CS255419B1

CS255419B1 - Cylindrical magnetron with one meandering plasma cloud

Info

Publication number: CS255419B1
Application number: CS856463A
Authority: CS
Inventors: Jiri Stanislav; Karel Dadourek; Oldrich Rybar
Original assignee: Jiri Stanislav; Karel Dadourek; Oldrich Rybar
Priority date: 1985-09-11
Filing date: 1985-09-11
Publication date: 1988-03-15
Also published as: CS646385A1

Abstract

Jedná se o válcový magnetron s anodou z kruhových desek a dutým válcovým targetem. Target má 4 řady magnetů, po úhlu 90° obvodů magnetronu a dále má 2 kruhové sady magnetů uspořádané tak, že kolem targetů uspořádané tak, že kolem targetu se vytváří meandrovitý oblak plazmatu, ve kterém dochází k odpracování materiálu. Používá se k nanášení tenkých vrstev ve vakuu na vnitřní průměry rotačních součástí .It is a cylindrical magnetron with an anode made of circular plates and a hollow cylindrical target. The target has 4 rows of magnets, at an angle of 90° around the magnetron circumferences and also has 2 circular sets of magnets arranged in such a way that a meandering plasma cloud is created around the target, in which the material is processed. It is used to deposit thin layers in a vacuum on the inner diameters of rotating parts.

Description

Vynález řeší konstrukci válcového magnetronu pro nanášení tenkých vrstev ve vakuu na vnitřní průměry rotačních součástí.The invention solves the construction of a cylindrical magnetron for applying thin layers in vacuum to the inner diameters of rotating parts.

Dosud známá řešení jsou konstruována buS jako kolíkové magnetrony, kdy target ve formě tyče je vložen do středu rotační součásti, na jejíž povrch má být vrstva nanášena a magnetické pole je umístěno na obvodu této součásti, nebo jako válcové magnetrony s toroidním vícenásobným plazmatickým oblakem. Nevýhodou prvního řešení je malá univerzálnost s ohledem na nutnost umístění magnetického pole mimo vlastní target i součást, nevýhodou druhého řešení je, že piazmatické toroidy leží kolmo na podélnou osu magnetronu a tudíž depoziční rychlosti po délce magnetronu jsou dány superposicí deposičních rychlostí jednotlivých plazmatických toroidů.The prior art solutions are constructed either as pin magnetrons, wherein the target in the form of a rod is inserted into the center of the rotating member on whose surface the layer is to be applied and the magnetic field is located at the periphery of the member. Or cylindrical magnetrons with toroidal multiple plasma clouds. The disadvantage of the first solution is the low versatility with regard to the necessity of placing the magnetic field outside the target and the component itself. The disadvantage of the second solution is that the piazmatic toroids lie perpendicular to the longitudinal axis of magnetron.

To vede k nerovnoměrné rychlosti nanášeni vrstvy po délce součásti, a při použití magnetronu na reaktivní depozice i k následné změně stechiometrie vrstvy. Dosud známá řešení neumožňují pomocí magnetronu deponovat jak nereaktivní tak i reaktivní vrstvy na vnitřní průměry součástí, nebo zajištují jejích depozici pouze na součásti o velkých vnitřních průměrech s ohledem na nutnost použití vnější anody při omezeném využití targetu a při nerovnoměrném nanášení vrstev.This leads to an uneven coating rate along the length of the workpiece, and consequently to a change in layer stoichiometry when using magnetron for reactive deposition. The prior art solutions do not make it possible to deposit both non-reactive and reactive layers on the internal diameters of the components by means of magnetron, or provide their deposition only on large internal diameter components due to the necessity of using an external anode with limited target utilization and uneven coating.

Uvedené nevýhody odstraňuje válcový magnetron dle vynálezu jehož podstata spočívá v tom, že magnety jsou uspořádány na nosiči magnetů jednak v řadách a jednak v kruhových sadách, přičemž horní kruhová sada je vytvořena permanentními magnety polovanými severním polem N vně nosiče magnetů a jižním polem S dovnitř; spodní kruhová sada je polována opačně. Permanentní magnety v řadách jsou uloženy ve směru podélné osy tělesa magnetronu a jsou uspořádány tak, že vždy po 90° obvodu magnetronu je jedna řada permanentních magnetů polovaných severními póly vně magnetronu a s jižními póly dovnitř a následující řada opačně, přičemž v případě souhlasné polarizace permanentních magnetů v podélné ose s horní kruhovou sadou nebo dolní kruhovou sadou navazuje řada permanentních magnetů v ose přímo na kruhovou sadu /horní .nebo dolní/, v případě polarizace opačné pak je vytvořena mezera mezi protilehlou kruhovou sadou /horní nebo dolní/ a opačně polarizovanou řadou permanentních magnetů. Anodu tvoří kruhové desky a target tvoří dutý válec.The above-mentioned disadvantages are overcome by the cylindrical magnetron according to the invention, characterized in that the magnets are arranged on the magnet support both in rows and in circular sets, the upper circular set being formed by permanent magnets poled by the northern field N outside the magnet carrier and the southern field S inwards; the lower ring set is opposite. The permanent magnets in the rows are arranged in the direction of the longitudinal axis of the magnetron body and are arranged so that each 90 ° circumference of the magnetron is one row of permanent magnets poled by the north poles outside the magnetron and the other poles inwards and vice versa. in the longitudinal axis with the upper ring set or the lower ring set, a series of permanent magnets directly in line with the ring set (upper or lower), in the case of opposite polarization a gap is created between the opposite ring set (upper or lower) and magnets. The anode is formed by circular plates and the target is a hollow cylinder.

Vyšší účinek válcového magnetronu dle vynálezu lze spatřovat v tom, že má pod válcovou katodou o daném průřezu vytvarováno magnetické pole tak, že je vytvořen oblak plazmatu zajištující rovnoměrné pokrytí targetu plazmou a tím i rovnoměrné, odprašování materiálu z povrchu. Současně toto řešení dovoluje rovnoměrné nanesení vrstvy po celém obvodu bez rotaoe výrobku nebo magnetronu.The higher effect of the cylindrical magnetron according to the invention can be seen in that it has a magnetic field formed under the cylindrical cathode of a given cross-section so that a plasma cloud is created to ensure uniform plasma coverage of the target and thus even dust dedusting from the surface. At the same time, this solution permits even coating of the entire circumference without rotaoe of the product or magnetron.

Vzhledem ke tvarování magnetického pole kolmo na podélnou osu lze anody výhodně umístit na obou koncích magnetronu, čímž odpadá nutnost vnější anody okolo pláště targetu. V tomto uspořádání je možno bez dalších konstrukčních změn konstruovat magnetron o libovolné délce, omezené pouze výkonem napájecích zdrojů.Due to the shape of the magnetic field perpendicular to the longitudinal axis, the anodes can advantageously be positioned at both ends of the magnetron, eliminating the need for an external anode around the target shell. In this arrangement, it is possible to construct a magnetron of any length, limited only by the power of the power supplies, without further design changes.

Na připojeném výkrese je znázorněn válcový magnetron dle vynálezu, kde značí obr. I - nárys vnitřní části válcového magnetronu s některými díly znázorněnými v řezu, obr. 2 - je řez rovinou A-A, z obr. l.In the accompanying drawing, a cylindrical magnetron according to the invention is shown, in which FIG.

Válcový magnetron na obr. 1 je tvořen nosičem £ magnetů, z feromagnetického materiálu, na němž jsou přichycené permanentní magnety 2, které v dalším textu nazýváme jen magnety £. Těleso magnetronu je uzavřeno na obou stranách pólovými nástavci £, mezi něž je vložen target £ tvořící katodu. Target 3 je v podstatě dutý válec. Na obou stranách nad pólovými nástavci £ je uložena izolace £ a anoda 6, přičemž anoda. £ vytváří rovnoměrné elektrické pole po celém obvodě. Přes přívod chladící vody £ je do vnitřní části magnetronu přivedena chladící kapalina, která umožňuje chlazení jak targetu £ i magnetů 2.. Těleso válcového magnet ronu je staženo několika spojovacími Šrouby z neferomagnetického materiálu, které procházejí otvory v pólových nástavcích 4, v izolaci _5 a v anodách 2 - šrouby i otvory zde nejsou pro jednoduchost znázorněny. Magnety 2 jsou na nosiči magnetů JL uspořádány v řadách ve směru podélné osy magnetronu tak, že vždy po 90° obvodu je jedna řada magnetů 2· Další magnety 2 jsou usazeny v horní kruhové sadě 9 a v dolní kruhové sadě 10. Podélné řady magnetů 2 nezasahují až k protilehlé kruhové sade 9 nebo 10 a je zde vytvořena mezera - vysvětleno dále v popisu vynálezu v závislosti na polarizaci magnetů 2. Magnety 2 jsou v kruhových sadách 9 nebo 1_θ uspořádány tak, že horní kruhová sada 2 Ď^e vytvořena magnety 2 polovanými severními póly N vně nosiče _1 magnetů a jižními póly S dovnitř? spodní kruhová sada 10 je polována opačným způsobem.The cylindrical magnetron in FIG. 1 is formed by a magnet carrier 6, made of a ferromagnetic material, on which permanent magnets 2, which are referred to hereinafter as magnets 6, are attached. The magnetron body is closed on both sides by pole pieces 6 between which a target 6 forming a cathode is inserted. Target 3 is essentially a hollow cylinder. On both sides above the pole pieces 6 there is an insulation 6 and an anode 6, the anode. 6 creates a uniform electric field over the entire circumference. A cooling fluid is introduced into the interior of the magnetron via the cooling water inlet 8, which allows cooling of both the target 6 and the magnets 2. The cylindrical magnet body is retracted by a plurality of non-ferromagnetic connecting screws passing through the holes in the pole pieces 4, in the anodes 2 - screws and holes are not shown here for simplicity. The magnets 2 are arranged on the magnet carrier 11 in rows in the direction of the longitudinal axis of the magnetron, so that each row of magnets 2 is arranged at 90 [deg.]. The other magnets 2 are seated in the upper ring set 9 and in the lower ring set 10. do not extend up to the opposite set of ring 9, or 10, and there is a gap - further explained in the description of the invention depending on the polarization of the magnets 2, second magnets in a ring or 1_θ sets 9 are arranged such that the top circular set 2 ^e d magnets 2 formed polovanými the north poles N outside the magnet support 1 and the south poles S inside? the lower ring set 10 is reversed in the opposite way.

Magnety 2 jsou uspořádané v řadách v podélné ose magnetronu tak, že vždy jedna řada magnetů 2 je polovaná severními póly N vně magnetronu a jižními póly S dovnitř a následující řada je polovaná opačně. Přitom v případě souhlasné polarizace magnetů 2 v podélné ose s horní nebo spodní kruhovou sadou 2 nebo 10 navazuje řada magnetů 2 v ose přímo na kruhovou sadu 9 nebo 10; v případě polarizace opačné pak je vytvořena mezera mezi kruhovou sadou 2 nebo 10 a opačně polarizovanou řadou. Tímto uspořádáním je vytvořeno výsledné magnetické pole kolmé na osu magnetronu, které je v okrajových částech stočeno o 180° do protisměru.The magnets 2 are arranged in rows along the longitudinal axis of the magnetron so that one row of magnets 2 is each poled by the north poles N outside the magnetron and the south poles S inside and the next row is poled opposite. In the case of a coincident polarization of the magnets 2 in the longitudinal axis with the upper or lower ring set 2 or 10, the row of magnets 2 in the axis is directly connected to the ring set 9 or 10; in the case of the opposite polarization, a gap is formed between the circular set 2 or 10 and the opposite polarized row. By this arrangement, a resulting magnetic field perpendicular to the axis of the magnetron is created, which is rotated 180 ° to the opposite direction in the edge portions.

Vlivem působení zkříženého magnetického a elektrického pole dochází k usměrněnému toku ionizovaných částí, které vytvářejí nad targetem 2 plazmatický oblak ve tvaru křivky, kterou je možno popsat jako meandr, rozložený po obvodě targetu 2 ^a jehož amplituda je dána délkou magnetického pole. V oblasti dopadu ionizovaných částic na target 2 dochází / k odprašování targetu 2· Vzhledem ke tvarování magnetického pole jsou přednostní erosní? oblasti pootočeny o 90° a tudíž dochází k rovnoměrnému odprašování po celém obvodě.Due to the cross-over effect of the magnetic and electric fields, there is a rectified flow of ionized portions that form a curve-shaped plasma cloud over target 2, which can be described as a meander distributed around the periphery of target 2 ^and whose amplitude is determined by the magnetic field length. Target 2 is / is dedusted in the area of impact of ionized particles on target 2 · Are erosion preferences due to magnetic field shaping? the regions are rotated by 90 [deg.] and therefore uniform dusting occurs over the entire circumference.

Na obr. č. 2 je řez z roviny A-A z obr. 1 a je zde znázorněno rozmístění řad magnetů 2 a jejich polarizace,, tvar průřezu nosiče 2 magnetu a targetu 2·Fig. 2 is a cross-sectional view taken along line A-A in Fig. 1 and shows the location of the rows of magnets 2 and their polarization, the cross-sectional shape of the magnet support 2 and the target 2.

Válcový magnetron umožňuje deponovat ve vakuu na vnitřní průměry rotačních součástí tenké vrstvy z elektricky vodivých, neferomagnetických materiálů. Tyto vrstvy mohou být jak reaktivní, tak nereaktivní.Cylindrical magnetron allows to deposit in vacuum on inner diameters of rotating parts of thin layer of electrically conductive, non-ferromagnetic materials. These layers can be both reactive and non-reactive.

Claims

Cylindrical magnetron with one meandering plasma cloud, for vacuum deposition consisting of a magnet support, pole pieces and insulation, characterized in that the permanent magnets (2) are arranged on the magnet support (1) both in rows and in circular sets {9 10), wherein the upper ring set (9) is formed by permanent magnets (2) poled by the north poles N outside the magnet support (1) and the south poles S inwards? the lower ring set (10) is reversed opposite; the permanent magnets (2) in the rows are disposed in the direction of the longitudinal axis of the magnetron body and are arranged such that each 90 ° circumference of the magnetron is one row of permanent magnets (2) polarized by the north poles N outside magnetron and south poles S inwards a row in reverse, wherein the co-ordinated polarization of the permanent magnets (2) in the longitudinal axis with the upper ring set (9) or the lower ring set (10) connects a series of permanent magnets (2) in axis directly to the ring set (9, 10); on the contrary, a gap is formed between the opposing ring set (9, 10) and the oppositely polarized array of permanent magnets (2), the anode (4) forming the circular plates and the target (3) forming the hollow cylinder.