способ нанесения покрытия заданного профиля толщины на плоскую подложку, движущуюся с постоянной скоростью

Формула изобретения

СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ ЗАДАННОГО ПРОФИЛЯ ТОЛЩИНЫ НА ПЛОСКУЮ ПОДЛОЖКУ, ДВИЖУЩУЮСЯ С ПОСТОЯННОЙ СКОРОСТЬЮ, заключающийся в том, что между источником осаждаемых частиц и подложкой параллельно плоскости ее движения устанавливают корректирующий экран, предварительно рассчитав координаты его границ, и наносят покрытие, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения способа и повышения его точности, расчет координат границы экрана Y_э(X_i), ггде (X, Y) - система ортогональных обобщенных координат, ось Y которой совпадает с направлением движения подложки, ведут на основании заранее измеренного распределения толщины покрытия Q₀(X_i,Y_k), нанесенного на неподвижную подложку без экрана в стационарном режиме источника за время t₀ при постоянном шаге точек измерения Y = Y_k+1-Y_k, по которому вычисляют скорость осаждения покрытия



и отношения вида



где - средняя скорость осаждения покрытия на интервале [Y_k-1, Y_k];

n₀ - количество интервалов между точками измерения Q₀(X_i, Y_k) по оси Y;

₃(X_i) - значение заданной толщины покрытия при X = X_i,

и наименьшие из этих отношений принимает за постоянный коэффициент C в формуле вычисления искомых координат границы экрана



где



n_i - предел суммирования, определяемый из неравенства





причем, если при некоторых X_i

a_i = 0,

то вычисление Y_э(X_i) производят по формуле



2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в случае симметрии потока осаждаемых частиц относительно прямой, перпендикулярной к направлению движения подложки и проходящей через центр зоны нанесения, ось X совмещают с этой прямой, индекс n_i определяют из неравенства



а искомые координаты Y_э(X_i) - по формуле



причем экран становится двусторонним, симметричным относительно оси X.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае аналитически выраженных зависимостей q₀(X_iY) = f_i(Y), где f_i(Y) - известная функция, координаты границы экраны определяют из уравнений



4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае, когда функции f_i(Y) имеют один и тот же вид для всех X_i, значения Y_э(X) определяют из уравнения



5. Способ по п.1, отличающийся тем, что при q₀(X_iY) = C₁ = const значения Y_э(X) определяют из уравнения

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нанесению покрытий прямолинейно распространяющимся потоком частиц, например испарением в вакууме или ионным распылением, и может быть применено в технологии микроэлектроники, интегральной оптики и в технологии оптических покрытий тогда, когда требуется получение заданного профиля толщины покрытия по поверхности подложки.

Известны изобретения (патенты NN 60-430, 59-40225, 59-40226, 53-39862, 53-33531, 63-60272 - Япония; 2476682 - Франция; 4315960 - США, 219044 - ГДР, авт. св. N 1093012 - СССР), в которых с целью получения требуемого профиля толщины покрытия на подложке используются подвижные или неподвижные относительно подложки экраны.

Недостатками этих изобретений являются:

отсутствие метода точного определения формы экрана, необходимой для получения конкретного заданного профиля толщины покрытия;

ограниченность их применения только для некоторых видов заданного профиля, главным образом для равномерных по толщине покрытий;

ограниченность их применения только для частных случаев движения подложки, например только для вращательного или только для поступательного движения;

отсутствие учета естественного распределения плотности потока осаждаемых частиц в пространстве, свойственного данному источнику этих частиц, что приводит к увеличению погрешности полученного профиля по отношению к заданному.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ нанесения покрытий, содержащийся в патенте N 33068870 (ФРГ), который учитывает исходное распределение толщины покрытия, полученное без экрана.

Недостатками этого способа являются:

возможность применения только в случае аксиально-симметричных потоков осаждаемых частиц;

возможность применения только для случая вращения подложки вокруг собственной оси, совпадающей с осью потока.

Целью изобретения является расширение области применения способа получения покрытий заданного профиля и повышения его точности. Оно может быть использовано для произвольного вида заданного профиля толщины покрытия в направлении, перпендикулярном движению подложки, при постоянстве толщины в направлении ее движения; произвольного распределения плотности потока осаждаемых частиц в пространстве, т.е. для любых источников этого потока; поступательного и вращательного движения подложки, т.е. для широкого круга типов напылительного оборудования.

Достигается это тем, что

1. Предварительно измеряется распределение (профиль) толщины покрытия (Q₀), полученного на неподвижной подложке без экрана в стационарном режиме, т.е. при постоянном во времени потоке. Подложка при этом должна перекрывать всю зону нанесения, т.е. область в плоскости подложки, где интенсивность потока осаждаемых частиц не равна нулю, и должно быть зафиксировано время нанесения t₀. Измерения производятся в точках (X_i, Y_к) подложки с постоянным шагом ( Х, Y) по обеим взаимно перпендикулярным обобщением координатам подложки, причем ось Y совпадает с направлением возможного движения подложки. При поступательном движении подложки X, Y совпадают с декартовыми координатами подложки X, Y при вращательном движении X = r, Y = , где - угол поворота подложки;

r - радиус вращения i-й точки подложки.

2. По измеренной толщине Q₀(x_iy_к) и времени вычисляется скорость осаждения покрытия

q_o(x_iy_k) =

3. Полученные зависимости q₀ (x_iy_к) для каждого значения X_i в общем случае аппроксимируются кусочно-линейным приближением, по которому вычисляются суммы вида

y (x_iy_k) , где (x_iy_к) - средняя скорость осаждения на k-ом промежутке,

n₀ - количество интервалов разбиения по оси Y.

4. По значениям y (x_iy_k) и заданному профилю ( ₃(x_i)) вычисляются отношения вида y (x_iy_k)(x_i) наименьшее из которых принимается за коэффициент (постоянный) С.

5. По полученным данным вычисляются координаты границы экрана (Y_эi= Y_э(x_i), обеспечивающего при движении подложки с постоянной скоростью заданный профиль толщины покрытия по формуле

y_эi= где

a_i =

b_i =

n_i - предел суммирования, определяемый из неравенств



6. По расчетным значениям Y_эi изготавливается плоский экран, который устанавливается в плоскости, параллельной плоскости подложки так, чтобы между экраном и подложкой оставался зазор, обеспечивающий отсутствие трения между ними.

На фиг. 1 показана схема процесса нанесения с применением корректирующего экрана.

Она содержит движущую подложку 1, корректирующий экран 2, границу зоны нанесения 3, поток осаждаемых частиц 4, источник осаждаемых частиц 5.

7. Проводится нанесение покрытия при произвольной постоянной скоростью подложки и произвольном по стационарном режиме работы источника осаждаемых частиц. Скорость движения подложки ограничена неравенством U U_кр, где U_кр - такая скорость подложки, при которой заданный профиль толщины покрытия достигается за один проход зоны нанесения.

Каждая подложка должна проходить зону нанесения целое число раз.

8. Если при каких-то X_i оказывается a_i = 0, то соответствующие значения Y_эi определяются по формуле

y_эi = y_ni + .

9. В некоторых частных случаях расчет формы экранов упрощается, а именно:

a) если имеет место симметрия потока осаждаемых частиц относительно прямой, перпендикулярной к направлению движения подложки и проходящей через центр зоны нанесения, то ось Х целесообразно совместить с этой прямой, причем индекс n_i определяется из неравенств

а искомые значения Yэi по формуле

y_эi= , что дает двойное сокращение измерений и вычислений. Экран при этом условии становится двойным, симметричным относительно оси Х (см. фиг.2 и пример расчета);

б) в случае аналитически выраженных зависимостей q₀(x_iy) от координаты Y, т.е. при

q₀(X_iY) = f_i(y), где f_i(y) - известная вычисленная функция или функция, полученная аппроксимацией измеренных значений, то искомые координаты границы экрана определяются из уравнений

f(y)dy = C_з(x_i),

в) если при тех же условиях (n " ") функции f_i(y) имеют один и тот же вид для всех X_i, то y_э(x) определяется из уравнения

f(y)dy = C_з(x),

г) наконец, если q₀(x_iy) = C_i = const, то значения Y_э(х) находятся по формуле

y_э(x_i) = C .

В качестве примера рассмотрим определение формы экрана для случая аксиально-симметричного распределения потока (поток частиц, создаваемый круглым магнетроном), ось которого не совпадает с осью вращения подложки.

На фиг.2 показана схема процесса.

Она имеет вращающую подложку 1, корректирующие экраны 2; границу зоны нанесения 3, поток осаждаемых частиц 4, круглый (симметричный) магнетрон 5.

При этих условиях поток оказывается симметричным и относительно прямой, соединяющий центр симметрии потока с центром вращения подложки, и при форме зоны нанесения в виде сектора с центральным углом 90^ооказывается достаточным измерение толщины пленки (Q₀) только по половине зоны нанесения, т. е. в секторе с углом 45^о (п.8а).

Все эти условия реализуются в установке SCM-600 с круглым магнетроном и вращением подложек с постоянной скоростью. Именно в этой установке для получения исходного распределения потока (q₀(r, ) было проведено нанесение пленки сплава Al + Ti на неподвижную подложку.

Данные измерений толщины (в мкм) для ширины подложки приведены в табл. 1.

r_max - r_min = 220 - 120 = 100 мм, где Y = = 5^o = 0,087266 рад;

Х = r = 10 мм;

n₀ = 9 ( _no = 45^о)

t₀ = 540 c

В табл. 2 для каждого ri подсчитаны суммы

= и найдены отношения

для ₃(r), вид которой приведен на фиг.3,б.

Из данных таблицы видно, что наименьшие значения этих отношений соответствуют r_i = 120 мм и составляют С = 2,061 10^-3 с^-1.

На основании данных табл. 1 и 2 рассчитаны значения a_i, b_i, n_i и по формуле п.8а найдены искомые значения _эi, приведенные в табл. 2. Форма экранов показана на фиг.3, а. Экспериментальная проверка способа проводилась соответственно в той же установке SCM-600 и с той же мишенью магнетрона (Al + Ti). Было изготовлено два образца пленок на подложках размером 90 х 60 мм², установленных на расстоянии от центра вращения r_min = 125 мм, r_max = 215 мм.

В табл. 3 приведены в абсолютных и относительных единицах заданные и измеренные толщины пленок, полученных нанесением на вращающуюся подложку при наличии экрана. В этой таблице: _3max - максимальная заданная толщина, мкм; Q_и - измеренная толщина полученной пленки, мкм; Q_иmax - максимальная измеренная толщина, мкм; - абсолютное отклонение полученной толщины от заданного значения (в относительных единицах); - относительное отклонение толщины полученной пленки от заданного значения, %.

Из данных табл. 3 видно, что максимальная относительная погрешность получения заданного профиля не превышает 8% при средней величине погрешности

= 2,41%.

В качестве второго примера рассмотрим плазменное напыление резистивной пленки, для которой необходимо постоянство удельного поверхностного сопротивления ( ), а следовательно, и толщины по всей поверхности подложки, движущейся поступательно с постоянной скоростью.

Пусть распределение _o(x_iy_к) по пленке, напыленной на неподвижную подложку с круглой мишени, имеет вид параболоида вращения с осью, совпадающей с осью симметрии мишени. Тогда

1) для всех Х:

_o(х_iy) = ay² + b(x) (фиг.4, а)

2) коэффициенты "а" парабол не зависят от Х, а коэффициенты "b" есть функция х: b(x) = ax² + b(o)

3) коэффициенты "а" и "b" зависят от времени, но решения зависит только от = , которое не зависит от времени.

В этом случае скорость осаждения для всех х выражается как

q_oi = = f (y) , где _o(x_iy_к) - удельное поверхностное сопротивление пленки, напыленной за единицу времени;

С_о - постоянная.

Согласно формуле п.8в

f(y)dy = C_o = C arctgy = C_з(x)

f(y)dy = C_o = C arctgy = C_з(x),

где Y₀ - координата границы зоны нанесения;

Х₀ - полуширина подложки (см. фиг.4б), и, следовательно;

arctgy = arctgy ,

откуда

y_э(x) = tg( ), где

= , при х₀ = 5 и y = 7; = 0,0593.

Данные измерений _o(х, y) приведены в табл. 4. Там же даны расчетные значения коэффициентов "а" и "b" и среднее значение а.

В табл. 5 приведены расчетные значения tg() и искомые значения Y_э(х). Схема процесса и вид соответствующих экранов показаны на фиг.4,а,б, где все обозначения аналогичны обозначениям на фиг.1.

По сравнению с известным предлагаемое изобретение обладает следующими преимуществами:

является универсальным, т.е. позволяет получать любые профили толщины покрытия в направлении, перпендикулярном движению подложки;

может быть применено при любых источниках потока осаждаемых частиц, если только эти частицы распространяются прямолинейно как при поступательном, так и при вращательном движении подложки, т.е. для широкого круга типов оборудования.