Катодный модуль магнетрона

Полезная модель относится к области плазменной техники и может быть использована в производстве магнетронных распылительных систем для вакуумного нанесения тонких пленок металлов.
Известно устройство вращения в вакууме для цилиндрического источника магнетронного распыления, в котором мишень и элементы мишени могут вращаться в вакууме. Это устройство включает расположенные вдоль продольной оси суппорт осевой ориентации, трубчатый элемент, мишень и катод. Оно предназначено для использования в вакуумно-плазменной технологии, где, например, плазменный разряд может формироваться в зоне мишени. При этом будет производиться нанесение покрытия или плазменная обработка объекта. Также это устройство может использоваться для магнетронного распыления, плазменной полимеризации, лазерной абляции и плазменного травления [US2015008120].
Недостаток этого устройства заключается в том, что мишень имеет малую площадь контакта с катодом из-за отсутствия идеального сопряжения цилиндрических поверхностей. Эффективность охлаждения при этом у этого устройства будет низкая, т.к. в нем невозможно распылять легкоплавкие металлы.
Известен также катодный модуль в магнетронной распылительной системе, содержащей камеру, анод и катод-мишень в форме стакана с полостью, представляющий собой катодный модуль, а также магнитный блок, содержащий магнитопровод и постоянные магниты. При этом магнитный блок выполнен протяженным и расположен внутри катода-мишени.
Магнитный блок содержит магнитопровод, на котором расположены три параллельных ряда постоянных магнитов с различной остаточной индукцией магнитного поля, боковые ряды магнитов замкнуты на концах концевыми магнитами и имеют полярность, обратную полярности центрального ряда магнитов. При этом катод-мишень в катодном модуле выполнен в виде вращающегося цилиндра, а магнитный блок неподвижно расположен внутри него [RU2242821].
Недостаток катодного модуля этого устройства заключается в том, что в катодном модуле мишень является одновременно и катодом, т.е. реализовано прямое охлаждение материала мишени. При эксплуатации данного устройства возможна полная выработка катода, что приведет к прорыву воды и полному выходу вакуумного оборудования из строя.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности катодного модуля магнетрона.
Сущность полезной модели заключается и технический результат достигается тем, что в катодный модуль магнетрона, содержащий катод, выполненный в форме стакана, при этом катод имеет полость, введена мишень кольцеобразной формы с соединительным модулем мишени, распложенным со стороны внутренней поверхности мишени, при этом мишень посредством соединительного модуля мишени закреплена на катоде через соединительный модуль катода, расположенный со стороны наружной цилиндрической поверхности катода.
Существует вариант, в котором соединительный модуль мишени выполнен в виде последовательно расположенных продольных трапецеидальных пазов мишени с шириной основания А1 и шириной полки А2, образующих продольные трапецеидальные выступы мишени, при этом А1 больше А2, соединительный модуль катода выполнен в виде последовательно расположенных продольных трапецеидальных пазов катода с шириной основания A3 и шириной полки А4, образующих продольные трапецеидальные выступы катода, при этом A3 больше А4, причем продольные трапецеидальные пазы мишени сопряжены с продольными трапецеидальными выступами катода, а продольные трапецеидальные пазы катода сопряжены с продольными трапецеидальными выступами мишени.
Существует также вариант, в котором ширина основания А1 продольных трапецеидальных пазов мишени равна ширине основания A3 продольных трапецеидальных пазов катода, а ширина полки А2 продольных трапецеидальных пазов мишени равна ширине полки А4 продольных трапецеидальных пазов катода.
Существует также вариант, в котором продольные трапецеидальные пазы катода и продольные трапецеидальные выступы катода покрыты пленкой на основе индия и серебра.
На фиг. 1 схематически изображен катодный модуль магнетрона.
На фиг. 2 схематически изображено осевое сечение катодного модуля магнетрона.
На фиг. 3 изображен соединительный модуль мишени. На фиг. 4 изображен соединительный модуль катода.
На фиг. 5 схематически изображен вариант использования катодного модуля магнетрона.
Катодный модуль магнетрона содержит катод 1, выполненный в форме стакана (фиг. 1, фиг. 2). В качестве материала катода 1 можно использовать медь. Наружный диаметр D1 катода 1 может быть в диапазоне 60 - 500 мм. Высота Н катода 1 может быть в диапазоне 300 - 2000 мм. Катод 1 имеет полость 2 с цилиндрической образующей 3. Диаметр полости 2 D2 (внутренний диаметр катода 1) может быть в диапазоне 280 - 1980 мм. В полость 2 может подаваться охлаждающая жидкость, в качестве которой преимущественно используют воду. Средства для доставки охлаждающей жидкости на фиг. 1 и фиг. 2 не показаны. Катодный модуль магнетрона содержит также мишень 4 цилиндрической формы с соединительным модулем мишени 5, распложенным со стороны внутренней поверхности мишени 4. В качестве материала мишени 4 можно использовать легкоплавкий металл (золото, серебро). Наружный диаметр D3 мишени 4 может быть в диапазоне 310 - 2020 мм. Мишень 4 посредством соединительного модуля мишени 5 закреплена на катоде 1 через соединительный модуль катода 6, расположенный со стороны наружной цилиндрической поверхности катода 1.
Существует вариант, в котором соединительный модуль мишени 5 (фиг. 3) выполнен в виде последовательно расположенных продольных трапецеидальных пазов мишени 7 с шириной основания А1 и шириной полки А2, образующих продольные трапецеидальные выступы мишени 8 высотой h1, при этом А1 больше А2. А1 может быть в диапазоне 5-15 мм, А2 может быть в диапазоне 3-10 мм, h1 может быть в диапазоне 3-10 мм. Соединительный модуль катода 6 (фиг. 4) выполнен в виде последовательно расположенных продольных трапецеидальных пазов катода 9 с шириной основания A3 и шириной полки А4, образующих продольные трапецеидальные выступы катода 10 высотой h2, при этом A3 больше А4. A3 может быть в диапазоне 5-16 мм, А4 может быть в диапазоне 3-11 мм, h2 может быть в диапазоне 3 - 10 мм. Продольные трапецеидальные пазы мишени 7 сопряжены с продольными трапецеидальными выступами катода 10. Продольные трапецеидальные пазы катода 9 сопряжены с продольными трапецеидальными выступами мишени 8.
Продольные трапецеидальные пазы мишени 7 и катода 9 могут быть изготовлены долблением или фрезерованием.
Существует также вариант, в котором ширина основания А1 продольных трапецеидальных пазов мишени 7 равна ширине основания A3 продольных трапецеидальных пазов катода 9. При этом ширина полки А2 продольных трапецеидальных пазов мишени 7 равна ширине полки А4 продольных трапецеидальных пазов катода 9.
Существует также вариант, в котором трапецеидальные пазы катода 9 и продольные трапецеидальные выступы катода 10 покрыты пленкой на основе индия и серебра. Толщина этой пленки может быть в диапазоне 3-5 мкм. Нанесена пленка на основе индия и серебра может быть гальваническим или вакуумным плазменным методом.
Существует также вариант, в котором шероховатость поверхности продольных трапецеидальных пазов мишени 7 и шероховатость поверхности продольных трапецеидальных выступов катода 10 не превышает значения Ra 0,8. Это может быть обеспечено чистовым шлифованием.
Катодный модуль в сборе с магнитной системой 11 представляет собой магнетрон, расположенный в рабочей камере 12 (фиг. 5). Блок питания 13, модуль подачи охлаждающей жидкости 14 и блок вращения 15 соединены с магнетроном. Так же к рабочей камере 12, содержащей изделие 16 и магнетрон, присоединены откачной пост 17 и блок напуска газа 18. Подробно магнетрон в составе рабочей камеры описан в [RU2242821],
Катодный модуль магнетрона, расположенный в рабочей камере 12, функционирует следующим образом. На катод 1 подают отрицательный потенциал от блока питания 13. Под этим же потенциалом оказывается и мишень 4. Рабочая камера 12 при этом заземлена. Откачной пост 17 вакуумирует рабочую камеру 12. После подачи инертного газа, например аргона, с помощью блока напуска газа 18 в рабочей камере 12 возникает магнетронный разряд. Образующиеся при этом положительные ионы рабочего газа бомбардируют мишень 4 и распыленный материал 19 осаждается на изделие 16. Охлаждение мишени 4 обеспечивается развитой площадью ее контакта с катодом 1 и интенсивным потоком охлаждающей жидкости 20, поступающей из модуля подачи охлаждающей жидкости 14 в полость 2. Для эффективного использования материала мишени 4 катод 1 вращается относительно магнитной системы 11 за счет блока вращения 15 с использованием фланца 21.
То, что в катодный модуль магнетрона, содержащий катод 1, выполненный в форме стакана, при этом катод 1 имеет полость 2, введена мишень 4 кольцеобразной формы с соединительным модулем мишени 5, распложенным со стороны внутренней поверхности мишени 4, при этом мишень 4 посредством соединительного модуля мишени 5 закреплена на катоде 1 через соединительный модуль катода 6, расположенный со стороны наружной цилиндрической поверхности катода 1 приводит к повышению надежности катодного модуля магнетрона, так как реализовано косвенное охлаждение мишени 4 посредством закрепления ее на катоде 1.
То, что соединительный модуль мишени 5 выполнен в виде последовательно расположенных продольных трапецеидальных пазов мишени 7 с шириной основания А1 и шириной полки А2, образующих продольные трапецеидальные выступы мишени 8, при этом А1 больше А2, соединительный модуль катода 6 выполнен в виде последовательно расположенных продольных трапецеидальных пазов катода 9 с шириной основания A3 и шириной полки А4, образующих продольные трапецеидальные выступы катода 10, при этом A3 больше А4, причем продольные трапецеидальные пазы мишени 7 сопряжены с продольными трапецеидальными выступами катода 8, а продольные трапецеидальные пазы катода 9 сопряжены с продольными трапецеидальными выступами мишени 8, приводит к надежному креплению мишени 4 к катоду 1, т.к. нагрев мишени 4 и катода 2 увеличивает усилие взаимодействия между ними.
То, что ширина основания А1 продольных трапецеидальных пазов мишени 7 равна ширине основания A3 продольных трапецеидальных пазов катода 9, а ширина полки А2 продольных трапецеидальных пазов мишени 7 равна ширине полки А4 продольных трапецеидальных пазов катода 9, приводит к более развитой площади контакта мишени 4 и катода 1, что способствует эффективному охлаждению материала мишени 4 и также повышает надежность устройства.
То, что продольные трапецеидальные пазы катода 9 и продольные трапецеидальные выступы катода 10 покрыты пленкой на основе индия и серебра приводит к более плотному контакту катода 1 и мишени 4 за счет повышенной пластичности пленки и способствует эффективному охлаждению материала мишени 4, а также повышает надежность устройства.