УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩЕГО ПОКРЫТИЯ В ВИДЕ МЕТАЛЛ-УГЛЕРОДНОЙ ИЛИ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛЕНКИ МАГНЕТРОННЫМ РАСПЫЛЕНИЕМ С МЕХАНИЧЕСКОЙ ВИБРАЦИЕЙ ПОДЛОЖКИ Российский патент 2023 года по МПК C23C14/35 

Изобретение относится к области вакуумной техники и технологии получения наноструктур, а именно к устройству получения высококачественных пленок методом механической вибрации подложки и может быть использовано для получения функциональных покрытий при производстве материалов электронной техники, а именно для изготовления элементов интегральных микросхем.

Процесс напыления электропроводящего металлического многослойного покрытия на подложку включает, как правило, подачу рабочего газа в вакуумную камеру с подложкой и ионно-плазменное напыление слоев покрытия на подложку магнетронным распылением. Напыление слоев покрытия на подложку ведут посредством магнетронов, содержащих мишени из различных металлов. На магнетроны подают постоянное напряжение в импульсном режиме путем асимметричного переключения подачи напряжения на мишени, до получения на подложке молекулярных слоев металл-металл покрытия заданной толщины.

Известен, например, способ напыления электропроводящего металл-углеродного многослойного покрытия на ленточную подложку из не тканого волокнистого материала, включающий подачу рабочего газа в вакуумную камеру с подложкой и ионно-плазменное напыление слоев покрытия на движущуюся с постоянной скоростью ленточную подложку магнетронным распылением, отличающийся тем, что напыление слоев покрытия на движущуюся с постоянной скоростью ленточную подложку ведут посредством по крайней мере двух магнетронов, содержащих мишени из металла и углерода, при этом на магнетроны подают постоянное напряжение в импульсном режиме путем асимметричного переключения подачи напряжения на мишени при скважности по времени на мишени из металла дольше, чем на мишени из углерода, до получения на ленточной подложке молекулярных слоев металл-углеродного покрытия заданной толщины [1].

Однако этот известный способ рассчитан исключительно на металл-углеродные материалы и не годится для напыления металлических многослойных покрытий на ленточные подложки, что существенно сужает его функциональные возможности широкого промышленного применения.

Наиболее близким техническим решением по отношению к заявленному является устройство для получения электропроводящего покрытия в виде металл-углеродной или металлической пленки магнетронным распылением с механической вибрацией подложки, содержащее магнетронную камеру, в которой размещены мишень и магнетронный излучатель, виброгенератор, к которому одним из своих концов прикреплен шток, колеблющийся под действием подаваемого на него переменного напряжения, выполненный с возможностью соединения с подложкой, [2].

К недостаткам этого известного технического решения можно отнести сравнительно невысокие физико-технические характеристики виброгенератора, фактически основного элемента устройства, из-за его ограниченного размера, зависящего от размеров магнетронной камеры и возможного влияния электромагнитных процессов, проходящих в магнетронной камере.

Заявитель ставил перед собой конкретную задачу, а именно, разработать устройство получения высококачественных пленок методом механической вибрации подложки, позволяющее получать на подложке из металлического или не металлического материала нанометровое покрытие комбинированного состава заданной толщины с образованием сплошной проводящей поверхности. Полученный положительный технический результат был достигнут за счет новой существенной совокупности устройства для получения электропроводящего покрытия в виде металл-углеродной или металлической пленки магнетронным распылением с механической вибрацией подложки согласно настоящего изобретения, представленного в нижеследующей формуле изобретения: «устройство для получения электропроводящего покрытия в виде металл-углеродной или металлической пленки магнетронным распылением с механической вибрацией подложки, содержащее магнетронную камеру, в которой размещены мишень и магнетронный излучатель, виброгенератор, к которому одним из своих концов прикреплен шток, колеблющийся под действием подаваемого на него переменного напряжения, выполненный с возможностью соединения с подложкой; магнетронная камера выполнена со штуцером для откачки воздуха из нее, шток виброгенератора выполнен П-образным, при этом на имеющем возможность размещения в магнетронной камере конце П-образного штока закреплен Т-образный кронштейн, который жестко зажат между полками П-образного штока виброгенератора и выполнен с возможностью закрепления подложки, причем вышеупомянутый конец П-образного штока виброгенератора расположен в Т-образном кронштейне, при этом упомянутый шток выполнен с возможностью прохождения сквозь боковую стенку магнетронной камеры с герметизацией уплотнительными манжетами и с возможностью постоянного поджатия его конца, прикрепленного к виброгенератору, пружиной, расположенной между по меньшей мере двумя вертикально установленными тарелками, а виброгенератор выполнен с возможностью скольжения своим основанием по верхней паре рельс в форме тавровой балки, при этом под верхней парой рельс установлен электромагнит, закрепленный на нижней паре рельс при помощи шпилек и кронштейнов, подтянутых гайками к нижним рельсам, причем упомянутые верхняя и нижняя пары рельс соединены посредством прямоугольной пластины, усиливающей конструктивную жесткость крепления виброгенератора, и закреплены в отверстиях кронштейна, приваренного к стенке магнетронной камеры, неподвижно относительно магнетронной камеры; Т-образный кронштейн закреплен на упомянутом конце П-образного штока виброгенератора с помощью винта, пружинной шайбы и шайбы; Т-образный кронштейн выполнен с возможностью закрепления подложки, при котором она расположена относительно продольной оси П-образного штока виброгенератора под углом в диапазоне от 0 до 90 градусов; основание виброгенератора, посредством которого виброгенератор имеет возможность скользить по верхней паре рельс, изготовлено из токопроводящего материала; основание виброгенератора, посредством которого виброгенератор имеет возможность скользить по верхней паре рельс, изготовлено из железа; основание виброгенератора, посредством которого виброгенератор имеет возможность скользить по верхней паре рельс, изготовлено из неметаллического материала».

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлено устройство для получения электропроводящего покрытия в виде металл-углеродной или металлической пленки магнетронным распылением с механической вибрацией подложки, выполненное согласно настоящего изобретения, вид сбоку; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - то же, что на фиг. 1, вид сверху; на фиг. 4 - чертеж, поясняющий работу устройства, представленного на фиг. 1; на фиг. 5 - то же, что на фиг. 1, соединение Т-образного кронштейна и П-образного штока, вид сбоку; на фиг. 6 - то же, что на фиг. 1, соединение Т-образного кронштейна и П-образного штока, разрез, вид сверху.

Заявляемое устройство для получения электропроводящего покрытия в виде металл-углеродной или металлической пленки магнетронным распылением с механической вибрацией подложки, выполненное согласно настоящего изобретения, состоит из магнетронной камеры 1, штуцера откачки воздуха 2, мишени 3, магнетронного излучателя 4 и подложки 5, закрепляемой на Т-образном кронштейне 6. Т-образный кронштейн 6 фиксируется на одном конце П-образного штока 7 виброгенератора 8 с помощью винта 9, пружинной шайбы 10 и шайбы 11 (увеличенного размера) относительно продольной оси П-образного штока 7 виброгенератора 8. Винтом 9 Т-образный кронштейн 6 жестко зажимается между полками П-образного штока 7 виброгенератора 8. Этот конец П-образного штока 7 виброгенератора 8 располагается в Т-образном кронштейне 6, проходит сквозь боковую стенку магнетронной камеры 1 и герметизируется уплотнительными манжетами 12.

Второй конец П-образного штока 7 виброгенератора 6 постоянно поджат пружиной 13, которая располагается между двумя вертикально установленными тарелками 14, 15 и крепится к виброгенератору 8.

Виброгенератор 8 имеет возможность скользить своим основанием 16 по одной стороне верхней пары рельс 17, закрепляемой неподвижно относительно магнетронной камеры 1. Рельсы 17 изготовляются в форме тавровой балки. С другой стороны верхней пары рельс 17 располагается электромагнит 18.

Электромагнит 18 устанавливается и закрепляется на нижней паре рельс 19 (нижние рельсы выполняются также в форме тавровой балки) при помощи шпилек 20 и кронштейнов 21, подтянутых гайками 22 к нижним рельсам 19.

Верхняя и нижняя пары рельс 17, 19 располагаются в отверстиях 23 прямоугольной пластины 24, которая механически усиливает конструктивную жесткость крепления виброгенератора 8.

Угол расположения подложки 4 относительно продольной оси П-образного штока 7 виброгенератора 8 выбирается в диапазоне от 0 до 90 градусов. Продольная ось П-образного штока 7 виброгенератора 8 может располагаться относительно плоскости корпуса магнетронной камеры 1 под углом 90 градусов, что зависит от компоновки всей магнетронной установки и от выбранного направления вибрации подложки 4.

Основание 16, по которому виброгенератор 8 имеет возможность скользить на верхней паре рельс 17 изготавливается из токопроводящего материала (железо). Верхняя пара рельс 17, по которой имеет возможность скользить своим основанием 16 виброгенератор 8, изготавливается из неметаллического материала.

Верхняя и нижняя пары рельс 17, 19 закрепляются в отверстиях кронштейна 25, приваренного к стенке магнетронной камеры 1.

Изобретение работает следующим образом:

Работа устройства начинается с откачки воздуха из магнетронной камеры 1 с помощью штуцера 2 откачки воздуха. В магнетронной камере 1 создается вакуум и П-образный шток 7 виброгенератора 8 начинает перемещаться под действием силы атмосферного давления окружающего воздуха Р_атм внутрь магнетронной камеры 1. Перемещение П-образного штока 7 ограничивается пружиной 13, которая компенсирует действие атмосферного давления окружающего воздуха Р_атм. Откачка воздуха из магнетронной камеры 1 производится до тех пор, пока не будет достигнуто новое равновесное состояние, характеризуемое тем, что давление воздуха в магнетронной камере Р станет намного меньше атмосферного давления окружающего воздуха Р_атм (глубокий вакуум, Р<<Р_атм). Достижение этого равновесного состояния по значениям давления воздуха Р в магнетронной камере 1 и значениям атмосферного давления окружающего воздуха Р_атм будет свидетельствовать о том, что может быть начат одновременно процесс вибрации подложки 5 и ионно-плазменное напыление проводящего покрытия на подложку 5 магнетронным распылением. Указанное равновесное состояние достигается благодаря конструктивному выполнению заявленного устройства, а именно: П-образный шток 7 с закрепленной на нем посредством Т-образного кронштейна 6 подложкой 5 перемещается в горизонтальной плоскости, с возможностью вхождения во внутрь магнетронной камеры 1 через ее стенку и выхода из нее (П-образный шток 7 проходит сквозь боковую стенку магнетронной камеры 1 и герметизируется уплотнительными манжетами 12). На фиг. 4 это движение штока в обе стороны показано стрелками, обозначенными латинской буквой v. Выходящий из магнетронной камеры 1 П-образный шток 7 вторым не фигурным концом закрепляется на виброгенераторе 8, который имеет свободную возможность скользить своим основанием 16 на верхней паре рельс 17, соединенной посредством прямоугольной пластины 24 с нижней парой рельс 19, а рельсы 17, 19 закрепляются в отверстиях кронштейна 25, привариваемого к магнетронной камере 1, что существенно усиливает механическую жесткость крепления всей конструкции виброгенератора 8. При достижении нового равновесного состояния на выводы электромагнита 18 подается постоянное напряжение U_nCT, электромагнит 18 начинает притягивать основание 16 виброгенератора 8 и благодаря силе трения виброгенератор 8 жестко фиксируется относительно верхней пары рельс 19, жестко связанных через кронштейн 25 с магнетронной камерой 1 (фиг. 4). Во время процесса напыления на виброгенератор 8 подается переменное напряжение U_перем и под действием переменного тока вибрация передается через П-образный шток 7 на Т-образный кронштейн 6 с закрепленной на нем подложкой 5, которая так же начинает вибрировать.

Предлагаемое устройство для получения электропроводящего покрытия в виде металл-углеродной или металлической пленки магнетронным распылением с механической вибрацией подложки позволяет промышленно осуществить универсальный способ напыления электропроводящего металл-углеродного или металлического многослойного, нанометрового, однородного, равномерного и высокого качества покрытия на подложку (патент №2763357).

Новизна заявленного технического решения состоит в том, что впервые удалось за счет оптимальной конструкторской проработки устройства обеспечить эффективное сочетание работы виброгенератора и магнетронной камеры. Виброгенератор располагается отдельно от магнетронной камеры, имеет механизм фиксации после откачки воздуха и узел его соединения с подложкой в магнетронной камере, что обеспечивает возможность выбора направления вибрации подложки по отношению к расположению мишени и магнетронного излучателя, причем размеры и мощность виброгенератора не ограничиваются размерами магнетронной камеры.

Источники информации

[1] Описание изобретения к патенту №2677551 «Способ напыления электропроводящего металл-углеродного многослойного покрытия на ленточную подложку из не тканного волокнистого материала», С23С14/35; С23С14/3464; С23С14/3485; С23С14/562, заявлено 27.12.2017, опубликовано 17.01.2019.

[2] Описание изобретения к патенту №2763357 «Способ получения высококачественных пленок методом механической вибрации подложки», С23С14/35; С23С14/16; С23С14/18; С23С14/20; С23С14/351; С23С14/165; С23С14/185; С23С14/205, заявлено 13.04.2021, опубликовано 28.12.2021.

[3] Описание изобретения к патенту №2355625 «Способ получения углеродных наноструктур», В82В3/00; С23С14/35, заявлено 16.07.2007, опубликовано 20.05.2009. [4] Описание изобретения к патенту №2505256 «Способ получения электропроводящего текстильного материала», A1D13/00; D03D15/00; С23С14/35; С23С14/20, заявлено 09.11.2011, опубликовано 27.01.2014.

[5] Описание изобретения к патенту №2425173 «Установка для комбинированной ионно-плазменной обработки», С23С14/02; С23С14/22; С23С14/56; С23С14/58; В82В3/00, заявлено 11.01.2009, опубликовано 20.07.2010.

[6] Описание изобретения к патенту №2173733 «Способ формирования сверхпроводящих пленочных покрытий из нитрида ниобия и проводника на его основе», С23С14/06, заявлено 01.06.1999, опубликовано 20.09.2001.

[7] Описание изобретения к патенту №2398045 «Способ модификации поверхности текстильного материала», С23С14/02; С23С14/35, заявлено, 25.12.2008, опубликовано 27.08.2010.

[8] Патент Японии №2001-020072 А «Получение наноструктур», от 23.01.2001.

[9] Патент США №4726890 «Способ получения сверхпроводящих пленочных покрытий», С23С14/06, опубликован 23.02.1989.

[10] Европейский патент № WO2016155448 A1, С23С14/35, опубликован 06.10.2016.

Изобретение относится к устройству для получения электропроводящего покрытия в виде металл-углеродной или металлической пленки магнетронным распылением с механической вибрацией подложки. Указанное устройство содержит магнетронную камеру, в которой размещены мишень и магнетронный излучатель, и виброгенератор, к которому одним из своих концов прикреплен шток, колеблющийся под действием подаваемого на него переменного напряжения, выполненный с возможностью соединения с подложкой. Шток виброгенератора выполнен П-образным. На имеющем возможность размещения в магнетронной камере конце П-образного штока закреплен Т-образный кронштейн, который жестко зажат между полками П-образного штока виброгенератора и выполнен с возможностью закрепления подложки. Вышеупомянутый конец П-образного штока виброгенератора расположен в Т-образном кронштейне. Упомянутый шток выполнен с возможностью прохождения сквозь боковую стенку магнетронной камеры с герметизацией уплотнительными манжетами и с возможностью постоянного поджатия его конца, прикрепленного к виброгенератору, пружиной. Виброгенератор выполнен с возможностью скольжения своим основанием по верхней паре рельс в форме тавровой балки. Под верхней парой рельс установлен электромагнит, закрепленный на нижней паре рельс. Упомянутые верхняя и нижняя пары рельс соединены посредством прямоугольной пластины, усиливающей конструктивную жесткость крепления виброгенератора, и закреплены в отверстиях кронштейна, приваренного к стенке магнетронной камеры, неподвижно относительно магнетронной камеры. Обеспечивается устройство, позволяющее получать высококачественное электропроводящее покрытие. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для получения электропроводящего покрытия в виде металл-углеродной или металлической пленки магнетронным распылением с механической вибрацией подложки, содержащее магнетронную камеру, в которой размещены мишень и магнетронный излучатель, и виброгенератор, к которому одним из своих концов прикреплен шток, колеблющийся под действием подаваемого на него переменного напряжения, выполненный с возможностью соединения с подложкой, отличающееся тем, что магнетронная камера выполнена со штуцером для откачки воздуха из нее, шток виброгенератора выполнен П-образным, при этом на имеющем возможность размещения в магнетронной камере конце П-образного штока закреплен Т-образный кронштейн, который жестко зажат между полками П-образного штока виброгенератора и выполнен с возможностью закрепления подложки, причем вышеупомянутый конец П-образного штока виброгенератора расположен в Т-образном кронштейне, при этом упомянутый шток выполнен с возможностью прохождения сквозь боковую стенку магнетронной камеры с герметизацией уплотнительными манжетами и с возможностью постоянного поджатия его конца, прикрепленного к виброгенератору, пружиной, расположенной между по меньшей мере двумя вертикально установленными тарелками, а виброгенератор выполнен с возможностью скольжения своим основанием по верхней паре рельс в форме тавровой балки, при этом под верхней парой рельс установлен электромагнит, закрепленный на нижней паре рельс при помощи шпилек и кронштейнов, подтянутых гайками к нижним рельсам, причем упомянутые верхняя и нижняя пары рельс соединены посредством прямоугольной пластины, усиливающей конструктивную жесткость крепления виброгенератора, и закреплены в отверстиях кронштейна, приваренного к стенке магнетронной камеры, неподвижно относительно магнетронной камеры.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что Т-образный кронштейн закреплен на упомянутом конце П-образного штока виброгенератора с помощью винта, пружинной шайбы и шайбы.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что Т-образный кронштейн выполнен с возможностью закрепления подложки, при котором она расположена относительно продольной оси П-образного штока виброгенератора под углом в диапазоне от 0 до 90 градусов.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что основание виброгенератора, посредством которого виброгенератор имеет возможность скользить по верхней паре рельс, изготовлено из токопроводящего материала.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что основание виброгенератора, посредством которого виброгенератор имеет возможность скользить по верхней паре рельс, изготовлено из железа.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что основание виброгенератора, посредством которого виброгенератор имеет возможность скользить по верхней паре рельс, изготовлено из неметаллического материала.