ITPN990060A1 - Catodo a polverizzazione ionica per magnetron squilibratoplanare e sistema di rivestimento con lo stesso - Google Patents

Description

Descrizione dell’ invenzione industriale intitolata :

“CATODO A POLVERIZZAZIONE IONICA PER MAGNETRON SQUILIBRATO PLANA-RE E SISTEMA DI RIVESTIMENTO CON LO STESSO”

La presente invenzione si riferisce ad un catodo a polverizzazione ionica per magnetron squilibrato planare e ad un sistema di rivestimento con lo stesso, appartenente al settore tecnico della deposizione a film sottile in condizione sotto vuoto.

Attualmente, il catodo a polverizzazione ionica per magnetron squilibrato planare applicato nell’industria, come il catodo adottato dalla Hauzer Techno Coating (Olanda) nel sistema di rivestimento HTC, HTC, utilizza un elettromagnete per potenziare il polo magnetico esterno del tradizionale catodo a polverizzazione ionica per magnetron, il catodo a polverizzazione ionica per magnetron squilibrato costruito dall’elettromagnete è mostrato nella fig. 1. Detto catodo venne divulgato nell’articolo intitolato ”Un nuovo metodo per rivestimenti duri : ABS (polverizzazione ionica per saldatura ad arco)”, scriito da W.-D. Muenz, D.Schulze e F.J.M.Hauzer, Tecnologia delle superfici e dei rivestimenti, 50 (1992) 169-178. Come mostrato nella fig. 1, il catodo comprende una bobina elettromagnetica 1, un target (bersaglio) 2, magneti permanenti 3, ed una camera sotto vuoto 4. In questa configurazione, il campo magnetico è generato dai magneti permanenti, gli assi N-S dei magneti permanenti sono verticali rispetto alla superficie del target, le polarità dei magneti permanenti esterni e del magnete permanente interno sono opposte fra loro, i magneti permanenti esterni ed il magnete permanente interno sono collegati dalla piastra posteriore realizzata in ferro puro o in acciaio a basso contenuto di carbonio.

Ora, un sistema di rivestimento sotto vuoto provvisto dei catodi a polverizzazione ionica per magnetron squilibrato planare è disponibile sul mercato, come il sistema di rivestimento HTC 1000-4 ABS prodotto dalla Hauser Techno Coating, Olanda. Questo sistema di rivestimento è provvisto di quattro catodi a polverizzazione ionica per magnetron squilibrato planare come mostrato nella fig. 1, dentro la camera sotto vuoto. Come mostrato nella fig. 2, il sistema di rivestimento comprende quattro cato di a polverizzazione ionica per magnetron squilibrato planare, ciascuno dei quali comprende una bobina elettromagnetica 1, un target (bersaglio) 2, magneti permanenti 3, nella figura il numero di riferimento 5 indica le linee di forza circuitali, il numero di riferimento 6 indica le linee di forza divergenti ed il numero di riferimento 7 indica un supporto dei pezzi operativi rotante planetario.

Le polarità dei campi magnetici di due catodi adiacenti a polverizzazione ionica per magnetron squilibrato sono opposte fra loro. Quindi, le linee di forza originate da ciascun polo sono collegate in modo tale che le reti di linee di forza possano venire formate internamente alla camera sotto vuoto, per racchiudere gli elettroni. Le reti delle linee di forza racchiudenti gli elettroni sono situate presso la parete della camera sotto vuoto, in modo tale che possa venire aumentato il tasso di ionizzazione del gas in questa regione. Tuttavia, l’effetto non è ovvio nelle zone che possiedono un elevato tasso di rivestimento internamente alla camera sotto vuoto, cioè le zone richiedenti maggiore tasso di ionizzazione. Inoltre, le reti di linee di forza che racchiudono gli elettroni non sono chiuse ad entrambe le estremità dalla camera sotto vuoto, per cui sarà facile per gli elettroni di sfuggire da li e raggiungere la parete della camera sotto vuoto (anodo).

Il catodo a polverizzazione ionica per magnetron squilibrato planare della presente invenzione comprende un target, una piastra posteriore non ferromagnetica, magneti permanenti ed espansioni polari. Gli assi N-S dei magneti permanenti sono paralleli alla superfìcie del target e situati fra il target e la piastra posteriore non ferromagnetica. I poli magnetici dei magneti permanenti aventi la stessa polarità disposti sui lati sinistro e destro sono opposti fra loro. Fra i magneti permanenti è disposta un’espansione polare interna. Le espansioni polari esterne sono disposte ad entrambi i lati esternamente ai magneti permanenti. Un condotto di raffreddamento ad acqua è disposto fra i magneti permanenti ed il target. I sistema di rivestimento dell’invenzione è provvisto dei suddetti catodi a polverizzazione ionica per magnetron squilibrato planare. Detti catodi sono ben distribuiti presso la parete interna della camera sotto vuoto del sistema di rivestimento, e gli elettromagneti sono disposti nel centro della camera sotto vuoto. Le polarità magnetiche degli elettromagneti ed i catodi a polverizzazione ionica per magnetron sono opposti fra loro. I pezzi operativi da sottoporre a deposizione di film possono essere disposti su un supporto rotante planetario situato fra i catodi e gli elettromagneti.

Alcune delle linee di forza provenienti dall’espansione polare interna del catodo a polverizzazione ionica per magnetron squilibrato planare della presente invenzione, passanti nella superfìcie del target, sono note come le linee di forza circuitali e formano il campo magnetico circuitale ; le altre non passanti nella superficie del target sono note come linee di forza divergenti. Quindi, è effettuata la distribuzione delle linee di forza per il catodo a polverizzazione ionica per magnetron squilibrato.

Applicando i catodi della presente invenzione al sistema di rivestimento ed avendo disposto gli elettromagneti nel centro della camera sotto vuoto, si produce il vantaggio che le linee di forza divergenti dai catodi a polverizzazione ionica per magnetron squilibrato planare si prolungheranno sostanzialmente fino al centro della camera sotto vuoto, in modo che tutti i pezzi operativi nell’intera camera sotto vuoto verranno immersi nel plasma e bombardati dagli ioni.

Detti elettromagneti possono essere mantenuti ad un potenziale variabile od alimentati con una tensio ne di polarizzazione negativa, che è minore della soglia della polverizzazione in modo da riflettere gli elettroni in arrivo che si sono spostati a spirale verso il centro del magnete lungo le linee di forza divergenti. L’altro vantaggio del sistema di rivestimento della presente invenzione è che l’intera camera sotto vuoto è realizzata per essere riempita con gabbie di reti con linee di forza completamente racchiuse e che sono controllati gli elettroni internamente a tutto lo spazio di rivestimento, in modo che gli elettroni non possano sfuggire facilmente per la parete della camera sotto vuoto (anodo), e conseguentemente sia aumentato il tasso di ionizzazione del gas, cioè la densità di ioni del plasma internamente all’intero spazio della camera sotto vuoto. Come risultato di ciò, gli strati di film dei pezzi operativi verranno bombardati da più ioni.

Perciò, almeno nelle sue forme preferite la presente invenzione prevede un catodo a polverizzazione ionica per magnetron squilibrato planare ed un sistema di rivestimento con lo stesso che rende tutta la camera sotto vuoto riempita con la gabbia di reti con linee di forza completamente racchiuse e realizza il controllo degli elettroni internamente all’intero spazio di rivestimento della camera sotto vuoto, in modo che non sia facile per gli elettroni di sfuggire per la parete della camera sotto vuoto (anodo), e che possa venire aumentato il tasso di ionizzazione del gas internamente all’intero spazio della camera sotto vuoto.

Alcuni modi di realizzazione dell’invenzione verranno ora descritti soltanto a titolo esemplificativo e con riferimento ai disegni allegati, in cui :

- la fig. 1 mostra una vista diagrammatica del catodo a polverizzazione ionica per magnetron squilibrato planare Hauzer,

- la fig. 2 mostra una vista diagrammatica del sistema di rivestimento Hauzer della tecnica precedente, - la fig. 3 mostra una vista diagrammatica di un catodo a polverizzazione ionica per magnetron squilibrato planare secondo la presente invenzione,

- la fig. 4 mostra una vista diagrammatica di un sistema di rivestimento secondo la presente invenzione, provvisto di catodi a polverizzazione ionica per magnetron squilibrato planare mostrati nella fig.

3,

- la fig. 5 è una vista diagrammatica della situazione in cui le gabbie di reti di linee di forza sono racchiuse nella sommità della camera sotto vuoto.

Nella fig. 3, il numero di riferimento 11 rappresenta un target (bersaglio), il 12 rappresenta le espansioni polari esterne che sono realizzate in ferro puro, il 13 rappresenta un magnete permanente, il 14 rappresenta una piastra posteriore non ferromagnetica che è realizzata in teflon, il 15 rappresenta un condotto di raffreddamento ad acqua, il 16 rappresenta un’espansione polare interna, il 17 rappresenta una zona con molto plasma, il 18 rappresenta le linee di forza divergenti, il 19 rappresenta le linee di forza circuitali.

Nella fig. 4, il numero di riferimento 21 rappresenta una camera sotto vuoto, il 22 rappresenta le espansioni polari interne di elettromagneti realizzati di ferro puro, il 23 rappresenta le bobine degli elettromagneti, il 24 rappresenta le espansioni polari esterne degli elettromagneti realizzati di ferro puro, il 25 rappresenta le piastre posteriori degli elettromagneti, che sono realizzate di ferro puro, il 26 rappresenta le linee di forza esterne che formano una gabbia di reti di linee di forza esterne, il 27 rappresenta le linee di forza interne che formano una gabbia di reti di linee di forza interne, il 28 rappresenta le linee di forza circuitali, il 29 rappresenta i suddetti catodi a polverizzazione ionica per magnetron squilibrato.

Nella fig. 5, il numero di riferimento 21 rappresenta una camera sotto vuoto, il 26 rappresenta le gabbie di reti di linee di forza esterne, il 28 rappresenta le linee di forza circuitali, il 29 rappresenta i suddetti catodi a polverizzazione ionica per magnetron squilibrato, ed il 30 rappresenta gli elettromagneti. Come mostrato nella fig. 3, un catodo a polverizzazione ionica per magnetron squilibrato secondo la presente invenzione comprende un target 11 , una piastra posteriore magnetica non ferrosa 14, i magneti permanenti 13 e le espansioni polari 12 e 16. Gli assi N-S dei magneti permanenti sono paralleli alla superficie del target e situati fra il target 11 e la piastra posteriore non ferromagnetica 14. 1 poli nord dei magneti permanenti ad entrambe le superfici sono rivolti fra loro. L’espansione polare i na 16 è disposta fra i magneti permanenti con entrambe le superfici. Le espansioni polari esterne 12 sono disposte con entrambe le superfici esternamente ai magneti permanenti. Un condotto di raffreddamento ad acqua 15 è disposto fra i magneti permanenti ed il target.

La fig. 4 è una vista diagrammatica del sistema di rivestimento secondo la presente invenzione, provvisto dei catodi a polverizzazione ionica per magnetron squilibrato. Nel sistema, quattro catodi a polverizzazione ionica per magnetron squilibrato planare sono ben distribuiti presso la parete interna della camera sotto vuoto. Nel centro della camera sotto vuoto, sono previsti gli elettromagneti i cui poli magnetici N e S sono opposti da quelli dei catodi a polverizzazione ionica per magnetron.

Un supporto dei pezzi operativi rotante planetario può venire disposto nello spazio compreso fra la parete della camera sotto vuoto e gli elettromagneti. Gli elettromagneti sono impiegati come i magneti centrali del sistema di rivestimento della presente invenzione, in modo che l’intensità del campo magnetico possa venire regolata facilmente per ottenere i vari tassi di ionizzazione richiesti dai diversi procedimenti di rivestimento. Nella condizione di un determinato procedimento, come magneti centrali potrebbe allora venire utilizzato semplicemente un magnete permanente.

Come mostrato nella fig. 4, la configurazione complessiva potrebbe essere divisa in quattro gruppi uguali, ed ogni gruppo comprende un catodo a polverizzazione ionica per magnetron squilibrato planare ed un elettromagnete. Il campo magnetico dell’ elettromagnete è simile a quello del catodo a polverizzazione ionica per magnetron squilibrato planare dell’invenzione, cioè comprende due parti note come un campo magnetico circuitale ed un campo magnetico divergente interno.

Il campo magnetico circuitale di ogni catodo a polverizzazione ionica per magnetron squilibrato planare è rivolto verso quelli dell’elettromagnete, e le loro polarità sono opposte. In ciascun gruppo, i campi magnetici divergenti del catodo a polverizzazione ionica per magnetron squilibrato planare e dell’elettromagnete agiscono fra loro per costruire una gabbia di reti con linee di forza esterna ed una gabbia di reti con linee di forza interna con le estremità superiori e di fondo chiuse.

La fig. 5 mostra la chiusura delle estremità superiori (o di fondo) della gabbia di linee di forza.

Gli elettroni potrebbero quindi essere impediti di sfuggire dalle superfici superiore ed inferiore della camera sotto vuoto verso la parete della camera sotto vuoto (cioè l’anodo). Nel sistema di rivestimento, ci sono in totale otto gabbie di reti di linee di forza completamente racchiuse che riempiono tutta la camera sotto vuoto, come mostrato nella figura, per comandare gli elettroni internamente a tutto lo spazio di rivestimento, in modo che gli elettroni non possano sfuggire facilmente verso la parete della camera sotto vuoto (anodo). Come risultato di ciò, può venire aumentato il tasso di ionizzazione del gas internamente a tutto lo spazio della camera sotto vuoto.

Ciascuno dei gruppi possiede indipendentemente l’effetto di polverizzazione ionica per magnetron squilibrato planare. Tale gruppo potrebbe essere usato nel sistema di rivestimento separatamente oppure combinato in qualsiasi numero, come la disposizione di 4 gruppi mostrata nella fig. 4.

Inoltre, per mantenere un’elevata ionizzazione del gas nello spazio di rivestimento, gli elettromagneti centrali sono mantenuti ad un potenziale variabile oppure alimentati con una tensione di polarizzazione negativa che è minore di una soglia di polverizzazione ionica del loro materiale.

Quindi, gli elettroni che si spostano a spirale lungo le linee di forza divergenti e verso gli elettromagneti, verranno riflessi da essi, ed entreranno in collisione con le molecole del gas che riempie lo spazio di rivestimento. Con ciò, il tasso di ionizzazione è aumentato, più ioni possono essere bombardati sullo strato di rivestimento dei pezzi operativi, e verrà migliorata la qualità dello strato di rivestimento, come la forza di adesione fra lo strato di rivestimento ed il pezzo operativo.

E’ ovvio che il suddetto catodo a polverizzazione ionica per magnetron squilibrato planare ed il sistema di rivestimento possiedano il vantaggio dell’ ampio uso nel procedimento a polverizzazione ionica per magnetron. Si può capire che le forme di realizzazione specifiche dell’invenzione sopra descritta sono illustrative e non intese a limitare l’invenzione. Esistono varie modifiche che sono facili da realizzare per quelli pratici nel ramo della deposizione di film sottili, senza uscire dallo scopo delle rivendicazioni allegate.

Claims (5)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un catodo a polverizzazione ionica per magnetron squilibrato planare comprendente un target, una piastra posteriore non ferromagnetica, magneti permanenti, un’espansione polare interna, espansioni polari esterne ed un condotto di raffreddamento ad acqua, in cui gli assi N-S di detti magneti permanenti sono paralleli alla superficie del target e situati fra il target e la piastra posteriore non ferromagnetica, i poli magnetici di detti magneti permanenti con la stessa polarità sono opposti fra loro, l’espansione polare interna è disposta fra detti magneti permanenti, le espansioni polari esterne sono disposte con entrambe le superimi esternamente a detti magneti permanenti, e detto condotto di raffreddamento ad acqua è situato fra detti magneti permanenti e detto target.
2. 2. Un sistema di rivestimento provvisto di un catodo a polverizzazione ionica per magnetron squilibrato planare secondo la rivendicazione 1, comprendente catodi a polverizzazione ionica per magnetron squilibrato planare ben distribuiti presso la parete interna di una camera sotto vuoto ; elettromagneti disposti nel centro della camera sotto vuoto, le polarità di detti elettromagneti e detti catodi a polverizzazione ionica per magnetron essendo opposte fra loro ; un sostegno per pezzi operativi per la deposizione di film essendo disposto fra detti catodi e detti elettromagneti.
3. 3. Un sistema di rivestimento come rivendicato nella rivendicazione 2, in cui detti elettromagneti sono mantenuti ad un potenziale variabile oppure alimentati con una tensione di polarizzazione negativa che è minore di una soglia di polverizzazione ionica del materiale da rivestire.
4. 4. Un catodo a polverizzazione ionica per magnetron squilibrato planare come descritto con riferimento ai disegni allegati.
5. 5. Un sistema di rivestimento come descritto con riferimento ai disegni allegati.