магнетрон

Формула изобретения

Магнетрон, включающий мишень-катод, цилиндрический анод, выполненный полым, установленный на диэлектрическом держателе и имеющий внешнюю проточку на краю, обращенном к катоду, образующую с диэлектрическим держателем кольцевую, вертикальную по отношению к катоду щель, охлаждаемую магнитную систему, состоящую из магнитов и магнитопровода, размещенную с нерабочей стороны мишени, и устройство, прижимающее мишень к магнитной системе, отличающийся тем, что внутренняя поверхность анода выполнена в виде усеченного конуса, обращенного меньшим основанием к мишени, соотношение длины к ширине кольцевой щели превышает 10:1 при ширине менее 2 мм, между мишенью и магнитной системой установлена немагнитная мембрана, выполненная профилированной с углублением, в котором размещена мишень, при этом магнитопровод снабжен каналами для охлаждения и размещен вплотную к мембране.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области нанесения покрытий, различных по назначению и составу, а именно к устройствам ионно-плазменного распыления в скрещенных магнитном и электрических полях, и может быть использовано в машиностроении, оптике, электронной, электротехнической, медицинской и других отраслях промышленности.

В устройстве магнетронного реактивного распыления нитридных, карбидных и карбонитридных покрытий (патент Российской Федерации 2065507, кл. С 23 С 14/36, 1996), содержащем катод, мишень, закрепленную на катоде посредством держателя мишени, магнитную систему и полый анод, соединенный с системой подачи газа, торец анода, удаленный от мишени, снабжен кольцевым соплом с направляющими, параллельными боковой образующей анода, изолирующая цилиндрическая втулка расположена между анодом и поверхностью держателя мишени, магнитная система расположена с нерабочей стороны мишени, анод выполнен цилиндрическим и ближний к мишени край анода со стороны изолирующей втулки выполнен с цилиндрической проточкой, а полость анода соединена с кольцевым соплом посредством винтовых входов. Данному техническому решению также свойственна сложность конструкции и возможность короткого замыкания между электродами при длительной эксплуатации устройства.

Известен также магнетронный распылитель, в котором использовано устройство для охлаждения мишени в вакуумной камере для катодного напыления (патент Швейцарии 672319, кл. С 23 С 14/34, 1990), содержащее контур жидкостного охлаждения, в который входит кювета с припаянной или приваренной к краю металлической мембраной, мишень прижимают к краю кюветы прижимными приспособлениями, что в совокупности с разрежением в камере обеспечивает тепловой контакт между мишенью и контуром охлаждения и тем самим эффективное охлаждение мишени во время магнетронного разряда между анодом и катодом. Устройство обеспечивает стабильный тепловой режим магнетронных процессов, однако, ему также свойственна некоторая сложность конструкции, что уменьшает надежность в работе.

Наиболее близким по технической сущности является магнетронное распылительное устройство (предварительный патент Республики Казахстан 8312, кл. С 23 С 14/36, 1999), включающее катод, цилиндрический полый анод с внешней проточкой на краю, обращенном к катоду, и полостью, сообщающейся с соплом и патрубком подачи газа, установленный на диэлектрическом держателе, и охлаждаемую магнитную систему, размещенную с противоположной от анода стороны катода, в которой катод, являющийся мишенью, выполнен в виде полосы с возможностью условно бесконечного перемещения относительно анода и магнитной системы и снабжен прижимным к магнитной системе устройством. Наличие перемещающейся мишени, системы подвода газа непосредственно в полость анода, сопла для подвода газа к мишени усложняют конструкцию устройства. Другим недостатком известного устройства является то, что на диэлектрическом держателе происходит частичное осаждение распыленного материала, в результате которого возможно межэлектродное замыкание, что снижает надежность магнетрона в работе.

Технический результат изобретения заключается в упрощении конструкции устройства и повышении надежности при эксплуатации.

Указанный результат достигается в магнетроне, включающем мишень-катод, цилиндрический анод, выполненный полым, установленный на диэлектрическом держателе и имеющий внешнюю проточку на краю, обращенном к катоду, образующую с диэлектрическим держателем кольцевую, вертикальную по отношению к катоду щель, охлаждаемую магнитную систему, состоящую из магнитов и магнитопровода, размещенную с нерабочей стороны мишени, и устройство, прижимающее мишень к магнитной системе, в котором внутренняя поверхность анода выполнена в виде усеченного конуса, обращенного меньшим основанием к мишени, соотношение длины к ширине кольцевой щели превышает 10:1 при ширине менее 2 мм, между мишенью и магнитной системой установлена немагнитная мембрана, выполненная профилированной с углублением, в котором размещена мишень, при этом магнитопровод снабжен каналами для охлаждения и размещен вплотную к мембране.

Суть изобретения заключается в следующем.

Выполнение внутренней поверхности анода в виде усеченного конуса, обращенного меньшим основанием к мишени, уменьшает вероятность осаждения распыленного материала на поверхности анода, последующее осыпание рыхлого покрытия с анода на мишень и возможность короткого межэлектродного замыкания. Это повышает надежность конструкции и увеличивает срок эксплуатации.

Изготовление анода с проточкой на краю, обращенном к мишени, образующей с диэлектрическим держателем кольцевую, вертикальную по отношению к катоду щель, с соотношением длины к ширине, превышающем 10:1 при ширине менее 2 мм, позволяет исключить осаждение распыленного материала на поверхности диэлектрического держателя выше среза анода вследствие малой ширины (менее 2 мм) щели и тем самим возможность замыкания между электродами. Меньшее чем 10: 1 соотношение длины и ширины кольцевой щели делает возможным присутствие распыленного материала в объеме щели, его осаждение по всей внутренней поверхности диэлектрического держателя от катода до анода и, следовательно, гальваническую связь между ними.

В предлагаемой конструкции магнетрона между мишенью и магнитной системой установлена немагнитная мембрана, предотвращающая попадание охладителя в межэлектродное пространство. Изготовление мембраны из немагнитного материала способствует уменьшению ее влияния на геометрию силовых линий магнитного поля при магнетронном разряде над мишенью, удерживающих плазму у ее поверхности. Выполнение мембраны профилированной, с углублением для мишени позволяет, с одной стороны, увеличить ее прочность и сопротивление перепаду давления, превышающему атмосферное, с другой, - улучшить теплосъем с мишени при эксплуатации за счет большей площади контакта, что также направлено на достижение технического результата. Кроме того, профилирование мембраны позволяет свести к минимуму полости, ограниченные собственно мембраной, мишенью и прижимным устройством, исключить паразитные разряды и соответствующий отбор электрической мощности и тем самым повысить надежность работы магнетрона.

Размещение магнитопровода вплотную к мембране позволяет обеспечить гарантированный выход силовых линий магнитного поля над поверхностью мишени, процесс удержания плазмы и распыления как таковой.

Снабжение магнитопровода каналами для охлаждения стабилизирует тепловой режим магнитной системы, постоянство технических характеристик магнитов и способствует повышению надежности во время эксплуатации.

Таким образом, использование в предлагаемой конструкции магнетрона меньшего количества элементов, изменение их формы и определенное расположение друг относительно друга упрощает конструкцию магнетрона и увеличивает надежность его эксплуатации.

Схема магнетрона приведена на чертеже. Магнетрон включает магнитную систему, состоящую из магнитов 1 и магнитопровода 2, профилированную мембрану 3 с углублением 4, в котором размещена мишень 5, являющиеся в совокупности катодом. Профилированная мембрана 3 отделяет магнитную систему от межэлектродного пространства 6. На катоде установлен диэлектрический держатель 7 цилиндрического анода 8. Внутренняя поверхность анода 8 имеет вид усеченного конуса 9, обращенного меньшим основанием к мишени 5. На краю анода 8, обращенном к катоду, выполнена проточка 10, образующая с держателем 7 кольцевую щель 11, вертикальную по отношению к катоду. Мишень фиксирована на мембране 3 прижимным устройством 12. В магнитопроводе 2 размещены каналы 13 для охлаждения.

Магнетрон работает следующим образом. В магнитную систему, включающую магниты 1 и магнитопровод 2, подают охладитель, который, проходя по каналам 13, омывает магниты 1 и мембрану 3. Подачей электрической мощности на катод и анод 8 организовывают в межэлектродном пространстве 6 скрещивающиеся электрическое и (вследствие выхода силовых линий магнитного поля над поверхностью мишени 5) магнитное поля и собственно плазму низкого давления, удерживаемую у поверхности мишени 5. Поток распыленного материала мишени 5 направлен от мишени через цилиндрический анод 8. При этом из-за выполнения внутренней поверхности анода 8 в виде усеченного конуса 9 имеющее место осаждение частиц потока вследствие сепарации по массам протекает незначительно и осыпание частиц в межэлектродное пространство 6 не происходит. Вследствие малой ширины и достаточной высоты кольцевой щели 11, образованной проточкой 10 анода 8 и диэлектрическим держателем 7, осаждение распыленного материала мишени 5 на участке внутренней поверхности держателя 7 выше проекции среза проточки 10 не происходит, что не нарушает диэлектрических свойств держателя 7 и не приводит к замыканию электродов.

В процессе распыления вследствие перепада давления, обусловленного давлением охладителя в магнитной системе и вакуумом в межэлектродном пространстве, мембрану прижимает к поверхности мишени 5, удерживаемой прижимным устройством 12, чем обеспечивается эффективное охлаждение мишени 5. При этом профиль мембраны 3, выполненной с углублением 4, устраняет полости под устройством 12 и возникновение паразитных электрических явлений.

Магнетрон использован для формирования покрытий из металлов, нитридов и других соединений, в том числе сверхпроводящих.

Во время эксплуатации отмечена надежность работы магнетрона, так минимальная компания магнетрона без обслуживания (за исключением замены мишени) составляет более 150 часов, что в 1,5 раза больше в сравнении с прототипом.

Таким образом, предложенный магнетрон вследствие простоты конструкции обеспечивает повышение надежности при эксплуатации.