PL182809B1

PL182809B1 - Method of depositing coats

Info

Publication number: PL182809B1
Application number: PL97318331A
Authority: PL
Inventors: Miernik@Krzysztof; Walkowicz@Jan
Original assignee: Inst Tech Eksploatacji
Priority date: 1997-02-04
Filing date: 1997-02-04
Publication date: 2002-03-29
Also published as: PL318331A1

Abstract

Sposób osadzania powłok, zwłaszcza twardych materiałów trudnotopliwych polegający na umieszczeniu katody i anody w równoległym do ich powierzchni polu magnetycznym i rozpyleniu ich materiału poprzez anomalne wyładowanie jarzeniowe oraz materiału anody poprzez wyładowanie impulsowe, znamienny tym, że po załączeniu do katody i anody urządzenia wysokiego napięcia i wywołaniu w obszarze międzyelektrodowym anomalnego wyładowaniajarzeniowego, zmienia się w czasie mniejszym od 0,1 sekundy jego polaryzację, a następnie inicjuje wyładowanie impulsowe w tymże obszarze międzyelektrodowym.The method of depositing coatings, especially hard refractory materials, consisting in by placing the cathode and anode in a magnetic field parallel to their surface and spraying their material by anomalous glow discharge and the anode material by impulse discharge, characterized in that after connection to the cathode and anode high voltage devices and induction in the anomalous inter-electrode region of the lighting discharge, its polarization changes in less than 0.1 seconds, and then initiates a pulse discharge in this inter-electrode region.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób osadzania powłok, zwłaszcza twardych materiałów trudnotopliwych.The subject of the invention is a method of depositing coatings, especially hard refractory materials.

Znane są z książki B.S. Danilina i W.K. Syrczyna, Magnetronnyje razpylitelnyje sistemy, Moskwa, Radio i Swiaz', oraz książki K. Wasy, S. Hayakawy, Handbook of sputter deposition technology, Noyes Publ. Park Ridge, N.J. 1991, różnorodne typy układów magnetronowych urządzeń rozpylających oraz sposoby próżniowego osadzania powłok w układach, magnetronowych. W metodzie magnetronowej próbkę rozpylanego materiału zwaną tarczą, umieszcza się w chłodzonej wodą obudowie podłączonej do ujemnego bieguna zasilacza wysokonapięciowego. Ciśnienie w komorze próżniowej obniża się do wartości 10² - 1 Pa. Nad powierzchnią tarczy wytwarza się pole magnetyczne o wartości 30 - 120 mT przy pomocy układu magnetycznego umieszczanego zwykle wewnątrz chłodzonej obudowy. Pole to powoduje lokalizację plazmy nad tymi miejscami powierzchni katody, gdzie jest ono największe. Jony gazu roboczego przyspieszane w polu elektrycznym katody bombardują jej powierzchnię i wybijają z niej atomy materiału z którego katoda jest wykonana. Rozpylone tym sposobem atomy opuszczając katodę mają energię znacznie większą niż to ma miejsce w przypadku metody odparowania termicznego. Jednocześnie lokalizacja plazmy polem magnetycznym powoduje wzrost jej gęstości, w wyniku czego znacznie wzrasta szybkość rozpylania. Wyładowanie stosowane przy rozpylaniu magnetronowym jest klasyfikowane jako wyładowanie anomalne, którego charakterystycznymi parametrami jest stosunkowo wysokie napięcie między elektrodami, sięgające setek wolt oraz duża gęstość prądu katodowego, od kilku do kilkuset miliamper na centymetr kwadratowy. Mimo dużych szybkości osadzania oraz jednorodności składu strumienia materiału rozpylanego, który stanowią głównie atomy rozpylonego materiału tarczy, własności powłok osadzonych tą metodą są stosunkowo niskie, zwłaszcza w zastosowaniu do osadzania materiałów twardych, odpornych na zużycie. Ponieważ plazma wyładowania jest lokalizowana bezpośrednio nad powierzchnią katody strumień rozpylonego materiału jest tylko w niewielkim stopniu zjonizowany, co nie pozwala na sterowanie własnościami osadzanej powłoki, a zwłaszcza zwiększanie jej adhezji do podłoża.They are known from the books by BS Danilina i WK Syrczyna, Magnetronnyje razpylitelnyje sistemy, Moskwa, Radio i Swiaz ', and the books by K. Wasa, S. Hayakawa, Handbook of sputter deposition technology, Noyes Publ. Park Ridge, NJ 1991, various types of magnetron systems of sputtering devices and methods of vacuum deposition of coatings in magnetron systems. In the magnetron method, a sample of the sputtering material, known as a target, is placed in a water-cooled housing connected to the negative pole of the high-voltage power supply. The pressure in the vacuum chamber is reduced to ² 10 - 1 Pa. A magnetic field of 30 - 120 mT is generated above the surface of the target by a magnetic system usually placed inside a cooled housing. This field locates the plasma above the cathode surface where it is greatest. The working gas ions accelerated in the cathode's electric field bombard its surface and knock out atoms of the cathode material from it. The atoms sprayed in this way leaving the cathode have an energy much greater than that of the thermal evaporation method. At the same time, the location of the plasma by the magnetic field causes its density to increase, as a result of which the atomization rate increases significantly. The discharge used in magnetron sputtering is classified as an anomalous discharge, the characteristic parameters of which are relatively high voltage between the electrodes, reaching hundreds of volts, and a high cathode current density, from a few to several hundred milliamperes per square centimeter. Despite the high deposition rates and the homogeneity of the composition of the spray material stream, which are mainly atoms of the target material sprayed, the properties of the coatings deposited by this method are relatively low, especially when used for the deposition of hard, wear-resistant materials. Since the discharge plasma is located directly above the cathode surface, the stream of the atomized material is only slightly ionized, which does not allow for controlling the properties of the deposited coating, and especially increasing its adhesion to the substrate.

Znane są też z monografii K. Miernika, Działanie i budowa magnetronowych urządzeń rozpylających, Radom 1997, impulsowe układy magnetronowych urządzeń rozpylających oraz sposoby ich działania. W omawianych układach stosowane są dwie bliźniacze, typowe katody magnetronowych urządzeń rozpylających. Ich praca polega na naprzemiennym zasilaniu obu magnetronów prądem przemiennym o wysokim napięciu, w wyniku czego, w czasie jednego półokresu do jednego magnetronu podłączona jest ujemna elektroda zasilacza, a do drugiego dodatnia elektroda. W rezultacie, gdy tarcza jednego magnetronu będącego chwilowo pod potencjałem ujemnym jest rozpylana, to drugi magnetron pełni nietypową dla siebie rolę anody. Podobnie działający układ, zasilany napięciem trójfazowym jest opisany w opisie patentowym PL 162 217. Do zalet metody należy zwiększenie mocy wydzielanej na rozpyla182 809 nej tarczy w czasie jednego półokresu a tym samym i szybkości rozpylania, jak też znaczne zredukowanie dryfU parametrów procesu wywołanego zanieczyszczaniem powierzchni anody produktami rozpylania.Also known from the monograph by K. Miernik, Operation and structure of magnetron sputtering devices, Radom 1997, impulse systems of magnetron sputtering devices and the methods of their operation. In the discussed systems, two twin, typical cathodes of magnetron sputtering devices are used. Their work consists in alternately supplying both magnetrons with high voltage alternating current, as a result of which, during one half-cycle, the negative electrode of the power supply is connected to one magnetron and the positive electrode to the other. As a result, when the target of one magnetron temporarily under negative potential is sputtered, the other magnetron performs an atypical role of an anode. A similarly operating system, supplied with three-phase voltage is described in the patent description PL 162 217. The advantages of the method include increasing the power released on the sprayed target during one half-period, and thus the spraying speed, as well as significantly reducing the drift of the process parameters caused by contamination of the anode surface. spray products.

Znane są z monografii K. Zdunka, Krystalizacja powłok metalicznych z plazmy impulsowej, Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej, Z. 149, 1991. Sposoby osadzania materiałów trudnotopliwych przy pomocy urządzeń impulsowo-plazmowych. Metody te oparte są na wykorzystaniu wysokonapięciowego wyładowania próżniowego, przy ciśnieniach pracy o kilka rzędów wielkości wyższych, niż stosowane w opisanej wcześniej metodzie łukowej. W odróżnieniu od tej ostatniej źródłem par metali wchodzących w reakcję z atomami gazu reaktywnego jest anoda urządzenia, przy której powierzchni następuje powstawanie ogniska plazmowego, tak zwanego pinczu plazmowego, o bardzo wysokiej temperaturze i gęstości. Plazma wyładowania impulsowego, składająca się podobnie jak w przypadku wyładowania łukowego z wielokrotnie zjonizowanych atomów, mikrokropel, oraz cząstek stałych, pod wpływem siły elektrodynamicznej zostaje wyrzucona poza przestrzeń międzyelektrodową, w kierunku powierzchni detalu, na którym osadzana jest powłoka twardego materiału trudnotopliwego. Sposób ten pozwala uzyskać duże prędkości osadzania w czasie jednego cyklu wyładowania elektrycznego. Jego wadą jest to, że częstotliwość wyładowań, uwarunkowana zjawiskami topienia i odparowania powierzchni anody, nie może być duża, co znacznie ogranicza jego zakres praktycznych zastosowań.They are known from the monograph by K. Zdunek, Crystallization of metallic coatings from impulse plasma, Scientific Papers of the Warsaw University of Technology, Z. 149, 1991. Methods of deposition of refractory materials with the use of impulse-plasma devices. These methods are based on the use of high-voltage vacuum discharge, with operating pressures several orders of magnitude higher than those used in the previously described arc method. Contrary to the latter, the source of metal vapors reacting with the reactive gas atoms is the anode of the device, at the surface of which a plasma focus, the so-called plasma pinch, is formed, with a very high temperature and density. The impulse discharge plasma, consisting, similarly to the arc discharge, of multi-ionized atoms, microdroplets, and solid particles, under the influence of electrodynamic force is projected out of the inter-electrode space, towards the workpiece surface, on which the coating of hard refractory material is deposited. This method allows to obtain high deposition rates during one electric discharge cycle. Its disadvantage is that the frequency of discharges, conditioned by the phenomena of melting and evaporation of the anode surface, cannot be high, which significantly limits its scope of practical applications.

Sposób osadzania powłok, zwłaszcza twardych materiałów trudnotopliwych polegający na umieszczeniu katody i anody w równoległym do ich powierzchni polu magnetycznym i rozpyleniu ich materiału poprzez anomalne wyładowanie jarzeniowe oraz materiału anody poprzez wyładowanie impulsowe, według wynalazku charakteryzuje się tym, że po załączeniu do katody i anody urządzenia wysokiego napięcia i wywołaniu w obszarze międzyelektrodowym anomalnego wyładowania jarzeniowego zmienia się w czasie mniejszym od 0,1 sekundy jego polaryzację, a następnie inicjuje wyładowanie impulsowe w tymże obszarze międzyelektrodowym.The method of coatings deposition, especially of hard refractory materials, consisting in placing the cathode and anode in a magnetic field parallel to their surface and spraying their material through an anomalous glow discharge and the anode material through a pulse discharge, according to the invention, characterized by the fact that when connected to the cathode and anode of the device high voltage and causing an anomalous glow discharge in the inter-electrode region, its polarization changes in less than 0.1 seconds, and then it initiates a pulse discharge in this inter-electrode region.

Zaletą wynalazku jest możliwość łatwego uzyskania powłok złożonych, zwiększenie szybkości rozpylania oraz zwiększenie efektywności wykorzystania materiału obu elektrod.The advantage of the invention is the ability to easily obtain complex coatings, increasing the spraying rate and increasing the efficiency of the material use of both electrodes.

Przykład realizacji: Sposób osadzania według wynalazku zostanie bliżej wyjaśniony na przykładzie realizacji procesu osadzania w urządzeniu wyposażonym w koaksjalny układ elektrod. W przestrzeni międzyelektrodowej, pomiędzy wewnętrzną anodą walcową a zewnętrzną katodą mającą kształt wydrążonego cylindra, wytwarza się równoległe do ich osi, stałe pole magnetyczne o indukcji 30 - 120 mT. Komorę próżniową, w której umieszcza się katodę oraz anodę, odpompowywuje się wstępnie do ciśnienia o wartości 10* Pa. Następnie wprowadza się do niej gaz reakcyjny w takiej ilości, aby utrzytmać w niej ciśnienie rzędu 10 - 1 Pa. Po osiągnięciu wymaganego ciśnienia w komorze próżniowej, do elektrod urządzenia doprowadza się z wysokoprądowego zasilacza napięcie rzędu 200 - 500 V, w wyniku czego w obszarze międzyelektrodowym powstaje wyładowanie anomalne o prądzie wyładowania rzędu kilku amper. Po zapaleniu wyładowania i rozpoczęciu procesu rozpylania elektrody ujemnej będącej chwilową katodą zmienia się skokowo polaryzację elektrod, w rezultacie czego obszar plazmy wyładowania wraz ze zjonizowanym rozpylonym materiałem chwilowej katody przesuwa się nad powierzchnię anody, która po zmianie polaryzacji staje się katodą i również ulega rozpylaniu. Następnie do obu elektrod urządzenia załącza się baterię kondensatorów naładowanych do napięcia rzędu 500 - 1000 V, co powoduje zainicjowanie wyładowania impulsowo-plazmowego. Plazma anomalnego wyładowania magnetronowego zawierająca rozpylone atomy materiału obu elektrod wraz z odparowanym z czoła anody materiałem, pod wpływem siły elektrodynamicznej pochodzącej od wyładowania impulsowego zostaje wyrzucona poza przestrzeń międzyelektrodową, w kierunku powierzchni detalu, na którym osadzana jest powłoka twardego materiału. Zwiększenie mocy wydzielanej podczas rozpylania jonowego oraz zmniejszenie energii wyładowania impulsowego pozwala z jednej strony zwiększyć szybkość osadzania powłoki a z drugiej strony praktycznie całkowicie eliminuje występowanie frakcji mikrokropelkowej powstającej przy wyładowaniu impulsowym.Example of implementation: The deposition method according to the invention will be explained in more detail on the basis of an embodiment of the deposition process in a device provided with a coaxial electrode arrangement. In the inter-electrode space, between the inner cylindrical anode and the outer cathode having the shape of a hollow cylinder, a constant magnetic field with an induction of 30 - 120 mT, parallel to their axis, is generated. The vacuum chamber, in which the cathode and anode are placed, is initially pumped down to a pressure of 10 * Pa. Thereafter, the amount of reaction gas is introduced into it so as to maintain a pressure in the order of 10-1 Pa. After reaching the required pressure in the vacuum chamber, a voltage of 200 - 500 V is applied to the electrodes of the device from a high-current power supply, as a result of which an anomalous discharge with a discharge current of a few amperes is generated in the area between the electrodes. After the discharge is ignited and the sputtering process of the negative electrode, which is the instantaneous cathode, is started, the polarity of the electrodes changes abruptly, as a result of which the discharge plasma area along with the ionized atomized material of the instantaneous cathode moves over the anode surface, which, after changing the polarity, becomes the cathode and is also sputtering. Then, a battery of capacitors charged to a voltage of 500 - 1000 V is connected to both electrodes of the device, which initiates a pulse-plasma discharge. The anomalous magnetron discharge plasma containing the atomized material atoms of both electrodes together with the material vaporized from the anode face, under the influence of the electrodynamic force from the impulse discharge, is projected out of the inter-electrode space, towards the surface of the detail on which the hard material coating is deposited. Increasing the power generated during sputtering and reducing the pulse discharge energy allows, on the one hand, to increase the coating deposition rate, and on the other hand, virtually completely eliminates the occurrence of the microdroplet fraction formed during the impulse discharge.

182 809182 809

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.Publishing Department of the UP RP. Circulation of 50 copies. Price PLN 2.00.

Claims

Patent claim

A method of depositing coatings, especially hard refractory materials, consisting in placing the cathode and anode in a magnetic field parallel to their surface and spraying their material through an anomalous glow discharge and the anode material by impulse discharge, characterized in that after connecting a high-voltage device to the cathode and anode and causing an anomalous glow discharge in the inter-electrode region, its polarization changes in less than 0.1 seconds, and then initiates a pulse discharge in this inter-electrode region.