Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Магнетронное нанесение энергосберегающих покрытий 12
1.1. Тонкопленочные покрытия на архитектурных стеклах и полимерных 12
пленках 12
1.1.1. Структура и характеристики низкоэмиссионных (энергосберегающих) покрытий 13
1.1.2. Структура и характеристики электрохромных покрытий 18
1.2. Технологические устройства и установки для нанесения тонкопленочных покрытий на архитектурные стекла и полимерные пленки 22
1.2.1. Магнетронные распылительные системы 22
1.2.1.1. Основные типы магнетронных распылительных систем 22
1.2.1.2. Несбалансированные магнетроны 24
1.2.1.3. Магнетроны с импульсным питанием. Дуальные магнетроны 25
1.2.2. Факторы, определяющие однородность равномерность толщины покрытий, наносимых магнетронными распылительными системами и методы ее повышения 27
1.2.2.1. Геометрические факторы, влияющие на равномерность толщины покрытий 27
1.2.2.2. Конструкция магнитной системы 28
1.2.2.3. Влияние анода 30
1.2.2.4. Равномерность подачи газов 30
1.2.3. Методы повышения коэффициента использования мишени 31
1.2.3.1. Магнетроны с вращающимся цилиндрическим катодом 34
1.2.4. Сильноточные импульсные магнетронные распылительные системы 37
1.3. Предварительная ионно-плазменная обработка поверхности как метод 38
увеличения адгезии наносимых покрытий 38
1.3.1. Источники ионов и плазмы для предварительной обработки поверхности подложек 38
1.3.2. Механизмы увеличения адгезии покрытий, наносимых на предварительно обработанные подложки 41
1.4. Технологические установки для нанесения энергосберегающих покрытий на архитектурные стекла и полимерные пленки 43
Выводы к главе 1 45
Глава 2. Экспериментальное оборудование и методики измерений
2.1. Экспериментальное оборудование 47
2.1.1. Лабораторная установка для нанесения тонкопленочных покрытий 47
2.1.2. Протяженная магнетронная распылительная система с цилиндрическим вращающимся катодом 48
2.1.3. Протяженная планарная магнетронная распылительная система 50
2.1.4. Протяженная магнетронная распылительная система с цилиндрическим катодом 51
2.1.5. Магнетронная распылительная система с электромагнитной катушкой... 52
2.1.6. Ионный источник с анодным слоем 54
2.1.7. Источник питания магнетронной распылительной, системы мощностью 5 кВт 56
2.1.8. Источник питания магнетронной распылительной системы мощностью 20 кВт 57
2.1.9. Источник питания ионного источника с анодным слоем. 59
2.1.10. Источник питания для возбуждения сильноточного импульсного магнетронного разряда 60
2.2. Измерительное и аналитическое оборудование. Методики исследования характеристик разработанных устройств, параметров плазмы, а также свойств получаемых покрытий 61
2.2.1. Измерительное и аналитическое оборудование 61
2.2.2. Методика измерения параметров плазмы 62
2.2.3. Методика измерения равномерности тока ионного пучка 63
2.2.4. Методика определения функции распределения ионов по энергиям 64
, 2.2.5. Методика измерения плотности ионного тока 65
2.2.6. Методика измерения потенциала плазмы эмиссионным зондом 65
2.2.7. Метод измерения адгезии
2.2.8. Методика исследования прозрачности покрытий в видимом диапазоне спектра 66
2.2.9. Методика измерения отражения покрытий в инфракрасном диапазоне
спектра 66
2.2.10. Методика исследования электрофизических характеристик покрытий 67
2.2.11. Методика исследования стойкости покрытий к атмосферным
воздействиям 68
2.2.12. Методика исследования структуры покрытий с помощью атомно 4
силового микроскопа 68
Выводы к главе 2 69
Глава 3. Исследования формирования функциональных покрытий на архитектурном стекле 70
3.1. Физические основы создания низкоэмиссионных покрытий 70
3.2. Технологическая установка «ВНУК» для нанесения низкоэмиссионных покрытий на архитектурные стекла 72
3.3. Исследование влияния конфигурации магнитного поля в протяженном магнетроне с цилиндрическим катодом на однородность толщины наносимых покрытий 76
3.4. Экспериментальное исследование характеристик ионного источника с анодным слоем 84
3.5. Разработка технологии нанесения низкоэмиссионных покрытий на архитектурные стекла 90
3.6. Спектральные характеристики стекол с низкоэмиссионными покрытиями и стеклопакетов на их основе 93
Выводы к главе 3 97
Глава 4. Нанесение низкоэмиссионных покрытий структуры диэлектрик-металл диэлектрик на полимерные пленки 98
4.1. Установка для нанесения низкоэмиссионных покрытий на полимерную пленку...
4.2. Исследования равномерности покрытий, наносимых протяженными магнетронными распылительными системами 101
4.3. Исследование свойств низкоэмиссионных покрытий структуры диэлектрик металл-диэлектрик на полимерной пленке 104
4.3.1. Низкоэмиссионные покрытия с серебряным функциональным слоем 105
4.3.2. Низкоэмиссионные покрытия с медным функциональным слоем 112
4.4. Исследование параметров плазмы сильноточного импульсного магнетронного разряда и нанесение с его помощью медного функционального слоя низкоэмиссионных покрытий 114
Выводы к главе 4 123
Глава 5. Нанесение электрохромных покрытий на стекло методом магнетронного распыления 125
5.1. Принцип работы и структура электрохромных покрытий 125
5.2. Экспериментальная установка для получения электрохромных покрытий методом реактивного магнетронного распыления 126
5.3. Метод изготовления твердотельного электрохромного устройства (ЭХУ) 127
5.3.1. Получение прозрачных проводящих слоев ЭХУ 127
5.3.2. Определение оптимальных режимов нанесения электрохромных слоев W03 127
5.3.3. Определение режимов нанесения электрохромных слоев NiO с
наилучшей окрашиваемостью 131
5.3.4. Нанесение твердого электролита Таг05 133
5.3.5. Изготовление твердотельного ЭХУ 138
Выводы к главе 5 142
Заключение 143
Список литературы
- Технологические устройства и установки для нанесения тонкопленочных покрытий на архитектурные стекла и полимерные пленки
- Протяженная магнетронная распылительная система с цилиндрическим вращающимся катодом
- Исследование влияния конфигурации магнитного поля в протяженном магнетроне с цилиндрическим катодом на однородность толщины наносимых покрытий
- Исследование свойств низкоэмиссионных покрытий структуры диэлектрик металл-диэлектрик на полимерной пленке
Технологические устройства и установки для нанесения тонкопленочных покрытий на архитектурные стекла и полимерные пленки
Полимерные электролиты, используемые для транспортировки ионов лития Li+, применялись в работах [19-22]. В работе [19] описывается электрохромное устройство со структурой: полимерЛТОЛУОзЛ ММА-РС-Іл4"/ Л С ЛТО/полимер позволяло регулировать прозрачность в диапазоне 8 % Тбоо 65 % и осуществлять 3-Ю4 рабочих циклов.
Третья группа вариантов, самая привлекательная, но наиболее трудно реализуемая, включает в себя полностью твердотельные устройства, функциональные слои которых получают напылением или осаждением из газовой фазы.В качестве твердотельного электролита используются- гидратированные оксиды Ta20s, SD2O5, ЫЫЬОз. Идея использования, полностью твердотельного элемента перспективна с нескольких точек зрения: ЭХУ такого типа не требуют герметизации и-запаивания жидких материалов или электролитов; электрохимические реакции в твердом теле реже сопровождаются побочными реакциями.
Устройства с твердотельными электролитами исследовались в работах [22-24]. В [22,23] описаны структуры стеклоЛТОЛЧЮ/ТагОз/ WCbATO и стекло/ІТОАУОз/ТагОзЛггО/ІТО Покрытия имели прозрачность 20 % Т500 70 % и позволяли осуществлять 105 рабочих циклов. В [25] исследовалась структура стекло/ІТО ОзЯлА /УгОзЯТО, где в качестве материала противоэлектрода; использовался V2O5. Однако данный оксид обладает менее привлекательными оптическими свойствами, поскольку не может быть получен в полностью прозрачном состоянии.
ЭХУ могут применяться для модуляции термоэмиссии [26-29]. Кристаллический оксид вольфрама (C-WO3) способен изменять свои/ отражающие свойства в процессе внедрения / извлечения зарядов. Заряды вводятся из сеточных электродов из А1 или Аи. В качестве противоэлектродов используются аморфный WO3, NiO или полимерный электролит. Однако изменения термоэмиссионных свойств в данных устройствах не превышает 20 %. Например, в [27] использовалась структура стекло/АІЛУОз/ Ta20s/ с-\УОз/сетка с коэффициентом отражения 40 % R 58 %.
В [30] исследовались электрохромные свойства.NiOxHy наносимых магнетронным распылением Ni катода в атмосфере Ог и Нг. При осаждении в чистом кислороде пленки оксида никеля имели коричневую окраску. Добавление водорода в рабочую смесь при распылении позволяло получить более прозрачные покрытия. 1.2 Технологические устройства и установки для нанесения тонкопленочных покрытий на архитектурные стекла и полимерные пленки 1.2.1 Магнетронные распылительные системы 1.2.1.1 Основные типы магнетронных распылительных систем
В последние десятилетия прогресс в технологиях нанесения покрытий на подложки большого размера тесно связан с развитием МРС. Свое название эти системы получили по аналогии с СВЧ приборами М- типа (магнетронных устройств), в которых также имеются скрещенные электрическое и магнитное поля. В МРС используется магнитное поле, параллельное поверхности катода (мишени) для усиления ионизации газа за счет увеличения длины пробега электронов в прикатодной области.
Принцип действия магнетронного распыления может быть представлен на примере планарного магнетрона рисунке 1.7 [31]. Основными его элементами являются катод (распыляемая мишень)- 1, магнитная система- 2, анод- 4. Магнитная система представляет собой три параллельных ряда магнитов, расположенных вдоль мишени. Два внешних ряда магнитов на концах МРС соединены между собой коротким рядами магнитов и образуют «северный» полюс магнитной системы. Внутренний ряд магнитов равноудален от внешних рядов и образует «южный» полюс. Магниты создают над поверхностью мишени «арочное» магнитное поле в виде замкнутого вытянутого туннеля, в котором после подачи на катод отрицательного напряжения происходит дрейф электронов в направленииЕ х В. Скорость дрейфа частиц определяется из соотношения: УдР=Е/В, (1.5) где Е — напряженность электрического)поля, В/м; В — индукция магнитного поля, Т.
Захваченные магнитным полем электроны, двигаясь по сложным циклоидальным траекториям в этой магнитной «ловушке», эффективно ионизуют рабочий газ вблизи поверхности мишени. Радиус вращения электрона (ларморовский радиус) можно найти из соотношений: re = VJL /Ш , (1) = еВ/т, (1.6) где V-L - составляющая скорости частицы в направлении, перпендикулярном силовым линиям магнитного поля, м/с; СІ) — циклотронная частота, с"1; В- индукция магнитного поля, Т. Типичное значение ларморовского радиуса для электронов в МРС составляет несколько миллиметров (например, ге =2 мм при В=350 Гс и Е=500 В). Для ионов при этих же условиях радиус составляет 60 см, т.е. магнитное поле оказывает слабое влияние на движение ионов. Образовавшиеся ионы ускоряются потенциалом мишени и распыляют ее. Зона распыления имеет форму вытянутого овала, расположенного между полюсами магнитной системы. 2 1 1-катод-мишень; 2- магнитная система; 3- источник питания; 4- анод, 5- траектория движения электрона; 6- зона распыления; 7- силовая линия магнитного поля Рисунок 1.7 - Схема МРС с плоской мишенью:[31] Анодом служат стенки вакуумной камеры иди спеннальные металлические электроды, расположенные рядом с катодом. Для более полного улавливания вторичных электронов, на анод может подаваться небольшое положительное смещение (40-50 В) [31].
В МРС плазма сконцентрирована в области магнитной ловушки близко к поверхности мншепи, что значительно увеличивает скорость ее распыления. Плотность плазмы магнетронного разряда лежит в пределах .0 » - 10 » см « Типичные величины „ндукпнн на поверхности мишенн составляют 0,03- ОД Т. Чаше всего для создания нужного магнитного ноля используются постоянные магниты. МРС работают при давлениях 0,.-. Па и напряжениях разряда 400-800 В, эти значения существенно меньше, чем в диодных системах распыления. На два порядка увеличивается плотность ионного тока (- 200 мА/см ) , в 50 раз выше удельная мощность, рассеиваемая „а мишенн ( \00 Вт/см2) [31].
Скорости распыления для планарных магнетронов, за счет высокой плотности тока в зоне распыления, могут достигать значений, сравнимых со скоростями термического испарения в высоком вакууме (до 1 мкм/мин) [32].
МРС в настоящее время являются основным инструментом напыления тонкопленочных покрытий различного назначения, используемых в микроэлектронике, автомобильной промьплленности. Опи широко применяются для напыления различных функциональных и декоративных покрытий на архитектурное стекло.
Протяженная магнетронная распылительная система с цилиндрическим вращающимся катодом
Вращение мишени значительно увеличивает ее утилизацию, так как зона распыления перемещается по поверхности цилиндрического катода. В [56] для вращающегося магнетрона C-mag приводится значение коэффициента использования мишени, равное 80%. Однако другие авторы [61] отмечают, что реальная степень утилизации мишеней составляет около 40 %, что намного меньше теоретически ожидаемых 85-95%. Причиной является ускоренная эрозия мишени на концах мишени в области поворота зоны распыления. Поверхность мишени в области поворота находится в зоне распыления большее время, чем поверхность мишени на линейной части. В результате на концах мишени формируются кольцеобразные области с большей глубиной эрозии, определяющие срок эксплуатации мишени. Проблема может решаться размещением на концах мишени цилиндрических насадок, которые располагаются в области поворота зоны распыления и имеют наружный диаметр, равный или незначительно превышающий наружный диаметр мишени [62]. Материал насадок должен иметь меньшую скорость распыления, чем материал мишени и обладать высокой температурой плавления. Используются такие металлы, как хром, никель, титан, молибден и др. Такое решение не только увеличивает срок эксплуатации мишени, но также снижает вероятность дугообразования при реактивном распылении. При вращении катода вся его поверхность распыляется, за исключением областей, находящихся за поворотом зоны распыления. Эти области будут покрываться оксидной пленкой в процессе реактивного распыления и через некоторое время становиться источником дугообразования. С пленок оксида титана стекание заряда происходит легче, так как они имеют большую проводимость, чем пленки оксида алюминия или оксида кремния, обладающие очень низкой удельной проводимостью, меньшей, чем 10 "10 Ом " см 1 Пленка оксида титана начинает пробиваться, когда ее толщина достигает несколько микрон. Применение титановых насадок на кремниевой мишени позволяет в несколько раз увеличить длительность процесса напыления оксида кремния, проходящего без дуг [62]. Однако распыленный материал насадок может вносить примеси в получаемые покрытия, поэтому приходится увеличивать длину мишени, удаляя область насадок от краев подложки.
Решение проблемы повышенной эрозии в зоне поворотов предложено в [63], где магниты располагаются так, что в области поворота дорожка зоны распыления становится шире, чем на линейной части. Подбирая ширину зоны распыления в области поворота, можно получить однородный профиль травления по всей длине мишени. Однако, расширение зоны распыления на поворотах может привести к ослаблению магнитного поля в этой области и нестабильности плазмы за счет ухода электронов из «магнитной ловушки».
Большое значение для достижения однородного профиля эрозии мишени имеет расположение постоянных магнитов, замыкающих внешние параллельные ряды магнитов. В большинстве случаев, магнитная система состоит из отдельных магнитов, которыми достаточно сложно выполнить плавный поворот магнитной системы. Неоптимальная конфигурация магнитного поля в области поворота ведет к уходу электронов из магнитной ловушки на концах мишени. Для уменьшения потерь электронов, можно увеличить магнитное поле в зоне поворота, однако это ведет к усиленной эрозии в этой области. На рисунке 1.17 а) приведена часть конструкция магнитной системы, образованной отдельными магнитами. Поворот в ней имеет ступенчатую, а не плавную форму.
Модифицированная конструкция поворота магнитной системы предложена в [64], (рисунок 1.20.6), особенностью которой является то, что расстояние между внешними магнитами системы в зоне поворота R больше, чем на линейной части L. Поворот выполнен в форме эллипса. а) 1 Е # %. Дальнейшее развитие импульсных МРС привело к появлению метода сильноточного импульсного магнетронного распыления (СИМР), в англоязычной литературе HPPMS (от анг. high-power pulsed magnetron sputtering). Типичные для СИМР униполярные сильноточные импульсы, которые подаются на мишень (катод) приводят к высоким импульсным концентрациям плазмы (до 6-Ю19 м-3) вблизи мишени [65]. Экспериментальные исследования показали, что электронная температура в импульсе достигает приблизительно 10 eV и импульсная плотность плазмы на три порядка величины выше, чем при магнетронном разряде постоянного тока [66]. В результате достигается высокая степень ионизации не только атомов газа, но и распыленных частиц. Подавая отрицательное напряжение смещения на подложку можно регулировать энергию ионов, бомбардирующих растущую пленку, тем самым, управляя ее свойствами. Фактически, высокое отношение концентрации ионов к концентрации нейтралов в СИМР позволяет наносить сверхплотные и гладкие металлические покрытия [67], пленки сложного состава [68] (оксиды, нитриды), управлять фазовым составом и увеличивать удельную проводимость покрытий [69]. Другим преимуществом СИМР является повышенная адгезия покрытий и возможность их напыления в отверстия субмикронного размера для полупроводниковой промышленности. Основной недостаток СИМР -пониженная скорость осаждения пленки (несколько десятков процентов от скорости осаждения при постоянном и среднечастотном магнетронном распылении) [70].
Общей чертой для СИМР является высокая степень ионизации распыляемого материала, как результат высоких скоростей ионизации электронным ударом из-за высокой плотности плазмы. Многие исследования показали, что степень ионизации в СИМР зависит от материала мишени [70] и импульсной мощности, прикладываемой к мишени [71]. В частности ионизация была низкой для частиц с малым сечением ионизации электронным ударом (о,) и высоким потенциалом ионизации (1Рл), например углерод (4,5 %) и высокой для частиц с большим ах и низким 1Рд, например титан (90%) и медь (70%). Кроме того, увеличение импульсной мощности (тока) приводит к росту плотности плазмы [71]. Высокие импульсные токи в СИМР влияют также на состав плазмы вблизи мишени. В частности показано, что на состав плазмы воздействует нагревание рабочего газа перед мишенью во время импульса. Этот эффект известен как разрежение газа и был описан в работе [72] для плазмы магнетронного разряда на постоянном токе. Показано, что энергия распыленных частиц передается атомам аргона, приводя к уменьшению количества последних и избытку металлических частиц напротив мишени. В СИМР эффект газового разрежения проявляется сильнее, чем при магнетронном распылении на постоянном токе. Это объясняется высокими импульсными токами СИМР, которые приводят к мгновенному (за время импульса) росту скорости распыления мишени вплоть до 2 порядков величины по сравнению с магнетронным распылением на постоянном токе. Оптическая эмиссионная спектроскопия также показывает увеличение доли металла и уменьшение доли аргона в разряде [71].Воздействие высоких плотностей плазмы на динамику разряда приводит к тому, что распределение энергий частиц в плазме изменяется во времени: распределение Дрюйвестейна в начале импульса, двойное максвелловское распределение через несколько десятков микросекунд и максвелловское распределение в конце импульса [73]. Последнее распределение энергии обычно наблюдается в разрядах постоянного тока. Эти изменения влияют на химическую активность частиц плазмы и таким образом на состав и фазу растущего покрытия.
Исследование влияния конфигурации магнитного поля в протяженном магнетроне с цилиндрическим катодом на однородность толщины наносимых покрытий
Источники питания магнетронов мощностью 5 кВт используются для электропитания протяженных МРС с цилиндрическим серебряным катодом и планарным медным катодом. Источники работают в режиме постоянного тока или в импульсно-периодическом режиме с регулируемой частотой и скважностью, и имеют стабилизацию напряжения и тока. На рисунке 2.8 приведена блок-схема источника питания магнетрона.
Входная цепь коммутирует 3-х фазное напряжение на блок выпрямителя источника, запитывая блоки управления и систему охлаждения. Включение проходит в 2 этапа для плавной зарядки входной емкости инвертора через сетевой фильтр и выпрямитель. Инвертор представляет собой транзисторный мост, преобразующий постоянное напряжение на входных емкостях в переменное синусоидальное напряжение. Это напряжение передается через резонансную цепь на повышающий трансформатор, который также выполняет функцию гальванической развязки между входом и выходом источника. Выходной ключ передает энергию в выходную цепь, и служит для защиты источника питания от короткого замыкания, а также для реализации импульсного режима работы. Выходная цепь состоит из 2-х дросселей, переключение между которыми позволяет менять нужный режим работы (постоянный или импульсный). Работа всех блоков контролируется платой управления, от которой подаются задающие импульсы на инвертор (с максимальной частотой равной частоте резонансного контура) и выходной ключ. Кроме того, эта плата принимает и преобразует сигнал обратной связи для осуществления стабилизации по току и напряжению и сигнал защиты с выходного ключа для приостановки работы инвертора и последующим выведением на панель индикации через плату контроллера. Плата контроллера выдает сигналы для платы управления, обеспечивая интерактивное управление источником при помощи пульта (повышение выходных параметров, переключение режимов работы) и осуществляет индикацию. В Таблице 2.4 приведены технические параметры и характеристики источника питания магнетрона. оа
Источник питания.магнетрона мощностью 20 кВт используется для электропитания протяженной МРС с цилиндрическим вращающимся титановым катодом и позволяет работать в импульсно-периодическом режиме с регулируемой скважностью. Источник имеет систему дугогашения и выполнен на базе силового повышающего трехфазного трансформатора, который вместе с мостовым выпрямителем расположен в маслонаполненном металлическом баке. Сверху закреплена текстолитовая плита с расположенными на ней элементами источника питания, закрытая металлическим кожухом. На металлическом кожухе размещен балластный резистор. На рисунке 2.9 представлена структурная схема источника питания магнетрона мощностью 20 кВт.
Трехфазное сетевое напряжение поступает на вход тиристорного коммутатора 1, предназначенного для бесконтактного включения силового трансформатора 2. Трансформатор работает на частоте промышленной сети (50 Гц), повышая входное напряжение до требуемого уровня, 650 В. Выпрямительный мост 3 собран по схеме Ларионова. Для сглаживания выбросов напряжения, вызванных коммутацией тиристоров, используется RC-фильтр. Блок дугогашения 4 представляет собой устройство, которое с частотой 100 Гц коммутирует постоянное напряжение на магнетрон. Частота коммутации выбрана исходя из условий равномерности наносимого магнетроном покрытия и минимизации динамических потерь мощности. В случае возникновения дуги устройство реагирует на ее появление и отключает источник питания от магнетрона. Балластный резистор 5 расположен в шине отрицательного потенциала источника питания. Дуга, неизбежно возникающая при работе магнетрона, характеризуется резким увеличением тока (до сотен ампер) и уменьшением падения напряжения (до 50 - 70 В) на разрядном промежутке. Оставшаяся часть напряжения выделяется на балластном резисторе. Управление тиристорным коммутатором- и устройством дугогашения, через схему управления 6, осуществляется с пульта дистанционного управления 7. В Таблице 2.5 приведены технические параметры и характеристики источника питания магнетрона мощностью 20 кВт. Таблица 2.5 Технические параметры и характеристики источника питания магнетрона
Источник питания ионного источника с анодным слоем оснащен системой дугогашения и позволяет регулировать постоянное выходное напряжение положительной полярности. На рисунке 2.10 приведена блок-схема источника питания ионного источника. По своей структуре данный источник похож на источник питания магнетрона ApEI-M-5PDC за исключением повышающего высоковольтного трансформатора и выпрямителя на выходе. Назначение других элементов источника питания было описано в параграфе 2.5. В Таблице 2.6 приведены технические параметры и характеристики источников питания ионных источников.
Исследование свойств низкоэмиссионных покрытий структуры диэлектрик металл-диэлектрик на полимерной пленке
Экспериментальная вакуумная установка, предназначена для осаждения многослойных низкоэмиссионных покрытий методом магнетронного распыления на. полимерную пленку шириной 70 см и длиной 200 см. Схема расположения основных элементов установки приведена на рисунке 4.1. В состав установки входит вакуумная камера (1), три протяженные МРС (2), ионный источник с анодным слоем (3), а также вращающийся барабан для крепления полимерной пленки (4). Откачка камеры производится форвакуумными насосами АВЗ-63 и АВЗ-180, находящимися в насосном помещении (на рисунке не показаны) и высоковакуумным дифузионным паромасляным агрегатом АВДМ-400 (5). - вакуумная камера; 2 - МРС; 3 - ионный источник; 4 - барабан; 5 - дифузионный насос
Двухканальная система газораспределения (6) обеспечивает напуск рабочих газов в вакуумную камеру во время технологического процесса. Для охлаждения МРС, ионного источника и насоса используется система распределения воды (7). Измерение давления в вакуумной камере осуществляется манометрическим термопарным (ПМТ-2) и ионизационным (ПМИ-10) преобразователями (8) и вакуумметром ВИТ-3 (9). Управление технологической установкой осуществляется от пульта управления, расположенного в стойке (10). Там же размещены два источника питания МРС мощностью 5 кВт и ионного источника с анодным слоем мощностью 2 кВт. Электропитание МРС с вращающимся катодом осуществляется от источника мощностью 20 кВт (11). В шкафах управления (12) размещены распределительные части, контроллеры ввода-вывода, исполнительные механизмы вакуумного оборудования. На рисунке 4.2 представлен внешний вид экспериментальной установки для нанесения низкоэмиссионных покрытий на полимерную пленку.
Цилиндрическая вакуумная камера диаметром 1,2 м и длиной 1,2 м, имеет две двери, обеспечивающие доступ к подложкам и технологическим источникам. На стенках и дверях вакуумной камеры расположены фланцы, предназначенные для установки различных устройств (МРС, ионные источники, вакуумные преобразователи, клапаны, вводы вращения и т.д). На поверхности барабана с помощью системы натяжения может закрепляться полимерная пленка размером 80x200 см и толщиной от 30 до 200 мкм и/или образец стекла размером 80x10 мм .
Система вакуумной откачки, представленная на рисунке 4.3, обеспечивает предельное остаточное давление в вакуумной камере на уровне 7x10" Па. В качестве высоковакуумного насоса используется диффузионный насос НВДМ - 400 с быстротой действия 5900 л/с и предельным остаточным давлением до 7x10"5 Па (DP). Форвакуумная откачка насоса производится форвакуумным золотниковым насосом АВЗ-63 (FP1). Предварительное разрежение вакуумной камеры осуществляется насосом АВЗ-180 (FP2). Измерение давления в вакуумной камере осуществляется с помощью манометрического термопарного преобразователя ПМТ-2 (G2), манометрического ионизационного преобразователя ПМИ-10 (G3) и вакуумметра ВИТ - 3.
В стойке управления размещены источник питания ионного источника с анодным слоем мощностью 2 кВт и два источника питания МРС мощностью 5 кВт. Там же размещены пульты управления системой газораспределения, вращением барабана, вакуумной системой и системой охлаждения.
Существует много применений пленочных покрытий, наносимых методом магнетронного распыления. Некоторые покрытия, например низкоэмиссионные, оптические, наносятся на. подложки большой площади и требуют высокой степени равномерности толщины по всей площади подложки (не хуже ± 5%). Для нанесения таких покрытий в промышленных масштабах наилучшим образом подходят цилиндрические магнетроны [56]. Они имеют более высокие, по сравнению с плоскими магнетронами, степень утилизации мишени уровень используемой мощности и стабильность работы в процессах реактивного нанесения покрытий. Однако у цилиндрических магнетронов имеются недостатки, обусловленные их-характерной геометрией. Первым недостатком, присущим всем протяженным магнетронам; является тот факт, что область однородного нанесения покрытий всегда значительно меньше длины распыляемого катода [50]. В зависимости от требуемой однородности, приходится изготавливать магнетроны с длиной катода на 30-60 см превышающим размер обрабатываемых подложек. Это ведет к увеличению стоимости МРС и вакуумной установки. Недостатком также является ускоренная эрозия концевых частей катода [117,118] .В Главе 1 отмечалось, что для уменьшения эрозии на концах катода иногда используют увеличение его толщины или ширины распыляемой канавки в местах с ускоренной эрозией [118,63]. При этом уменьшается индукция магнитное поля на поверхности мишени, что вызывает появление неустойчивостей в плазме магнетронного разряда. Использование катодов с концевыми частями, изготовленными из материала с низкой скоростью распыления, также нежелательно, так как неизбежно попадание этого материала на подложку.
При выполнении работы были проведены исследования равномерности толщины покрытий наносимых цилиндрической вращающейся МРС с титановым катодом, цилиндрической МРС с серебряным, катодом и планарной МРС с медным катодом. Для получения качественных ТСП необходимо было обеспечить равномерность толщины функциональных слоев не хуже ± 5%.
Расширить зону равномерного нанесения покрытий без увеличения размеров МРС можно увеличивая скорость распыления на концах мишени. Этого можно добиться увеличением магнитного поля на поворотных частях магнитной системы. Однако, такое, локальное увеличение, магнитного поля приведет к очень быстрому износу концевых частей катода. Предпочтительнее использовать сравнительно небольшое увеличение магнитного поля на протяженных по длине участках магнитной системы.
Такая конструкция магнитной системы реализуется заменой на ее концах боковых магнитов (рисунок 4.4) на магниты с большей на 5-15 % индукцией магнитного поля [110]. Варьируя число таких магнитов в магнитной системе можно менять длину областей с более сильным магнитным полем L. Распределение толщины покрытия, по длине подложки, нанесенного с использованием магнитной системы, имеющей L= 10 см, показано на рисунках 4.5-4.7. Область нанесения покрытий с равномерностью ± 5 % составляет 70 см для планарного магнетрона с медным катодом и для цилиндрического магнетрона с вращающимся титановым катодом. Зона нанесения покрытия с равномерностью ± 2 /о для цилиндрического магнетрона с серебряным катодом составляет 725 мм. Увеличение значения L более 10 см не дает положительного эффекта, т.к. при этом увеличение скорости распыления происходит уже не на краях мишени.
