МАГНЕТРОННАЯ РАСПЫЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА Российский патент 2024 года по МПК C23C14/35 C23C14/56 

Изобретение относится к области нанесения покрытий и может быть использовано для напыления покрытий на внутренние поверхности полусферических подложек.

Известен магнетрон для распыления материала на сферическую подложку (патент US 6235170 B1, опубл. 22.05.2001 г.) с полым катодом для распыления материала мишени с внутренней поверхности мишени. Магнетрон имеет форму усеченного конуса и содержит конический катод. Внутренняя поверхность конуса ограничена на его внутреннем и внешнем краях магнитными полюсными наконечниками, ортогональными и простирающимися внутрь и наружу от поверхности конуса. Магнит имеет коническую форму. Напыленные покрытия на плоские мишени могут обеспечить неоднородность толщины менее +/- 0,2%.

Известный магнетрон не позволяет получить равномерное покрытие на полусферических подложках. Покрываемая поверхность практически перпендикулярна поверхности мишени, что препятствует получению равномерного покрытия.

Известно устройство для нанесения покрытия методом магнетронного напыления (CN 207121636 U, опубл. 20.03.2018 г.), включающее мишень, крышки отрицательного и положительного полюсов, катод, изоляционную опору, магнит, изолирующую втулку, медную трубку, при этом катодный якорь состоит из двух частей: крышки отрицательного полюса и основания катода, мишень помещена непосредственно на катодный якорь. Основание катода содержит кольцевой магнит, зафиксированный винтом между изоляционной опорой и катодным анкером.

Недостатком такой конструкции является то, что покрываемая поверхность нижней части полусферы практически перпендикулярна поверхности мишени, что препятствует получению равномерного покрытия.

Известно устройство для нанесения покрытия методом напыления (CN 105671509, опубл. 29.06.2018 г.), включающее камеру напыления и катодный узел со сферической мишенью для напыления покрытия на подложку полусферической формы, содержащий: опорную часть с водяным охлаждением, герметичный корпус, материал мишени и магнит. Опорная часть с водяным охлаждением состоит из опорного стола и монтажного стола; опорный стол закреплен внутри камеры напыления; внешняя поверхность монтажного стола представляет собой поверхность полусферической формы; монтажный и опорный стол соединены между собой с образованием пространства между ними. Мишень устанавливается на полусферической поверхности монтажного стола так, что образует сферическую мишень. Герметичный корпус расположен в пространстве между опорным и монтажным столом и закреплен на опорном столе; герметичный корпус также имеет полусферическую форму. Жидкость для охлаждения мишени подается в пространство между герметичным корпусом и монтажным столом. Магнит размещен внутри корпуса на внутренней его поверхности.

Недостатком известного решения является сложность конструкции, невозможность изготовления малогабаритного устройства для нанесения покрытия на внутреннюю поверхность полусферы малых размеров, невысокая напряженность магнитного поля, что не позволяет использовать толстые мишени из материалов с низкой эмиссионной способностью, невозможность получения покрытий с высоким градиентом по толщине.

Известна цилиндрическая магнетронная распылительная система (МРС) (Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. - М.: Радио и связь, 1982, 72 с., с. 45, рис. 35 в), содержащая цилиндрический катод-мишень, укрепленный на водоохлаждаемом цилиндрическом держателе, анод и магнитную систему.

Недостатком данного устройства является разное расстояние от мишени до подложки для покрываемых участков в разных сечениях полусферы, что не позволяет получить оптимальное качество покрытия по всей покрываемой поверхности. Другими существенными недостатками являются сравнительно невысокая напряженность магнитного поля над поверхностью мишени (особенно для мишени большой толщины), низкий коэффициент использования материала мишени (узкая зона распыления), сложность замены мишени на катоде.

Наиболее близким по технической сущности является блок магнетронного распылителя радиального типа в составе гибридного плазменного технологического устройства (патент UA 93833 C2, опубл. 10.03.2011 г.), который содержит конический катод, вакуумно-дуговой испаритель с цилиндрическим катодом, между ними размещен дисковый электрод который, в свою очередь, может быть анодом конического МПК или электродом, инициирующим дуговой разряд.

Недостатком указанного устройства является сложность конструкции, использование мишени из распыляемого материала в качестве нагруженного конструктивного элемента магнетронного распылителя, что недопустимо при использовании легкоплавких мягких материалов.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является достижение технологической возможности получение толстых до 200 мкм градиентных покрытий высокого качества на основе легкоплавких материалов с низкой эмиссионной способностью, например, кадмия, на внутренней поверхности полусферических подложек, а также обеспечение высокой надежности магнетронного распылителя и простоты замены мишени.

Технический результат - возможность нанесения покрытий высокого качества и точности градиентной толщины на основе легкоплавких металлов и сплавов с низкой эмиссионной способностью на внутреннюю поверхность полусферических подложек малого диаметра, а также простота конструкции и удобство смены катода с мишенью.

Технический результат достигается тем, что магнетронная распылительная система содержит анод, катод в виде тела вращения, магнитную систему, состоящую из постоянного магнита и магнитопровода, при этом боковая поверхность катода выполнена под углом 0-60° к оси магнетрона и содержит нанесенный на нее материал мишени, магнитопровод и катод герметично соединены с образованием пространства между ними, в котором размещен постоянный магнит, и с внешней торцевой стороны катода закреплена пластина, выполняющая функцию электростатического и профилирующего экрана, магнетронная распылительная система выполнена с возможностью перемещения по оси посредством привода линейного перемещения.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображен продольный разрез МРС.

На фиг. 2 изображен поперечный разрез МРС в сборе с механизмом линейного перемещения.

На фиг. 3 представлен расчет конфигурации магнитного поля.

Представленная магнетронная распылительная система содержит первую часть корпуса 1, выполняющую функцию катода и выполненную в виде тела вращения, вторую часть корпуса 2, выполняющую функцию магнитопровода и полюсного наконечника, постоянный магнит 3, размещенный между первой и второй частями корпуса, мишень 4, размещенную на боковой поверхности первой части корпуса, защитный экран 5 с нижней стороны второй части корпуса и обхватывающий участок соединения первой и второй части корпуса, и электростатический экран 6. Анодом (не показано) служит водоохлаждаемая трубка, расположенная вокруг экрана 5.

Первая и вторая части корпуса герметично соединены между собой винтами 7. На поверхности контакта первой и второй частей размещен кольцевой уплотнитель 8. Защитный экран 5 соединен со второй частью корпуса посредством винтов 9, при этом изоляционный зазор между нижней частью второй части корпуса 2 обеспечен за счет шайб 10.

Мишень 4 нанесена на боковую поверхность первой части корпуса методом литья на специальной оснастке. При этом боковая поверхность первой части корпуса 1 и соответственно нанесенной на нее мишени 4, выполнена параллельно касательной к сферической поверхности изделия в середине зоны покрытия, причем угол между осью магнетрона (нормаль к магнитопроводу) и поверхностью мишени может быть выполнен в диапазоне от 60 до 0 градусов без существенного изменения конструкции магнетронного распылителя. Угол может быть изменен изготовлением катода (одна сменная деталь) в виде усеченных конусов с различным углом конусности или цилиндра с сохранением остальных элементов конструкции.

Магнитная система, включающая магнитопровод 2 и магнит 3, создаёт такую конфигурацию магнитного поля (фиг. 3), которая обеспечивает максимальный коэффициент использования материала. При этом магнитная система создаёт высокую напряжённость магнитного поля, что позволяет эффективно распылять материалы с низким коэффициентом вторичной электронной эмиссии.

Конструкция МРС позволяет использовать магнит 3 максимального объема и получать высокую напряженность магнитного поля без использования дополнительного полюсного наконечника. В условиях ограниченного объема внутри подложки над поверхностью мишени создается магнитное поле высокой напряженности, необходимое для распыления материалов с низкой эмиссионной способностью при толщине катода с мишенью до 8 мм. При этом достигается технологическая возможность нанесения толстых до 150 мкм покрытий высокого качества с заданным градиентом по толщине.

Формирование мишени 4 на катоде 5 методом литья в специальной оснастке даёт возможность многократного восполнения распылённой части металла мишени и восстановления характеристик мишени.

На верхней стороне первой части корпуса 1 установлен электростатический экран 6 в виде круглой пластины, который предотвращает горение разряда на нерабочей части катода. Экран 6 может иметь разные диаметры и выполняет также функцию профилирующего экрана, отсекая лишние потоки распылённого материала при формировании покрытий с заданным градиентом по толщине. Степень профилирования определяется диаметром экрана 6. При необходимости для разных деталей и требований по толщине изготавливается набор сменных электростатических экранов 6. На фиг. 1 электростатический экран 6 условно показан в двух возможных вариантах - слева без отгиба кромки, а справа - с кольцевым отгибом. За счет выбора формы экрана обеспечивается оптимальное профилирование в зависимости от требуемой разнотолщинности и зоны нанесения покрытия.

Электростатический экран 6 закреплен на катоде винтом через изоляторы 15 (показан один из изоляторов), защищенные от запыления индивидуальными экранами (не показано). Крепление предпочтительно осуществляется в двух точках.

С другой стороны мишени МРС функцию профилирования выполняет основание катода. Использование двухсторонней профилирующей системы позволяет оптимизировать расход материала мишени, а также обеспечить покрытие с заданным высоким градиентом толщин.

За счет совмещения нескольких функций в одной детали (катод 1 - корпус и профилирующий экран, магнитопровод 2 - корпус и полюсный наконечник, профилирующий экран 6 - электростатический экран), обеспечивается простота и надёжность конструкции.

Отвод и подвод охлаждающей жидкости в корпус МРС для охлаждения катода осуществляется посредством трубок 11.

Магнетронная распылительная система устанавливается на привод линейного перемещения 12 (фиг. 2) посредством и имеет возможность контролируемого перемещения вдоль оси и позиционирования на заданной позиции. Привод линейного перемещения включает сильфонный ввод линейного перемещения 13 и шаговый двигатель 14. Шаговый двигатель выполнен с возможностью микроперемещений и позиционирования магнетрона для получения заданного градиента. Подвод тока осуществляется через хомут, который крепится на одну из трубок подачи воды.

Устройство работает следующим образом.

Сферическую подложку для нанесения покрытия размещают в рабочей камере с установленной внутри нее МРС, посредством привода линейного перемещения МРС перемещают таким образом, чтобы боковая поверхность катода-мишени располагалась напротив участка подложки, на который будет наносится покрытие. В рабочей камере создается вакуум и напускается инертный газ - аргон. При подаче напряжения между анодом и катодом-мишенью у поверхности последнего возникает газовый разряд, в результате чего происходит распыление материала мишени.

Для получения покрытия с заданным градиентом по толщине МРС пошагово перемещается вдоль оси с выдержкой на заданное расчетное время на каждой позиции. Количество проходов МРС через зону осаждения покрытия может быть любым.

Изобретение относится к магнетронной распылительной системе. Упомянутая магнетронная распылительная система содержит анод, катод в виде тела вращения и магнитную систему, состоящую из постоянного магнита и магнитопровода. Боковая поверхность катода выполнена под углом 0-60° к оси магнетронной распылительной системы и содержит нанесенный на нее материал мишени. С внешней торцевой стороны катода закреплена пластина, выполняющая функцию электростатического и профилирующего экрана. Магнитопровод и катод герметично соединены с образованием пространства между ними, в котором размещен постоянный магнит. Упомянутая магнетронная распылительная система выполнена с возможностью перемещения по оси посредством привода линейного перемещения. Обеспечивается возможность нанесения покрытий высокого качества и точности градиентной толщины на основе легкоплавких металлов и сплавов с низкой эмиссионной способностью. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Магнетронная распылительная система, содержащая анод, катод в виде тела вращения, магнитную систему, состоящую из постоянного магнита и магнитопровода, отличающаяся тем, что боковая поверхность катода выполнена под углом 0-60° к оси магнетронной распылительной системы и содержит нанесенный на нее материал мишени, при этом магнитопровод и катод герметично соединены с образованием пространства между ними, в котором размещен постоянный магнит, и с внешней торцевой стороны катода закреплена пластина, выполняющая функцию электростатического и профилирующего экрана, при этом упомянутая магнетронная распылительная система выполнена с возможностью перемещения по оси посредством привода линейного перемещения.

2. Магнетронная распылительная система по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена приводом линейного перемещения с шаговым двигателем.

3. Магнетронная распылительная система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутый катод выполнен в виде усеченного конуса или цилиндра.

4. Магнетронная распылительная система по п.1, отличающаяся тем, что материал мишени нанесен на боковую поверхность упомянутого катода методом литья.

5. Магнетронная распылительная система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутая пластина закреплена на внешней торцевой стороне упомянутого катода с использованием изоляторов.

6. Магнетронная распылительная система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутая пластина выполнена плоской или с кольцевым отгибом.