Узел катода магнетронного распылителя

Предлагаемая полезная модель относится к области нанесения покрытий распылением металлов с использованием магнитного поля и, более конкретно, к магнетронным распылителям, применяемым для распыления металлических мишеней при нанесении покрытий.
Известен узел катода магнетронного распылителя, содержащий основание из ферромагнитного материала, мишень, соединенную с катодом, установленные на катоде с внутренней стороны от мишени центральный и периферийные магниты и систему охлаждения, (патент US 6171461, кл. H01J 7/14, 2001).
Катод выполнен П-образной формы и соединен с основанием через уплотнительную и изолирующую пластины с образованием герметичной камеры для охлаждающей жидкости, подвод и отвод которой осуществлен через выполненные в основании, уплотнительной и изолирующей пластинах отверстия.
Однако, наличие двух разъемных вакуумных соединений в виде уплотнительной и изолирующей прокладок, образующих с катодом герметичную камеру, снижает надежность работы узла, поскольку в условиях вакуума, при высоких механических и температурных нагрузках возможна их разгерметизация.
Кроме того, в ходе выработки мишени значительно ослабляются механическая прочность и, как следствие, усилие прижима ее центральной части к охлаждающему устройству, что может привести к деформационному изгибанию наружу, прекращению нормальной циркуляции охлаждающей среды, перегреву мишени, ее оплавлению и выходу устройства из строя.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является узел катода магнетронного распылителя содержащий мишень, имеющую наружную сторону и внутреннюю сторону и выполненную по меньшей мере частично из распыляемого материала, расположенные с внутренней стороны от мишени магниты, теплоизолированные от мишени зазором, и по меньшей мере один трубопровод для охлаждающей среды, имеющий стенку с частью, свободной от передачи тепла непосредственно от мишени, (патент RU №2319788, кл. C23C 14/35, 20.03.2008).
Известное устройство обладает недостатками, а именно:
- низкая надежность работы устройства из-за возможности одновременного нагрева внешних частей (боковой и обращенной к мишени) магнитной системы тепловым излучением от мишени и от боковых стенок корпуса магнетронов, что может привести к нагреву магнитов до температуры Кюри, при которой они теряют свои магнитные свойства;
- возможный перегрев мишени и ее оплавление, что приводит к выходу устройства из строя. Это происходит за счет ослабления прижима мишени к основанию при выработке материала мишени;
- отсутствие возможности регулировки температуры разогрева материала мишени при конкретной подводимой мощности блока питания магнетронного распылителя;
- отсутствует возможность контролировать температуру магнитов и распыляемого материала, что приводит к возможности расплавления мишени и перегрева магнитов.
Техническим результатом, решаемым предлагаемой полезной моделью, является создание узла катода магнетронного распылителя, позволяющего регулировать разогрев распыляемого материала до заданной температуры, вплоть до температуры плавления, при конкретной мощности магнетронного разряда устройства, при предотвращении перегрева магнитов.
Технический результат в предлагаемой полезной модели решают созданием узла катода магнетронного распылителя, содержащего мишень, имеющую наружную сторону из распыляемого материала, размещенные на основание с внутренней стороны от мишени и теплоизолированные от нее магниты, трубопровод для охлаждающей среды, выполненный из ферромагнитного материала, имеющий стенку с частью, свободной от передачи тепла непосредственно от мишени, причем каждый магнит установлен с возможностью изменения расстояния от части стенки трубопровода, и между каждым магнитом и соответствующей частью стенки трубопровода установлен промежуточный теплопередающий элемент, выполненный из неферромагнитного материала, имеющего высокую теплопроводность при этом мишень соединена с основанием, выполненным из ферромагнитного материала, в котором, согласно полезной модели, мишень состоит из двух частей - подложки мишени и вкладки из распыляемого материала, расположенной на наружной стороне подложки, причем дополнительно промежуточные теплопередающие элементы размещены между подложкой мишени и вкладками, и между стороной магнитов, расположенной напротив мишени и подложкой, причем подложка мишени выполнена с направляющими, в которых установлены вкладки, снабженные планками, предназначенными для передачи прижимного усилия к подложке мишени.
Использование промежуточных теплопередающих элементов выполненных в виде прокладок из меди и/или графлекса позволяет достигать максимального разогрева распыляемого материала вкладок и защищает от перегрева магнитную систему на постоянных магнитах
Использование в качестве материала для вкладок или титана, или алюминия, или кремния, или циркония, или их сплавов с другими металлами и металлоидами необходимо для получения керамических покрытий.
Выполнение основания мишени с направляющими, в которых установлены вкладки из распыляемого материала обеспечивает быструю замену вкладок в случае их полного использования.
Снабжение вкладок из распыляемого материала планками, предназначенными для создания прижимного усилия их к основанию мишени, не позволяет ослабить прижим ее между вкладками и основанием, основанием и трубопроводом для охлаждающей среды, что может привести к неконтролируемому перегреву мишени, ее оплавлению и выходу устройства из строя.
Предлагаемый узел катода магнетронного распылителя обеспечивает получение необходимых параметров магнитной системы и возможность их регулировки.
Снабжение датчиками измерения температуры распыляемого материала и магнитов позволяет контролировать и в полной мере регулировать температуру на поверхности вкладок и не допускать перегрева магнитов.
Предлагаемая полезная модель обеспечивает лучшее использование распыляемого материала за счет выполнения трубопровода для охлаждающей среды из ферромагнитного материала, что позволяет ему стать частью магнитной системы.
При проведении патентных исследований из уровня техники не выявлены решения, идентичные заявленному, а, следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию охран способности «новизна».
Сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления заявленной полезной модели.
Сущность заявленной полезной модели поясняется нижеследующим описание и графическим материалом, где показан узел катода магнетронного распылителя в поперечном разрезе.
Узел катода магнетронного распылителя содержит мишень, имеющую наружную сторону из распыляемого материала, основание 1, выполненное из ферромагнитного материала, на котором с внутренней стороны от мишени расположены магниты 2 и трубопровод для охлаждающей среды 3.
Трубопровод 3 имеет стенки 4, выполненные из ферромагнитного материала.
Мишень состоит из двух частей - подложки 5 мишени и вкладки 6 из распыляемого материала, расположенной на наружной стороне подложки 5 мишени.
Подложка 5 мишени выполнена с направляющими 7, в которых установлены вкладки 6, снабженные планками 8, предназначенными для передачи прижимного усилия к подложке мишени.
Форма направляющих 7 может быть в зависимости от технических возможностей и технологических требований, например, в виде части соединения «ласточкин хвост», ответная часть которого выполнена на торце вкладки 6.
Каждый магнит 2 установлен с возможностью изменения расстояния от части стенки 4 трубопровода 3, и между каждым магнитом 2 и соответствующей частью стенки 4 трубопровода 3 установлен промежуточный теплопередающий элемент 9, выполненный из неферромагнитного материала, имеющего высокую теплопроводность.
Дополнительные промежуточные теплопередающие элементы 10 размещены между подложкой 5 мишени и вкладками 6, и между стороной магнитов 2, расположенной напротив мишени и ее подложкой 5, между трубопроводом 3 для охлаждающей среды и подложкой 5.
Все промежуточные теплопередающие элементы 9 и 10 выполнены в виде прокладок из меди и/или графлекса.
Мишень соединена с основанием 1, например, при помощи болтов 11.
Узел катода магнетронного распылителя снабжен датчиками 12 измерения температуры распыляемого материала и магнитов. С их помощью можно контролировать и в полной мере регулировать температуру на поверхности вкладок.
Предлагаемый узел катода магнетронного распылителя работает следующим образом.
Магнетронный распылитель с узлом катода помещают в вакуумную камеру (не показана), из которой откачивают воздух, после чего в камеру подают рабочий газ, а в трубопровод 3 - охлаждающую жидкость.
Узел катода соединяют с отрицательным источником питания, а анодную систему (не показана) - с положительным.
Над мишенью возникает зона газоразрядной плазмы, которая поддерживают скрещенными электрическим и магнитным полями.
Электроны, образованной над мишенью плазмы, удерживают магнитным полем, и они перемещаются по замкнутой траектории над мишенью, ионизируя рабочий газ.
Получаемые при этом положительные ионы рабочего газа ускоряются электрическим полем узла катода, приобретают кинетическую энергию и бомбардируют мишень так, что частицы материала (или титан, или алюминий, или кремний, или цирконий) выбиваются из мишени и конденсируются на поверхности напыляемого изделия (на черт, не показ).
Охлаждающая жидкость, циркулируя по трубопроводу 3, обеспечивает охлаждение мишени, предотвращая ее разрушение от тепловых нагрузок и охлаждение магнитов 2 до температуры, не изменяющей их магнитных свойств.
Были проведены испытания предлагаемой полезной модели получены следующие результаты:
В качестве распыляемого материала вкладки 6 исследовались титан, алюминий, кремний, цирконий.
В качестве материала промежуточных теплопередающих элементов исследовали медь и графлекс.
Подводимая мощность к мишени была -3,5 кВт и 7 кВт от имеющихся блоков питания.
В случае, когда удаляли прокладку 9 из графлекса, вкладка 6 достигает своей максимальной температуры для данного магнетрона.
Для оперативного регулирования температуры вкладки, можно использовать дроссель, регулирующий расход охлаждающей жидкости. Расход 3,88 л/мин можно считать минимально предельным для выбранный мощностей.
Ниже этого значения поток переходит в режим ламинарного течения, что приводит к увеличению коэффициента теплопроводности, следовательно, жидкости будет быстро нагреваться и магнетрон в районе выхода жидкости будет перегреваться.
Положение медной прокладки 9 также сильно влияет на температуру вкладки 6.
Для наибольшей температуры прокладка должна находиться максимально близко к краю магнетрона.
При смещении к центру, при той же ширине прокладки, происходит существенное уменьшение температуры мишени.