RU2620534C2 - Method of coating and device for its implementation - Google Patents

Method of coating and device for its implementation Download PDF

Info

Publication number
RU2620534C2
RU2620534C2 RU2015138377A RU2015138377A RU2620534C2 RU 2620534 C2 RU2620534 C2 RU 2620534C2 RU 2015138377 A RU2015138377 A RU 2015138377A RU 2015138377 A RU2015138377 A RU 2015138377A RU 2620534 C2 RU2620534 C2 RU 2620534C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
gas
cathode
target
diffuser
confuser
Prior art date
Application number
RU2015138377A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2015138377A (en
Inventor
Борис Ахунович Тимеркаев
Данис Ирекович Исрафилов
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУВПО КФУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУВПО КФУ) filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУВПО КФУ)
Priority to RU2015138377A priority Critical patent/RU2620534C2/en
Publication of RU2015138377A publication Critical patent/RU2015138377A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2620534C2 publication Critical patent/RU2620534C2/en

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: cathode with a target is used as a source of deposited particles. When the glow discharge is ignited, the pressure in the gas discharge chamber is set below P = 10-2 Torr, different concentrations of gas particles are created in different areas of the interelectrode space by creating a supersonic working gas flow with a velocity greater than V = 300 m/s in a given area of the interelectrode gap in the transverse to the electric field direction. The coating application device comprises a gas discharge chamber and a cathode with a target placed in it and an anode, a gas inlet for filling with working gas in the form of a supersonic nozzle that is a diffuser, a confuser, wherein the confuser and diffuser are arranged coaxially with each other in the interelectrode space in the gas discharge chamber providing the confuser and diffuser axis location in a direction transverse to the axis of the anode and the cathode at a given distance relative to the anode and cathode.
EFFECT: invention makes it possible to obtain a high coating appliance rate at low pressures, which increases the purity of the process and simplifies the design of the device.
2 cl; 3 dwg

Description

Изобретения относятся к технологии нанесения покрытий на поверхности различных изделий в вакууме. Также могут найти применение при термообработке и модификации поверхностей, нанесения покрытий и наноструктур на поверхности различных изделий в вакууме.The invention relates to the technology of coating on the surface of various products in a vacuum. They can also find application in heat treatment and surface modification, coating and nanostructures on the surfaces of various products in vacuum.

Известны способ и устройство нанесения покрытий методом плазмохимического осаждения [1].A known method and device for coating by the method of plasma chemical deposition [1].

Способ нанесения покрытий методом плазмохимического осаждения на подложки включает вакуумирование камеры, напуск в нее рабочего газа, облучение твердотельной мишени из распыляемого материала пучком заряженных частиц, напуск рабочего газа производят импульсно в зону между мишенью и поверхностью подложки, облучение мишени из распыляемого материала проводят синхронизованно с подачей газа мощным импульсным пучком заряженных частиц с длительностью импульса 10-100 нс и плотностью мощности на мишени 107-109 Вт/см2.The method of coating by the method of plasma-chemical deposition on substrates includes evacuating the chamber, injecting working gas into it, irradiating the solid-state target from the sprayed material with a beam of charged particles, letting the working gas into the zone between the target and the surface of the substrate, irradiating the target from the sprayed material is carried out synchronously with the feed gas powerful pulse beam of charged particles with a pulse duration of 10-100 ns and a power density on the target 10 7 -10 9 W / cm 2 .

Устройство нанесения покрытий методом плазмохимического осаждения содержит вакуумную камеру с расположенными в ней напротив друг друга мишенью из распыляемого материала и держателем для покрываемого изделия, систему напуска рабочего газа и источник пучков заряженных частиц, источник пучков заряженных частиц выполнен в виде сильноточного импульсного ускорителя заряженных частиц, высоковольтный вакуумный диод которого расположен в рабочей камере и ориентирован наклонно к распыляемой мишени, система напуска рабочего газа выполнена импульсной, с направлением сопла в зону между мишенью и обрабатываемым изделием, а сильноточный импульсный ускоритель заряженных частиц и импульсная система напуска газа связаны блоком синхронизации.The plasma-chemical deposition coating device comprises a vacuum chamber with a target from the sprayed material opposite it and a holder for the product to be coated, a working gas inlet system and a source of charged particle beams, a source of charged particle beams made in the form of a high-current pulse charged particle accelerator, high voltage the vacuum diode of which is located in the working chamber and oriented obliquely to the spray target, the working gas inlet system is made mpulsnoy with the nozzle direction in the zone between the target and the workpiece, and intense pulsed particle accelerator and the pulse system gas inlet connected sync block.

Недостатки [1] в том, что отсутствует импульсный напуск рабочего газа, нет необходимости в облучение мишени из распыляемого материала проводить синхронизовано с подачей газа мощным импульсным пучком заряженных частиц, система напуска газа не имеет блока синхронизации.The disadvantages [1] are that there is no pulsed inlet of the working gas, there is no need to irradiate a target from the sprayed material, it is synchronized with the gas supply by a powerful pulsed beam of charged particles, the gas inlet system does not have a synchronization block.

Наиболее близким к заявленному техническому решению, прототипом, являются способ и устройство для осаждения двухосно текстурированных покрытий [2].Closest to the claimed technical solution, the prototype is a method and device for the deposition of biaxially textured coatings [2].

Способ осаждения двухосно текстурированных покрытий на подложку включает использование магнетронного распылительного устройства с мишенью в качестве источника осаждаемых частиц и направленного потока частиц высокой энергии, который направляют на подложку, вызывая двухосное текстурирование, используют разбалансирование магнетрона, для генерирования на внешней части мишени магнитного потока, который отличается от магнитного потока, который генерируют на внутренней части мишени, и таким образом генерируют поток частиц высокой энергии посредством амбиполярной диффузии.A method of depositing biaxially textured coatings on a substrate involves using a magnetron sputtering device with a target as a source of deposited particles and a directed stream of high-energy particles, which is directed to the substrate, causing biaxial texturing, using an unbalanced magnetron to generate a magnetic flux on the outside of the target that differs from the magnetic flux that is generated on the inside of the target, and thus a high-energy particle flux is generated and through ambipolar diffusion.

Источник магнетронного распыления, генерирующий поток частиц высокой энергии вместе с осаждаемым материалом, выполненный с возможностью направления потока на подложку под углом, управляемым так, что на подложку осаждается двухосно текстурированное покрытие, и содержащий мишень и магнитный блок, причем магнитный блок включает один набор магнитов, помещенный к и на внутренней части мишени и генерирующий магнитное поле одного магнитного полюса, при этом магнитный блок приспособлен для внешнего набора магнитов, генерирующих магнитное поле с силовыми линиями, пересекающими подложку, и амбиполярный поток частиц высокой энергии направлен на подложку.A magnetron sputtering source generating a stream of high energy particles together with a deposited material, configured to direct the flow to the substrate at an angle controlled so that a biaxially textured coating is deposited on the substrate and containing a target and a magnetic block, the magnetic block including one set of magnets, placed to and on the inner part of the target and generating a magnetic field of one magnetic pole, while the magnetic unit is adapted for an external set of magnets generating magnetic field e with field lines intersecting the substrate and the ambipolar flux of high-energy particles is directed onto the substrate.

Недостатком [2] является невозможность получения высокой скорости нанесения покрытий при низких давлениях (от 10-2 Торр и ниже), что снижает чистоту процесса. Также при использовании магнетрона затруднено нанесения любых электропроводящих материалов, в том числе магнитных и усложнена конструкция напылительной установки.The disadvantage of [2] is the inability to obtain a high coating rate at low pressures (from 10 -2 Torr and below), which reduces the purity of the process. Also, when using a magnetron, it is difficult to apply any electrically conductive materials, including magnetic ones, and the design of the spraying unit is complicated.

Технический результат в предлагаемых способе и устройстве нанесения покрытий заключается в обеспечении получения высокой скорости нанесения покрытий при низких давлениях (от 10-2 Торр и ниже), что повышает чистоту процесса, обеспечивает возможность нанесения любых материалов, в том числе магнитных, а также упрощает конструкцию устройства.The technical result in the proposed method and device for coating is to provide high speed coating at low pressures (from 10 -2 Torr and below), which increases the purity of the process, provides the ability to apply any materials, including magnetic, and also simplifies the design devices.

Технический результат в способе нанесения покрытий, включающем вакуумирование камеры, напуск в нее рабочего газа, использование катода с мишенью в качестве источника осаждаемых частиц, образованных в результате бомбардировки ионами рабочего газа, полученных путем зажигания тлеющего разряда, и направления на подложку потока частиц мишени высокой энергии, достигается тем, что при зажигании тлеющего разряда устанавливают давление в газоразрядной камере ниже Р=10-2 Торр, создают разные концентрации частиц газа в различных областях межэлектродного пространства, за счет организации сверхзвукового потока рабочего газа в заданной области межэлектродного зазора в поперечном к электрическому полю направлении при скорости потока газа более V=300 м/с.The technical result in a coating method comprising evacuating a chamber, injecting working gas into it, using a cathode with a target as a source of deposited particles formed by ion bombardment of a working gas obtained by ignition of a glow discharge, and directing a stream of high-energy target particles onto the substrate , is achieved by the fact that when a glow discharge is ignited, the pressure in the gas discharge chamber is set below P = 10 -2 Torr, different concentrations of gas particles are created in different areas of the inter-elec space due to the organization of a supersonic flow of the working gas in a given region of the interelectrode gap in the direction transverse to the electric field at a gas flow velocity of more than V = 300 m / s.

Технический результат в устройстве нанесения покрытий, содержащем газоразрядную камеру и размещенные в ней катод с мишенью и анод, газоввод для напуска рабочего газа, достигается тем, что содержит конфузор, а газоввод выполнен как сверхзвуковое сопло, являющееся диффузором, причем конфузор и диффузор установлены в межэлектродном пространстве в газоразрядной камере соосно друг против друга таким образом, что ось конфузора и диффузора находится в поперечном к оси анода и катода направлении на заданном расстоянии относительно анода и катода.The technical result in a coating device containing a gas discharge chamber and a cathode with a target and an anode, a gas inlet for inlet of the working gas, is achieved by the fact that it contains a confuser, and the gas inlet is made as a supersonic nozzle, which is a diffuser, and the confuser and diffuser are installed in the interelectrode the space in the gas discharge chamber coaxially against each other so that the axis of the confuser and the diffuser is in a direction transverse to the axis of the anode and cathode at a predetermined distance relative to the anode and cat Yes.

На фиг. 1 изображено устройство нанесения покрытий.In FIG. 1 shows a coating device.

На фиг. 2 изображено устройство нанесения покрытий в работе, где схематично показаны тлеющий разряд при поперечном потоке газа и поток ионов.In FIG. 2 depicts a coating device in operation, where a glow discharge in a transverse gas flow and an ion flow are schematically shown.

На фиг. 3 схематично изображено взаимное расположение анода и катода с диффузором и конфузором.In FIG. 3 schematically shows the relative position of the anode and cathode with a diffuser and confuser.

Устройство нанесения покрытий (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3) содержит газоразрядную камеру 1 с патрубками подачи 2 рабочего газа и откачки 3 рабочего газа и газа из газоразрядной камеры 1 с размещенными в ней электродами - анодом 4 и катодом 5, источник питания постоянного тока 6, подключенный к аноду 4 и катоду 5, газоразрядная камера 1 имеет диффузор 7, выполненный в виде сверхзвукового сопла, и конфузор 8, причем диффузор 7 и конфузор 8 установлены в газоразрядной камере 1 соосно друг против друга. Электроды - анод 4 и катод 5 размещены в газоразрядной камере 1 на расстоянии L=10÷400 мм друг от друга и более. Газоразрядная камера 1 выполнена любой формы необходимой для реализации технологического процесса.The coating device (Fig. 1, Fig. 2, Fig. 3) contains a gas discharge chamber 1 with nozzles for supplying 2 working gas and pumping 3 working gas and gas from the gas discharge chamber 1 with electrodes placed in it - anode 4 and cathode 5, source DC power 6 connected to the anode 4 and cathode 5, the gas discharge chamber 1 has a diffuser 7 made in the form of a supersonic nozzle, and a confuser 8, and the diffuser 7 and the confuser 8 are installed in the gas discharge chamber 1 coaxially against each other. The electrodes - anode 4 and cathode 5 are placed in the gas discharge chamber 1 at a distance L = 10 ÷ 400 mm from each other or more. The gas discharge chamber 1 is made of any form necessary for the implementation of the process.

Патрубок подачи 2 рабочего газа соединен с диффузором 7, например, шлангом в газоразрядной камере 1. Патрубок подачи 2 рабочего газа соединен через систему регулирования подачи и контроля расхода газа 9 с источником рабочего газа 10, например, шлангом вне газоразрядной камеры 1.The working gas supply pipe 2 is connected to the diffuser 7, for example, by a hose in the gas discharge chamber 1. The working gas supply pipe 2 is connected through a gas supply control and flow control system 9 to the working gas source 10, for example, by a hose outside the gas discharge chamber 1.

Патрубки откачки 3 рабочего газа и газа из газоразрядной камеры 1 соединен с диффузором 8, например, шлангом в газоразрядной камере 1.The nozzles for pumping 3 working gas and gas from the gas discharge chamber 1 are connected to the diffuser 8, for example, by a hose in the gas discharge chamber 1.

Патрубки откачки 3 рабочего газа и газа из газоразрядной камеры 1 соединен через каналы 11 с насосной системой 12, каналы 11 могут быть выполнены, например, в виде системы труб.The nozzles for pumping 3 working gas and gas from the gas discharge chamber 1 are connected through channels 11 to the pumping system 12, channels 11 can be made, for example, in the form of a pipe system.

Системой изменения положения 13 изменяется положение диффузора 7 и конфузора 8 относительно межэлектродного пространства анода 4 и катода 5. Система изменения положения 13 может представлять собой конструкцию с закрепленными к рейке диффузором 7 и конфузором 8, а рейка, расположенная параллельно оси анода 4 и катода 5, перемещается за счет зубчатой передачи с шаговым двигателем.The positioning system 13 changes the position of the diffuser 7 and the confuser 8 relative to the interelectrode space of the anode 4 and the cathode 5. The positioning system 13 can be a structure with a diffuser 7 and the confuser 8 fixed to the rail, and the rail located parallel to the axis of the anode 4 and cathode 5, moves due to gears with a stepper motor.

Мишень 14 расположена на катоде 5.Target 14 is located on cathode 5.

Изделие 15 расположено напротив мишени 14 на держателе 16 для покрываемого изделия 15.The product 15 is located opposite the target 14 on the holder 16 for the covered product 15.

Рассмотрим предлагаемый способ нанесения покрытий с помощью устройства изображенного на фиг. 1-3.Consider the proposed coating method using the device depicted in FIG. 1-3.

Насосной системой 12 в газоразрядной камере 1 достигается давление от 10-2 Торр и ниже. Включают источник питания постоянного тока 6 к аноду 4 и катоду 5 в газоразрядной камере 1, для зажигания тлеющего разряда 17.The pump system 12 in the gas discharge chamber 1 reaches a pressure of 10 -2 Torr and below. Turn on the DC power source 6 to the anode 4 and the cathode 5 in the gas discharge chamber 1, for ignition of a glow discharge 17.

В межэлектродный зазор через диффузор 7 подают сверхзвуковой поток рабочего газа 18, например аргона.In the interelectrode gap through the diffuser 7 serves a supersonic flow of the working gas 18, for example argon.

При подаче сверхзвукового потока рабочего газа 18 концентрация пролетающих нейтральных частиц в межэлектродном пространстве увеличивается и тлеющий разряд 17 зажигается.When applying a supersonic flow of the working gas 18, the concentration of passing neutral particles in the interelectrode space increases and a glow discharge 17 is ignited.

Рабочий газ в диффузор 7 подается из патрубка 2 через систему регулирования подачи и контроля расхода газа 9 и источник рабочего газа 10. Системой регулирования подачи и контроля расхода газа 9 можно обеспечить необходимый расход и скорость сверхзвукового потока рабочего газа 18 после диффузора 7.The working gas to the diffuser 7 is supplied from the pipe 2 through the gas flow control and control system 9 and the working gas source 10. The gas flow control and gas control system 9 can provide the necessary flow rate and supersonic flow of the working gas 18 after the diffuser 7.

Диффузор 7 и конфузор 8 расположены таким образом, чтобы сверхзвуковой потока рабочего газа 18 из диффузора 7 полностью попадал в конфузор 8. Расстояние между диффузором 7 и конфузором 8 ограничено размерами камеры 1. Сверхзвуковой поток рабочего газа 18 из конфузора 8 и газы из камеры 1 откачиваются через каналы 11 насосной системой 12. Системой изменения положения 13 изменяется положение потока относительно межэлектродного пространства.The diffuser 7 and the confuser 8 are arranged so that the supersonic flow of the working gas 18 from the diffuser 7 completely falls into the confuser 8. The distance between the diffuser 7 and the confuser 8 is limited by the size of the chamber 1. The supersonic flow of the working gas 18 from the confuser 8 and the gases from the chamber 1 are pumped out through the channels 11 of the pump system 12. The position change system 13 changes the position of the flow relative to the interelectrode space.

Пройдя через ось анода 4 и катода 5, сверхзвуковой поток рабочего газа 18 попадает в конфузор 8, где происходит восстановление потока, и далее поток уходит через каналы 11 в насосную систему 12.Having passed through the axis of the anode 4 and cathode 5, the supersonic flow of the working gas 18 enters the confuser 8, where the flow is restored, and then the flow leaves through the channels 11 to the pump system 12.

Технологический процесс осуществляют при следующих параметрах тлеющего разряда: плотность тока разряда j=100÷500000 мА/м2; расстояние между электродами L=10÷400 мм; где j - плотность тока, мА/м2, L - расстояние между электродами, мм, Р - давление в камере 1. Например, при давлении Р=0,005 Торр, при j=500 мА/м2, L=50 мм. Через диффузор 7 в межэлектродный зазор подается поток газа рабочего 18, например, аргон при сверхзвуковой скорости, например V=400 м/с.The technological process is carried out at the following glow discharge parameters: discharge current density j = 100 ÷ 500000 mA / m 2 ; distance between electrodes L = 10 ÷ 400 mm; where j is the current density, mA / m 2 , L is the distance between the electrodes, mm, P is the pressure in the chamber 1. For example, at a pressure of P = 0.005 Torr, at j = 500 mA / m 2 , L = 50 mm. Through the diffuser 7, the gas stream of the worker 18, for example, argon at a supersonic speed, for example V = 400 m / s, is fed into the interelectrode gap.

Системой изменения положения 13 изменяется положение сверхзвукового потока рабочего газа 18 относительно межэлектродного пространства и регулируется заданное расстояние относительно анода 4 La и катода 5 Lк (Фиг. 3). La и Lк могут принимать любое положительное значение удовлетворяющее условию:The position change system 13 changes the position of the supersonic flow of the working gas 18 relative to the interelectrode space and adjusts the predetermined distance relative to the anode 4 La and the cathode 5 Lк (Fig. 3). La and Lк can take any positive value satisfying the condition:

La+Lк=L.La + Lk = L.

Изменяя расход, скорость и состав потока рабочего газа 18 можно изменять вольтамперную характеристику тлеющего разряда 17. Также появляется возможность управления распределением внутренних характеристик тлеющего разряда 17.By changing the flow rate, speed and composition of the working gas stream 18, it is possible to change the current-voltage characteristic of the glow discharge 17. It also becomes possible to control the distribution of the internal characteristics of the glow discharge 17.

Поток ионов 19 образуют в сверхзвуковом потоке газа 18 в межэлектродном пространстве за счет бомбардировки электронами и затем беспрепятственно направляют к мишени 14 на катоде 5, ускоряя в электрическом поле катода 5. Ускорившись в электрическом поле поток ионов 19 бомбардирует мишень 14. При высокой энергии потока ионов 19 мишень 14 распыляется, если энергии недостаточно для распыления мишени 14, то происходит термообработка или модификация поверхности мишени 14, образуя покрытие на мишени 14. Распыленные высокоэнергетические частицы мишени 14 разлетаются, часть их оседает на изделии 15, образуя покрытие.The ion stream 19 is formed in a supersonic gas stream 18 in the interelectrode space due to electron bombardment and then is freely directed to the target 14 on the cathode 5, accelerating in the electric field of the cathode 5. Accelerated in the electric field, the ion stream 19 bombards the target 14. At high ion flow energy 19, the target 14 is sprayed, if the energy is insufficient to spray the target 14, then heat treatment or modification of the surface of the target 14 occurs, forming a coating on the target 14. Atomized high-energy particles of the target 14 r zletayutsya, some of them settle on the product 15, forming a coating.

В прикатодной области газоразрядной камеры 1, осуществляются основные процессы, обеспечивающие существование самостоятельного разряда. Под действием сильного электрического поля электроны ускоряются, и пройдя астоново пространство приобретают энергию достаточную для интенсивного возбуждения атомов. Здесь ионизация атомов пренебрежимо мала, так как энергия электронов значительно меньше потенциала ионизации (в среднем 10-15 эВ) частиц. Проходя область первого катодного свечения электроны ускоряются до энергии, достаточной для ионизации атомов газа. Анодная область газоразрядной камеры 1 характеризуется анодным падением напряжения, плотностью тока на электроде и определенной протяженностью.In the cathode region of the gas discharge chamber 1, the main processes are carried out, ensuring the existence of an independent discharge. Under the influence of a strong electric field, the electrons are accelerated, and after passing through the aston space they acquire energy sufficient for intense excitation of atoms. Here, the ionization of atoms is negligible, since the electron energy is much less than the ionization potential (on average 10-15 eV) of the particles. Passing the region of the first cathode glow, the electrons are accelerated to an energy sufficient to ionize the gas atoms. The anode region of the gas discharge chamber 1 is characterized by an anode voltage drop, current density at the electrode and a certain extent.

Одним из необходимых условий существования тлеющего разряда является наличие всех приэлектродных зон. Известно, что с уменьшением давления длина прикатодных зон увеличивается, так как эти зоны, главным образом, определяются количеством ионизирующих столкновений электронов с нейтральными частицами. Если в первом приближении принять разряд холодным, то можно найти критическое давление, при котором еще возможен классический тлеющий разряд. При длине разрядного промежутка порядка 10 см и числа свободных пробегов порядка 10 получаем критическое значение длины свободного пробега λ=1 см. Такое значение λ соответствует давлениюOne of the necessary conditions for the existence of a glow discharge is the presence of all near-electrode zones. It is known that with decreasing pressure, the length of the cathode zones increases, since these zones are mainly determined by the number of ionizing collisions of electrons with neutral particles. If, as a first approximation, we take the discharge cold, then we can find the critical pressure at which a classical glow discharge is still possible. With a discharge gap of about 10 cm and a free path of about 10, we obtain a critical mean free path λ = 1 cm. This value of λ corresponds to pressure

Figure 00000001
Figure 00000001

Таким образом, при давлениях порядка 10-2 Торр существование тлеющего разряда затрудняется, а при 10-3 Торр вовсе становится невозможным.Thus, at pressures of the order of 10 -2 Torr, the existence of a glow discharge becomes more difficult, and at 10 -3 Torr it becomes completely impossible.

Достижение технического результата возможно только при создании разных концентраций нейтральных атомов в разных областях межэлектродного пространства, при котором в прикатодной области концентрация частиц газа должна быть как в случае с магнетронным устройством (Кузьмичев А.И. Магнетронные распылительные системы. Кн1. Введение в физику и технику магнетронного распыления. - К.: Аверс, 2008. с. 22), а в других зонах тлеющего разряда 17 концентрация частиц газа должна быть достаточной для того чтобы электрон испытал десятки столкновений.The achievement of the technical result is possible only by creating different concentrations of neutral atoms in different regions of the interelectrode space, in which the concentration of gas particles in the cathode region should be as in the case of a magnetron device (Kuzmichev AI Magnetron sputtering systems. Kn1. Introduction to physics and technology Magnetron Sputtering. - K .: Avers, 2008. p. 22), and in other zones of glow discharge 17, the concentration of gas particles must be sufficient for the electron to experience dozens of collisions.

Такие требования можно удовлетворить в том случае, если в межэлектродном пространстве создать сверхзвуковую, со скоростью выше 300 м/с, прокачку газа в направлении, перпендикулярном электрическому полю, а в остальной области межэлектродного пространства обеспечить давление ниже 10-2 Торр.Such requirements can be satisfied if a supersonic pumping of gas is created in the interelectrode space at a speed above 300 m / s in a direction perpendicular to the electric field, and a pressure below 10 -2 Torr is ensured in the rest of the interelectrode space.

Если принять, что длина катодных частей порядка 10λ, то все межэлектродное пространство состоит из прикатодных областей, необходимых для поддержания разряда. Этот разряд относится к нормальному тлеющему разряду с горизонтальной вольтамперной характеристикой.If we assume that the length of the cathode parts is of the order of 10λ, then the entire interelectrode space consists of cathode regions necessary for maintaining the discharge. This discharge refers to a normal glow discharge with a horizontal current-voltage characteristic.

При регулировке системой изменения положения 13 расположение диффузора 7 и конфузора 8 относительно межэлектродного пространства анода 4 и катода 5 также изменяются размеры приэлектродных зон. Приближая ось диффузора 7 и конфузора 8 к катоду 5 размеры прикатодных зон уменьшаются, а положительного столба тлеющего разряда 17 увеличиваются. Также изменяются распределение внутренних характеристик тлеющего разряда 17, таких как распределение потенциала, приведенная напряженность электрического поля E/N (Е - напряженность электрического поля, N - концентрация частиц), распределение концентраций электронов и ионов, температура газа.When the system adjusts the position change 13, the location of the diffuser 7 and the confuser 8 relative to the interelectrode space of the anode 4 and the cathode 5 also changes the dimensions of the electrode zones. Approaching the axis of the diffuser 7 and confuser 8 to the cathode 5, the dimensions of the cathode zones decrease, while the positive column of the glow discharge 17 increases. The distribution of the internal characteristics of the glow discharge 17, such as the distribution of potential, reduced electric field strength E / N (E is the electric field strength, N is the concentration of particles), the distribution of electron and ion concentrations, and the gas temperature also changes.

Распыленные частицы мишени 14 образуют покрытие на изделии 15 при сверхнизких давлениях. Что говорит о высокой чистоте технологического процесса нанесения покрытий.The atomized particles of the target 14 form a coating on the product 15 at ultra-low pressures. Which indicates the high purity of the coating process.

Также возможно образовывать на поверхности мишени 14 новые соединения при реакции ионов рабочего газа 18 с материалом мишени 14.It is also possible to form new compounds on the surface of the target 14 by the reaction of the ions of the working gas 18 with the material of the target 14.

Ускоренный в электрическом поле поток ионов 19 производит распыление мишени 14 при давления от 10-2 Торр и ниже. При давлениях 10-2 Торр и ниже поток ионов 19 практически не сталкивается с остаточными газами газоразрядной камеры 1, и не изменяет направление. Поэтому данный способ обеспечивает высокую чистоту покрытия и повышенную эффективность технологического процесса нанесения покрытия.Accelerated in an electric field, the ion flow 19 sputters the target 14 at a pressure of 10 -2 Torr and below. At pressures of 10 -2 Torr and below, the ion flux 19 practically does not collide with the residual gases of the gas-discharge chamber 1, and does not change direction. Therefore, this method provides high purity of the coating and increased efficiency of the coating process.

В предлагаемом способе и устройстве нанесения покрытий отсутствует магнетрон, являющийся сложным изделием, отсутствует необходимость в охлаждении катода и мишени, имеется возможность напыления любых проводящих материалов, в том числе магнитных. Ионы рабочего газа беспрепятственно направляются к мишени 14, набирая энергию в электрическом поле. Частицы мишени 14 беспрепятственно переносятся на изделие 15. Так как в данной области сохраняется высокий вакуум, то обеспечивается высокая степень чистоты покрытия. Скорость нанесения покрытий в основном зависит от скорости образования ионов в сверхзвуковом потоке рабочего газа 18, а не от давления в газоразрядной камере 1.In the proposed method and coating device, there is no magnetron, which is a complex product, there is no need for cooling the cathode and target, there is the possibility of spraying any conductive materials, including magnetic ones. Ions of the working gas freely directed to the target 14, gaining energy in an electric field. The particles of the target 14 are freely transferred to the product 15. Since a high vacuum is maintained in this area, a high degree of purity of the coating is ensured. The coating rate mainly depends on the rate of formation of ions in the supersonic flow of the working gas 18, and not on the pressure in the gas discharge chamber 1.

Технический результат в предлагаемых способе и устройстве нанесения покрытий заключается в обеспечении получения высокой скорости нанесения покрытий при низких давлениях (от 10-2 Торр и ниже), что повышает чистоту процесса, обеспечивает возможность нанесения любых материалов, в том числе магнитных, а также упрощает конструкцию устройства.The technical result in the proposed method and device for coating is to provide high speed coating at low pressures (from 10 -2 Torr and below), which increases the purity of the process, provides the ability to apply any materials, including magnetic, and also simplifies the design devices.

При нанесении покрытий при давлении от 10-2 Торр и ниже, возможно распыление мишени в сверхчистой среде, что позволяет получать новые, особо чистые материалы, наноструктуры и изделия, соединения материалов и покрытия с новыми свойствами.When applying coatings at a pressure of 10 -2 Torr and below, it is possible to sputter the target in an ultrapure medium, which allows to obtain new, highly pure materials, nanostructures and products, compounds of materials and coatings with new properties.

Дополнительным преимуществом по сравнению с прототипом является возможность образовывать покрытия на мишени в виде новых соединений при реакции ионов рабочего газа с материалом мишени.An additional advantage compared with the prototype is the ability to form coatings on the target in the form of new compounds during the reaction of working gas ions with the target material.

Источники информацииInformation sources

1. Патент RU 2205893, МПК С23С 14/28, опубл. 10.06.2003.1. Patent RU 2205893, IPC С23С 14/28, publ. 06/10/2003.

2. Патент RU 2224050, МПК С23С 14/35, H01J 37/34, опубл. 20.02.2004.2. Patent RU 2224050, IPC С23С 14/35, H01J 37/34, publ. 02/20/2004.

Claims (2)

1. Способ нанесения покрытия на подложку , включающий вакуумирование камеры, напуск в нее рабочего газа, использование катода с мишенью в качестве источника осаждаемых частиц, которые образуют путем бомбардировки мишени ионами рабочего газа, полученных путем зажигания тлеющего разряда, и направление на подложку потока полученных частиц мишени высокой энергии, отличающийся тем, что при зажигании тлеющего разряда устанавливают давление в газоразрядной камере ниже 10-2 Торр и создают разные концентрации частиц газа в различных областях межэлектродного пространства путем подачи сверхзвукового потока рабочего газа в заданной области межэлектродного зазора в поперечном к электрическому полю направлении при скорости потока газа более 300 м/с.1. A method of coating a substrate, including evacuating the chamber, injecting working gas into it, using a cathode with a target as a source of deposited particles, which are formed by bombarding the target with working gas ions obtained by ignition of a glow discharge, and directing a stream of obtained particles to the substrate high energy targets, characterized in that when the glow discharge is ignited, the pressure in the gas discharge chamber is set below 10 -2 Torr and different concentrations of gas particles are created in different regions between electrode space by supplying a supersonic flow of the working gas in a given region of the interelectrode gap in the direction transverse to the electric field at a gas flow rate of more than 300 m / s. 2. Устройство для нанесения покрытия на подложку, содержащее газоразрядную камеру с размещенными в ней катодом с мишенью и анодом и газоввод для напуска рабочего газа, отличающееся тем, что оно содержит конфузор, а газоввод выполнен в виде сверхзвукового сопла в виде диффузора, причем конфузор и диффузор установлены в межэлектродном пространстве в газоразрядной камере соосно друг другу с обеспечением расположения оси конфузора и диффузора в поперечном к оси анода и катода направлении и на заданном расстоянии от них.2. A device for applying a coating to a substrate, comprising a gas discharge chamber with a cathode with a target and an anode in it and a gas inlet for inflowing a working gas, characterized in that it contains a confuser, and the gas inlet is made in the form of a supersonic nozzle in the form of a diffuser, and the confuser and the diffuser is installed in the interelectrode space in the gas discharge chamber coaxially to each other, ensuring the location of the confuser and diffuser axis in the direction transverse to the axis of the anode and cathode and at a predetermined distance from them.
RU2015138377A 2015-09-08 2015-09-08 Method of coating and device for its implementation RU2620534C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015138377A RU2620534C2 (en) 2015-09-08 2015-09-08 Method of coating and device for its implementation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015138377A RU2620534C2 (en) 2015-09-08 2015-09-08 Method of coating and device for its implementation

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015138377A RU2015138377A (en) 2017-03-14
RU2620534C2 true RU2620534C2 (en) 2017-05-26

Family

ID=58454394

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015138377A RU2620534C2 (en) 2015-09-08 2015-09-08 Method of coating and device for its implementation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2620534C2 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6415370A (en) * 1987-07-08 1989-01-19 Matsushita Electric Ind Co Ltd Dc sputtering method
RU2039846C1 (en) * 1992-07-21 1995-07-20 Научно-исследовательский институт механики и физики при Саратовском государственном университете Plasma method of producing films
SU1824923A1 (en) * 1990-04-04 1998-04-10 Томский Институт Автоматизированных Систем Управления И Радиоэлектроники Device for firing the electric discharge system
JP2000121518A (en) * 1998-10-13 2000-04-28 Ulvac Japan Ltd Coating method
RU2224050C2 (en) * 1998-03-31 2004-02-20 Н.В.Бекарт С.А. Method and apparatus for deposition of biaxially oriented textured coatings

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6415370A (en) * 1987-07-08 1989-01-19 Matsushita Electric Ind Co Ltd Dc sputtering method
SU1824923A1 (en) * 1990-04-04 1998-04-10 Томский Институт Автоматизированных Систем Управления И Радиоэлектроники Device for firing the electric discharge system
RU2039846C1 (en) * 1992-07-21 1995-07-20 Научно-исследовательский институт механики и физики при Саратовском государственном университете Plasma method of producing films
RU2224050C2 (en) * 1998-03-31 2004-02-20 Н.В.Бекарт С.А. Method and apparatus for deposition of biaxially oriented textured coatings
JP2000121518A (en) * 1998-10-13 2000-04-28 Ulvac Japan Ltd Coating method

Also Published As

Publication number Publication date
RU2015138377A (en) 2017-03-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1556882B1 (en) High-power pulsed magnetically enhanced plasma processing
EP1559128B1 (en) Methods and apparatus for generating high-density plasma
US7147759B2 (en) High-power pulsed magnetron sputtering
US7446479B2 (en) High-density plasma source
US7327089B2 (en) Beam plasma source
JP4722486B2 (en) High deposition rate sputtering
US7750575B2 (en) High density plasma source
US20070026160A1 (en) Apparatus and method utilizing high power density electron beam for generating pulsed stream of ablation plasma
Poolcharuansin et al. Plasma parameters in a pre-ionized HiPIMS discharge operating at low pressure
KR101267459B1 (en) Plasma ion implantation apparatus and method thereof
JP2003073814A (en) Film forming apparatus
RU87065U1 (en) DEVICE FOR CREATING A HOMOGENEOUS GAS DISCHARGE PLASMA IN LARGE VOLUME TECHNOLOGICAL VACUUM CAMERAS
RU2620534C2 (en) Method of coating and device for its implementation
Yukimura et al. High-power inductively coupled impulse sputtering glow plasma
US20090020415A1 (en) "Iontron" ion beam deposition source and a method for sputter deposition of different layers using this source
RU2620603C2 (en) Method of plasma ion working source and plasma ion source
RU2063472C1 (en) Method and apparatus for plasma treatment of pieces
RU2607398C2 (en) Method of coatings application by plasma spraying and device for its implementation
RU2116707C1 (en) Device for generation of low-temperature gas- discharge plasma
RU2407100C1 (en) Double-beam ion source
RU2463382C2 (en) Method and device to produce multilayer composite nanostructured coatings and materials
RU2312932C2 (en) Device for vacuum plasma treatment of articles
RU2180472C2 (en) Vacuum-arc plasma source
RU161743U1 (en) VACUUM INSTALLATION FOR APPLICATION OF A SUPER-HARD COATING BASED ON AMORPHOUS CARBON
RU2567770C2 (en) Method of producing diamond-like carbon and device to this end

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20170909