СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Аналитический обзор по данному направлению проектирования, включая патентные исследования

1.1 Принцип действия и параметры магнетронных распылительных систем

1.2 Состав и назначение газораспределительной системы

1.3 Патентные исследования

2. Анализ существующих конструкций магнетронных распылительных систем

3. Расчет уплотнения дроссельного отверстия

4. Расчет и выбор пьезоэлектрического микропривода

5. Расчет надежности ГРС

6. Описание схемы натекания газа

7. Расчет показателей технологичности

8.Охрана туда и экологическая безопасность

8.1 Обеспечение электробезопасности при эксплуатации системы

9. Технико-экономическое обоснование

9.1 Определение себестоимости товара и рыночной цены проектируемого изделия

9.2 Расчет сметной стоимости НИОКР

9.3 Расчет экономического эффекта

Заключение

Список используемых источников



УДК 621.412.005

Казущик А.И.

Газораспределитель магнетронной распылительной системы с пьезоэлектрическим регулятором

Дипломный проект по специальности «Электронно-оптическое аппаратостроение». - Мн.: БГУИР. - 110 л.

Разработан технологический процесс сборки газораспределительной системы. Предложена технологическая схема сборки, схема натекания газа. Произведен расчет пьезоприводов, надежности системы и расчет уплотнений дроссельных отверстий. Разработан комплект документов на технологические процессы сборки. Расчетный экономический эффект от производства газораспределителя магнетронной распылительной системы с пьезоэлектрическим регулятором по заданной программе в течение 4 лет составляет 2011312470 руб. В проекте описана электробезопасность при эксплуатации газораспределительной системы.

Ключевые слова: газораспределительная система, магнетронная распределительная система, сборка, технологический процесс, пьезопривод.

Ил. 21, табл. 17, список используемых источников 31, графическая часть - 6.5 л. А1.



ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время огромное значение имеет быстрое обновление производства, позволяющее оперативно перестраиваться на выпуск новой продукции и продукции, дающей наибольший экономический эффект. Для магнетронной распылительной системы (МРС) в состав которой входит газораспределительная система (ГРС) это возможно путем создания нового устройства для равномерной подачи газа в вакуумную камеру. Это и является темой дипломного проекта.

В настоящее время созданы все предпосылки для разработки и широкого использования газораспределителей магнетронной распылительной системы с пьезоэлектрическим регулятором.

В данном дипломном проекте должна быть разработана ГРС с управляющими пьезоприводами, размеры которой не должны превышать 12065040 мм³. Длина зоны газораспределения 530мм. В качестве регуляторов надо использовать пьезоприводы, чтобы уравновесить давление газа по краям 5%. При рабочем давлении 2-8 кПа, число сопел рекомендуется выбрать 16.

Разработка, и создание ГРС с пьезоэлектрическим регулятором влечет за собой значительные затраты средств, использование дорогостоящего, высокопроизводительного оборудования с числовым программным управлением, широкое внедрение средств вычислительной техники в системах управления.

Сокращение сроков окупаемости создаваемых ГРС требует рациональной организации процесса разработки и внедрения.

Использование такой системы на производстве даст возможность экономить используемые газы, напыление будет равномерно распределяться по площади напыляемого изделия, экономию электроэнергии и т.д.

1. Аналитический обзор по данному направлению проектирования, включая патентные исследования

1.1 Принцип действия и параметры магнетронных распылительных систем

Магнетронные системы относятся к системам распыления диодного типа, в которых распыление материала происходит за счет бомбардировки поверхности мишени ионами рабочего газа (обычно аргона), образующимися в плазме аномального тлеющего разряда. Высокая скорость распыления достигается увеличением плотности ионного тока за счет локализации плазмы у распыляемой поверхности мишени с помощью сильного поперечного магнитного полях [1].

Принцип действия магнетронной распылительной системы (МРС) ясен из (рис.1.1). Основными элементами устройства являются катод-мишень, анод и магнитная система. Силовые линии магнитного поля замыкаются между полюсами магнитной системы. Поверхность мишени, расположенная между местами входа и выхода силовых линий магнитного поля, интенсивно распыляется и имеет вид замкнутой дорожки, геометрия которой определяется формой полюсов магнитной системы.

При подаче постоянного напряжения между мишенью (отрицательный потенциал) и анодом (положительный или нулевой потенциал) возникает неоднородное электрическое поле и возбуждается аномальный тлеющий разряд. Наличие замкнутого магнитного поля у распыляемой поверхности мишени позволяет локализовать плазму разряда непосредственно у мишени. Эмитированные с катода под действием ионной бомбардировки электроны захватываются магнитным полем, им сообщается сложное циклоидальное движение по замкнутым траекториям у поверхности мишени. Электроны оказываются как бы в ловушке, создаваемой, с одной стороны, магнитным полем, а с другой -- поверхностью мишени, отталкивающей электроны. Электроны циклируют в этой ловушке до тех пор, пока не произойдет несколько ионизирующих столкновений с атомами рабочего газа, в результате которых электрон потеряет полученную от электрического поля энергию. Таким образом, большая часть энергии электрона, прежде чем он попадет на анод, используется на ионизацию и возбуждение, что значительно увеличивает эффективность процесса ионизации и приводит к возрастанию концентрации положительных ионов у поверхности мишени. Это, в свою очередь, обусловливает увеличение интенсивности ионной бомбардировки мишени и значительный рост скорости распыления, а следовательно, и скорости осаждения пленки.

Рисунок 1.1 Схема магнетронной распылительной системы

1 - катод-мишень, 2 - магнитная система, 3 - источник питания, 4 - анод, 5 - траектория движения электрона, 6 - зона распыления,

7- силовая линия магнитного поля.

Средние скорости осаждения различных материалов при помощи магнетронной распылительной системы, имеющей плоскую дисковую мишень диаметром 150 мм, источник 4 кВт и подложки, расположенные на расстоянии 60 мм от него, приведены ниже в таблице 1.1:



Таблица 1.1

Средние скорости осаждения
Материал	Si	Ti	Ta	W	Nb	Mo	Al	Cr	Pt	Cu	Au	Ag
Скорость Осаждения,
нм/c	7	8	8	8	8,5	12	13	17	21	30	37	44

Плазма разряда существует только в области магнитной ловушки в непосредственной близости от мишени, и ее форма определяется геометрией и величиной магнитного поля.

Источниками нагрева подложки в этих системах служат энергия конденсации распыленных атомов, кинетическая энергия осаждаемых атомов, энергия отраженных от мишени нейтрализованных ионов, а также излучение плазмы. Энергия конденсации составляет 3...9 эВ/атом, кинетическая энергия в зависимости от распыляемого материала -- от 5 (для алюминия) до 20 эВ/атом (для вольфрама), а излучение плазмы 2...10 эВ/атом. Суммарная тепловая энергия, рассеиваемая на подложке, и температуры подложки для различных материалов, испаряемых в цилиндрической МРС, приведены ниже в таблице 1.2.

Магнетронные распылительные системы применяют для нанесения пленок на подложки из материала с малой термостойкостью (пластики, полимеры, оргстекло и т. д.).

Таблица 1.2

Температуры и тепловая энергия подложки для различных материалов
Материал	Al	Cu	Ta	Cr	Au	Mo	W
Тепловая энергия, ЭВ/атом	13	17	20	20	23	47	73
Температура подложки, К	352	383	370	391	379	436	475

Основные рабочие характеристики МРС: напряжение на электродах, ток разряда, плотность тока на мишени и удельная мощность, индукция магнитного поля и рабочее давление. Напряжение питания не превышает 1000В постоянного тока. Рабочее напряжение составляет 300...700В, на мишень обычно подаётся отрицательный потенциал, а анод имеет нулевой потенциал. Однако в МРС с плоским катодом для более полного улавливания вторичных электронов рекомендуется на анод подавать небольшое положительное смещение (40...50 В). В некоторых системах предусматривается подача отрицательного напряжения смещения на подложку (до 100 В) для реализации распыления со смещением [2].

Ток разряда зависит от многих факторов, например от рабочего напряжения, давления и рабочего газа, индукции магнитного поля, конфигурации магнетронной системы, распыляемого материала, и определяется мощностью источника питания. Плотность тока на мишени очень велика и для систем с полым цилиндрическим катодом составляет в среднем 80 мА/см, с коническим катодом -- 160 мА/см, а с плоским катодом -- 200 мА/см, причем максимальные плотности тока в центральной части зоны распыления могут быть значительно выше. Значения удельной мощности в МРС с полым цилиндрическим катодом достигают 40 Вт/см, а с плоским катодом -- 100 Вт/см. Предельно допустимая мощность определяется условиями охлаждения машины и теплопроводностью распыляемого материала. Магнетронная распылительная система может работать в диапазоне давлений 10~2...1 Па и выше. Важнейшими параметрами МРС, во многом определяющими характер разряда в ней, являются геометрия и магнитное поле, индукция которого у поверхности мишени 0,03...0,1 Тл.

Рисунок 1.2 Вольт-амперные характеристики магнетронной системы распыления с алюминиевой мишенью диаметром 160 мм при постоянном давлении аргона 0,3 Па и различной индукции магнитного поля

Одной из основных характеристик разряда служит вольт-амперная характеристика (ВАХ). Существенное влияние на нее оказывают рабочее давление р и индукция магнитного поля В. С уменьшением р ВАХ сдвигаются в область больших рабочих напряжений и приближаются к линейной зависимости. Аналогично влияет и индукция магнитного поля, но зависимости, близкие к линейной, наблюдаются при больших значениях В. На ВАХ разряда влияют также материал мишени и ее форма, которая видоизменяется по мере распыления материала.

Образование выемки в плоской мишени приводит к сдвигу ВАХ в область меньших рабочих напряжении из-за улучшения условий локализации плазмы, причем этот сдвиг растет с увеличением р. В этом случае определяющим является не только геометрический фактор, но и переход зоны разряда в область более сильного магнитного поля по мере распыления мишени.

Рисунок 1.3 Зависимость мощности разряда Wp от индукции магнитного поля В при различном давлении аргона

Важнейшим параметром разряда, определяющим скорость распыления, является электрическая мощность, причем скорость осаждения пленки почти линейно зависит от приложенной мощности. В свою очередь, мощность разряда при постоянной мощности источника зависит от р и В. В достаточно слабых магнитных полях существует такое значение р, при котором на разряде выделяется максимальная мощность. С ростом В (до 0,04 Тл) при низких значениях р мощность разряда сначала резко возрастает, затем замедляется и при В =0,08...0,1 Тл становится максимальной. При достаточно высоком р максимальная мощность достигается уже при В = 0,04...0,06 Тл. Зависимость напряжения зажигания от давления аргона и индукций магнитного поля аналогичны [3].

Энергетическая эффективность процесса распыления, определяемая зависимостью коэффициента распыления от энергии ионов, имеет максимальное значение в диапазоне 300...500 эВ, который характерен для МРС. Поскольку в МРС высокая эффективность процесса плазмообразования сочетается с высокой эффективностью процесса распыления, то МРС характеризуется максимальной энергетической эффективностью по сравнению со всеми другими видами распылительных систем (в 5...6 раз превышает эффективность диодных систем без магнитного поля).

1.2 Состав и назначение газораспределительной системы

Давление в разрядной и рабочей камерах, прежде всего, зависит от газового потока, подаваемого в разрядную камеру. Снижение потока вызывает уменьшение ионного тока и как следствие скорости распыления. Кроме того, на эффективность работы значительное влияние оказывает способ ввода газа в разрядную камеру (рис.1.4). При подаче газа обратным потоком со стороны ИОС (рис.1.4,в) плотность плазмы максимальна на выходе разрядной камеры и убывает в направлении катода. При прямом потоке газа (со стороны катода) через одно центральное и два симметрично расположенных отверстия (рис.1.4,а), наоборот, плотность плазмы максимальна в прикатодной области.

Первый вариант ввода рабочего газа позволяет достичь значительной плотности ионного тока, но однородность ионного потока по сечению неудовлетворительная. Во втором варианте ионный поток более однородный, но с низкой плотностью тока. Чаще всего в технологических МИИ газ вводится прямым потоком с катодной стороны разрядной камеры через специальную сетку -- газовый распределитель (рис.1.4,б). При этом можно получить оптимальное значение ионного тока при достаточно хорошей коллимации ионного пучка.

Рисунок 1.4 Способы введения рабочего газа в разрядную камеру: а, б - прямой поток; в - обратной поток

Был проведен качественный анализ гидродинамического поведения рабочего газа в разрядной камере. Показано, что свойства экстрагированного ионного пучка зависят от способа ввода газа в разрядную камеру, ее размеров и тех процессов, которые в ней происходят. Оптимальные размеры камеры, обеспечивающие сравнительно однородный профиль плотности ионного тока, должны выбираться из условия, чтобы генерируемые в камере продольные потоки газа из источника в направлении ИОС и со стороны ИОС в источник взаимно подавляли друг друга.

Важной характеристикой плазмы является стабильность ее параметров во времени. Для обеспечения стабильности параметров необходимо поддерживать давление аргона в разрядной камере на постоянном оптимальном уровне, используя автоматическое регулирование скорости подачи газа. Типичная система автоматического поддержания давления (например, фирмы Veeco, США)

Содержит регулируемые микронатекатели, соединенные с газовыми резервуарами, и электронное устройство для измерения и регулирования давления (рис.1.5). В качестве регулируемых микронатекателей широко используют пьезоэлектрические регуляторы [4].

Рисунок 1.5 Схема система газораспределения: 1-диффузионный насос, 2- азотная ловушка, 3- подложкодержатель, 4 - заслонка-монитор, 5 - нейтрализатор, 6- устройство автоматического регулирования давления, регулируемые натекатели для различных газов

1.3 Патентные исследования

Таблица 1.3

Патентные исследования

Основные технические данные для

Поиска	Страны	Класс МКИ
Или УДК	Что и за какой период просмотрено
1	2	3	4
Газораспределитель с пьзоэлектрическим регулятором	СССР
Россия	-”-	не обнаружено
-”-	США	МКИ5
С 23 С 14/34
С 23 С 14/35	с патента №5340081 от 23.08.1994г. по патент №6240166 от 03.08.2000г.
-”-	ФРГ
Германия
-”-
Не обнаружено
-”-	Япония	МКИ5
C 23 C 14/201	с патента №0141381 от 26.07.1994г. по патент №04324136 от 08.11.2000г.
-”-	Англия	-”-	Не обнаружено
-”-	Франция
C 26 C 14/123	Патент №2642812 от 21.10.2000г.
	ЕПВ	-”-	Не обнаружено

Таблица 1.4

Патентные исследования

Названия выявленных Аналогов	Анализ технических решений, темы.	Выводы и рекомендации
США	Патент №5340081 от 23.08.1994г.

Система поставки газа.

Эта система поставки газа разрабатывается для того, чтобы ввести тритиум, водород, или дейтериум: однородные газы для поднятия производительности до 6 секунд в токамакском реакторе испытания сплавов (ТРИС) нейтральным лучем источника длинного пульса иона.

Несколько экспериментов провелись для того, чтобы проверить концепции проекта и для квалификации компонентов. Пьезоэлектрические клапаны были характеризованы для водорода и газа дейтериума, и были получены данные при воздействии с тритиумом. Однородность газовой производительности была изучена как функция испытательной жидкости, разряда потока и начального давления впуска. Однородность производительности с активным диспетчером обратной связи давления были проверены по различным эксплуатационным сценариям. Были проверены функциональные возможности формирующегося прототипа NB D-T Газовой Системы Поставки и проанализированы результаты.

США Патент №6240166 от 03.08.2000г.

Пьезоэлектрический регулятор

Типичный, пьезоэлектрический клапан, который может использоваться для поставки газов тритиума или дейтериума. Клапан - коммерчески доступный пьезоэлектрический клапан, изготовленный Maxtek Inc, который был изменен, для того чтобы обезопасится от опасных радиоактивных газов. Клапан включает в себя пьезокерамический элемент, который запечатанный к элементу, рядом с прикрепляемым местом. Клапан также включает сапфир, изолирующий шар, содержащийся в загрузочном отверстии. Газовые потоки направляются в клапан через встреченный порт. Как может быть замечено, порт входного отверстия потоков в объеме, ограниченный нижней стороной сделан из пьезокерамического элемента, то есть на той же самой стороне запечатан к элементу. Дополнительный порт обхода, для газового потока вокруг пьезокерамического элемента, как ожидалось, поможет, уравнять давление на пьезокерамического элементе. Это - цель существующего изобретения, чтобы обеспечить пьезоэлектрический клапан для использования в нейтральном луче дейтериум-тритиум системы поставки газа. Другая цель существующего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить пьезоэлектрический клапан, который помогает уравнивать давление на пьезокерамическом элементе, что весьма положительно сказывается.

Япония Патент №0141381 от 26.07.1994г

Магнетронная распылительная система

Магнетронная распылительная система с газораспределителем на основе пьезоэлектрическокго регулятора. Основными элементами, которой являются катод-мишень, анод, газораспределитель, и магнитная система. Силовые линии магнитного поля замыкаются между полюсами магнитной системы. Поверхность мишени, расположенная между местами входа и выхода силовых линий магнитного поля, интенсивно распыляются, и имеет вид замкнутой дорожки, геометрия которой определяется формой полюсов магнитной системы.

Япония Патент №04324136 от 08.11.2000г.

Пьезоэлектрический клапан

Пьезоэлектрический клапан в газовой системе поставки может включать пьезокерамический элемент с запечатанным клапаном, расположенном по месту клапана, и сохраненной позиции O - Кольца с уменьшенной волной давления, которая проявила достаточную силу на повторных испытаниях; шар изолирован, обычно смещаемый к загрузочному месту напротив пьезокерамического элемента; порт газа входного отверстия помещен так, что перед допуском газа входного отверстия в клапан, клапан помещен положительно. Порт газа входного отверстия расположен только на стороне пьезокерамического элемента напротив запечатанного элемента.

Другой пьезоэлектрический клапан в газовой системе поставки может включать пьезокерамический элемент, расположенный поверх запечатанных клапанов и место клапана сохранено в позиции O - Кольцо; шар изолирования, обычно смещаемый к загрузочной зоне напротив пьезокерамического элемента; и порт газа входного отверстия помещен так, что волна давления, которая проходит от допуска входного отверстия газов в клапан, заставляет его положительно перемещаться, порт входного отверстия газа расположен толькона стороне пьезокерамического элемента напротив запечатанного элемента.

Франция Патент №2642812 от 21.10.2000г.

Многослойный керамический привод головок (CMA) технология - ключ на piezoelectric соленоидальные клапаны Аско Джоукаматика, который дает временам ответа до 100цm, жизнь обслуживания (службы), превышающая миллиард циклов и чрезвычайно понижать потребление власти (мощи) - 0.3mA в 24V (0.007W) и 0.9mA в 70V, диапазон напряжения, по которому изделие работает. Новые клапаны не имеют никакие части перемещения и воплощают CMA элемент. CMA технология происходит от Philips Компонентов и комбинирует (объединяет) piezoceramic и многослойные технологии. Элемент включает монолитный piezo - керамическая полоса с объединенными электродами, которые являются особенно (специально) конфигурации, к которому элемент сгибается, когда напряжение применяется. Изгибающееся действие используется, чтобы открыть или закрыть один или более носиков (вкл\выкл контроль (управление)) в клапане, или управлять поток воздуха к пневматической системе управления.

2. Анализ существующих конструкций магнетронных распылительных систем

Прообразом современных магнетронных распылительных систем диодного типа с коаксиальной конструкцией электродов являются устройства, описанные в [5]. Катод представляет собой цилиндрический стержень, расположенный в центре камеры, а подложки располагаются по цилиндрической поверхности анода вокруг катода. Коаксиальные конструкции электродов, имея в основном аналогичные с планерными конструкциями рабочие характеристики, позволяют значительно увеличить (в 3--5 раз) производительность за счет увеличения площади одновременно обрабатываемых подложек. Кроме того, в этих системах на порядок меньше интенсивность бомбардировки подложек вторичными электронами, что достигается наличием аксиального магнитного поля и заземленных экранов по торцам цилиндрического катода. Еще более снижает бомбардировку подложек вторичными электронами наличие между катодом и держателем подложек цилиндрического сетчатого анода (рис.2.1,а). При длительной работе температура подложек в такой системе не превышает 320 К. Но в то же время из-за сетчатого анода (иногда его называют улавливающим электродом) уменьшается скорость осаждения пленки.

Усовершенствование коаксиальных систем в целях увеличения скорости осаждения привело к созданию катода в виде цилиндра с дисками по торцам (рис.2.1,б). Такая конструкция позволяет значительно увеличить интенсивность разряда благодаря осцилляции электронов вдоль поверхности катода между его торцевыми дисками, достичь плотностей тока 300 А/м² и скоростей осаждения до 17 нм/с.

Однако существенным недостатком этой системы является низкая равномерность распределения пленки по толщине, связанная с неравномерным распылением мишени: более сильным в центральной части и слабым у торцевых дисков, что обусловливается неравномерным распределением плотности ионного тока вдоль поверхности мишени. Исследования характеристик такой системы и их зависимости от геометрии катода проведено в [6].

Рисунок 2.1 Конструктивные схемы магнетронных систем распыления: 1-катод-мишень; 2-анод; 3-подложкодержатель; 4-магнитная система; 5-экран; 6-зона распыления. (Стрелками показано направление силовых линий магнитного поля)

Наиболее эффективными магнетронными системами коаксиального типа являются конструкции, приведенные на (рис.2.1,в,г). Катод из распыляемого материала выполняется в виде трубы. Магнитная система устанавливается либо внутри трубы (при этом распыляется внешняя поверхность катода, см. (рис.2.1,в)), либо вокруг нее (распылению подвергается внутренняя поверхность катода, см. (рис.2.1, г)). Плазма локализуется у распыляемой поверхности с помощью кольцевого арочного магнитного поля. Подложки располагаются вокруг катода (при внешнем распылении) или внутри вдоль его оси (при внутреннем распылении), причем в последнем случае достигается более высокий коэффициент использования материала мишени. Для приведенных систем характерны плотности тока 600 А/м² и достаточно высокая равномерность наносимых покрытий [7].

На (рис.2.1,д) показана магнетронная система, состоящая из полусферического вогнутого катода, дискового подложкодержателя под ним, кольцевого анода, а также двух электромагнитных катушек, создающих квадрупольное магнитное поле в области разряда. При зажигании разряда перед катодом образуется кольцеобразная область, в которой магнитное и электрическое поля пересекаются под прямым углом. В этой области наиболее высокая степень ионизации рабочего газа, вследствие чего катод на кольцевом участке между экватором и полюсом интенсивно распыляется. Таким образом, описанная МРС имитирует кольцевой источник распыляемого материала. При использовании медного катода параметры разряда критичны к колебаниям давления, величине и геометрии магнитного поля и меняются при увеличении температуры катода во время распыления [8]. Поэтому, несмотря на хорошую адгезию медных пленок к стеклянным подложкам, большую скорость осаждения (до 17 нм/с) и довольно высокую равномерность распределения пленки по толщине (96-- 97%), применение этой МРС ограничено из-за невысокой стабильности и воспроизводимости параметров разряда, а также сложности выполнения полусферического катода.

На (рис.2.1, е) приведена конструкция с цилиндрическим полым катодом [9]. Магнетронная система распыления выполнена в виде автономного источника распыляемого материала, который может быть пристыкован к любой вакуумной камере, причем в вакууме находятся только катодный и анодный блоки, а вся остальная часть источника, в том числе и магнитная система, располагается вне камеры. Исследования показали, что данная конструкция магнетронной системы имеет ряд недостатков: значительная часть распыляемого материала перераспределяется внутри источника и не попадает на подложки; высокая неравномерность распределения конденсата по толщине не позволяет осаждать пленки на большие площади без использования планетарных механизмов вращения подложек; недостаточно эффективна магнитная система, которая не обеспечивает в полной мере защиту подложек от бомбардировки заряженными частицами.

Магнетронная система с коническим катодом обеспечивает более полное использование распыляемого материала (рис.2.1, ж) [10]. Кроме того, магнитная система дает возможность сконцентрировать магнитное поле у распыляемой поверхности катода, что позволяет вдвое увеличить плотность тока на катоде и достигнуть более высоких скоростей осаждения. Однако размещение магнитной системы b вакуумной камере вносит дополнительные загрязнения в рабочий объем установки. Хотя в системе с коническим катодом достигается более равномерное нанесение пленок, для увеличения площади одновременно обрабатываемых подложек с высокой равномерностью распределения конденсата по толщине также необходимо использовать планетарные внутри камерные устройства.

Дальнейшее развитие магнетронных распылителей привело к созданию планарных систем (рис.2.1, з), в которых эффект экранирования потока распыленных атомов полностью устранен. Магнитная система монтируется в водоохлаждаемом держателе и не вносит загрязнений в рабочую камеру. Планарные магнетронные системы позволяют создать в области распыления еще более высокие плотности тока и достичь скоростей осаждения, сравнимых со скоростями, характерными для методов термического испарения в высоком вакууме. В то же время недостатком такой системы является то, что распылению подвергается узкая кольцеобразная область мишени и коэффициент использования материала составляет 26% объема мишени [11].

В настоящее время известно множество конструктивных вариантов магнетронных распылительных систем [12,13], но наибольшее распространение в промышленности получили системы с мишенями конической и плоской форм. Конструкции магнетронных систем должны обеспечивать высокую скорость распыления, отрицательное минимальное воздействие на обрабатываемые структуры, высокий коэффициент использования материала мишени, возможность распыления разнообразных материалов, нанесение пленочных покрытий на большие площади с минимальной неравномерностью по толщине, высокую надежность работы, большой срок службы и др. Большинство из этих требований удовлетворяется правильным выбором конструкции магнитной системы и формы мишени.

Магнитная система, являющаяся одним из конструктивных основных элементов магнетронной системы, должна формировать у поверхности мишени поле заданной конфигурации и величины с минимальным рассеянием для создания эффективной магнитной ловушки для электронов. Исследования по макетированию магнитных полей позволили выявить наиболее целесообразные варианты конструкции магнитной системы с точки зрения простоты и возможности получения магнитного поля требуемой геометрии и величины.

Магнитная система, изображенная на (рис.2.2,а), является достаточно простой и обеспечивает эффективную локализацию плазмы. В этой конструкции можно использовать наборные магнитные блоки перекрывая их сверху общим полюсным наконечником. Более эффективно сконцентрировать поле в рабочем зазоре с минимальными потерями позволяет магнитная система, приведенная на (рис.2.3, б). Однако она представляет собой магнит специфической формы и требует специального изготовления. Аналогичный эффект достигается при использовании магнитов подковообразной формы (рис.2.3, в). Магнитную систему можно сделать более компактной, если использовать кольцевые магниты с радиальным намагничиванием (рис.2.3, г), но изготовление таких магнитов достаточно сложно. Кроме того, рассеянием магнитного поля снизу катодного блока. Форму магнитного поля можно изменять, используя полюсные наконечники определенной геометрии.

Рис.2.2 Конструкция магнитных систем магнетронных распылителей

Для создания в при катодной области сильного магнитного поля, силовые линии которого почти параллельны распыляемой поверхности (что необходимо для более равномерного распыления поверхности мишени), можно использовать магнитную систему, показанную на (рис.2.2, д). Однако в такой конструкции при сильно развитых наконечниках индукция магнитного поля резко уменьшается с увеличением расстояния от мишени, поэтому эффективное распыление достигается только для достаточно тонких мишеней. В случае толстых мишеней не следует сильно увеличивать площадь полюсных наконечников. Максимальная степень локализации плазмы характеризует магнитную систему, изображенную на (рис.2.2,е). Несмотря на некоторую сложность изготовления, она является одной из самых эффективных. Для магнетронных распылительных систем с конической мишенью обычно используется магнитная система, приведенная на (рис.2.2, ж). Она хотя и недостаточно эффективна, поскольку поле рассеивается по периметру системы, но проста в изготовлении. На (рис.2.2,з) показана аналогичная система с использованием радиальных магнитов. Наибольшая эффективность достигается в системе, в которой рассеяние поля отсутствует (рис.2.2, и), однако она требует изготовления магнита специальной формы.

Форма мишени обусловливается видом распыляемого материала и геометрией магнитной системы. Мишень должна обеспечивать высокий коэффициент использования ее материала (что особенно важно, поскольку распыление мишени неравномерно, а стоимость мишени высока), хороший электрический и тепловой контакты с водоохлаждаемым держателем, удобство замены, минимальное экранирование магнитного поля. На (рис.2.3) показаны некоторые конструктивные варианты конических мишеней. Обычная коническая мишень (рис.2.3, а) проста в изготовлении, ее форма удобна для нанесения на нее слоя толщиной до 2,5 мм при исследовании процесса распыления дорогостоящих материалов, она равномерно нагревается, что исключает расплавление поверхности при распылении легкоплавких материалов. Однако рабочее давление при такой мишени достаточно высокое (1 Па), а главное, по мере ее распыления сильно меняются электрические характеристики разряда, что не обеспечивает воспроизводимости параметров процесса осаждения пленки. При использовании мишени, показанной на (рис.2.3, б) эти недостатки устраняются. Однако образующаяся по мере распыления материала глубокая и достаточно узкая выемка уменьшает срок службы мишени и коэффициент полезного использования распыляемого материала. Мишень на (рис.2.3), в наиболее пригодна для промышленного применения и обеспечивает максимальное использование распыляемого материала, причем за весь срок службы мишени характеристики процесса остаются неизменными, что позволяет его полностью автоматизировать. Правда, эта мишень сложна в изготовлении. На (рис.2.3,г) показана мишень для распыления магнитных материалов. Боковая стенка мишени тонкая (до 1,5 мм), и магнитное поле проникает через нее, окружая нижнюю распыляемую часть мишени, толщина которой во избежание экранирования не должна превышать 6 мм. Такую мишень можно сделать составной из тонкостенного кольца и диска. Рабочее давление 0,5 Па, напряжение 500 В, ток 8 А.

Рисунок 2.3 Формы конических

Рисунок 2.4 Формы мишеней плоских мишеней

Следует отметить, что конические мишени не требуют специального крепления, поскольку они самоуплотняются в водоохлаждаемом держателе вследствие их расширения при нагревании, обеспечивая в дальнейшем надежные тепловой и электрические контакты, что особенно важно при распылении легкоплавких материалов. При разработке магнетронных систем с плоскими мишенями наиболее остро встает проблема их охлаждения. Значительные плотности тока на распыляемой поверхности приводят к неравномерному разогреву мишени, что приводит к ее короблению, а в местах плохого контакта с держателем -- к ее расплавлению. При этом традиционный метод крепления винтами неэффективен. Больший эффект дает приклеивание мишени к держателю с помощью специальных проводящих клеев, однако наличие локальных областей перегрева при недостаточном охлаждении может вызвать сильное газовыделение и разрушение клеевого слоя. Надежным и эффективным способом крепления мишеней является пайка с помощью припоев на основе олова, индия или их сплавов. В то же время крепление мишеней с помощью клеев и припоев затрудняет замену мишеней, а сами клеи я припои могут влиять на состав газовой среды вакуумного рабочего объема. Поэтому чаще предпочтение отдается тем формам мишени, которые обеспечивают надежный тепловой контакт с водоохлаждаемым держателем и легко снимаются.

В последнее время эта проблема решена и для плоских мишеней, конструктивные варианты которых приведены на (рис.2.4). В отличие от традиционной плоской формы (рис.2.4, а), мишень выполняется с утолщением в области зоны эрозии (рис.2.4, б), а в держателе делается канавка аналогичной формы. Такая мишень в процессе разогрева обеспечивает хороший тепловой контакт за счет ее термического расширения. Помимо хорошего охлаждения при этом достигается и более высокий коэффициент использования

Типичные конструкции магнетронных распылительных систем с плоскими мишенями приведены на (рис.2.5). В простейшем случае (рис.2.5, а) система включает в себя магнитный блок, вмонтированный в водоохлаждаемый корпус, являющийся одновременно и держателем мишени. Вокруг корпуса располагается анод в виде цилиндра или медной трубки с проточной водой, установленной по периметру мишени вблизи ее. Анод обычно заземляется.



Рисунок 2.5 Конструкции магнетронных распылительных систем:

1-мишень; 2-анод; 3-магнитная система; 4-дополнительный электрод; 5- полюсные наконечники распыляемого материала по сравнению с равнотолщинной мишенью. Еще выше этот эффект для мишеней, показанных на рис.2.4, в и г (до 70 и 90% соответственно).

Для более полного устранения бомбардировки подложек вторичными электронами катодный блок окружается заземленным экраном, а по периметру мишени и в центре устанавливаются изолированные аноды, имеющие небольшой (до 50 В) положительный потенциал относительно земли. Аноды перекрывают места входа и выхода силовых линий магнитного поля и улавливают рассеиваемые вдоль силовых линий вторичные электроны, оставляя открытой только ту область мишени, где силовые линии параллельны распыляемой поверхности и скорость распыления максимальна (рис.2.5, б). Экранирование слабо распыляемых участков мишени улучшает свойства получаемых пленок [14]. При изготовлении чувствительных к радиационным воздействиям приборов целесообразно дополнительно улавливать летящие в сторону подложки ионы, которые, например, могут образоваться в результате ионизации распыленных атомов мишени. В этом случае над поверхностью положительного анода устанавливается отрицательный дополнительный электрод (рис.2.5, в). На (рис.2.5,г) представлена конструкция магнетронной распылительной системы, использующей мишень специальной формы -- четыре составные части из стержней с заданным профилем сечения, расположенных вдоль прямоугольной зоны распыления. Каждая часть крепится к центру и по периметру брусками из магнитного материала, которые являются в данном случае полюсными наконечниками, выводящими силовые линии магнитного поля от полюсов магнитной системы на поверхность мишени. Это позволяет распылять достаточно толстые мишени [15]. После распыления половины материала мишени она переворачивается и производится распыление остальной части, что обеспечивает повышение коэффициента использования материала мишени до 90%.

Типичная конструкция магнетронной распылительной системы с конической мишенью показана на (рис.2.6,а). Магнитная система с держателем и мишенью помещается в заземленный корпус, который играет роль дополнительного анода.

Рисунок 2.6 Конструкции магнетронных распылительных систем с конической мишенью

1-мишень; 2 -анод; 3-магнигная система; 4-водоохлаждаемый держатель; 5 - экран; 6- дополнительный магнит

Основной анод располагается в центре, и на него может быть подано положительное смещение. Недостатком такой магнетронной системы является сложность изготовления магнитной системы, обеспечивающей фокусировку силовых линий магнитного поля между полюсными наконечниками. Обычно наблюдаются искажение, и рассеяние силовых линий у верхнего внешнего полюсного наконечника, что затрудняет локализацию плазмы в центральной наиболее толстой части мишени. Положительного результата можно достигнуть, используя дополнительную магнитную систему, расположенную над верхним полюсным наконечником непосредственно под дополнительным анодом (рис.2.6, б).

Для магнитной системы могут быть использованы электромагниты, однако это влечет за собой увеличение габаритов, необходимость стабилизированного электропитания постоянным током и электрической изоляции в условиях интенсивного водяного охлаждения. Поэтому в промышленных условиях целесообразно применять постоянные магниты, а электромагниты -- при экспериментальных исследованиях для выбора оптимальной величины магнитного поля применительно к конкретным условиям и конструкции магнетронной распылительной системы.

С коэффициентом использования распыляемого материала тесно связана проблема равномерности распыления мишени. Выше были показаны пути повышения коэффициента использования распыляемого материала выбором мишени определенной геометрии. Однако существует еще один путь -- применение сканирующего магнитного поля.

Существуют два способа перемещения магнитного поля по поверхности мишени: электромагнитный и механический. В первом случае вокруг мишени устанавливают электромагнит, который создает дополнительное переменное магнитное поле, перпендикулярное поверхности мишени (рис.2.7, а). При неподвижном постоянном поле арочной конфигурации профиль зоны распыления имеет вид, показанный на (рис.2.7, б). Использование дополнительного переменного поля производит деформацию основного поля: вершина арки начинает смещаться от средней линии, в результате чего происходит симметричное смещение зоны максимальной эрозии, и профиль распыления становится почти прямоугольным (рис.2.7,в). Равномерность распыления мишени можно значительно увеличить, используя многоячеистую электромагнитную систему, питающуюся от сети переменного тока (рис. 2.7,г).

Рисунок 2.7 Конструкции магнетронных распылительных систем с переменным магнитным полем



Методы (механического сканирования плазмы по мишени перемещением магнитной системы весьма разнообразны и реализуются в основном при использовании постоянных магнитов. Правда, конструкции подобных магнетронных систем достаточно сложны. Вращательное или возвратно-поступательное перемещение магнитной системы обеспечивает равномерное распыление почти всей поверхности плоских и цилиндрических мишеней (рис.2.8), причем для цилиндрических мишеней целесообразно использовать многополюсные магнитные системы. В этом случае достаточно колебательного движения магнитного блока с амплитудой, равной половине расстояния между соседними зонами максимальной эрозии.

Решение проблемы равномерности распыления мишени обеспечивает получение пленок равномерной толщины. С этой целью магнетронные системы могут быть использованы в комбинации со стандартными планетарными внутри камерными устройствами, что позволяет осаждать пленки, неравномерность толщины которых не превышает ±2%, однако при этом скорости осаждения значительно снижаются. Для достижения высокой производительности в процессе нанесения пленки подложка обычно должна располагаться на расстоянии 50--80 мм от распыляемой поверхности.

Рисунок 2.8 Магнетронные распылительные системы с механическим сканированием магнитного поля

При этом в магнетронных системах с плоской мишенью высокую равномерность пленки можно получить при использовании специальных профилированных экранов, конфигурация которых подбирается эмпирически. На (рис.2.9,а) показана форма экрана, используемого при нанесении пленки на линейно перемещаемые поперек прямоугольной мишени подложки. В системах с дисковой мишенью и кольцевым вращающимся подложкодержалем форма профилированного экрана может иметь вид, приведенный на (рис.2.9,б и в).

Рис.2.9 Формы профилированных экранов (а - в) и плоской мишени для магнетронной системы со сложной конфигурацией магнитной системы (г) (зона распыления не закрашена), предназначенных для получения высокой равномерности пленки по толщине на подложках, расположенных на кольцевом подложкодержателе

Однако применение экранов приводит к уменьшению эффективной скорости осаждения, накоплению на них осаждаемого материала, который необходимо периодически удалять. В большинстве случаев целесообразно изменить геометрию мишени и магнитной системы. В качестве примера на (рис.2.9,г) показана форма мишени и зоны распыления в магнетронной распылительной системе, используемой для нанесения пленки на подложки, расположенные на вращающемся кольце шириной 200 мм.

Магнетронные системы широко используются в промышленных вакуумных установках для нанесения тонкопленочных покрытий. В частности, системы с коническими мишенями устанавливаются вместо электронно-лучевых испарителей в стандартные установки периодического действия с планетарными внутри камерными устройствами. Иногда устанавливается несколько магнетронных распылительных систем для получения многослойных покрытий в едином вакуумном цикле. Магнетронные системы с плоской мишенью обычно используются в установках полунепрерывного и непрерывного действия. Более того, появление я развитие распылительных систем, обеспечивающих высокие скорости осаждения материалов, дали новый импульс для разработки установок непрерывного действия, поскольку магнетронные системы позволяют полностью автоматизировать процесс нанесения пленок. Обычно в таких установках используются магнетронные распылители с мишенью прямоугольной формы, а подложки перемещаются линейно поперек мишени с помощью специальных транспортирующих устройств.

Важным вопросом при разработке вакуумных установок с магнетронными системами распыления является выбор откачных средств и конструкции вакуумной системы. Это диктуется особенностями процесса распыления, для проведения которого необходимо совместить два противоречивых требования: обеспечить низкий уровень загрязняющих примесей (к которым относятся в первую очередь реактивные газы и углеводороды), для чего нужна предварительная высоковакуумная откачка рабочей камеры; проводить процесс при достаточно высоком давлении рабочего газа (0,5--1) Па, не свойственном большинству высоковакуумных насосов, и больших газовых потоках.

Использование не прогреваемых рабочих камер, со стенок которых происходит интенсивное газовыделение, заставляет проводить непрерывную промывку рабочего объема инертным газом для удаления загрязняющих примесей.

Если натекание загрязняющих примесей отсутствует, стенки распылительной системы хорошо обезгажены и интенсивно охлаждаются проточной водой, а распыляемый материал обладает высокими геттерирующими свойствами, то минимального значения давления можно достигнуть в статическом режиме. Быстрота геттерной откачки может быть существенно повышена при использовании большой площади мишени, увеличении скорости распыления и применении специальных водоохлаждаемых экранов, на которые осаждается пленка (рис.2.10,а). Достоинством статического режима (который, однако, эффективен только в том случае, если осаждаемый материал обладает сильно геттерирующими свойствами) является то, что можно перекрыть впускной патрубок насоса, прекратив тем самым поток загрязняющих примесей из насоса в распылительную систему.

Если конструкция системы предусматривает вакуумную блокировку (рис.2.10,б), при которой аргон поступает непосредственно в распылительную камеру, вытекая затем через щели в рабочий объем установки, откачанной до высокого вакуума, то, несмотря на кажущееся отличие этой системы от системы с водоохлаждаемым экраном (см. рис.2.10, а), минимальное р₃ в этом случае также получается при режиме откачки, близком к статическому. Однако при наличии вакуумной блокировки обеспечить статический режим гораздо труднее из-за значительного перепада давлений между распылительной камерой и рабочим объемом установки.

В производственных условиях при использовании распылительных систем открытого типа (рис. 2.10,г), оптимальным является динамический режим откачки. Если магнетронная распылительная система используется в установке непрерывного действия (рис.2.10,г), когда давление в боковых (вспомогательных) камерах значительно ниже, чем давление в рабочей камере, и в последнюю помимо основного потока загрязнений со стенок распылительной системы непрерывно вводится поток загрязнений, сопровождающий движущуюся ленту конвейера с подложками, то в этом случае также предпочтителен динамический режим откачки [16].



Рисунок 2.10 Типичные конструкции разрядных устройств

Основными видами откачных средств, используемых в установках с магнетронными распылительными системами, являются диффузионные, турбомолекулярные и криогенные насосы. При переходе от режима высоковакуумной откачки к режиму распыления существенное значение имеет правильный выбор места дросселирования газового потока. Иногда дросселирование производится частичным перекрытием затвора, расположенного над азотной ловушкой (рис.2.11,а). Однако такое дросселирование нерационально, поскольку вызывает увеличение концентрации загрязняющих примесей.

Так, если при полностью открытом затворе эффективная скорость откачки равна S, а затем при его частичном перекрытии становится S, то одновременно S/ S раз возрастает давление загрязняющих примесей в рабочем объеме установки, что в ряде случаев недопустимо. Поэтому дросселирование потока надо производить ниже азотной ловушки (рис.2.11,б), что позволяет сохранить скорость откачки паров воды (которые являются основной компонентой остаточной среды в не прогреваемых установках) на прежнем уровне и тем самым снизить давление загрязняющих примесей в 15--20 раз.

При этом время высоковакуумной откачки рабочего объема установки за счет постоянного дросселирования газового потока увеличивается незначительно (примерно в 1,5 раза).

В последние годы для откачки в установках с магнетронными системами: все шире начинают применяться турбомолекулярные насосы, характерной особенностью которых является стабильная скорость откачки в широком интервале давлений (от 10 до-10 Па). Однако для этих насосов характерна избирательность откачки, в частности у них низок коэффициент компрессии по легким газам, в первую очередь по водороду, что ограничивает возможность достижения высокого вакуума. Наличие водорода в качестве остаточного газа может значительно повлиять на качество пленок, получаемых с помощью магнетронных систем. Исследования показали, что для обеспечения достаточно эффективной откачки водорода при использовании турбомолекулярных насосов в установках с большими потоками рабочего газа на выходе насоса необходимо устанавливать механический форвакуумный насос с высокой производительностью, причем соотношение скоростей откачки турбомолекулярного и механического насосов должно быть не выше 20:1 [17]. Кроме того, для увеличения эффективности откачки воды рекомендуется над входом турбомолекулярного насоса устанавливать криогенную ловушку. При этих двух условиях указанный насос применим в качестве откачного средства в области среднего вакуума и при больших потоках газа.

Весьма перспективными для откачки вакуумных установок с магнетронными распылительными системами считаются криогенераторы. Исследования показывают, что по характеристикам откачки они аналогичны турбомолекулярным насосам, однако полностью исключают наличие в рабочем объеме углеводородов [18]. При работе с большими потоками газа на криопанели криогенератора нарастает слой сконденсированных остаточных газов, и эффективность откачки начинает падать. Обычно максимальное рабочее давление для криогенератора составляет 0,13 Па, и работа при более высоких давлениях требует дросселирования и наличия дополнительной азотной ловушки. Специально разработанный для магнетронной системы криогенератор имеет двойную криопанель: центральная ее часть, имеющая температуру 20 К, окружена панелью с температурой 80 К. Основной поток аргона и паров воды откачивается внешней панелью, а более легкие газы конденсируются на центральную. Такая конструкция позволяет вести эффективную откачку при давлении инертного газа до 0,4 Па без использования азотной ловушки и дросселирования и сохранять состав остаточных газов на одном уровне в течение длительного (до 7 ч) процесса распыления [19].

При выборе средств откачки следует также иметь в виду и экономическую сторону вопроса. По стоимости диффузионный насос наиболее дешевый, а криогенный -- самый дорогой. Однако стоимость эксплуатационных затрат наименьшая у турбомолекулярного насоса, у криогенного она в 1,3 раза выше, а эксплуатация диффузионного насоса обходится в 1,9 раза дороже, чем турбомолекулярного [20].



3. Конструирование и расчет уплотнения дроссельного отверстия

Уплотнитель предназначен для обеспечения герметичности дроссельного отверстия к внутреннему объему, которого должен быть обеспечен доступ в процессе эксплуатации или починки устройства. К разборным вакуумным уплотнениям предъявляются следующие требования: натекание не более 2,6x10^-3 л.Па/с и газовыделение; механическая прочность; термическая стойкость - способность выдерживать многократные прогревы без нарушения герметичности; коррозионная стойкость; максимальное число циклов разборки и сборки с сохранением герметичности; удобство ремонта и технологичность изготовления [21].