Способ магнетронного нанесения тонкопленочных покрытий из различных материалов и их соединений

Способ магнетронного нанесения тонкопленочных покрытий из различных материалов и их соединений

Реферат

 

Изобретение относится к области создания новых плазменных технологий нанесения тонкопленочных покрытий из различных материалов. Авторами разработан способ нанесения таких покрытий при помощи магнетрона новой конструктивной схемы при использовании ускорителя с замкнутым дрейфом электронов для очистки поверхности и так называемой ионной поддержки при нанесении покрытий. Этим способом получены высококачественные покрытия из нитридов, оксидов и чистых материалов на изделиях различных форм и составов. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области плазменной техники и технологии и может быть использовано при разработке вакуумных технологических процессов с ионно-плазменной обработкой поверхности и нанесением тонкопленочных покрытий на различные материалы, применяемые в оптике, микроэлектронике, машиностроении и других отраслях промышленности.

В плазменной технике и технологии известен способ нанесения тонкопленочных покрытий с помощью сильноточных дуговых генераторов плазмы в атмосфере инертного и (или) активного газа /1/. Недостатки данного способа определяются использованием дугового генератора плазмы, в частности, наличием капельной фазы в струе и большого количества примесей, необходимостью дополнительного нагрева подложки для получения пленок из соединений наносимого материала и др.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ магнетронного нанесения тонкопленочных покрытий, заключающийся в получении пара материала из магнетрона в атмосфере инертного газа и, при необходимости, подачи активного газа в зону образования покрытия (прототип) /2/. При этом возможно в широких пределах изменять состав наносимого покрытия за счет варьирования количества подаваемого активного газа, т.е. путем изменения его парциального давления в вакуумной камере. Недостатки данного способа нанесения покрытий заключаются в наличии пористости покрытия, низкой адгезии покрытия, необходимости дополнительного нагрева подложки, некачественной предварительной подготовке поверхности подложки, кроме того, в пленках из чистых материалов и их соединений возможно наличие примесей, обусловленное высоким рабочим давлением инертного газа в вакуумной камере P_k 10^-2.10^-3 мм рт.ст. и заметным испарением материала всех конструктивных элементов магнетрона, находящихся под катодным потенциалом в моменты привязок разряда.

Целью предложенного способа является повышение эффективности процесса магнетронного нанесения тонкопленочных покрытий из различных материалов и их соединений за счет расширения числа используемых материалов подложек, в частности, не выдерживающих сильного нагрева, улучшения качества покрытий: увеличения адгезии, однородности по толщине и снижения пористости, получения покрытий из чистых материалов при низком содержании примесей и обеспечении требуемого состава (например стехиометрии) в пленках сложных составов.

Указанная цель достигается за счет совершенствования технологического процесса, а именно: при магнетронном нанесении тонкопленочных покрытий, включающемся этапы предварительной подготовки поверхности подложки и нанесении покрытия магнетроном, работающим на инертном остаточном газе, без подачи или с подачей активного газа в зону специально нагретой поверхности подложки, на которую наносится покрытие, в предлагаемом способе все эти этапы нанесения покрытий на подложку без специального ее нагрева осуществляют путем воздействия на нее потока паров материала из магнетрона и потока ионизованного газа из источника плазмы с замкнутым дрейфом электронов (УЗДЭ), работающего на инертном или активном газе, либо их смеси.

При этом, с целью снижения давления остаточного газа в вакуумной камере, создают собственную газовую среду в магнетроне путем подачи рабочего газа в зону катода магнетрона и (или) диафрагмируют эту зону.

Для уменьшения загрязняющих примесей в паре магнетрона, катод магнетрона гальванически развязывают с остальными конструктивными элементами магнетрона.

Кроме того, с целью упрощения конструкции технологического оборудования и исключения доли примесей в покрытии, идущих с катода-компенсатора, обеспечивают совместную работу магнетрона и источника плазмы с замкнутым дрейфом электронов без катода-компенсатора, а в качестве катода-компенсатора для источника плазмы используют магнетрон. Для получения покрытий требуемого состава с высоким качеством, состав наносимого покрытия регулируют плотностью ионного тока химически активного газа на поверхность подложки, а качество обеспечивают высокой плотностью потока в струе источника плазмы путем дополнительной подачи инертного газа в него в определенной пропорции по отношению к химически активному газу.

Для пояснения способа магнетронного нанесения тонкопленочных покрытий на фиг. 1 представлена схема процесса нанесения с использованием магнетрона и УЗДЭ, на фиг. 2 магнетрон с подачей газа в катодную область и диафрагмированной зоной разряда с "оторванным" катодом, на фиг. 3 схема совместной работы магнетрона и УЗДЭ, причем магнетрон является катодом-компенсатором УЗДЭ, а на фиг. 4 вольт-амперные характеристики совместной работы магнетрона на УЗДЭ без катода-компенсатора.

Пример расположения УЗДЭ 1, магнетрона 2 и обрабатываемой поверхности 12 приведен на фиг. 1. При этом расстояние от среза источника плазмы 1 L₁ до обрабатываемой поверхности и расстояния от катода 9 магнетрона 2 L₂ не должны отличаться более чем в 2 раза и изменяются в диапазоне 0,1.1 м. Угол наклона оси УЗДЭ и угол b наклона оси магнетрона относительно поверхности подложки 12 могут изменяться в диапазоне 30^o.150^o. Для достижения наибольшего эффекта желательно, чтобы область А условного пересечения осей магнетрона и источника плазмы находились на расстоянии не более чем 0,1(L₁ + L₂) от обрабатываемой поверхности.

УЗДЭ, представленный на фиг. 1, имеет близкую к типовой конструктивную схему и состоит из магнитной системы 4 с источниками магнито-движущей силы, блока разрядной камеры 3 с кольцевым анодом-газораспределителем и катода-компенсатора 5. Система электропитания УЗДЭ включает в свой состав источник постоянного напряжения 6, являющийся источником основного разряда и источник накала катода 7. Источник плазмы формирует скомпенсированный поток ионов 13 рабочего газа в направлении обрабатываемой поверхности 12. Магнетрон 2 выполнен планарного типа и состоит из магнитной системы 8 с источником МДС, водоохлаждаемого катода 9 и анода 10. Электропитание магнетрона производится одним источником постоянного напряжения основного разряда 11. Распыленный материал катода создает поток пара 14 в направлении обрабатываемой поверхности 12. Следует отметить, что поверхность 12 для нанесения покрытий может иметь сложную форму (например, тела вращения, ребристые, выпукло-вогнутые поверхности и другие, практически произвольной формы). При их обработке для нанесения покрытия на всю поверхность целесообразно качать или вращать обрабатываемую деталь в зависимости от ее формы направления. Кроме того, возможно нанесение покрытий сразу на большое количество обрабатываемых деталей, обеспечивая их поочередное попадание в зону подачи паров катода магнетрона и ионного потока (например, линейное движение, вращение по окружности, планетарное вращение и др.).

В предлагаемом способе авторами разработана конструкция магнетрона, представленная на фиг. 2. Особенностью конструктивного решения является подача рабочего газа к поверхности водоохлаждаемого катода 9 через газораспределитель 15 и экранирование зоны разряда с помощью цилиндрической 16 и плоской 10 диафрагмы, последняя из которых является анодом магнетрона, что позволяет локально повысить давление в зоне разряда до приемлемых для работы магнетрона давлений, составляющих 10^-2.10^-3 мм рт. ст. Поэтому становится возможным при сравнительно низких скоростях откачки вакуумной камеры получать предельное разрежение в ней на уровне (2.3)10^-4 мм рт. ст. что необходимо для эффективной реализации процесса нанесения покрытий. В качестве источников МДС для магнетрона могут служить как постоянные, так и электрические магниты 17, показанные на фиг. 2.

В целях устранения из конструкции источника плазмы 1 катода-компенсатора 5, имеющего, как правило, пониженный ресурс и большую сложность в изготовлении, а также вносящего загрязнение в покрытие на обрабатываемой детали, в предлагаемом способе используется схема совместной работы, представленная на фиг. 3. При этом отрицательный полюс источника основного разряда 6 УЗДЭ соединяется с положительным полюсом источника 11 постоянного напряжения основного разряда магнетрона, а общая точка при этом заземляется и присоединяется к аноду 10 магнетрона 2. Катод 9 магнетрона является мощным источником электронов, что позволяет получить стабильный рабочий разряд в источнике плазмы 1.

Процесс нанесения покрытий по схеме, представленной на фиг. 1, осуществляется следующим образом: на этапе предварительной очистки производится включение УЗДЭ 1 путем подачи соответствующих рабочих газов в катод-компенсатор 5 и разрядную камеру 3 через анод-газораспределитель и подачи напряжения источником питания 7 на катод-компенсатор; после нагрева катода-компенсатора производится его запуск и подается напряжение основного разряда от источника питания 6. Происходит зажигание разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях, и УЗДЭ формирует направленный на обрабатываемую поверхность скомпенсированный поток ионов рабочего газа, которыми производится очистка поверхности. После окончания цикла очистки на этапе нанесения покрытия запускается магнетрон 2 путем подачи рабочего газа (инертные газы) и разрядного напряжения от источника питания 11. Принцип работы магнетрона хорошо известен (например, /2/) и поэтому не описывается. Воспроизводимость элементного состава и толщины покрытия обеспечивается за счет поддержания установленного режима осаждения покрытия по расходу рабочих тел, давлению в вакуумной камере и показаниям измерительных приборов системы электропитания. Качество покрытия и процесс его осаждения контролируются визуально и кварцевыми весами. Толщина покрытия определяется временем процесса напыления при скорости напыления 0,01^oC0,1 мкм/мин и более. После нанесения покрытия, для снятия напряжений в нанесенной пленке, возможно производить отжиг покрытия путем обработки поверхности струей плазмы УЗДЭ (инертный газ) при отключенном магнетроне.

При совместной работе магнетрона и УЗДЭ по схеме, представленной на фиг. 3, после подачи рабочих газов производится подача электропитания в магнетрон 2 и УЗДЭ 1. Катод магнетрона 9 является мощным источником электронов, что позволяет зажечь и поддерживать рабочий разряд в УЗДЭ. В этом случае возможна работа УЗДЭ без катода-компенсатора. При этом интенсивность потоков пара из магнетрона и плазмы из УЗДЭ может регулироваться независимо друг от друга изменением тока в соответствующем источнике электропитания для обеспечения нужного технологического режима.

В данной схеме оба источника электропитания работают одновременно, причем разрядные токи магнетрона и УЗДЭ регулируются практически независимо до минимальных значений тока разряда магнетрона, соответствующего 0,3 от тока разряда УЗДЭ, что видно на фиг. 4. Например, при разрядном напряжении 420 В разрядный ток магнетрона составляет 0,8 А, а УЗДЭ при этом работает в нормальном режиме, что позволяет осуществлять эффективную подготовку (очистку) поверхности подложки. Для особо чистых процессов малая доля паров катода магнетрона, попадающих на подложку во время такой чистки, может устраняться применением заслонки, откидывающейся при нанесении покрытия. Путем простого увеличения разрядного напряжения магнетрона до 650 В при токе 7 А, что существенно увеличивает интенсивность выхода пара с катода магнетрона, и неизменном режиме УЗДЭ можно перейти к режиму нанесения покрытия на поверхность подложки. Отжиг подложки после нанесения покрытия осуществляется при минимальном разрядном токе магнетрона. При подаче в УЗДЭ вместе с активным и инертного газа возможно сохранение высокой плотности ионного тока на подложку, что обеспечивает высокое качество покрытия, в зависимости от доли инертного газа в рабочем теле (РТ) УЗДЭ возможна регулировка состава наносимого покрытия. В принципе данный способ нанесения покрытий позволяет изменять соотношение количества инертного и химически активного газов в РТ источника плазмы в очень широких пределах. Например, для смеси азота и криптона автомобиля были реализованы нормальные режимы нанесения покрытий при соответствующем объемном соотношении их в РТ источника плазмы от 10 до 1/10, естественно, что при этом возможна работа на любом чистом газе из указанных. В случае выбора необходимого соотношения смеси азота с инертным газом стабильно реализуется нанесение покрытий стехиометрического состава. Это соотношение изменяется от 0,5 до 0,2 в зависимости от вида инертного газа и режима работы магнетрона.

Таким образом, применение предлагаемого способа позволяет: осуществлять эффективную предварительную обработку поверхности подложки ионами инертного (химически активного) газа или их смеси перед процессом нанесения тонкопленочных покрытий в одном технологическом цикле, что значительно повышает качество и адгезию покрытия; обеспечить ионную поддержку в процессе нанесения, что повышает адгезию, качество и улучшает структуру покрытия (например: уплотняет покрытие, снижает его пористость и т.п.) и позволяет реализовать процесс без дополнительного нагрева подложки; обеспечить подачу активного газа в зону реакции в ионизованном виде, что позволяет существенно снизить температуру образования пленки сложного состава (например: оксидов, нитридов и т.п.); изменять долю инертного газа в струе плазмы УЗДЭ для изменения состава наносимого покрытия при сохранении общей высокой плотности ионного тока на подложке при нанесении покрытия; осуществлять плазменный отжиг подложки после нанесения покрытия и обеспечить ее медленное остывание постепенным снижением мощности струи УЗДЭ; проводить в едином цикле обработку сразу большого количества деталей при обеспечении их соответствующего перемещения. В целом разработанный способ позволяет создать замкнутый технологический цикл нанесения высококачественных оксидных, нитридных, металлических и других различных покрытий при температуре обрабатываемой поверхности ниже 100^oC, что позволяет наносить покрытия на пластмассы, органические соединения и материалы, подверженные отпуску.

Формула изобретения

1. Способ магнетронного нанесения тонкопленочных покрытий из различных материалов и их соединений, включающий предварительную подготовку поверхности нанесения и осаждение на нее покрытия магнетроном, работающим на остаточном инертном газе, отличающийся тем, что предварительную очистку поверхности осуществляют путем подачи на нее ускоренного скомпенсированного потока ионов из ускорителя плазмы с замкнутым дрейфом электронов, работающего на химически активном газе, или его смеси с инертным газом, а нанесение тонкопленочных при одновременной подаче на поверхность нанесения потока ускоренных ионов из ускорителя плазмы, работающего на химически активном газе или его смеси с инертным газом.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осаждение покрытия осуществляют при создании собственной газовой среды в магнетроне путем подачи рабочего газа в зону катода магнетрона и/или диафрагмирования этой зоны.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительную обработку поверхности и осаждение покрытия осуществляют при совместной работе магнетрона и источника плазмы с замкнутым дрейфом электронов, причем процесс ведут с использованием магнетрона в качестве катода-компенсатора для источника плазмы.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе нанесения покрытия плотность потока ионизированного химически активного газа в струе ускорителя плазмы регулируют путем подачи инертного газа в ускоритель плазмы при сохранении необходимой плотности ионного потока на поверхности нанесения покрытий производят магнетроном, служащим источником паров материалов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4