Способ крепления гибкой металлической подложки на водоохлаждаемую поверхность подложкодержателя при вакуумном напылении материалов
METHOD FOR ATTACHING FLEXIBLE METAL SUBSTRATE TO WATER-COOLED SURFACE OF SUBSTRATE HOLDER DURING VACUUM SPRAYING OF MATERIALS

Изобретение относится к способам крепления гибких металлических подложек к водоохлаждаемому подложкодержателю и может быть использовано для напыления тонких пленок, чувствительных к нагреву.
Известен способ крепления плоских подложек к водооохлаждаемой поверхности подложкодержателя через серебренную термопасту [1], способствующей отводу тепла от подложки на подложкодержатель. Однако этот способ малопригоден для нанесения покрытий на гибкие металлические подложки из-за: 1 - недопустимости в ряде случаев нанесения термопасты; 2-трудностей обеспечения плотного прилегания гибкой подложки к поверхности водоохлаждаемого подложкодержателя, т.к. в середине подложки получается небольшой зазор между подложкой и подложкодержателем, ухудшающий охлаждение подложки.
Наиболее близким к заявляемому объекту является способ крепления гибких подложек на водоохлаждаемую поверхность подложкодержателя в виде барабана [2], позволяющий производить осаждение на полимерные подложки большой протяженности. Недостатком способа является невозможность напыления пленок на гибкие металлические подложки конечной длины и ширины, например, 200×100 мм, из-за невозможности их крепления на водооохлаждаемом барабане. Кроме того, в случае их крепления на водоохлаждаемом барабане подложки и растущие на них пленки будут иметь маленький радиус кривизны, что может привести к их растрескиванию после проведения процесса напыления.
Задача изобретения -создание способа крепления гибкой металлической подложки к плоской водоохлаждаемой поверхности подложкодержателя с плотным прилеганием к поверхности подложкодержателя по всей его плоскости. Другой задачей изобретения является улучшение теплоотвода от поверхности подложки к поверхности водоохлаждаемого подложкодержателя в процессе магнетронного распыления материалов.
Поставленные задачи достигаются следующим образом. Гибкая металлическая подложка выполняется с большим радиусом изгиба, например, по ширине подложки, выпуклой в сторону поверхности плоского водоохлаждаемого подложкодержателя. Гибкая металлическая подложка выполняется со стрелой прогиба в сторону потока напыляемого материала. Гибкая подложка укладывается на поверхность плоского водоохлаждаемого подложкодержателя и по краям прижимается к подложкодержателю при помощи съемных боковых планок и плоских пружин в виде дуги. Из-за того, что подложка выполняется выпуклой, то она плотно прижимается к поверхности водоохлаждаемого подложкодержателя, тем самым обеспечивая хороший теплоотвод. Для еще лучшего отвода тепла от подложки предлагается покрывать поверхность гибкой подложки со стороны водоохлаждаемой поверхности подложкодержателя тонким слоем легкоплавкого сплава с низкой температурой плавления, например, слоем сплава Вуда (температура плавления 68°С), слоем сплава Розе (92-96°С) и т.п. В процессе распыления материала происходит, нагрев гибкой подложки, что приводит к расплавлению тонкого слоя легкоплавкого сплава, который заполняет микронеровности на поверхности подложкодержателя, тем самым улучшается отвод тепла от подложки. Плотное прилегание подложки к поверхности подложкодержателя обеспечивается постоянным ее прижимом за счет выпуклости подложки. Использование термопасты как в [1], нежелательно из-за необходимости после каждого цикла напыления слоев производить корректировку пасты по ее площади и толщине, а также с возможным загрязнением вакуумной камеры, в которой происходит напыление пленок, и загрязнение самих пленок. Тонкий слой легкоплавкого сплава после окончания процесса напыления затвердевает и не загрязняет объем вакуумной камеры и пленку и подложка может быть использована для напыления пленок материала в случае их отделения от подложки после окончания процесса напыления.
На фиг. 1 приведена последовательность операций при реализации предложенного способа. Здесь 1 - гибкая металлическая подложка, покрытая слоем легкоплавкого сплава 2; а-стрела прогиба подложки 1; 4 - охлаждаемый подложкодержатель с каналами 5 для охлаждающей жидкости; 3 - съемные боковые планки для прижима гибкой подложки; 6 - плоская пружина в виде дуги для поджатия боковых прижимов 3. На фиг. 2 показана поверхность подложки со стороны стрелы прогиба а. Стрела прогиба а зависит от размеров используемых гибких подложек и определяется экспериментально из условий плотного прижатия подложки 1 к подложкодержателю 4. Прижим подложки показан через усилие Р (см. фиг. 1) и обеспечивается боковыми прижимами 3 и плоской пружиной 5 в виде дуги. Гибкая подложка с заранее изготовленной стрелой прогиба выполняется путем прокатки или отжига в специальной форме при высокой температуре. Стрела прогиба выполняется в пределах 2-5 мм. Если стрела прогиба меньше 2 мм, то обеспечивается недостаточный прижим гибкой подложки к водоохлаждаемому подложкодержателю. При стреле прогиба свыше 5 мм, пленка, осаждаемая на гибкую подложку, будет иметь повышенные механические напряжения в системе пленка-подложка, что может привести к отрыву пленки от подложки.
В качестве примера была изготовлена гибкая подложка из бериллиевой бронзы с размерами 200 мм × 100 мм × 0.1 мм со стрелой прогиба в центре 5 мм. Подложка подвергалась отжигу вакууме при температуре 400°С в специальной форме, обеспечивающей стрелу прогиба 5 мм. Подложка с обратной стороны покрывалась тонким слоем легкоплавкого сплава Вуда (температура плавления 68°С). Подложка прижималась к водоохлаждаемому подложкодержателю и на нее способом магнетронного распыления в вакууме производилось напыление многослойных пленок типа никель-алюминий, которые в процессе напыления не допускают нагрев подложки свыше 120°С. Подводимая мощность к распыляемой мишени выбиралась таким образом, чтобы происходил нагрев подложки до температуры расплавления тонкого слоя легкоплавкого сплава. Она составляла 1750 Вт для одной мишени. При этом происходило плавление сплава, что обеспечивало улучшение отвода тепла от гибкой подложки на водоохлаждаемый подложкодержатель. После проведения цикла напыления тонкий слой сплава затвердевал, подложка с нанесенной многослойной пленкой вынималась из вакуумной камеры, после чего производилось отделение многослойной пленки от подложки, а сама гибкая подложка могла быть использована для проведения повторных работ по напылению пленок.
Источники информации
1. Ивановский Г.Ф., Петров В.И. Ионно-плазменная обработка материалов. М.: Радио и связь, 1986, с. 194-195.
2. Авторское свидетельство СССР №891800. Устройство для охлаждения гибких подложек. Опубл. 23.12.81, Бюллетень № 47.