RU154033U1

RU154033U1 - DEVICE FOR APPLICATION OF THIN FILM COATINGS

Info

Publication number: RU154033U1
Application number: RU2015112692/02U
Authority: RU
Inventors: Сергей Владимирович Ефремов; Владимир Игоревич Марголин; Иосиф Михайлович Старобинец; Вадим Николаевич Тоисев; Виктор Анатольевич Тупик
Priority date: 2015-04-07
Filing date: 2015-04-07
Publication date: 2015-08-10

Abstract

Устройство для нанесения тонкопленочных покрытий, содержащее вакуумную камеру, дуговые испарители с подсоединенными к ним источниками питания, средства откачки и напуска рабочих газов, держатель подложек, источник питания подложек, блок управления, магнетронное распылительное устройство, к которому подключен последовательно через резистор источник питания подложек, и параллельно резистору подключен выключатель, а к держателю подложек подключены через переключатель источник питания подложек, источник питания переменного тока, источник питания постоянного тока, отличающееся тем, что источник питания переменного тока подключен к переключателю последовательно через конденсатор, а внутри вакуумной камеры над держателем подложек размещен дополнительный электрод, имеющий один электрический потенциал с держателем подложек.A device for applying thin-film coatings containing a vacuum chamber, arc evaporators with power sources connected to them, means for pumping and injecting working gases, a substrate holder, a substrate power source, a control unit, a magnetron spray device, to which a substrate power source is connected in series through a resistor, and a switch is connected in parallel with the resistor, and a substrate power source, AC power source, power source are connected to the substrate holder through a switch DC power supply, characterized in that the AC power source is connected to the switch in series through a capacitor, and inside the vacuum chamber above the substrate holder there is an additional electrode having one electric potential with the substrate holder.

Description

Полезная модель относится к классу устройств, позволяющих наносить из низкотемпературной плазмы на подложку покрытие, в том числе и наноразмерное.The utility model belongs to the class of devices that make it possible to apply a coating, including nanoscale, from low-temperature plasma onto a substrate.

Известно устройство [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], позволяющее наносить такие покрытия и использующее электродуговое осаждение вещества из плазмы аномального тлеющего разряда. Такая установка содержит вакуумную камеру, средства откачки и напуска рабочих газов, дуговые испарители с подсоединенными к ним источниками питания, держатель подложек, источник питания подложек и блок управления.A device is known [V.M. Shulaev, A.A. Andreev, V.P. Rudenko Modernization of vacuum-arc installations for the synthesis of coatings and nitriding by ion implantation and deposition // FIP PSE 2006, T. 4. - No. 3-4. - S. 136-142], allowing to apply such coatings and using electric arc deposition of a substance from a plasma of an abnormal glow discharge. Such an installation comprises a vacuum chamber, means for pumping and inlet of working gases, arc evaporators with power sources connected to them, a substrate holder, a substrate power source and a control unit.

Преимуществом такого устройства нанесения покрытий является более интенсивное напыление вещества на подложку. 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 интенсивно 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 хорошую степень адгезии наносимого покрытия и высокую интенсивность процесса напыления. Такое устройство называется устройством КИБ - катодно-ионной бомбардировки.An advantage of such a coating device is a more intensive deposition of a substance on a substrate. When an arc discharge occurs on the surface of the evaporator, a so-called cathode spot is formed with an arc discharge burning diameter of the order of 1-3 μm at an arc current of 100-150 A. Thus, there is an extremely high current density on the surface of the arc evaporator, which causes local melting of the evaporator in the spot region . The molten metal evaporates intensely, passes through the arc burning zone. In this case, metal atoms are almost all ionized (~ 100% ionization). The resulting ions are accelerated by an electric field (substrate - negative electrode) and deposited with high energy, which ensures a good degree of adhesion of the coating and a high intensity of the deposition process. Such a device is called a CIB - cathodic-ion bombardment device.

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.The drawback of the CIB design is the presence of a droplet phase in the plasma deposited stream. Drops of molten metal appear due to the fact that a small negative voltage is applied to the evaporator cathode, which draws a part of the ions formed in the arc discharge from the evaporated cathode atoms. This stream of ions falling on the molten metal creates pressure on the melt, which causes it to spray in the form of droplets up to 10 microns in size. In addition, local overheating of the working spot on the target and explosive evaporation are possible. These phenomena significantly increase the roughness parameter, which makes it impossible to use devices of the CIB type in some cases. For example, when spraying on a tooling making DVDs, it worsens the reflective properties of the surface. The presence of the droplet phase completely excludes the use of CIB devices for applying nanosized coatings in thickness, since the size of the clusters of the droplet phase (droplets) exceeds the thickness of the nanoscale coating, which does not allow obtaining coatings uniform in thickness.

Другим важным недостаткам конструкции КИБ относится использование той же технологической схемы для процесса предварительной ионной очистки поверхности подложки от имеющихся загрязнений. Высокая интенсивность процесса приводит к неудовлетворительному качеству поверхности после ионной очистки и не позволяет получать однородную поверхность требуемого качества.Other important drawbacks of the CIB design include the use of the same technological scheme for the process of preliminary ionic cleaning of the substrate surface from existing contaminants. The high intensity of the process leads to unsatisfactory surface quality after ion cleaning and does not allow to obtain a homogeneous surface of the required quality.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому является устройство для нанесения тонкопленочных покрытий плазменно-дуговым и ионно-плазменным методами, содержащее вакуумную камеру, дуговые испарители с подсоединенными к ним источниками питания, средства откачки и напуска рабочих газов, держатель подложек, источник питания подложек, блок управления, магнетронное распылительное устройство, к которому подключен последовательно через резистор источник питания подложек и параллельно резистору подключен выключатель, а к держателю подложек подключены через переключатель источник питания подложек, источник питания переменного тока, источник питания постоянного тока [Устройство для нанесения тонкопленочных покрытий. Ефремов С.В., Старобинец И.М., Тоисев В.Н., Марголин В.И., Тупик В.А. Патент РФ на полезную модель №144198].The closest set of essential features to the proposed one is a device for applying thin-film coatings by plasma-arc and ion-plasma methods, containing a vacuum chamber, arc evaporators with power sources connected to them, means for pumping and inlet of working gases, substrate holder, substrate power source, control unit, magnetron spray device, to which the substrate power supply is connected in series through a resistor and a switch is connected in parallel to the resistor atelier, and the substrate power source, AC power source, DC power source [Device for applying thin-film coatings. Efremov S.V., Starobinets I.M., Toisev V.N., Margolin V.I., Tupik V.A. RF patent for utility model No. 144198].

Недостатками такого устройства является недостаточная чистота получаемых пленок, особенно наноразмерных, что связано с недостаточной степенью очистки подложки при применении метода ионной очистки, обязательно предваряющего процесс напыления. Кроме того при работе дуговых испарителей в режиме ионной очистки за счет большой интенсивности распыления (снизить которую не удается) образуется капельная фаза, что в случае получения наноразмерных пленок неприемлемо.The disadvantages of this device is the lack of purity of the resulting films, especially nanoscale, due to the insufficient degree of substrate cleaning when using the ion cleaning method, which necessarily precedes the deposition process. In addition, during the operation of arc evaporators in the ion cleaning mode, a droplet phase is formed due to the high atomization intensity (which cannot be reduced), which is unacceptable in the case of nanoscale films.

Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью является повышение однородности и чистоты получаемых тонкопленочных покрытий за счет повышения качества процесса ионной очистки.The problem solved by the proposed utility model is to increase the uniformity and purity of the resulting thin film coatings by improving the quality of the ion cleaning process.

Достигаемый технический результат осуществляется за счет того, что предлагаемое устройство, так же как и известное, содержит вакуумную камеру, дуговые испарители с подсоединенными к ним источниками питания, средства откачки и напуска рабочих газов, держатель подложек, источник питания подложек, блок управления, магнетронное распылительное устройство, к которому подключен последовательно через резистор источник питания подложек и параллельно резистору подключен выключатель, а к держателю подложек подключены через переключатель источник питания подложек, источник питания переменного тока, источник питания постоянного тока.The technical result achieved is due to the fact that the proposed device, as well as the known one, contains a vacuum chamber, arc evaporators with connected power sources, means for pumping and inlet of working gases, substrate holder, substrate power source, control unit, magnetron sputtering a device to which a substrate power supply is connected in series through a resistor and a switch is connected in parallel to the resistor, and a source is connected to the substrate holder through a switch substrate power nickname, AC power source, DC power source.

Но в отличие от известного, источник питания переменного тока подключен к переключателю последовательно через конденсатор, а внутри вакуумной камеры над держателем подложек размещен дополнительный электрод, находящийся под одним электрическим потенциалом с держателем подложек.But unlike the known one, the AC power source is connected to the switch sequentially through a capacitor, and inside the vacuum chamber above the substrate holder there is an additional electrode located under the same electric potential with the substrate holder.

Достигнутый технический результат заключается в повышении однородности и чистоты получаемых тонкопленочных покрытий за счет повышения качества процесса ионной очистки.The technical result achieved is to increase the uniformity and purity of the obtained thin-film coatings by improving the quality of the ion cleaning process.

Устройство поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена его принципиальная схема.The device is illustrated in the drawing, where in FIG. 1 shows its circuit diagram.

Устройство содержит вакуумную камеру 1 (ВК), дуговые испарители 2, 3, 4 с подсоединенными к ним источниками питания 8, 9, 10, средства откачки и напуска рабочих газов 6, держатель подложек 7, источник питания подложек 12 (Ипл), блок управления 11 (Бупр), магнетронное распылительное устройство 5, к которому подключен последовательно через резистор 13 источник питания подложек 12 и параллельно резистору подключен выключатель 14, а к держателю подложек подключены через переключатель 17 источник питания подложек 12, источник питания переменного тока 16, источник питания постоянного тока 15. Также внутри вакуумной камеры 1 находится размещенный над держателем подложек 7 электрод 18, находящийся под одним электрическим потенциалом с подложкодержателем, а источник питания переменного тока 16 подключен к переключателю 17 последовательно через конденсатор 19. Конденсатор подключен одним концом к одному из входов переключателя, другим - к дополнительному источнику переменного тока (выход переключателя подключен к держателю подложек), таким образом, переменное напряжение через конденсатор подается на держатель подложек и дополнительный электрод. Электрод 18 расположен над подложкой. Форма электрода принципиального значения не имеет.The device contains a vacuum chamber 1 (VK), arc evaporators 2, 3, 4 with power sources 8, 9, 10 connected to them, means for pumping and inlet of working gases 6, a holder for substrates 7, a power supply for substrates 12 (IPL), a control unit 11 (Bupr), a magnetron sputtering device 5, to which a substrate power supply 12 is connected in series through a resistor 13 and a switch 14 is connected in parallel to the substrate holder, and a substrate power supply 12, an AC power source 16, a source is connected via a switch 17 IR DC power supply 15. Also inside the vacuum chamber 1 there is an electrode 18 located above the substrate holder 7, which is under the same electric potential as the substrate holder, and the AC power source 16 is connected to the switch 17 in series through the capacitor 19. The capacitor is connected at one end to one of switch inputs, others - to an additional AC source (the output of the switch is connected to the substrate holder), thus, the alternating voltage through the capacitor is supplied to erzhatel substrates and an additional electrode. An electrode 18 is located above the substrate. The shape of the electrode does not matter.

Устройство в процессе ионной очистки работает следующим образом. 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 предназначен 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.The device in the process of ion cleaning works as follows. The power source of the substrates 12, which has stepwise smooth adjustment from -20 V to -1700 V and a load current of up to 15 A in its energy and operational parameters, is designed to provide power to the magnetron device 5. Therefore, it is connected to the target of the magnetron device 5 through a resistor 13. A switch 14 is installed parallel to the resistor 13. When the switch 14 is closed, the resistor 13 is shorted and the supply voltage is supplied directly to the target of the magnetron spray device 5, which ensures the operation of the magnetron th mode. If the switch 14 is open, then the resistor 13 limits the current, the voltage on the magnetron 5 targets drops and an abnormally glowing discharge does not occur and the entire device does not work in the target spraying mode.

Источник питания подложек 12 одновременно подключен на первый вход переключателя 17. На второй и третий входы переключателя подключены источник переменного тока 16 и источник постоянного тока 15. 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 для более эффективной очистки подложек плазмой тлеющего разряда переменного тока, а также напряжение 5-50 В при нанесении покрытия из магнетронного распылительного устройства 5.The power source of the substrates 12 is simultaneously connected to the first input of the switch 17. An alternating current source 16 and a direct current source 15 are connected to the second and third inputs of the switch 15. A substrate holder is connected to the output of the switch 17. Thus, a voltage from -20 V to -1700 V can be supplied to the substrate holder 7, which provides the unit's operating parameters as well as an alternating voltage of up to 1000 V for more efficient cleaning of the substrates with ac glow glow plasma, as well as a voltage of 5-50 In when coating from a magnetron sputtering device 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.As an alternating current source 15, an autotransformer (-50 Hz, 220 V, 10 A) is used, loaded on a step-up transformer, the output of which is connected via a switch to the substrate holder 7. The alternating current source also includes means for monitoring the output voltage and current .

Электрод подключается к источнику переменного напряжения. Во время положительного полупериода на электрод и подложку осаждаются электроны плазмы тлеющего разряда, во время отрицательного - положительные ионы, подвижность которых значительно меньше подвижности электронов. Поэтому в промежутке подложка-электрод возникает положительный объемный заряд (по нашим замерам до 300-350 В относительно подложки). При этом на атомы газа действует как переменное, так и постоянное электрическое поле, что и приводит к возрастанию тока через подложку. Роль конденсатора заключается в том, что он препятствует “стеканию” электронов на “землю” через повышающий трансформатор (в наших условиях). Это приводит к тому, что в промежутке подложкодержатель-электрод возникает “дополнительное” постоянное электрическое поле, что значительно увеличивает ионизацию плазмы в этой области. По нашим наблюдениям переменный ток через подложкодержатель во время такой очистки возрастает в 3-5 раз по сравнению с током через подложку во время очистки просто тлеющим разрядом.The electrode is connected to an AC voltage source. During the positive half-cycle, glow plasma electrons are deposited on the electrode and the substrate, while negative ions are deposited, the mobility of which is much lower than the mobility of the electrons. Therefore, a positive space charge arises in the substrate – electrode gap (according to our measurements, up to 300–350 V relative to the substrate). In this case, both an alternating and a constant electric field acts on the gas atoms, which leads to an increase in the current through the substrate. The role of the capacitor is that it prevents the "runoff" of electrons to the "ground" through a step-up transformer (in our conditions). This leads to the fact that an “additional” constant electric field arises in the substrate – electrode gap, which significantly increases plasma ionization in this region. According to our observations, the alternating current through the substrate holder during such cleaning increases by 3-5 times compared with the current through the substrate during cleaning by simply a glow discharge.

Использование дополнительного электрода, имеющего потенциал подложкодержателя относится исключительно к процессу усиления ионной очистки деталей перед операцией напыления и не зависит от способа напыления. При этом ионная очистка проводится в плазме тлеющего разряда переменного тока. Использование электрода и, соответственно, включенного конденсатора, дает более эффективную очистку деталей, что ведет к сокращению времени очистки, экономии рабочего газа, ускорению технологического процесса и, следовательно, к его удешевлению. После завершения операции очистки, на подложкодержатель с помощью переключателя подается постоянное напряжение и начинается процесс напыления.The use of an additional electrode having the potential of a substrate holder refers exclusively to the process of enhancing the ion cleaning of parts before the deposition operation and does not depend on the deposition method. In this case, ion cleaning is carried out in an alternating current glow plasma. The use of the electrode and, accordingly, the included capacitor, gives a more efficient cleaning of parts, which leads to a reduction in cleaning time, saving working gas, accelerating the process and, therefore, reducing its cost. After the cleaning operation is completed, a constant voltage is applied to the substrate holder using the switch and the spraying process begins.

Достигаемый технический результат - повышение качества процесса ионной очистки, и как следствие, повышение однородности и чистоты получаемых покрытий.The technical result achieved is an increase in the quality of the ion cleaning process, and as a result, an increase in the uniformity and purity of the resulting coatings.

Claims

A device for applying thin-film coatings containing a vacuum chamber, arc evaporators with power sources connected to them, means for pumping and injecting working gases, a substrate holder, a substrate power source, a control unit, a magnetron spray device, to which a substrate power source is connected in series through a resistor, and a switch is connected in parallel with the resistor, and a substrate power source, AC power source, power source are connected to the substrate holder through a switch DC power supply, characterized in that the AC power source is connected to the switch in series through a capacitor, and inside the vacuum chamber above the substrate holder there is an additional electrode having one electric potential with the substrate holder.