КОЛЬЦЕВОЙ ПЛАНАРНЫЙ МАГНЕТРОН

Полезная модель относится к устройствам для получения наноструктур, а именно к установкам для нанесения тонкопленочных покрытий вакуумным испарением с использованием магнетрона и может применяться при изготовлении многокомпонентных пленок в электронной и приборостроительной отраслях промышленности.
Из уровня техники известно устройство для ионно-плазменного нанесения многокомпонентных пленок в вакууме (SU 1816288 A3, МПК С23С 14/15, опубл. 15.05.1993], которое содержит рабочую камеру, в которой размещены анод, катод с дисковой мишенью, магнитная система с двумя разноименными полюсными наконечниками замкнутой формы, установленными с нерабочей стороны мишени один относительно другого с эквидистантным зазором, осевая линия которого представляет собой участки эвольвент, привод вращения магнитной системы, средство охлаждения мишени и держатель подложек с изделиями. При этом с целью расширения технологических возможностей и повышения точности стехиометрического состава напыляемых пленок, мишень выполнена составной [1].
Недостатком известного технического решения является его низкая технологичность, обусловленная сложной конструкцией магнитной системы устройства. Кроме того авторы изобретения не раскрывают конструкции системы охлаждения магнитной системы, что ставит под сомнение промышленную применимость устройства.
Наиболее близким известным техническим решением, выбранным в качестве прототипа, признан кольцевой планарный магнетрон, описанный в работах В.Е. Минайчева и Б.С. Данилина [2, 3].
Устройство содержит цилиндрический корпус с установленным на нем, через первую уплотнительную кольцевую прокладку, изолирующим кольцом, на верхнем торце которого, через вторую уплотнительную кольцевую прокладку, установлена рабочая камера. В нижней центральной части корпуса размещен магнитный блок, состоящий из основания, выполненного из мангитомягкого материала, центрального и периферийного постоянных магнитов, а на верхнем торце магнитного блока установлена мишень-катод, охлаждаемая проточной водой. Анод-подложка расположен над катодом.
Недостатком известного технического решения, является его ограниченные функциональные возможности по контролю над параметрами технологического процесса напыления.
Технической задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является расширение функциональных возможностей магнетрона и обеспечение возможности изучения с его помощью влияния параметров технологического процесса на качество получаемых тонкопленочных покрытий.
Указанная задача решена тем, что кольцевой планарный магнетрон содержит корпус, с выполненным в нем цилиндрическим колодцем, на дне которого установлена магнитная система, состоящая из основания, выполненного из магнитомягкого материала, а также центрального и периферийного магнитов, установленных разнополярно, при этом на верхнем торце магнитной системы установлена мишень-катод. В полость, образованную центральным и периферийным магнитами введены трубки, подключенные к узлу циркуляции хладагента первого типа, состоящего из первого циркуляционного насоса, соединенного с трубками при помощи первого трубопровода.
На корпусе магнетрона через уплотнительную прокладку установлена рабочая камера, в верхней части которой выполнены три отверстия, при этом в первые два из них введены патрубки для подключения к ним вакуумного насоса и системы подачи инертного газа, а в третьем закреплена уплотненная крышка, в центральном отверстии которой установлена подвижная штанга-анод, с подвешенной к ней клетью, выполненной с возможностью установки в ней подложки;, дополнительно корпус магнетрона содержит кольцевой паз с установленным в нем змеевиком, подключенным к узлу циркуляции хладагента второго типа, состоящего из второго циркуляционного насоса, соединенного со змеевиком вторым трубопроводом.
В полости, образованной центральным и периферийным магнитами, а также в кольцевом пазе, установлены резистивные датчики температуры, выходы которых подключены к измерительным входам блока управления, а силовые выходы последнего подключены к первому и второму циркуляционным насосам.
Положительным техническим результатом, обеспечиваемым совокупностью конструктивных признаков раскрытого выше магнетрона, является возможность проведения с его помощью управляемых экспериментов по изучению влияния температуры мишени-катода на качество получаемых тонкопленочных покрытий.
Конструкция кольцевого планарного магнетрона поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан вид устройства спереди в разрезе; на фиг. 2 - представлена структурная схема узлов циркуляции хладагентов первого и второго типа; на фиг. 3 - конструкция змеевика; на фиг. 4 - схема расположения резистивных датчиков температуры внутри корпуса; на фиг. 5 - упрощенная структурная схема блока управления магнетроном; на фиг. 6 - магнетрон в сборе в изометрической проекции.
Кольцевой планарный магнетрон устроен следующим образом.
Основой магнетрона является корпус 1 с выполненным в нем цилиндрическим колодцем, на дне которого установлена магнитная система, состоящая из основания 2, выполненного из магнитомягкого материала, а также центрального и периферийного магнитов 3 и 4, установленных разнополярно, при этом на верхнем торце магнитной системы установлена мишень-катод 5. В полость 6, образованную центральным и периферийным магнитами введены трубки 7, подключенные к узлу циркуляции хладагента первого типа, состоящего из первого циркуляционного насоса 8, соединенного с трубками при помощи первого трубопровода 9.
На корпусе магнетрона через уплотнительную прокладку 10 установлена рабочая камера 11, в верхней части которой выполнены три отверстия, при этом в первые два из них введены патрубки 12 и 13 для подключения к ним вакуумного насоса и системы подачи инертного газа (на фигурах условно не показаны), а в третьем закреплена уплотненная крышка 14, в центральном отверстии которой установлена подвижная штанга-анод 15, с подвешенной к ней клетью 16, выполненной с возможностью установки в ней подложки 17;. дополнительно корпус магнетрона содержит кольцевой паз 18 с установленным в нем, предпочтительно медным, змеевиком 19, подключенным к узлу циркуляции хладагента второго типа, состоящего из второго циркуляционного насоса 20, соединенного со змеевиком вторым трубопроводом 21.
В полости 6, образованной центральным и периферийным магнитами, а также в кольцевом пазе 18, установлены резистивные датчики температуры 22 и 23, выходы которых подключены к измерительным входам 24 и 25 блока управления, а силовые выходы 26 и 27 последнего подключены, соответственно, к первому и второму циркуляционным насосам 8 и 20. Силовые выходы 26 и 27 блока управления могут быть реализованы на основе любых известных драйверов коллекторных двигателей, в частности, для этой цели может быть использована наиболее известная двухканальная микросхема L293D, содержащая два драйвера, способных управлять электродвигателями циркуляционных насосов 8 и 20 [4].
Блок управления магнетроном выполнен в виде микропроцессорной системы, состоящей из микроконтроллера 28, содержащего микропроцессор 29, память программ и данных (на структурной схеме условно не показаны), универсальные двунаправленные порты ввода-вывода 30, 31, 32, 33, многоканальный аналого-цифровой преобразователь 34, энергонезависимую электрически перепрограммируемую память 35 и универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик 36, при этом измерительные входы блока управления 24 и 25 подключены к каналам аналого-цифрового преобразователя 34 микроконтроллера, а к его универсальным портам вывода-вывода 30, 31, 32 и 33 подключены силовые выходы 26 и 27, блок индикации 36 и блок ввода данных 37; универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик 36 может быть подключен к GSM-модулю 38 для обеспечения обмена данными с удаленным от устройства персональным компьютером.
Микроконтроллер микропроцессорной системы может быть восьми- или тридцатидвухразрядным, в частности, может применяться микросхема, построенная на ядре AVR ATmega. Несмотря на то, что микроконтроллеры этой серии являются восьмиразрядными, они обладают достаточной производительностью для управления сложным промышленным оборудованием, кроме того содержат все перечисленные выше периферийные устройства, необходимые для функционирования блока управления, а именно встроенную память программ, емкостью до 128 Кб (In-System Reprogrammable Flash), статическую память данных, емкостью до 4 Кб (SRAM),, энергонезависимую электрически перепрограммируемую память, емкостью 4 Кб (EEPROM), восьмиразрядные программируемые порты ввода-вывода, восьмиканальный десятиразрядный аналого-цифровой преобразователь, сдвоенный универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик (USART) [5].
Блок индикации целесообразно выполнить на основе текстового LCD-индикатора 39 и графического TFT-дисплея 40. Первый из них может использоваться для вывода текстовой информации, например измеренной температуры в полости 6 и кольцевом пазе 18, а второй для организации удобного пользовательского интерфейса и вывода различной графической информации, например, графиков режимов работы электродвигателей циркулярных насосов 8 и 20, а также динамики изменения температуры в подкатодной области при осуществлении процесса напыления [6, 7].
Блок ввода данных 37 целесообразно выполнить в виде клавиатуры, содержащей, по крайней мере, шестнадцать клавиш и подключенной к одному из портов ввода-вывода микроконтроллера.
Кольцевой планарный магнетрон работает следующим образом.
Предварительно магнетрон собирают, подключая к патрубкам 7 узел циркуляции хладагента первого типа, в качестве которого используется вода, устанавливают змеевик 19 в кольцевом пазе 18 и подключают к нему узел циркуляции хладагента второго типа, в качестве которого используется фреон. Устанавливают на магнитную систему мишень-катод 5, при этом может использоваться конструкция, состоящая из двух цилиндрических пластин, нижняя из которых является непосредственно катодом, а верхняя - мишенью, выполненной из напыляемого на подложку материала. В первое и второе отверстия 12 и 13 в рабочей камере вводят патрубки и, первый из них, подключают к вакуумному насосу, а второй - к системе подачи инертного газа. В третьем отверстии камеры закрепляют уплотненную крышку 14, в центральное отверстие которой устанавливают подвижную штангу-анод 15, после чего в клеть 16 помещают подложку 17 для нанесения на нее тонкопленочного покрытия. Затем рабочую камеру 11 устанавливают на корпус магнетрона 1 через уплотнительную прокладку 10. Камеру 11 герметизируют, с помощью вакуумного насоса создают в ней вакуум, далее, при необходимости, впускают в нее инертный газ. К мишени-катоду 5 прикладывают напряжение в 300 -700В, а к штанге-аноду 15 прикладывают потенциал земли или напряжение 30-100В, относительно катода, что обеспечивает образование электрического поля, при этом в прикатодной области образуется зона скрещенных магнитного и электрического полей. Находящиеся там электроны под действием этих полей ионизируют газ, в результате над поверхностью мишени-катода образуется торообразная зона плазмы. При этом положительно заряженные ионы ускоряются в направлении мишени-катода, бомбардируя и распыляя его поверхность в зоне эрозии. Частицы материала, покидающие мишень-катод, осаждаются в виде пленки на подложке 17.
Качество наносимых пленок напрямую зависит от температуры мишени-катода 5, поэтому перед началом процесса напыления оператор, управляющий работой магнетрона, с помощью блока ввода данных 37 вводит в блок управления требуемую температуру мишени-катода 5, а затем включает первый и второй циркуляционные насосы 8 и 20 для обеспечения охлаждения мишени-катода и переключает блок управления в автоматический режим работы. В процессе напыления блок управления опрашивает резистивные датчики 22 и 23, измеряя температуру и, регулируя скорость вращения электродвигателей первого и второго циркуляционных насосов 8 и 20, поддерживает температуру мишени-катода 5 на заданном уровне. Динамика изменения интенсивности работы первого и второго контуров охлаждения визуализируется в виде графика, который выводится на графический TFT-дисплей 40, а моментальное значение температуры мишени-катода отображается с помощью текстового LCD-индикатора 39. Данные о проведении эксперимента сохраняются в энергонезависимой памяти 35 и могут быть переданы для их дальнейшей обработки на персональный компьютер с помощью GSM-модуля 38.
Таким образом, предложенный в настоящей заявке кольцевой планарный магнетрон является недорогим промышленно применимым прибором и может быть использован, например, в научных лабораториях при проведении различных фундаментальных и прикладных исследований в области нано-структурных материалов.
Список использованных источников
1. SU 1816288 A3 СССР, МПК С23С 14/15 СССР. Устройство для ионно-плазменного нанесения многокомпонентных пленок в вакууме / Беришвили З.В., Гадахабадзе И.Г., Схиладзе Г.А.; заявитель Беришвили З.В. №4880467/21; заявл. 06.11.90; опубл. 15.05.1993, Бюл. 18. 5 с.; ил.
2. Нанесение пленок в вакууме / В.Е. Минайчев : учеб. изд.; Изд-во «Высшая школа», 1989. - 111 с.
3. Получение тонкопленочных элементов микросхем / Б.С. Данилин. - М.: Энергия, 1977. - 136 с.
4. Драйвер двигателей L293D // myROBOT.ru URL: https://myrobot.ru/stepbystep/el driver.php (дата обращения: 23.03.2017).
5. А.В. Евстифеев. Микроконтроллеры семейства Tiny и Mega семейства Atmel, 5-е изд., стер. - М.: Издательский дом «Додека-XXI», 2008. - 148 с: ил.
6. HD44780 Datasheet // Electronic Components Datasheet Search URL: http://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=Hd44780 (дата обращения: 17.11.2015).
7. PiTFT Plus 480×320 3.5'' TFT+Touchscreen for Raspberry Pi // Adafruit URL: https://www.adafruit.com/products/358 (дата обращения: 17.11.2015).