КАТОДНО-РАСПЫЛИТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ МАГНЕТРОНА (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к конструкции катодно-распылительного узла магнетрона и касается катода магнетронного распылителя, предназначенного для распыления материала мишени при нанесении покрытий в вакууме. Более конкретно, полезная модель относится к конструкции узла мишени магнетронного распылителя.
Известна конструкция катодного узла магнетронного распылителя протяженной формы (см. US №4826584, МПК С23С 14/00, опубл. 02.05.1989), содержащего плоскую мишень, закрепленную напротив основания корпуса, магнитную систему и охладитель, размещенные между основанием корпуса и плоской мишенью по центру корпуса, и позволяющего наносить покрытия на поверхности большой площади, при использовании которого для увеличения коэффициента использования материала мишени создают зигзагообразную зону распыления материала.
Недостатком конструкции является то, что область рабочих давлений плазмообразующего газа, при которой обеспечивается устойчивая работа магнетронного распылителя, заключается в диапазоне от 0,3 до 0,6 Па, что снижает эффективную скорость откачки вакуумной камеры, загрязняет формируемое покрытие примесями, требует использования блоков питания с повышенным рабочим напряжением, и поэтому повышает стоимость оборудования.
Наиболее близким по технической сущности к полезной модели является патент RU №111138, МПК С23С 14/35, опубл. 10.12.2011 "Катодно-распылительный узел магнетрона (варианты)", про катодно-распылительный узел магнетрона, содержащий корпус в форме пенала с основанием, плоскую мишень протяженной формы с распыляемым материалом, закрепленную напротив основания корпуса, магнитную систему и охладитель в форме соосных торов, размещенных между основанием корпуса и плоской мишенью по центру корпуса, в котором центральная область плоской мишени выполнена перфорированной в виде системы отверстий, расположенных вдоль ее протяженной стороны, что позволяет подавать плазмообразующий газ прямо в область горения разряда и таким образом снижать рабочее давление в вакуумной камере.
Недостатком конструкции является низкий коэффициент использования материала мишени.
Техническая задача, решаемая полезной моделью, состоит в повышении технологичности изготовления мишени катодно-распылительного узла магнетрона, снижении стоимости изготовления мишени.
Технический результат, заключающийся в увеличении коэффициента использования материала мишени достигается тем, что в известном катодно-распылительном узле магнетрона, включающем корпус в форме пенала с основанием, плоскую мишень протяженной формы из распыляемого материала, закрепленную с помощью боковой рамки и винтов напротив основания корпуса, магнитную систему и охладитель в форме соосных торов, размещенных между основанием корпуса и плоской мишенью по центру корпуса, при этом в корпусе по его центру дополнительно установлен газораспределитель, а основание корпуса снабжено патрубком для ввода рабочих газов, отличающейся тем, что мишень выполнена из плоских элементов, прижимаемых к охладителю боковой рамкой и центральной вставкой, причем поверхность плоских элементов расположена ниже деталей рамки и вставки.
Кроме того, катодно-распылительный узел магнетрона может быть выполнен из таких материалов, что коэффициент распыления материала боковой рамки и центральной вставки ниже коэффициента распыления основного материала мишени.
Кроме того, катодно-распылительный узел магнетрона может быть выполнен так, что центральная вставка, прижимая мишень, находится непосредственно в тепловом контакте с охладителем.
В другом варианте эта техническая задача решается тем, что в известном катодно-распылительном узле магнетрона, включающем корпус в форме пенала с основанием, плоскую мишень протяженной формы из распыляемого материала, закрепленную с помощью боковой рамки и винтов напротив основания корпуса, магнитную систему и охладитель в форме соосных торов, размещенных между основанием корпуса и плоской мишенью по центру корпуса, при этом в корпусе по его центру дополнительно установлен газораспределитель, а основание корпуса снабжено патрубком для ввода рабочих газов, отличающейся тем, что мишень выполнена из плоских элементов, прижимаемых к охладителю боковой рамкой и центральной вставкой, причем поверхность плоских элементов расположена ниже деталей рамки и вставки, причем центральная вставка выполнена с каналами для подачи плазмообразующего газа вдоль поверхности мишени.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 показан вид вертикального сечения катодно-распылительного узла магнетрона, установленного в рабочую камеру, на фиг.2 показан эскиз центральной вставки; на фиг.3 показан эскиз сборки пластин из распыляемого материала.
Катодно-распылительный узел магнетрона расположен в вакуумной камере 1, содержит корпус 2 в форме пенала с основанием 3, плоскую мишень 4 протяженной формы из материала, напыляемого на изделие 5, закрепленную с помощью боковой рамки 6 и винтов напротив основания корпуса 3, магнитную систему 7 и герметичный охладитель 8 в форме соосных торов, размещенных между основанием корпуса 3 и плоской мишенью 4, при этом в корпусе 2 по его центру дополнительно установлен газораспределитель 9, а основание корпуса 3 снабжено патрубком 10 для ввода рабочих газов, плоская мишень 4 выполнена составной из отдельных пластин распыляемого материала простой формы без отверстий, прожимаемых к герметичной системе охлаждения 8 с использованием боковой рамки 6 по периметру мишени 4 и центральной вставки 11, между которыми находится пластины распыляемого материала мишени 4, кроме того, вставка 11 и рамка 6 возвышаются над поверхностью мишени 4, при этом центральная вставка 11 частью нижней поверхности прижата к герметичному охладителю 8.
В другом варианте исполнения полезной модели катодно-распылительный узел магнетрона расположен в вакуумной камере 1, содержит корпус 2 в форме пенала с основанием 3, плоскую мишень 4 протяженной формы из материала, напыляемого на изделие 5, закрепленную с помощью боковой рамки 6 и винтов напротив основания корпуса 3, а также магнитную систему 7 и герметичный охладитель 8 в форме соосных торов, размещенных между основанием корпуса 3 и плоской мишенью 4, при этом в корпусе 2 по его центру дополнительно установлен газораспределитель 9, а основание корпуса 3 снабжено патрубком 10 для ввода рабочих газов, плоская мишень 4 выполнена составной из отдельных пластин распыляемого материала простой формы без отверстий, прижимаемых к герметичной системе охлаждения 8 с использованием боковой рамки 6 по периметру мишени 4 и центральной вставки 11, между которыми находятся пластины распыляемого материала мишени 4, кроме того вставка 11 и рамка 6 возвышаются над поверхностью мишени 4, при этом центральная вставка 11 нижней поверхностью частично прижата к герметичному охладителю 8, центральная вставка 11 выполнена с системой газовых каналов, направляющими газовый поток вдоль поверхности мишени.
Катодно-распылительный узел магнетрона работает следующим образом.
-3
Рабочую камеру 1, содержащую катодно-распылительный узел, откачивают до разряжения порядка 10 Па. Затем через патрубок 10 для подачи рабочих газов, выполненный в основании корпуса 3, напускают смесь рабочих газов до давления порядка 0,1 Па. В газораспределителе 9 смесь рабочих газов равномерно распределяется по длине магнетрона и затем через центральные каналы 13 в центральной вставке 11 выходит в зону магнетронного разряда. К корпусу 2 катодно-распылительного узла и рабочей камере 1 прикладывают отрицательный и положительный потенциал, соответственно, от блока питания (на фиг.1-3 не показан). На поверхности мишени 4 возникает магнетронный разряд, положительные ионы которого бомбардируют мишень 4, распыляя ее материал. Распыляемый материал мишени 4 осаждается на изделие 5, в том числе на детали камеры. Такая конструкция катодно-распылительного узла магнетрона позволяет использовать пластины расходуемого материала минимальных размеров и простой геометрии, обеспечивает экономию исходного распыляемого материала на 30% по сравнению со сплошной мишенью.
В другом варианте катодно-распылительный узел магнетрона работает следующим образом.
-3
Рабочую камеру 1, содержащую катодно-распылительный узел, откачивают до разряжения порядка 10 Па. Затем через патрубок 10 для подачи рабочих газов, выполненный в основании корпуса 3, напускают смесь рабочих газов до давления порядка 0,1 Па. В газораспределителе 9 смесь рабочих газов равномерно распределяется по длине магнетрона и затем через боковые каналы 12 в центральной вставке 11 выходит в зону магнетронного разряда (центральные каналы 13 в этом варианте катодно-распылительного узла заглушены). К корпусу 2 катодно-распылительного узла и рабочей камере 1 прикладывают отрицательный и положительный потенциал, соответственно, от блока питания (на фиг.1-3 не показан). На поверхности мишени 4 возникает магнетронный разряд, положительные ионы которого бомбардируют мишень 4, распыляя ее материал. Распыляемый материал мишени 4 осаждается на изделие 5, в том числе на детали камеры.
Такая конструкция катода-мишени магнетрона обеспечивает снижение рабочего давления на 25-50% и снижение напряжения магнетронного разряда на 20%. Это позволяет использовать в качестве средств высоковакуумной откачки стандартные диффузионные насосы и блоки питания с пониженной рабочей точкой по напряжению, а также работать в частотно-импульсном режиме.
Под магнетроном или магнетронным распылителем подразумевается устройство катодного распыления материалов в вакууме с использованием источника энергии постоянного и/или переменного тока для нанесения проводящих и/или диэлектрических покрытий на изделия.
Под магнетронным распылением подразумевается физический процесс нанесения тонких пленок (покрытий) в вакууме в плазме газового разряда на поверхность изделия с помощью магнетрона.
Под мишенью магнетрона подразумевается часть катодно-распылительного узла магнетрона, предназначенная для физического распыления ионами газа.
Под подложкой подразумевается часть изделия, на которой формируется покрытие.
Под коэффициентом использования материала мишени подразумеваем отношение распыленного количества материала мишени за все время эксплуатации до потери ее работоспособности к общему количеству материала мишени. Мишень считается потерявшей работоспособность, когда глубина эрозионной канавки на мишени, образующаяся в результате распыления, становится равной толщине мишени.
Поверхность распыляемых элементов считается расположенной ниже деталей боковой рамки и центральной вставки, если наружная поверхность рамки и вставки выступает над наружной поверхностью распыляемых элементов на 1 и более миллиметров.
Увеличение толщины боковой рамки и центральной вставки, вследствие уменьшения величины остаточных магнитных полей над их поверхностью, позволяет предотвратить их распыление, и загрязнение материала пленок.
Обеспечение прижима центральной вставки к охладителю препятствует ее перегреву плазмой магнетронного разряда.
x
y
Комбинированный, т.е. обладающий свойствами обоих вариантов, узел катода-мишени магнетрона характеризуется следующими параметрами при нанесении пленок нитрида хрома (CrN): экономия материала мишени составила 27%, снижение рабочего давления с 0,35 Па до 0,17 Па.
Полезная модель может быть использована при производстве ответственных покрытий с низким коэффициентом трения, высокой твердостью и химической стойкостью взамен химических и гальванических покрытий.
Использование полезной модели позволяет уменьшить затраты на приобретение исходных распыляемых пластин на 30% и уменьшить стоимость блоков питания магнетронных распылительных устройств.