Реактивное магнетронное распыление с плазменным ассистированием (PARMS)
Реактивное магнетронное распыление с плазменным ассистированием (Plasma assisted reactive magnetron sputtering, PARMS) – это технология, направленная на получение сложных интерференционных покрытий, охватывающих широкий спектральный диапазон от УФ до ближнего ИК-диапазона. PARMS используется для создания многослойных диэлектрических фильтров, высокоотражающих зеркал и других прецизионных оптических элементов, где критичны высокая плотность плёнки, минимальные дефекты и точный контроль стехиометрии.
Оглавление
- Сравнение с другими методами
- Основы процесса
- Ключевые аспекты технологии
- Особенности технологии PARMS
- Применение PARMS
- Оборудование от компании «АкадемВак»
Сравнение с другими методами
Помимо PARMS, для осаждения оптических покрытий применяются такие методы, как электронно-лучевое испарение с ионно-плазменным ассистированием (PIAD), ионно-лучевое распыление (IBS) и высокочастотное магнетронное распыление (RFMS).
- Электронно-лучевое испарение с ионно-плазменным ассистированием (PIAD) обеспечивает высокое качество плёнки и гибкость в подборе параметров, таких как плотность и напряжения. Однако у этого метода есть ограничения: нестабильная скорость осаждения (1–10 нм/с) затрудняет точный контроль очень тонких слоёв; возможны дефекты, вызванные аномальным испарением; кроме того, полностью автоматизированный производственный процесс с PIAD ограничен из-за необходимости точной фиксации и транспортировки подложек в чистых помещениях [1].
- Ионно-лучевое распыление (IBS) совместимо с полностью автоматизированным производственным циклом и позволяет надежно работать в чистых помещениях. Плёнки, получаемые методом IBS, характеризуются высокой плотностью и практически отсутствием дефектов. Однако метод имеет низкую производительность из-за небольшой скорости осаждения (~0,3 нм/с) и ограниченной полезной площади подложки, что делает изготовление прецизионных фильтров и зеркал дорогим и трудоёмким процессом.
- Высокочастотное магнетронное распыление (RFMS) является ещё одним популярным методом осаждения диэлектрических плёнок. Он позволяет получать плотные, аморфные покрытия с низкой шероховатостью поверхности и хорошей повторяемостью стехиометрии [2]. RFMS особенно удобен для нанесения покрытий на крупные подложки, что делает метод привлекательным для массового производства. Однако для получения толстых многослойных плёнок и сверхточных лазерных покрытий метод RFMS не подходит в силу накопления дефектов в оптических покрытиях. К другим недостаткам можно отнести низкую скорость осаждения (~0,4 нм/с).
В современной прецизионной оптике, особенно в лазерной индустрии, наблюдается растущий спрос на технологии, обеспечивающие минимальное образование частиц и дефектов, совместимые с чистыми помещениями и полностью автоматизированными процессами, с высокой производительностью и точностью нанесения, а также способные работать с малыми и средними партиями изделий.
Именно для решения этих задач в PARMS используется дуальное магнетронное распыление, а не стандартное высокочастотное магнетронное распыление. Это связано с особенностями контроля стехиометрии, плотности плёнки и производительности при осаждении высококачественных оптических покрытий.
Дуальные магнетроны обеспечивают эффективный контроль реактивного режима осаждения. При осаждении диэлектрических пленок крайне важно поддерживать стабильную стехиометрию, чтобы избежать дефектов покрытий [3]. Использование двух дуальных магнетронов с разными материалами позволяют локально управлять потоком распыляемых частиц, взаимодействующих с потоком реактивного газа. В стандартных RFMS реактивный газ приводит к нестабильности процесса осаждения, что приводит к накоплению дефектов при осаждении оптических покрытий [4], что в свою очередь может значительно ухудшить оптические характеристики.
Таким образом, выбор технологии осаждения всегда определяется требованиями к конечному изделию и особенностями производственного процесса. PARMS обеспечивает уникальное сочетание высокой плотности, точного контроля стехиометрии и стабильности оптических свойств, что делает её предпочтительной для сложных многослойных покрытий, требующих минимальных потерь и высокой повторяемости.
Основы процесса
Для реализации технологии PARMS используется комбинация среднечастотного дуального магнетронного распыления и радиочастотного источника плазмы. На рис. 1 изображена принципиальная схема устройства. В стандартной конфигурации позиции 1 и 3 оснащены дуальными магнетронами, позиция 2 - оптическим датчиком и позиция 4 - радиочастотным источником плазмы.
Дуальные магнетроны обеспечивают реактивное осаждение тонкого слоя оксида с контролируемым дефицитом кислорода. Причём сначала осаждают тонкий слой с низким коэффициентом преломления с одного дуального магнетрона. Затем радиочастотный плазменный источник с реактивным кислородом производит преобразование тонкого слоя в стехиометрический слой оксида. Потом происходит осаждение второго тонкого слоя с высоким коэффициентом преломления с другого дуального магнетрона.
В конце цикла вновь осуществляется преобразование тонкого слоя с помощью радиочастотного плазменного источника. Такое осаждение производится до тех пор, пока не будет получена требуемая толщина слоя покрытия.
С помощью такой схемы осаждения можно получать как покрытия с низким коэффициентом преломления (работает один дуальный магнетрон, например с SiO₂ мишенью, и радиочастотный источник плазмы), так и с высоким коэффициентом преломления (работает уже другой дуальный магнетрон, например с TiO₂ мишенью, и радиочастотный источник плазмы), а также интерференционные покрытия с чередующимися слоями с низким и высоким коэффициентами преломления. Если на один дуальный магнетрон поставить две мишени с разными коэффициентами преломления (низким и высоким, например SiO₂ и SiO), то, применяя параметры осаждения, можно получить промежуточный коэффициент преломления.
Чтобы обеспечить чистое последовательное нанесение материалов с низким и высоким коэффициентом преломления, каждый технологический источник имеет свою газовую линию и датчик контроля расхода газа.
Ключевые аспекты технологии
- Среднечастотное питание на дуальных магнетронах дает высокую производительность и стабильность процесса.
- Разделение газовых потоков к технологическим источникам позволяет повысить стабильность процесса и контролировать стехиометрию получаемых покрытий.
- Возможно осаждать как один вид материала (например, SiO₂), так и осуществлять послойное нанесение покрытий (например, SiO₂ и Nb₂O₅).
- Большое расстояние между мишенью и подложкой (порядка 300 мм) позволяет избежать дефектов, вызванных пробоями в диэлектрических плёнках.
- Наличие оптического датчика в таких системах позволяет выполнять прямое измерение коэффициента пропускания подложки в процессе нанесения.
Особенности технологии PARMS
Преимущества PARMS:
- Высокие качество, стабильность процесса и скорость осаждения оптических покрытий (0,4-0,7 нм/с - выше, чем у RF-распыления, но ниже, чем у PIAD);
- Возможность напыления сложных многослойных оптических покрытий;
- Возможность полной автоматизации процесса и масштабирования для промышленности.
Недостатки PARMS:
- Сложность оборудования – необходимость компоновки дуальных магнетронов, радиочастотного плазменного генератора, газовой развязки, MF/RF- источников, развитой системы управления, аналитики и системы автоматизации;
- Высокие требования к стабильности параметров процесса – колебания потоков газов, давления в камере может привести к изменению стехиометрии получаемых покрытий и получению дефектов.
Применение PARMS
- Получение оптических покрытия для лазерной оптики, новых оптоэлектронных устройств;
- Изготовление тонкопленочных фильтров (bandpass, notch, edge-фильтры) в широком спектре длин волн;
- Изготовление зеркал с высокой отражательной способностью, тонкопленочных поляризаторов и светоделителей.
Оборудование от компании «АкадемВак»
Компания «АкадемВак» разрабатывает и поставляет высокотехнологичное оборудование для магнетронного распыления. Установки нашей разработки подходят как для научных исследований, так и для промышленного производства высококачественных покрытий.
Широкий модельный ряд и разнообразная компоновка позволяют подобрать решение, максимально адаптированное под задачу клиента.
- Высокопроизводительные вакуумные установки напыления серии ACADEMVAC-PRO: вакуумные камеры большого объема, мощная система откачки, полностью автоматизированная система управления. Предназначены для серийного производства.
- Компактные установки напыления серии ACADEMVAC-LAB: небольшие установки напыления, возможны исполнения с ручной системой управления для снижения стоимости. Подходят для лабораторных и исследовательских задач, для знакомства с тонкопленочными технологиями. Чаще всего эти установки оснащаются магнетронами с диаметром мишени 2 или 3 дюйма, термическими испарителями.
- Универсальные вакуумные установки напыления серии ACADEMVAC-UNI: установки среднего размера, максимально гибкая платформа для кастомизации. Обеспечивают гибкость в выборе методов получения тонкоплёночных покрытий (включая электронно-лучевые испарители), средств откачки, контроля за процессами, аналитики, содержат возможности для дооснащения в будущем. Хорошо подходят для мелкосерийного производства, для выполнения широкого спектра задач.
- Сверхвысоковакуумные установки напыления серии ACADEMVAC-UHV: специализированные вакуумные установки, разработанные с целью обеспечить повышенные требования к чистоте процессов в сверхвысоковакуумных перспективных применениях.
Оборудование «АкадемВак» открывает широкие возможности для практического применения технологии PARMS в таких сферах, как электроника, оптоэлектроника, материаловедение и производство функциональных покрытий.
Компания предоставляет полный спектр услуг — от проектирования и настройки до внедрения и технической поддержки. Свяжитесь с нами, чтобы получить технико-коммерческое предложение на интересующую Вас конфигурацию.
Список использованной литературы:
- M. Scherer, H. Hagedorn, W. Lehnert, J. Pistner, “Innovative production of thin film laser components”, SPIE Vol.5963-45, 2005.
- I. Koichiro, F. Masahiro, T. Yusuke, Y. Tomoyuki, T. Akira, “Optical properties of fluoride thin films deposited by RF magnetron sputtering”, APLLIED OPTICS Vol.45, No.19, 2006.
- H. Hagedorn, W. Lehnert, J. Pister, “Plasma Assisted Reactive Magnetron Sputtering of Demanding Interference Filters”, Society of Vacuum Coatings, Vol.505/856-7188, 2012.
- A. Sibacius, B. Baloukas, E. Bousser, “Nanostructural Characterisation and Optical Properties of Sputter-Deposited Thick Indium Tin Oxide (ITO) Coatings”, Coatings Vol.10(11), 2020.
Другие методы магнетронного распыления:
