МАГНИТНАЯ СИСТЕМА ПЛАНАРНОГО МАГНЕТРОНА Российский патент 1998 года по МПК C23C14/35 

Изобретение относится к области покрытия металлических материалов, а также других материалов металлическими и диэлектрическими материалами и может быть использовано при разработке устройств для вакуумного нанесения покрытий методом магнетронного распыления, а более конкретно магнитных систем планарного магнетрона в установках вакуумного нанесения покрытия на различные подложки, в том числе на полимерные пленки.

Известно устройство, где магнитная система выполнена из вертикально расположенных и противоположно направленных периферийных и центральных магнитов, замкнутых между собой по нижним торцам магнитопроводом, выполненным, например, из магнитной стали [1]
Такая магнитная система создает высокую неоднородность параллельной составляющей магнитного пола [1] над поверхностью распыленной мишени, что приводит к следующим недостаткам:
малый коэффициент использования материала мишени (≤ 25%);
малые скорости нанесения покрытий из-за узкой зоны распыления;
сложности при реактивном распылении из-за образования на поверхности мишени вне зоны распыления диэлектрических участков, инициирующих возникновение пробоев;
чрезмерный нагрев подложки за счет недостаточного прижатия плазмы разряда к поверхности мишени.

Известно также устройство с магнитной системой, выполненной в виде радиально расположенных магнитов с плоскими наконечниками из феррамагнитного материала и расположенными по периферии и в центре магнитной системы (2).

Однако магнитная система данного устройства создает недостаточно мощное магнитное поле над поверхностью мишени, что обусловливает высокое напряжение магнетронного разряда (≥ 500 В), высокое рабочее давление разряда (≥ 0,2 Па). При применении такой магнитной системы не удается распылять феррамагнитные мишени толщиной более 3 мм. Кроме того, такая магнитная система образует магнитное поле на обратной стороне магнетрона (на не рабочей), что может приводить к возникновению там нежелательных разрядов.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому устройству является магнитная система, состоящая из радиально расположенных магнитов с плотностью магнитной энергии <40 кДж/м³ и вертикально расположенных и противоположно направленных периферийных и центральных магнитов с плотностью магнитной энергии > 40 кДж/м³, выбранная автором за прототип (3).

Однако такое устройство магнитной системы имеет по существу те же недостатки, что и предыдущие. Кроме того, такая магнитная система требует тщательного подбора магнитов, одинаковых по их коэрцитивной силе. В противном случае магнетронный разряд по длине эрозионной зоны мишени будет неоднородным, что приводит к неоднородности толщины наносимых покрытий по площади подложки.

Достигаемым техническим результатом изобретения является повышение эффективности магнитной системы, обеспечивающей большую зону эрозии и, следовательно, более высокий коэффициент использования материала мишени, большую скорость нанесения покрытий, ликвидацию непроводящих ( диэлектрических ) участков на поверхности мишени при реактивных процессах распыления и обеспечение работы магнетрона при низких давлениях (менее 0,1 Па) и напряжениях разряда 400 В при плотностях тока ≥ 60 мА/см².

Технический результат достигается тем, что магнитная система, состоящая из радиально расположенных магнитов с плотностью магнитной энергии ≤ 40 кдж/м³ и вертикально расположенных и противоположно направленных периферийных и центральных магнитов с плотностью магнитной энергии > 40 кДж/м, снабжена магнитопроводом из ферромагнитного материала, замыкающим нижние терцы периферийных и центральных магнитов и отстоящих от нижней поверхности радиальных магнитов на величину 5 10 мм, причем на верхних поверхностях периферийных и центральных магнитов установлены сплошные полюсные наконечники из ферромагнитного материала.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема предлагаемого устройства, где цифрой 1 обозначены силовые линии магнитного поля над мишенью, цифрой 2 зона эрозии мишени, цифрой 3 мишень распыляемого материал. Магнитная система планарного магнетрона состоит из радиально расположенных магнитов 6, вертикально расположенных и противоположно направленных периферийных и центральных магнитов 4, нижние торцы которых замкнуты магнитопроводом 5, отстоящим от нижней поверхности радиальных магнитов 6 на величину 5 10 мм. На поверхности периферийных и центральных магнитов установлены полюсные наконечники 7 из ферромагнитного материала, причем, если все типы магнитов (периферийные, центральные, радиальные) могут быть наборными, состоящими из большого числа магнитов, то полюсные наконечники должны бить сплошными.

Устройство работает следующим образом. Магнитное поле, создаваемое периферийными и центральными магнитами над мишенью 3 (в рабочей зоне) складывается с магнитным полем, создаваемым радиальными магнитами 6. В результате над мишенью формируется сильное однородное по ширине мишени магнитное поле 1. При этом равномерность поля достигается в основном радиально расположенными магнитами, а большая величина его мощными периферийными и центральными магнитами 4. Зазор между периферийными и центральными магнитами 4 должен быть не менее 10 ми. Ширина зазора в большую сторону не ограничивается, т.е. она заполняется радиальными магнитами 6. Снизу магнитрона магнитного поля нет вообще, поскольку оно экранировано магнитопроводом 5. Причем в магнитопроводе силовые линии радиально расположенных и вертикальных (периферийных и центральных) магнитов 8 взаимно вычитаются, что позволяет изготовлять магнитопровод достаточно тонким, не более 5 ми. Расстояние от магнитопровода до нижней поверхности радиальных магнитов должно быть не менее 5 мм, так как в противном случае мощность периферийных и центральных магнитов будет недостаточна для создания нужной величины магнитного поля над мишенью. С другой стороны, это расстояние не должно быть более 10 мм, так как мощные магниты ( Sm/Co, Ne/Fe/B) имеют насыщение по коэрцитивной силе при толщине 10 мм. Установленные на верхних торцах периферийных и центральных магнитов полюсные наконечники 7 из ферромагнитного материала обеспечивают усреднение магнитного поля от всех магнитов, что гарантирует однородность результирующего магнитного поля над мишенью по всей длине магнетрона.

Применение предлагаемой магнитной системы в планарном магнетроне обеспечивает:
высокий коэффициент использования материала мишени (≥ 50%) за счет высокой однородности параллельной составляющей магнитного поля над мишенью, обеспечиваемой радиально расположенными магнитами;
высокую скорость нанесения покрытий за счет широкой зоны эрозии, обеспечиваемой высотой однородностью параллельной составляющей магнитного поля над мишенью;
высоких рабочий вакуум при распадении (≈0,03 Па), обусловленный большой величиной магнитного поля над мишенью, реализуемой суммированием магнитных полей от радиальных, периферийных и центральных магнитов;
низкую температуру подложки при ее напылении за счет плотного прижатия плазмы к поверхности мишени, обусловленного большой величиной параллельною составляющею магнитного поля над мишенью;
повышение качества наносимых покрытии за счет большой скорости нанесения, лучшего вакуума и снижения количества пробоев на поверхности мишени, обусловленного широкой зоной эрозии мишени;
распыление ферромагнитных материалов с толщиною мишени до 10 мм за счет мощного магнитного поля над мишенью.

Сущность изобретения заключается в том, что магнитная система, состоящая из радиально расположенных магнитов с плотностью магнитной энергии ≤ 40 кДж/м³, вертикально расположенных и противоположно направленных периферийных и центральных магнитов с плотностью магнитной энергии > 40 кДж/м³, снабжена магнитопроводом из ферромагнитного материала, замыкающим нижние торцы периферийных и центральных магнитов и отстоящим от нижней поверхности радиальных магнитов на величину 5 - 10 мм, причем на верхних поверхностях периферийных и центральных магнитов установлены сплошные полюсные наконечники из ферромагнитного материала. 1 ил.

Магнитная система планарного магнетрона, включающая радиально расположенные магниты с плотностью магнитной энергии, равной или менее 40 кДж, вертикально расположенные и противоположно направленные периферийные магниты и отстоящие от них на расстоянии, равном или более 10 мм, центральные магниты с плотностью магнитной энергии более 40 кДж, отличающаяся тем, что она снабжена магнитопроводом из ферромагнитного материала, замыкающим нижние торцы периферийных и центральных магнитов и отстоящим от нижней поверхности радиальных магнитов на величину 5 10 мм, причем на верхних поверхностях периферийных и центральных магнитов установлены сплошные полюсные наконечники из ферромагнитного материала.