Вакуумна установка для магнетронного розпилення мішеней

1. Вакуумна установка для магнетронного розпилення мішеней, головним чином для забезпечення умов епітаксійного росту багатокомпонентних плівок, наприклад, на основі манганитів, що містить: три магнетрони з примусовим водяним охолодженням, підведенням високовольтної напруги і накидними гайками для кріплення мішеней, які розміщені в металевому корпусі циліндричної форми, що герметично закривається зверху вакуумним ковпаком з прозорими вікнами та еластичними ущільненнями; центральну стійку з поворотним механізмом для кріплення тримача підкладок; тримач підкладок, забезпечений нагрівачем на основі кварцевих ламп; систему вакуумного відкачування робочого об'єму і напуску газової суміші; систему електроживлення і управління, яка відрізняється тим, що тримач підкладок забезпечений нагрівачем підвищеної потужності, при цьому один або два охолоджувані водою магнетрони використані для стоку паразитної частини теплової потужності, що нагріває корпус вакуумної камери, для чого на вибраній висоті над торцями магнетронів горизонтально встановлена тепловідвідна мідна пластина-екран з круглим отвором над кожним робочим магнетроном, виконаним за розміром його діаметра, пластина-екран знизу прикріплена до верхнього торця одного або двох мідних цилін U 2 (11) 1 3 До основних вузлів ВУП-5М в режимі роботи приставки магнетронного розпилення слід віднести: три магнетрони з примусовим водяним охолодженням, підведенням високовольтної напруги і накидними гайками для кріплення мішеней, розміщених у металевому корпусі циліндричної форми, який герметично закривається зверху вакуумним ковпаком з прозорими вікнами і еластичними ущільненнями; центральну стійку з поворотним механізмом для кріплення тримача підкладок; тримач підкладок, забезпечений нагрівачем на основі кварцових ламп; систему вакуумного відкачування робочого об'єму і напуску газової суміші; систему електроживлення і управління. Основною перевагою вакуумних магнетронних приставок ВУП-5М є можливість створення досить великої потужності потоку нейтральних часток від мішені до підкладки. В той же час для отримання високоякісних плівок з точки зору кристалічної структури стандартні установки, такі як ВУП-5М, вимагають додаткових пристосувань. Зокрема штатний пристрій для кріплення підкладки забезпечує нагрів лише до температури 300°С, яка значно нижче за оптимальну температуру 600-800°С, що необхідна для епітаксійного росту плівок на основі манганитів. Відзначимо, що для виготовлення ВТНП (високотемпературних надпровідних) плівок температуру підкладки бажано мати ще вищою, до 900°С. Пряма заміна нагрівача ВУП-5М на більш потужне джерело тепла приводить до сильного нагріву ковпака вакуумної камери, що різко скорочує термін служби еластичних ущільнень і тому є неприйнятним. До недоліків приставки слід віднести також недостатню однорідність товщини отримуваних плівок з лінійним розміром 1см і більше. Неоднорідність товщини обумовлена тим, що джерелом потоку часток від мішені до підкладки є не вся площа мішені, діаметром 40мм, а лише її кільцеподібна область, шириною 6-8мм. В основу корисної моделі, що заявляється, поставлено завдання удосконалення вакуумної магнетронної приставки ВУП-5М без зміни її базової конструкції шляхом модифікації нагрівача і запобігання перегріву вакуумного ковпака, у тому числі при тривалих процесах напилення з нагрівом підкладки до 750°С, що забезпечує значне розширення функціональних можливостей пристрою і, в кінцевому рахунку, вищу якість плівок відносно кристалічної структури та рівної товщини. Поставлене завдання вирішується тим, що: 1. У вакуумній установці для магнетронного розпилення матеріалу мішеней, головним чином для забезпечення умов епітаксійного росту багатокомпонентних плівок, наприклад, на основі манганитів, що містить: три магнетрони з примусовим водяним охолодженням, підведенням високовольтної напруги і накидними гайками для кріплення мішеней, які розміщені в металевому корпусі циліндричної форми, що герметично закривається зверху вакуумним ковпаком з прозорими вікнами та еластичними ущільненнями; центральну стійку з поворотним механізмом для кріплення тримача підкладок; тримач підкладок, забезпечений нагрівачем на основі кварцових ламп; систему вакуум 49697 4 ного відкачування робочого об'єму і напуску газової суміші; систему електроживлення і управління, згідно з корисною моделлю, тримач підкладок забезпечений нагрівачем підвищеної потужності, при цьому один або два охолоджувані водою магнетрона використані для стоку паразитної частини теплової потужності, що нагріває корпус вакуумної камери, для чого на вибраній висоті над торцями магнетронів горизонтально встановлена тепловідвідна мідна пластина-екран з круглим отвором над кожним робочим магнетроном, виконаним за розміром його діаметру, пластина-екран знизу прикріплена до верхнього торця одного або двох мідних циліндрів - теплопроводів, нижня частина яких за допомогою накидної гайки сполучена з одним або двома корпусами магнетронів, зверху до пластини-екрану прикріплений розбірний тепловідвідний мідний короб із знімною мідною кришкою і висотою, достатньою для монтажу вакуумного ковпака, пластина-екран через резистор електрично з'єднана з корпусом ВУП-5М і виконує функцію другого анода. 2. Конкретною відзнакою являється те, що в вакуумній установці використаний нагрівач підвищеної потужності. 3. Другою конкретною відзнакою являється те, що надмірний нагрів вакуумного ковпака і корпусу магнетронної приставки запобігається за допомогою теплового екрану, який, у свою чергу, охолоджується за рахунок стоку тепла через один або два магнетрони. 4. Наступна конкретна відзнака являє те, що тепловий екран складається з мідного короба із знімною кришкою, пластини-екрану і одного або двох теплопроводів у вигляді мідного циліндра з виступом для кріплення за допомогою накидної гайки до корпусу магнетрона. 5. Ще одна конкретна відзнака являє те, що короб із знімною кришкою в нижній частині має вирізи для візуального контролю плазми, а у верхній частині - вирізи для введення дротів термопари і живлення нагрівального елементу (кварцової лампи). 6. Також конкретною відзнакою є те, що пластина-екран через резистор електрично з'єднана з корпусом вакуумної установки і виконує функцію додаткового анода. Причинно-наслідковий зв'язок між відмітними ознаками і технічними перевагами, що досягаються, полягає в наступному: 1. Вживання потужнішого нагрівача у вигляді кварцової лампи 150Вт, яка розміщена в металевому корпусі, забезпечує нагрів підкладки до 750°С, але при цьому температура вакуумного ковпака за декілька хвилин роботи пристрою підвищується до 100°С і вище, що скорочує термін служби і наводить до поступового руйнування еластичних ущільнень, які використовуються для герметизації прозорих вікон ковпака, приводів заслінок, з'єднання вакуумного ковпака з корпусом магнетронної приставки. 2. Вживання теплового екрану з описаними ознаками і стоком надлишкового тепла через один або два невживаних для розпилення матеріалу мішені магнетрона забезпечує в режимі нагріву 5 підкладки до 750°С температуру вакуумного ковпака близьку до кімнатної, що дозволяє використовувати низькі швидкості росту плівок і тривалі процеси напилення. 3. Використання у якості теплопровода мідних циліндрів з висотою 17мм забезпечує роботу штатних заслінок магнетрона без переробок. Товщина листової міді для виготовлення пластини - екрану (1,5мм) і короба (1мм) вибрана з міркувань достатньої теплопровідності і механічної міцності для зручності користування. 4. Використання двох магнетронів для стоку надлишкового тепла і лише одного для розпилення матеріалу мішені обумовлено більшою компактністю конструкції теплового екрану і зручністю у використанні при виготовленні одношарових плівок. При цьому для стоку тепла досить одного магнетрона, а два інших можна використовувати для почергового розпилення двох різних мішеней. 5. Використання мідної пластини-екрану у якості другого анода, що електрично з'єднана з корпусом приставки наводить до додаткової взаємодії плазми заряджених часток з потоком нейтральних часток від мішені до підкладки. Радіальний рух заряджених іонів і електронів поблизу другого анода через розсіяння розмиває максимуми щільності потоку часток від мішені до підкладки та забезпечує однакову товщину плівки на більшій площі. Відомості, які підтверджують можливість реалізації пристрою. Для перевірки можливості реалізації описаного технічного рішення були виготовлені дві конструкції теплового і електричного екрану, для роботи з одним і з двома магнетронами. На фігурі 1 приведена схема розташування деталей теплового і електричного екрану в конструкції магнетронної приставки ВУП 5М для роботи з одним магнітроном. На фігурах 2, 3 приведені фотографії вироблених нами двох конструкцій екранів. На фігурах 4-6 приведені результати дослідження мікроструктури виготовлених плівок. На фігурах 7-9 приведені результати дослідження товщини плівок. На фігурі 1 цифрами позначені наступні елементи: 1, 3 - магнетрони, які використовуються для стоку тепла; 2 - робочий магнетрон для розпилення матеріалу мішені; 4 - циліндричний корпус магнетронної приставки; 5 - вакуумний ковпак; 6 - еластичні ущільнення; 7 - центральна стійка для кріплення тримача підкладки; 8 - тримач підкладки з нагрівачем; 9 - мідна пластина - екран; 10 - мідний циліндр - теплопровід; 11 - мідний короб; 12 - мідна кришка короба; 13 - підкладка. 1. На Фігурах 2 і 3 приведені фотографії виготовлених нами двох конструкцій, що дозволяють удосконалити магнетронну приставку ВУП-5М від 49697 6 повідно до корисної моделі, що заявляється. На фігурі 2 показана фотографія магнетронної приставки із знятим вакуумним ковпаком та встановленим у зібраному вигляді тепловим екраном, призначеним для роботи з одним магнетроном і стоком тепла через два інші. Короб екрану в нижній частині має прямокутний отвір для візуального контролю плазмового розряду, а у верхній частині отвори для виведення дротів термопари і живлення нагрівача. На фігурі 3 представлена фотографія магнетронної приставки із знятим вакуумним ковпаком і з встановленим тепловим екраном, який призначений для роботи з двома магнетронами і стоком тепла через один. У цій конструкції короб має значно більші розміри, які необхідні для переміщення за допомогою поворотного механізму тримача підкладки між двома робочими магнетронами. Для зручності користування короб зроблений з двох частин, одна з яких на фігурі 3 не показана. Короб має отвори для візуального контролю плазмового розряду поблизу кожного робочого магнетрона, а в пластині - екрані над робочими магнетронами виконані отвори, діаметром 40мм. Через такий отвір над лівим магнетроном видна мішень, а магнетрон, який розташований на фотографії справа, закритий штатною заслінкою. 2. На фігурі 4 і фігурі 5 показана мікроструктура Lа0,7Sr0,3МnО3 плівок, отриманих шляхом розпилення керамічної мішені того ж складу на монокристалічну підкладку SrTiO3, нагріту до температури 750°С при різній щільності потоку часток від мішені до підкладки. Мікроструктура плівки на фігурі 4 є полікристалічною із-за відносно великої потужності живлення магнетрона і жорсткого режиму розпилення мішені. Мішень при цьому розпилялася відносно крупними блоками атомів, а швидкість росту плівки складала приблизно 200нм/ч. При використанні малих швидкостей напилення (50нм/ч) масоперенос відбувається значно меншими блоками атомів, які на нагрітій підкладці встигають поатомно і пошарово перебудуватися за рахунок поверхневої дифузії [В.И. Белявский, Физические основы полупроводниковой нанотехнологии, Соросовский образовательный журнал, № 10, с. 92-98 (1998)] до моменту попадання в те ж місце наступного блоку. Як видно на фігурі 5 структура плівки в субмікронному масштабі однорідна. На фігурі 6 показано зображення ділянки плівки Nd0,5Sr0,5MnО3, прилеглої до підкладки SrТіО3, яке отримано за допомогою просвічуючого електронного мікроскопа з високою роздільністю. На цій фігурі 6 можна бачити атомні шари плівки і підкладки, що ясно демонструє можливість епітаксійного росту плівок в режимі з нагрівом підкладки до 750°С та використанні невисоких швидкостей росту. 3. Вплив додаткового другого анода, роль якого грає встановлена нами мідна пластина - екран, перевірявся експериментально. Для з'ясування цієї обставини ми провели дослідження плазми в робочому просторі за допомогою термопари. Історично цей метод називається методом Ленгмюра. Виводи термопари були поміщені в металевий капіляр і ізольовані зовні фторопластовою труб 7 кою таким чином, щоб лише термопарний контакт піддавався нагріву. Як видно, з порівняння тривимірних графіків на фігурі 7 і на фігурі 8, екран дійсно впливає на просторовий розподіл температури в робочому просторі магнетрона. Природно пов'язати показання термопари з щільністю і кінетичною енергією часток, що розсіюються на термопарному контакті. Температура плазми при роботі магнетрона без додаткового екрану (фігура 7) плавно убуває у міру видалення від мішені. Як видно на фігурі 8, за наявності екрану, в місці його розташування спостерігається мінімум Т, а потім температура зростає і на відстані 2,5см виходить досить однорідний розподіл на площі діаметром близько 3см. За відсутності екрану діаметр області з однаковою температурою менший, біля 2см. Цей факт якісно узгоджується з непрямими вимірами товщини La0,7Sr0,3MnО3 плівок за допомогою електронного скануючого мікроскопа. Для реалізації можливості таких вимірів дві плівки з екраномі без нього були вирощені на підкладках Аl2О3. Оскільки в підкладковому матеріалі не містяться основні 49697 8 елементи плівки, то їх сумарний ваговий вміст по відношенню до вмісту Аl характеризує товщину плівки. Діаметр електронного пучка при вимірах на електронному мікроскопі складав близько 0,2мм, а крок вимірів – 1мм. Кількісно результати на фігурах 7, 8 і на фігурі 9 відносно радіусу плями з однаковою температурою плазми і однаковою товщиною плівки мають відмінність майже в два рази. Це пов'язано з тим, що показання термопари не повною мірою характеризують потік часток матеріалу мішені, оскільки є також потік іонів аргону і електронів. Дані на фігурі 9 показують, що при допуску варіації товщини плівки 10% діаметр області з постійною товщиною збільшується майже в два рази, а саме від 1см до 2см при використанні теплового екрану. На основі представленного матеріалу можна зробити висновок, що заявляєме технічне рішення у якості корисної моделі відповідає критеріям «новизни» та «можливості промислового застосування». 9 49697 10 11 49697 12 13 49697 14 15 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 49697 Підписне 16 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601