Магнетрон

(51)7 23 14/35, 01 25/50 ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(72) Тулеушев Адил Жианшахович Тулеушев Юрий Жианшахович Володин Валерий Николаевич(73) Дочернее государственное предприятие Институт ядерной физики Национального ядерного центра Республики Казахстан(57) 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. Магнетрон включает мишень-катод, цилиндрический анод, выполненный полым, установленный на диэлектрическом держателе и имеющий внеш нюю 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, при этом внутренняя поверхность анода выполнена в виде усеченного конуса,обращенного меньшим основанием к мишени, соотношение длины к ширине кольцевой щели превышает 101 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. Технический результат изобретения заключается в упрощении конструкции устройства и повышении надежности при эксплуатации. 12752 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. Известно устройство для магнетронного распыления материалов в вакууме (а.с. СССР 1646322,кл. С 23 С 14/36, 1988), содержащее катод, магнитный блок, основную мишень, закрепленную на катоде с помощью кольца, цилиндрический анод, охватывающий внешнюю поверхность катода, и патрубок подачи рабочего газа. Кольцо, удерживающее мишень, выполнено из геттерного материала и является дополнительной мишенью, а на внутренней стенке анода со стороны кольца выполнены кольцевые канавки, глубина которых превышает величину зазора между анодом и катодом. Недостатком устройства является относительная сложность конструкции, обусловленная наличием дополнительной мишени, что влечет за собой уменьшение надежности при больших сроках эксплуатации. 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), содержащем 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 самым 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 котором 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 101 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 отноше 12752 нию к катоду, щель, с соотношением длины к ширине, превышающем 101 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 самым возможность замыкания между электродами. Меньшее чем 101 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 фиг. 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 поле 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. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Магнетрон, включающий мишень-катод, цилиндрический анод, выполненный полым, установленный на диэлектрическом держателе и имеющий 3 12752 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-катода, и устройство, прижимающее мишень-катод к магнитной системе, отличающийся тем, что внутренняя поверхность анода выполнена в виде усеченного конуса, обращенно го меньшим основанием к мишени-катоду, соотношение длины к ширине кольцевой щели не менее 101 при ширине менее 2 мм, между мишеньюкатодом и магнитной системой установлена немагнитная мембрана, выполненная профилированной с углублением, в котором размещена мишень-катод,при этом магнитопровод снабжен каналами для охлаждения и размещен вплотную к мембране.