RU144198U1 - Устройство для нанесения тонкопленочных покрытий - Google Patents

Abstract

Устройство для нанесения тонкопленочных покрытий плазменно-дуговым методом, содержащее вакуумную камеру, средства откачки и напуска рабочих газов, дуговые испарители с подсоединенными к ним источниками питания, держатель подложек, блок питания подложек и блок управления, отличающееся тем, что в корпусе вакуумной камеры размещено дополнительное магнетронное распылительное устройство, к которому дополнительно подключен последовательно через резистор блок питания подложек и параллельно резистору подключен выключатель, а к держателю подложек подключены через переключатель блок питания подложек, дополнительный источник питания переменного тока и дополнительный источник питания постоянного тока.

Description

Полезная модель относится к классу устройств, позволяющих наносить из низкотемпературной плазмы на подложку покрытие, в том числе и наноразмерное.

Известны устройства [Каштанов П.В., Смирнов Б.М., Хипплер Р. Магнетронная плазма и нанотехнология // Успехи физических наук. - 2007, Т. 177. - №5.- С. 473-510], позволяющие наносить такие покрытия. Эффективным типом таких устройств является устройство магнетронного ионного распыления (МИР), которое содержит вакуумную камеру со средствами получения вакуума и управления им, подсоединенные к вакуумной камере через натекатели баллоны с рабочим и реактивным газом, средства контроля вакуума, внутри вакуумной камеры находится держатель подложек, устройство магнетронного распыления (магнетрон), подсоединенные к держателю подложек два источника питания - низкого напряжения для питания магнетрона и высокого напряжения (источник ионной очистки).

В установке МИР формируется плазма аномального тлеющего разряда, в которую попадают нейтральные атомы мишени, выбитые из нее потоком падающих ионов плазмы и в дальнейшем осаждающиеся на подложке и формирующие наносимое покрытие. Преимуществом устройств МИР является возможность наносить наноразмерные по толщине однородные покрытия.

К недостаткам устройств МИР относится низкая степень ионизации паров напыляемого вещества, которая составляет 5-10%, что приводит к ухудшению адгезии наносимого покрытия. С другой стороны установки МИР не позволяют произвести нагрев подложек непосредственно перед нанесением покрытия, когда это требуется, например, при упрочнении металлорежущего инструмента до температуры (350-400 C) и в ряде других применений, что не способствует получению высококачественных стойких покрытий и также ухудшает адгезию.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому является устройство, использующее электродуговое осаждение вещества из плазмы аномально тлеющего разряда [В.М. Шулаев, А.А. Андреев, В.П. Руденко Модернизация вакуумно-дуговых установок для синтеза покрытий и азотирования методом ионной имплантации и осаждения // ФИП PSE 2006, Т. 4. - №3-4. - С. 136-142]. Такая установка содержит вакуумную камеру, средства откачки и напуска рабочих газов, дуговые испарители с подсоединенными к ним источниками питания, держатель подложек, блок питания подложек и блок управления.

Преимуществом такого устройства нанесения покрытий является более высокая адгезия напыляемого на подложку вещества. При возникновении дугового разряда на поверхности испарителя образуется так называемое катодное пятно с диаметром горения разряда дуги порядка 1-3 мкм при токе дуги 100-150 А. Таким образом на поверхности дугового испарителя имеется чрезвычайно высокая плотность тока, что вызывает локальное плавление испарителя в области пятна. Расплавленный металл испаряется, проходит через зону горения дуги. При этом атомы металла почти все ионизируются (~100% ионизации). Образовавшиеся ионы ускоряются электрическим полем (подложка - отрицательный электрод) и осаждаются с высокой энергией, что и обеспечивает высокую степень адгезии наносимого покрытия. Такое устройство называется устройством КИБ - катодно-ионной бомбардировки.

Недостатком конструкции КИБ является наличие капельной фазы в плазменном осаждаемом потоке. Капли расплавленного металла появляются в связи с тем, что на катод испарителя подается небольшое отрицательное напряжение, которое вытягивает на себя часть ионов, образующихся в дуговом разряде из испаренных атомов катода. Это поток ионов, попадающих на расплавленный металл, создает давление на расплав, что и вызывает его разбрызгивание в виде капель размером до 10 мкм. Кроме того возможен локальный перегрев рабочего пятна на мишени и взрывное испарение. Эти явления существенно увеличивают параметр шероховатости, что приводит к невозможности использования устройств типа КИБ в ряде случаев. Например, при напылении на оснастку, изготавливающую DVD-диски, ухудшает отражающие свойства поверхности. Наличие капельной фазы совершенно исключает применение устройств КИБ для нанесения наноразмерных по толщине покрытий, так как размер кластеров капельной фазы (капель) превышает толщину наноразмерного покрытия, что не позволяет получать однородные по толщине покрытия.

К другим недостаткам конструкции КИБ относится также перегрев подложек высокоэнергетическим потоком металлической плазмы с энергией порядка 4 кэВ, что приводит, например, при меднении пьезокерамических подложек к полной потере пьезоэлектрических свойств. В ряде случаев при длительном напылении, например, слоя меди повышенной толщины наблюдается разогрев самой вакуумной камеры, что инициирует выделение из стенок камеры различных газов, приводящих, как следствие, к изменению физико-химических свойств покрытия.

Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью является повышение однородности и адгезии получаемых тонкопленочных покрытий путем создания устройства, сочетающего лучшие характеристики как устройства КИБ (высокая адгезия получаемых пленок), так и устройства МИР (однородность покрытий), при отсутствии изменений в штатных блоках и схемах.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемое устройство, так же, как известное, содержит вакуумную камеру, средства откачки и напуска рабочих газов, дуговые испарители с подсоединенными к ним источниками питания, держатель подложек, блок питания подложек и блок управления. Но в отличие от известного дополнительно содержит дополнительное магнетронное распылительное устройство, к которому дополнительно подключен последовательно через резистор блок питания подложек и параллельно резистору подключен выключатель, а к держателю подложек подключены через переключатель блок питания подложек, дополнительный источник питания переменного тока и дополнительный источник питания постоянного тока.

Достигаемый технический результат - повышение однородности получаемых покрытий и достижение высокой адгезии.

Полезная модель поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена принципиальная схема предлагаемого устройства.

Предлагаемое устройство содержит вакуумную камеру 1 (ВК); дуговые испарители 2, 3, 4; магнетронное устройство 5; средства откачки и напуска газов 6; держатель подложек 7; источники питания 8, 9, 10 (ИП) дуговых испарителей; блок управления 11 (БУпр); источник питания 12 подложек (ИПл); резистор13; выключатель 14; дополнительный источник переменного тока 15; дополнительный источник постоянного тока 16, переключатель 17.

Источник питания подложек 12, имеющий ступенчато-плавную регулировку от -20 В до -1700 В и токе нагрузки до 15 А по своим энергетическим и эксплуатационным параметрам вполне подходит для обеспечения питания магнетронного устройства 5. Поэтому он подключен к мишени магнетронного устройства 5 через резистор 13.

Параллельно резистору 13 установлен выключатель 14. При замкнутом выключателе 14 резистор 13 закорочен и напряжение питания подается непосредственно на мишень магнетронного распылительного устройства 5, что обеспечивает работу магнетрона в нужном режиме. Если выключатель 14 разомкнут, то резистор 13 ограничивает ток, напряжение на мишени магнетрона 5 падает и аномально тлеющий разряд не возникает и все устройство не работает в режиме распыления мишени.

Источник питания подложек 12 одновременно подключен на первый вход переключателя 17. На второй и третий входы переключателя подключены источник переменного тока 15 и источник постоянного тока 16. К выходу переключателя 17 подключен держатель подложек. Таким образом на держатель подложек 7 может подаваться напряжение от -20 В до -1700 В, что обеспечивает штатные параметры работы установки, а также переменное напряжение до 1000 В и более, для более эффективной очистки подложек плазмой тлеющего разряда переменного тока, а также напряжение 5-50 В при нанесении покрытия из магнетронного распылительного устройства 5.

В качестве источника переменного тока 15 используется автотрансформатор (-50 Гц, 220 В, 10 А), нагруженный на повышающий трансформатор, выход которого через переключатель подключен к держателю подложек 7. В состав источника переменного тока входят также и средства контроля выходного значения напряжения и тока.

Работает устройство следующим образом. Очищенные и обезжиренные подложки размещаются на держателе подложек 7 в вакуумной камере 1. Вакуумная камера 1 откачивается. Контроль за степенью откачки осуществляется манометрическими преобразователями ПМТ и ПМИ, расположенными в камере и с помощью вакуумметра ВИТ-3, находящегося в стойке управления. При достижении необходимого вакуума камера заполняется газом (азотом или аргоном) через устройство напуска газов 6. На подложку от источника питания подложек 12 подается отрицательное напряжение, в вакуумной камере 1 возникает тлеющий разряд и происходит первичная предварительная очистка подложек. Далее тлеющий разряд выключается и вакуумная камера 1 откачивается. При достижении давления в камере вакуума порядка 4-6·10^-5 мм рт.ст. на подложки от источника питания подложек 12 подается напряжение - 1,0-1,7 кВ и включаются электродуговые испарители 2, 3, 4 в нужной комбинации - все вместе или по отдельности. Подложки при этом подвергаются бомбардировке ионами титана, что приводит к более тщательной очистке поверхности подложек при одновременном их разогреве до требуемой температуры. При этом могут быть включены все три дуговых испарителя или два, или один в зависимости от сложности технологического процесса. При достижении необходимой температуры (определяется опытным путем), потенциал подложек снижается до 100-120 В и происходит подпыл слоя титана, (для увеличения адгезии) в течение 30-40 сек. Далее производится напуск реактивного газа через устройство напуска газов 6, обычно азота, который в плазме ионизируется и на поверхность подложек осаждается соединение нитрид титана, толщиной до 3-5 мкм, упрочняющее поверхность подложек. При достижении требуемой толщины покрытия технологический процесс заканчивается.

Установка может работать в следующих режимах:

1) Режим нанесения покрытия на металлорежущий инструмент. Источник питания подложек 12 подключен к держателю подложек 7, источники постоянного и переменного тока 15 и 16 соответственно не включены, выключатель 14 выключен. Нанесение покрытия происходит в соответствии с технической документацией на установку.

2) Режим нанесения покрытия на вещества, включая металлы и сплавы, с низкой температурой плавления. Выключатель 14 - в положении выключено. Очистка ионами дуги не проводится. Держатель подложек подключен к источнику переменного тока. Очистка деталей производится тлеющим разрядом переменного тока, который, как показала практика, является более эффективным способом по сравнению с очисткой в плазме тлеющего разряда постоянного тока. С целью дальнейшего усиления интенсивности очистки подложек на мишень магнетрона 5 через резистор 13 подается напряжение от источника питания подложек 12. Наличие резистора 13 не позволяет перейти магнетронному устройству 5 в режим аномального тлеющего разряда, что позволяет дополнительно повысить плотность плазмы тлеющего разряда и, тем самым в 2-10 раз увеличить интенсивность очистки. При этом мишень магнетрона 5 практически не испаряется. Таким образом, магнетронное устройство 5 используется как средство повышения степени очистки деталей перед операцией нанесения покрытия. Длительность очистки определяется размерами деталей, их количеством. По окончании очистки подложек, держатель подложек 7 подключается к источнику питания подложек. В этом случае покрытие наносится электродуговыми испарителями в штатном режиме установки. В случае, когда выключатель 14 находится в положении-включено, а держатель подложек 7 подключен к источнику постоянного тока 16 (примерно -30 В) будет производиться напыление покрытия магнетронным устройством 5 в штатном для него режиме. Этот же режим может быть использован для получения металлических зеркал с повышенным коэффициентом отражения света, а также при металлизации различных диэлектриков.

Если предлагаемое устройство работает в режиме (1) - штатный, МИР не работает при ионной бомбардировке и нагреве подложек, так как этот процесс происходит в вакууме при давлении 0,5-2·10^-4 мм рт.ст., несмотря на подаваемое на него напряжение до -1,5 кВ. С другой стороны МИР не работает и в процессе штатного осаждения покрытия на подложку, поскольку процесс осаждения идет при напряжениях до -250 В.

Таким образом, предлагаемое устройство обладает значительно более широкими технологическими возможностями при одновременном повышении адгезии покрытия к подложке и увеличении однородности получаемых покрытий.

Claims (1)

1. Устройство для нанесения тонкопленочных покрытий плазменно-дуговым методом, содержащее вакуумную камеру, средства откачки и напуска рабочих газов, дуговые испарители с подсоединенными к ним источниками питания, держатель подложек, блок питания подложек и блок управления, отличающееся тем, что в корпусе вакуумной камеры размещено дополнительное магнетронное распылительное устройство, к которому дополнительно подключен последовательно через резистор блок питания подложек и параллельно резистору подключен выключатель, а к держателю подложек подключены через переключатель блок питания подложек, дополнительный источник питания переменного тока и дополнительный источник питания постоянного тока.