Магнетронное распылительное устройство Российский патент 2020 года по МПК H01J27/04 C23C14/35 

Изобретение относится к устройствам для осаждения покрытий на изделиях в вакуумной камере.

Известно устройство для осаждения покрытий, в котором металлическая мишень испаряется в камере катодными пятнами вакуумной дуги и ее материал осаждается на изделиях в виде покрытий (Патент США №526147, 1894 г.).

Недостатком устройства являются образующиеся при испарении микрокапли металла, осаждающиеся на изделиях вместе с покрытием. Капли обусловлены преобладанием на очищенной дугой поверхности мишени катодных пятен второго рода, перемещающихся со скоростью 0,1-1 м/с и эмитирующих множество капель размером до 5 мкм. Пятна первого рода, перемещающиеся со скоростью 10-100 м/с и эмитирующие малое количество капель значительно меньшего размера, существуют лишь в первые минуты работы устройства на неочищенной от оксидных, нитридных и прочих пленок на поверхности мишени.

Известно устройство для осаждения покрытий, в котором реактивный газ, например, азот, подается в камеру через отверстия в мишени, испаряемой катодными пятнами дуги (Заявка на европейский патент №97850056.9, 1997 г.). Давление вблизи поверхности мишени на порядок превышает давление вблизи изделий, что позволяет быстро восстанавливать и поддерживать на ней пленку, например, нитридную. Это обеспечивает преобладание быстро перемещающихся катодных пятен первого рода, эмитирующих значительно меньшее число капель металла меньшего размера.

Наиболее близким решением по технической сущности к изобретению является магнетронное распылительное устройство, содержащее плоскую круглую мишень из необходимого металла, являющуюся катодом тлеющего разряда, магнитную систему, один из полюсов которой прилегает к центру внешней поверхности мишени, а второй ее полюс прилегает к периферии внешней поверхности мишени, вакуумную камеру, являющуюся анодом тлеющего разряда, и источник питания тлеющего разряда, соединенный отрицательным полюсом с мишенью, а положительным полюсом - с вакуумной камерой (Патент США №3878085, 1975 г.). Магнитная система формирует вблизи внутренней поверхности мишени поле с арочной конфигурацией силовых линий. При бомбардировке мишени ионами аргона она эмитирует электроны, которые ускоряются в слое объемного заряда между плазмой и мишенью до энергии eU, где U - катодное падение потенциала разряда между плазмой и мишенью. Каждый электрон, влетевший в плазму, движется в ней по отрезку окружности, перпендикулярной магнитному полю, возвращается в слой и отражается в нем обратно в плазму. Образуется магнитная ловушка, в которой электроны проходят по замкнутой криволинейной траектории вблизи поверхности мишени путь, превышающий ее размеры в сотни и тысячи раз. Участки силовых линий магнитного поля на выходе из центра мишени и на пересечении с ее поверхностью на периферии не позволяют им вылететь из кольцевой области магнитной ловушки в радиальном направлении. Это обеспечивает поддержание тлеющего разряда при давлении газа 0,1-1 Па и транспортировку атомов распыляемой мишени до изделий. В потоке атомов полностью отсутствуют микрокапли материала мишени, что повышает качество покрытий, однако площадь участка поверхности, распыляемой ионами, не превышает 25% общей площади круглой мишени. Не распыленными остаются круглый участок в центре мишени и больший в несколько раз по площади кольцевой участок поверхности на ее периферии.

Недостатком устройства является низкая эффективность использования материала мишени.

Задачей предложенного технического решения является создание магнетронного распылительного устройства с более высокой эффективностью использования материала мишени.

Технический результат - расширение эксплуатационных возможностей за счет повышения эффективности использования материала мишени, а также снижение затрат на изготовление распыляемых мишеней.

Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что магнетронное распылительное устройство, содержащее плоскую круглую мишень, являющуюся катодом тлеющего разряда, магнитную систему один из полюсов которой прилегает к центру внешней поверхности мишени, вакуумную камеру, являющуюся анодом тлеющего разряда, и источник питания тлеющего разряда, соединенный отрицательным полюсом с мишенью, а положительным полюсом - с вакуумной камерой, снабжено охватывающим мишень и соединенным с ней электрически цилиндрическим электродом, а второй полюс магнитной системы прилегает к внешней поверхности цилиндрического электрода.

Изобретение поясняется Фиг. 1, где изображена схема магнетронного распылительного устройства.

Устройство содержит плоскую круглую мишень 1, являющуюся катодом тлеющего разряда, магнитную систему 2, один из полюсов которой прилегает к центру внешней поверхности мишени 1, вакуумную камеру 3, являющуюся анодом тлеющего разряда, источник питания тлеющего разряда 4, соединенный отрицательным полюсом с мишенью 1 и положительным полюсом с вакуумной камерой 3, охватывающий мишень 1 и соединенный с ней электрически цилиндрический электрод 5, к внешней поверхности которого прилегает второй полюс магнитной системы 2.

Устройство работает следующим образом.

Вакуумную камеру 3 с обрабатываемым изделием 7 внутри нее откачивают до давления 1 мПа. затем подают в нее аргон и увеличивают давление в вакуумной камере 4 до 0,5-1 Па. Включением источника питания 4 подают напряжение U до 500 В между вакуумной камерой 3, являющейся анодом разряда, и мишенью 1, являющейся катодом разряда. В результате зажигается тлеющий разряд, и вакуумная камера 3 заполняются плазмой 8, отделенной от поверхности мишени 1 и соединенного с ней электрически цилиндрического электрода 5 слоем объемного заряда 9. При бомбардировке мишени 1 ионами аргона 10 она эмитирует электроны, которые ускоряются в слое объемного заряда 9 между плазмой 8 и мишенью 1 до энергии eU, где U - катодное падение потенциала разряда между плазмой 8 и мишенью 1. Каждый эмитированный электрон, влетевший в плазму 8, движется в ней по отрезку окружности в плоскости, перпендикулярной силовым линиям 6 магнитного поля, возвращается в слой 9 и отражается в нем обратно в плазму 8. Образуется магнитная ловушка, в которой электроны проходят по замкнутым круговым траекториям вблизи мишени 1 путь, превышающий ее размеры в сотни и тысячи раз. Они не могут вылететь из ловушки за границу мишени 1, так как отражаются электрическим полем у поверхности цилиндрического электрода 5, соединенного электрически с мишенью 1. Перпендикулярные поверхности мишени 1 участки силовых магнитных линий 6 в центре мишени 1 не позволяют им вылететь из магнитной ловушки через центральную область. Отсутствие здесь быстрых электронов вызывает резкое снижение концентрации плазмы 8 и скорости распыления мишени 1 при приближении к ее центру. В то же время, с увеличением расстояния от центра мишени 1 интенсивность распыления ее поверхности практически не снижается вплоть до самой ее границы.

Ионы 10 из плазмы 8 ускоряются в слое 9 и с энергией в сотни эВ бомбардируют и распыляют мишень 1. Образующиеся в результате ее распыления атомы металла 11, например, титана влетают в вакуумную камеру 4 и осаждаются на поверхности изделия 7.

Проведенные исследования модели заявленного устройства с титановой мишенью толщиной 6 мм, диаметром 120 мм, и цилиндрическим электродом с внутренним диаметром 120 мм и высотой 30 мм, изготовленным из листа титана толщиной 1,5 мм показали, что поверхность мишени площадью 113 см² распыляется достаточно однородно за исключением центральной области диаметром около 3 см с площадью 7 см². Это позволяет оценить эффективность использования материала мишени величиной ~(113-7)/113=93%.

В силу изложенного, по сравнению с прототипом предлагаемое магнетронное распылительное устройство, содержащее плоскую круглую мишень, являющуюся катодом тлеющего разряда, магнитную систему, один из полюсов которой прилегает к центру внешней поверхности мишени, вакуумную камеру, являющуюся анодом тлеющего разряда, и источник питания тлеющего разряда, соединенный отрицательным полюсом с мишенью, а положительным полюсом - с вакуумной камерой, снабженное охватывающим мишень и соединенным с ней электрически цилиндрическим электродом, к внешней поверхности которого прилегает второй полюс магнитной системы, значительно повышает эффективность использования материала мишени, что позволяет для осаждения покрытий на заданное количество изделий использовать меньшее число мишеней.

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для осаждения покрытий на изделиях;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в нижеизложенной формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;

объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата - расширения эксплуатационных возможностей за счет повышения эффективности использования материала мишени, а также снижения затрат на изготовление распыляемых мишеней.

Следовательно, заявленный объект соответствует требованиям условий патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Изобретение относится к ионно-плазменной технологии и может быть использовано для осаждения покрытий на изделия в вакууме. Магнетронное распылительное устройство содержит плоскую круглую мишень, являющуюся катодом тлеющего разряда, магнитную систему, один из полюсов которой прилегает к центру внешней поверхности мишени, вакуумную камеру, являющуюся анодом тлеющего разряда, и источник питания тлеющего разряда, соединенный отрицательным полюсом с мишенью, а положительным полюсом - с вакуумной камерой, снабжено охватывающим мишень и соединенным с ней электрически цилиндрическим электродом, а второй полюс магнитной системы прилегает к внешней поверхности цилиндрического электрода. Технический результат - расширение эксплуатационных возможностей за счет повышения эффективности использования материала мишени, а также снижение затрат на изготовление распыляемых мишеней. 1 ил.

Магнетронное распылительное устройство, содержащее плоскую круглую мишень, являющуюся катодом тлеющего разряда, магнитную систему, один из полюсов которой прилегает к центру внешней поверхности мишени, вакуумную камеру, являющуюся анодом тлеющего разряда, и источник питания тлеющего разряда, соединенный отрицательным полюсом с мишенью, а положительным полюсом - с вакуумной камерой, отличающееся тем, что оно снабжено охватывающим мишень и соединенным с ней электрически цилиндрическим электродом, к внешней поверхности которого прилегает второй полюс магнитной системы.