МАГНЕТРОН С СИСТЕМОЙ ОХЛАЖДЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК H01J25/50 H01J37/34 C23C14/35 

Предлагаемое изобретение относится к конструкции системы магнетронного распыления, а именно к конструкции система охлаждения. Это позволяет использовать заявляемое техническое решение для получения эффективного охлаждения чувствительных элементов магнетрона и равномерного распределения тепла в мишени, повышая тем самым эффективность работы процесса напыления и улучшения отвода тепла и охлаждения чувствительных компонентов магнетрона, тем самым обеспечивая непрерывность процесса распыления и улучшая качество покрытия.

Далее в тексте 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 (или магнетронное напыление) система - это технология, используемая для нанесения тонких пленок на поверхности различных материалов. Она широко применяется в различных отраслях, включая электронику, оптику, а также в производстве покрытий для инструментов, декоративных покрытий и других приложений.

Основным элементом магнетронной системы распыления является магнетрон, который состоит из катода (обычно изготовленного из материала, который будет распыляться) и сильного магнитного поля. Когда на катод подается электрический заряд, магнитное поле удерживает электроны рядом с катодом и формирует плазму. Ионы в плазме получают достаточно энергии, чтобы вырвать атомы или молекулы из поверхности катода.

Вырванные атомы или молекулы затем движутся в направлении обрабатываемой поверхности, где они оседают и формируют тонкую пленку. При этом используется вакуумная камера, чтобы обеспечить чистую среду для процесса и предотвратить взаимодействие с воздухом.

Источником тепла: - в магнетроне источником тепла является энергия, выделяющаяся при плазменном разряде. В процессе магнетронного напыления, энергия подается на катод, который обычно изготовлен из материала, предназначенного для распыления. Когда на катод подается электрический заряд, магнитное поле, создаваемое магнетроном, удерживает электроны рядом с катодом, образуя плазму.

В плазме ионы приобретают достаточно энергии, чтобы столкнуться с атомами или молекулами материала катода и вырвать их из поверхности. При этом происходит процесс испарения и атомы или молекулы переходят из твердого состояния в газообразное состояние.

Этот процесс освобождает значительное количество тепла, так как энергия, переданная ионам, превращается в кинетическую энергию атомов или молекул. Возникающее тепло распространяется вокруг катода и охлаждается с помощью системы охлаждения, чтобы предотвратить перегрев и повреждение магнетрона и других компонентов системы.

Таким образом, в магнетроне источником тепла является плазменный разряд, где энергия ионов, сталкивающихся с атомами или молекулами, приводит к выделению тепла в процессе магнетронного напыления.

Система охлаждения: - система охлаждения в магнетронное напыление играет важную роль в поддержании оптимальной температуры и предотвращении перегрева различных компонентов. В процессе магнетронного напыления выделяется значительное количество тепла, особенно на поверхности катода. Без эффективной системы охлаждения это тепло может накапливаться, что может привести к повреждению оборудования и ухудшению производительности процесса.

Основные компоненты системы охлаждения в системе магнетронного напыления могут включать:

1. Водяные охладители: Охладители могут быть использованы для удаления излишнего тепла. Водяные охладители обычно подключены к катоду или магнетрону для активного охлаждения.

2. Регулировка потока охлаждающей жидкости: Система охлаждения может включать регулируемый поток охлаждающей жидкости, чтобы поддерживать стабильную температуру. Регулирование потока может осуществляться с помощью насосов и клапанов.

Различные системы охлаждения могут применяться в зависимости от конкретных требований и конфигурации магнетронной системы. Важно обеспечить надежное охлаждение, чтобы гарантировать эффективность процесса магнетронного напыления и продолжительность работы оборудования.

Известно изобретение по патенту США US 5171415 A «Способ охлаждения и устройство для магнетронного распыления, в англ. Cooling method and apparatus for magnetron sputtering», где устройство магнетронного распыления снабжено охлаждающим каналом и множеством сопел для охлаждения опорной плиты мишени магнетронного распыления. В охлаждающий канал подается охлаждающая жидкость, которая распределяет давление жидкости на свои сопла. Жидкость, подаваемая из форсунок, направляется на заданную область на задней стороне опорной пластины мишени, чтобы сделать охлаждение более эффективным.

Известно изобретение по патенту США US 6689254 B1 «Аппарат распыления с изолированным хладагентом и мишенью для его распыления, в англ. Sputtering apparatus with isolated coolant and sputtering target therefor», где магнетронное распыление образовано блоком подвижного магнита, источником охлаждающей воды и съемной мишенью, которая включает в себя сменный блок мишени и съемную охлаждающую полость, которая прилегает к задней поверхности устройства. Охлаждающая полость отделена и подключена к источнику воды.

Таким образом, в известном техническом решении магнетроны выполнены с системами охлаждения для отвода тепла, образующегося в процессе напыления, причем система охлаждения обычно выполнена в виде полости между нижней поверхностью мишени и магнитом, расположен за мишенью, а полость соединена с входным и выходным каналами охлаждающей жидкости или воды.

К известным недостаткам метода можно отнести то, что конструкция системы охлаждения не гарантирует равномерного охлаждения мишени, потому что охлаждающая вода, попадая в полость, поглощает тепло, а затем процесс поглощения постепенно уменьшается, что приводит к неравномерному распределению тепла на поверхности мишени. А это влияет на распределение расхода атомов покрытия из источника, и, в свою очередь, влияет на качество покрытия.

Задачей заявляемого изобретения является равномерное распределение температуры на поверхности мишени и охлаждение компонентов магнетрона, что обеспечивает непрерывность процесса распыления и напылить качественного покрытия. Задача достигается путем установки плавника, который смешивает поступающую и отработанную охлаждающую воду.

Техническим результатом заявленного технического решения является создание магнетрона с системой охлаждения, состоящего из крышки корпуса, закрепленной болтами к периферийному корпусу, в котором размещены мишень, центральный магнит и установленный под ним плавник для смешивания охлаждающей воды, размещенные на фиксаторе центрального магнита и плавника, периферийный магнит, размещенный под мишенью на фиксаторе периферийного магнита, при этом фиксаторы расположены в нижнем корпусе, соединенным с периферийным корпусом болтами, где предусмотрены входное отверстие с трубкой подачи охлаждающей воды и выходное отверстие с трубкой отвода охлаждающей воды.

Заявленное техническое решение иллюстрируется Фиг.

На Фиг. приведен 3D-вид магнетрона с системой охлаждения, где:

1 - болты (для установки каркаса сверху),

2 - крышка корпуса,

3 - мишень,

4 - периферийный магнит,

5 - центральный магнит,

6 - периферийный корпус,

7 - болты (для установки периферийного корпуса),

8 - нижний корпус,

9 - плавник,

10 - входное отверстие,

11 - выходное отверстие,

12 - трубка подачи охлаждающей воды,

13 - трубка отвода охлаждающей воды,

14 - фиксатор центрального магнита и плавника,

15 - фиксатор периферийного магнита.

Далее заявителем приведено описание заявленного технического решения.

Заявленный магнетрон с системой охлаждения получен монтажно-сборочным методом и состоит из следующих элементов (Фиг.):

Нижний корпус 8 с полостью крепится к периферийному корпусу 6 с помощью болтов 7,

Трубка подачи охлаждающей воды 12 вставляется во входное отверстие 10 в нижнем корпусе 8 с полостью,

Трубка отвода охлаждающей воды 13 вставляется в выходное отверстие 11 в нижнем корпусе 8 с полостью,

Центральный магнит 5 расположен на фиксаторе центрального магнита и плавника 14.

Периферийный магнит 4 расположен на фиксаторе периферийного магнита 15.

Мишень 3 размещается поверх центрального магнита 5 и периферийного магнита 4 и закрепляется с помощью крышки корпуса 2 болтами 1.

Заявленный технический результат достигается установкой плавника 9 на фиксаторе центрального магнита и плавника 14 в полости в нижнем корпусе 8.

В типичном процессе напыления камеру сначала откачивают до высокого вакуума, чтобы свести к минимуму парциальные давления всех фоновых газов и потенциальных загрязняющих веществ. После достижения базового давления распыляющий газ, который содержит плазму, подается в камеру, а общее давление регулируется - обычно в диапазоне миллиторр - с помощью системы контроля давления.

Чтобы инициировать генерацию плазмы, между катодом, обычно расположенным непосредственно за мишенью для распыления, и анодом, обычно подключенным к камере в качестве электрического заземления, прикладывается высокое напряжение. Электроны, присутствующие в распыляющем газе, ускоряются вдали от катода, вызывая столкновения с соседними атомами распыляющего газа. Эти столкновения вызывают электростатическое отталкивание, которое «сбивает» электроны с распыляющихся атомов газа, вызывая ионизацию. Положительные атомы распыляемого газа теперь ускоряются по направлению к отрицательно заряженному катоду, что приводит к высокоэнергетическим столкновениям с поверхностью мишени. Каждое из этих столкновений может привести к выбросу атомов с поверхности мишени в вакуумную среду с достаточной кинетической энергией, чтобы достичь поверхности подложки. Чтобы обеспечить как можно больше столкновений с высокой энергией, что приводит к увеличению скорости осаждения, в качестве распыляющего газа обычно выбирают газ с высокой молекулярной массой, такой как аргон или ксенон. Если желателен процесс реактивного распыления, газы, такие как кислород или азот, также могут быть введены в камеру во время роста пленки. Для охлаждения магнетрона используется вода. Температуру можно установить на уровне 228 К. Скорость поступления охлаждающей воды важна для создания достаточной тяги для вращения плавники в центре полости магнетрона и предпочтительно обеспечивать скорость потока более 0,5 м/с.

Примеры использования материала при изготовлении магнетрона:

Мишень круглой формы может быть использована из самых разных металлов, подлежащих нанесению на подложку, и среди этих металлов: Ti, Al, Ru, Cr, Ni, Si, Hf, Та, Y, Zr, Ag, Au, Nb, V, Mo, W, TiAl, AlSi, TiW, TiCr, CrAl, TiSi, TiAlSi, CrAlSi, CrW, In, Sn, Ga, Si, Ge, TeAsSiGe, оксидные мишени (LMO, YBCO, ITO, AZO, NbO, ZnO, SnO2, Al2O3, Ta2O5, SiO2, In2O3, Nb2O5, TiO2, In2O3, GaO, оксид редкоземельных металлов, LiFePO4, LiV2O5, LiSi, LiCoO2, Li3PO4, LiMnPO4), нитрид, фтор, силицид, борид (В, BN, TiB2, CrB2), сульфид (ZnS, MoS2, WS2, TaS2, In2S3, FeS, MgS, MnS, Cr2S3, CaS, CdS, Cu1.8S, CuS, SnS, CuSbS2, ZrS2, As2S3, Bi2S3, TiS2, Li2S, Ga2S3, S, Sb2S3, PbS, CZTS), Селенид (Se, In2Se3, Sb2Se3, ZnSe, Sb2Se3, Cu2Se, WSe2, Na2Se, CdSe, GaSe, InSe, PbSe, Ag2Se, ZnSe, CuSe, AlSe, P2Se5, CuSbSe2, CIGS, AsGeTeSeS), теллурид (Те, CdTe, SbTe, PbTe, MnTe, ZnTe, CTZ), карбидные мишени и редкоземельные (La, Ce, Eu, Er, yb, Lu, Tb) легированный Zn4Sb3 мишени.

Необходимо использовать постоянные магниты. Корпус должен быть изготовлен из стали или металла нержавеющей с высокой температурой плавления. Можно использовать пластиковые трубки. Плавник можно сделать из пластика, но предпочтительнее, чтобы он был металлическим.

Таким образом, заявителем достигнут заявленный технический результат, заключающийся в разработке конструкции системы охлаждения, обеспечивающей получение равномерного распределения температуры на поверхности мишени и охлаждение компонентов магнетрона, что обеспечивает непрерывность процесса распыления и напылить качественного покрытия.

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, оборудование и технологий.

Изобретение относится к конструкции системы магнетронного распыления, а именно - к конструкции систем охлаждения. Технический результат – повышение эффективности охлаждения чувствительных элементов магнетрона и равномерного распределения тепла в мишени, повышая тем самым эффективность работы процесса напыления и улучшения отвода тепла и охлаждения чувствительных компонентов магнетрона, тем самым обеспечивая непрерывность процесса распыления и улучшая качество покрытия. Магнетрон с системой охлаждения содержит крышку корпуса, закрепленную болтами к периферийному корпусу, в котором размещены мишень, центральный магнит и установленный под ним плавник для смешивания охлаждающей воды, размещенные на фиксаторе центрального магнита и плавника, периферийный магнит, размещенный под мишенью на фиксаторе периферийного магнита. Фиксаторы расположены в нижнем корпусе, соединенном с периферийным корпусом болтами, где предусмотрены входное отверстие с трубкой подачи охлаждающей воды и выходное отверстие с трубкой отвода охлаждающей воды. 1 ил.

Магнетрон с системой охлаждения, состоящий из крышки корпуса, закрепленной болтами к периферийному корпусу, в котором размещены мишень, центральный магнит и установленный под ним плавник для смешивания охлаждающей воды, размещенные на фиксаторе центрального магнита и плавника, периферийный магнит, размещенный под мишенью на фиксаторе периферийного магнита, при этом фиксаторы расположены в нижнем корпусе, соединенном с периферийным корпусом болтами, где предусмотрены входное отверстие с трубкой подачи охлаждающей воды и выходное отверстие с трубкой отвода охлаждающей воды.