Катод-мишень с внешним магнитным блоком

 

Полезная модель относится к распылительному вакуумному оборудованию и может быть использована в качестве высокотехнологичного в изготовлении и монтаже катода-мишени в магнетронах и установках для катодного осаждения.

Технический результат заявляемой полезной модели - упрощение конструкции катода-мишени с внешним магнитным блоком за счет исключения из последнего периферийного постоянного магнита и использования в нем периферийного замкнутого магнитопровода, а также повышение технологичности изготовления катода-мишени с внешним магнитным блоком в результате указанного исключения и универсализация его использования в качестве оптимальной базовой сборочной детали.

Для достижения указанного технического результата в катоде-мишени с внешним магнитным блоком, изготовленном из магнитного распыляемого материала в виде пластины и оснащенном размещенным на ее рабочей поверхности внешним магнитным блоком, выполненным на основе центрального постоянного магнита, внешний магнитный блок имеет периферийный замкнутый магнитопровод, расположенный вдоль края.пластины с ее рабочей стороны и образующий ее боковые стенки.

В частном случае

центральный постоянный магнит внешнего магнитного блока может быть выполнен съемным;

периферийный замкнутый магнитопровод внешнего магнитного блока может иметь исполнение единого целого с пластиной катода-мишени и может быть изготовлен из ее же материала;

периферийный замкнутый магнитопровод внешнего магнитного блока может быть выполнен с боковой стенкой высотой

h=3,2·10-5U0,5 H-1 (м),

где U - напряжение на катоде-мишени (Вольт);

H - коэрцитивная сила центрального постоянного магнита внешнего магнитного блока (Тл).

пластина катода-мишени может быть выполнена в виде диска или прямоугольной пластины с закругленными углами.

Полезная модель относится к распылительному вакуумному оборудованию и может быть использована в качестве высокотехнологичного в изготовлении и монтаже катода-мишени в магнетронах и установках для катодного осаждения.

Плоский катод-мишень является одним из наиболее распространенных и технологичных в изготовлении типов самой ответственной (распыляемой) детали системы вакуумного распыления, функциональная эффективность которой в современных магнетронах в значительной степени зависит от особенностей ее конструктивного исполнения в катодном узле указанного вакуумного оборудования и материала, из которого ее изготавливают.

Так пластинчатый катод-мишень, изготовленный из магнитного материала, создает эффект экранирования, ослабляющий магнитную ловушку для электронов, эмитированных под действием ионной бомбардировки с рассеиваемой поверхности катода-мишени и активизирующих ионизацию, из-за экранирования указанным магнитным материалом магнитного поля, создаваемого размещенным под катодом-мишенью внутренним магнитным блоком магнетрона.

Известно техническое решение устройства для магнетронного распыления (магнетрона) магнитных материалов (см. авторское свидетельство СССР 1030423, C23C 15/00, 1983) направленное на уменьшение изложенного эффекта экранирования в результате изготовления нетехнологичного плоского кольцевидного катода-мишени из магнитного материала с возможностью его размещения (усложняющего конструкцию магнетронного устройства) в полости магнитного блока ниже (выступающих наружу) полюсных наконечников постоянных магнитов указанного блока.

Известно также техническое решение катода-мишени (см. заявку US 20070007130, C23C 14/00, 2007), недостаточно уменьшающее эффект экранирования плоского ферромагнитного катода-мишени в результате нетехнологичной врезки в него снизу (без изменения верхней рассеиваемой поверхности и сохранения верхнего экранирующего слоя ферромагнитного материала катода-мишени) двух дополнительных постоянных магнитов, с обеспечением возможности их расположения над постоянными магнитами внутреннего (нижнего) магнитного блока между последними и ориентации полярности указанных дополнительных магнитов, совпадающей с ориентацией полярности центрального постоянного магнита указанного магнитного блока.

Более технологично техническое решение катода-мишени (см. патент US 6623610, C23C 14/35, 2003), плоская конструкция которого дополнена внешними постоянными магнитами, размещенными на рассеиваемой поверхности катода-мишени, изготовленного из магнитного материала, и образующими внешний магнитный блок для образования магнитной ловушки, позволяющий обойтись без внутреннего магнитного блока. Такой усложненный катод-мишень с внешним магнитным блоком содержит избыточные внешние магниты, задача которых - замена внутреннего магнитного блока.

В качестве прототипа заявляемого катода-мишени с внешним магнитным блоком выбран известный катод-мишень (см. патент US 4370217, С23С15/00, 1983), изготовленный из магнитного распыляемого материала в виде пластины и оснащенный размещенным на ее рабочей поверхности внешним магнитным блоком, выполненным в виде съемных центрального и периферийного постоянных магнитов.

К недостаткам прототипа относятся, также как и в случае аналога по патенту US 6623610, избыточность внешних постоянных магнитов в связи с наличием в конструкции усложненного катода-мишени второго периферийного (кольцевого) постоянного магнита для использования такого катода-мишени в магнетроне с внутренним магнитным блоком. Назначение внешнего магнитного блока в прототипе также - замена внутреннего магнитного блока магнетрона.

Технический результат заявляемой полезной модели - упрощение конструкции катода-мишени с внешним магнитным блоком за счет исключения из последнего периферийного постоянного магнита и использования в нем вместо последнего периферийного замкнутого магнитопровода, а также повышение технологичности изготовления катода-мишени с внешним магнитным блоком в результате указанного исключения и универсализация его использования в качестве оптимальной базовой сборочной детали, обеспечивающей достаточно эффективное распыление при использовании в устройстве магнетронного распыления магнитных материалов с внутренним магнитным блоком и в устройстве магнетронного распыления магнитных материалов без внутреннего магнитного блока (последний вариант использования можно рассматривать, как использование катода-мишени с внешним магнитным блоком в устройстве катодного осаждения).

Для достижения указанного технического результата в катоде-мишени с внешним магнитном блоком, изготовленном из магнитного распыляемого материала в виде пластины и оснащенном размещенным на ее рабочей поверхности внешним магнитным блоком, выполненным на основе центрального постоянного магнита, внешний магнитный блок имеет периферийный замкнутый магнитопровод, расположенный вдоль края пластины с ее рабочей стороны и образующий ее боковые стенки.

В частном случае

центральный постоянный магнит внешнего магнитного блока может быть выполнен съемным;

периферийный замкнутый магнитопровод внешнего магнитного блока может иметь исполнение единого целого с пластиной катода-мишени и может быть изготовлен из ее же материала;

периферийный замкнутый магнитопровод внешнего магнитного блока может быть выполнен с боковой стенкой высотой

h=3,2·10 -5U0,5H-1 (м),

где U - напряжение на катоде-мишени (Вольт);

H - коэрцитивная сила центрального постоянного магнита внешнего магнитного блока (Тл).

пластина катода-мишени может быть выполнена в виде диска или прямоугольной пластины с закругленными углами.

На фиг. 1 показан предлагаемый катод-мишень с внешним магнитным блоком с периферийным замкнутым магнитопроводом, имеющим исполнение единого целого с пластиной катода-мишени (см. на фиг. 1а схематический вид сбоку катода-мишени в разрезе в первом указанном исполнении, смонтированного в устройстве магнетронного распыления с внутренним магнитным блоком) и катод-мишень с внешним магнитным блоком, имеющим исполнение с отдельным периферийным замкнутым магнитопроводом (см. на фиг. 1б схематический вид сбоку катода-мишени в разрезе во втором указанном исполнении).

Предлагаемый катод-мишень с внешним магнитным блоком содержит в обоих случаях исполнения распыляемую дисковидную или прямоугольную (с закругленными углами) пластину 1, изготовленную, например из никеля и оснащенную съемным центральным, например цилиндрическим постоянным магнитом 2 и периферийным замкнутым магнитопроводом 3, расположенным вдоль края пластины 1 с ее рабочей стороны и образующей ее боковые стенки.

Причем в первом случае (см. фиг. 1а) периферийный замкнутый магнитопровод 3 имеет исполнение единого целого с пластиной 1 и изготовлен из ее же материала, а во втором случае (см. фиг. 1б) магнитопровод 3 выполнен накладным кольцевидным или в виде прямоугольной рамки (с закругленными углами) и изготовлен из материала с повышенной магнитной проницаемостью, например стали с повышенным содержанием железа (Ст3).

В обоих случаях катод-мишень с внешним магнитным блоком может быть использован в составе распылительного оборудования устройства магнетронного распыления с внутренним магнитным блоком, показанного на фиг. 1а и содержащего вакуумную камеру 4, с расположенными в ней предлагаемым катодом-мишенью с внешним магнитным блоком, размещенным на охлаждаемом металлическом магнитопроводящем корпусе 5, и анодом 6.

В корпусе 5 расположен внутренний магнитный блок, состоящий из центрального внутреннего постоянного магнита 7 и периферийного внутреннего замкнутого постоянного магнита 8, размещенных на магнитопроницаемом основании 9, причем на корпус 5 подается высокое отрицательное высокочастотное или постоянное напряжение.

Катод-мишень с внешним магнитном блоком в обоих изложенных выше случаях исполнения может быть использован также в устройстве магнетронного распыления без внутреннего магнитного блока, которое может рассматриваться как вакуумная установка катодного осаждения с предлагаемым катодом-мишенью с внешним магнитным блоком (на фигурах не показано).

При этом высота h боковой стенки периферийного замкнутого магнитопровода 3 (см. фиг. 1а) внешнего магнитного блока катода мишени определяется выражением: h=3,2·10-5U0,5H-1 (м), где U - напряжение на катоде-мишени (Вольт) и H - коэрцитивная сила центрального постоянного магнита 2 внешнего магнитного блока (Тл), которое выведено заявителем для достижения наибольшей интенсивности распыления, возникающее когда область плазмы магнетронного разряда, эффективный радиус которой определяется соотношением r=H -1(2mUе-1)0,5 (м), где m и e - масса (кг) и заряд (Кл) электрона, непосредственно касается поверхности распыляемого материала (см. Лабораторный практикум «Физика твердого тела» Под ред. проф. А.Ф. Хохлова. М., «Высшая школа», 2001, т. 1, с. 324).

Суммарный объем пластины 1 и магнитопровода 3 VМ задается при использовании предлагаемого катода-мишени в обоих его случаях исполнения в устройстве магнетронного распыления с внутренним магнитным блоком соотношением: VMVH, где VH - объем данного магнитного материала, при котором наступает насыщение магнитной индукции от суммарных полей внутреннего и внешнего магнитных блоков (см. Краткий технический справочник. М., Физматгиз, 1960, т. 1, с. 356).

Функционирует предлагаемый катод-мишень с внешним магнитным блоком в устройстве магнетронного распыления с внутренним магнитным блоком следующим образом.

При подаче на корпус. 5, например, постоянного высокого отрицательного напряжения (~3 кВ) относительно анода 6 в условиях высокого вакуума (3·10-3 Торр) и газового наполнения вакуумной камеры аргоном возникает неоднородное электрическое поле , пересекающееся с магнитным полем , образуемым центральным внутренним постоянным магнитом 7 и периферийным внутренним замкнутым постоянным магнитом 8 внутреннего магнитного блока и усиленным (в связи с экранирующим эффектом магнитного материала пластины 1) центральным постоянным магнитом 2 и периферийным замкнутым магнитопроводом 3 внешнего магнитного блока катода мишени и возбуждается аномальный тлеющий разряд, и напряжение, подаваемое на корпус 5, падает до 300 В.

Эмитированные с рабочей (распыляемой) поверхности пластины 1 под действием ионной бомбардировки аргоном электроны захватываются упомянутым магнитным полем и оказываются в ловушке, создаваемой, с одной стороны - указанным магнитным полем, возвращающим электроны на катод, а с другой стороны - рабочей поверхностью пластины 1, отталкивающей электроны.

В результате электроны совершают сложное циклоидальное движение у рабочей поверхности пластины 1, в процессе которого претерпевают многочисленные столкновения с атомами аргона, обеспечивая высокую степень ионизации, что приводит к увеличению интенсивности ионной бомбардировки рабочей поверхности пластины 1 и, соответственно, к значительному возрастанию скорости распыления.

Использование предлагаемого оптимизированного катода-мишени с внешним магнитным блоком обеспечивает повышение толщины распыляемой пластины 1 с 0,2 мм (без внешнего магнитного блока) до 3 мм (для распыляемого материала пластины 1 - никеля) в расширенной группе установок магнетронного распыления (как с внутренним магнитным блоком, так и без него) на более высокой технологической основе.

1. Катод-мишень с внешним магнитным блоком, изготовленный из распыляемого материала в виде пластины и оснащённый размещённым на её рабочей поверхности внешним магнитным блоком, выполненным на основе центрального постоянного магнита, отличающийся тем, что внешний магнитный блок имеет периферийный замкнутый магнитопровод, расположенный вдоль края пластины с её рабочей стороны и образующий её боковые стенки.

2. Катод-мишень по п. 1, отличающийся тем, что центральный постоянный магнит внешнего магнитного блока выполнен съёмным.

3. Катод-мишень по п. 1, отличающийся тем, что его пластина изготовлена из магнитного распыляемого материала, а периферийный замкнутый магнитопровод внешнего магнитного блока имеет исполнение единого целого с пластиной катода-мишени и изготовлен из её же материала.

4. Катод-мишень по п. 3, отличающийся тем, что периферийный замкнутый магнитопровод внешнего магнитного блока выполнен с внутренней боковой стенкой высотой

где U - напряжение на катоде-мишени;

H - коэрцитивная сила центрального постоянного магнита внешнего магнитного блока.

5. Катод-мишень по п. 1, отличающийся тем, что его пластина изготовлена из немагнитного распыляемого материала, а периферийный замкнутый магнитопровод внешнего магнитного блока выполнен накладным и изготовлен из материала с повышенной магнитной проницаемостью.

6. Катод-мишень по п. 1, отличающийся тем, что его пластина имеет круглую или прямоугольную форму.



 

Наверх