МАГНЕТРОННАЯ РАСПЫЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА С ПРОТЯЖЕННЫМ КАТОДОМ
EXTENDED CATHODE MAGNETRON SPUTTERING SYSTEM

Изобретение относится к ионно-плазменной технике и предназначено для нанесения покрытий металлов и их соединений на поверхности тел вращения, в частности изделий цилиндрической формы в вакууме.
Работа магнетронных распылительных систем, называемых также магнетронами, основана на горении газового аномально тлеющего разряда в магнитном поле (Кузьмичев А.И. Магнетронные распылительные системы. Книга 1. Введение в физику магнетронного распыления. Киев. 2008 г., стр. 109-116). Магнетронная распылительная система (MPC) располагается в вакуумной камере и содержит анод, распыляемый катод и магнитную систему, формирующую над поверхностью катода магнитное поле арочной конфигурации. При напуске рабочего газа в вакуумную камеру и подаче от блока питания постоянного напряжения между анодом и катодом возникает неоднородное электрическое поле и возбуждается аномальный тлеющий разряд. Поскольку магнитное поле арочной конфигурации является ловушкой для электронов, плазма разряда локализуется в этой области у поверхности катода. В скрещенных электрическом и магнитном полях электроны дрейфуют по замкнутым циклоидальным траекториям, производя большое количество ионизационных столкновений с атомами рабочего газа. Под действием электрического поля образовавшиеся ионы ускоряются к катоду и бомбардируют его поверхность. Под действием ионной бомбардировки происходит эмиссия вторичных электронов и распыление поверхности катода, при этом плазменный поток распыленного материала имеет преимущественное направление в сторону вершины арки магнитного поля. Вторичные электроны захватываются в ловушку магнитным полем арочной конфигурации, что обеспечивает непрерывность горения разряда.
Известно техническое решение MPC с цилиндрическим катодом (Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. - М.: Радио и связь, 1982 г., стр. 45). MPC содержит анод, неподвижные катод в виде трубы из распыляемого материала и магнитную систему. Магнитная система в виде набора кольцевых постоянных магнитов с чередующейся полярностью установлена внутри катода. Каждая пара кольцевых магнитов, имеющих противоположную полярность, создает вокруг катода над его поверхностью азимутальную кольцевую область арочного магнитного поля, в которой происходит распыление катода. Недостатком устройства является то, что распыление катода происходит в чередующихся вдоль оси катода азимутальных кольцевых областях. В этом случае диаграмма потока распыленного материала катода в азимутальном направлении имеет угол 360°, поэтому такие устройства применяются для нанесения покрытий на внутренние цилиндрические поверхности, но малопригодны для нанесения покрытий на листовые подложки и на внешние поверхности тел вращения из-за больших потерь распыленного материала катода.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является техническое решение по патенту RU 2242821 С2 (патент RU 2242821 С2, кл. H01J 37/317, H01J 37/34, С23С 14/35, опубл. 20.12.2004). Указанный прототип содержит вакуумную камеру, анод, протяженные катод и магнитную систему. Катод выполнен в виде вращающегося цилиндра, внутри которого вдоль его оси неподвижно расположена магнитная система (внутренняя). Магнитная система содержит магнитопровод, на котором расположены три параллельных ряда постоянных магнитов. Периферийные ряды магнитов замкнуты на концах концевыми магнитами и имеют полярность, обратную полярности центрального ряда магнитов. Зона распыления находится под арками магнитного поля и состоит из двух прямолинейных участков, находящихся на образующих цилиндрического катода и соединяющихся на концах поворотными участками. При неподвижном магнитном поле арочной конфигурации и вращающемся катоде через область распыления проходит вся поверхность катода и он расходуется по всему периметру.
Недостатком указанного решения является то, что диаграмма потока распыленного материала катода в азимутальном направлении имеет угол более 180° и при нанесении покрытия на листовые подложки значительное количество распыленного материала не попадает на обрабатываемую поверхность, а это приводит к уменьшению степени использования распыленного материала и производительности процесса нанесения. Особенно негативно этот недостаток проявляется при нанесении покрытий на внешнюю поверхность тел вращения, имеющих ось, параллельную оси магнетрона.
Технической задачей изобретения является создание MPC, обеспечивающей увеличение степени использования распыленного материала катода в процессе нанесения покрытий на поверхности тел вращения за счет концентрации потока распыленного материала катода в направлении обрабатываемой поверхности.
Технический результат, достигаемый в изобретении, заключается в экономии материала катода и повышении производительности процесса нанесения покрытий на внешние поверхности тел вращения.
Указанный технический результат, достигаемый в изобретении, заключается в том, что в магнетронной распылительной системе, содержащей вакуумную камеру, анод, протяженные катод, выполненный в виде полого цилиндра с возможностью вращения, и магнитную систему, согласно изобретению магнитная система состоит из внутренней части магнитной системы, неподвижно расположенной внутри катода вдоль его оси и состоящей из магнитопровода с тремя параллельными рядами постоянных магнитов, периферийные ряды магнитов замкнуты на концах концевыми магнитами и имеют полярность, обратную полярности центрального ряда магнитов, и внешней части магнитной системы, которая неподвижно расположена равноудаленно от внутренней части магнитной системы, охватывая катод со стороны, противоположной зоне распыления, и состоит из магнитопровода с двумя параллельными рядами постоянных магнитов, имеющих полярность, одинаковую с полярностью периферийных рядов магнитов внутренней части магнитной системы.
Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами:
на фиг. 1 приведена магнетронная распылительная система с протяженным катодом с изображением поперечного разреза в процессе нанесения покрытий на внешнюю поверхность тела вращения, показаны основные силовые магнитные линии и преимущественное направление потока распыленного материала катода;
на фиг. 2 приведена магнитная система MPC с протяженным катодом с изображением взаимного расположения внутренней части магнитной системы и внешней части магнитной системы.
MPC с протяженным катодом расположена в вакуумной камере и содержит (фиг. 1) катод 1 из распыляемого материала, выполненный в виде полого цилиндра с возможностью вращения, при этом стенки вакуумной камеры служат анодом (на фигуре не показаны), внутреннюю часть магнитной системы, состоящую из магнитопровода 2 и трех рядов постоянных магнитов 3, неподвижно расположенную внутри катода 1, вдоль его оси, и внешнюю часть магнитной системы, состоящую из магнитопровода 4 и двух рядов постоянных магнитов 5, неподвижно расположенную вне катода 1, вдоль его оси, охватывая катод 1 со стороны, противоположной зоне распыления. Постоянные магниты 3 внутренней части магнитной системы создают над поверхностью катода 1 магнитное поле арочной конфигурации 6, постоянные магниты 5 внешней части магнитной системы создают преимущественно магнитное поле бутылочной конфигурации 7. Азимутальное расположение арок магнитного поля 6 определяется углом α 8 между их вершинами. Позицией 9 показан плазменный поток распыленного материала катода на обрабатываемую поверхность тела вращения 10.
Магнитная система MPC (фиг. 2) выполнена протяженной и состоит из внутренней части магнитной системы и равноудаленной внешней части магнитной системы, причем длина внешней части магнитной системы равна длине внутренней части магнитной системы. Периферийные ряды постоянных магнитов 3 внутренней части магнитной системы имеют полярность, обратную полярности центрального ряда магнитов, и замкнуты на концах концевыми магнитами. Два ряда постоянных магнитов 5 внешней части магнитной системы расположены параллельно трем рядам постоянных магнитов 3 внутренней части магнитной системы и имеют полярность, одинаковую с полярностью периферийных рядов постоянных магнитов 3.
Устройство работает следующим образом. При напуске рабочего газа в вакуумную камеру и подаче от блока питания постоянного напряжения между анодом и катодом 1 возникает неоднородное электрическое поле и возбуждается аномальный тлеющий разряд. Поскольку магнитное поле арочной конфигурации 6, создаваемое постоянными магнитами 3, является ловушкой для электронов, плазма разряда локализуется в этой области у поверхности катода 1. Под действием скрещенных электрического и магнитного поля электроны дрейфуют по замкнутым циклоидальным траекториям, производя большое количество ионизационных столкновений с атомами рабочего газа. Под действием электрического поля образовавшиеся ионы ускоряются к катоду 1 и бомбардируют его поверхность. Под действием ионной бомбардировки происходит эмиссия вторичных электронов и распыление поверхности катода. Зона распыления находится под арками магнитного поля и состоит из двух прямолинейных участков, находящихся на образующих цилиндрического катода и соединяющихся на концах поворотными участками, при этом плазменный поток распыленного материала катода 9 имеет преимущественное направление в сторону вершины арки магнитного поля 6. Плазменный поток распыленного материала катода 9, попадая на обрабатываемую поверхность тела вращения 10, конденсируется на ней и формирует покрытие. Наличие внешней части магнитной системы с постоянными магнитами 5, имеющими одинаковую полярность с периферийными постоянными магнитами внутренней части магнитной системы 3, за счет суперпозиции полей этих магнитов, приводит к смещению арок магнитного поля 6 в сторону уменьшения угла α 8. В результате смещения арок магнитного поля 6 в сторону уменьшения угла α 8 происходит увеличение доли потока распыленного материала катода, попадающего на обрабатываемую поверхность тела вращения 10, имеющего ось вращения, параллельную оси MPC. Кроме того, магнитное поле бутылочной конфигурации 7, создаваемое постоянными магнитами 5 внешней части магнитной системы, производит фокусировку плазменного потока распыленного материала катода 9 и концентрирует его в направлении обрабатываемой поверхности тела вращения 10, что также увеличивает долю потока распыленного материала, попадающего на обрабатываемую поверхность. Увеличение степени использования плазменного потока распыленного материала катода, приходящего на обрабатываемую поверхность за счет смещения арок магнитного поля и фокусировки потока магнитным полем, приводит к сокращению потерь материала катода и повышению производительности нанесения покрытий.
В результате предложенное техническое решение позволяет обеспечить экономию материала катода и повысить производительность MPC.
Эффективность предложенного технического решения может быть продемонстрирована на примере. Экспериментальная MPC имела цилиндрический вращающийся титановый катод диаметром 60 мм. В качестве магнитов 3 внутренней части магнитной системы использовались постоянные самарий-кобальтовые магниты с размерами 10Ч10Ч20 мм и одинаковой остаточной индукцией магнитного поля 0,8 Тл. Во внешней части магнитной системы использовались постоянные магниты из NdFeB (Неодим-Железо-Бор) с размерами 10Ч20Ч30 мм и остаточной индукцией магнитного поля 1,2 Тл. Нанесение покрытий производилось на стальной цилиндр диаметром 200 мм, расположенный соосно MPC. Результаты измерений показали увеличение производительности процесса нанесения титанового покрытия на 16%+18% по сравнению с MPC без внешней части магнитной системы.
Технический результат предложенной MPC в эксплуатации определяется наличием внешней части магнитной системы, обеспечивающей увеличение степени использования распыленного материала катода в процессе нанесения покрытий, что позволяет значительно повысить экономию распыленного материала катода и производительность процесса нанесения различных покрытий на внешние поверхности тел вращения.
Предложенная магнетронная распылительная система может использоваться для нанесения покрытий металлов и их соединений на внешние поверхности тел вращения, в том числе в составе технологических установок нанесения покрытий металлов и их соединений, работа которых основана на системах распыления. Достижение указанного выше технического результата позволяет использовать данное решение в магнетронных распылительных системах с цилиндрическими вращающимися катодами.
Применение изобретения позволит значительно повысить экономию распыленного с катода материала и поднять производительность процесса нанесения покрытий металлов и их соединений на внешние поверхности тел вращения.