Магнетронная распылительная система с протяженным катодом



Магнетронная распылительная система с протяженным катодом
Магнетронная распылительная система с протяженным катодом

 

H01J37/00 - Разрядные приборы с устройствами для ввода объектов или материалов, подлежащих воздействию разряда, например с целью их исследования или обработки (H01J 33/00,H01J 40/00,H01J 41/00,H01J 47/00,H01J 49/00 имеют преимущество; исследование или анализ поверхностных структур на атомном уровне с использованием техники сканирующего зонда G01N 13/10, например растровая туннельная микроскопия G01N 13/12; бесконтактные испытания электронных схем с использованием электронных пучков G01R 31/305; детали устройств, использующих метод сканирующего зонда вообще G12B 21/00)

Владельцы патента RU 2575018:

Российская Федерация от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (RU)
Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт технической физики и автоматизации" (ОАО "НИИТФА) (RU)

Изобретение относится к ионно-плазменной технике и предназначено для нанесения покрытий металлов и их соединений на поверхности тел вращения, в частности изделий цилиндрической формы в вакууме. Магнетронная распылительная система содержит вакуумную камеру, анод, протяженные катод, выполненный в виде полого цилиндра с возможностью вращения, и магнитную систему, причем магнитная система состоит из внутренней части магнитной системы, неподвижно расположенной внутри катода вдоль его оси и состоящей из магнитопровода с тремя параллельными рядами постоянных магнитов, периферийные ряды магнитов замкнуты на концах концевыми магнитами и имеют полярность, обратную полярности центрального ряда магнитов, и внешней части магнитной системы, которая неподвижно расположена равноудаленно от внутренней части магнитной системы, охватывая катод со стороны, противоположной зоне распыления, и состоит из магнитопровода с двумя параллельными рядами постоянных магнитов, имеющих полярность, одинаковую с полярностью периферийных рядов магнитов внутренней части магнитной системы. Технический результат - экономия материала катода и повышение производительности процесса нанесения покрытий на внешние поверхности тел вращения. 2 ил.

 

Изобретение относится к ионно-плазменной технике и предназначено для нанесения покрытий металлов и их соединений на поверхности тел вращения, в частности изделий цилиндрической формы в вакууме.

Работа магнетронных распылительных систем, называемых также магнетронами, основана на горении газового аномально тлеющего разряда в магнитном поле (Кузьмичев А.И. Магнетронные распылительные системы. Книга 1. Введение в физику магнетронного распыления. Киев. 2008 г., стр. 109-116). Магнетронная распылительная система (MPC) располагается в вакуумной камере и содержит анод, распыляемый катод и магнитную систему, формирующую над поверхностью катода магнитное поле арочной конфигурации. При напуске рабочего газа в вакуумную камеру и подаче от блока питания постоянного напряжения между анодом и катодом возникает неоднородное электрическое поле и возбуждается аномальный тлеющий разряд. Поскольку магнитное поле арочной конфигурации является ловушкой для электронов, плазма разряда локализуется в этой области у поверхности катода. В скрещенных электрическом и магнитном полях электроны дрейфуют по замкнутым циклоидальным траекториям, производя большое количество ионизационных столкновений с атомами рабочего газа. Под действием электрического поля образовавшиеся ионы ускоряются к катоду и бомбардируют его поверхность. Под действием ионной бомбардировки происходит эмиссия вторичных электронов и распыление поверхности катода, при этом плазменный поток распыленного материала имеет преимущественное направление в сторону вершины арки магнитного поля. Вторичные электроны захватываются в ловушку магнитным полем арочной конфигурации, что обеспечивает непрерывность горения разряда.

Известно техническое решение MPC с цилиндрическим катодом (Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. - М.: Радио и связь, 1982 г., стр. 45). MPC содержит анод, неподвижные катод в виде трубы из распыляемого материала и магнитную систему. Магнитная система в виде набора кольцевых постоянных магнитов с чередующейся полярностью установлена внутри катода. Каждая пара кольцевых магнитов, имеющих противоположную полярность, создает вокруг катода над его поверхностью азимутальную кольцевую область арочного магнитного поля, в которой происходит распыление катода. Недостатком устройства является то, что распыление катода происходит в чередующихся вдоль оси катода азимутальных кольцевых областях. В этом случае диаграмма потока распыленного материала катода в азимутальном направлении имеет угол 360°, поэтому такие устройства применяются для нанесения покрытий на внутренние цилиндрические поверхности, но малопригодны для нанесения покрытий на листовые подложки и на внешние поверхности тел вращения из-за больших потерь распыленного материала катода.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является техническое решение по патенту RU 2242821 С2 (патент RU 2242821 С2, кл. H01J 37/317, H01J 37/34, С23С 14/35, опубл. 20.12.2004). Указанный прототип содержит вакуумную камеру, анод, протяженные катод и магнитную систему. Катод выполнен в виде вращающегося цилиндра, внутри которого вдоль его оси неподвижно расположена магнитная система (внутренняя). Магнитная система содержит магнитопровод, на котором расположены три параллельных ряда постоянных магнитов. Периферийные ряды магнитов замкнуты на концах концевыми магнитами и имеют полярность, обратную полярности центрального ряда магнитов. Зона распыления находится под арками магнитного поля и состоит из двух прямолинейных участков, находящихся на образующих цилиндрического катода и соединяющихся на концах поворотными участками. При неподвижном магнитном поле арочной конфигурации и вращающемся катоде через область распыления проходит вся поверхность катода и он расходуется по всему периметру.

Недостатком указанного решения является то, что диаграмма потока распыленного материала катода в азимутальном направлении имеет угол более 180° и при нанесении покрытия на листовые подложки значительное количество распыленного материала не попадает на обрабатываемую поверхность, а это приводит к уменьшению степени использования распыленного материала и производительности процесса нанесения. Особенно негативно этот недостаток проявляется при нанесении покрытий на внешнюю поверхность тел вращения, имеющих ось, параллельную оси магнетрона.

Технической задачей изобретения является создание MPC, обеспечивающей увеличение степени использования распыленного материала катода в процессе нанесения покрытий на поверхности тел вращения за счет концентрации потока распыленного материала катода в направлении обрабатываемой поверхности.

Технический результат, достигаемый в изобретении, заключается в экономии материала катода и повышении производительности процесса нанесения покрытий на внешние поверхности тел вращения.

Указанный технический результат, достигаемый в изобретении, заключается в том, что в магнетронной распылительной системе, содержащей вакуумную камеру, анод, протяженные катод, выполненный в виде полого цилиндра с возможностью вращения, и магнитную систему, согласно изобретению магнитная система состоит из внутренней части магнитной системы, неподвижно расположенной внутри катода вдоль его оси и состоящей из магнитопровода с тремя параллельными рядами постоянных магнитов, периферийные ряды магнитов замкнуты на концах концевыми магнитами и имеют полярность, обратную полярности центрального ряда магнитов, и внешней части магнитной системы, которая неподвижно расположена равноудаленно от внутренней части магнитной системы, охватывая катод со стороны, противоположной зоне распыления, и состоит из магнитопровода с двумя параллельными рядами постоянных магнитов, имеющих полярность, одинаковую с полярностью периферийных рядов магнитов внутренней части магнитной системы.

Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами:

на фиг. 1 приведена магнетронная распылительная система с протяженным катодом с изображением поперечного разреза в процессе нанесения покрытий на внешнюю поверхность тела вращения, показаны основные силовые магнитные линии и преимущественное направление потока распыленного материала катода;

на фиг. 2 приведена магнитная система MPC с протяженным катодом с изображением взаимного расположения внутренней части магнитной системы и внешней части магнитной системы.

MPC с протяженным катодом расположена в вакуумной камере и содержит (фиг. 1) катод 1 из распыляемого материала, выполненный в виде полого цилиндра с возможностью вращения, при этом стенки вакуумной камеры служат анодом (на фигуре не показаны), внутреннюю часть магнитной системы, состоящую из магнитопровода 2 и трех рядов постоянных магнитов 3, неподвижно расположенную внутри катода 1, вдоль его оси, и внешнюю часть магнитной системы, состоящую из магнитопровода 4 и двух рядов постоянных магнитов 5, неподвижно расположенную вне катода 1, вдоль его оси, охватывая катод 1 со стороны, противоположной зоне распыления. Постоянные магниты 3 внутренней части магнитной системы создают над поверхностью катода 1 магнитное поле арочной конфигурации 6, постоянные магниты 5 внешней части магнитной системы создают преимущественно магнитное поле бутылочной конфигурации 7. Азимутальное расположение арок магнитного поля 6 определяется углом α 8 между их вершинами. Позицией 9 показан плазменный поток распыленного материала катода на обрабатываемую поверхность тела вращения 10.

Магнитная система MPC (фиг. 2) выполнена протяженной и состоит из внутренней части магнитной системы и равноудаленной внешней части магнитной системы, причем длина внешней части магнитной системы равна длине внутренней части магнитной системы. Периферийные ряды постоянных магнитов 3 внутренней части магнитной системы имеют полярность, обратную полярности центрального ряда магнитов, и замкнуты на концах концевыми магнитами. Два ряда постоянных магнитов 5 внешней части магнитной системы расположены параллельно трем рядам постоянных магнитов 3 внутренней части магнитной системы и имеют полярность, одинаковую с полярностью периферийных рядов постоянных магнитов 3.

Устройство работает следующим образом. При напуске рабочего газа в вакуумную камеру и подаче от блока питания постоянного напряжения между анодом и катодом 1 возникает неоднородное электрическое поле и возбуждается аномальный тлеющий разряд. Поскольку магнитное поле арочной конфигурации 6, создаваемое постоянными магнитами 3, является ловушкой для электронов, плазма разряда локализуется в этой области у поверхности катода 1. Под действием скрещенных электрического и магнитного поля электроны дрейфуют по замкнутым циклоидальным траекториям, производя большое количество ионизационных столкновений с атомами рабочего газа. Под действием электрического поля образовавшиеся ионы ускоряются к катоду 1 и бомбардируют его поверхность. Под действием ионной бомбардировки происходит эмиссия вторичных электронов и распыление поверхности катода. Зона распыления находится под арками магнитного поля и состоит из двух прямолинейных участков, находящихся на образующих цилиндрического катода и соединяющихся на концах поворотными участками, при этом плазменный поток распыленного материала катода 9 имеет преимущественное направление в сторону вершины арки магнитного поля 6. Плазменный поток распыленного материала катода 9, попадая на обрабатываемую поверхность тела вращения 10, конденсируется на ней и формирует покрытие. Наличие внешней части магнитной системы с постоянными магнитами 5, имеющими одинаковую полярность с периферийными постоянными магнитами внутренней части магнитной системы 3, за счет суперпозиции полей этих магнитов, приводит к смещению арок магнитного поля 6 в сторону уменьшения угла α 8. В результате смещения арок магнитного поля 6 в сторону уменьшения угла α 8 происходит увеличение доли потока распыленного материала катода, попадающего на обрабатываемую поверхность тела вращения 10, имеющего ось вращения, параллельную оси MPC. Кроме того, магнитное поле бутылочной конфигурации 7, создаваемое постоянными магнитами 5 внешней части магнитной системы, производит фокусировку плазменного потока распыленного материала катода 9 и концентрирует его в направлении обрабатываемой поверхности тела вращения 10, что также увеличивает долю потока распыленного материала, попадающего на обрабатываемую поверхность. Увеличение степени использования плазменного потока распыленного материала катода, приходящего на обрабатываемую поверхность за счет смещения арок магнитного поля и фокусировки потока магнитным полем, приводит к сокращению потерь материала катода и повышению производительности нанесения покрытий.

В результате предложенное техническое решение позволяет обеспечить экономию материала катода и повысить производительность MPC.

Эффективность предложенного технического решения может быть продемонстрирована на примере. Экспериментальная MPC имела цилиндрический вращающийся титановый катод диаметром 60 мм. В качестве магнитов 3 внутренней части магнитной системы использовались постоянные самарий-кобальтовые магниты с размерами 10Ч10Ч20 мм и одинаковой остаточной индукцией магнитного поля 0,8 Тл. Во внешней части магнитной системы использовались постоянные магниты из NdFeB (Неодим-Железо-Бор) с размерами 10Ч20Ч30 мм и остаточной индукцией магнитного поля 1,2 Тл. Нанесение покрытий производилось на стальной цилиндр диаметром 200 мм, расположенный соосно MPC. Результаты измерений показали увеличение производительности процесса нанесения титанового покрытия на 16%+18% по сравнению с MPC без внешней части магнитной системы.

Технический результат предложенной MPC в эксплуатации определяется наличием внешней части магнитной системы, обеспечивающей увеличение степени использования распыленного материала катода в процессе нанесения покрытий, что позволяет значительно повысить экономию распыленного материала катода и производительность процесса нанесения различных покрытий на внешние поверхности тел вращения.

Предложенная магнетронная распылительная система может использоваться для нанесения покрытий металлов и их соединений на внешние поверхности тел вращения, в том числе в составе технологических установок нанесения покрытий металлов и их соединений, работа которых основана на системах распыления. Достижение указанного выше технического результата позволяет использовать данное решение в магнетронных распылительных системах с цилиндрическими вращающимися катодами.

Применение изобретения позволит значительно повысить экономию распыленного с катода материала и поднять производительность процесса нанесения покрытий металлов и их соединений на внешние поверхности тел вращения.

Магнетронная распылительная система с протяженным катодом, содержащая вакуумную камеру, анод, протяженные катод и внутреннюю часть магнитной системы, причем катод выполнен в виде полого цилиндра с возможностью вращения, а внутренняя часть магнитной системы неподвижно расположена внутри катода вдоль его оси и состоит из магнитопровода с тремя параллельными рядами постоянных магнитов, периферийные ряды магнитов замкнуты на концах концевыми магнитами и имеют полярность, обратную полярности центрального ряда магнитов, отличающаяся тем, что содержит внешнюю часть магнитной системы, выполненную протяженной, которая неподвижно расположена равноудаленно от внутренней части магнитной системы, охватывая катод со стороны, противоположной зоне распыления, и состоит из магнитопровода с двумя параллельными рядами постоянных магнитов, имеющих полярность, одинаковую с полярностью периферийных рядов магнитов внутренней части магнитной системы.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения коэффициентов диффузии водорода в различных конструкционных материалах, используемых в космической и атомной технике, в изделиях, подвергаемых наводороживанию и облучению в процессе эксплуатации.

Изобретение относится к дефектоскопии и может быть использовано для обнаружения поверхностных и подповерхностных дефектов, например пор, раковин, трещин, волосовин, закатов, непроплава и т.д.

Изобретение относится к приборам для измерения содержания летучих веществ в воздухе, в частности к фотоионизационным газоанализаторам. Фотоионизационный газоанализатор содержит ионизационную камеру (1), лампу вакуумного ультрафиолетового излучения (4) с окном (5) для вывода излучения в ионизационную камеру, две газовые линии (8) и (9), одна из которых служит для подвода анализируемого газа, а вторая - для подвода агента, используемого для очистки ионизационной камеры от загрязнений, и электронный блок (10), служащий для настройки газоанализатора, измерения сигнала ионизационной камеры и формирования управляющих воздействий.

Изобретение относится к устройствам СВЧ плазменной обработки материалов и может быть использовано при создании твердотельных приборов микро- и наноэлектроники, мощных дискретных твердотельных электронных приборов, в производстве подложек для электронных приборов, работающих в экстремальных условиях.

Устройство для ионной обработки внутренних поверхностей изделий миллиметрового диапазона предназначено для нанесения внутреннего электропроводящего покрытия из дорогостоящих материалов с малым удельным сопротивлением, в котором толщина скин-слоя должна быть 3…4 мкм.

Изобретение относится к технике испытаний и может быть использовано при наземной экспериментальной отработке радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов в диапазоне давлений окружающей среды от атмосферного до соответствующего глубокому вакууму.

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для обработки материалов в среде низкотемпературной плазмы газового разряда, а именно к индукционным генераторам плазмы, размещаемым внутри технологического объема (рабочей камеры).

Изобретение относится к устройствам подачи порошкообразного материала в плазму и может быть использовано для подачи порошковых проб при спектральном анализе. .

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройству подготовки поверхности образца и камеры для последующих воздействий и анализа, и может быть использовано в высоко- и сверхвысоковакуумных установках для анализа или исследования твердых тел.
Изобретение относится к металлургии высокочистых металлов, конкретно - к производству распыляемых металлических мишеней для микроэлектроники. .

Изобретение относится к способу и устройству для нанесения на подложку сплава, состоящего из одного первого и одного второго материала в качестве компонентов сплава с переменным их соотношением и к мишени для нанесения на подложку сплава.

Изобретение относится к дуговому устройству для испарения материала при обработке подложки. Устройство содержит катод, анод, источник напряжения для создания на аноде положительного потенциала относительно катода.

Мишень для ионно-плазменного распыления выполнена на основе оксида металла и содержит углерод. Концентрация углерода в мишени выбрана из условия обеспечения при температуре распыления теплового эффекта от экзотермической реакции при окислении углерода кислородом оксида металла и свободным кислородом в зоне распыления, меньшего интегрального теплоотвода в упомянутой зоне, и составляет 0,1-20 ат.% .

Изобретение относится к нанесению покрытий вакуумным напылением. Способ изготовления распыляемой мишени магнетронного источника для нанесения покрытия включает выполнение углубления в металлической основе распылением материала металлической основы в магнетронном источнике и заполнение углубления материалом покрытия.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к технологии упрочнения и повышения коррозионной стойкости лопаток компрессора газотурбинных двигателей, а также может быть использовано в области создания накопителей и преобразователей энергии на основе суперконденсаторов с алюминиевыми электродами.

Изобретение относится к вакуумному нанесению покрытий, а именно к нанесению электропроводящего прозрачного покрытия на полимерную пленку для электрообогреваемого элемента органического остекления.

Изобретение относится к способу получения катализатора на основе платины для использования в электродах электрохимических устройств. Данный способ включает предварительную очистку носителя ионным травлением, нанесение промежуточного слоя и последующее магнетронное напыление из по меньшей мере одной мишени на основе платины в вакууме в плазме основного газа с добавкой реакционного газа.

Изобретение относится к области получения нанокомпозитных покрытий и может быть использовано при создании оптических и микроэлектронных устройств и материалов с повышенной коррозионной стойкостью и износостойкостью.

Изобретение относится к способу реактивного магнетронного нанесения наноразмерного слоя оксида на подложку, в качестве которой используют рулонную полимерную пленку, и может быть использовано для создания многослойных высокобарьерных относительно проникновения газов и паров полимерных пленок.

Изобретение относится к магнетронным системам, в частности к конструкции катодов, предназначенных для распыления мателлов, их сплавов и соединений при нанесении покрытий в вакууме.

Изобретение относится к способу защиты от окисления биполярных пластин топливных элементов и коллекторов тока электролизеров с твердым полимерным электролитом (ТПЭ), заключающемуся в предварительной обработке металлической подложки, нанесении на обработанную металлическую подложку электропроводного покрытия благородных металлов методом магнетронно-ионного напыления. Способ характеризуется тем, что наносят на обработанную подложку электропроводное покрытие послойно с закреплением каждого слоя импульсной имплантацией ионов кислорода или инертного газа. Техническим результатом является получение устойчивого покрытия с ресурсом работы, в 4 раза превышающим полученный по прототипу, и сохраняющего токопроводящие свойства. 7 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл., 16 пр.,
Наверх