УЗЕЛ КАТОДА МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛИТЕЛЯ Российский патент 2015 года по МПК C23C14/35 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к катодам магнетронных распылителей, предназначенных для распыления металлов, сплавов металлов и соединений металлов при нанесении покрытий в вакууме.

Известен узел катода магнетронного распылителя, содержащий основание из магнитного материала, герметично соединенный с ним по его контуру кольцом с уплотнительными элементами катод-мишень, установленные на основании с внутренней стороны от мишени центральный и периферийные магниты и систему охлаждения, отделенную от основания немагнитной вставкой. Система охлаждения образована пространством между катодом-мишенью, немагнитной вставкой и кольцом с уплотнительными элементами, а подвод и отвод охлаждающей жидкости осуществлен через выполненные в основании и немагнитной вставке отверстия (патент RU №2401882, опубл. 20.10.2010 г.).

В известном узле мишень охлаждается водой напрямую. При замене мишени вода попадает в высоковакуумную камеру, что может привести к порче дорогостоящего вакуумного оборудования. Кроме того, магниты находятся постоянно в воде, что приводит к их коррозии и изменению параметров, вследствие чего ухудшается работа узла и сокращается срок его службы.

Известен узел катода магнетронного распылителя, содержащий основание из ферромагнитного материала, мишень, соединенную с катодом, установленные на катоде с внутренней стороны от мишени центральный и периферийные магниты и систему охлаждения. Катод выполнен П-образной формы и соединен с основанием через уплотнительную и изолирующую пластины с образованием герметичной камеры для охлаждающей жидкости, подвод и отвод которой осуществлен через выполненные в основании, уплотнительной и изолирующей пластинах отверстия (патент US 6171461).

В приведенном узле улучшен недостаток предыдущего, а именно исключено прямое охлаждение катода-мишени водой, что существенно ускоряет и облегчает замену мишени, а также исключает попадание воды в высоковакуумную камеру. Однако наличие двух разъемных вакуумных соединений в виде уплотнительной и изолирующей прокладок, образующих с катодом герметичную камеру, снижает надежность работы узла, поскольку в условиях глубокого вакуума, при высоких силовых и температурных нагрузках возможна их разгерметизация. Кроме того, в ходе выработки мишени значительно ослабляется прижим ее центральной части к основанию, что может привести к перегреву мишени, ее оплавлению и выходу устройства из строя.

Известен узел катода магнетронного распылителя, содержащий основание из ферромагнитного материала, соединенную с основанием мишень из распыляемого материала и установленные на основании с внутренней стороны от мишени магниты, отделенные от нее зазором. Система охлаждения выполнена в виде трубопровода из ферромагнитного материала, размещенного между основанием и мишенью. Трубопровод имеет форму овала или змейки и изолирован от мишени и магнитов телепроводящими элементами, выполненными из неферромагнитного материала (патент RU №2319788, опубл. 20.10.2010 г.).

В известном узле исключены разъемные высоковакуумные уплотнения внутри устройства, снижающие надежность его работы. Однако выполнение системы охлаждения в виде трубопровода из ферромагнитного материала также не обеспечивает надежной работы узла. Трубопровод, как правило, изготавливают из тонкостенного толщиной стенки 1,5-2 мм профиля, имеющего сварной шов. При работе устройства в вакууме под действием высоких температурных нагрузок происходят значительные колебания охлаждающей жидкости в трубопроводе, которые могут привести к нарушению его герметичности и попаданию воды в высоковакуумную камеру, в которой напряжение на распылителе-мишени достигает 200-800 В. Опыт эксплуатации устройства показал, что это может привести к короткому замыканию, возникновению дуги и полному выходу устройства из строя.

Кроме того, поврежденный трубопровод не подлежит восстановлению, поскольку сварка тонкостенного трубопровода в обычных условиях затруднена и не приводит к восстановлению его герметичности. И, наконец, из-за высоких нагрузок трубопровод имеет небольшой срок службы (1,5-2 года), что уменьшает срок службы всего дорогостоящего узла.

Узел, приведенный последним, является наиболее близким решением по технической сущности.

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности и долговечности узла при его эксплуатации.

Эта задача решается таким образом, что в узле катода магнетронного распылителя, содержащем основание из ферромагнитного материала, соединенную с основанием мишень из распыляемого материала, установленные на основании с внутренней стороны от мишени магниты, отделенные от нее зазором, и систему охлаждения, согласно изобретению на основании со стороны мишени симметрично его продольной оси выполнен ориентированный по его длине с плоской верхней поверхностью выступ, образующий замкнутый контур, отделенный от мишени теплопроводящей прокладкой, а система охлаждения образована каналом, выполненным с противоположной стороны основания под вышеупомянутым контуром и герметично закрытым заглушкой, при этом в последней выполнены отверстия для подвода и отвода охлаждающей жидкости.

Канал в поперечном сечении может быть выполнен ступенчатым, а заглушка герметично установлена на полках ступени.

Выполнение на основании со стороны мишени симметрично его продольной оси ориентированного по его длине с плоской верхней поверхностью выступа, образующего замкнутый контур, отделенного от мишени теплопроводящей прокладкой, обеспечивают надежный тепловой контакт с мишенью-катодом и гарантирует ее хорошее охлаждение.

Выполнение системы охлаждения в виде канала, выполненного с противоположной стороны основания под выпуклым контуром и герметично закрытого заглушкой с отверстиями для подвода и отвода охлаждающей жидкости, обеспечивает надежную герметичность (вакуумную плотность), хорошее охлаждение, жесткость и плоскость конструкции, обеспечивающие длительный ресурс безотказной работы.

Выполнение канала в поперечном сечении ступенчатым обеспечивает удобство установки и герметизации (сварки) заглушек, гарантирует одинаковую их установку по высоте.

Предлагаемое конструктивное решение узла значительно упрощает его конструкцию наладку и ремонт, а также повышает надежность при эксплуатации.

Заявителю неизвестно использование в науке и технике отличительных признаков узла катода магнетронного распылителя с достижением указанного технического результата.

На фиг.1 представлен узел катода магнетронного распылителя в поперечном сечении, на фиг.2 - вид в плане основания.

Узел катода магнетронного распылителя содержит основание 1 из ферромагнитного материала и мишень 2 из распыляемого материала, соединенные между собой при помощи болтов 3. Основание 1 со стороны мишени имеет симметричный относительно его продольной оси и ориентированный по его длине с плоской верхней поверхностью выступ 4, образующий замкнутый контур. Между мишенью 2 и выступом 4 размещена теплопроводящая прокладка 5. На основании 1 со стороны мишени 2 установлены магниты 6, 7, 8 и 9, отделенные от нее зазором. На противоположной стороне основания 1 выполнен ступенчатый в поперечном сечении канал 10 для охлаждающей жидкости. Канал 10 герметично закрыт сварным соединением заглушкой 11, установленной на полках ступени. В заглушке 11 выполнены отверстия 12 для подвода и 13 для отвода охлаждающей жидкости. Узел установлен внутри электростатического экрана 14, электрически изолированного от него при помощи изоляционных втулок 15, сквозь которые проходят крепежные болты 16, соединяющие основание 1 с электростатическим экраном. Напыляемое изделие 17 устанавливают на расстоянии от наружной стороны мишени 2.

Узел работает следующим образом.

Магнетронный распылитель с узлом катода помещают в вакуумную камеру (не показана), из которой откачивают воздух, после чего в камеру подают рабочий газ, а в канал 10 - охлаждающую жидкость. Узел катода соединяют с отрицательным источником питания, а анодную систему (не показана) - с положительным. Над мишенью 2 возникает зона газоразрядной плазмы, которая поддерживается скрещенными электрическим и магнитным полями. Электроны, образованной над мишенью плазмы, удерживаются магнитным полем и дрейфуют по замкнутой траектории над мишенью, ионизируя рабочий газ. Получаемые при этом положительные ионы рабочего газа ускоряются электрическим полем узла катода, приобретают кинетическую энергию и бомбардируют мишень 2 так, что частицы материала (металла, сплава) выбиваются из мишени и конденсируются на поверхности напыляемого изделия 17. Охлаждающая жидкость, циркулируя по каналу 10, обеспечивает охлаждение мишени 2, предотвращая ее разрушение от тепловых нагрузок и охлаждение магнитов 6, 7, 8 и 9 до температуры, не изменяющей их магнитных свойств.

Значительная толщина свариваемых деталей - основания и заглушки обеспечивает их качественное и надежное соединение, что способствует надежной и долговечной работе узла.

Предлагаемый узел прост в изготовлении и обеспечивает надежную стабильную работу в течение длительного времени.

Изобретение относится к магнетронным системам, в частности к конструкции катодов, предназначенных для распыления мателлов, их сплавов и соединений при нанесении покрытий в вакууме. В узле катода магнетронного распылителя магниты установлены на основании из ферромагнитного материала и отделены от мишени зазором, при этом основание со стороны мишени выполнено с ориентированным по его длине симметричным его продольной оси выступом, который образует замкнутый контур, отделенный от мишени теплопроводящей прокладкой, с противоположной стороны основания под контуром выполнен ступенчатый в поперечном сечении канал для охлаждающей жидкости, который герметично закрыт заглушкой и в котором выполнены отверстия для подвода и отвода охлаждающей жидкости. Изобретение направлено на повышение надежности работы узла и увеличение его срока службы. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Узел катода магнетронного распылителя, содержащий основание из ферромагнитного материала, соединенную с основанием мишень из распыляемого материала, установленные на основании с внутренней стороны от мишени магниты, отделенные от нее зазором, и систему охлаждения, отличающийся тем, что на основании со стороны мишени симметрично ее продольной оси выполнены ориентированные по его длине с плоской верхней поверхностью выступы, образующие замкнутый контур, отделенный от мишени теплопроводящей прокладкой, а система охлаждения образована каналом, выполненным с противоположной стороны основания под вышеупомянутым контуром и герметично закрытым заглушкой, при этом в последней выполнены отверстия для подвода и отвода охлаждающей жидкости.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что канал в поперечном сечении выполнен ступенчатым, а заглушка герметично установлена на полках ступени.