Распылительный катод для процессов нанесения покрытий

Изобретение относится к области металлургии, в частности к распылительному катоду для процессов нанесения покрытий в вакуумной камере, и может найти применение в машиностроении при изготовлении изделий с нанесенным покрытием. Катод содержит, по меньшей мере, одну цельную мишень (2), смонтированную на металлической мембране (3). На обращенной от мишени (2) стороне мембраны (3) находятся охлаждающий канал с приточной (9) и сливной (10) линиями для охлаждающей жидкости и полость (7), по меньшей мере, для одной магнитной системы (5). Магнитная система (5) расположена в герметизированной относительно мембраны (3) несущей ванне (6) и не подвержена воздействию охлаждающей жидкости. Катод расположен на несущей конструкции (12), которая содержит полое тело (13), герметично закрытое относительно внутреннего пространства вакуумной камеры (18), и связывает окружающую магнитную систему (5) и полость (7) с атмосферой вне вакуумной камеры (18). Охлаждающий канал выполнен в виде закрытой по периметру сечения водопроводной трубы (4), по меньшей мере, с одной плоской стороной (4а), находящейся в теплопроводящей связи с мембраной (3). Мембрана (3) и обращенные от мембраны (3) поверхности водопроводной трубы (4) через указанную несущую конструкцию (12) подвержены атмосферному давлению вне вакуумной камеры (18). Такое выполнение катода позволяет улучшить теплопередачу от мишени к охлаждающей жидкости простым, эффективным и экономичным образом и предотвратить опасности проникновения охлаждающей жидкости в вакуумную камеру. 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к распылительному катоду для процессов нанесения покрытий в вакуумной камере, содержащему, по меньшей мере, одну цельную мишень, смонтированную на металлической мембране, на обращенной от мишени стороне которой находятся охлаждающий канал с приточной и сливной линиями для охлаждающей жидкости и полость, по меньшей мере, для одной магнетронной системы, причем магнетронная система расположена в герметизированной относительно мембраны несущей ванне и не подвержена воздействию охлаждающей жидкости, причем все устройство расположено на несущей конструкции.

Подобные распылительные катоды представляют собой высокопроизводительные распылительные катоды и называются также магнетронными катодами. При этом за мишенью расположена магнитная система, создающая на противоположной распылительной поверхности закрытый магнитный туннель, в который заключена необходимая для распылительного процесса плазма из ионизированного газа. За счет этого, с одной стороны, скорость распыления возрастает в двадцать-тридцать раз по сравнению с немагнитным катодом, а, с другой стороны, энергия концентрируется на участке под магнитным туннелем, и тем самым возрастают скорость удаления материала мишени и ввод тепла в нее. Это вызывает короткую периодичность замены мишени и крайне эффективное охлаждение. Проблемы возрастают с величиной распылительного катода.

Из ЕР 0476652 В1 известно, что кругообразные относительно маленькие корпуса катодов, в которых размещены магнитные системы, закрывают от вакуумной покрывающей камеры относительно толстой (6-7 мм) катодной плитой. За счет этой катодной плиты и огибающего круглого шнурового уплотнения корпус катода, в котором находится омывающая магниты охлаждающая жидкость, закрыт от покрывающей камеры. Подчеркивается, что проникновение охлаждающей жидкости в покрывающую камеру приводит к браку изделия, поскольку это нарушает покрывающую атмосферу - либо инертный, либо реактивный газ. В качестве охлаждающей жидкости указаны как пример вода и этиленгликоль. Катодная плита может быть выполнена либо однородной, либо ламинированной и состоять из алюминиевого основания, собственно мишени, и медного усиливающего слоя, при необходимости дополненного еще нагревательным слоем для дегазации катода перед нанесением покрытия. Указанные диаметры катода достигают 290 мм. Существенный недостаток состоит, однако, в том, что для замены катодной плиты охлаждающую жидкость приходится удалять, а уплотнение отделять и очищать, прежде чем после значительных потерь времени можно будет осуществить повторный пуск в эксплуатацию в обратном порядке.

В той же публикации раскрыто также основание, в котором вплотную за распыляемым материалом мишени расположены закрытые охлаждающие каналы. При этом возникает, однако, опасность того, что при отсутствии контроля материал мишени будет протравлен, а основание подтравлено до охлаждающих каналов, с чем, в свою очередь, связана опасность проникновения охлаждающей жидкости в покрывающую камеру. Средства для изготовления и связи охлаждающих каналов с окружающей средой не раскрыты.

Из DE 4301516 А1 известен распылительный катод описанного выше рода, у которого между упругой мембраной и массивной ванной с огибающей полостью и двумя огибающими уплотнениями образован охлаждающий канал. К мембране всей поверхностью прилегают мишени или их части. Фиксация охлаждающего канала и мишени или мишеней происходит за счет чередующихся снизу и сверху резьбовых соединений, которые, с одной стороны, через прихваты или гайки воздействуют на мембрану с ванной, а, с другой стороны, - на края мишени. При этом магниты лежат вне охлаждающей жидкости. Поскольку весь распылительный катод, однако, расположен внутри вакуумной камеры (не показана), вытекающая охлаждающая жидкость может проникнуть в вакуумную камеру и негативно повлиять на процесс нанесения покрытия.

Из DE 19622205 А1 и DE 19622606 С2 известно расположение между магнитной системой и мишенью, по меньшей мере, одной листовой выкройки из магнитопроводящего материала, с тем чтобы придать линиям поля, которые образуют магнитный туннель для вызывающей распыление плазмы, более плоский контур для расширения эрозионных канавок в мишени и повышения к.п.д. материала. В DE 19622606 С2 дополнительно раскрыто еще несущее мишень основание.

В основе изобретения лежит задача улучшения у распылительного катода описанного выше рода теплоперехода от мишени к охлаждающей жидкости простым, эффективным и экономичным образом и предотвращения опасности проникновения охлаждающей жидкости или ее паров в вакуумную камеру, а также ухудшения процесса нанесения покрытия.

Поставленная задача решается у распылительного катода описанного выше рода, согласно изобретению, за счет того, что

а) несущая конструкция для распылительного катода содержит полое тело, которое газоплотно закрыто относительно внутреннего пространства вакуумной камеры и связывает окружающую магнитную систему полость с атмосферой вне вакуумной камеры;

б) охлаждающий канал выполнен в виде закрытой по периметру сечения водопроводной трубы, по меньшей мере, с одной плоской стороной, находящейся в теплопроводящей связи с мембраной;

в) мембрана и обращенные от нее поверхности водопроводной трубы через указанную несущую конструкцию подвержены атмосферному давлению вне вакуумной камеры.

Благодаря изобретению у распылительного катода описанного выше рода теплопереход от мишени к охлаждающей жидкости улучшен простым, эффективным и экономичным образом, а также предотвращены опасность проникновения охлаждающей жидкости или ее паров в вакуумную камеру и ухудшение процесса нанесения покрытия.

При этом в ходе других выполнений изобретения особенно предпочтительно, если либо порознь, либо в комбинации

- водопроводная труба для охлаждающей жидкости имеет прямоугольное сечение, одна длинная сторона которого находится в теплопроводящей связи с мембраной;

- водопроводная труба для охлаждающей жидкости соединена с мембраной посредством процесса соединения;

- полое тело несущей конструкции закреплено на удерживающей плите, закрепленной на стенке вакуумной камеры, которая в пределах места соединения удерживающей плиты имеет отверстие относительно окружающей атмосферы;

- к обоим концам водопроводной трубы присоединены вертикальные патрубки, которые заканчиваются коленами и от которых через полое тело несущей конструкции до окружающей атмосферы проходят присоединительные линии;

- несущая ванна распылительного катода через закрытое по периметру опорное тело вакуумплотно соединена с полым телом несущей конструкции;

- несущая ванна распылительного катода и держатели мишени или мишеней окружены корпусом, который посредством первой рамки охватывает сверху держатели мишени или мишеней, а посредством второй рамки охватывает снизу несущую ванну вблизи опорного тела, и/или если

- водопроводная труба внутри распылительного катода проходит приблизительно посередине между разными полюсами магнитной системы.

Пример выполнения объекта изобретения, принцип его действия и преимущества более подробно поясняются ниже с помощью прямоугольного катода, изображенного на фигурах 1-6, где:

- фиг.1: вертикальный разрез полной катодной системы с несущей конструкцией внутри фрагмента вакуумной камеры с плоскостью разреза перпендикулярно продольной оси катода;

- фиг.2: частично вертикальный продольный разрез того конца катодной системы, к которому присоединена водопроводная труба для питания охлаждающей жидкостью, однако без несущей конструкции и в увеличенном масштабе;

- фиг.3: другой конец катодной системы из фиг.2, на котором водопроводная труба отклонена на 180°;

- фиг.4: вид сверху на магнитную систему после снятия мишени в уменьшенном масштабе;

- фиг.5: вид сверху на конец катодной системы;

- фиг.6: вертикальное сечение катодной системы по фиг.2, 3 и 5.

Предварительно следует подчеркнуть, что распылительный катод изображен в виде прямоугольного катода, длина которого для нанесения покрытия большой площади посредством относительного продольного движения стекла может составлять несколько метров, однако конструктивный принцип может быть вполне применен к круглым катодам произвольной величины. Использование возможно, конечно, и в перевернутом положении, т.е. «вверх ногами», или же в любых наклонных положениях, например при нанесении пленочных покрытий на валки.

На фиг.1 изображен распылительный катод, функционально важной частью которого является мишень 2, которая при работе выделяет материал покрытия или его компонент в зависимости от того, протекает ли процесс в инертной (например, аргон) или реактивной (например, кислород или азот) атмосфере. Мишень 2 может быть выполнена монолитной или многослойной, что, однако, известно.

Под мишенью 2 находится упругая мембрана 3 из металла, которая также может быть выполнена одно- или многослойной. Например, один из слоев 3а может состоять из железа, стали и/или высококачественной стали, а другой слой 3b - из меди. Слой 3а служит для придания дугообразным линиям поля, которые образуют магнитный туннель, более плоской формы, чтобы расширить эрозионные канавки в мишени и повысить к.п.д. материала. В теплопроводящей связи со слоем 3b находится приблизительно U-образный охлаждающий канал из водопроводной трубы 4 прямоугольного сечения, верхняя плоская сторона 4а которой находится в хорошей теплопроводящей связи с мишенью 2. Это соединение создают преимущественно за счет способа соединения пайкой, сваркой или склеиванием с помощью теплопроводящего клея. Позади на расстоянии расположена магнитная система 5 (фиг.4), из которой здесь показан только внешний ряд 5а магнитов. Слои 3а, 3b имеют общую толщину 2-4 мм, однако преимущественно соединены между собой непрочно, с тем чтобы за счет относительной перемещаемости достичь максимальной упругости.

Мембрана 3 и магнитная система 5 удерживаются несущей ванной 6, которая имеет ступенчатую полость 7 соответствующей формы и сквозное отверстие 8 для приточной 9 и сливной 10 линий для охлаждающей жидкости. Все устройство с помощью закрытого на периферии опорного тела 11 удерживается на несущей конструкции 12, которая содержит полое тело 13 и охватывает параллелепипедообразную полость 14 с верхним отверстием 14а. Эта полость 14 более подробно описанным ниже образом связана с внешней атмосферой. Короткие толстые направленные к мембране 3 и водопроводной трубе 4 стрелки обозначают усилия прижима за счет внешнего атмосферного давления, проникающего в полость 7 несущей ванны 6.

Линии 9, 10 выполнены в виде патрубков 9а, 10а и заканчиваются коленами 15, к которым присоединены другие линии (не показаны), проходящие в продольном направлении сквозь полость 14 до внешней атмосферы. Для соблюдения расстояния между патрубками 9а, 10а служат зажимные устройства 16, 17. Уплотнения для вакуумплотного запирания между покрывающей и внешней атмосферами обозначены черными прямоугольниками и не имеют ссылочных позиций.

Описанное выше устройство размещено в вакуумной камере 18, из которой здесь показаны только фрагмент и дно 18а. Для этой цели полое тело 13 несущей конструкции 12 закреплено на удерживающей плите 19, которая вакуумплотно закреплена на стенке вакуумной камеры 18. Названная стенка имеет в пределах удерживающей плиты 19 или места соединения отверстие (не показано) относительно окружающей или внешней атмосферы.

Показано также, что распылительный катод 1 со своей несущей ванной 6 окружен корпусом 20, который посредством первой верхней рамки 20а охватывает сверху держатели и края мишени 2, а посредством второй нижней рамки 20b охватывает снизу несущую ванну 6 вблизи опорного тела 11.

На фиг.2-6 с сохранением и продолжением прежних ссылочных позиций в увеличенном масштабе изображено следующее:

На фиг.2 изображен частичный вертикальный продольный разрез того конца катодной системы, на котором к водопроводной трубе 4 присоединены патрубки 9а, 10а для питания охлаждающей жидкостью, однако без несущей конструкции 12. Продольный разрез проходит через не показанный прежде средний ряд 5b магнитов, стяжной винт 21 зажимного устройства 16 и частичную периферию одного из уплотнений 22, перегородку 23 между концами водопроводной трубы 4 со стороны присоединения и одну из обозначенных штриховой линией присоединительных линий 24, которые проходят до внешней атмосферы.

На фиг.3 изображен другой конец катодной системы на фиг.2, на котором водопроводная труба 4 отклонена на 180°. Ступенчатая выемка 25 служит для размещения опорного устройства (не показано) относительно несущей конструкции 12.

На фиг.4 изображен вид сверху на магнитную систему 5 или 5а, 5b после снятия мишени 2. Эта магнитная система вырабатывает пронизывающее мишень 2 магнитное поле с дугообразными линиями и похожей по форме на беговую дорожку конфигурацией, которое заключает равномерную плазму, образуемую за счет разности потенциалов между распылительным катодом 1 и анодом (не показан), возбуждаемой телом анода и/или имеющей потенциал массы держателем подложек (не показан). Упомянутая плазма распыляет с высоким вводом энергии материал мишени 2 и обеспечивает конденсацию удаленного материала или его соединения на подложках. Такие причинные взаимосвязи, обуславливающие эффективное охлаждение, однако, известны и потому более подробно не поясняются.

На фиг.5 изображен вид сверху на конец катодной системы. Мишень 2 удерживается за счет Z-образного выполнения разделительных швов рамкой из свинченных с несущей ванной 6 прихватов 26, которые зажимают также мембрану 3 относительно несущей ванны 6.

На фиг.6 в увеличенном по сравнению с фиг.1 виде изображено вертикальное сечение катодной системы по фиг.2, 3 и 5. Еще раз толстыми черными стрелками показаны силовые воздействия внешнего атмосферного давления на мембрану 3 и водопроводную трубу 4. Внешние ряды 5а магнитов расположены зеркально-симметрично внутреннему ряду 5b магнитов. В промежутке 7 на расстоянии от внешних 5а и среднего 5b рядов магнитов расположены оба колена водопроводной трубы 4. За счет этого мембрану 3 и мишень 2 можно крайне эффективным образом охлаждать и после нагрева поддерживать их постоянную температуру. Следует еще подчеркнуть, что между верхними ограничительными поверхностями рядов 5а, 5b магнитов имеются расстояния или воздушные зазоры.

Перечень ссылочных позиций

1 - распылительный катод

2 - мишень

3 - мембрана

3а - слой

3b - слой

4 - водопроводная труба

4а - плоская сторона

5 - магнитная система

5а - внешний ряд магнитов

5b - внутренний ряд магнитов

6 - несущая ванна

7 - полость

8 - сквозное отверстие

9 - приточная линия

9а - патрубок

10 - сливная линия

10а - патрубок

11 - опорное тело

12 - несущая конструкция

13 - полое тело

14 - полость

14а - отверстие

15 - колено

16 - зажимное устройство

17 - зажимное устройство

18 - вакуумная камера

18а - дно

19 - удерживающая плита

20 - корпус

20а - рамка

20b - рамка

21 - стяжной винт

22 - уплотнения

23 - перегородка

24 - присоединительная линия

25 - выемка

26 - прихваты

1. Распылительный катод для процессов нанесения покрытий в вакуумной камере, расположенный на несущей конструкции (12) и содержащий, по меньшей мере, одну цельную мишень (2), смонтированную на металлической мембране (3), на обращенной от мишени (2) стороне которой находятся охлаждающий канал с приточной (9) и сливной (10) линиями для охлаждающей жидкости и полость (7), по меньшей мере, для одной магнитной системы (5), причем магнитная система (5) расположена в герметизированной относительно мембраны (3) несущей ванне (6) и не подвержена воздействию охлаждающей жидкости, отличающийся тем, что несущая конструкция (12) для распылительного катода (1) содержит полое тело (13), которое герметично закрыто относительно внутреннего пространства вакуумной камеры (18) и связывает окружающую магнитную систему (5) полость (7) с атмосферой вне вакуумной камеры (18), охлаждающий канал выполнен в виде закрытой по периметру сечения водопроводной трубы (4), по меньшей мере, с одной плоской стороной (4а), находящейся в теплопроводящей связи с мембраной (3), а мембрана (3) и обращенные от мембраны (3) поверхности водопроводной трубы (4) через указанную несущую конструкцию (12) подвержены атмосферному давлению вне вакуумной камеры (18).

2. Катод по п.1, отличающийся тем, что водопроводная труба (4) для охлаждающей жидкости имеет прямоугольное сечение, одна длинная сторона которого находится в теплопроводящей связи с мембраной (3).

3. Катод по п.1, отличающийся тем, что водопроводная труба (4) для охлаждающей жидкости соединена с мембраной (3) посредством метода стыковки.

4. Катод по п.1, отличающийся тем, что полое тело (13) несущей конструкции (12) закреплено на удерживающей плите (19), закрепленной на стенке вакуумной камеры (18), которая в пределах места соединения удерживающей плиты (19) имеет отверстие относительно окружающей атмосферы.

5. Катод по п.4, отличающийся тем, что к обоим концам водопроводной трубы (4) присоединены вертикальные патрубки (9а, 10а), которые заканчиваются коленами (15) и от которых через полое тело (13) несущей конструкции (12) до окружающей атмосферы проходят присоединительные линии.

6. Катод по п.1, отличающийся тем, что несущая ванна (6) распылительного катода (1) через закрытое по периметру опорное тело (11) вакуумплотно соединена с полым телом (13) несущей конструкции (12).

7. Катод по п.6, отличающийся тем, что несущая ванна (6) распылительного катода (1) и держатели мишени или мишеней (2) окружены корпусом (20), который посредством первой рамки (20а) охватывает сверху держатели мишени или мишеней (2), а посредством второй рамки (20b) охватывает снизу несущую ванну (6) вблизи опорного тела (11).

8. Катод по п.1, отличающийся тем, что водопроводная труба (4) внутри распылительного катода (1) проходит приблизительно посередине между разными полюсами магнитной системы (5).