способ получения бериллиевой и бериллийсодержащей фольги и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ получения бериллиевой и бериллийсодержащей фольги, включающий нанесение на подготовленную поверхность подложки подслоя, препятствующего диффузии материала фольги в подложку, последующее осаждение слоев материала фольги и отделение полученной фольги от подложки, отличающийся тем, что слои осаждают магнетронным распылением, при этом используют, по меньшей мере, две мишени, одна из которых выполнена из бериллия, а вторая из металла-геттера, взаимодействующего с примесями плазмообразующего инертного газа, который поступает в анодное пространство магнетрона, предназначенного для распыления металла-геттера, после чего инертный газ очищают от распыленного металла-геттера и продуктов его взаимодействия с примесями и направляют к бериллиевой мишени с тыльной стороны подложки.

2. Устройство для получения бериллиевой и бериллийсодержащей фольги, включающее вакуумную камеру, магнетрон, держатель подложки, системы подачи, регулирования расхода, очистки и эвакуации инертного газа, отличающееся тем, что оно содержит, по меньшей мере, два магнетрона, один из которых имеет мишень, выполненную из бериллия, а второй из металла-геттера, с анодным пространством, соединенным с системой подачи и регулирования расхода газа, при этом второй магнетрон размещен с тыльной стороны подложки, выполненной с возможностью перемещения, и отделен от нее системой очистки газового потока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области изготовления самонесущих тонких пленок, в частности к способам и устройствам для получения бериллиевой и бериллийсодержащей фольги, используемых для окон при регистрации низкоэнергетических излучений, и может найти применение в прикладной физике, машиностроении, при обработке металлов и в других отраслях промышленности.

Существующая в настоящее время технология изготовления бериллиевых фольг обработкой давлением металла в пакетах при высокой температуре и низком парциальном давлении кислорода позволяет получить изделия толщиной до 50 мкм. Процессу свойственны высокие трудозатраты, а хрупкость материала и локальная пористость фольги значительно снижают качество и выход годного при ее производстве.

Известен способ изготовления тонкой бериллиевой фольги (RU 2036244, кл. С 23 С 14/22, 1995), включающий многостадийное осаждение паров бериллия на подложку, отделение конденсата и последующую термообработку, в котором после осаждения паров бериллия толщиной 0,5-5 мкм проводят осаждение слоя оксида бериллия толщиной 2-10 нм с последующим многократным повторением этого цикла при количестве слоев бериллия не менее пяти. Получение фольги путем конденсации паров бериллия позволяет снизить трудозатраты, уменьшить толщину, а послойное формирование - несколько уменьшить пористость фольги, но присутствие в ней оксида бериллия снижает прочностные характеристики и тем самым качество фольги в целом.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ получения тонких самоподдерживающихся пленок (RU 2040589, кл. С 23 С 14/00, 14/24, 1995) для ядерно-физических исследований из бериллия и других элементов, включающий химическую очистку поверхности подложки, осаждение на подложку термическим испарением в вакууме подслоя хлорида натрия и затем пленки заданного материала и последующее отделение пленки от подложки, в котором перед осаждением хлорида натрия осуществляют дополнительную очистку подложки в тлеющем разряде.

Испарение бериллия осуществляют в импульсном режиме при температуре испарителя 1923-2100К, длительность импульсов и промежуток между ними поддерживают равными 3-4 с и 8-10 с, осаждение пленки осуществляют со скоростью 2,0-9,57 мкгсм^-2с^-1. Очистку в тлеющем разряде осуществляют в вакууме 0,133-0,266 Па при напряжении 1-3 кВ в течение 3-5 мин.

Недостатками способа является получение пленок с относительно рыхлой структурой, являющейся следствием энергетических условий формирования кристаллов пленки из паровой фазы, наличие включений, образующихся в результате присутствия в газовой фазе даже малого количества активных составляющих, взаимодействующих с паром, что влечет за собой низкие прочностные характеристики, высокую газопроницаемость и микрошероховатость поверхности. Качество пленки, полученной таким образом, недостаточно для использования ее при изготовлении окон детекторов для низкоэнергетических излучений.

Известны устройства для нанесения и формирования тонких пленочных покрытий.

Известно устройство для магнетронного реактивного распыления нитридных, карбидных и карбонитридных покрытий (RU 2065507, кл. С 23 С 14/36, 1993), включающее катод, мишень, закрепленную на катоде посредством держателя мишени, магнитную систему и полый анод, снабженный расположенным на удаленном от мишени торце анода соплом для запуска рабочей газовой смеси с направляющими, параллельными боковой образующей анода, и изолирующей цилиндрической втулкой, расположенной между анодом и поверхностью держателя мишени, магнитная система расположена с нерабочей стороны мишени, анод выполнен цилиндрическим, а полость анода соединена с кольцевым соплом посредством винтовых входов.

Устройство позволяет формировать фольги из бериллия и содержащие в своем составе бериллий, однако использование потока плазмообразующего газа, подаваемого в полый анод, не прошедшего глубокую очистку от примесей, сопровождается образованием при распылении соединений бериллия, которые внедряются в фольгу и снижают ее качество.

Известны также способ и устройство для локального ионного распыления (US 5591313, кл. С 23 С 14/34, 1995), содержащее вакуумную камеру, внутри которой на небольшом расстоянии один от другого установлены катод, имеющий поверхность мишени, и анод, имеющий обращенную к поверхности мишени поверхность и противоположную первой вторую поверхность, и источник питания для создания электрического поля между анодом и катодом. Силовые линии поля проходят между передним краем анода и локальной областью поверхности мишени непосредственно рядом с передним краем анода. Между анодом и поверхностью мишени установлено сопло, направляющее струю плазмообразующего газа на поверхность мишени. Выходное отверстие сопла расположено рядом с указанной локальной областью мишени для создания локального облачка над рассматриваемой областью мишени. Сопло имеет на конце мундштук для создания повышенного локального давления в облачке плазмообразующего газа в пределах 60-600 Па. Устройство имеет механизм для перемещения подложки, на которую осаждают покрытие.

Здесь, как и в предыдущем устройстве, использование потока плазмообразующего газа, не прошедшего глубокую очистку от примесей, сопровождается образованием при распылении соединений бериллия, которые внедряются в фольгу и снижают ее качество.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство для нанесения тонких пленок (RU 2041972, кл. С 23 С 14/35, 1989), включающее вакуумную камеру с входным и выходным отверстиями для плазмообразующего инертного газа, размещенные в камере держатель подложки и магнетронный распылительный источник с анодом, катодом и магнитной системой, в котором анод источника выполнен в виде двух пластин с отверстиями, параллельных одна другой и плоскости подложки, а катод выполнен в форме полого эллиптического цилиндра, размещенного между анодными пластинами с образованием двух свободно сообщающихся зон очистки рабочего газа и нанесения, причем ось симметрии катода ориентирована параллельно анодным пластинам, а на поверхности катода со стороны зоны очистки нанесен слой геттерного материала преимущественно из титана.

Устройство позволяет повысить качество получаемой фольги применительно к бериллию, однако свободное сообщение зон очистки газа и напыления не исключает попадания продуктов взаимодействия распыленного металла с примесями инертного газа в формируемую фольгу, что снижает качество получаемой фольги из бериллия и на его основе.

Технический результат изобретения заключается в повышении качества бериллиевой и бериллийсодержащей фольги.

Указанный технический результат достигается в способе получения бериллиевой и бериллийсодержащей фольги, включающем нанесение на подготовленную поверхность подложки подслоя, препятствующего диффузии материала фольги в подложку, последующее осаждение слоев материала фольги и отделение полученной фольги от подложки, в котором слои осаждают магнетронным напылением, при этом используют по меньшей мере две мишени, одна из которых выполнена из бериллия, а вторая - из металла-геттера, взаимодействующего с примесями плазмообразующего инертного газа, который поступает в анодное пространство магнетрона, предназначенного для распыления металла-геттера, после чего инертный газ очищают от распыленного металла-геттера и продуктов его взаимодействия с примесями и направляют к бериллиевой мишени с тыльной стороны подложки.

Технический результат обеспечивается также конструкцией устройства для осуществления способа, включающего вакуумную камеру, магнетрон, держатель подложки, системы подачи, регулирования расхода, очистки и эвакуации инертного газа, которое содержит по меньшей мере два магнетрона, один из которых имеет мишень, выполненную из бериллия, а второй - из металла-геттера с анодным пространством, соединенным с системой подачи и регулирования расхода газа, при этом указанный магнетрон размещен с тыльной стороны подложки, выполненной с возможностью перемещения, и отделен от нее системой очистки газового потока.

Магнетронное формирование фольги вследствие большого энергетического запаса, сообщенного группам атомов при распылении, способствует формированию более совершенной кристаллической структуры с зеркальной поверхностью, что повышает качество изделия.

Распыление геттера в том же объеме, где протекает процесс формирования фольги, повышает чистоту плазмообразующего инертного газа за счет исключения загрязнения его сорбированными примесями газов на стенках газопровода и неорганизованного натекания на пути от системы очистки до вакуумного объема. Подвод всего потока газа в анодное пространство при распылении геттера позволяет наиболее полно обеспечить контакт и реакцию примесей плазмообразующего газа с распыленным геттером, что вместе с последующей очисткой газового потока от продуктов взаимодействия и частиц распыленного геттера также повышает степень очистки инертного газа, используемого затем при распылении бериллия, и положительно сказывается на качество получаемой фольги.

Направление потока плазмообразующего газа к бериллиевой мишени с тыльной стороны подложки способствует дополнительной очистке его от следов примесей за счет взаимодействующих с ними распыленных частиц бериллия, направленных навстречу потоку газа вне габаритов подложки, и предотвращает попадание продуктов взаимодействия в кристаллическую решетку фольги при послойном ее формировании, что также способствует достижению технического результата.

Снабжение устройства не менее чем двумя магнетронами, один из которых снабжен мишенью из металла-геттера, позволяет при распылении ее очистить инертный газ от примесей непосредственно в вакуумной камере, где происходит получение фольги магнетронным распылением второй мишени, повысить его чистоту и тем самым качество фольги.

Наличие системы очистки газового потока от пылевидной фракции позволяет повысить чистоту инертного газа, используемого при распылении бериллия, и качество формируемой фольги. Кроме того, присутствие распыленных и не вступивших во взаимодействие с примесями газа частиц металла-геттера в системе очистки дополняет глубину очистки инертного газа за счет потенциальной реакционной способности.

Размещение магнетрона с мишенью из металла-геттера с тыльной стороны подложки позволяет направить поток инертного плазмообразующего газа через систему очистки, размещенную на его пути, с дополнительной очисткой газа без попадания продуктов взаимодействия в формируемую фольгу. Это, а также соединение системы регулирования расхода газа с анодным пространством данного магнетрона, то есть направление всего потока газа через него, позволяет значительно повысить степень очистки газа и качество бериллиевой и бериллийсодержащей фольги.

Возможность перемещения подложки позволяет организовать процесс формирования фольги слоями в несколько нанометров, при котором дефекты каждого предыдущего слоя перекрываются последующим, что положительно сказывается на достижении технического результата.

На чертеже приведена схема сечения устройства для формирования бериллиевой и бериллийсодержащей фольги предлагаемым способом.

Устройство представляет собой вакуумную камеру 1, в которой размещены магнетрон 2 с бериллиевой мишенью, магнетрон 3 с мишенью из металла-геттера, например из титана, и исходя из необходимости магнетрон 4 с мишенью из металла, являющегося составляющим фольги, например из меди, алюминия и др. В камере 1 смонтированы устройство для перемещения подложки 5 с закрепленными подложками 6, система 7 для очистки газового потока от пылевидной фракции и газопровод 8, соединяющий систему регулирования расхода газа 9 с анодным пространством магнетрона 3. Для эвакуации газа из камеры 1 устройство снабжено системой 10. Система регулирования расхода газа 9 соединена с системой подачи инертного газа 11.

Устройство работает следующим образом.

Из вакуумной камеры 1 посредством системы 10 эвакуируют газ до давления, меньшего чем 110^-3 Па. Через системы подачи газа 11, регулирования расхода газа 9 и газопровод 8 в анодное пространство магнетрона 3, снабженного мишенью из металла-геттера, подают инертный газ, например аргон или криптон. Подачей электрической мощности на электроды магнетрона 3 организуют процесс распыления металла-геттера в плазме низкого давления. Включают устройство для перемещения подложки 5 с закрепленными на нем подложками 6. Поток инертного газа в потоке плазмы взаимодействует с частицами распыленного геттера с образованием пылевидной фракции оксидов, нитридов и других соединений с примесями и, собственно, геттера.

В связи с тем, что газовый поток организован в сторону бериллиевой мишени магнетрона 2, пылевидную фракцию улавливают в системе очистки 7. Затем подачей электрической мощности на электроды магнетрона 2 организуют распыление бериллиевой мишени. Распыленный бериллий, достигая поверхности подложки 6, предварительно подготовленной с нанесенным подслоем, препятствующим диффузии материала фольги в материал подложки 6, кристаллизуется и формирует фольгу послойно, вследствие многократного перемещения подложки. Так как поперечное сечение потока плазмы магнетрона 2 больше размеров подложки 6, то часть распыленного бериллия направлена на систему очистки 7, и встречаясь с потоком очищенного от пылевидной фракции газового потока от магнетрона 3 за пределами подложки с тыльной ее стороны, способствует дополнительной его очистке от реактивных примесей и предотвращает попадание образующихся соединений в материал фольги.

Следует отметить, что присутствие в системе очистки 7 уловленных частиц металла-геттера размером менее 50 нм, характерных для магнетронного распыления и имеющих весьма большую поверхность, также направлено на удаление следов примесей последующих объемов подаваемого инертного газа.

При формировании бериллийсодержащей фольги включением магнетрона 4 организуют распыление металла, входящего в качестве составляющего в материал фольги, и при последующем осаждении на перемещающуюся подложку формируют покрытие заданного состава.

Инертный газ, подаваемый через систему 11 в течение процесса формирования фольги в вакуумную камеру 1, эвакуируют с помощью системы 10.

После завершения процесса формирования магнетроны 2-4, подачу исходного инертного газа через систему 11 и газопровод 8, а также перемещение подложек 6 отключают, давление в вакуумной камере 1 выравнивают с атмосферным, снимают подложки 6 и отделяют фольгу. После замены подложек предварительно подготовленными процесс получения фольги повторяют.

Предлагаемые способ и устройство использованы для получения бериллиевой фольги для окон детекторов при регистрации рентгеновского излучения и образцов медно-бериллиевой и алюмобериллиевой фольги.

Пример 1. Изготовление фольги бериллия осуществляли распылением одной мишени из высокочистого бериллия и осаждением его на полированную подложку с подслоем хлорида натрия. Подложку при формировании слоев фольги перемещали относительно потока плазмы со скоростью 0,15 мс^-1, количество перемещений подложки относительно потока плазмы при нанесении бериллия - 3,610⁴ раз. Осаждение бериллия осуществляли слоями толщиной около 1 нм при расстоянии от мишени до подложки 30 мм. В качестве плазмообразующего газа использовали аргон, подаваемый в полый анод магнетрона для очистки газового потока, металла-геттера - титан, поток аргона после системы очистки внутри камеры содержал примеси, суммарное парциальное давление которых не превышало 510^-6 Па.

Принцип работы системы очистки газового потока от пылевидной фракции основывался на многократном изменении направления движения газового потока. После завершения процесса осаждения бериллия, разгерметизации вакуумного объема и разборки оснастки, удерживающей подложку, происходило самопроизвольное отслаивание сформированной фольги. Хлорид натрия при этом распределялся между поверхностью фольги и подложки. Очистку фольги от хлорида натрия производили растворением с последующей обработкой этиловым спиртом. В результате получена вакуумно-плотная с зеркальной поверхностью фольга в форме круга толщиной 35 мкм и диаметром 30 мм. Включений продуктов взаимодействия примесей аргона с металлом-геттером и бериллием при исследовании структуры фольги не обнаружено. Прочностные характеристики оценивали по испытанию на изгиб. Полученная фольга выдерживает без разрушения изгиб на 90-130^o при радиусе кривизны, равном 5 мм, что, учитывая высокую хрупкость бериллия, свидетельствует о высоком ее качестве. Фольга с аналогичными размерами, полученная по способу- прототипу, разрушалась при изгибе на 37-45^o.

Пример 2. Изготовление медно-бериллиевых фольг выполнено с последовательностью и при условиях (за исключением приведенных) аналогичных примеру 1 на полированных подложках из стали 12Х18Н10Т. Формирование фольги на подслое хлорида натрия вели осаждением распыляемых одновременно меди и бериллия поочередным перемещением подложки относительно потоков плазмы при скорости перемещения 0,6-1,0 мс^-1. Изменение содержания бериллия от 10 до 30 ат. % в фольге осуществляли изменением соотношения скорости распыления металлов. Суммарное парциальное давление примесей в аргоне после очистки составило (3-9)10^-6 Па.

В итоге получены фольги толщиной 15-20 мкм мелкозернистой структуры и высоким качеством поверхности, результаты прочностных испытаний которых приведены в табл. 1.

Увеличение упругости и прочности фольги, полученной предлагаемым способом, связано с мелкозернистой структурой металлов и отсутствием включений в структуре фольги, обусловленными магнетронным способом формирования и высокой степенью очистки газового потока, осуществляемой при ведении процесса предлагаемым способом.

Приведенные прочностные характеристики подтверждают высокое качество фольги.

Пример 3. Изготовление алюмобериллиевых фольг выполнено с последовательностью и при условиях (за исключением приведенных) аналогичных примеру 1 на полированных подложках из стали 12Х18Н10Т. Формирование фольги на подслое хлорида натрия вели осаждением распыляемых одновременно алюминия и бериллия поочередным перемещением подложки относительно потоков плазмы при скорости перемещения 0,4-0,6 мс^-1. Изменение содержания бериллия с 8 до 80 ат.% в фольге осуществляли изменением соотношения скорости распыления металлов. Суммарное давление примесей в аргоне после очистки составляло 810^-7 Па. В итоге получены фольги толщиной 10-15 мкм мелкозернистой структуры и высоким качеством поверхности, результаты прочностных испытаний которых приведены в табл. 2.

Для полученных фольг характерны высокие прочность и упругость, обусловленные текстурой, полученной в результате магнетронного способа формирования, и отсутствием включений в кристаллической решетке, что является результатом глубокой очистки аргона от газов-примесей.

Таким образом, приведенные примеры и результаты, изложенные в них, свидетельствуют о повышении качества бериллиевых и бериллийсодержащих фольг, получаемых с использованием предлагаемого способа и устройства для его осуществления.