Распылительное устройство Российский патент 2023 года по МПК H01J27/04 

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 1 мкм и выше. 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, однако не позволяет полностью устранить капли в покрытиях.

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. Если мишень изготовлена из кобальта, никеля, железа, их сплавов или других ферромагнитных материалов, магнитная система не может формировать вблизи внутренней поверхности мишени поле с арочной конфигурацией силовых линий, так как в этом случае они проходят внутри мишени.

Недостатками устройства являются низкая эффективность использования материала мишени и невозможность распылять ферромагнитные материалы.

Задачей предложенного технического решения является создание распылительного устройства с более высокой эффективностью использования материала мишени и с возможностью распылять ферромагнитные материалы.

Технический результат - расширение эксплуатационных возможностей за счет повышения эффективности использования материала мишени, а также возможности распылять мишени из ферромагнитных материалов.

Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что распылительное устройство, содержащее плоскую круглую мишень, являющуюся катодом тлеющего разряда, вакуумную камеру, являющуюся анодом тлеющего разряда, и источник питания тлеющего разряда, соединенный отрицательным полюсом с мишенью, а положительным полюсом - с вакуумной камерой, снабжено плоской металлической сеткой, установленной параллельно распыляемой поверхности мишени и источником постоянного напряжения, соединенным отрицательным полюсом с сеткой, а положительным полюсом - с вакуумной камерой.

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

Устройство содержит плоскую круглую мишень 1, являющуюся катодом тлеющего разряда, вакуумную камеру 2, являющуюся анодом тлеющего разряда, источник питания тлеющего разряда 3, соединенный отрицательным полюсом с мишенью 1 и положительным полюсом с вакуумной камерой 2, плоскую металлическую сетку 4, установленную параллельно распыляемой поверхности мишени 1 и источник постоянного напряжения 5, соединенный отрицательным полюсом с сеткой 4, а положительным полюсом - с вакуумной камерой 2.

Устройство работает следующим образом.

Вакуумную камеру 2 с обрабатываемым изделием 6 внутри нее откачивают до давления 1 мПа, затем подают в нее аргон и увеличивают давление в вакуумной камере 2 до ~ 10 Па. Включением источника питания 3 подают напряжение U ~ 400 В между вакуумной камерой 2, являющейся анодом разряда, и мишенью 1, являющейся катодом разряда, включением источника постоянного напряжения 5 подают напряжение U_c ~ 400 В между вакуумной камерой 2 и сеткой 4. В результате зажигается тлеющий разряд, и вакуумная камера 2 заполняется плазмой 7, отделенной от поверхности мишени 1 слоем объемного заряда 8, а от поверхности сетки 4 - сеточными слоями объемного заряда 9 и 10. При постоянном напряжении U_c=400 В между вакуумной камерой 2 и сеткой 4 увеличение напряжения между вакуумной камерой 2 и мишенью 1 до U=2000 В приводит к росту тока I_c в цепи сетки 4 от 0,5 до 2 А, росту тока I в цепи мишени 1 от 0,3 до 2,5 А и значительному увеличению ширины слоя объемного заряда 8 у поверхности мишени 1.

При бомбардировке мишени 1 ионами 12 аргона она эмитирует электроны, которые ускоряются в слое объемного заряда 9 между плазмой 7 и мишенью 1 до энергии eU=2000 эВ, где U - катодное падение потенциала разряда между плазмой 7 и мишенью 1. При давлении ~ 10 Па эти электроны пролетают до сетки 4 без столкновений и не ионизуют газ. Однако в результате бомбардировки сетки 4 они вызывают вторичную электронную эмиссию с ее поверхности, приводящую к повышению интенсивности ионизации газа. Эмитированные сеткой 4 электроны 11 ускоряются в слое 9 до энергии eU_c=400 эВ и после пролета через плазму 7 отражаются в слое 8. Образуется электростатическая ловушка, в которой осциллирующие между слоями 8 и 9 электроны 11 проходят путь, превышающий ее размеры в десятки и сотни раз. На расстоянии от оси мишени 1, равном ее радиусу, число быстрых осциллирующих электронов 11 и концентрация плазмы 7 быстро снижаются. Это вызывает повышение ширины слоев 8 и 9, наклон границ этих слоев и появление у отражающихся от них осциллирующих электронов 11 составляющей скорости в направлении к оси мишени 1. В результате большинство ионизаций в разряде осуществляется в промежутке между мишенью 1 и сеткой 4 осциллирующими электронами 11 и здесь концентрация плазмы 7 максимальна и достаточно однородна.

Ионы 12 из плазмы 7 ускоряются в слое 8 и с энергией eU=2000 эВ распыляют мишень 1. Распыленные атомы 13 ее материала, например, никеля пролетают через сетку 4 и осаждаются на поверхности изделия 6. При этом благодаря высокой однородности плазмы 7 в промежутке между мишенью 1 и сеткой 4 вся поверхность мишени 1 распыляется однородно, что обеспечивает максимальную эффективность использования материала мишени 1.

Проведенные исследования модели заявленного устройства с мишенью 1 из никеля толщиной 6 мм, диаметром 80 мм и молибденовой сеткой 4 диаметром 110 мм с прозрачностью 80% на расстоянии 30 мм от мишени 1 продемонстрировали возможность осаждать с его помощью покрытия из ферромагнитных материалов, не содержащие микрокапли материала мишени 1. При давлении аргона 10 Па и напряжении 2000 В между вакуумной камерой 2 и мишенью 1 с током 2,5 А в ее цепи скорость осаждения никелевого покрытия на изделие 6 (подложку из титана) на расстоянии 40 мм от сетки 4 составила 2,4 мкм/ч. Осмотр мишени 1 после 10 ч эксплуатации свидетельствует об однородном распылении ее поверхности, а следовательно, о высокой эффективности использования ее материала.

В силу изложенного, по сравнению с прототипом предлагаемое распылительное устройство, содержащее плоскую круглую мишень, являющуюся катодом тлеющего разряда, вакуумную камеру, являющуюся анодом тлеющего разряда, и источник питания тлеющего разряда, соединенный отрицательным полюсом с мишенью, а положительным полюсом - с вакуумной камерой, снабженное плоской металлической сеткой, установленной параллельно распыляемой поверхности мишени и источником постоянного напряжения, соединенным отрицательным полюсом с сеткой, а положительным полюсом - с вакуумной камерой, значительно повышает эффективность использования материала мишени и позволяет распылять мишени из ферромагнитных материалов.

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 и распыления мишеней из ферромагнитных материалов.

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

Изобретение относится к устройствам для осаждения покрытий на изделия в вакуумной камере, в том числе покрытий из ферромагнитных материалов. Технический результат - расширение эксплуатационных возможностей за счет повышения эффективности использования материала мишени, а также возможности распылять мишени из ферромагнитных материалов. Распылительное устройство содержит плоскую круглую мишень, являющуюся катодом тлеющего разряда, вакуумную камеру, являющуюся анодом тлеющего разряда, источник питания тлеющего разряда, соединенный отрицательным полюсом с мишенью, а положительным полюсом с вакуумной камерой, плоскую металлическую сетку, установленную параллельно распыляемой поверхности мишени, и источник постоянного напряжения, соединенный отрицательным полюсом с сеткой, а положительным полюсом с вакуумной камерой. 1 ил.

Распылительное устройство, содержащее плоскую круглую мишень, являющуюся катодом тлеющего разряда, 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 плоской металлической сеткой, установленной параллельно распыляемой поверхности мишени и источником постоянного напряжения, соединенным отрицательным полюсом с сеткой, а положительным полюсом с вакуумной камерой.