Магнетронная распылительная система
MAGNETRON SPRAYING SYSTEM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к магнетронным распылительным системам с вращающимся магнитным узлом, предназначенным для нанесения защитных и функциональных покрытий на протяженные конструкционные изделия.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В настоящее время магнетронное распыление является основным методом нанесения тонкопленочных покрытий на подложки большой площади. Для реализации технологий нанесения таких покрытий разработано большое количество конструкций протяженных магнетронных распылительных систем (МРС), имеющих длину распыляемой мишени более 1 м. По форме распыляемой мишени МРС разделяются на планарные и цилиндрические.
Магнитный блок планарного магнетрона состоит из плоского магнитопровода, выполненного из магнитомягкого материала, вдоль боковых сторон и по центру которого расположены протяженные постоянные магниты. Катод планарного магнетрона располагается сверху постоянных магнитов и имеет форму пластины, выполненной из распыляемого материала. Производительность нанесения покрытий может быть достаточно высокой при карусельном варианте размещения напыляемых изделий вокруг нескольких плоских магнетронных распылительных систем, как это известно, например, из патента РФ 2308538, опубл. 20.10.2007.
Недостатком плоских магнетронных распылительных систем является то, что материал мишени расходуется неэффективно, поскольку эрозия мишени происходит в достаточно узкой области, ограниченной магнитным полем. Вследствие этого плоские МРС имеют низкий коэффициент использования мишени, который обычно составляет 20-25%.
Частично этот недостаток преодолен в известной из патента РФ 2385967, опубл. 20.11.2009, МРС с вращающимся магнитным узлом, за счет чего область эрозии перемещается при вращении и материал мишени расходуется более равномерно.
Карусельная система нанесения покрытий на большое количество изделий методом магнетронного напыления может быть оптимизирована за счет известного из патента US 4417968, опубл. 29.11.1983, использования нескольких магнетронных распылительных систем с протяженными вращающимися цилиндрическими катодами, внутри каждого из которых размещен неподвижный магнитный узел с постоянными магнитами.
Однако карусельная система может быть избыточно сложной, а значительная часть распыляемого материала может оседать не на изделиях, на которые наносится покрытие, а на компонентах самого устройства, ухудшая его характеристики, а также снижая производительность системы в целом.
Частично этого недостатка лишено известное из патента РФ 2070944, опубл. 27.12.1996, устройство для нанесения покрытий на протяженные изделия, включающее в себя, по меньшей мере, один электродный узел, состоящий из анода и протяженного полого цилиндрического катода, к наружной поверхности которого примыкает охлаждаемый кожух; расположенный снаружи цилиндрического катода магнитный узел, выполненный с возможностью вращения вокруг оси цилиндрического катода; вакуумную камеру, сообщающуюся с полостью цилиндрического катода, систему транспортировки изделий, узел подачи газа и источник электропитания, подсоединенный к электродному узлу. Система из нескольких идентичных электродных узлов обладает высокой производительностью.
Однако устройство, характеризующееся непрерывным действием, предназначено для нанесения покрытий преимущественно на гибкие изделия, в частности, на проволоку, непрерывно транспортируемую через электродный узел по его оси в полости удлиненного цилиндрического катода. Устройство магнитного узла с несколькими кольцевыми магнитопроводами, последовательно расположенными вдоль оси электродного узла, требует не только вращательного, но и его осевого перемещения для повышения коэффициента использования мишени, что усложняет устройство. Кроме этого, геометрия электродов не позволяет создать протяженный, более 1 м, однородный разряд вдоль оси цилиндрического катода. Все это ограничивает области применения и ассортимент изделий, на которые может наноситься покрытие.
Этого недостатка лишена МРС для нанесения защитных и функциональных покрытий на цилиндрические конструкционные изделия, известная из патента РФ 2686399, опубл. 25.04.2019. Данная МРС содержит протяженный цилиндрический внешний электрод - катод; размещенные в полости внешнего электрода вдоль его длины протяженные внутренний электрод - анод с высокой геометрической прозрачностью и обрабатываемое изделие. Полость внешнего электрода сообщается с вакуумной камерой и узлом подачи газа. К внешнему и внутреннему электродам подсоединен источник электропитания для создания между ними разряда в магнитном поле, создаваемом магнитным узлом. Магнитный узел содержит протяженный магнитопровод, выполненный в виде снабженного приводом вращения полого вала, на внутренней поверхности которого размещены протяженные ряды постоянных магнитов. Охлаждение электродного узла производят с помощью циркуляции снаружи внешнего электрода жидкого теплоносителя, в среде которого расположены протяженные ряды постоянных магнитов. МРС предназначена для создания высокопроизводительной технологии нанесения защитных покрытий на протяженные конструкционные изделия.
Однако размещение протяженных рядов магнитов в полости протяженного магнитопровода, выполняющего роль вала вращения, является трудно реализуемой технологической задачей.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технической задачей и техническим результатом изобретения является оптимизация конструкции протяженных магнетронных распылительных систем, упрощение технологии их изготовления, расширение их функциональных возможностей.
Выполнение поставленной задачи возможно с использованием магнетронная распылительной системы (МРС) содержащей цилиндрический корпус, в котором размещен цилиндрический внешний электрод, внутренний электрод, расположенный в полости внешнего электрода, вращающийся магнитный узел, содержащий, по меньшей мере, одну сборку магнитов в виде протяженного ряда постоянных магнитов.
Отличие предлагаемой МРС состоит в том, что вращающийся магнитный узел содержит полый вал, установленный на шаровых опорах на наружной поверхности цилиндрического корпуса МРС, на внешней поверхности полого вала выполнен один или более протяженный паз, в котором размещен ряд постоянных магнитов сборки магнитов.
Предпочтительно цилиндрический корпус МРС содержит рубашку охлаждения.
Предпочтительно сборка магнитов содержит ряд постоянных магнитов прямоугольной формы, которые расположены, по меньшей мере, в два слоя на плоской поверхности отдельного протяженного магнитопровода из магнитомягкого материала, в каждом слое между соседними постоянными магнитами имеются воздушные зазоры, причем воздушные зазоры в соседних слоях смещены друг относительно друга.
Предпочтительно полый вал выполнен из скрепленных между собой сегментов, расположенных вдоль цилиндрического корпуса магнетрона.
В вариантах реализации изобретения полый вал выполнен посредством 3D-печати.
Сборки магнитов могут быть скреплены бандажом.
Предпочтительно внутренний электрод является обрабатываемым изделием.
В вариантах реализации изобретения внутренний электрод - анод, внешний электрод - катод и его внутренняя поверхность служит мишенью, материал, которой напыляется на обрабатываемое изделие.
В других вариантах реализации изобретения внутренний электрод - катод, внешний электрод - анод, и разряд между катодом и анодом осуществляет ионную чистку обрабатываемого изделия.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Существо изобретения поясняется прилагаемыми чертежами, на которых:
Фиг. 1 - схема однослойной сборки магнитов;
Фиг. 2А и Фиг. 2Б - зависимости распределения магнитной индукции вдоль сборки магнитов при разной величине воздушных зазоров между магнитами;
Фиг. 3 - двуслойная сборка магнитов в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 4 - вращающийся магнитный узел МРС;
Фиг. 5 - схема МРС в соответствии с настоящим изобретением.
На чертежах совпадающие компоненты устройства имеют одинаковые номера позиций.
Данные чертежи не охватывают и тем более не ограничивают весь объем вариантов реализации данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частных случаев его выполнения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг. 1 представлена схема сборки магнитов, содержащая ряд постоянных магнитов 1 прямоугольной формы. Как видно из рисунка, сборка магнитов представляет собой последовательно установленные на магнитопроводе 2 прямоугольные брусковые магниты 1. Векторы намагничивания всех магнитов в сборке направлены по оси Z и на рисунке не показаны. Поскольку все векторы намагничивания одиночных магнитов 1 сборки направлены в одну и ту же сторону, перпендикулярно плоскости магнитопровода 2, между смежными магнитами возникает расталкивающая сила, которая приводит к возникновению между смежными магнитами зазоров 3. Для определения конструкционных параметров сборки магнитов были проведены расчеты, определяющие влияния величины зазора 3 и параметров магнитопровода 2 на индукцию магнитного поля сборки магнитов и магнитного узла в целом.
Результаты расчета распределения индукции магнитного поля в районе зазора для однослойной сборки магнитов представлены на Фиг. 2А. Как видно из Фиг. 2А, при величине зазора между магнитами в 1,5 мм индукция поля в этом месте сборки магнитов падает практически до критического значения, при котором магнетронный разряд будет значительно слабее по сравнению с соседними областями, а при зазоре больше 2 мм магнетронный разряд будет резко неоднородным. Критическим значением магнитного поля является такое значение магнитной индукции поля, ниже которого не происходит горения разряда.
С технической точки зрения, сделать сборку магнитов без зазоров практически невозможно, особенно при больших длинах магнитопровода, поскольку расталкивающая сила между магнитами стремится выдавить их из ряда. Таким образом, из Фиг. 2А можно сделать вывод о том, что величина воздушных зазоров в однослойной сборке магнитов должна находиться в диапазоне от 0,1 до 1,5 мм.
Для компенсации эффекта провала поля в зазорах между магнитами такие зазоры можно перекрыть, разместив вдоль первого слоя магнитов второй слой. При этом зазоры второго слоя магнитов не должны совпадать с зазорами первого слоя. Такая двухслойная сборка магнитов по сравнению с однослойной имеет значительно лучшие характеристики. Результаты расчета распределения индукции магнитного поля вдоль сборки магнитов с зазорами 3 мм приведены на Фиг. 2Б. Как видно из данного графика Фиг. 2, в двухслойной сборке магнитов величина воздушных зазоров 3 мм превышает критическое значение, а значит, такая сборка будет функционировать в магнитном узле и магнитной распылительной системе. Таким образом, по сравнению с однослойной сборкой, в двухслойной сборке магнитов воздушный зазор между магнитами может быть увеличен с 1,5 мм до 3,0 мм.
На Фиг. 3 схематически представлена выполненная в соответствии с настоящим изобретением сборка магнитов 4, содержащая ряд постоянных магнитов 1 прямоугольной формы. Постоянные магниты 1 расположены, по меньшей мере, в два слоя на плоской поверхности отдельного протяженного магнитопровода 2 из магнитомягкого материала, длина которого не меньше длины ряда постоянных магнитов. В каждом слое между соседними постоянными магнитами имеются воздушные зазоры 3, причем воздушные зазоры в соседних слоях смещены друг относительно друга. Все это определяет возможность легко собрать и использовать магнитную сборку большой протяженности с сильным магнитным полем.
Для создания сильного магнитного поля каждый магнит 1 сборки магнитов 4 предпочтительно представляет собой самый сильный в настоящее время неодимовый постоянный магнит (NdFeB) с магнитной индукцией не менее 1,3 Тл.
Каждый слой ряда постоянных магнитов содержит несколько десятков постоянных магнитов, что позволяет использовать коммерчески доступные изделия для создания протяженных сборок магнитов.
В варианте реализации изобретения длина ряда постоянных магнитов составляет не менее 4 м. Такая протяженность ряда необходима для обеспечения больших длин магнетронного разряда при нанесении покрытий на протяженные изделия.
В соответствии с изобретением, протяженный магнитопровод 2 может быть выполнен в виде стальной полосы. Для закрепления сборки магнитов на полом валу данное решение технологически проще для создания протяженных МРС, чем решение, применяемое в конструкции прототипа, где магнитопровод и полый вал являются одним и тем элементом.
Поперечный размер магнитопровода превосходит поперечный размер ряда постоянных магнитов, что обеспечивает удобство изготовления и использования сборки магнитов.
Сборка магнитов в таком виде может применяться для различных целей, в том числе, для вращающихся магнитных узлов МРС большой протяженности.
Вращающийся магнитный узел 5, соответствующий варианту реализации настоящего изобретения схематично показан на Фиг. 4. Он содержит полый вал 9, выполненный с возможностью вращения вокруг цилиндрического корпуса МРС 17.
Полый вал устанавливается на цилиндрический корпус МРС 17 с помощью шаровых опор 15. Шаровые опоры монтируются в специальные гнезда 13. Такие подшипники в виде шаровых опор 15 обеспечивают свободное вращение магнитного узла вокруг корпуса МРС. За счет вращения магнитного узла обеспечивается равномерное осаждение распыляемого материала на изделии при работе МРС. Также обеспечивается легкий монтаж магнитного узла, в частности, за счет легкого перемещения полого вала вдоль цилиндрического корпуса МРС 17.
На полом валу 9 установлена одна или более сборка 4 магнитов, выполненная в соответствии с настоящим изобретением. Для этого на наружной поверхности полого вала 9 выполнены один или более протяженные пазы 12, в которых размещены сборки магнитов 4. На Фиг. 4 в пазах 12 полого вала размещены магниты четырех сборок магнитов 4.
Одиночная сборка магнитов 4 характеризуется наличием замкнутого трека арочного магнитного поля. Замкнутость траектории, по которой происходит движение электронов, необходима для того, чтобы увеличить продолжительность взаимодействия электронов с молекулами рабочего газа в вакуумной камере с трубой 16, за счет чего увеличивается продолжительность горения разряда. При наличии нескольких сборок магнитов расстояние между ними предпочтительно должно быть не менее 30 мм, чтобы сохранять замкнутый трек арочного магнитного поля каждой сборки магнитов. В противном случае необходимо дополнительно применять замыкающие магниты на торцах магнитного узла, что может усложнять конструкцию магнитного узла
В предпочтительных вариантах реализации полый вал 9 выполнен из скрепленных между собой сегментов, расположенных вдоль цилиндрического корпуса МРС 17, что определяет простоту его изготовления и сборки, особенно при больших продольных размерах. На Фиг. 4 для простоты показаны два сегмента полого вала 9. При реализации изобретения количество сегментов полого вала 9 определяется требуемой длиной магнетронного разряда. Все сегменты соединяются между собой в стык-паз. Наличие нескольких сегментов необходимо для того, чтобы в пазы 12 полого вала 9 можно было поместить сборку магнитов 4 большей длины, чем при применении только одного сегмента. Выполнение полого вала из нескольких сегментов позволяет при необходимости менять его длину, что невозможно при изготовлении полого вала в неразборном виде.
Сегменты полого вала предпочтительно изготавливают посредством 3D-печати из пластика. Такой метод его изготовления является более экономически и эффективным.
Для укрепления конструкции магнитного узла 5 сборки магнитов могут быть скреплены наружным бандажом (не показан), который препятствует распадению сборки на отдельные части.
Принципиальная схема протяженной МРС с вращающимся магнитным узлом в соответствии с настоящим изобретением приведена на рисунке Фиг. 5. В частном варианте исполнения МРС имеет четырехполюсный магнитный узел с согласно ориентированными сборками магнитов. На сечении «А-А» показаны направление намагниченности сборки магнитов и структура магнитного поля.
На Фиг. 5 МРС имеет вертикальную коаксиальную конструкцию шахтного типа. Такая компоновка МРС выбрана для напыления длинномерных изделий малого сечения, в частности, для нанесения защитных покрытий на оболочки ТВЭЛ. При горизонтальной компоновке МРС на реальных длинах ТВЭЛ 4,5 м неминуемо пришлось бы использовать промежуточные опоры для поддержания ТВЭЛ соосно с распыляемым катодом-мишенью. При этом запыление опор при работе МРС привело бы к пробоям по поверхности и, в целом, негативно сказалось бы на качестве напыления ТВЭЛ.
В состав МРС входят протяженный внутренний электрод 6, расположенный в полости цилиндрического внешнего электрода 7, к наружной поверхности которого примыкает рубашка охлаждения цилиндрического корпуса МРС 17 с вращающимся вокруг нее на шаровых опорах 15 магнитным узлом. Внутренний электрод является обрабатываемым изделием, что упрощает устройство МРС и улучшает качество напыления покрытий.
На Фиг. 5 сегменты полого вала из немагнитного материала соединяются между собой в стык-паз и образуют полый вал 9. В продольных пазах 12 полого вала 9 в ряд размещаются одиночные брусковые магниты 1 с воздушными зазорами. В пазу 12 из рядов магнитов 1 может образовываться не менее двух слоев, зазоры в которых смещены друг относительно друга. Эти слои расположены на плоской поверхности отдельного протяженного магнитопровода из магнитомягкого материала. В совокупности все многослойные ряды магнитов в конструкции представляют собой магнитную сборку магнитного узла. Сегменты полого вала 9 монтируются с помощью подшипников шаровых опор 15, которые обеспечивают свободное вращение магнитного узла на цилиндрической части МРС 17, снабженной рубашкой охлаждения 19. В корпус МРС вставляется внешний электрод 7. С помощью механизма подачи, расположенного в техническом отсеке 11, внутренний электрод 6, закрепленный на механизме подачи с помощью технологического хвостовика 21, опускается в вакуумную камеру 10. Для обеспечения электробезопасности все токоведущие элементы МРС помещены в заземленный корпус.
Длина обрабатываемого изделия более 4 м, диаметр - от 9 до 200 мм, что расширяет круг применений предлагаемой МРС.
Работа МРС, конструкция которой изображена на Фиг. 5, происходит следующим образом. Вакуумная камера 10 откачивается до требуемой величины и заполняется рабочим газом аргоном от системы газонапуска. Охлаждение камеры осуществляется с помощью протока охладителя в рубашке охлаждения 19. Вращение магнитного узла при работе МРС осуществляется с помощью привода 20. Рабочее напряжение подается на вакуумную камеру, поэтому она полностью изолирована от всех деталей установки с помощью диэлектрических фланцев 18. При подаче напряжения в МРС внешний электрод 7, являющийся катодом, эмитирует электроны, которые за счет силы Лоренца, действующей со стороны магнитного поля, начинают перемещаться по замкнутым траекториям в области арочного магнитного поля, которое на сечении А-А Фиг. 5 обозначено дуговыми линиями. В процессе своего дрейфа электроны многократно сталкиваются с молекулами рабочего газа аргона. Вследствие этих столкновений генерируется большое количество ионов, которые, ускоряясь в электрическом поле, бомбардируют внешний электрод 7 и распыляют его. В данном варианте реализации изобретения внутренняя поверхность внешнего электрода 6 служит мишенью, материал которой напыляется на внутренний электрод. Внутренний электрод при этом является анодом и обрабатываемым изделием. В режиме напыления напряжение положительной полярности подается от источника питания через высоковольтный ввод 14 на изделие 6, соответственно, минус - на заземленный внешний электрод 7, который в данном случае играет роль распыляемого катода-мишени.
В другом варианте реализации изобретения внутренний электрод 6 является катодом, внешний электрод 7 - анодом, а разряд между ними осуществляет ионную чистку обрабатываемого изделия. В положении «очистка» на внутренний электрод/изделие 6 подается отрицательное напряжение, при этом он играет роль катода, а внешний электрод 7 - анода. Для предотвращения загрязнения внешнего электрода 7 продуктами очистки внутреннего электрода 6 во время очистки необходимо внешний электрод 7 закрывать маской; маска на рисунке не показана. Однако предпочтительно такую очистку осуществлять в отдельной камере.