ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ МАГНЕТРОННАЯ РАСПЫЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА Российский патент 2001 года по МПК C23C14/35 

Изобретение относится к области нанесения покрытий и может быть использовано для напыления покрытий на подложки большой длины и малого сечения.

Известна цилиндрическая магнетронная распылительная система (МРС) (Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. -М.: Радио и связь, 1982, 72 с., с. 48), содержащая цилиндрический катод-мишень, укрепленный на водоохлаждаемом цилиндрическом держателе, анод и магнитную систему.

При распылении в данной системе магнитных материалов происходит шунтирование магнитного потока цилиндрическим катодом-мишенью, что снижает эффективность распыления. Кроме того, из-за неоднородности магнитного поля над катодом-мишенью, эррозия последнего происходит в ограниченной части, из чего следует незначительный коэффициент использования его материала.

Наиболее близким по технической сущности является цилиндрическая МРС (патент США N 5096562, МКИ C 23 C 14/35, 17.03.92], содержащая анод, магнитную систему, установленный с возможностью вращения относительно нее на подшипниковых опорах цилиндрический катод-мишень, водоохлаждаемый цилиндрический держатель.

Недостатком указанного устройства является низкий коэффициент использования материала катода-мишени из-за ограниченной площади поверхности, подвергаемой эррозии, невозможности регулирования величины магнитной индукции, скорости распыления, а также низкая эффективность распыления магнитных материалов из-за шунтирования магнитного потока катодом- мишенью. Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является расширение технологических возможностей за счет наличия регулирования величины индукции.

Указанная задача достигается тем, что предлагаемая цилиндрическая МРС, содержащая анод, магнитную систему, установленные с возможностью вращения на подшипниках относительно магнитной системы водоохлаждаемый цилиндрический держатель, с закрепленным на нем цилиндрическим катодом-мишенью, в отличие от прототипа в магнитопроводе магнитной системы выполнены равноудаленные друг от друга пазы, расположенные по длине окружности магнитопровода со стороны держателя, а последний выполнен из немагнитного электропроводящего материала.

Существо системы поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображен продольный разрез МРС.

На фиг. 2 изображен поперечный разрез МРС.

На фиг. 3 представлена картина магнитного поля, имеющая место при неподвижном держателе и катоде-мишени.

На фиг. 4 представлена картина распределения индуцирующихся в проводящем держателе вихревых токов при вращении держателя и катода-мишени относительно магнитной системы.

На фиг. 5 представлено результирующее магнитное поле, существующее при вращении держателя и катода-мишени относительно магнитной системы.

На фиг. 6 показано распределение магнитного поля в системе координат при неподвижных держателе и катоде-мишени.

На фиг. 7 показано распределение магнитного поля в системе координат при вращении держателя и катода-мишени относительно магнитной системы.

Представленная МРС содержит магнитную систему, состоящую из постоянных магнитов 1 и магнитопровода 2. В магнитопроводе 2 по окружности выполнены равноудаленные друг от друга пазы, расположенные по длине окружности со стороны держателя, причем ширина паза τ₁ равна ширине выступа τ₂. На выступах магнитопровода 2 в цилиндрических подшипниках скольжения 3 установлен цилиндрический держатель 4. На внутренней поверхности держателя 4 крепится цилиндрический катод-мишень 5. С одной стороны держатель 4 имеет упор, а с другой соединен с фланцем 6, что исключает продольное перемещение держателя и катода-мишени относительно магнитной системы. На противоположной стороне фланца 6 выполнено зубчатое колесо, которое служит для передачи вращения от внешнего привода (не показано). По оси устройства располагается подложка 7, перемещаемая внутри рабочей камеры. Анод на фиг. 1 не показан. Им является стенка камеры, в которую помещена МРС при использовании МРС для внешнего напыления или, при использовании МРС для внутреннего напыления, анод выполняется в виде цилиндрической спирали и располагается внутри МРС соосно с держателем и катодом-мишенью. Подложка 7 при этом проходит внутри анода.

Устройство работает следующим образом.

В рабочей камере создается вакуум и напускается инертный газ - аргон. При подаче напряжения между анодом и катодом-мишенью у поверхности последнего возникает газовый разряд, в результате чего происходит распыление материала катода-мишени.

При неподвижном катоде-мишени магнитное поле слабо из-за шунтирования магнитного потока на краях катода-мишени и неоднородности магнитного поля. Влияние индукции значительно лишь в узкой центральной зоне m катода-мишени, чего недостаточно для эффективного распыления. Примерное распределение магнитного поля в этом случае показано на фиг. 3. При этом величина магнитной индукции меньше в зоне расположения пазов и больше в зоне расположения выступов ввиду наличия на этих участках разных магнитных сопротивлений (Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. - M.: Высшая школа, 1973, 752 с.).

R_M= l/μ₀μS; Φ =U_м/R_м; U_м= ∫Hdl,
где R_м - величина магнитного сопротивления, Гн^-1;
μ_O - магнитная постоянная, μ_O= 4π•10^-7;
μ - относительная магнитная проницаемость, Гн/м;
S - площадь поперечного сечения участка магнитной цепи, м;
Φ - магнитный поток, Вб;
U_м - падение магнитного напряжения, А;
Н - напряженность магнитного поля, А/м;
dl - длина участка магнитной цепи, м.

Это значит, что магнитное поле изменяется по внутреннему диаметру магнитопровода 2 (по координате Z, фиг. 4) вследствие неодинакового падения магнитного потенциала в местах расположения пазов и выступов (по осям q и d соответственно на фиг. 2).

Для эффективного функционирования МРС при неподвижном катоде-мишени 5, необходимо глубину пазов выполнить такой, чтобы изменение величины магнитного сопротивления по осям g и b превышало 20%.

При вращении катода-мишени 5, установленного на проводящем держателе 4, относительно магнитной системы с ~] определенной угловой скоростью ω, в результате различной величины магнитного сопротивления по осям d и q в проводящем цилиндрическом держателе 4 будут индуцироваться вихревые токи. Их направление можно определить по выражению для силы Лоренца, т.е. силы, действующей на одиночный заряд. Такими зарядами в нашем случае являются свободные электроны, находящиеся в материале цилиндрического держателя 4. Эта сила определяется по выражению F=q[V•B], где F - сила, действующая на одиночный заряд, H; q - величина заряда, Кл; V - линейная скорость движения электрона, V = ω R, м/с; ω - угловая скорость вращения держателя, с^-1; R - радиус цилиндрического держателя 4 (фиг. 2), м; B - величина индукции в точке расположения заряда, Тл.

Распределение определенных таким образом вихревых токов представлено на фиг. 4. Эти вихревые токи создают свое магнитное поле B₁, которое изменяет величину и направление основного магнитного поля В₀, существующего в МРС при неподвижном цилиндрическом держателе 4, силовые линии которого представлены на фиг. 3. Магнитное поле B₁ противоположно направлено полю В₀ в набегающей на выступ области держателя 4, и одинаково с ним направлено в области, сбегающей с выступа. На фиг. 5 представлено имеющее место в данной МРС результирующее магнитное поле B₂, существующее при вращении цилиндрического держателя 4 и катода-мишени 5 относительно магнитной системы. Результирующее магнитное поле можно разложить на составляющие B_2X и B_2Y по осям X и У соответственно. При вращении держателя 4 и катода-мишени 5 относительно магнитной системы, составляющая по оси Y В_2Y увеличивается, изменяет результирующее магнитное поле, и, следовательно, приводит к изменению составляющей по оси X (B_2X) над поверхностью цилиндрического катода-мишени 5. В результате этого составляющая В_2X результирующего магнитного поля имеет максимальное и неизменное значение на большем участке над поверхностью катода-мишени в направлении оси X, зона эрозии m также увеличивается по оси X, захватывая большую площадь цилиндрического катода-мишени 5 и повышая коэффициент использования последнего.

Данная конструкция позволяет расширить технологические возможности МРС за счет регулирования величины магнитной индукции. При этом увеличивается скорость распыления материала катода-мишени; повышается эффективность процесса распыления; повышается коэффициент использования материала катода-мишени; за счет уменьшения шунтирования магнитного потока стало возможным распыление катодов-мишеней большей толщины (5-6 мм), что увеличивает ресурс работы МРС по сравнению с прототипом в 2-3 раза.

Изобретение относится к области нанесения покрытий и может быть использовано для нанесения покрытий на подложки большой длины и малого сечения. Технический результат: расширение технологических возможностей за счет наличия регулирования величины индукции. Сущность изобретения: магнетронная распылительная система (МРС) содержит магнитную систему, состоящую из постоянных магнитов 1 и магнитопровода 2. В магнитопроводе 2 выполнены равноудаленные друг от друга пазы, расположенные по длине окружности со стороны держателя, причем ширина паза τ₁ равна ширине выступа τ₂. Цилиндрический держатель 4 установлен в цилиндрических подшипниках скольжения 3 на выступах магнитопровода 2. На внутренней поверхности цилиндрического держателя 4 крепится цилиндрический катод-мишень 5. С одной стороны цилиндрический держатель 4 имеет упор, а с другой соединен с фланцем 6, что исключает продольное перемещение держателя 4 и катода-мишени 5 относительно магнитной системы. На противоположной стороне фланца 6 выполнено зубчатое колесо, которое служит для передачи вращения от внешнего привода (на чертеже не показано). По оси устройства располагается подложка 7, перемещаемая внутри рабочей камеры. Анодом является стенка камеры, в которую помещена МРС или цилиндрическая спираль, расположенная внутри МРС по оси катода-мишени. 7 ил.

Цилиндрическая магнетронная распылительная система, содержащая анод, магнитную систему, установленные с возможностью вращения на подшипниках относительно магнитной системы водоохлаждаемый цилиндрический держатель с закрепленным на нем цилиндрическим катодом-мишенью, отличающаяся тем, что в магнитопроводе магнитной системы выполнены равноудаленные друг от друга пазы, расположенные по длине окружности магнитопровода со стороны держателя, а последний выполнен из немагнитного электропроводящего материала.