Комбинированная мишень для планарного магнетрона и способ её изготовления Российский патент 2023 года по МПК H01J25/00 

Предлагаемое изобретение относится к области материалов для магнетронного распыления, а именно – к комбинированной мишени для планарного магнетрона и способу её изготовления. Заявленное техническое решение возможно использовать для получения комбинированных мишеней из новых инновационных материалов – с более низкой стоимостью, так как при условии если мишень изготовлена из одного материала, то в расход на напыление идет до 30% материала мишени, а оставшаяся часть (70%) мишени не используется по назначению. Вследствие указанного заявленное техническое решение (комбинированная мишень) становится более дешёвой в случаях если наносятся более дорогие материалы, либо материалы, не изготавливаемые в промышленности, которые изготавливаются заявителем в зависимости от того, какой материал следует наносить на покрываемое изделие.

Далее в тексте заявителем приведены термины, которые необходимы для облегчения однозначного понимания сущности заявленных материалов и исключения противоречий и/или спорных трактовок при выполнении экспертизы по существу.

Магнетронное распыление – технология нанесения тонких плёнок на подложку с помощью катодного распыления мишени в плазме газового разряда. Технологические устройства, предназначенные для реализации этой технологии, называют магнетронными распылительными системами. Принцип магнетронного распыления основан на образовании над поверхностью катода столба плазмы, образующейся в результате столкновения электронов с молекулами инертного газа, чаще всего аргона. Для эффективной ионизации аргона под распыляемый материал (мишень) размещают магнит магнетрона.

В настоящее время часто возникает проблема подбора сложных комбинированных материалов для получения новых покрытий для твердооксидных элементов. При этом также стоит проблема снижения стоимости мишеней.

Известно изобретение по патенту РФ 2068886 «Способ изготовления и реставрации мишени для магнетронного распыления в вакууме», сущностью является обеспечение возможности использования мишеней, в которых лишь рабочая распыляемая часть выполнена из АОЧ. Остальная часть, изготовленная из алюминия высокой частоты (АВЧ), но с допустимым количеством примесей, может использоваться многократно, расходуемую часть изготавливают из прутка, придают ему форму углубления основы и проводят сварку под давлением, нагревая всю мишень до 330 – 450 °C, и впрессовывая расходуемую часть в углубление.

Таким образом, в известном техническом решении изготавливают мишени из металла расходуемой части, но с допустимым превышением количества примесей относительно расходуемой части, а расходуемую часть формируют из прутка алюминия особой чистоты и после заполнения им глубины всю мишень нагревают и запрессовывают расходуемую часть в глубину.

К недостаткам известного способа можно отнести то, что способ не гарантирует получения абсолютной чистоты химического состава наносимых покрытий, так как в основе имеются незначительные примеси, и он применим только для нанесения алюминиевых покрытий.

В заявленном техническом решении использован принцип компьютерного моделирования с использованием известного как такового программного обеспечения, приобретеного заявителем по лицензии. Правообладателем платформы является фирма COMSOL Multiphysics^®, с помощью которой пользователем моделируется требуемая конструкция, устройства и процессы во многих областях инженерных, производственных и научных исследований. С помощью платформы COMSOL Multiphysics^® можно анализировать как отдельные, так и взаимосвязанные физические процессы. 

Среда разработки моделей (в англ. Model Builder) позволяет пройти все этапы от построения геометрической модели, задания свойств материалов и описания физики задачи до решения и визуализации результатов моделирования.

Разработав модель, возможно создать в среде разработки приложений (в англ. Application Builder) на её основе приложение для моделирования со специализированным интерфейсом для решения типовых задач широким кругом пользователей, в числе которых коллеги, клиенты и люди с минимальным опытом численного моделирования.

Для эффективного и структурированного хранения моделей и приложений платформа COMSOL Multiphysics^® содержит Систему администрирования моделей (в англ. Model Manager), которая представляет собой среду для эффективного хранения моделей в базе данных, контроля и управления различными версиями моделей и сопряженных файлов.

Чтобы создавать модели для решения специализированных прикладных и инженерных задач, возможно дополнять возможности программной платформы (пакет) COMSOL Multiphysics^® модулями расширения в любом их сочетании. Они открывают доступ к дополнительным специализированным инструментам, но при этом доступны в едином пользовательском интерфейсе и совместно функционируют как единое целое вне зависимости от того, какие физические явления вы моделируете.

Указанный модуль используется заявителем для проектирования мишени в целом, а далее, после её проектирования в целом, следует процесс.

Известна Система 3D scanning system Solutionix Rexcan 450 MP, которая представляет собой 3D-сканер, в котором используется технология оптической триангуляции с фазовым сдвигом и двойные камеры высокого разрешения для получения данных с высокой точностью, реализующих поверхностный шум и погрешность менее 10 мкм.

Solutionix Rexcan способен сканировать более глубокие и узкие области на сложных объектах, что возможно за счет добавления специального угла триангуляции 10° с увеличенным соотношением глубины и диаметра. Сложные для сканирования слепые зоны сложных объектов могут быть покрыты режимом триангуляции 10°.

Для крупногабаритных объектов, аэродинамических деталей можно дополнительно использовать систему фотограмметрии для повышения производительности. Solutionix Rexcan 4 также можно комбинировать с автоматическим поворотным столом, способным выдерживать нагрузку до 50 кг.

Известная программа COMSOL Multiphysics использована заявителем для проведения компьютерного моделирования процесса распыления для определения эффективной ширины зоны эрозии и глубины эрозии, а 3D scanning system Solutionix Rexcan 450 MP используется для экспериментального измерения глубины эрозии.

Техническим результатом заявленного технического решения является расширение арсенала средств для нанесения покрытий для твердооксидных элементов путем разработки комбинированной мишени для планарного магнетрона и способа его изготовления, состоящей (комбинированная мишень) из нержавеющей стали и инновационных материалов для твердооксидных топливных элементов – стабилизированного оксидом иттрия диоксида циркония (англ. Yttria-stabilized zirconia, далее YSZ) или никель-стабилизированного оксидом иттрия диоксида циркония (англ. Nickel-Yttria-stabilized zirconia, далее Ni-YSZ), для напыления компонентов твердооксидных топливных элементов с низкой стоимостью, с обеспечением необходимого качества покрытий с низкой стоимостью.

Сущностью заявленного технического решения является комбинированная мишень для планарного магнетрона, содержащая прямоугольную некомбинированную мишень из нержавеющей стали размерами: длина х ширина х толщина = 530 мм x 100 мм х 10 мм, с возможностью создания зоны эрозии и последующего размещения в ней материала из ряда YSZ, Ni-YSZ; при этом прямоугольная некомбинированная мишень расположена над центральным линейным магнитом и периферийными магнитами; при этом между центральным линейным магнитом, периферийными магнитами и нижней поверхностью прямоугольной некомбинированной мишени образована герметичная полость, содержащая два отверстия диаметром 6 мм с возможностью входа и выхода охлаждающей воды для отвода тепла, выделяемого от прямоугольной некомбинированной мишени; при этом все элементы собраны в корпус. Способ изготовления комбинированной мишени по п.1, заключающийся в том, что проводят расчёты габаритных размеров комбинированного магнетрона с применением платформы COMSOL Multiphysics®, изготовливают виртуальную 3D структуру комбинированного магнетрона, далее выполняют моделирование с применением платформы COMSOL Multiphysics^® для определения эффективной зоны и глубины эрозии планарного магнетрона в использованием вшитых в пакет платформы математических моделей расчёта; далее с использованием платформы COMSOL Multiphysics^® выполняют расчёт объёма зоны эрозии, который следует изъять из объёма некомбинированной мишени, производят виртуальное изъятие этого объёма, с возможностью обеспечения дальнейшего помещения в этот объём требуемого объёма материала для нанесения из ряда YSZ, Ni-YSZ, запускают программу и получают требуемую форму заявленной комбинированной мишени; далее выполняют снятие нержавеющей стали прямоугольной некомбинированной мишени по профилю зоны эрозии, затем механической обработкой выбирают объём нержавеющей стали на требуемый объем зоны эрозии, делая его размеры на 1 – 2 мм больше по сравнению с полученным ранее виртуальным объемом зоны эрозии с возможностью обеспечения чистоты покрытия зоны эрозии материалом из ряда YSZ, Ni-YSZ и исключения эрозии основного материала мишени, оставщегося в объёме 70%; далее берут порошок материала из ряда YSZ, Ni-YSZ и засыпают его в зону эрозии, мишень помещают в печь, повышают температуру до температуры плавления порошка из ряда YSZ, Ni-YSZ.

Заявленное техническое решение иллюстрируется Фиг.

На Фиг. приведен 3D-вид структуры магнетрона (катода) для использования на прямоугольной мишени, при этом подложка (анод) на Фиг. не показана, где:

1 – центральный линейный магнит,

2 – периферийные магниты,

3 – входное отверстия для воды,

4 – выходное отверстия для воды,

5 – герметичная полость,

6 – прямоугольная некомбинированная мишень (катод),

7 – зона эрозии,

8 – материал из ряда YSZ, Ni-YSZ,

9 – корпус,

10 – болты.

Далее заявителем приведено описание заявленного технического решения.

Заявленную комбинированную мишень получают с помощью программы COMSOL Multiphysics или 3D scanning system Solutionix Rexcan 450 MP, для определения эффективной зоны и глубины эрозии планарного магнетрона, состоящего из следующих элементов (Фиг.):

– прямоугольной некомбинированной мишени (катода) 6 размерами: длина х ширина х толщина = 530 мм x 100 мм х 10 мм с возможностью создания зоны эрозии 7 и последующего размещения в ней инновационных материалов для твердооксидных топливных элементов из ряда: стабилизированный оксидом иттрия диоксид циркония (англ. Yttria-stabilized zirconia), далее – YSZ, или никель-стабилизированный оксидом иттрия диоксид циркония (англ. Nickel-Yttria-stabilized zirconiaс) – далее Ni-YSZ;

– при этом прямоугольная некомбинированная мишень 6 расположена над центральным линейным магнитом 1 и периферийными магнитами 2;

– между магнитами 1 и 2 и нижней поверхностью прямоугольной некомбинированной мишени 6 образована герметичная полость 5;

– герметичная полость 5 содержит два отверстия для воды – входное 3 и выходное 4, диаметром 6 мм с возможностью входа и выхода охлаждающей воды для отвода тепла, выделяемого от прямоугольной некомбинированной мишени 6;

– все элементы собраны в корпус 9, например, из нержавеющей стали, который закреплен, например, болтами 10.

Далее заявителем представлен заявленный способ изготовления заявленной комбинированной мишени.

1 – проводят выявление габаритных размеров планарного магнетрона;

2 – применяя платформу (пакет) COMSOL Multiphysics®, изготавливают виртуальную 3D структуру собственно планарного магнетрона;

3 – далее с использованием той же платформы (пакета) COMSOL Multiphysics^® выполняют моделирование для определения эффективной зоны и глубины эрозии планарного магнетрона в использованием вшитых в пакет платформы математических моделей расчёта;

4 – далее выполняют расчёт объёма зоны эрозии, который следует изъять из объёма комбинированной мишени планарного магнетрона с использование платформы (пакета) COMSOL Multiphysics^®, проводят виртуальное изъятие этого объёма, с возможностью дальнейшего помещения в него (виртуальный объём) требуемого объёма материала для нанесения из ряда YSZ, Ni-YSZ, запускают программу и получают требуемую форму заявленной комбинированной мишени;

5 – далее выполняют снятие нержавеющей стали прямоугольной некомбинированной мишени по профилю зоны эрозии, затем механической обработкой (например, фрезерованием) выбирают объём нержавеющей стали на требуемый объем зоны эрозии, делая его размеры на 1 - 2 мм больше по сравнению с полученными ранее виртуальным объемом зоны эрозии, чтобы обеспечить чистоту покрытия зоны эрозии материалом из ряда YSZ, Ni-YSZ и исключить эррозию основного материала – нержавеющей стали (оставщегося в объёме 70% основного материала мишени);

6 – далее берут порошок новых инновационных материалов из ряда: YSZ, Ni-YSZ и засыпают его в зону эрозии. Затем мишень помещают в печь, и температуру повышают до температуры плавления порошка YSZ или Ni-YSZ.

Получают заявленную комбинированную мишень.

Заявленная комбинированная мишень имеет размеры, мм: длина х ширина х толщина = 530 x 100 х 10 и состоит из нержавеющей стали и материала из ряда: YSZ, Ni-YSZ, расположенного в зоне эрозии.

Далее заявителем приведены примеры изготовления и использования комбинированной мишени для планарного магнетрона.

Пример 1 . Использование заявленной комбинированной мишени из YSZ, для нанесения электролита твердооксидных топливных элементов.

– берут прямоугольную некомбинированную мишень 6 из нержавеющей стали размером 530 мм x 100 мм и толщиной 10 мм;

– методом моделирования с помощью программы COMSOL Multiphysics, определяют объем зоны эрозии 7, потом снятием металла по профилю зоны эрозии и затем механической обработкой увеличивают ширину и глубину зоны эрозии на 1 - 2 мм по сравнению с первоначальной шириной и глубиной, чтобы обеспечить чистоту покрытия материала;

– затем определяют количество нового материала YSZ 8, необходимого для заполнения глубины эрозии;

– далее берут порошок YSZ, засыпают его в зону эрозии, затем мишень помещают в печь, и повышают температуру до температуры плавления порошка YSZ, таким образом получают заявленную комбинированную мишень;

– затем заменяют прямоугольную некомбинированную мишень в планарном магнетроне на заявленную комбинированную мишень и используют, например, для нанесения электролита твердооксидных топливных элементов;

– включают установку магнетронного распыления, наносят покрытие из заявленной комбинированной мишени.

Пример 2. Использование заявленной комбинированной мишени из Ni-YSZ для покрытия твердооксидных элементов.

По истечении срока эксплуатации у мишени из любого металла глубина коррозии максимальна и не может быть использована для напыления.

Покрытие осуществлялось на подложку (анод) из твердого оксидного элемента:

– берут прямоугольную некомбинированную мишень 6 из нержавеющей стали размером 530 мм x 100 мм и толщиной 10 мм;

– методом моделирования с помощью программы COMSOL Multiphysics, определяют объем зоны эрозии 7, потом снятием металла по профилю зоны эрозии и затем механической обработкой увеличивают ширину и глубину зоны эрозии на 1 - 2 мм по сравнению с первоначальной шириной и глубиной, чтобы обеспечить чистоту покрытия материала;

– затем определяют количество нового материала Ni-YSZ 8, необходимого для заполнения глубины эрозии;

– далее берут порошок Ni-YSZ, засыпают его в зону эрозии, затем мишень помещают в печь, и повышают температуру до температуры плавления порошка Ni-YSZ, и таким образом получают заявленную комбинированную мишень;

– включают установку магнетронного распыления, наносят покрытие из заявленной комбинированной мишени.

Таким образом, заявителем достигнут заявленный технический результат, а именно – расширен арсенал средств для нанесения покрытий для твердооксидных элементов путем разработки комбинированной мишени для планарного магнетрона и способа его изготовления, состоящей (комбинированная мишень) из нержавеющей стали и инновационных материалов для твердооксидных топливных элементов – стабилизированного оксидом иттрия диоксида циркония (англ. Yttria-stabilized zirconia, далее YSZ) или никель-стабилизированного оксидом иттрия диоксида циркония (англ. Nickel-Yttria-stabilized zirconia, далее Ni-YSZ), для напыления компонентов твердооксидных топливных элементов с низкой стоимостью, с обеспечением необходимого качества покрытий с низкой стоимостью.

Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна», предъявляемому к изобретениям, так как из исследованного заявителем уровня техники не выявлена совокупность признаков, приведенная в независимом пункте формулы изобретения.

Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень», предъявляемому к изобретениям, так как из исследованного заявителем уровня техники не выявлено соответствие совокупности приведенных в независимом пункте формулы изобретения признаков и совокупности полученных технических результатов.

Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость», предъявляемому к изобретениям, так как заявленное техническое решение возможно реализовать в промышленности посредством применения известных из уровня техники материалов, оборудования и технологий.

Изобретение относится к комбинированной мишени для планарного магнетрона и способу её изготовления. Мишень содержит прямоугольную некомбинированную мишень из нержавеющей стали с возможностью создания зоны эрозии и последующего размещения в ней материала из ряда YSZ, Ni-YSZ. Некомбинированная мишень расположена над центральным линейным магнитом и периферийными магнитами, причем между центральным магнитом, периферийными магнитами и нижней поверхностью некомбинированной мишени образована герметичная полость, содержащая два отверстия с возможностью входа и выхода охлаждающей воды. В способе изготовления мишени проводят расчёт габаритных размеров магнетрона и моделирование для определения эффективной зоны и глубины эрозии планарного магнетрона и расчёта объёма зоны эрозии, который следует изъять из объёма некомбинированной мишени, производят виртуальное изъятие этого объёма для определения требуемой формы комбинированной мишени. Далее выполняют снятие нержавеющей стали некомбинированной мишени по профилю зоны эрозии, выбирают объём стали на требуемый объем зоны эрозии с возможностью обеспечения чистоты покрытия зоны эрозии материалом из ряда YSZ, Ni-YSZ, засыпаемым в зону эрозии, и исключения эрозии основного материала мишени. Далее мишень помещают в печь для плавления порошка. Техническим результатом является повышение качества покрытия. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Комбинированная мишень для планарного магнетрона, содержащая прямоугольную некомбинированную мишень из нержавеющей стали размерами: длина × ширина × толщина = 530 мм × 100 мм × 10 мм, с возможностью создания зоны эрозии и последующего размещения в ней материала из ряда YSZ, Ni-YSZ; при этом прямоугольная некомбинированная мишень расположена над центральным линейным магнитом и периферийными магнитами; при этом между центральным линейным магнитом, периферийными магнитами и нижней поверхностью прямоугольной некомбинированной мишени образована герметичная полость, содержащая два отверстия диаметром 6 мм с возможностью входа и выхода охлаждающей воды для отвода тепла, выделяемого от прямоугольной некомбинированной мишени; при этом все элементы собраны в корпус.

2. Способ изготовления комбинированной мишени по п.1, заключающийся в том, что проводят расчёты габаритных размеров комбинированного магнетрона с применением платформы COMSOL Multiphysics®, изготовливают виртуальную 3D-структуру комбинированного магнетрона, далее выполняют моделирование с применением платформы COMSOL Multiphysics® для определения эффективной зоны и глубины эрозии планарного магнетрона с использованием вшитых в пакет платформы математических моделей расчёта; далее с использованием платформы COMSOL Multiphysics® выполняют расчёт объёма зоны эрозии, который следует изъять из объёма некомбинированной мишени, производят виртуальное изъятие этого объёма с возможностью обеспечения дальнейшего помещения в этот объём требуемого объёма материала для нанесения из ряда YSZ, Ni-YSZ, запускают программу и получают требуемую форму заявленной комбинированной мишени; далее выполняют снятие нержавеющей стали прямоугольной некомбинированной мишени по профилю зоны эрозии, затем механической обработкой выбирают объём нержавеющей стали на требуемый объем зоны эрозии, делая его размеры на 1–2 мм больше по сравнению с полученным ранее виртуальным объемом зоны эрозии, с возможностью обеспечения чистоты покрытия зоны эрозии материалом из ряда YSZ, Ni-YSZ и исключения эрозии основного материала мишени, оставщегося в объёме 70%; далее берут порошок материала из ряда YSZ, Ni-YSZ и засыпают его в зону эрозии, мишень помещают в печь, повышают температуру до температуры плавления порошка из ряда YSZ, Ni-YSZ.