RU2280097C2

RU2280097C2 - Magnetron type spraying apparatus

Info

Publication number: RU2280097C2
Application number: RU2004106036/02A
Authority: RU
Inventors: Олег Станиславович Кузьмин (RU); Олег Станиславович Кузьмин; Лев Григорьевич Косицын (RU); Лев Григорьевич Косицын; Владимир Николаевич Лихачёв (RU); Владимир Николаевич Лихачёв
Original assignee: Институт физики прочности и материаловедения Сибирское отделение Российской академии наук (ИФПМ СО РАН)
Priority date: 2004-03-01
Filing date: 2004-03-01
Publication date: 2006-07-20
Also published as: RU2004106036A

Abstract

FIELD: plasma equipment, namely magnetron type spraying system, possibly used for depositing coatings onto surface of extended sheet materials, for example applying coatings on architectural designation glasses.

SUBSTANCE: magnetron type spraying apparatus includes magnetic unit having magnetic circuit 2 and permanent magnets 3; flat target-cathode 1. Magnetic unit is in the form of extended frame forming closed magnetic system with pole tips 8 turned inside frame. Flat target-cathode 1 is arranged along inner surface of said framework. Thin film deposition is realized simultaneously onto two flat substrates (glasses) moving through window (cavity) of frame.

EFFECT: improved design, possibility for applying low emission coatings onto flat glasses of large surface areas.

9 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области плазменной техники, а именно к магнетронным распылительным системам, и может быть использовано для осаждения покрытий на поверхности протяженных листовых материалов с большой площадью поверхности, в частности для создания покрытий на стекле.The invention relates to the field of plasma technology, namely to magnetron spraying systems, and can be used to deposit coatings on the surface of extended sheet materials with a large surface area, in particular to create coatings on glass.

Известна магнетронная распылительная система [RU 2151439 С1, 2000], содержащая анод, являющийся корпусом рабочей камеры, катодный узел в виде магнитного блока, закрытого плоской распыляемой мишенью. Магнитный блок выполнен симметричным. Такая система имеет отдельные замкнутые контуры магнитных потоков над каждой из двух плоских мишеней, что позволяет одновременно осуществлять напыление покрытий на две подложки, перемещающиеся по разные стороны от магнетронной распылительной системы. К недостаткам данной системы можно отнести наличие краевых эффектов, требующих увеличения габаритов системы для обеспечения необходимой степени равномерности покрытий. Кассеты для подложек должны иметь значительные поперечные габариты, чтобы пропустить внутри себя магнетронную систему при перемещении подложек.Known magnetron sputtering system [RU 2151439 C1, 2000], containing the anode, which is the body of the working chamber, the cathode assembly in the form of a magnetic unit, closed by a flat spray target. The magnetic block is symmetrical. Such a system has separate closed loops of magnetic flux above each of two planar targets, which allows simultaneous deposition of coatings on two substrates moving on opposite sides of the magnetron sputtering system. The disadvantages of this system include the presence of edge effects that require an increase in the size of the system to provide the necessary degree of uniformity of coatings. The cassettes for the substrates must have significant transverse dimensions in order to let the magnetron system pass through it when moving the substrates.

Наиболее близким аналогом является магнетронное распылительное устройство [US 5277779 А, 2000], в котором катод магнетрона образует прямоугольную конструкцию, в которой эрозионная область простирается по внутренней полости, распыляемые частицы материала катода направляются внутрь, а подложки, подлежащие покрытию, перемещаются через полость, образуемую катодами. Магнитное поле создается соленоидом.The closest analogue is the magnetron sputtering device [US 5277779 A, 2000], in which the cathode of the magnetron forms a rectangular structure in which the erosion region extends along the inner cavity, the sputtered particles of the cathode material are directed inward, and the substrates to be coated are moved through the cavity formed cathodes. The magnetic field is created by a solenoid.

К недостаткам прототипа можно отнести трудности его применения для задач нанесения тонких пленок на листовые подложки больших размеров, выражаемых в метрах: трудности создания протяженного соленоида, высокие затраты на изготовление катодных пластин больших размеров для целей нанесения пленок из драгоценных металлов, большой объем внешнего рассеянного электромагнитного поля, трудности реализации охлаждения катодных пластин больших размеров, низкая плотность мощности, приходящаяся на единицу площади катода-мишени, приводящая к увеличению времени нанесения и снижению чистоты пленки.The disadvantages of the prototype include the difficulties of its application for the tasks of applying thin films to sheet substrates of large sizes, expressed in meters: the difficulties of creating an extended solenoid, the high cost of manufacturing cathode plates of large sizes for applying films of precious metals, a large amount of external scattered electromagnetic field , difficulties in realizing the cooling of large cathode plates, low power density per unit area of the target cathode, leading to an increase reduction of application time and reduction of film purity.

Задачей настоящего изобретения является разработка магнетронного распылительного устройства для прецизионного осаждения нанопокрытий одновременно на две противоположные поверхности двух листовых изделий.An object of the present invention is to provide a magnetron sputtering device for the precision deposition of nanocoatings simultaneously on two opposite surfaces of two sheet products.

Поставленная задача решается тем, что, как и известное магнетронное распылительное устройство, заявляемое содержит магнитный блок, включающий магнитопровод и постоянные магниты, и катод-мишень.The problem is solved in that, like the well-known magnetron sputtering device, the claimed device contains a magnetic unit including a magnetic circuit and permanent magnets, and a target cathode.

Новым является то, что магнитный блок выполнен в виде протяженной рамы, образуя замкнутую магнитную систему с полюсными наконечниками, обращенными вовнутрь рамы, при этом плоский катод-мишень расположен по внутренней поверхности рамы.What is new is that the magnetic block is made in the form of an extended frame, forming a closed magnetic system with pole tips facing the inside of the frame, with a flat target cathode located on the inner surface of the frame.

Кроме того, магнитный блок, выполненный в виде протяженной рамы, образован парой длинных и парой коротких брусков типа швеллер.In addition, the magnetic block, made in the form of an extended frame, is formed by a pair of long and a pair of short bars of the channel type.

Кроме того, бруски имеют боковые стороны, являющиеся магнитопроводом, и выполнены из пластин магнитомягкой стали с выступами вдоль одной грани, образующими полюсные наконечники магнитопровода, обращенные навстречу друг другу, а также спинку, которую выполняют постоянные магниты.In addition, the bars have sides, which are the magnetic circuit, and are made of soft magnetic steel plates with protrusions along one face that form the pole pieces of the magnetic circuit facing each other, as well as a backrest made by permanent magnets.

Кроме того, катод-мишень закреплен между полюсными наконечниками магнитопровода.In addition, the target cathode is fixed between the pole tips of the magnetic circuit.

Кроме того, катод-мишень выполнен в виде узкой полосы распыляемого материала.In addition, the target cathode is made in the form of a narrow strip of atomized material.

Кроме того, катод-мишень, выполнены в виде узкой полосы, состоит из множества отдельных брусков распыляемого материала.In addition, the target cathode, made in the form of a narrow strip, consists of many separate bars of the sprayed material.

Кроме того, катод-мишень выполненный в виде узкой полосы из распыляемого материала, напаян или наклеен на прямоугольный медный волновод, охлаждаемый водой.In addition, the target cathode, made in the form of a narrow strip of sprayed material, is soldered or glued onto a rectangular copper waveguide cooled by water.

Кроме того, устройство содержит систему охлаждения, выполненную в виде отдельных трубопроводов, расположенных в пазах полюсных наконечников, и соединительных элементов, замыкающих поток охлаждающей жидкости и обеспечивающих возможность рассоединения магнитопровода и уплотнение трубопроводов.In addition, the device contains a cooling system made in the form of separate pipelines located in the grooves of the pole pieces and connecting elements that close the flow of coolant and provide the possibility of disconnecting the magnetic circuit and sealing the pipelines.

Кроме того, магнетронное распылительное устройство размещают в вакуумной камере.In addition, the magnetron spray device is placed in a vacuum chamber.

Настоящее изобретение направлено на создание нового магнетронного распылительного устройства, которое пригодно для создания низкоэмиссионного покрытия на плоские стекла архитектурного назначения, и имеет перспективу коммерческого использования. В отличие от предшествующих конструкций настоящее изобретение предусматривает магнетронное распылительное устройство рамочного типа, в котором длина одной пары противоположных сторон намного превышает длину другой пары сторон, а катоды-мишени обращены вовнутрь рамки. Замкнутая магнитная система с полюсными наконечниками, обращенными вовнутрь рамы, создает замкнутую зону генерации плазмы, однородность параметров которой обеспечивается движением эмиссированных электронов вдоль замкнутой области, что повышает равномерность покрытия подложки. Этому же способствует отсутствие краевых эффектов за счет эмиссии распыляемых частиц мишени с торцевых участков. А выполнение магнитного блока в виде протяженной рамы, т.е. наличие двух параллельных более длинных сторон, позволяет генерировать встречные протяженные потоки распыляемых частиц. Такая система может быть использована для нанесения тонкой пленки одновременно на две плоские подложки (стекла), движущиеся через окно рамы. Нанесение покрытия одним магнетронным распылительным устройством одновременно на две подложки обеспечивает эквивалентность параметров обоих покрытий. Магнитопровод, наделенный полюсными наконечниками, способствует концентрации магнитного поля на границе с катодом-мишенью и параллельности силовых линий поверхности катода-мишени. Рамочная конструкция магнетрона с полюсными наконечниками, обращенными вовнутрь рамы, позволяет применять катод-мишень в виде узкой полосы или отдельных вставок, размещенных между полюсами магнитопровода, через которые осуществляется охлаждение. Этим достигается низкая материалоемкость, простота изготовления катода, а также высокий коэффициент использования материала. Рамочная конструкция магнетронного распылительного устройства позволяет значительно уменьшить толщину кассеты - носителя подложек, перемещающейся через окно рамы.The present invention is directed to the creation of a new magnetron sputtering device, which is suitable for creating a low-emission coating on flat glass for architectural purposes, and has the prospect of commercial use. Unlike previous designs, the present invention provides a frame-type magnetron sputtering device in which the length of one pair of opposite sides is much longer than the length of the other pair of sides and the target cathodes are turned inside the frame. A closed magnetic system with pole tips facing the inside of the frame creates a closed plasma generation zone, the uniformity of the parameters of which is ensured by the movement of the emitted electrons along the closed region, which increases the uniformity of the substrate coating. This is also facilitated by the absence of edge effects due to the emission of sputtering target particles from the end sections. And the implementation of the magnetic block in the form of an extended frame, i.e. the presence of two parallel longer sides, allows you to generate counter extended flows of sprayed particles. Such a system can be used to apply a thin film simultaneously to two flat substrates (glass) moving through the window of the frame. Coating with one magnetron spraying device simultaneously on two substrates ensures the equivalence of the parameters of both coatings. The magnetic core, endowed with pole tips, contributes to the concentration of the magnetic field at the boundary with the target cathode and the parallelism of the field lines of the surface of the target cathode. The magnetron’s frame design with pole tips facing the inside of the frame allows the use of a target cathode in the form of a narrow strip or individual inserts placed between the poles of the magnetic circuit through which cooling is carried out. This achieves low material consumption, ease of manufacture of the cathode, as well as a high coefficient of utilization of the material. The frame design of the magnetron sputtering device can significantly reduce the thickness of the cassette - the substrate carrier moving through the frame window.

В дальнейшем изобретение поясняется графическими материалами.The invention is further illustrated by graphic materials.

На фиг.1 показан общий вид магнетронного распылительного устройства.Figure 1 shows a General view of a magnetron spray device.

На фиг.2а представлен участок поперечного разреза по А-А предлагаемого магнетронного распылительного устройства с катодом-мишенью, выполненным в виде узкой полосы распыляемого материала.On figa presents a section of a cross section along aa of the proposed magnetron sputtering device with a cathode-target, made in the form of a narrow strip of sprayed material.

На фиг.2б представлен участок поперечного разреза по А-А предлагаемого магнетронного распылительного устройства с катодом-мишенью выполненным в виде полосы, напаянной на медный волновод.On figb presents a section of a cross section along aa of the proposed magnetron sputtering device with a target cathode made in the form of a strip soldered to a copper waveguide.

На фиг.3 схематично представлена конструкция магнитного блока.Figure 3 schematically shows the design of the magnetic unit.

Предлагаемое магнетронное распылительное устройство содержит (фиг.1) катод-мишень 1, магнитопровод 2 (конструктивное исполнение см. фиг.3), постоянные магниты 3, экран 4, опорные изоляторы 5 и узлы ввода 6. Система охлаждения состоит из трубопроводов 7, на некоторых участках впаянных в пазы полюсных наконечников 8, и соединительных элементов 9, замыкающих поток охлаждающей жидкости и служащих для распределения его по всем трубопроводам, а также обеспечения возможности рассоединения магнитопровода на части и уплотнения трубопроводов с помощью прокладок 10.The proposed magnetron sputtering device contains (Fig. 1) a target cathode 1, a magnetic circuit 2 (design see Fig. 3), permanent magnets 3, a screen 4, support insulators 5 and input nodes 6. The cooling system consists of pipelines 7, some sections of the pole pieces 8 soldered into the slots, and the connecting elements 9, closing the flow of coolant and serving to distribute it across all pipelines, as well as providing the possibility of disconnecting the magnetic circuit to parts and sealing pipelines using rokladok 10.

Изоляторы вводов 11, 12 и опорные изоляторы 5 позволяют подавать на магнетронное распылительное устройство отрицательное напряжение, в пределах от 500 до 1000 В. Прижатие полюсных наконечников 8 к катоду-мишени 1 производится винтами 13. Экран 4 препятствует возникновению нежелательного разряда на тыльной (внешней) стороне магнитопровода 2. Вставка 14 дистанцирует постоянные магниты 3 от катода-мишени 1. Механическая развязка между магнетронным распылительным устройством и вводами осуществляется с помощью сильфона 18.Input insulators 11, 12 and support insulators 5 allow a negative voltage ranging from 500 to 1000 V to be applied to the magnetron sputtering device. The terminal tips 8 are pressed against the target cathode 1 by screws 13. Screen 4 prevents unwanted discharge from the back (external) side of the magnetic circuit 2. The insert 14 distances the permanent magnets 3 from the target cathode 1. Mechanical isolation between the magnetron sputtering device and the inputs is carried out using a bellows 18.

Катод-мишень, приведенный на фиг.2а, может быть выполнен как в виде 4-х целых отрезков (двух продольных и двух поперечных коротких), так и состоящим из набора отдельных брусков одинаковой или разной длины, но строго одинаковой ширины. Как в том, так и в другом случае катод-мишень должен быть плотно зажат между охлаждаемыми полюсными наконечниками магнитопровода.The target cathode shown in figa can be made in the form of 4 whole segments (two longitudinal and two transverse short), and consisting of a set of separate bars of the same or different length, but strictly the same width. In both cases, the target cathode must be tightly sandwiched between the cooled pole tips of the magnetic circuit.

Приведенный на фиг.2б катод-мишень состоит из узкой полосы распыляемого материала, размещенной на прямоугольном медном волноводе, охлаждаемом водой (медный трубопровод прямоугольного сечения). Тепловой контакт между полосой и волноводом обеспечивается либо припоем, либо теплопроводящим клеем. Распыляемый материал может быть представлен как в виде 4-х полос (двух продольных длинных и двух поперечных коротких), так и в виде отдельных отрезков полосы одинаковой или разной длины.The target cathode shown in FIG. 2b consists of a narrow strip of atomized material placed on a rectangular copper waveguide cooled by water (a rectangular rectangular copper pipe). Thermal contact between the strip and the waveguide is provided either by solder or by heat-conducting adhesive. The sprayed material can be presented both in the form of 4 strips (two longitudinal long and two transverse short), and as separate segments of the strip of the same or different lengths.

Материалом катода-мишени может быть любой немагнитный металл, например титан, олово, алюминий, медь, серебро и др., а также сплавы, например нержавеющая сталь, латунь, нихром и др.The target cathode material can be any non-magnetic metal, for example titanium, tin, aluminum, copper, silver, etc., as well as alloys, for example stainless steel, brass, nichrome, etc.

Схематичное исполнение предлагаемого магнитного блока представлено на фиг.3, он состоит из двух пар брусков типа швеллер, коротких 19 и длинных 20, боковые стороны брусков, образующие магнитопровод 2, выполнены из пластин магнитомягкой стали, имеющих вдоль одной грани выступы, образующие полюсные наконечники 8, обращенные навстречу друг другу, а постоянные магниты 3, создающие магнитное поле в зазоре между полюсными наконечниками, образуют спинку брусков.A schematic version of the proposed magnetic block is shown in Fig. 3, it consists of two pairs of bars of the channel type, short 19 and long 20, the sides of the bars forming the magnetic core 2 are made of magnetically soft steel plates having protrusions forming pole tips along one face 8 facing each other, and the permanent magnets 3, creating a magnetic field in the gap between the pole pieces, form the back of the bars.

На фиг.3 также схематично показано расположение двух одновременно движущихся подложек, представляющих собой два стекла, сквозь окно (полость), образованную параллельными сторонами рамы.Figure 3 also schematically shows the location of two simultaneously moving substrates, which are two glasses, through a window (cavity) formed by the parallel sides of the frame.

Магнетронное распылительное устройство располагают в вакуумной камере 15, часть которой показана на фиг.1.The magnetron spray device is arranged in a vacuum chamber 15, part of which is shown in FIG.

Для нанесения нанопленки серебра в процессе осуществления технологии низкоэмиссионного покрытия на стекло размером 1605 мм на 2650 мм длина магнетронного распылительного устройства составляла 1830 мм, ширина 274 мм и толщина 58 мм. При этом размеры окна рамы устройства составляют 1730 мм на 150 мм.For applying silver nanofilms in the process of implementing low-emission coating technology on glass with a size of 1605 mm by 2650 mm, the length of the magnetron spraying device was 1830 mm, width 274 mm and thickness 58 mm. In this case, the window dimensions of the device frame are 1730 mm by 150 mm.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

В вакуумной камере 15 создается вакуум и напускается инертный газ (аргон) до рабочего давления. На магнетронное распылительное устройство подается постоянное отрицательное напряжение относительно заземленной камеры и анода (в нашем случае это вакуумная камера). Между магнетронным распылительным устройством и анодом зажигается тлеющий разряд. Магнитное поле с индукцией вблизи поверхности катода-мишени приблизительно 0,06 Тл, силовые линии которого параллельны вблизи поверхности катода-мишени 1, локализуют плазму разряда непосредственно у поверхности катода-мишени 1, что способствует ее интенсивному распылению. Распыленные атомы материала катода-мишени 1 осаждаются на поверхности двух одновременно движущихся подложек сквозь окно, образованное параллельными сторонами рамы. Подложки представляют собой два стекла с размером 1605 на 2650 мм и толщиной 6 мм, установленные в кассету шириной 60 мм, подложки перемещают со скоростью 3,5 м в минуту. При мощности разряда 3,2 кВт напряжение на магнетроне составляло 420 В. За один проход кассеты со стеклом толщина напыляемой пленки серебра составила 1,5 нм, что позволило осуществить контроль за процессом создания покрытия с низкоэмиссионными свойствами и изготовить изделие с заданными характеристиками.A vacuum is created in the vacuum chamber 15 and an inert gas (argon) is introduced to the working pressure. A constant negative voltage is applied to the magnetron spray device relative to the grounded chamber and the anode (in our case, this is a vacuum chamber). A glow discharge is ignited between the magnetron spray device and the anode. A magnetic field with an induction near the surface of the target cathode of approximately 0.06 T, the lines of force of which are parallel to the surface of the target cathode 1, localize the discharge plasma directly at the surface of the target cathode 1, which contributes to its intense atomization. The atomized atoms of the material of the target cathode 1 are deposited on the surface of two simultaneously moving substrates through a window formed by the parallel sides of the frame. The substrates are two glasses with a size of 1605 by 2650 mm and a thickness of 6 mm, installed in a 60 mm wide cassette, the substrates are moved at a speed of 3.5 m per minute. With a discharge power of 3.2 kW, the voltage on the magnetron was 420 V. In one pass of the cassette with glass, the thickness of the silver film being deposited was 1.5 nm, which made it possible to control the process of creating a coating with low emission properties and produce a product with specified characteristics.

Claims

1. Magnetron spray device containing a magnetic unit, including a magnetic circuit and permanent magnets, and a flat target cathode, characterized in that the magnetic unit is made in the form of an extended frame, forming a closed magnetic system with pole tips facing the inside of the frame, while the flat cathode -the target is located on the inner surface of the frame.

2. The device according to claim 1, characterized in that the magnetic unit, made in the form of an extended frame, is formed by a pair of long and a pair of short bars of the channel type.

3. The device according to claim 2, characterized in that the bars have lateral sides, which are a magnetic circuit, and are made of soft magnetic steel plates with protrusions along one face, forming pole tips of the magnetic circuit facing each other, and a back, which is formed by permanent magnets.

4. The device according to claim 1, characterized in that the target cathode is fixed between the pole tips of the magnetic circuit.

5. The device according to claim 4, characterized in that the target cathode is made in the form of a narrow strip of sprayed material.

6. The device according to claim 5, characterized in that the target cathode, made in the form of a narrow strip, consists of many separate bars of the sprayed material.

7. The device according to claim 5 or 6, characterized in that the target cathode, made in the form of a narrow strip of sprayed material, is soldered or glued to a rectangular copper waveguide cooled by water.

8. The device according to claim 1, characterized in that it contains a cooling system made in the form of separate pipelines located in the grooves of the pole pieces and connecting elements that close the coolant flow and provide the possibility of disconnecting the magnetic circuit and sealing the pipelines.

9. The device according to claim 1, characterized in that the magnetron spray device is placed in a vacuum chamber.