установка для нанесения покрытий

Формула изобретения

1. Установка для нанесения покрытий, содержащая вакуумную камеру, электроразрядное распылительное устройство, системы эвакуации, подачи и регулирования расхода газа, устройство для перемещения подложек карусельного типа цилиндрической формы с закрытыми торцами, внутренней полостью и герметично сочлененным с вакуумной камерой валом, отличающаяся тем, что устройство для перемещения подложек выполнено герметичным с возможностью заполнения охладителем, для чего вал устройства выполнен полым, с каналами внутри полости для ввода и вывода охладителя, при этом один конец вала соединен с внутренней полостью устройства для перемещения подложек, а второй размещен вне пределов вакуумной камеры, на стенках которой размещен, по меньшей мере, один магнетронный распылитель, обращенный к наружной поверхности устройства для перемещения подложек.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что форма внутренней полости устройства для перемещения подложек выполнена с возможностью размещения охладителя непосредственно у цилиндрической стенки устройства для перемещения подложек.

3. Установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что устройство для перемещения подложек электрически изолировано от вакуумной камеры.

4. Установка по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что она снабжена устройством для изменения разности потенциалов между устройством для перемещения подложек и вакуумной камерой.

5. Установка по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что герметичное сочленение полого вала с вакуумной камерой снабжено нагревателем.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области аппаратурного оформления технологий нанесения покрытий, различных по назначению и составу, и может быть использовано в машиностроении, электронной, электротехнической, медицинской и других отраслях промышленности.

Известна установка для напыления пленок с обращенным магнетроном, содержащая цилиндрическую мишень, вблизи оси которой размещена ленточная подложка, между подложкой и мишенью установлен анод в виде спирали, охлаждаемой водой (патент Японии 6102827, кл. С 23 С 14/34, 1986). Анод охлаждает подложку, однако отсутствие прямого контакта охладителя с подложкой не может обеспечить охлаждение подложки до температуры сжиженных газов, то есть невозможно нанесение покрытий при низких температурах.

Известен также способ получения пленок сплавов путем напыления их на холодную подложку (патент США 5597458, кл. С 23 С 14/34, 1995), реализованный на установке, в которой подложку монтируют на оправке, через которую перекачивают жидкий хладагент, поддерживая первоначальную температуру оправки и охлаждая подложку до температуры ниже 100^oС (373 К). Установка не может быть использована для напыления покрытий при температурах ниже 200 К (минус 73^oС) из-за конструктивных особенностей.

Наиболее близкой по технической сущности является установка для напыления покрытия на диэлектрик (патент Японии 6039693, кл. С 23 С 14/40, 1985), содержащая вакуумную камеру, вращаемый с помощью герметично сочлененного с вакуумной камерой вала держатель карусельного типа цилиндрической формы с закрытыми торцами и полостью внутри, на поверхности которого расположены подложки, мишени, размещенные на стенках вакуумной камеры, электроразрядное устройство для генерирования плазмы в полости между мишенями и поверхностью подложек, системы эвакуации, подачи и регулирования расхода газа. Установка не может быть использована для нанесения покрытий при низких температурах вследствие отсутствия системы охлаждения подложек и невозможности организации подвода хладагента во внутреннюю полость, сообщающуюся с вакуумной камерой.

Технический результат изобретения заключается в обеспечении технологической возможности формирования покрытий при низких температурах.

Указанный результат достигается в установке для нанесения покрытий, содержащей вакуумную камеру, электроразрядное распылительное устройство, системы эвакуации, подачи и регулирования расхода газа, устройство для перемещения подложек карусельного типа цилиндрической формы с закрытыми торцами, внутренней полостью и герметично сочлененным с вакуумной камерой валом, при этом устройство для перемещения подложек выполнено герметичным с возможностью заполнения охладителем, для чего вал устройства выполнен полым, с каналами внутри полости для ввода и вывода охладителя, при этом один конец вала соединен с внутренней полостью устройства для перемещения подложек, а второй размещен вне пределов вакуумной камеры, на стенках которой размещен, по меньшей мере, один магнетронный распылитель, обращенный к наружной поверхности устройства для перемещения подложек. Форма внутренней полости устройства для перемещения подложек выполнена с возможностью размещения охладителя непосредственно у цилиндрической стенки устройства для перемещения подложек. Устройство для перемещения подложек электрически изолировано от вакуумной камеры. Установка снабжена устройством для изменения разности потенциалов между устройством для перемещения подложек и вакуумной камерой. Герметичное сочленение полого вала с вакуумной камерой снабжено нагревателем.

Схема установки приведена на чертеже. Установка представляет собой вакуумную камеру 1, внутри которой размещено герметичное устройство 2 цилиндрической формы для перемещения подложек 3. К верхней части устройства 2 для перемещения подложек 3 присоединен полый вал 4, выведенный за пределы вакуумной камеры 1. Внутри полого вала 4 размещены каналы для ввода 5 и вывода 6 охладителя 7. Форма устройства 2 для перемещения подложек 3 обеспечивает присутствие охладителя 7 в зоне размещения подложек 3. Полый вал 4 герметично сочленен с вакуумной камерой 1 посредством уплотнения 8. Уплотнение 8 снабжено нагревателем 9 и изолятором 10. С нижней частью устройства для перемещения подложек 2 контактирует устройство для изменения разности потенциалов 11 между устройством 2 и вакуумной камерой 1. Напротив устройства 2 для перемещения подложек 3 на стенках вакуумной камеры 1 размещен, по меньшей мере, один магнетронный распылитель 12, обращенный к устройству 2. Установка снабжена системой эвакуации газов 13 из вакуумной камеры 1 и системой 14 подачи и регулирования расхода газа.

Установка работает следующим образом. Предварительно устройство 2 с подложками 3 размещают в вакуумной камере 1 и через систему 13 эвакуируют газы до необходимого давления. Посредством вала 4 устройству 2 сообщают вращение. Подачей определенной мощности на анод магнетрона 12 потока газа через систему подачи и регулирования расхода 14 и выравниванием посредством устройства 11 потенциала устройства 2 с потенциалом вакуумной камеры 1 организуют процесс ионно-плазменного травления подложек 3. После завершения процесса травления при включенном нагревателе 9 уплотнения 8 через канал ввода 5 заливают сжиженный охладитель 7, заполняющий полость, внешняя поверхность которой обращена к подложкам 3. При этом пары охладителя выходят через канал вывода 6 и охлаждают полый вал 4. Нагреватель 9 поддерживает температуру уплотнения 8 выше определенной, ниже которой наблюдается разгерметизация установки вследствие большого перепада температур и различных коэффициентов расширения материалов уплотнения 8 и вала 4. Через устройство 11 потенциал устройства 2 для перемещения подложек 3 выравнивают с потенциалом анода магнетрона 12 или изменяют в некотором заданном по технологическим условиям интервале. Подачей электрической мощности на магнетрон 12 обеспечивают распыление мишеней и формирование покрытия на подложках 3. После завершения процесса формирования покрытия магнетрон 12 отключают, вращение устройства 2, подачу газа и его эвакуацию прекращают. Давление в вакуумной камере 1 выравнивают с атмосферным и извлекают подложки 3 с нанесенным покрытием. Последняя операция в зависимости от технологических условий может быть осуществлена после испарения охладителя 7 и повышения температуры во избежание конденсации составляющих воздуха на поверхности полученного покрытия.

Выполнение устройства для перемещения подложек герметичным и сообщающимся полым валом с пространством вне вакуумной камеры позволяет организовать ввод охладителя вовнутрь вакуумной камеры при малых давлениях внутри ее. Заполнение упомянутого устройства сжиженным охладителем обеспечивает поддержание температуры подложки, соответствующей температуре сжиженного газа. Совокупность изложенного позволяет формировать покрытия при низких температурах.

Наличие каналов ввода и вывода охладителя позволяет организовать раздельные потоки сжиженного охладителя во внутреннюю полость устройства для перемещения подложки и вывода парокапельной смеси из нее и также направлено на достижение технического результата.

Размещение, по меньшей мере, одного магнетронного распылителя на стенках вакуумной камеры, обращенного к цилиндрическим стенкам устройства для перемещения подложек, позволяет локализовать подвод тепла за счет потока плазмы к стенкам устройства для перемещения подложек в виде пятен, что уменьшает тепловой поток по сравнению со случаем, при котором мишень размещена на стенках камеры и напыление осуществляют за счет электроразрядного устройства между мишенью и подложками. Уменьшение теплового потока стабилизирует процесс напыления при низких температурах.

Форма внутренней полости устройства для перемещения подложек, при которой охладитель размещен у тыльной стороны стенки с подложками, обеспечивает постоянную температуру ее при испарении, уменьшении количества и снижении уровня охладителя в полости.

Выполнение устройства для перемещения подложек электрически изолированным от вакуумной камеры и снабжение установки устройством для изменения разности потенциалов между устройством для перемещения подложек и вакуумной камерой направлены на организацию и осуществление операций финишной очистки подложки и собственно формирования покрытия при низких температурах в одном объеме с изменением технологических условий процесса.

Присутствие нагревателя для герметичного сочленения полого вала с вакуумной камерой предотвращает за счет поддержания некоторой определенной температуры образование течей воздуха и повышение давления в вакуумной камере при вводе сжиженного охладителя вследствие разных коэффициентов температурного расширения материалов сочленения и полого вала. Изложенное способствует достижению технического результата.

Установка использована для формирования покрытия из смешанного оксида-гидроксида двухвалентного свинца [Рb₅O₃(ОН)₄] при температуре жидкого азота 77 К и давлении 0,1 Па на медной ленте шириной 5 мм, толщиной 15 мкм и длиной 3,85 м.

Процесс осуществляли следующим образом. Ленточную подложку, подвергнутую предварительной очистке, размещали на устройстве для перемещения подложек, а последнее - в вакуумной камере. После эвакуации воздуха из вакуумной камеры до давления менее 0,1 Па устройству для перемещения подложек сообщали вращение вокруг своей оси посредством полого вала и организовывали через устройство для подачи и регулирования расхода газа поток инертного газа - аргона. Посредством устройства для изменения разности потенциалов между устройством для перемещения подложек и вакуумной камерой потенциалы между ними выравнивали и подачей мощности на электроды магнетрона организовывали очистку поверхности ленты в тлеющем разряде в течение 20 мин. По завершении процесса финишной очистки поверхности ленты при включенном нагревателе герметичного сочленения, имеющего температуру 40^oС, по вводному каналу полого вала заливали жидкий азот, пары которого, а также парокапельная смесь в начальный момент времени, отводились в атмосферу по выводному каналу. Через устройство для подачи и регулирования расхода газа подавали газовую смесь, содержащую аргон, кислород 0,8 об.%, и пар воды 0,5 об.%. Подачей электрической мощности (50 Вт) на свинцовую мишень осуществляли распыление металла, при этом потенциал устройства для перемещения подложек выравнивали с потенциалом анода магнетрона (700-720 Вт) устройством для изменения разности потенциалов. Вследствие того, что магнетрон обращен на поверхность устройства для перемещения подложек, происходило реактивное формирование покрытия из Рb₅O₃(ОН)₄ на медной ленте. Процесс формирования протекал 10 мин, толщина нанесенного покрытия составила 200 нм. Получено покрытие зеленого цвета. Состав покрытия по данным рентгеноструктурного исследования идентифицирован как Рb₅O₃(ОН)₄. Реализация указанного технологического процесса в идентичных условиях, но без использования охладителя позволяла получать только металлическое свинцовое покрытие.

Таким образом, установка предлагаемой конструкции позволяет осуществить формирование покрытия при низких температурах.