RU2606363C2

RU2606363C2 - Carousel-type unit for multi-layered coatings magnetron sputtering and method of equal thickness nano-coating magnetron sputtering

Info

Publication number: RU2606363C2
Application number: RU2015120001A
Authority: RU
Inventors: Сергей Борисович Одиноков; Гайк Рафаэлович Сагателян; Алексей Станиславович Кузнецов; Михаил Сергеевич Ковалев; Екатерина Андреевна Дроздова; Андрей Владимирович Шишлов; Павел Сергеевич Демидов
Priority date: 2015-05-27
Filing date: 2015-05-27
Publication date: 2017-01-10
Also published as: RU2015120001A

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: invention relates to multi-layer equal thickness coating magnetron sputtering method and device for its implementation and can be used for optical coatings producing on optical substrates surface. Sequential application on part flat surface of two layers with complementary profiles and obtaining of equal thickness coating is performed in vacuum chamber with carousel planetary mechanism by means of magnetron system. System comprises two magnetrons with targets, symmetrically and inclined arranged to vacuum chamber frontal plane and facing with their targets towards carousel planetary mechanism and single magnetron with target. One coating layer is sputtered as symmetrical convex with single magnetron, performing inner gear wheel and said planetary gear drive reverse synchronous rotation in one direction and synchronous pinion reverse rotation in opposite direction in drive and inner gear wheel calculated range of turning angles. Pinion is rotated at angular speed by absolute value of less than drive angular rotation speed. Second coating layer is sputtered as symmetric concave by means of dual system two magnetrons, performing inner gear wheel and drive synchronous reverse rotation in one direction and synchronous pinion reverse rotation in same direction in rotation angles calculated range, different from drive rotation angles and inner gear wheel during performance of first coating layer. Pinion is rotated at angular speed by absolute value greater, than drive angular rotation speed. Producing coating with high degree of accuracy, wherein deviation of its thickness from theoretically calculated makes 0.1 nm.

EFFECT: coating with high degree of accuracy.

3 cl, 9 dwg, 1 ex

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к области устройств и способов магнетронного напыления(распыления) металлических покрытий (пленок) на подложки, в частности многослойных оптических покрытий, полученных нанесением на поверхность оптических подложек.The invention relates to the field of devices and methods for magnetron sputtering (sputtering) of metal coatings (films) on substrates, in particular multilayer optical coatings obtained by applying optical substrates to the surface.

Уровень техникиState of the art

Известны и используются установки и способы магнетронного напыления многослойных тонкопленочных покрытий на множество подложек, расположенных на общей карусели.Known and used installations and methods of magnetron sputtering of multilayer thin film coatings on many substrates located on a common carousel.

Известно устройство карусельного типа для магнетронного напыления многослойных покрытий по патентной заявке США US 2010294658 (A1) MAGNETRON SPUTTERING DEVICE HAVING ROTATABLE SUBSTRATE HOLDER (МПК C23C 14/35, опубл. 2010-11-25), содержащее магнетроны и механизм карусели, а также второй контур ввода вращения.A carousel-type device for magnetron sputtering of multilayer coatings is known according to US patent application US 2010294658 (A1) MAGNETRON SPUTTERING DEVICE HAVING ROTATABLE SUBSTRATE HOLDER (IPC C23C 14/35, publ. 2010-11-25), containing magnetrons and a carousel mechanism, as well as a second rotation input loop.

Однако в этом устройстве отсутствует смысл установки магнетронов вертикально с разворотом (не перпендикулярно радиусу вращения) и, кроме того, крайне нетехнологично вращать магнетроны по кругу.However, in this device there is no sense in installing magnetrons vertically with a turn (not perpendicular to the radius of rotation) and, in addition, it is extremely non-technological to rotate magnetrons in a circle.

В России подобного рода установки карусельного типа для магнетронного напыления многослойных покрытий в промышленных масштабах выпускает ООО «Элан-Практик» (RU), на один из перспективных видов их установок получен патент РФ №2308538. УСТАНОВКА ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ПОКРЫТИЙ С ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ МЕТОДОМ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ (МПК С23С 14/35, С23С 14/56, опубл. 20.10.2007). В установке в центре вакуумной камеры расположено карусельное устройство для размещения изделий-подложек. Две прямоугольные несбалансированные магнетронные распылительные системы (МРС) выполнены на постоянных магнитах, размещены симметрично и параллельно оси вращения карусельного устройства. Технический результат заключается в повышении качества и механических свойств покрытий, расширении функциональных возможностей установки, а также увеличении производительности установки.In Russia, such plants of a carousel type for magnetron sputtering of multilayer coatings are produced on an industrial scale by LLC Elan-Practik (RU), and RF patent No. 2308538 was received for one of the promising types of their installations. INSTALLATION FOR THE APPLICATION OF MULTI-LAYER COATINGS WITH PERIODIC STRUCTURE BY THE METHOD OF MAGNETRON SPRAYING (IPC C23C 14/35, C23C 14/56, publ. 20.10.2007). In the installation in the center of the vacuum chamber there is a carousel for placing substrate products. Two rectangular unbalanced magnetron sputtering systems (MPC) are made with permanent magnets, placed symmetrically and parallel to the axis of rotation of the carousel device. The technical result consists in improving the quality and mechanical properties of coatings, expanding the functionality of the installation, as well as increasing the productivity of the installation.

Это техническое решение предусматривает планетарное движение подложек для покрытий на карусели, но при этом оно равнотолщинности покрытий не обеспечивает. А у многослойных покрытий, в частности оптических покрытий, существует проблема точности профиля их малых толщин, и, в частности, проблема наноразмерной равнотолщинности (см. ст. ФОРМИРОВАНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ КАРТИН ПОВЕРХНОСТНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН С ИЗМЕНЯЕМЫМ ПЕРИОДОМ С ПОМОЩЬЮ ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТОК / Е.А. Безус, Л.Л. Досколович, И.И. Кадомин, Н.Л. Казанский. - журнал Компьютерная оптика, том 32, 2008, №3, с. 234-237), в которой обсуждается вопрос необходимости обеспечения отклонений от равнотолщинности в пределах до 1 нм при толщине металлизированного покрытия в 65 нм).This technical solution provides for the planetary movement of the substrates for coatings on the carousel, but it does not provide equal thickness coatings. And for multilayer coatings, in particular optical coatings, there is a problem of the accuracy of the profile of their small thicknesses, and, in particular, the problem of nanoscale equal thickness (see. FORMATION OF INTERFERENCE PICTURES OF SURFACE ELECTROMAGNETIC WAVES WITH A VARIABLE PREPARATED FROM AFTER SHIFT. , L.L. Doskolovich, II Kadomin, NL Kazansky. - Computer Optics journal, Volume 32, 2008, No. 3, pp. 234-237), which discusses the need to ensure deviations from equal thickness within up to 1 nm with a metalliziro thickness bath coating at 65 nm).

У ООО «Элан-Практик» также есть установки со схемой нанесения нанокомпозитных покрытий методом «дуального» магнетронного распыления (см. рис. 1 в статье авторов из ООО «Элан-Практик» МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ НАНОКОМПОЗИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ / А. Федотов, Ю. Агабеков, В. Мачикин, журнал Наноиндустрия, 2008, №1, с. 24-25). Подробно с технической и математической позиций применение этой установки со схемой нанесения нанопокрытий методом «дуального» магнетронного распыления рассмотрено в статье АНАЛИЗ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ТОНКОПЛЕНОЧНОГО ПОКРЫТИЯ ПРИ МАГНЕТРОННОМ НАПЫЛЕНИИ НА УСТАНОВКАХ С ПЛАНЕТАРНЫМ ПЕРЕМЕЩЕНИЕМ ПОДЛОЖКИ / Сагателян Г.Р., Шишлов А.В. - Электронный журнал Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014, №11, с. 458-481 (DOI:10.7463/1114.0733662, Интернет-адрес: http://technomag.bmstu.ru/doc/733662.html). Эта установка ближе всего по устройству к предлагаемой модифицированной установке и содержит вакуумную камеру, в центральной части которой установлен карусельный планетарный механизм с сателлитами для планетарного движения напыляемых деталей на сателлитах, дуальную магнетронную систему, состоящую из двух магнетронов, симметрично наклонно расположенных к фронтальной плоскости вакуумной камеры и направленных своими мишенями в сторону планетарного механизма.Elan-Practik LLC also has installations with a scheme for applying nanocomposite coatings using the “dual” magnetron sputtering method (see Fig. 1 in an article by authors from Elan-Practik LLC. MULTIFUNCTIONAL NANOCOMPOSITE COATINGS / A. Fedotov, Yu. Agabekov, V Machikin, the journal Nanoindustry, 2008, No. 1, pp. 24-25). In detail from a technical and mathematical point of view, the use of this apparatus with a scheme for applying nanocoatings by the method of “dual” magnetron sputtering is considered in the article ANALYSIS OF THE DISTRIBUTION OF THICKNESS COATING THICKNESS DURING MAGNETRON SPRAYING IN PLANTS WITH A PLANETARY TRANSFER A. - The electronic journal Science and Education. MSTU named after N.E. Bauman, 2014, No. 11, p. 458-481 (DOI: 10.7463 / 1114.0733662, Internet address: http://technomag.bmstu.ru/doc/733662.html). This installation is closest in design to the proposed modified installation and contains a vacuum chamber in the central part of which there is a carousel planetary gear with satellites for planetary movement of the sprayed parts on the satellites, a dual magnetron system consisting of two magnetrons, symmetrically inclined to the frontal plane of the vacuum chamber and directed by their targets towards the planetary mechanism.

Недостатком указанной магнетронной установки является относительная узость ее функциональных возможностей из-за отсутствия дополнительного бокового магнетрона и возможности изменения соотношения между частотами вращения подложки вокруг собственной оси и вокруг центра карусели из-за отсутствия второго контура ввода вращения карусели (через внутреннее зубчатое колесо).The disadvantage of this magnetron setup is the relative narrowness of its functionality due to the lack of an additional side magnetron and the possibility of changing the ratio between the substrate rotation frequencies around its own axis and around the center of the carousel due to the lack of a second carousel rotation input circuit (through the internal gear).

На магнетронных установках карусельного типа реализуют различные способы магнетронного напыления различных многослойных тонкопленочных покрытий.Carousel-type magnetron installations implement various methods of magnetron sputtering of various multilayer thin-film coatings.

Наиболее простые и малозатратные способы используют программные (без датчиков обратных связей от измерения толщины слоя во время его нанесения для автоматических систем подстроек головок и движения карусели) режимы работы магнетронных головок в карусельных установках при нанесении слоев покрытия, в том числе такие режимы, которые могут приводить к различным формам распределения толщины покрытия по напыляемой поверхности. Могут обеспечиваться формы распределения толщины односторонней направленности, выпуклые, вогнутые и их сочетания (например, в патентной заявке Японии № JPH03253568 (A) CARROUSEL TYPE SPUTTERING DEVICE AND SPUTTERING METHOD (МПК C23C 14/34; C23C 14/54, опубл. 1991-11-12) - FIG. 3, 4, 5 с двумя слоями различных профилей, в патентной заявке США US 2004026240 (А1) SPUTTERING APPARATUS AND SPUTTER FILM DEPOSITION METHOD (МПК C23C 14/35; C23C 14/50; C23C 14/54; C23C 14/56; G02B 1/10; H01J 37/34; (IPC1-7): C23C 14/00, опубл. 2004-02-12) - FIG. 13c, 15c.The most simple and low-cost methods use software (without feedback sensors from measuring the layer thickness during application for automatic systems for adjusting the heads and carousel movement) operating modes of magnetron heads in carousel installations when applying coating layers, including those modes that can cause to various forms of distribution of coating thickness over a sprayed surface. Unilateral directional, convex, concave, and combinations of thickness distribution shapes may be provided (e.g., Japanese Patent Application No. JPH03253568 (A) CARROUSEL TYPE SPUTTERING DEVICE AND SPUTTERING METHOD (IPC C23C 14/34; C23C 14/54, publ. 1991-11 -12) - FIG. 3, 4, 5 with two layers of different profiles, in US patent application US 2004026240 (A1) SPUTTERING APPARATUS AND SPUTTER FILM DEPOSITION METHOD (IPC C23C 14/35; C23C 14/50; C23C 14/54; C23C 14/56; G02B 1/10; H01J 37/34; (IPC1-7): C23C 14/00, publ. 2004-02-12) - FIG. 13c, 15c.

В этих способах могут использовать дополнительные планетарные движения сателлитов с подложками на общем водиле карусели с центральным зубчатым колесом - при этом режимы этих планетарных движений таковы, что траектории движения точек напыляемой поверхности детали относительно магнетронов неизменны. Можно изменять линейные и угловые скорости движения детали, можно реверсировать направление движения, но сами траектории остаются неизменными. Существующие механические передачи жестко задают траектории относительных движений детали и магнетрона, которые определяются соответствующими расчетами из теории машин и механизмов (ТММ) и графиками-эпюрами скоростей рассматриваемой точки на поверхности детали относительно магнетронов.In these methods, additional planetary motions of satellites with substrates on a common carousel carrier with a central gear wheel can be used - while the modes of these planetary motions are such that the trajectories of the points of the sprayed surface of the part relative to the magnetrons are unchanged. You can change the linear and angular speeds of the part, you can reverse the direction of movement, but the trajectories themselves remain unchanged. Existing mechanical transmissions rigidly set the trajectories of the relative motions of the part and the magnetron, which are determined by the corresponding calculations from the theory of machines and mechanisms (TMM) and plots of the velocities of the point in question on the surface of the part relative to the magnetrons.

В патентной заявке США US 2010294658 (A1) MAGNETRON SPUTTERING DEVICE HAVING ROTATABLE SUBSTRATE HOLDER (МПК C23C 14/35, опубл. 2010-11-25) техническое решение фактически позволяет реализовать планетарное движение, но отсутствует комплементарность режимов (взаимодополняющих, согласованных таким образом, чтобы недостаток одного слоя напыленного покрытия компенсировался комплементарным недостатком другого слоя покрытия, а в сумме получалось бы близко к тому, что требуется в итоге) и очевидна крайняя нетехнологичность ввода второго вращательного движения.In US patent application US 2010294658 (A1) MAGNETRON SPUTTERING DEVICE HAVING ROTATABLE SUBSTRATE HOLDER (IPC C23C 14/35, publ. 2010-11-25), the technical solution actually allows for planetary motion, but there is no complementarity of the modes (complementary, coordinated in this way, so that the lack of one layer of the sprayed coating is compensated by the complementary disadvantage of the other coating layer, and in total it would be close to what is required in the end) and the extreme low-tech input of the second rotational motion is obvious.

Наиболее близким аналогом предлагаемого способа нанесения равнотолщинного нанопокрытия можно признать способ в патентной заявке Японии № JPH03253568 (А) CARROUSEL TYPE SPUTTERING DEVICE AND SPUTTERING METHOD (МПК C23C 14/34; C23C 14/54, опубл. 1991-11-12) по FIG. 3, направленный в том числе на то, чтобы компенсировать неравномерность слоя покрытия от одного магнетрона слоем покрытия от другого магнетрона (а также всякими щелями). Способ магнетронного напыления равнотолщинного покрытия содержит два перехода с последовательным нанесением на плоскую поверхность детали двух слоев покрытия с комплементарными профилями слоев, которые при наложении друг на друга дают результирующее равнотолщинное покрытие,The closest analogue of the proposed method for applying equal thickness nanocoating can be recognized as the method in Japanese patent application No. JPH03253568 (A) CARROUSEL TYPE SPUTTERING DEVICE AND SPUTTERING METHOD (IPC C23C 14/34; C23C 14/54, publ. 1991-11-12) according to FIG. 3, aimed, among other things, to compensate for the unevenness of the coating layer from one magnetron by the coating layer from another magnetron (as well as with any gaps). The method of magnetron sputtering of an equal thickness coating comprises two transitions with the successive deposition of two coating layers with complementary layer profiles on a flat surface of the part, which, when applied to each other, give a resulting equal thickness coating,

Но при этом в способе-прототипе отсутствует планетарное (а тем более - регулируемое) вращение подложки. Также отсутствует объединение комплементарных (взаимодополняющих, согласованных таким образом, чтобы недостаток одного слоя компенсировался комплементарным недостатком другого слоя, а в сумме получалось бы близко к тому, что требуется) режимов работы всех магнетронных головок установки и сложных планетарных движений сателлитов карусели с целью получения равнотолщинного двухслойного нанопокрытия с высокой степенью точности за счет взаимной компенсации разнотолщинных покрытий с симметричным профилем распределения толщины (например, выпуклых и вогнутых).But at the same time in the prototype method there is no planetary (and even more so - adjustable) rotation of the substrate. There is also no combination of complementary (complementary, coordinated so that the lack of one layer is compensated by the complementary disadvantage of the other layer, and in total would be close to what is required) operating modes of all magnetron heads of the installation and complex planetary movements of the carousel satellites in order to obtain an equal-thickness two-layer nanocoatings with a high degree of accuracy due to mutual compensation of thickness coatings with a symmetric thickness distribution profile (for example , Convex and concave).

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задачами (техническим результатом) предлагаемого изобретения являются:The objectives (technical result) of the invention are:

- для установки - расширение функциональных возможностей существенно модифицированной установки, заключающееся, в частности, в обеспечении возможности изменения и выбора соотношения между направлениями и частотами вращений сателлита и водила планетарного механизма, а также в назначении комплементарных режимов нанесения покрытий на подложки;- for installation - expanding the functionality of a substantially modified installation, which consists, in particular, in making it possible to change and select the relationship between the directions and frequencies of rotation of the satellite and the planetary gear carrier, as well as in the assignment of complementary coating modes on the substrates;

- для способа - упрощение и соответственно удешевление получения равнотолщинного двухслойного нанопокрытия с высокой степенью точности при работе указанной существенно модифицированной магнетронной установки карусельного типа.- for the method, the simplification and, accordingly, cheaper, obtaining an equal-thickness two-layer nanocoating with a high degree of accuracy during operation of the specified substantially modified magnetron installation of a carousel type.

Для достижения указанных технических результатов соответственно предлагаются:To achieve the specified technical results, respectively, are offered:

1) установка карусельного типа для магнетронного напыления многослойных покрытий, содержащая вакуумную камеру, в центральной части которой установлен карусельный планетарный механизм с сателлитами для планетарного движения напыляемых деталей на сателлитах; дуальную магнетронную систему, состоящую из двух магнетронов, симметрично наклонно расположенных к фронтальной плоскости вакуумной камеры и направленных своими мишенями в сторону планетарного механизма. При этом установка содержит дополнительный единичный магнетрон, установленный сбоку от дуальной магнетронной системы таким образом, что плоскость его мишени перпендикулярна фронтальной плоскости камеры, а плоскость симметрии мишени проходит через центр вращения карусели. Карусельный планетарный механизм имеет возможность независимого регулирования и реверсирования направлений вращения водила планетарного механизма и его сателлитов, несущих напыляемые детали, и изменения соотношения между угловыми скоростями вращения водила и сателлитов за счет наличия независимых приводов, сообщающих независимые по направлению и соотношению величин вращательные движения водилу и внутреннему зубчатому колесу планетарного механизма, предназначенному для вращения сателлитов с напыляемыми деталями;1) a carousel-type installation for magnetron sputtering of multilayer coatings, containing a vacuum chamber, in the central part of which a carousel planetary gear with satellites is installed for planetary motion of the sprayed parts on the satellites; The dual magnetron system, consisting of two magnetrons, symmetrically inclined to the frontal plane of the vacuum chamber and directed by their targets toward the planetary mechanism. Moreover, the setup contains an additional single magnetron mounted on the side of the dual magnetron system in such a way that the plane of its target is perpendicular to the frontal plane of the camera, and the plane of symmetry of the target passes through the center of rotation of the carousel. The carousel planetary mechanism has the ability to independently regulate and reverse the directions of rotation of the carrier of the planetary mechanism and its satellites carrying sprayed parts, and changes in the ratio between the angular velocities of rotation of the carrier and satellites due to the presence of independent drives reporting rotational movements independent to the direction and ratio of values to the carrier and the internal a gear of a planetary mechanism designed to rotate satellites with sprayed parts;

2) способ магнетронного напыления равнотолщинного покрытия, содержащий два перехода с последовательным нанесением на плоскую поверхность детали двух слоев покрытия с комплементарными профилями слоев, которые при наложении друг на друга дают результирующее равнотолщинное покрытие. При этом способ использует вышеописанную установку. Один комплементарный профиль слоя покрытия является симметричным выпуклым, получаемым напылением от единичного магнетрона при исходном положении напыляемой детали на сателлите напротив мишеней этого магнетрона и при вращении внутреннего зубчатого колеса и водила планетарного механизма синхронно в одну сторону с обеспечением вращения сателлита, несущего напыляемую деталь, синхронно в противоположную сторону, в одних расчетных ограниченных диапазонах углов поворота водила и внутреннего зубчатого колеса, при этом угловая скорость вращения сателлита по абсолютной величине меньше, чем угловая скорость вращения водила. Другой комплементарный профиль слоя покрытия является симметричным вогнутым, получаемым напылением от дуальной системы двух магнетронов при исходном положении напыляемой детали на сателлите напротив и по оси симметрии перед мишенями этих магнетронов и при вращении внутреннего зубчатого колеса и водила синхронно в одну сторону с обеспечением вращения сателлита, несущего напыляемую деталь синхронно в ту же сторону, в других расчетных ограниченных диапазонах углов поворота водила и внутреннего зубчатого колеса, при этом угловая скорость вращения сателлита по абсолютной величине больше, чем угловая скорость вращения водила.2) a method of magnetron sputtering of an equal thickness coating, comprising two transitions with successive deposition of two coating layers on a flat surface of a part with complementary layer profiles that, when superimposed on each other, produce a resulting equal thickness coating. The method uses the above setup. One complementary profile of the coating layer is symmetrical convex, obtained by sputtering from a single magnetron with the initial position of the sprayed part on the satellite opposite the targets of this magnetron and with the rotation of the internal gear and carrier of the planetary gear synchronously in one direction, ensuring rotation of the satellite carrying the sprayed part, synchronously in the opposite side, in some limited design ranges of the angles of rotation of the carrier and the internal gear, while the angular velocity The satellite support in absolute value is less than the angular velocity of rotation of the carrier. Another complementary profile of the coating layer is symmetric concave, obtained by sputtering from the dual system of two magnetrons at the initial position of the sprayed part on the satellite opposite and along the axis of symmetry in front of the targets of these magnetrons and when the internal gear and carrier rotate synchronously in one direction, ensuring rotation of the satellite carrying the sprayed part synchronously in the same direction, in other limited design ranges of rotation angles of the carrier and the internal gear, while the angular velocity The rotation of the satellite in absolute value is greater than the angular velocity of rotation of the carrier.

В частности, для нанесения равнотолщинного металлического нанопокрытия плоской поверхности детали при создании плазмонной решетки используют следующий набор величин самых значимых кинематических и временных параметров работы магнетронной установки, а именно: симметричный выпуклый комплементарный профиль получают напылением от единичного бокового магнетрона при возвратно-вращательном движении детали напротив этого магнетрона, при этом водилу придают возвратно-вращательные движения с частотой n_в=7,8 дв. ход/мин, что соответствует угловой скорости водила ω_в=0,82 с^-1, с размахом углов поворота водила от -110° до +110°; одновременно и синхронно внутреннему зубчатому колесу планетарного механизма придают возвратно-вращательные движения в ту же сторону с частотой n_ц=10,8 дв. ход/мин, что соответствует угловой скорости внутреннего зубчатого колеса ω₁₁=1,13 с^-1 с размахом углов поворота внутреннего зубчатого колеса от -154° до +154°; расчетная продолжительность процесса напыления на этом переходе 120 с; при этом получают толщину симметричного выпуклого слоя покрытия в диапазоне 10,9…11,9 нм; а также симметричный вогнутый комплементарный профиль получают напылением от дуальной системы двух магнетронов при возвратно-вращательном движении детали напротив сдвоенных магнетронов, водилу придают возвратно-вращательные движения с частотой n_в=7,8 дв. ход/мин, что соответствует угловой скорости водила ω_в=0,82 с^-1, с размахом углов поворота водила от -20° до +20°; одновременно и синхронно внутреннему зубчатому колесу планетарного механизма придают возвратно-вращательные движения в ту же сторону с частотой n_ц=1,6 дв. ход/мин, что соответствует угловой скорости внутреннего зубчатого колеса ω₁₁=0,17 с^-1, с размахом углов поворота внутреннего зубчатого колеса от -4° до +4°; расчетная продолжительность процесса напыления на этом переходе 30 с; при этом получают толщину симметричного вогнутого слоя покрытия в диапазоне 31…32 нм, а в качестве суммарной толщины результирующего двухслойного равнотолщинного нанопокрытия получают величину 42,9 нм с математически нулевым разбросом толщины профиля по площади напыленного покрытия плоской поверхности детали.In particular, to apply an equal-thickness metal nanocoating of a flat surface of a part when creating a plasmon lattice, the following set of values of the most significant kinematic and temporal parameters of the operation of the magnetron setup is used, namely: a symmetrical convex complementary profile is obtained by sputtering from a single side magnetron when the part rotates in opposite direction magnetron, while the carrier is given back-and-forth movements with a frequency n _in = 7.8 dv. stroke / min, which corresponds to the angular velocity of the carrier ω _in = 0.82 s ^-1 , with a range of angles of rotation of the carrier from -110 ° to + 110 °; simultaneously and synchronously, the internal gear of the planetary gear is given reciprocating movements in the same direction with a frequency of n _c = 10.8 dv. stroke / min, which corresponds to the angular speed of the internal gear wheel ω ₁₁ = 1.13 s ^-1 with a range of angles of rotation of the internal gear from -154 ° to + 154 °; the estimated duration of the deposition process at this transition is 120 s; this gives the thickness of the symmetrical convex coating layer in the range of 10.9 ... 11.9 nm; and also a symmetrical concave complementary profile is obtained by sputtering from the dual system of two magnetrons during the reciprocating movement of the part opposite the twin magnetrons, the carrier is given reciprocating movements with a frequency of n _in = 7.8 dv. stroke / min, which corresponds to the angular velocity of the carrier ω _in = 0.82 s ^-1 , with a range of angles of rotation of the carrier from -20 ° to + 20 °; simultaneously and synchronously, the internal gear of the planetary gear is provided with reciprocating movements in the same direction with a frequency of n _c = 1.6 dv. stroke / min, which corresponds to the angular speed of the internal gear wheel ω ₁₁ = 0.17 s ^-1 , with a range of angles of rotation of the internal gear from -4 ° to + 4 °; the estimated duration of the deposition process at this transition is 30 s; in this case, the thickness of the symmetric concave coating layer is obtained in the range of 31 ... 32 nm, and as the total thickness of the resulting bilayer equal-thickness nanocoating, a value of 42.9 nm is obtained with a mathematically zero spread of the profile thickness over the sprayed coating area of the flat surface of the part.

По сути, в предлагаемом способе выделены режимы так называемые комплементарные (взаимодополняющие, согласованные, чтобы недостаток одного слоя компенсировался комплементарным недостатком другого слоя, а в сумме получалось бы близко к тому, что требуется). В найденных аналогах режимы нанесения многослойных покрытий не комплементарны, т.е., хотя и идет речь о том, что могут быть разные формы толщины покрытий, но не указывается, какие именно формы приводят к итоговой наноразмерной равнотолщинной плоскостности. В случае предлагаемого способа предлагаются симметричность, вогнутость и выпуклость слоев.In fact, in the proposed method, the so-called complementary modes are selected (complementary, coordinated, so that the lack of one layer is compensated by the complementary disadvantage of the other layer, and in total it would be close to what is required). In the analogues found, the modes of applying multilayer coatings are not complementary, i.e., although it is a question of the fact that there can be different forms of coating thickness, it is not indicated which forms lead to the final nanoscale equal thickness flatness. In the case of the proposed method, symmetry, concavity and convexity of the layers are proposed.

С помощью предварительных ТММ-расчетов (эпюры скоростей) и компьютерного имитационного моделирования ТММ-планетарных и магнетронных движений можно синергетически объединить требуемые комплементарные режимы работы (основой оптимизации количества и расположения магнетронов является выбор в качестве комплементарных выпуклой и вогнутой симметричных форм распределения толщины покрытия. Расчеты показали, что выпуклая форма получается при единичном магнетроне, расположенном ортогонально, а вогнутая - при сдвоенных магнетронах, расположенных под углом). Количество и взаимное расположение магнетронных головок и планетарных движений сателлитов с подложками на водиле карусели с центральным зубчатым колесом и дополнительная возможность управляемого реверсирования планетарных движений сателлитов - цель этого синергетического объединения с реверсированием, что приводит к существенному повышению точности наноразмерной равнотолщинности как минимум двухслойного покрытия на подложке, в том числе плазмонных дифракционных решеток для комбинированных голографических оптических элементов (ГОЭ) - дифракционных оптических элементов (ДОЭ) (ГОЭ-ДОЭ).Using preliminary TMM calculations (velocity diagrams) and computer simulation of TMM planetary and magnetron motions, it is possible to synergistically combine the required complementary operating modes (the basis for optimizing the number and location of magnetrons is to choose symmetrical forms of distribution of the coating thickness as complementary convex and concave. Calculations showed that the convex shape is obtained with a single magnetron located orthogonally, and the concave shape with double magnetrons, is located angled). The number and relative position of magnetron heads and planetary satellite motions with substrates on a carousel carrier with a central gear wheel and the additional possibility of controlled reversal of planetary satellite motions are the goal of this synergistic combination with reversal, which leads to a significant increase in the accuracy of nanoscale uniform thickness of at least a two-layer coating on the substrate, including plasmon diffraction gratings for combined holographic optical elements (GOE) - diffractive optical elements (DOE) (GOE-DOE).

Перечень чертежейList of drawings

Фиг. 1 показано конструктивное устройство установки для магнетронного напыления с механизмом карусельного типа для обеспечения планетарного движения подложки;FIG. 1 shows a structural device of a magnetron sputtering installation with a carousel-type mechanism for providing planetary motion of the substrate;

Фиг. 2 - конструкция механизма ввода в вакуумную камеру планетарного движения напыляемой детали;FIG. 2 - design of the mechanism for introducing into the vacuum chamber the planetary motion of the sprayed part;

Фиг. 3 - схема напыления единичным магнетроном и план скоростей при напылении;FIG. 3 is a sputtering scheme with a single magnetron and a speed plan for sputtering;

Фиг. 4 - схема напыления дуальной магнетронной системой и план скоростей при напылении;FIG. 4 is a depiction diagram of a dual magnetron system and a speed plan for deposition;

Фиг. 5 - графики распределения толщины покрытия по плоской поверхности детали при комплементарном нанесении двух слоев нанопокрытия по отдельности с формированием результирующего суммарного равнотолщинного двухслойного нанопокрытия.FIG. 5 - graphs of the distribution of the coating thickness over the flat surface of the part during the complementary deposition of two layers of nanocoating separately with the formation of the resulting total equal-thickness two-layer nanocoating.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

На чертежах в единой сквозной нумерации позициями отмечены элементы:In the drawings, in a single continuous numbering, the positions indicated by the elements:

на фиг. 1: 1 - напыляемая деталь; 2 - корпус камеры; 3 - дверца камеры; 4 - водило планетарного механизма; 5 - держатель детали; 6 - ионный источник; 7 - правый магнетрон дуальной системы; 8 - левый магнетрон дуальной системы; 9 - единичный магнетрон; А - точка на напыляемой поверхности детали; α - угол поворота водила планетарного механизма; β - угол поворота сателлита планетарного механизма; С - центр вращения карусели; D - расстояние от центра вращения карусели до начала системы координат установки; ε - угол падения частиц напыляемого материала на напыляемую поверхность; ϕ - угол направленности частиц напыляемого материала из области распыления мишени в точку на напыляемой поверхности детали; θ - углы наклона магнетронов дуальной системы; r - расстояние от центра вращения сателлита до напыляемой поверхности детали; R - радиус расположения осей сателлитов на водиле; ρ - расстояние от области распыления мишени до точки на напыляемой поверхности детали; S - ось сателлита; Ω - центр области распыления мишени; X_S, Y_S - система координат сателлита; XOY - система координат установки; x_A - координата точки на поверхности детали;in FIG. 1: 1 - sprayed part; 2 - camera body; 3 - chamber door; 4 - drove the planetary gear; 5 - part holder; 6 - ion source; 7 - right magnetron of the dual system; 8 - left magnetron of the dual system; 9 - single magnetron; A - point on the sprayed surface of the part; α is the angle of rotation of the planetary gear carrier; β is the angle of rotation of the satellite of the planetary mechanism; C is the center of rotation of the carousel; D is the distance from the center of rotation of the carousel to the beginning of the coordinate system of the installation; ε is the angle of incidence of the particles of the sprayed material on the sprayed surface; ϕ is the angle of the particles of the sprayed material from the spray region of the target to a point on the sprayed surface of the part; θ are the tilt angles of the magnetrons of the dual system; r is the distance from the center of rotation of the satellite to the sprayed surface of the part; R is the radius of the axis of the satellites on the carrier; ρ is the distance from the sputtering region of the target to the point on the sprayed surface of the part; S - axis of the satellite; Ω is the center of the sputtering region of the target; X _S , Y _S - satellite coordinate system; XOY - installation coordinate system; x _A is the coordinate of the point on the surface of the part;

на фиг. 2: 10 - фланец уплотняющий изоляционный; 11 - внутреннее зубчатое колесо; 12 - зубчатое колесо-сателлит; 13 - внутренний вал; 14 - втулка изоляционная; 15 - манжета; 16 - манжета; 17 - шкив; 18 - шкив; 19 - ремень; 20 - ремень; 21 - подшипник; 22 - подшипник; 23 - вал полый; 24 - корпус;in FIG. 2: 10 - sealing sealing flange; 11 - an internal gear wheel; 12 - a gear wheel satellite; 13 - an internal shaft; 14 - insulating sleeve; 15 - cuff; 16 - cuff; 17 - a pulley; 18 - a pulley; 19 - belt; 20 - belt; 21 - the bearing; 22 - bearing; 23 - hollow shaft; 24 - case;

на фиг. 3 (а, б): 1 - напыляемая деталь; 4 - водило планетарного механизма; 5 - держатель детали; 9 - единичный магнетрон; 25 - области распыления мишени; L - расстояние между областями распыления на мишени; S - расстояние от магнетрона до напыляемой поверхности на детали; r - расстояние от центра вращения сателлита до напыляемой поверхности детали; R - радиус расположения осей сателлитов на водиле; x_A - координата точки на поверхности детали;in FIG. 3 (a, b): 1 - sprayed part; 4 - drove the planetary gear; 5 - part holder; 9 - single magnetron; 25 - areas of sputtering of the target; L is the distance between the sputtering regions on the target; S is the distance from the magnetron to the sprayed surface on the part; r is the distance from the center of rotation of the satellite to the sprayed surface of the part; R is the radius of the axis of the satellites on the carrier; x _A is the coordinate of the point on the surface of the part;

на фиг. 4 (а, б): 1 - напыляемая деталь; 4 - водило планетарного механизма; 5 - держатель детали; 7 - правый магнетрон дуальной системы; 8 - левый магнетрон дуальной системы; 11 - внутреннее зубчатое колесо; 12 - зубчатое колесо-сателлит; 25 - области распыления мишени; М.ц.с. - мгновенный центр скоростей; ω₁₂ - угловая скорость вращения сателлита вокруг собственной оси; V₁₂ - линейная скорость центра сателлита; V₁₁ - линейная скорость в точке контакта сателлита с внутренним зубчатым колесом; ω_в - угловая скорость вращения водила планетарного механизма вокруг собственной оси; ω₁₁ - угловая скорость вращения внутреннего зубчатого колеса вокруг собственной оси; X, Y - система координат установки; β_min, β_max - углы поворота сателлита планетарного механизма вокруг собственной оси; r_д11 - радиус делительной окружности внутреннего зубчатого колеса; r_д12 - радиус делительной окружности зубчатого колеса-сателлита; R - радиус расположения осей сателлитов на водиле;in FIG. 4 (a, b): 1 - sprayed part; 4 - drove the planetary gear; 5 - part holder; 7 - right magnetron of the dual system; 8 - left magnetron of the dual system; 11 - an internal gear wheel; 12 - a gear wheel satellite; 25 - areas of sputtering of the target; M.c.s - instant center of speeds; ω ₁₂ is the angular velocity of rotation of the satellite around its own axis; V ₁₂ is the linear velocity of the center of the satellite; V ₁₁ is the linear velocity at the contact point of the satellite with the internal gear; ω _in - the angular velocity of rotation of the planetary planet carrier around its own axis; ω ₁₁ is the angular velocity of rotation of the internal gear around its own axis; X, Y - coordinate system of the installation; β _min , β _max - angles of rotation of the satellite of the planetary mechanism around its own axis; r _d11 is the radius of the pitch circle of the internal gear; r _d12 is the radius of the pitch circle of the satellite gear; R is the radius of the axis of the satellites on the carrier;

на фиг. 5 (а, б, в): 26 - профиль распределения толщины покрытия первого режима; 27 - профиль распределения толщины покрытия комплементарного режима; 28 - вклад в толщину покрытия от правого магнетрона дуальной системы; 29 - вклад в толщину покрытия от левого магнетрона дуальной системы; 30 - итоговый профиль распределения толщины покрытия; Н - толщина покрытия.in FIG. 5 (a, b, c): 26 — distribution profile of the coating thickness of the first mode; 27 is a profile of a distribution of a thickness of a coating of a complementary regime; 28 - contribution to the coating thickness from the right magnetron of the dual system; 29 — contribution to the coating thickness from the left magnetron of the dual system; 30 - the final profile of the distribution of the thickness of the coating; H is the thickness of the coating.

На фиг. 1 показана общая компоновка установки магнетронного напыления, которая включает три магнетрона, несущих мишени из напыляемого материала, ионный источник, а также механизм карусели, расположенные в объеме вакуумной камеры, образованной корпусом и дверцей установки. Ионный источник 6 расположен в правой части вакуумной камеры, образуемой корпусом 2 и дверцей 3 установки, и служит для очистки напыляемой поверхности детали и ее активирования перед началом собственно процесса напыления. Магнетроны расположены относительно друг друга следующим образом: единичный магнетрон 9 расположен в левой части вакуумной камеры и установлен жестко таким образом, что его ось симметрии проходит через центр С механизма карусели. Еще два магнетрона - правый 7 и левый 8 - образуют дуальную систему и размещены на дверце 3 установки в ее передней части симметрично относительно продольной оси установки, совпадающей с осью OY ее системы координат. Магнетроны 7 и 8 могут быть установлены под углом θ к фронтальной плоскости установки. По центру камеры располагается механизм карусели, включающий в себя водило 4, несущее держатели 5, в которых закрепляют напыляемые детали 1.In FIG. Figure 1 shows the general layout of a magnetron sputtering installation, which includes three magnetrons carrying targets from the sprayed material, an ion source, and a carousel mechanism located in the volume of the vacuum chamber formed by the body and door of the installation. The ion source 6 is located on the right side of the vacuum chamber, formed by the housing 2 and the door 3 of the installation, and serves to clean the sprayed surface of the part and activate it before starting the actual spraying process. The magnetrons are located relative to each other as follows: a single magnetron 9 is located on the left side of the vacuum chamber and is mounted rigidly so that its axis of symmetry passes through the center C of the carousel mechanism. Two more magnetrons - the right 7 and the left 8 - form a dual system and are placed on the door 3 of the installation in its front part symmetrically with respect to the longitudinal axis of the installation, which coincides with the axis OY of its coordinate system. The magnetrons 7 and 8 can be installed at an angle θ to the frontal plane of the installation. In the center of the chamber there is a carousel mechanism, including a carrier 4, bearing holders 5, in which the sprayed parts 1 are fixed.

Основой оптимизации количества и расположения магнетронов является выбор в качестве комплементарных выпуклой и вогнутой симметричных форм распределения толщины покрытия. Математическое моделирование формирования толщины покрытия в различных точках напыляемой поверхности детали, основанное на рассмотрении кинематики планетарного движения детали относительно магнетронов (ТММ-расчеты) показало, что для получения выпуклой формы распределения толщин покрытия по напыляемой поверхности необходимо использовать единичный магнетрон, как описано выше, а для получения вогнутой формы - сдвоенные магнетроны, образующие описанную выше дуальную систему. При этом необходимо обеспечить различные величины соотношений между частотами вращения вокруг своих осей водила 4 держателя 5 с возможностью независимого реверсирования каждого из этих вращений.The basis for optimizing the number and arrangement of magnetrons is the choice of complementary convex and concave symmetrical forms of distribution of the coating thickness. Mathematical modeling of the formation of the coating thickness at various points of the sprayed surface of the part, based on a consideration of the kinematics of the planetary motion of the part relative to the magnetrons (TMM calculations) showed that to obtain a convex shape of the distribution of coating thicknesses over the sprayed surface, it is necessary to use a single magnetron, as described above, and for concave form - dual magnetrons, forming the dual system described above. In this case, it is necessary to provide various values of the relations between the frequencies of rotation around its axes of carrier 4 of holder 5 with the possibility of independent reversal of each of these rotations.

На фиг. 2 представлен в разрезе механизм ввода в вакуумную камеру планетарного движения напыляемой детали. Весь механизм размещен на корпусе 2 установки и крепится к нему винтами через изоляционные втулки 14. Электрическая изоляция механизма от корпуса установки необходима для обеспечения возможности подачи на удерживающие напыляемые детали-подложки элементы конструкции механизма так называемого опорного электрического напряжения. Герметизацию сочленения корпуса 2 установки с рассматриваемым механизмом обеспечивает изоляционно-уплотняющий фланец 10.In FIG. 2 shows a sectional view of the mechanism for introducing into the vacuum chamber the planetary motion of the sprayed part. The whole mechanism is placed on the installation casing 2 and screwed to it through insulating sleeves 14. The electrical isolation of the mechanism from the installation casing is necessary to ensure that the structural elements of the mechanism of the so-called reference electrical voltage are supplied to the retaining sprayed parts. Sealing the joint of the housing 2 of the installation with the mechanism in question provides an insulating sealing flange 10.

Герметизация самого механизма обеспечивается манжетами 15 и 16, которые герметизируют пространства между внутренним валом 13 и полым валом 23, а также между полым валом 23 и корпусом 24 соответственно. Внутренний вал 13 через шлицевое соединение получает вращение от шкива 17, входящего в состав ременной передачи 19. Аналогично, полый вал 23 через шлицевое соединение получает вращение от шкива 18, входящего в состав ременной передачи 20. Вращения валов 13 и 23 являются независимыми, могут быть однонаправленными и разнонаправленными, а также независимо реверсируемыми. Кроме того, каждый из валов 13 и 23 может совершать возвратно-вращательные движения, проворачиваясь на определенные углы. Величины этих углов также могут быть установлены независимо как по размаху, так и по расположению в окружном направлении.The sealing of the mechanism itself is provided by cuffs 15 and 16, which seal the spaces between the inner shaft 13 and the hollow shaft 23, as well as between the hollow shaft 23 and the housing 24, respectively. The internal shaft 13 through the spline connection receives rotation from the pulley 17 included in the belt drive 19. Similarly, the hollow shaft 23 through the splined connection receives rotation from the pulley 18 included in the belt drive 20. The rotation of the shafts 13 and 23 can be independent unidirectional and multidirectional, as well as independently reversible. In addition, each of the shafts 13 and 23 can make reciprocating movements, turning at certain angles. The values of these angles can also be set independently both in scope and in the location in the circumferential direction.

К нижнему торцу внутреннего вала 13 крепится водило 4 планетарного механизма. Внутреннее зубчатое колесо 11 планетарного механизма крепится к нижнему торцу полого вала 23 и входит в зацепление с сателлитами 12, которые смонтированы на валах-держателях 5 напыляемых деталей, которые, в свою очередь, через подшипники 21 установлены в водиле 4. Для снижения трения при работе рассматриваемого механизма внутренний вал 13 в полом вале 23, а полый вал 23 в корпусе 24 установлены через подшипники 22.The carrier 4 of the planetary mechanism is attached to the lower end of the inner shaft 13. The internal gear wheel 11 of the planetary mechanism is attached to the lower end of the hollow shaft 23 and engages with the satellites 12, which are mounted on the shafts-holders 5 of the sprayed parts, which, in turn, are mounted in the carrier 4 through the bearings 21. To reduce friction during operation of the considered mechanism, the inner shaft 13 in the hollow shaft 23, and the hollow shaft 23 in the housing 24 are installed through bearings 22.

Можно видеть, что, по сравнению с известными конструктивными решениями, в предлагаемом механизме выполнены конструктивные изменения в механических передачах, а именно - в водиле с центральным зубчатым колесом обеспечена возможность независимой передачи вращения на сателлиты. Для управляемого изменения соотношения между частотами вращения водила и сателлитов вокруг собственной оси с независимым реверсированием планетарных движений сателлитов целенаправленно изменяют частоты и направления вращения внутреннего и полого валов.It can be seen that, in comparison with the known design solutions, the proposed mechanism made structural changes in mechanical transmissions, namely, in a carrier with a central gear wheel, it was possible to independently transmit rotation to satellites. For a controlled change in the relationship between the rotational speeds of the carrier and satellites around its own axis with independent reversal of the planetary movements of the satellites, the frequencies and directions of rotation of the internal and hollow shafts are purposefully changed.

Предлагаемая модифицированная установка в общем случае работает следующим образом.The proposed modified installation in the General case works as follows.

Вначале, вращая при помощи внутреннего вала 13 водило 4, выводят напыляемую деталь, закрепленную на держателе 5, в рабочую область. Рабочими областями являются: 1) зона напротив неподвижно магнетрона 9 (см. фиг. 1) по направлению к центру вращения карусели; 2) зона, расположенная оппозитно дуальной системе, образованной магнетронами 7 и 8 (см. фиг. 1). В рабочей области деталь располагают по линии симметрии. Далее, при неподвижном водиле 4 вращают внутреннее зубчатое колесо 11 до тех пор, пока напыляемая поверхность детали не будет установлена перпендикулярно линии симметрии. Это - начальное положение.Initially, by rotating the carrier 4 with the help of the internal shaft 13, the sprayed part, mounted on the holder 5, is brought out into the work area. The working areas are: 1) the area opposite the stationary magnetron 9 (see Fig. 1) towards the center of rotation of the carousel; 2) a zone located opposite the dual system formed by magnetrons 7 and 8 (see Fig. 1). In the working area, the part is placed along the line of symmetry. Further, when the carrier 4 is stationary, the internal gear wheel 11 is rotated until the sprayed surface of the part is set perpendicular to the line of symmetry. This is the starting position.

Далее, после включения заданного режима работы магнетронов, сообщают напыляемым деталям возвратно-вращательное планетарное движение. Для этого периодически проворачивают по и против часовой стрелки внутренний вал 13 и полый вал 23. Углы поворота в каждую из сторон ограничивают, например, с помощью концевых выключателей или герметичных контактов. При этом угловые скорости и направления вращений валов 13 и 23 согласованы. В процессе планетарного возвратно-вращательного движения напыляемых деталей происходит формирование покрытия из материала мишени на напыляемой поверхности детали. Соотношения между угловыми скоростями и направлениями вращений валов 13 и 23 выбирают, исходя из необходимости формирования на напыленной поверхности покрытия, имеющего одну из взаимно-комплементарных форм распределения толщины по напыленной поверхности детали.Further, after switching on a predetermined mode of operation of the magnetrons, the reciprocating planetary motion is reported to the sprayed parts. To do this, periodically turn clockwise and counterclockwise the inner shaft 13 and the hollow shaft 23. The rotation angles on each side are limited, for example, using limit switches or sealed contacts. In this case, the angular velocities and directions of rotation of the shafts 13 and 23 are consistent. In the process of planetary reverse-rotational motion of the sprayed parts, a coating is formed from the target material on the sprayed surface of the component. The relationship between the angular velocities and the directions of rotation of the shafts 13 and 23 is selected based on the need to form a coating on the sprayed surface having one of the mutually complementary forms of thickness distribution over the sprayed surface of the part.

С точки зрения комплементарности слоев на установке реализуются: 1) симметричность; 2) вогнутость или выпуклость профиля наносимого слоя.From the point of view of the complementarity of the layers on the installation are implemented: 1) symmetry; 2) the concavity or convexity of the profile of the applied layer.

С помощью предварительных расчетов, основанных на рассмотрении кинематики планетарного движения детали относительно магнетронов (ТММ-расчетов), - они поясняются планами скоростей на фиг.3, 4 - и компьютерного имитационного моделирования формирования толщины покрытия в различных точках напыляемой поверхности детали удалось синергетически объединить требуемые комплементарные режимы работы.Using preliminary calculations based on a consideration of the kinematics of the planetary motion of the part relative to magnetrons (TMM calculations), they are explained by the speed plans in Figures 3, 4 and computer simulation of the formation of the coating thickness at various points of the sprayed surface of the part was possible to synergistically combine the required complementary operating modes.

На фиг. 3 представлена схема для расчета кинематики детали при напылении ее поверхности в рабочей области у неподвижного магнетрона.In FIG. Figure 3 presents a diagram for calculating the kinematics of a part when spraying its surface in the working area of a stationary magnetron.

В начальном положении (фиг. 3а) напыляемая деталь 1 располагается на расстоянии S от мишени, установленной на неподвижном магнетроне 9. Формирование покрытия на напыляемой поверхности детали происходит благодаря эмиссии напыляемого материала из областей распыления мишени 25.In the initial position (Fig. 3a), the sprayed part 1 is located at a distance S from the target mounted on a stationary magnetron 9. The coating is formed on the sprayed surface of the part due to the emission of the sprayed material from the spray areas of the target 25.

Планетарное движение детали соответствует планетарному движению сателлита 12 (фиг. 3б). Здесь 11 и 12 - делительные окружности соответственно внутреннего зубчатого колеса и сателлита планетарного механизма, т.е. деталей поз. 11 и 12 на фиг. 2. Вращению водила (деталь поз. 4 на фиг. 2) соответствует эпюра скоростей на фиг. 3б, представляющая собой прямоугольный треугольник, включающий в качестве гипотенузы прямую, наклоненную под углом ω_в, причем ω_в - это угловая скорость вращения водила, т.е. величина, обусловленная скоростью вращения ротора электродвигателя, сообщающего вращение валу 13 через ременную передачу 19 на фиг. 2. На фиг. 3б представлена также эпюра скоростей сателлита, представляющая собой прямоугольный треугольник, включающий в качестве гипотенузы прямую, наклоненную под углом ω₁₂, причем ω₁₂ - это угловая скорость вращения сателлита. При этом водило 4 вращается с угловой скоростью ω_в, а внутреннее зубчатое колесо 11 вращается с угловой скоростью ω₁₁. Это приводит к тому, что сателлит 12 вращается с угловой скоростью ω₁₂ вокруг мгновенного центра скоростей (м.ц.с.). Мгновенный центр скоростей (м.ц.с.) обнаруживается следующим образом. На фиг. 3б имеется вектор V₁₂, направленный вертикально и равный по абсолютной величине произведению величины ω_в (угловая скорость вращения водила) на величину R (расстояние на водиле от осей вращения сателлитов до центра механизма). Вектор скорости V₁₂ одинаков для сателлита и водила. Также на фиг. 3б имеется вектор V₁₁, направленный вертикально и равный по абсолютной величине произведению величины ω₁₁ (угловая скорость вращения внутреннего зубчатого колеса, т.е. величина, обусловленная скоростью вращения ротора электродвигателя, сообщающего вращение валу 23 через ременную передачу 20 на фиг. 2) на величину r_д11 (радиус делительной окружности внутреннего зубчатого колеса). Вектор скорости V₁₁ одинаков для сателлита и внутреннего зубчатого колеса, поскольку представляет собой скорость в точке контакта делительных окружностей 11 и 12. Мгновенный центр скоростей (м.ц.с.) представляет собой точку пересечения прямой, проходящей через концы векторов V₁₁ и V₁₂ с горизонтальной осью. В итоге получается угловая скорость вращения сателлита ω₁₂, равная углу наклона упомянутой прямой, ограничивающей эпюру скоростей сателлита. Можно видеть, что кинематический режим, отображенный на фиг. 3б, характеризуется тем, что внутреннее зубчатое колесо 11 и водило 4 вращаются синхронно в одну сторону, а при этом сателлит 12, несущий напыляемую деталь, вращается синхронно в противоположную сторону. Кроме того, можно видеть, что угловая скорость вращения сателлита ω₁₂ по абсолютной величине меньше, чем угловая скорость вращения водила ω_в.The planetary motion of the part corresponds to the planetary motion of the satellite 12 (Fig. 3b). Here 11 and 12 are dividing circles of the internal gear and satellite of the planetary gear, respectively, i.e. details pos. 11 and 12 in FIG. 2. The carrier rotation (detail pos. 4 in FIG. 2) corresponds to the velocity diagram in FIG. 3b, which is a right-angled triangle that includes, as a hypotenuse, a straight line inclined at an angle ω _in , and ω _in is the angular velocity of rotation of the carrier, i.e. the value due to the rotational speed of the rotor of the electric motor, which informs the rotation of the shaft 13 through the belt drive 19 in FIG. 2. In FIG. Figure 3b also shows the satellite velocity diagram, which is a right-angled triangle that includes, as a hypotenuse, a straight line inclined at an angle of ω ₁₂ , and ω ₁₂ is the angular velocity of the satellite’s rotation. When this carrier 4 rotates with an angular velocity ω _in , and the inner gear 11 rotates with an angular speed ω ₁₁ . This leads to the fact that the satellite 12 rotates with an angular velocity ω ₁₂ around the instantaneous center of velocities (m.s.). The instant center of velocities (m.c.s.) is found as follows. In FIG. 3b there is a vector V ₁₂ directed vertically and equal in absolute value to the product of the quantity ω _in (angular velocity of rotation of the carrier) by the value of R (distance on the carrier from the axis of rotation of the satellites to the center of the mechanism). The velocity vector V _{12 is the} same for the satellite and carrier. Also in FIG. 3b there is a vector V ₁₁ directed vertically and equal in magnitude to the product of the quantity ω ₁₁ (the angular speed of rotation of the internal gear wheel, i.e., the value due to the rotation speed of the rotor of the electric motor, which informs the rotation of the shaft 23 through the belt drive 20 in Fig. 2) the value of r _d11 (radius of the pitch circle of the internal gear). The velocity vector V _{11 is the} same for the satellite and the internal gear, since it represents the speed at the contact point of pitch circles 11 and 12. The instant center of velocities (mcs) is the intersection point of a straight line passing through the ends of vectors V ₁₁ and V ₁₂ with a horizontal axis. The result is the angular velocity of rotation of the satellite ω ₁₂ , equal to the angle of inclination of the straight line, limiting the diagram of the speeds of the satellite. It can be seen that the kinematic mode shown in FIG. 3b, characterized in that the inner gear 11 and the carrier 4 rotate synchronously in one direction, while the satellite 12 carrying the sprayed part rotates synchronously in the opposite direction. In addition, it can be seen that the angular velocity of rotation of the satellite ω ₁₂ in absolute value is less than the angular velocity of rotation of the carrier ω _in .

На фиг. 4 представлена схема для расчета кинематики детали при напылении ее поверхности в рабочей области у дуальной магнетронной системы.In FIG. 4 is a diagram for calculating the kinematics of a part when spraying its surface in the working area of a dual magnetron system.

В начальном положении (фиг. 4а) напыляемая поверхность детали 1 располагается перпендикулярно оси симметрии Y вакуумной камеры, занимая симметричное положение относительно магнетронов 7 и 8, образующих дуальную магнетронную систему. Расстояние от точек на напыляемой поверхности детали до этих магнетронов может быть определено из заданных величин расстояний D, R и r (см. фиг. 1). Формирование покрытия на напыляемой поверхности детали происходит в этом случае благодаря эмиссии напыляемого материала из областей распыления мишеней 25, расположенных на двух магнетронах 7 и 8.In the initial position (Fig. 4a), the sprayed surface of the part 1 is perpendicular to the axis of symmetry Y of the vacuum chamber, occupying a symmetrical position relative to the magnetrons 7 and 8, forming the dual magnetron system. The distance from the points on the sprayed surface of the part to these magnetrons can be determined from the given values of the distances D, R and r (see Fig. 1). The formation of a coating on the sprayed surface of the part occurs in this case due to the emission of the sprayed material from the spray areas of the targets 25 located on two magnetrons 7 and 8.

Планетарное движение детали соответствует планетарному движению сателлита 12 (фиг. 4б). Здесь 11 и 12 - делительные окружности соответственно внутреннего зубчатого колеса и сателлита планетарного механизма, т.е. деталей поз. 11 и 12 на фиг. 2. Вращению водила (деталь поз. 4 на фиг. 2) соответствует эпюра скоростей на фиг. 4б, представляющая собой прямоугольный треугольник, включающий в качестве гипотенузы прямую, наклоненную к вертикали под углом ω_в, причем ω_в - это угловая скорость вращения водила, т.е. величина, обусловленная скоростью вращения ротора электродвигателя, сообщающего вращение валу 13 через ременную передачу 19 на фиг. 2. На фиг. 4б представлена также эпюра скоростей сателлита, представляющая собой прямоугольный треугольник, включающий в качестве гипотенузы прямую, наклоненную к вертикали под углом ω₁₂, причем ω₁₂ - это угловая скорость вращения сателлита. При этом водило 4 вращается с угловой скоростью ω_в, а внутреннее зубчатое колесо 11 вращается с угловой скоростью ω₁₁. Это приводит к тому, что сателлит 12 вращается с угловой скоростью ω₁₂ вокруг мгновенного центра скоростей (м.ц.с.). Мгновенный центр скоростей (м.ц.с.) обнаруживается следующим образом. На фиг. 4б имеется вектор V₁₂, направленный горизонтально и равный по абсолютной величине произведению величины ω_в (угловая скорость вращения водила) на величину R (расстояние на водиле от осей вращения сателлитов до центра механизма). Вектор скорости V₁₂ одинаков для сателлита и водила. Также на фиг. 4б имеется вектор V₁₁, направленный горизонтально и равный по абсолютной величине произведению величины ω₁₁ (угловая скорость вращения внутреннего зубчатого колеса, т.е. величина, обусловленная скоростью вращения ротора электродвигателя, сообщающего вращение валу 23 через ременную передачу 20 на фиг. 2) на величину r_д11 (радиус делительной окружности внутреннего зубчатого колеса). Вектор скорости V₁₁ одинаков для сателлита и внутреннего зубчатого колеса, поскольку представляет собой скорость в точке контакта делительных окружностей 11 и 12. Мгновенный центр скоростей (м.ц.с.) представляет собой точку пересечения прямой, проходящей через концы векторов V₁₁ и V₁₂ с вертикальной осью. В итоге получается угловая скорость вращения сателлита ω₁₂, равная углу наклона упомянутой прямой, ограничивающей эпюру скоростей сателлита. При этом водило 4 вращается с угловой скоростью ω_в, а внутреннее зубчатое колесо 11 вращается с угловой скоростью ω₁₁. Это приводит к тому, что сателлит 12 вращается с угловой скоростью ω₁₂ вокруг мгновенного центра скоростей (м.ц.с.). Можно видеть, что кинематический режим, отображенный на фиг. 4б, характеризуется тем, что внутреннее зубчатое колесо 11 и водило 4 вращаются синхронно в одну сторону, но при этом сателлит 12, несущий напыляемую деталь, в отличие от предыдущего случая, вращается синхронно в ту же сторону. Также можно видеть, что, в отличие от предыдущего случая, угловая скорость вращения сателлита ω₁₂ по абсолютной величине больше, чем угловая скорость вращения водила ω_в.The planetary motion of the part corresponds to the planetary motion of the satellite 12 (Fig. 4b). Here 11 and 12 are dividing circles of the internal gear and satellite of the planetary gear, respectively, i.e. details pos. 11 and 12 in FIG. 2. The carrier rotation (detail pos. 4 in FIG. 2) corresponds to the velocity diagram in FIG. 4b, which is a right-angled triangle, which includes, as a hypotenuse, a straight line inclined to the vertical at an angle ω _in , and ω _in is the angular velocity of the carrier, i.e. the value due to the rotational speed of the rotor of the electric motor, which informs the rotation of the shaft 13 through the belt drive 19 in FIG. 2. In FIG. Figure 4b also shows the satellite velocity diagram, which is a right-angled triangle that includes, as a hypotenuse, a straight line inclined to the vertical at an angle ω ₁₂ , and ω ₁₂ is the angular velocity of the satellite rotation. When this carrier 4 rotates with an angular velocity ω _in , and the inner gear 11 rotates with an angular speed ω ₁₁ . This leads to the fact that the satellite 12 rotates with an angular velocity ω ₁₂ around the instantaneous center of velocities (m.s.). The instant center of velocities (m.c.s.) is found as follows. In FIG. 4b there is a vector V ₁₂ directed horizontally and equal in absolute value to the product of the quantity ω _in (angular velocity of rotation of the carrier) by the value of R (distance on the carrier from the axis of rotation of the satellites to the center of the mechanism). The velocity vector V _{12 is the} same for the satellite and carrier. Also in FIG. 4b there is a vector V ₁₁ directed horizontally and equal in magnitude to the product of the quantity ω ₁₁ (the angular speed of rotation of the internal gear wheel, i.e., the value due to the rotation speed of the rotor of the electric motor, which informs the rotation of the shaft 23 through the belt drive 20 in Fig. 2) the value of r _d11 (radius of the pitch circle of the internal gear). The velocity vector V _{11 is the} same for the satellite and the internal gear, since it represents the speed at the contact point of pitch circles 11 and 12. The instant center of velocities (mcs) is the intersection point of a straight line passing through the ends of vectors V ₁₁ and V ₁₂ with a vertical axis. The result is the angular velocity of rotation of the satellite ω ₁₂ , equal to the angle of inclination of the straight line, limiting the diagram of the speeds of the satellite. When this carrier 4 rotates with an angular velocity ω _in , and the inner gear 11 rotates with an angular speed ω ₁₁ . This leads to the fact that the satellite 12 rotates with an angular velocity ω ₁₂ around the instantaneous center of velocities (m.s.). It can be seen that the kinematic mode shown in FIG. 4b, characterized in that the inner gear 11 and carrier 4 rotate synchronously in one direction, but the satellite 12 carrying the sprayed part, unlike the previous case, rotates synchronously in the same direction. You can also see that, in contrast to the previous case, the angular velocity of rotation of the satellite ω ₁₂ in absolute value is greater than the angular velocity of rotation of the carrier ω _in .

На фиг. 5 показаны графики распределений толщины покрытия по напыляемой поверхности детали для условий напыления, соответствующих вариантам, описанным при изложении содержания фиг. 3 и 4.In FIG. 5 shows graphs of the distribution of coating thickness over the sprayed surface of the part for spraying conditions corresponding to the options described in the content of FIG. 3 and 4.

При этом напыление детали при ее перемещении в пределах рабочей области у неподвижного магнетрона (см. фиг. 3) приводит к формированию покрытия, распределение толщины которого по напыляемой поверхности описывается графиком 26 (фиг. 5а, 5в). Можно видеть, что распределение толщины покрытия является симметричным и выпуклым.Moreover, the spraying of a part during its movement within the working area of a stationary magnetron (see Fig. 3) leads to the formation of a coating whose thickness distribution over the sprayed surface is described by graph 26 (Figs. 5a, 5c). It can be seen that the distribution of the coating thickness is symmetrical and convex.

Напыление детали при ее перемещении в пределах рабочей области у дуальной магнетронной системы (см. фиг. 4) приводит к формированию покрытия, распределение толщины которого по напыляемой поверхности описывается графиком 27 (фиг. 5б, 5в). Можно видеть, что в этом случае, так же, как и в предыдущем, распределение толщины покрытия является симметричным, однако, в отличие от предыдущего случая, это распределение является вогнутым. Следует отметить, что, хотя распределение толщины покрытия, формируемое одновременной работой обоих магнетронов 7 и 8 дуальной магнетронной системы, является симметричным и описывается графиком 27, вклад каждого из магнетронов 7 и 8 является несимметричным и описывается графиками 28 и 29 соответственно.Spraying the part during its movement within the working area of the dual magnetron system (see Fig. 4) leads to the formation of a coating, the thickness distribution of which over the sprayed surface is described by graph 27 (Fig. 5b, 5c). It can be seen that in this case, as in the previous one, the distribution of the coating thickness is symmetrical, however, in contrast to the previous case, this distribution is concave. It should be noted that although the distribution of the coating thickness formed by the simultaneous operation of both magnetrons 7 and 8 of the dual magnetron system is symmetric and is described by graph 27, the contribution of each of the magnetrons 7 and 8 is asymmetric and is described by graphs 28 and 29, respectively.

Тот факт, что напыление детали в рабочих зонах у неподвижного магнетрона и у дуальной магнетронной системы приводит к образованию симметричных форм распределения толщины покрытия, имеющих соответственно выпуклость и вогнутость, позволяет обеспечивать одинаковость толщины покрытия по всей напыляемой поверхности за счет ее напыления поочередно в двух указанных рабочих зонах. На фиг. 5в показано, как, напыляя покрытие поочередно в рабочих областях у неподвижного магнетрона и у дуальной магнетронной системы, получают покрытие равной толщины, описываемое графиком 30.The fact that the spraying of a part in the working zones of a stationary magnetron and of a dual magnetron system leads to the formation of symmetric distribution forms of the coating thickness, which respectively have a convexity and concavity, makes it possible to ensure that the coating thickness is uniform over the entire sprayed surface due to its spraying alternately in the two specified working areas. In FIG. 5c shows how, by spraying a coating alternately in the working areas of a fixed magnetron and a dual magnetron system, a coating of equal thickness is obtained, described by graph 30.

При анализе распределения толщины покрытия по напыляемой поверхности детали использовалась следующая, основанная на законе косинусов Ламберта-Кнудсена математическая модель, устанавливающая взаимосвязь между скоростью роста толщины покрытия в рассматриваемой точке напыляемой поверхности и сочетанием кинематических, геометрических и технологических факторов процесса напыления:When analyzing the distribution of the coating thickness over the sprayed surface of the part, the following mathematical model was used, based on the law of Lambert-Knudsen cosines, which establishes the relationship between the growth rate of the coating thickness at the considered point of the sprayed surface and the combination of kinematic, geometric and technological factors of the spraying process:

где ξ - скорость роста толщины покрытия в рассматриваемой точке на напыляемой поверхности детали, нм/с;where ξ is the growth rate of the coating thickness at the considered point on the sprayed surface of the part, nm / s;

k - коэффициент пропорциональности, зависящий от размеров частиц напыляемого материала и стехиометрии формируемого покрытия, нм⋅мм²/частицу;k is the proportionality coefficient, depending on the particle size of the sprayed material and the stoichiometry of the formed coating, nm⋅mm ² / particle;

h_m - величина максимума в диаграмме направленности распыления напыляемого материала из области распыления мишени (поз. 25 на фиг. 3 и 4), частиц/с;h _m - the maximum value in the pattern of spraying the sprayed material from the spray area of the target (item 25 in Fig. 3 and 4), particles / s;

ρ - расстояние от рассматриваемой точки А на напыляемой поверхности детали до рассматриваемой области распыления мишени Ω (см. фиг. 1), мм;ρ is the distance from the considered point A on the sprayed surface of the part to the considered target sputtering region Ω (see Fig. 1), mm;

ϕ - угол направленности потока частиц из рассматриваемой области распыления мишени Ω в рассматриваемую точку А на напыляемой поверхности детали (см. фиг. 1);ϕ is the angle of directivity of the particle flow from the considered sputtering region of the target Ω to the considered point A on the sprayed surface of the part (see Fig. 1);

ε - угол падения частиц в рассматриваемую точку А на напыляемой поверхности детали из рассматриваемой области распыления мишени Ω (см. фиг. 1).ε is the angle of incidence of the particles at the considered point A on the sprayed surface of the part from the considered target sputtering region Ω (see Fig. 1).

Входящие в формулу (1) параметры ρ, ϕ и ε в каждый текущий момент времени зависят от углов поворота водила 4 α и держателя детали 5 β (см. фиг. 1). Сочетание углов α и β определяется кинематическим режимом операции напыления, характеризуемым устанавливаемыми независимо величинами угловых скоростей вращения водила ω_в и внутреннего зубчатого колеса ω₁₁ (см. фиг. 3б и 4б). Параметры ρ, ϕ и ε связаны с углами α и β, а также геометрическими параметрами, характеризующими конструкцию установки, кинематическими зависимостями.The parameters ρ, ϕ, and ε included in formula (1) at each current instant depend on the rotation angles of the carrier 4 α and the part holder 5 β (see Fig. 1). The combination of angles α and β is determined by the kinematic mode of the deposition operation, characterized by independently adjustable values of the angular velocity of rotation of the carrier ω _in and the internal gear wheel ω ₁₁ (see Fig. 3b and 4b). The parameters ρ, ϕ, and ε are related to the angles α and β, as well as to the geometrical parameters characterizing the construction of the apparatus and kinematic dependences.

Особое внимание уделяют рассмотрению кинематических зависимостей для параметра ε - угла падения частиц напыляемого материала из единичной области распыления мишени в рассматриваемую точку на напыляемой поверхности детали. Процесс напыления на рассматриваемую поверхность детали в рассматриваемой точке возможен лишь при выполнении условияParticular attention is paid to the consideration of the kinematic dependences for the parameter ε — the angle of incidence of the particles of the sprayed material from the unit sputtering region of the target to the point in question on the sprayed surface of the part. The spraying process on the considered surface of the part at the considered point is possible only if the condition

Исходя из этого, получают наибольшее β_max и наименьшее β_min значения углов поворота β (см. фиг. 4а) таких, что процесс напыления в рассматриваемую точку напыляемой поверхности детали из рассматриваемой области распыления мишени происходит лишь при выполнении условияProceeding from this, the largest β _max and the smallest β _min rotation angles β (see Fig. 4a) are obtained such that the spraying process at the considered point of the sprayed surface of the part from the considered target spraying area occurs only if the condition

Подставляя кинематические зависимости для параметров ρ, ϕ и ε в формулу (1), получают кинематические зависимости для скорости ξ роста толщины покрытия в рассматриваемой точке.Substituting the kinematic dependences for the parameters ρ, ϕ, and ε into formula (1), we obtain the kinematic dependences for the growth rate ξ of the coating thickness at the considered point.

Переход от вычисления скорости ξ роста толщины покрытия непосредственно к расчету толщины покрытия Н производят интегрированием зависимостей ξ(t), где t - время напыления, по переменной t. При этом операцию численного интегрирования производят лишь при выполнении условия (2), т.е. в пределах выполнения условия (3). По итогам численного интегрирования кинематических зависимостей скорости ξ роста толщины покрытия в рассматриваемой точке А на напыляемой поверхности детали от всех участвующих в напылении областей распыления мишеней Ω (см. фиг. 1) получают величину толщины покрытия H в рассматриваемой точке А за расчетный промежуток времени. Построив эпюру распределения величины Н по множеству рассматриваемых точек А на напыляемой поверхности детали, получают графики H(x_A) распределения толщины покрытия по напыляемой поверхности детали (см. фиг. 5).The transition from calculating the coating thickness growth rate ξ directly to calculating the coating thickness H is done by integrating the dependences ξ (t), where t is the spraying time, in the variable t. In this case, the operation of numerical integration is carried out only if condition (2) is satisfied, i.e. within the fulfillment of condition (3). Based on the results of numerical integration of the kinematic dependences of the growth rate ξ of the coating thickness at the point A on the sprayed surface of the part on all the target sputtering regions Ω involved in the deposition (see Fig. 1), the coating thickness H at the point A under consideration is obtained for the estimated time period. Having plotted the distribution of the magnitude of H over the set of points A under consideration on the sprayed surface of the part, graphs H (x _A ) of the distribution of the coating thickness over the sprayed surface of the part are obtained (see Fig. 5).

Можно видеть, что графики 26 и 27 на фиг. 5в соответствуют комплементарным режимам напыления: первый режим (график 26 на фиг. 5а, 5в) обеспечивает формирование на напыляемой поверхности симметричного выпуклого профиля, а второй - комплементарный к первому - режим напыления (график 27 на фиг. 5б, 5в), будучи реализован самостоятельно, обеспечивает формирование на напыляемой поверхности симметричного вогнутого профиля. Таким образом, будучи реализованы последовательно, первый и второй режимы обеспечивают получение на напыляемой поверхности покрытия равной толщины, описываемого графиком 30 на фиг. 5в. Взаимно комплементарные режимы напыления отличаются параметрами работы магнетронных головок и планетарных движений сателлитов. Планетарные движения сателлитов различаются как реверсированием взаимных направлений вращения сателлита и водила планетарного механизма, так и соотношением между угловыми скоростями этих вращений. В результате обеспечивается общее двухслойное нанопокрытие равной толщины по всей поверхности подложки с требуемой степенью точности.It can be seen that graphs 26 and 27 in FIG. 5c correspond to complementary spraying modes: the first mode (graph 26 in FIGS. 5a, 5c) ensures the formation of a symmetrical convex profile on the sprayed surface, and the second mode complementary to the first — spraying mode (graph 27 in FIGS. 5b, 5c), being implemented independently , provides the formation on the sprayed surface of a symmetrical concave profile. Thus, being implemented sequentially, the first and second modes provide an equal thickness on the sprayed surface of the coating described by graph 30 in FIG. 5c. Mutually complementary spraying modes differ in the parameters of the magnetron heads and planetary movements of the satellites. The planetary movements of the satellites differ both by reversing the mutual directions of rotation of the satellite and the planetary gear carrier, and by the ratio between the angular velocities of these rotations. The result is a common two-layer nanocoating of equal thickness over the entire surface of the substrate with the required degree of accuracy.

Пример реализации предлагаемого способа на предлагаемой установкеAn example of the implementation of the proposed method on the proposed installation

В качестве примера рассматривали изготовление комбинированных ГОЭ-ДОЭ в рамках госконтракта «ГОЭ-ДОЭ» (исполнитель - МГТУ им. Н.Э. Баумана, заказчик - Министерство образования и науки РФ). Имели диэлектрические оптически прозрачные (стеклянную, кварцевую, из лейкосапфира) пластины - подложки размером 40×50 мм. На поверхности подложки должны быть выполнены так называемые плазменные дифракционные решетки (ПДР). Для создания ПДР необходимы нанометровые параметры толщины наносимого покрытия.As an example, we considered the production of combined GOE-DOE under the state contract "GOE-DOE" (contractor - MSTU named after NE Bauman, customer - Ministry of Education and Science of the Russian Federation). They had dielectric optically transparent (glass, quartz, and leucosapphire) wafers — substrates 40 × 50 mm in size. The so-called plasma diffraction gratings (PDRs) must be made on the surface of the substrate. To create a PDE, nanometer parameters of the thickness of the applied coating are required.

В качестве материала для создания поверхностных плазмонов применяли алюминий, который напыляли с созданием тонкопленочного покрытия нанометровой толщины. Для работы алюминиевого покрытия в режиме поверхностного плазмонного резонанса его толщина должна составлять 40…50 нм. Рассчитывая комбинированный ГОЭ-ДОЭ методом усеченных Фурье-мод с помощью специализированного программного обеспечения для создания плазмонных дифракционных решеток со спектрально-угловой селективностью, получили, что толщина металлического покрытия из алюминия является единственно допустимой и составляет 43 нм.Aluminum was used as a material for creating surface plasmons, which was sprayed to create a thin-film coating of nanometer thickness. For the operation of the aluminum coating in the mode of surface plasmon resonance, its thickness should be 40 ... 50 nm. Calculating the combined GOE-DOE by the truncated Fourier mode method using specialized software for creating plasmon diffraction gratings with spectral-angular selectivity, it was found that the thickness of the aluminum metal coating is the only acceptable and is 43 nm.

Операцию напыления этого функционального покрытия производили на рассматриваемой установке. В качестве плазмообразующего газа использовался азот.The spraying operation of this functional coating was performed on the installation in question. Nitrogen was used as the plasma-forming gas.

Операция осуществлялась за два перехода, различающихся режимами напыления, включающими геометрические, кинематические и физико-химические параметры.The operation was carried out in two transitions, differing in spraying modes, including geometric, kinematic and physico-chemical parameters.

Первый переход реализовывал первый режим напыления, т.е. выполнялся возвратно-вращательным движением детали напротив единичного бокового магнетрона (поз. 9 на фиг. 1), оснащенного мишенью из алюминия.The first transition implemented the first spraying mode, i.e. was performed by the reciprocating movement of the part opposite the unit side magnetron (pos. 9 in Fig. 1) equipped with a target of aluminum.

Схема напыления представлена на фиг. 3 (а, б) и включала следующие параметры:The spraying pattern is shown in FIG. 3 (a, b) and included the following parameters:

- расход плазмообразующего газа (азота) - 123,8 scsm (стандартных кубических сантиметров в минуту);- the consumption of plasma-forming gas (nitrogen) is 123.8 scsm (standard cubic centimeters per minute);

- что создавало в камере вакуум с давлением p=0,16 Па;- which created a vacuum in the chamber with a pressure p = 0.16 Pa;

- на подвеску, несущую напыляемую деталь, подавалось опорное напряжение U_оп=-800 В;- a suspension voltage U _op = -800 V was applied to the suspension supporting the sprayed part;

- при этом фиксировался ток I_оп=0,2 А;- at the same time, the current I _op = 0.2 A was recorded;

- на магнетрон подавалось напряжение смещения U_см=-375 В;- bias voltage U _cm = -375 V was applied to the magnetron;

- при этом фиксировался ионный ток I=1 А;- the ion current I = 1 A was fixed;

- экспериментально установленная скорость напыления алюминия при таких условиях составляла q=0,1 нм/с;- the experimentally established rate of deposition of aluminum under such conditions was q = 0.1 nm / s;

- водило совершало возвратно-вращательные движения с частотой n_в=7,8 дв. ход/мин, что соответствовало угловой скорости (см. фиг. 3б) ω_в=0,82 с^-1;- the carrier made reciprocating movements with a frequency of n _in = 7.8 dv. stroke / min, which corresponded to the angular velocity (see Fig. 3b) ω _in = 0.82 s ^-1 ;

- с размахом углов поворота водила от -110° до +110°;- with a range of angles of rotation of the carrier from -110 ° to + 110 °;

- при этом одновременно и синхронно внутреннее зубчатое колесо планетарного механизма совершало возвратно-вращательные движения в ту же сторону с частотой n_ц=10,8 дв. ход/мин, что соответствовало угловой скорости (см. фиг. 3б) ω₁₁=1,13 с^-1;- at the same time, simultaneously and synchronously, the internal gear of the planetary mechanism made reciprocating movements in the same direction with a frequency of n _c = 10.8 dv. stroke / min, which corresponded to the angular velocity (see Fig. 3b) ω ₁₁ = 1.13 s ^-1 ;

- с размахом углов поворота внутреннего зубчатого колеса от -154° до +154°;- with a range of angles of rotation of the internal gear from -154 ° to + 154 °;

- продолжительность напыления на этом переходе (основное время) составило t₁=120 с (2 минуты).- the duration of the deposition at this transition (main time) was t ₁ = 120 s (2 minutes).

Геометрические характеристики первого перехода следующие:The geometric characteristics of the first transition are as follows:

- расстояние от магнетрона до детали в начальном положении S=50 мм;- the distance from the magnetron to the part in the initial position S = 50 mm;

- радиус расположения деталей на сателлите планетарного механизма r=37 мм;- the radius of the arrangement of parts on the satellite of the planetary mechanism r = 37 mm;

- радиус водила планетарного механизма R=145 мм;- radius of the planetary gear carrier R = 145 mm;

- расстояние между источниками напыляемого материала на мишени l=36 мм.- the distance between the sources of the sprayed material on the target l = 36 mm

Сформировалось покрытие, распределение толщины которого по поверхности детали представлено на фиг. 5а, 5в. Из рассмотрения фиг. 5а, 5в можно видеть, что толщина покрытия находится в диапазоне 10,9…11,9 нм, т.е. разнотолщинность покрытия составляет 1 нм, что означает погрешность примерно в 10%.A coating was formed whose thickness distribution over the surface of the part is shown in FIG. 5a, 5c. From consideration of FIG. 5a, 5c, it can be seen that the coating thickness is in the range of 10.9 ... 11.9 nm, i.e. the thickness of the coating is 1 nm, which means an error of about 10%.

Далее, в той же камере осуществляли второй переход операции напыления.Further, in the same chamber, a second transition of the spraying operation was carried out.

Второй переход реализовывал комплементарный режим напыления, т.е. выполнялся возвратно-вращательным движением детали напротив сдвоенных магнетронов (поз. 7 и 8 на фиг. 1), оснащенных мишенями из алюминия.The second transition implemented a complementary spraying regime, i.e. was performed by the reciprocating movement of the part opposite the twin magnetrons (pos. 7 and 8 in Fig. 1) equipped with aluminum targets.

Схема напыления представлена на фиг. 4 (а, б) и включала следующие параметры:The spraying pattern is shown in FIG. 4 (a, b) and included the following parameters:

- расход плазмообразующего газа (азота) - 134 scsm (стандартных кубических сантиметров в минуту);- the consumption of plasma-forming gas (nitrogen) - 134 scsm (standard cubic centimeters per minute);

- что создавало в камере вакуум с давлением p=0,3 Па;- which created a vacuum in the chamber with a pressure p = 0.3 Pa;

- на подвеску, несущую напыляемую деталь, подавалось опорное напряжение U_оп=-50 В;- on the suspension bearing the sprayed part, the reference voltage U _op = -50 V was applied;

- при этом фиксировался ток I_оп=0,9 А;- at the same time, the current I _op = 0.9 A was recorded;

- на правый магнетрон подавалось напряжение смещения U_см=-400 В;- bias voltage U _cm = -400 V was applied to the right magnetron;

- при этом фиксировался ионный ток I=5,5 А;- in this case, the ion current I = 5.5 A was recorded;

- на левый магнетрон подавалось напряжение смещения U_см=-492 В;- bias voltage U _cm = -492 V was applied to the left magnetron;

- экспериментально установленная скорость напыления алюминия при таких условиях составляла q=1,1 нм/с;- the experimentally established rate of deposition of aluminum under such conditions was q = 1.1 nm / s;

- водило совершало возвратно-вращательные движения с частотой n_в=7,8 дв. ход/мин, что соответствовало угловой скорости (см. фиг. 4б) ω_в=0,82 с^-1;- the carrier made reciprocating movements with a frequency of n _in = 7.8 dv. stroke / min, which corresponded to the angular velocity (see Fig. 4b) ω _in = 0.82 s ^-1 ;

- с размахом углов поворота водила от -20° до +20°;- with a range of angles of rotation of the carrier from -20 ° to + 20 °;

- при этом одновременно и синхронно внутреннее зубчатое колесо планетарного механизма совершало возвратно-вращательные движения в ту же сторону с частотой n_ц=1,6 дв. ход/мин, что соответствовало угловой скорости (см. фиг. 4б) ω₁₁=0,17 с^-1;- at the same time, simultaneously and synchronously, the internal gear of the planetary mechanism made reciprocating movements in the same direction with a frequency of n _c = 1.6 dv. stroke / min, which corresponded to the angular velocity (see Fig. 4b) ω ₁₁ = 0.17 s ^-1 ;

- с размахом углов поворота внутреннего зубчатого колеса от -4° до +4°;- with a range of angles of rotation of the internal gear from -4 ° to + 4 °;

- продолжительность напыления на этом переходе (основное время) составило t₂=30 с (0,5 минуты).- the duration of the deposition at this transition (main time) was t ₂ = 30 s (0.5 minutes).

Геометрические характеристики второго перехода следующие:The geometric characteristics of the second transition are as follows:

- расстояние от центра вращения карусели до начала координат D=300 мм;- the distance from the center of rotation of the carousel to the origin D = 300 mm;

- углы наклона правого и левого магнетронов к фронтальной плоскости камеры (см. фиг. 1) θ_п=θ_л=23°;- tilt angles of the right and left magnetrons to the frontal plane of the camera (see Fig. 1) θ _p = θ _l = 23 °;

- расстояние между источниками напыляемого материала на каждой из мишеней l_л=l_п=36 мм;- the distance between the sources of the sprayed material on each of the targets l _l = l _p = 36 mm;

- расстояние от плоскости симметрии установки до правого и левого ближних точечных источников напыляемого материала, измеренное вдоль плоскостей мишеней 101 мм.- the distance from the installation symmetry plane to the right and left near point sources of the sprayed material, measured along the target planes 101 mm

На фиг. 5б, 5в представлено распределение по поверхности детали той толщины покрытия, которая сформировалась только на втором переходе выполняемой операции. Из рассмотрения фиг. 5б, 5в можно видеть, что добавленная толщина покрытия находится в диапазоне 31…32 нм, т.е. разнотолщинность покрытия составляет 1 нм, что означает погрешность примерно в 3%.In FIG. 5b, 5c show the distribution over the surface of the part of that coating thickness that was formed only at the second transition of the operation being performed. From consideration of FIG. 5b, 5c, it can be seen that the added coating thickness is in the range 31 ... 32 nm, i.e. the thickness of the coating is 1 nm, which means an error of about 3%.

В то же время из рассмотрения фиг. 5в отчетливо видно, что суммарная толщина покрытия составляет 42,9 нм с математически (в имитационном моделировании) нулевой разнотолщинностью. Отклонение реально полученной толщины покрытия от теоретически рассчитанной составляет 0,1 нм, что вполне приемлемо с точки зрения эксплуатационных характеристик детали - комбинированной ГОЭ-ДОЭ. При этом математическая оценка точности получаемого равнотолщинного покрытия характеризуется тем, что точность находится в пределах 0,1%, а в абсолютном выражении - до 0,5 нм.At the same time, from consideration of FIG. 5c it is clearly seen that the total coating thickness is 42.9 nm with mathematically (in simulation) zero thickness difference. The deviation of the actually obtained coating thickness from the theoretically calculated one is 0.1 nm, which is quite acceptable from the point of view of the operational characteristics of the part — combined GOE-DOE. In this case, a mathematical assessment of the accuracy of the resulting equal thickness coating is characterized in that the accuracy is in the range of 0.1%, and in absolute terms - up to 0.5 nm.

Таким образом, предлагаемые в качестве изобретений существенно модифицированная установка карусельного типа для магнетронного напыления многослойных покрытий и способ магнетронного напыления равнотолщинного нанопокрытия позволяют решить задачу высокоточного и недорогого нанесения равнотолщинного нанопокрытия, например, для создания плазмонных дифракционных решеток для комбинированных ГОЭ-ДОЭ в рамках выполнения Госконтракта по соглашению №14.577.21.0115 (заказчик - Министерство образования и науки РФ, исполнитель - МГТУ им. Н.Э. Баумана).Thus, the inventively proposed substantially modified carousel-type apparatus for magnetron sputtering of multilayer coatings and the method of magnetron sputtering of an equal-thickness nanocoating allow solving the problem of high-precision and inexpensive application of an equal-thickness nanocoating, for example, to create plasmon diffraction gratings for combined GOE-DOEt within the framework of agreement No. 14.577.21.0115 (customer - Ministry of Education and Science of the Russian Federation, contractor - MSTU named after NE Bauman ).

Claims

1. The method of magnetron sputtering of a multilayer equal thickness coating, comprising sequentially applying two layers of complementary profiles to a rotary planetary gear mechanism in a vacuum chamber with a rotary planetary mechanism and obtaining an equal thickness coating, characterized in that the coating is sprayed using a magnetron system containing two magnetrons with targets symmetrically and inclined towards the frontal plane of the vacuum chamber and facing their targets towards the carousel the planetary mechanism, and a single magnetron with a target, while one coating layer is sprayed symmetrically convex by means of a single magnetron at the initial position of the sprayed part opposite the target of the said magnetron, while reversing the synchronous rotation of the inner gear and the planetary gear carrier in one direction and reversing rotation the satellite synchronously in the opposite direction in the same design ranges of the angles of rotation of the carrier and the internal gear wheel, and with Tellit is rotated with an angular velocity in absolute value less than the angular velocity of rotation of the carrier, and the second coating layer is sprayed symmetrically concave by means of two magnetrons of the dual system at the initial position of the sprayed part opposite and along the axis of symmetry in front of the targets of the said magnetrons, while reversing the rotation of the internal gear the wheels and the carrier synchronously in one direction and the reverse rotation of the satellite synchronously in the same direction in the calculated ranges of rotation angles other than the angles the gates of the carrier and the internal gear during the execution of the first coating layer, while the satellite is rotated with an angular velocity in absolute value greater than the angular velocity of rotation of the carrier.

2. The method according to p. 1, characterized in that the symmetrical convex complementary profile of the first layer is obtained by sputtering by means of a single magnetron during the reverse rotation of the part, which is placed opposite the magnetron, while the carrier of the said planetary mechanism is reversed with a frequency of n _in = 7.8 dv. stroke / min, the angular speed ω _in = 0.82 s ^-1 and the rotation angle from -110 ° to + 110 °, simultaneously and simultaneously carry out the reverse rotation of the inner gear of the planetary gear in the same direction with a frequency of n _c = 10, 8 doors stroke / min, with an angular speed of ω ₁₁ = 1.13 s ^-1 and with an angle of rotation from -154 ° to + 154 °, while the said layer is sprayed for 120 s to obtain a layer thickness of 10-11.9 nm, and a symmetrical concave complementary profile of the second layer is obtained by sputtering by means of two magnetrons of the dual system with reverse rotation of the part opposite the double magnetrons, while the carrier is given reverse rotation with a frequency of n _in = 7.8 dv. stroke / min, angular speed ω _in = 0.82 s ^-1 with an angle of rotation from -20 ° to + 20 °, and simultaneously and synchronously to the internal gear wheel of the said planetary mechanism give reverse rotation in the same direction with a frequency of n _c = 1 , 6 doors stroke / min, angular velocity ω ₁₁ = 0.17 s ^-1 with an angle of rotation from -4 ° to + 4 °; moreover, the said layer is sprayed for 30 s to obtain a coating layer thickness of 31-32 nm, and an equal thickness coating is obtained over the surface area of the flat part with a thickness of 42.9 nm.

3. Installation for magnetron sputtering of a multilayer equal thickness coating containing a vacuum chamber, in the central part of which there is a rotary planetary mechanism, which includes satellites in engagement with the internal gear wheel and carrier with shaft-holders of the sprayed parts, a dual magnetron system consisting of two magnetrons with targets symmetrically and obliquely located to the frontal plane of the vacuum chamber and facing their targets towards the carousel of the planetary mechanism, distinguishing the fact that it is equipped with an additional single magnetron with a target mounted in a vacuum chamber in such a way that the plane of symmetry of the target passes through the center of rotation of the carousel planetary gear, while the carrier of the carousel planetary gear with shafts-holders of sprayed parts and satellites are installed with the possibility of independent reversal rotation by means of independent drives, which are configured to change the ratio between the angular speeds of rotation of the carrier and the internal bchatogo wheels satellites.