RU2656480C1 - Устройство для осаждения покрытий - Google Patents
Устройство для осаждения покрытий Download PDFInfo
- Publication number
- RU2656480C1 RU2656480C1 RU2017131580A RU2017131580A RU2656480C1 RU 2656480 C1 RU2656480 C1 RU 2656480C1 RU 2017131580 A RU2017131580 A RU 2017131580A RU 2017131580 A RU2017131580 A RU 2017131580A RU 2656480 C1 RU2656480 C1 RU 2656480C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- chamber
- coatings
- electrode
- targets
- plasma
- Prior art date
Links
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 37
- 230000008021 deposition Effects 0.000 title claims description 13
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title abstract description 17
- 238000000151 deposition Methods 0.000 abstract description 14
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 12
- 230000036470 plasma concentration Effects 0.000 description 7
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 2
- 125000004433 nitrogen atom Chemical group N* 0.000 description 2
- 239000013077 target material Substances 0.000 description 2
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 238000010584 magnetic trap Methods 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J27/00—Ion beam tubes
- H01J27/02—Ion sources; Ion guns
- H01J27/04—Ion sources; Ion guns using reflex discharge, e.g. Penning ion sources
-
- 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
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
- C23C14/0641—Nitrides
-
- 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
- C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
- C23C14/354—Introduction of auxiliary energy into the plasma
-
- 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
- C23C14/56—Apparatus specially adapted for continuous coating; Arrangements for maintaining the vacuum, e.g. vacuum locks
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Изобретение относится к машиностроению, в частности к устройствам для осаждения износостойких покрытий на изделиях в вакуумной камере. Устройство для осаждения покрытий на изделиях 3 содержит рабочую вакуумную камеру 1, мишени 4-7 планарных магнетронов на стенках камеры, источники питания 8-11 магнетронных разрядов, отрицательными полюсами соединенные с мишенями, дополнительный изолированный от камеры 1 и установленный внутри нее электрод 12 и источник постоянного тока 13, отрицательным полюсом соединенный с камерой 1, а положительным полюсом соединенный с электродом 12 и с положительными полюсами источников питания магнетронных разрядов. Технический результат - повышение качества синтезируемого покрытия. 1 ил.
Description
Изобретение относится к машиностроению, в частности к устройствам для осаждения износостойких покрытий на изделиях в вакуумной камере.
Известно устройство для осаждения покрытий с электродуговыми испарителями металла, в которых мишень из необходимого металла испаряется катодными пятнами вакуумно-дугового разряда между рабочей вакуумной камерой и мишенью (Патент США №5451308, 1995 г.). Свойства покрытия зависят от энергии бомбардирующих его ионов, определяемой отрицательным напряжением на изделии. При давлении азота 0,1-0,5 Па ионы испаряемого металла, например титана, до попадания на изделие многократно сталкиваются с молекулами азота, перезаряжаются, и большинство из них превращается в нейтральные атомы титана. На поверхности изделия они вступают в реакцию с атомами азота, образуя износостойкое покрытие из нитрида титана. Недостатком устройства являются эмитируемые катодными пятнами микроскопические капли металла, наличие которых в осаждаемом покрытии ограничивает область применения покрытия.
Известно устройство для осаждения покрытий с магнетронами, в которых плоская мишень из необходимого металла распыляется ионами из плазмы тлеющего разряда в арочном магнитном поле вблизи поверхности мишени, являющейся катодом разряда (Патент США №3878085, 1975 г.). При бомбардировке мишени ионами она эмитирует электроны, которые ускоряются в слое положительного объемного заряда между плазмой и катодом до энергии eUк, где Uк - падение потенциала между плазмой и катодом. Каждый электрон, влетевший в плазму, движется в ней по отрезку окружности, перпендикулярной магнитному полю, возвращается в слой и отражается в нем обратно в плазму. В результате он проходит по замкнутой ломаной криволинейной траектории вблизи поверхности мишени путь, превышающий размеры мишени в сотни и тысячи раз. Это позволяет поддерживать тлеющий разряд при давлении газа 0,1-1 Па, обеспечивающем транспортировку распыленных атомов до изделий. Свойства покрытия, осаждаемого с использованием планарного магнетрона, сильно зависят от плотности выделяемой на его поверхности энергии. Если эту энергию транспортируют бомбардирующие поверхность ионы из разрядной плазмы, ускоряемые подаваемым на изделия напряжением отрицательной полярности, то плотность энергии пропорциональна концентрации плазмы. Недостатком устройства с магнетронными распылителями является низкий коэффициент использования материала мишени, распыляемого лишь на малой площади ее поверхности в области арочного магнитного поля. Кроме того, концентрация разрядной плазмы снижается за пределами арочного магнитного поля у поверхности изделия в десятки раз. Поэтому свойства покрытий, осаждаемых на различных участках поверхности изделия, зависят от расстояния до поверхности мишени.
Наиболее близким решением по технической сущности к изобретению является устройство для осаждения покрытий, содержащее рабочую вакуумную камеру, устройство планетарного вращения изделий вокруг вертикальной оси камеры, плоские мишени планарных магнетронов на боковых стенках камеры и источники питания магнетронных разрядов (Surface and Coating Technology. 1992. V. 50. P. 169-178). Дополнительно устройство содержит соленоиды, магнитное поле которых изменяет конфигурацию арочного поля у поверхности каждой мишени. Благодаря соленоидам индукция магнитного поля в центре мишени снижается, а на ее периферии - возрастает. В несбалансированном магнетроне возникает утечка быстрых электронов в камеру из центральной области его магнитной ловушки, в результате чего концентрация плазмы в камере повышается. Однако на оси камеры она по-прежнему на порядок меньше, чем вблизи поверхности мишени. Это является причиной неоднородности свойств осаждаемых на изделиях покрытий.
Задачей предложенного решения является создание устройства для осаждения покрытий с равномерным распределением концентрации плазмы в камере, которое обеспечивало бы однородность свойств осаждаемых на изделиях покрытий.
Технический результат - повышение качества осаждаемых покрытий.
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что устройство для осаждения покрытий на изделиях, содержащее рабочую вакуумную камеру, мишени планарных магнетронов на стенках камеры, источники питания магнетронных разрядов, отрицательными полюсами соединенные с мишенями, дополнительно содержит изолированный от камеры и установленный внутри нее электрод и источник постоянного тока, отрицательным полюсом соединенный с камерой, а положительным полюсом соединенный с электродом и с положительными полюсами источников питания магнетронных разрядов.
Изобретение поясняется чертежом, на котором изображена схема устройства для осаждения покрытий.
Устройство для осаждения покрытий на изделиях содержит рабочую камеру 1, устройство планетарного вращения 2 изделий 3, изолированные от камеры 1 плоские мишени 4, 5, 6 и 7 магнетронов с магнитными системами и источники питания 8, 9, 10 и 11, соединенные отрицательными полюсами с мишенями. Внутри камеры 1 расположен изолированный от нее электрод 12. Источник постоянного тока 13 соединен отрицательным полюсом с камерой 1, а положительным полюсом - с электродом 12 и с положительными полюсами источников питания 8, 9, 10 и 11.
Устройство работает следующим образом.
Рабочую вакуумную камеру 1 с обрабатываемыми изделиями 3 внутри нее откачивают до давления 1 мПа, затем подают в камеру 1 рабочий газ, например смесь аргона с азотом (15%), и увеличивают давление в камере 1 до 0,2-0,5 Па. Включением источников 8, 9, 10 и 11 прикладывают между электродом 12 и мишенями 4, 5, 6 и 7 напряжение в несколько сотен вольт. В результате зажигаются магнетронные разряды с заданными стабилизированными токами. Концентрация разрядной плазмы 14 максимальна у поверхности мишени и снижается на порядок в центре камеры 1. Ионы из плазмы 14 ускоряются в слоях положительного объемного заряда между плазмой 14 и мишенями до энергии в несколько сотен электронвольт и бомбардируют мишени. Распыленные ионами атомы материала мишеней вступают на поверхности изделий 3 в реакцию с атомами азота, и в результате осаждаются покрытия из нитрида титана. В процессе осаждения покрытие бомбардируют ионы из плазмы 14, ускоряемые напряжением отрицательной полярности, подаваемым на изделия от источника опорного напряжения (на Фиг. 1 не показан). Из-за резкой неоднородности плазмы 14 плотность ионного тока на поверхности осаждаемых покрытий и их свойства также неоднородны.
При включении источника 13 и росте напряжения между электродом 12 и камерой 1 до ΔU потенциал плазмы 14 повышается также на ΔU, а между плазмой 14 и стенками камеры 1 возникает слой положительного объемного заряда 15. Потенциал каждой мишени со стабилизированным током в ее цепи повышается также на ΔU, но разность потенциалов между плазмой 14 и мишенью, а также скорость ее распыления не изменяются. Электроны, эмитируемые стенками камеры 1 в результате их бомбардировки ионами из плазмы 14, ускоряются в слое 15 до энергии eΔU, где е - заряд электрона, пролетают через центр камеры 1 и отражаются в слое 15 у противоположной стенки камеры 1. Затем они снова пролетают через центр камеры и отражаются в слое. До попадания на электрод 12 эти электроны проходят путь, длина которого значительно превышает их ионизационный пробег в рассматриваемом диапазоне давления 0,1-0,5 Па. Поэтому ускоренные электроны расходуют на ионизацию и возбуждение газа в камере всю свою энергию. Большой вклад в ионизацию вносят также быстрые электроны, образованные в слое 15 многократно возвращающимися в него электронами, эмитированными стенками камеры 1. Так как все ускоренные электроны многократно проходят через центр камеры, концентрация плазмы здесь возрастает на порядок, и заметно выравнивается ее радиальное распределение. В результате повышается однородность плотности тока ионов, бомбардирующих покрытия во время их осаждения, и однородность свойств покрытий на всей поверхности изделий.
Использование изолированного от камеры электрода и источника постоянного тока, отрицательным полюсом соединенного с камерой, а положительным полюсом соединенного с электродом и с положительными полюсами источников питания магнетронных разрядов, позволяет при постоянных токах в цепях мишеней и неизменных величинах концентрации плазмы вблизи поверхностей мишеней за счет несамостоятельного тлеющего разряда между электродом и камерой многократно увеличить концентрацию плазмы в ее центре, повысив таким образом однородность распределения плазмы внутри камеры, что обеспечивает повышение однородности плотности тока ионов на поверхности осаждаемых покрытий и, как следствие, повышение качества последних.
По сравнению с прототипом предлагаемое устройство для осаждения покрытий позволяет осаждать на изделиях покрытия с высокой однородностью. Это в свою очередь обеспечивает более высокую адгезию и износостойкость покрытий.
Изложенное позволяет сделать вывод о том, что поставленная задача - создание устройства для осаждения покрытий, которое обеспечивало бы равномерное распределение концентрации плазмы в камере и однородность свойств осаждаемых на изделиях покрытий, - решена, а технический результат - повышение качества осаждаемого покрытия - достигнут.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности, неизвестной на дату приоритета из уровня техники, необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для осаждения на изделиях покрытий с повышенной однородностью свойств покрытия на всей поверхности изделия;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в нижеизложенной формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует требованиям условий патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.
Claims (1)
- Устройство для осаждения покрытий на изделиях, содержащее рабочую вакуумную камеру, мишени планарных магнетронов на стенках камеры, источники питания магнетронных разрядов, отрицательными полюсами соединенные с мишенями, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит изолированный от камеры и установленный внутри нее электрод и источник постоянного тока, отрицательным полюсом соединенный с камерой, а положительным полюсом соединенный с электродом и с положительными полюсами источников питания магнетронных разрядов.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017131580A RU2656480C1 (ru) | 2017-09-11 | 2017-09-11 | Устройство для осаждения покрытий |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017131580A RU2656480C1 (ru) | 2017-09-11 | 2017-09-11 | Устройство для осаждения покрытий |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2656480C1 true RU2656480C1 (ru) | 2018-06-05 |
Family
ID=62560331
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017131580A RU2656480C1 (ru) | 2017-09-11 | 2017-09-11 | Устройство для осаждения покрытий |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2656480C1 (ru) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2173911C2 (ru) * | 1997-04-04 | 2001-09-20 | Додонов Александр Игоревич | Получение электродуговой плазмы в криволинейном плазмоводе и нанесение покрытия на подложку |
US7300559B2 (en) * | 2000-04-10 | 2007-11-27 | G & H Technologies Llc | Filtered cathodic arc deposition method and apparatus |
RU92240U1 (ru) * | 2009-11-11 | 2010-03-10 | Учреждение Российской Академии Наук Институт Сильноточной Электроники Сибирского Отделения Ран (Исэ Со Ран) | Устройство для нанесения оксидных композиционных покрытий |
-
2017
- 2017-09-11 RU RU2017131580A patent/RU2656480C1/ru active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2173911C2 (ru) * | 1997-04-04 | 2001-09-20 | Додонов Александр Игоревич | Получение электродуговой плазмы в криволинейном плазмоводе и нанесение покрытия на подложку |
US7300559B2 (en) * | 2000-04-10 | 2007-11-27 | G & H Technologies Llc | Filtered cathodic arc deposition method and apparatus |
RU92240U1 (ru) * | 2009-11-11 | 2010-03-10 | Учреждение Российской Академии Наук Институт Сильноточной Электроники Сибирского Отделения Ран (Исэ Со Ран) | Устройство для нанесения оксидных композиционных покрытий |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
MUNZ W.-D. et al. A new method for hard coatings: ABSTM (arc bond sputtering), "Surface and Coatings Technology", 1992, vol. 50, No.2, p. 169-178. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Metel et al. | Source of metal atoms and fast gas molecules for coating deposition on complex shaped dielectric products | |
Gudmundsson et al. | Introduction to magnetron sputtering | |
Gudmundsson et al. | High power impulse magnetron sputtering discharge | |
US7327089B2 (en) | Beam plasma source | |
US20060177599A1 (en) | Dual plasma beam sources and method | |
US20220181129A1 (en) | Magnetron plasma apparatus | |
US10253407B2 (en) | Arc deposition source having a defined electric field | |
Marcu et al. | Simultaneous carbon and tungsten thin film deposition using two thermionic vacuum arcs | |
RU2649904C1 (ru) | Устройство для синтеза и осаждения металлических покрытий на токопроводящих изделиях | |
RU2373603C1 (ru) | Источник быстрых нейтральных атомов | |
RU2656480C1 (ru) | Устройство для осаждения покрытий | |
RU2657896C1 (ru) | Устройство для синтеза покрытий | |
RU2620845C1 (ru) | Устройство для синтеза и осаждения покрытий | |
US20090020415A1 (en) | "Iontron" ion beam deposition source and a method for sputter deposition of different layers using this source | |
Chiad et al. | Characteristics and operation conditions of a closed-field unbalanced dual magnetrons plasma sputtering system | |
RU2702752C1 (ru) | Устройство для синтеза покрытий | |
RU2726223C1 (ru) | Магнетронное распылительное устройство | |
RU2601903C2 (ru) | Способ напыления тонкопленочных покрытий на поверхность полупроводниковых гетероэпитаксиальных структур методом магнетронного распыления | |
RU2658623C1 (ru) | Устройство для синтеза покрытий на диэлектрических изделиях | |
RU2531373C1 (ru) | Устройство для синтеза покрытий | |
US20210134571A1 (en) | Improvements in and relating to coating processes | |
RU2716133C1 (ru) | Источник быстрых нейтральных молекул | |
Welzel et al. | Determination of energy modulations of negative oxygen ions during pulsed magnetron sputtering of magnesium oxide | |
RU159075U1 (ru) | Устройство для получения многокомпонентных многослойных покрытий | |
RU2797697C1 (ru) | Распылительное устройство |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20200218 Effective date: 20200218 |