МИШЕНЬ, ПРИСПОСОБЛЕННАЯ К УСТРОЙСТВУ ОПОСРЕДСТВОВАННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ Российский патент 2017 года по МПК C23C14/34 

Настоящее изобретение относится к мишени, поверхность которой служит в качестве источника материала в рамках процесса PVD (от англ. physical vapour deposition - напыление конденсацией из паровой (газовой) фазы), в частности, в условиях вакуума. Изобретение относится, в частности, к таким мишеням, которые применяются для напыления (ниже термин «напыление» используется равнозначно PVD-процессу «распыления»). Такая мишень при применении чаще всего удерживается в креплении источника, в котором предусмотрены средства для охлаждения мишени. Изобретение относится, в частности, к источнику покрытия, который включает в себя такую мишень.

При напылении в условиях вакуума поверхность мишени бомбардируется ионами. Вследствие бомбардировки из поверхности мишени выбивается материал, который может осаждаться на предусмотренных для этого, расположенных в поле зрения поверхности мишени подложках. Необходимые для этого ионы обеспечиваются плазмой, создаваемой над поверхностью мишени. При приложении отрицательного напряжения к мишени ионы ускоряются к ней. Чем больше ионов протекает в единицу времени, тем выше будет скорость нанесения покрытия. Чем выше прилагаемое к мишени напряжение, тем выше скорость падения ионов на поверхность мишени и тем более высокоэнергетичен выбиваемый из мишени распыляемый материал. Поэтому желателен подвод высокой мощности. Кроме того, известны зависимости между степенью ионизации распыляемого материала и плотностью мощности. Эти эффекты используются в процессе HIPIMS (от англ. high power impulse magnetron sputtering - магнетронное распыление импульсами высокой мощности).

Средняя плотность мощности, которая подводится к такой распыляемой мишени, находится, как правило, в пределах от 5 Вт/см² до 30 Вт/см².

Однако напыление представляет собой PVD-метод нанесения покрытия c низкой энергетической эффективностью. Это означает, что большая часть обеспечиваемой энергии в мишени преобразуется в тепло, и мишень нагревается. Это тепло должно отводиться посредством охлаждения. Для этого согласно уровню техники имеются различные подходы, которые необходимо коротко пояснить ниже.

a) непосредственно охлаждаемая мишень

При непосредственно охлаждаемой мишени, как схематично изображено на фиг. 1, преобразуемая на поверхности 3 мишени в тепло мощность за счет теплопроводности в материале 5 мишени отводится к задней стороне 7 мишени. Текущая в водяном канале 9 охлаждающая жидкость 11 может отводить поток тепла соответственно своей теплоемкости и режиму течения. Имеется очень хороший непосредственный тепловой контакт между задней стороной 7 мишени и охлаждающей жидкостью 11. В этом случае, однако, необходимо присоединять мишень, например, посредством винтов 13, к корпусу 15. Кроме того, должно предусматриваться уплотнение 17, которое уплотняет вакуум относительно охлаждающей жидкости 11, например, воды. На фиг. 1, кроме того, показаны электрические подводящие провода 6. В остальном этот чертеж представляет собой только схематичный чертеж. Другие компоненты, например, для создания вакуума, изоляции, подвода и отвода охлаждающей жидкости, известны эксперту, и их изображение здесь было опущено.

Эта непосредственно охлаждаемая мишень, хотя и подкупает очень хорошей способностью к охлаждению, но из-за уплотнения охлаждающей среды от вакуума и необходимого разделения связи воды с мишенью обладает существенными недостатками при замене мишени. Так, например, существует опасность образования утечки охлаждающей жидкости. Эта опасность особенно велика тогда, когда требуется частая замена материала мишени.

b) опосредствованно охлаждаемая мишень

При опосредствованно охлаждаемой мишени, как изображено на фиг. 2, мишень 201 своей задней стороной 203 крепится к креплению 205 источника (напр., привинчивается или зажимается), при этом в креплении 205 источника встроена замкнутая охлаждающая пластина 207. Охлаждающая пластина 207 включает в себя, например, канал 209 охлаждения с протекающей по нему охлаждающей средой, посредством текучести которой отводится тепло.

В этом случае канал для охлаждающей жидкости ограничивается массивной фиксированной накладкой. Мишень с целью охлаждения и электрического контактирования крепится к этой накладке, например, винтами по периметру или при необходимости за середину мишени. Этот метод приводит, в частности, к двум проблемам.

Теплопередача осуществляется через поверхность задней стороны мишени и поверхность охлаждающей пластины. Без особых мер эти две поверхности образуют границу раздела, которая сильно отличается от идеального гладкого контактного сопряжения. Такая ситуация изображена на фиг. 3. Теплопередача в этом случае сильно снижена и оказывается зависимой от давления. Но давление прижатия может прикладываться, например, только посредством крепежных винтов, т.е. возможно только локальное улучшение теплопередачи.

Эта ситуация может улучшаться при наличии контактной фольги между этими двумя поверхностями. Она может, например, состоять из индия, олова или графита. Эти фольги, благодаря их пластичности, могут компенсировать неровности между задней стороной мишени и поверхностью охлаждающей пластины. Кроме того, давление прижатия может прикладываться по поверхности более равномерно.

Недостатком этого метода является то, что монтаж контактной фольги, в частности при вертикально монтируемой мишени, труден и неудобен. Это имеет значение, в частности тогда, когда происходит частая замена материала мишени. И хотя в случае графитовых фольг теплопроводность в продольном направлении хорошая, однако теплопроводность в поперечном направлении плохая. Поэтому графитовые фольги должны, с одной стороны, быть тонкими, чтобы их плохая теплопроводность в поперечном направлении не препятствовала процессу охлаждения. С другой стороны, необходима определенная толщина фольги, чтобы избежать повреждения фольги при монтаже. Поэтому графитовые фольги с толщиной меньше 0,5 мм не применяются.

Поэтому существует потребность в усовершенствованном устройстве охлаждения мишени, которое, в частности, улучшит замену материала мишени по сравнению с известными из уровня техники устройствами.

Изобретение основывается на усовершенствовании поясненного выше опосредствованного охлаждения. В соответствии с изобретением задача решается за счет того, что на задней стороне корпуса мишени наклеена самоклеющаяся углеродная фольга в фиксированной связи с корпусом мишени. При не смонтированном корпусе мишени фольга может равномерно и без промежутков склеиваться с задней стороной корпуса мишени. При этом обеспечивается очень хороший тепловой контакт между задней стороной корпуса мишени и углеродной фольгой. Затем корпус мишени может простым образом монтироваться на креплении источника. Теперь зафиксированная на мишени углеродная фольга действует в качестве контактной фольги между поверхностью охлаждающей пластины и задней стороной корпуса мишени.

Применение такой самоклеющейся углеродной фольги в области вакуумной технологии необычно. Так как клеи, применяемые для изготовления самоклеющейся углеродной фольги, в условиях вакуума сильно выгазовываются и при этом имеют негативное влияние на вакуум и соответствующие летучие компоненты, загрязняя обрабатываемые в вакууме подложки, такие вещества не применяются.

В отличие от этого, изобретатели, к своему удивлению, установили, что самоклеющиеся фольги, применяемые так, как описано выше, не имеют заметных описанных негативных эффектов. Это можно было бы объяснить тем, что вследствие тесного контакта с задней стороной поверхности мишени и вследствие контакта углеродной фольги с мембраной выгазовывание клея чрезвычайно замедляется и поэтому несущественно.

Теперь изобретение поясняется подробно с помощью чертежей и на разных примерах реализации.

На фиг. 1 показан традиционный источник покрытия с непосредственным охлаждением.

На фиг. 2 показан традиционный источник покрытия с опосредствованным охлаждением.

На фиг. 3 показан ограниченный тепловой контакт у источника покрытия с охлаждением по фиг. 2.

На фиг. 4 показан в разрезе один вариант реализации предлагаемой изобретением мишени с нанесенной самоклеющейся углеродной фольгой.

На фиг. 5 показана предлагаемая изобретением мишень, встроенная в источник покрытия с опосредствованным охлаждением по первому варианту реализации.

На фиг. 6 показана предлагаемая изобретением мишень, встроенная в источник покрытия по второму варианту реализации.

Соответственно этому на фиг. 4 показана мишень 401, на задней стороне 403 которой нанесена самоклеющаяся с одной стороны углеродная фольга 407 с толщиной между 0,1 мм и менее чем 0,5 мм. Предпочтительная и выбранная в этом примере толщина углеродной фольги составляет 0,125 мм. В этом примере применялась контактная фольга фирмы Кунце (Kunze) с идентификационным номером продукта KU-CB1205-AV.

На фиг. 4 показан также более точный фрагмент границы раздела задней стороны мишени и самоклеющейся углеродной фольги. Углеродная фольга включает в себя при этом пленку 409 клея, которая делает углеродную фольгу самоклеющейся фольгой, а также пленку 411 углерода.

Мишень по фиг. 4 может хорошо встраиваться в источник покрытия с опосредствованным охлаждением, как показано на фиг. 5. Мишень 501 с самоклеющейся углеродной фольгой 507 фиксируется винтами 513 на передней стороне крепления 505 источника, при этом в крепление источника встроена охлаждающая пластина с каналом 509 охлаждения, и углеродная фольга 507 прижимается к задней стороне 503 охлаждающей пластины, вследствие чего возникает хороший тепловой контакт с охлаждающей пластиной. Вследствие предусматриваемого изобретением наклеивания углеродной фольги на заднюю сторону мишени замена мишени очень упрощается, даже когда мишень смонтирована в камере нанесения покрытия вертикально.

Улучшенным вариантом опосредствованного охлаждения является опосредствованное охлаждение посредством подвижной мембраны, как показано на фиг. 6. Конструкция аналогична показанной на фиг. 5, с мишенью 601, снабженной самоклеющейся углеродной фольгой 607, креплением 605 источника, каналом 609 охлаждения, при этом, однако, та стенка охлаждающей пластины, которая отделяет канал 609 охлаждения от углеродной фольги 607, в этом предпочтительном варианте реализации выполнена в виде гибкой мембраны 603. Охлаждающая среда может, например, представлять собой воду. При замене мишени нет необходимости отсоединять водяное уплотнение. Когда мишень 601 с помощью подходящих средств (напр., посредством скоб 613 или винтов) фиксируется на креплении 605 источника, то вследствие действующего в канале 609 охлаждения гидростатического давления мембрана 603 равномерно прижимается к задней стороне мишени и вместе с тем к самоклеющейся углеродной фольге 607 и возникает очень хороший плоскостный тепловой контакт.

То, что при этом существенную роль играет самоклеющаяся углеродная фольга, впечатляющим образом доказывает следующая таблица 1, в которой сравнивается температура мишени с самоклеющейся углеродной фольгой и без нее для различных мощностей напыления и двух разных составов материала:

Таблица 1 № Тип мишени Углеродная фольга Мощность напыления Температура мишени 1 AlCr(70:30 ат.%) нет 5 кВт 235°C 2 AlCr(70:30 ат.%) да 5 кВт 132°C 3 AlCr(70:30 ат.%) да 7,5 кВт 171°C 4 AlCr(70:30 ат.%) да 10 кВт 193°C 5 AlTi(67:33 ат.%) да 5 кВт 138°C 6 AlTi(67:33 ат.%) да 7,5 кВт 182°C

Мишень без предусматриваемой изобретением самоклеющейся углеродной фольги, как в измерении № 1 таблицы 1, по механическим причинам может надежно эксплуатироваться только до мощности напыления 2,5 кВт. Благодаря применению предлагаемой изобретением мишени с самоклеющейся углеродной фольгой допустимая мощность более чем удваивается.

При других материалах мишени, т.е. при других соотношениях AlTi или AlCr, а также при чисто алюминиевых, титановых и/или хромовых мишенях обнаруживается качественно аналогичная картина. Настоящее изобретение проявляет особенно хорошее действие, когда применяются мишени толщиной от 6 мм до 18 мм. Предпочтительно толщина мишени составляет от 6 мм до 12 мм.

По одному из особенно предпочтительных вариантов реализации настоящего изобретения мишень 701 выполнена в виде мишени с самоклеющейся углеродной фольгой 705 на задней стороне 703 мишени и байонетным профилированием 707 согласно фиг. 7. Один предпочтительный источник покрытия по этому варианту реализации имеет описанное в связи с фиг. 6 опосредствованное охлаждение с мембраной и необходимыми для байонетной фиксации ответными элементами. Благодаря этому становится возможным высокое и равномерное давление прижатия. Этот предпочтительный вариант реализации обладает особым преимуществом именно в связи с мишенями, полученными методом порошковой металлургии, потому что они, начиная с температуры 150°C, механически ослабляются, а их тепловое расширение увеличивается. Вследствие снижения температуры мишени и обеспечиваемого байонетной фиксацией механического допуска, эта тепловая нагрузка значительно уменьшается. Для хромовых мишеней возможны, например, плотности мощности до 100 Вт/см².

Была описана мишень, которая выполнена как источник материала для процесса осаждения из газовой фазы, с передней стороной и задней стороной, которая отличается тем, что на задней стороне наклеена самоклеющаяся углеродная фольга. Мишень может быть выполнена как источник материала для процесса напыления и/или для процесса дугового испарения. Толщина самоклеющейся углеродной фольги может, например, составлять от 0,125 мм до 0,5 мм, а предпочтительно эта толщина может быть равной 0,125 мм.

Был описан источник покрытия, включающий в себя описанную выше мишень, которая расположена на креплении источника, в которое встроено опосредствованное охлаждение с каналом охлаждения.

У источника покрытия предпочтительно та стенка, которая отделяет канал охлаждения от самоклеющейся углеродной фольги, выполнена в виде гибкой мембраны, благодаря чему самоклеющаяся углеродная фольга образует с мембраной плоскостный контакт.

Периметр мишени источника покрытия предпочтительно выполнен так, что он взаимодействует с креплением источника в виде байонетного соединения, благодаря чему достигается более высокое и равномерное давление прижатия.

У опосредствованно охлаждаемого источника покрытия можно было бы также наклеить самоклеющуюся углеродную фольгу на ту стенку, которая отделяет канал охлаждения от задней стороны мишени. Это относится также к тому случаю, когда эта стенка выполнена в виде мембраны. Однако это имело бы тот недостаток, что при повреждении фольги она должна была бы неудобным образом удаляться с крепления источника и заменяться. Если самоклеющаяся углеродная фольга достаточно тонка, то можно также наносить ее как на заднюю сторону мишени, так и на ту стенку, которая отделяет канал охлаждения от задней стороны мишени.

Изобретение относится к способу нанесения покрытия на подложку путем напыления с конденсацией из газовой фазы в условиях вакуума и источнику материала для нанесения покрытия. Источник содержит мишень, имеющую переднюю и заднюю стороны и элемент крепления мишени с каналом охлаждения. Мишень задней стороной расположена на стенке упомянутого элемента крепления и зафиксирована на упомянутом элементе крепления с помощью средств фиксации. Стенка элемента крепления, на которой расположена мишень, выполнена в виде гибкой мембраны, отделяющей канал охлаждения от задней стороны мишени. На задней стороне мишени и/или на стенке элемента крепления, на которой расположена мишень, наклеена самоклеющаяся углеродная фольга. Способ нанесения покрытия на подложку состоит в напылении с конденсацией материала из газовой фазы в условиях вакуума и включает осаждение слоя материала с использованием источника материала. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Источник материала для нанесения покрытия на подложку путем напыления с конденсацией из газовой фазы в условиях вакуума, содержащий мишень (601, 701), имеющую переднюю и заднюю стороны и элемент крепления (605) мишени с каналом (609) охлаждения, при этом мишень задней стороной расположена на стенке упомянутого элемента крепления (605) мишени с каналом (609) охлаждения и зафиксирована на упомянутом элементе крепления (605) с помощью средств фиксации, при этом стенка элемента крепления (605), на которой расположена мишень, выполнена в виде гибкой мембраны (603), отделяющей канал (609) охлаждения от задней стороны мишени (601, 701), отличающийся тем, что на задней стороне мишени и/или на стенке элемента крепления, на которой расположена мишень, наклеена самоклеющаяся углеродная фольга (607, 705).

2. Источник по п. 1, отличающийся тем, что самоклеющаяся углеродная фольга (607, 705) наклеена таким образом, что когда мембрана (603) в процессе распыления вследствие действующего в канале (609) охлаждения гидростатического давления равномерно прижимается к задней стороне мишени (601, 701), она также прижимается к самоклеющейся углеродной фольге (607, 705) с обеспечением плоскостного теплового контакта между мембраной (603) и задней стороной мишени (601, 791) для снижения температуры мишени (601, 701).

3. Источник по п. 1 или 2, отличающийся тем, что самоклеющаяся углеродная фольга (607, 705) имеет толщину от 0,125 мм до менее 0,5 мм, предпочтительно 0,125 мм.

4. Источник по п. 1 или 2, отличающийся тем, что толщина мишени (601, 701) составляет от 6 мм до 18 мм, предпочтительно от 6 мм до 12 мм.

5. Источник по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве средств для фиксации мишени (601, 701) элемента крепления (605) предусмотрена система байонетного крепления.

6. Источник по п. 4, отличающийся тем, что мишень (701) взаимодействует с элементом крепления в виде байонетного соединения по периметру с обеспечением равномерного давления прижатия.

7. Источник по п. 1 или 2, отличающийся тем, что мишень (601, 701) изготовлена методом порошковой металлургии.

8. Способ нанесения покрытия на подложку путем напыления с конденсацией материала из газовой фазы в условиях вакуума, включающий в себя осаждение слоя материала с использованием источника по любому из пп. 1-7.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что температуру мишени поддерживают ниже 200°С.

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что распыление осуществляют мощностью до 10 кВт.

11. Способ по любому из пп. 8-10, отличающийся тем, что распыление мишени осуществляют при плотности мощности до 100 Вт/см².

12. Способ по любому из пп. 8-10, отличающийся тем, что используют мишень из AlTi, AlCr, Al, Ti, TiCr или Cr.