное поле между ними толщиной 0,2-0,3 мкм.
Claims (1)
- Магнетронное распылительное устройство для синтезирования неоднородной пленки на поверхности подложки, содержащее вакуумную камеру, расположенные в вакуумной камере анод, катод-мишень и магнитный блок, отличающееся тем, что магнитный блок состоит из соленоидов, расположенных под катодом-мишенью ортогонально линиям электрического поля, и соленоидов, расположенных над поверхностью анода ортогонально линиям электрического поля, причем соленоиды, расположенные над поверхностью анода, повернуты на 90 градусов в своей плоскости относительно соленоидов, расположенных под катодом-мишенью, а параллельно линиям электрического поля по периметру катода-мишени и анода расположены соленоиды, ортогональные плоскостям анода и катода-мишени.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020143331U RU203823U1 (ru) | 2020-12-25 | 2020-12-25 | Магнетронное распылительное устройство для синтезирования неоднородной пленки на поверхности подложки |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020143331U RU203823U1 (ru) | 2020-12-25 | 2020-12-25 | Магнетронное распылительное устройство для синтезирования неоднородной пленки на поверхности подложки |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU203823U1 true RU203823U1 (ru) | 2021-04-22 |
Family
ID=75587868
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020143331U RU203823U1 (ru) | 2020-12-25 | 2020-12-25 | Магнетронное распылительное устройство для синтезирования неоднородной пленки на поверхности подложки |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU203823U1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN119040823A (zh) * | 2024-08-22 | 2024-11-29 | 中国科学技术大学 | 同步辐射光源用的椭圆形真空盒的吸气剂镀膜方法及装置 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2107970C1 (ru) * | 1995-12-13 | 1998-03-27 | Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете | Магнетронная распылительная система |
| RU2280097C2 (ru) * | 2004-03-01 | 2006-07-20 | Институт физики прочности и материаловедения Сибирское отделение Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) | Магнетронное распылительное устройство |
| RU134932U1 (ru) * | 2013-05-14 | 2013-11-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем сверхпластичности металлов Российской академии наук (ИПСМ РАН) | Магнетронная распылительная система |
| US9805901B2 (en) * | 2014-03-19 | 2017-10-31 | Raytheon Company | Compact magnet design for high-power magnetrons |
-
2020
- 2020-12-25 RU RU2020143331U patent/RU203823U1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2107970C1 (ru) * | 1995-12-13 | 1998-03-27 | Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете | Магнетронная распылительная система |
| RU2280097C2 (ru) * | 2004-03-01 | 2006-07-20 | Институт физики прочности и материаловедения Сибирское отделение Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) | Магнетронное распылительное устройство |
| RU134932U1 (ru) * | 2013-05-14 | 2013-11-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем сверхпластичности металлов Российской академии наук (ИПСМ РАН) | Магнетронная распылительная система |
| US9805901B2 (en) * | 2014-03-19 | 2017-10-31 | Raytheon Company | Compact magnet design for high-power magnetrons |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Мельников С.Н. и др. Моделирование и численные исследования параметров магнетронных распылительных систем. Доклады БГУИР, 2007.- июль - сентябрь (19), N3, с.80-87. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN119040823A (zh) * | 2024-08-22 | 2024-11-29 | 中国科学技术大学 | 同步辐射光源用的椭圆形真空盒的吸气剂镀膜方法及装置 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4911814A (en) | Thin film forming apparatus and ion source utilizing sputtering with microwave plasma | |
| CA2326202C (en) | Method and apparatus for deposition of biaxially textured coatings | |
| CN111455336A (zh) | 电磁场增强的磁控溅射装置及制备类金刚石涂层的方法 | |
| KR101143928B1 (ko) | 스퍼터-코팅된 기판, 마그네트론 소스 및 동 소스를포함하는 스퍼터링 챔버의 제조 방법 | |
| CN116288218B (zh) | 一种溅射阴极及磁控溅射设备 | |
| Bultinck et al. | Particle-in-cell/Monte Carlo collisions treatment of an Ar/O2 magnetron discharge used for the reactive sputter deposition of TiOx films | |
| RU203823U1 (ru) | Магнетронное распылительное устройство для синтезирования неоднородной пленки на поверхности подложки | |
| US6740212B2 (en) | Rectangular magnetron sputtering cathode with high target utilization | |
| An et al. | Copper target erosion during unbalanced magnetron sputtering under different electromagnetic fields | |
| Kapran et al. | Effect of magnetron configuration on the spatial distribution of sputtered species in high-power impulse magnetron sputtering (HiPIMS) plasmas | |
| RU2242821C2 (ru) | Магнетронная распылительная система | |
| Ohtsu et al. | Characteristics of a rotational windmill-shaped radio frequency magnetron sputtering plasma for effective target utilization | |
| JPH0352535B2 (ru) | ||
| CN106367724A (zh) | 溅射装置 | |
| CN1948548A (zh) | 一种磁镜场约束双靶非平衡磁控溅射方法 | |
| Fu et al. | DC Magnetron Sputtering Particle Distribution and Energy Simulation Study | |
| KR20140128140A (ko) | 이온 소스 및 이를 갖는 이온빔 처리 장치 | |
| Rauf et al. | Ionized physical vapor deposition of Cu on 300 mm wafers: A modeling study | |
| RU159075U1 (ru) | Устройство для получения многокомпонентных многослойных покрытий | |
| WO2002040736A1 (en) | Conical sputtering target | |
| Ejima et al. | Magnetic dome configuration for magnetron sputtering | |
| RU2510984C2 (ru) | Устройство для осаждения металлических пленок | |
| CN114218625B (zh) | 一种沉积均匀的磁控管及其设计方法 | |
| RU123778U1 (ru) | Устройство для нанесения тонких пленок | |
| Zhu et al. | Effect of radio-frequency substrate bias on ion properties and sputtering behavior of 2 MHz magnetron sputtering |