РАСПЫЛИТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ ПЛОСКОГО МАГНЕТРОНА
SPUTTERING ASSEMBLY OF PLANAR MAGNETRON

Изобретение относится к области устройств и способов магнетронного распыления материалов и касается конструкции источников магнетронов.
Известны конструкции магнетронов, в которых распылительный (катодный) узел, включающий, кроме узла крепления мишени, системы охлаждения и других общеизвестных узлов, о которых далее упоминать не будем, магнитную систему в виде вложенных один в другой круглых концентрических магнитных контуров противоположной полярности, вращающуюся вокруг оси, перпендикулярной плоскости круглой мишени и параллельной оси, проходящей через центр мишени [Pat. US No.4444643], и средства ее вращения. Вращение магнитной системы применено в этом изобретении для увеличения равномерности распыления мишени и увеличения степени использования ее материала.
Недостатком данного изобретения является недостаточная равномерность распыления, приводящая, в частности, к быстрому износу (расходу) мишени по периметру и в центральной области.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является узел распыления, отличающийся от описанного выше тем, что контуры магнитной системы имеют геометрически подобную друг другу форму, но не круглую, а в форме сердечка [Pat. US No.4872964].
Недостатком его также является неравномерность распыления, зависящая и от толщины используемой мишени, и недостаточная скорость распыления.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение равномерности распыления, увеличение степени использования материала мишени и увеличение скорости распыления.
Указанная задача решается тем, что распылительный узел плоского магнетрона выполнен в виде по меньшей мере одной магнитной системы, установленной под мишенью с возможностью вращения вокруг оси (далее - «дополнительная ось»), которая, в свою очередь, вращается вокруг параллельной ей неподвижной оси (далее - «первая ось»), перпендикулярной поверхности мишени и проходящей, например, через центр круглой мишени, причем магнитная система несимметрична относительно дополнительной оси. Устройство имеет приводы вращения относительно первой и дополнительной (или дополнительных) осей вращения.
Вариант предлагаемого узла содержит водило, установленное под распыляемой мишенью так, что одна ось его вращения совпадает с первой осью распылительного узла, а вторая ось совпадает с дополнительной осью вращения установленного на нем носителя магнитной системы.
Водило может быть выполнено в виде диска (параллельного рабочей плоскости мишени), ось вращения которого совпадает с первой осью распылительного узла, а на этом дисковом водиле установлен по меньшей мере один носитель магнитной системы с возможностью вращения вокруг своей дополнительной оси.
На водиле в виде диска может быть установлено два или больше носителей одинаковых или разных магнитных систем, оси вращения которых (дополнительные оси) находятся на одинаковом или различном расстоянии от первой оси.
Носитель магнитной системы в любом из приведенных выше вариантов предлагаемого распылительного узла может быть выполнен заодно с магнитной системой в виде пластины из магнитного материала, на которой несимметрично дополнительной оси вращения установлено два замкнутых геометрически подобных вложенных один в другой контура магнитов, причем внешний контур создает магнитное поле, перпендикулярное пластине и направленное в одну сторону, а внутренний - магнитное поле противоположного направления.
Приводы вращения магнитной системы вокруг первой оси и вокруг дополнительной оси могут быть независимыми или кинематически связанными.
Вариантом кинематически связанного привода вращений может служить привод вращения вокруг дополнительной оси в виде планетарной зубчатой передачи, в которой закрепленный на водиле или диске-водиле носитель (или каждый такой носитель) магнитной системы выполнен в виде шестерни-сателлита планетарной передачи, находящейся во взаимодействии с неподвижной коронной или солнечной шестерней, или содержит такую шестерню, например, шестерня приварена к стороне носителя противоположной стороне расположения магнитов. В последнем случае радиус шестерни и форма носителя не зависят друг от друга. При приведении во вращение водила или диска-водила, с помощью привода вращения, вокруг первой оси, носитель (или каждый носитель) магнитной системы будет тоже вращаться, но уже со своей угловой скоростью, вокруг своей дополнительной оси.
В варианте с несколькими установленными на одном или разных расстояниях от первой оси (от центра вращения) носителями в виде шестерен-сателлитов, эти шестерни-сателлиты выполнены таких диаметров, что находятся в зацеплении с общей коронной или солнечной шестерней. Соответственно, числа зубцов на шестернях-сателлитах будут пропорциональны их диаметрам, а коэффициент передачи - обратно пропорционален их диаметрам.
В варианте с независимыми приводами вращения такими приводами могут служить отдельные приводы для осуществления вращения вокруг первой оси и вокруг дополнительной оси или дополнительных осей. Отдельные приводы могут быть исполнены в виде электроприводов: асинхронных, синхронных, шаговых, серво- и пр. При этом угловые скорости всех возможных вращений могут задаваться произвольными в широких пределах, а также регулироваться в зависимости от параметров процесса и от времени. Оптимальным может быть вариант управления двигателями по заданной программе, выбранной путем машинного моделирования процесса распыления мишени, экспериментальным путем или комбинацией этих приемов.
Таким образом, при использовании независимых приводов вращения возможен способ использования предлагаемого изобретения, заключающийся в том, что угловые скорости всех возможных вращений задают с помощью программы, обеспечивающей оптимальное распыление мишени. Программы могут отличаться в зависимости от режимов распыления, материала и исходной толщины подложки, от требуемой равномерности получаемого покрытия, от требований по полноте использования материала мишени, от предыстории ранее использованных мишеней и могут учитывать многие другие факторы.
На фиг.1 изображена схема распылительного узла плоского магнетрона в варианте с независимым приводом вращений. Здесь и далее не показаны общеизвестные элементы.
На фиг.2 изображен вид сбоку на распылительный узел плоского магнетрона в варианте с независимым приводом вращений.
На фиг.3 изображена схема распылительного узла плоского магнетрона в варианте с кинематически связанным приводом вращений.
Цифрами на фигурах обозначены:
1 - первая ось,
2 - водило (или диск-водило),
3 - дополнительная ось,
4 - носитель магнитной системы,
5 - магнитные контуры,
6 - шаговые электродвигатели,
7 - шестерня-носитель магнитной системы,
8 - коронная шестерня.
Примером конкретного исполнения может служить распылительный узел плоского магнетрона в варианте с кинематически связанным приводом вращений с использованием планетарной передачи с коронной шестерней.
Диск-водило диаметром 60 см изготовлен из нержавеющей стали толщиной 5 мм, установлен на валу из Ст.5 диаметром 20 мм и приводится во вращение внешним для вакуумной системы шаговым двигателем. На расстояниях от его оси 20 см и 8 см по разные стороны от центра на подшипниках скольжения установлены шестерни-носители магнитных систем из стали ЭЗ диаметром 18,5 см и 7,7 см соответственно толщиной 4 мм с зубчатым венцом с высотой зуба 4 мм из стали Ст.15. На поверхности носителей выложены постоянными самарий-кобальтовыми магнитами по два круговых концентрических контура разные по полярностями магнитов и с радиусами, отличающимися на 1 см, так что внешние контуры находятся в практическом касании с венцом, не доходя до него 1 мм. Угловую скорость диска-водила регулируют от 1 об/мин до 200 об/мин.
Преимуществом предлагаемого изобретения является высокая степень использования дорогостоящего материала мишеней, повышение однородности получаемых покрытий, уменьшение времени на обслуживание (благодаря более редкой замене мишеней) и простота изготовления распылительного узла.