RU2792977C1

RU2792977C1 - Planar magnetron with a rotary central anode

Info

Publication number: RU2792977C1
Application number: RU2022118885A
Authority: RU
Inventors: Александр Петрович Семенов; Дмитрий Бадма-Доржиевич Цыренов; Ирина Александровна Семенова
Filing date: 2022-07-12
Publication date: 2023-03-28

Abstract

FIELD: composite coatings.

SUBSTANCE: invention relates to the technique of applying composite coatings by carrying out non-equilibrium plasma-chemical processes that combine ion sputtering in a magnetron discharge and ion beam sputtering. It can be used for applying superhard coatings for multifunctional purposes, in particular, shock-, wear-, heat-, crack- and corrosion-resistant. The planar magnetron contains a central anode sputtered by an ion beam, an annular anode, a cathode, annular magnets, a high-voltage rectifier, and a plasma-forming gas puffing system. A through hole is made in the magnetron coaxially with its symmetry axis, a rod is installed coaxially in the hole with the possibility of axial rotation at a speed of 6.28 rad/s, holding the central anode at an angle of 45-50° relative to the direction of the sputtering ion beam on the central anode, and the axis of rotation of the central anode coincides with the axis of symmetry of the ion beam, the rod and the central anode are electrically connected to the annular anode.

EFFECT: increased efficiency of the process by optimizing the combination of functions of the central anode as a target sputtered by an ion beam and expanding the functionality of a planar magnetron in the synthesis of nanostructured composite coatings for multifunctional purposes.

1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к технике нанесения композитных покрытий путем проведения неравновесных плазмохимических процессов, объединяющих ионное распыление в магнетронном разряде и распыление ионным пучком. Может быть использовано для нанесения сверхтвердых покрытий полифункционального назначения, в частности, износо-, ударо-, тепло-, трещино- и коррозионностойких.The invention relates to the technique of applying composite coatings by carrying out non-equilibrium plasma-chemical processes that combine ion sputtering in a magnetron discharge and ion beam sputtering. It can be used for applying superhard coatings for multifunctional purposes, in particular, wear-, shock-, heat-, crack- and corrosion-resistant.

Известны: распылительный блок магнетрона для осаждения пленок твердых растворов Fe_xTi_(1-x)O₂ в диапазоне 0<x<0,6 (патент RU 2664009, С23С 14/35, 14/08, 2017), распыляемый блок магнетрона для осаждения пленок твердых растворов Ti_хW_(1-x)O₃ (патент RU 2699702, С23С 14/35, 2019) и полезная модель, распыляемый блок магнетрона для осаждения твердых композиционных пленок (полезная модель к патенту RU 201611, С23С 14/25, 14/06, 2019). Распыляемый блок магнетрона содержит мишень, размещенную в реактивной среде, состоящей из плазмообразующего газа аргона и кислорода, либо аргона и азота. Мишень выполнена из двух металлических пластин, расположенных на одной оси с магнетроном параллельно друг другу и жестко прикрепленных к нему. Внутренняя пластина выполнена охлаждаемой и изготовлена из титана (железа) либо молибдена, внешняя - изготовлена из вольфрама (титана) либо хрома, при этом в зоне ее эрозии выполнены прорези, расположенные симметрично относительно ее центра. Техническим результатом изобретения является увеличение энергетической эффективности реактивного магнетронного распыления за счет управления химическим составом пленок Fe_xTi_(1-x)O₂ при 0<x<0,6, Ti_хW_(1-x)O₃ при 0,01<x<0,05 и Mo_xCr_(1-x)N при 0<x<0.3 посредством варьирования суммарной площадью прорезей и током разряда. Общим недостатком являются трудность управления фазовым и элементным составом покрытий, сложность конструкции распыляемого блока магнетрона.Known: magnetron sputtering unit for depositing films of solid solutions Fe _x Ti _(1-x) O ₂ in the range 0<x<0.6 (patent RU 2664009, С23С 14/35, 14/08, 2017), sputtering magnetron unit for deposition of films of Ti _x W _(1-x) O ₃ solid solutions (patent RU 2699702, С23С 14/35, 2019) and a utility model, sputtered magnetron unit for deposition of solid composite films (utility model to patent RU 201611, С23С 14/25 , 14/06, 2019). The sputtered block of the magnetron contains a target placed in a reactive medium consisting of a plasma-forming gas of argon and oxygen, or argon and nitrogen. The target is made of two metal plates located on the same axis with the magnetron parallel to each other and rigidly attached to it. The inner plate is made coolable and is made of titanium (iron) or molybdenum, the outer one is made of tungsten (titanium) or chromium, while slots are made in its erosion zone, located symmetrically relative to its center. The technical result of the invention is to increase the energy efficiency of reactive magnetron sputtering by controlling the chemical composition of the films Fe _x Ti _(1-x) O ₂ at 0<x<0.6, Ti _x W _(1-x) O ₃ at 0.01<x<0.05 and Mo _x Cr _(1-x) N at 0<x<0.3 by varying the total area of the slots and the discharge current. A common disadvantage is the difficulty in controlling the phase and elemental composition of coatings, the complexity of the design of the sputtered magnetron block.

Известен узел катода магнетронного распылителя (патент RU 2555264, С23С 14/35, 2014). В узле катода магнетронного распылителя магниты установлены на основании из ферромагнитного материала и отделены от мишени зазором. При этом основание со стороны мишени выполнено с ориентированным по его длине симметричным его продольной оси выступом, который образует замкнутый контур, отделенный от мишени теплопроводящей прокладкой. С противоположной стороны основания под контуром выполнен ступенчатый в поперечном сечении канал для охлаждающей жидкости, который герметично закрыт заглушкой и в котором выполнены отверстия для подвода и отвода охлаждающей жидкости. Изобретение направлено на повышение надежности работы узла и увеличение его срока службы. Существенный недостаток - технические решения не обеспечивают достаточные условия для синтеза наноструктурированных композитных покрытий.Known site of the cathode of the magnetron sputterer (patent RU 2555264, C23C 14/35, 2014). In the magnetron sputter cathode assembly, the magnets are mounted on a ferromagnetic base and separated from the target by a gap. In this case, the base on the target side is made with a protrusion oriented along its length and symmetrical to its longitudinal axis, which forms a closed contour separated from the target by a heat-conducting spacer. On the opposite side of the base, under the contour, there is a coolant channel stepped in cross-section, which is hermetically sealed with a plug and in which holes are made for inlet and outlet of the coolant. The invention is aimed at improving the reliability of the assembly and increasing its service life. A significant drawback is that technical solutions do not provide sufficient conditions for the synthesis of nanostructured composite coatings.

Известна полезная модель, распылительный магнетрон (полезная модель к патенту RU 198710, H01J 25/00, 37/34, 2020). Существенное отличие конструкции распылительного магнетрона состоит в уменьшении количества и сложности деталей магнетрона, отсутствием в горячей зоне резиновых или полимерных уплотнителей, трубок, паяных соединений, имеющих выход в вакуумную камеру. Основой магнетрона является электрически изолированный от установочного фланца охлаждаемый проточной водой медный вакуумный ввод, на который устанавливаются магнитная система, корпус и верхняя крышка магнетрона. Дополнительным преимуществом такой конструкции является возможность распыления на одном магнетроне мишеней различных размеров путем простой замены магнитной системы и прижимного кольца. Технический результат состоит в упрощении конструкции магнетрона, повышении надежности его работы, при наличии возможности оперативной замены магнитной системы для распыления мишеней различного размера. Существенным недостатком является трудность получения композитных покрытий и ограниченность технологических возможностей, вследствие чего не представляется возможным получение нанокомпозитных покрытий с заданным распределением примесных компонент по толщине наращиваемого покрытия.Known utility model, sputtering magnetron (utility model to the patent RU 198710, H01J 25/00, 37/34, 2020). A significant difference in the design of the sputtering magnetron is the reduction in the number and complexity of magnetron parts, the absence of rubber or polymer seals, tubes, and solder joints in the hot zone that have access to the vacuum chamber. The basis of the magnetron is a copper vacuum bushing, electrically isolated from the mounting flange, cooled by running water, on which the magnetic system, housing and top cover of the magnetron are mounted. An additional advantage of this design is the possibility of sputtering targets of various sizes on one magnetron by simply replacing the magnetic system and the clamping ring. The technical result consists in simplifying the design of the magnetron, increasing the reliability of its operation, with the possibility of prompt replacement of the magnetic system for sputtering targets of various sizes. A significant disadvantage is the difficulty in obtaining composite coatings and the limited technological capabilities, as a result of which it is not possible to obtain nanocomposite coatings with a given distribution of impurity components over the thickness of the coating being grown.

Известна полезная модель, магнетронное распылительное устройство (полезная модель к патенту RU 41023, С23С 14/34, 2004). Изобретение предназначено для создания многослойных тонкопленочных структур и содержит, по крайней мере, три мишени, расположенные вокруг центральной оси устройства так, что образуют призму, имеющую ось вращения, совпадающую с осью устройства, распыляемые поверхности мишеней обращены наружу и каждая содержит, по крайней мере, по одному распыляемому материалу, магнитная система расположена с обратной стороны мишеней. Мишени могут иметь отдельные магнитные системы, выполненные с возможностью поворота совместно с мишенью вокруг оси для приведения ее в положение, в котором поверхность мишени становится параллельной напыляемой подложке, и могут иметь одну общую магнитную систему, состоящую из двух частей: общей неподвижной магнитной системы, активная часть которой ориентирована в направлении размещения напыляемой подложки, и подвижной, представляющей собой полюсные наконечники расположенные между мишенями и выполненные с возможностью замыкания магнитной цепи при повороте призмы вокруг оси, для приведения призмы в положение, в котором поверхность мишени становится параллельной напыляемой подложке. Недостатком устройства является ограниченность технологических возможностей, связанных с очередностью технологических операций и с трудностью получения композитных покрытий с низкой концентрацией легирующих фаз, вследствие чего не представляется возможным получение нанокомпозитных покрытий с заданным распределением примесных компонент по толщине наращиваемого покрытия, кроме того, отмечается сложность конструкции магнетрона и электрического питания.A utility model is known, a magnetron sputtering device (utility model to patent RU 41023, C23C 14/34, 2004). The invention is intended to create multilayer thin-film structures and contains at least three targets located around the central axis of the device so that they form a prism having an axis of rotation coinciding with the axis of the device, the sputtered surfaces of the targets are facing outward and each contains at least one sputtered material, the magnetic system is located on the reverse side of the targets. Targets can have separate magnetic systems, made with the possibility of rotation together with the target around the axis to bring it to a position in which the target surface becomes parallel to the deposited substrate, and can have one common magnetic system, consisting of two parts: a common fixed magnetic system, active part of which is oriented in the direction of placement of the deposited substrate, and movable, representing pole pieces located between the targets and configured to close the magnetic circuit when the prism rotates around the axis, to bring the prism to a position in which the target surface becomes parallel to the deposited substrate. The disadvantage of the device is the limited technological capabilities associated with the sequence of technological operations and the difficulty of obtaining composite coatings with a low concentration of alloying phases, as a result of which it is not possible to obtain nanocomposite coatings with a given distribution of impurity components over the thickness of the growing coating, in addition, the complexity of the design of the magnetron and electrical supply.

Известна полезная модель, установка для вакуумного магнетронного напыления тонких пленок (полезная модель к патенту RU 182457, С23С 14/35, 14/56, 2017), содержащая вакуумную камеру, вдоль которой расположены по крайней мере два магнетронных распылительных устройства с плоскими катодами-мишенями и магнитную систему, находящуюся за катодом-мишенью. Установка включает систему откачки и напуска рабочего газа в вакуумную камеру и систему перемещения подложки вдоль вакуумной камеры с ленточным конвейером. Вдоль внешней боковой поверхности катодов-мишеней установлены экраны в виде металлических пластин, которые электрически изолированы от катода-мишени и выступают за их поверхность. Катоды-мишени выполнены - один из металла, другой из графита. К ленточному конвейеру, перемещающему ленточную подложку многократно вдоль вакуумной камеры, подключен источник постоянного тока, создающий на подложке положительный относительно катода-мишени потенциал. Хотя вакуумная установка магнетронного напыления позволяет расширить функциональные возможности, за счет получения на ленточной подложке нанометрического равномерного покрытия многокомпонентного состава заданной толщины, имеющего улучшенные механические свойства. Существенным недостатком является ограниченность технологических возможностей получения нанокомпозитных покрытий с заданным распределением примесных компонент по толщине наращиваемого покрытия. Кроме того, к недостаткам установки относится сложность конструкции управления системой механических цепных приводов и электрического питания.A utility model is known, an installation for vacuum magnetron sputtering of thin films (utility model to patent RU 182457, C23C 14/35, 14/56, 2017), containing a vacuum chamber along which at least two magnetron sputtering devices with flat target cathodes are located and a magnetic system behind the target cathode. The installation includes a system for pumping and puffing the working gas into the vacuum chamber and a system for moving the substrate along the vacuum chamber with a belt conveyor. Screens in the form of metal plates are installed along the outer side surface of the target cathodes, which are electrically isolated from the target cathode and protrude beyond their surface. Target cathodes are made - one of metal, the other of graphite. A constant current source is connected to the belt conveyor, which moves the belt substrate many times along the vacuum chamber, creating a positive potential on the substrate relative to the target cathode. Although the vacuum installation of magnetron sputtering makes it possible to expand the functionality by obtaining a nanometric uniform coating of a multicomponent composition of a given thickness on a tape substrate, which has improved mechanical properties. A significant disadvantage is the limited technological possibilities for obtaining nanocomposite coatings with a given distribution of impurity components over the thickness of the growing coating. In addition, the disadvantages of the installation include the complexity of the design of the control system of mechanical chain drives and electrical power.

Наиболее близким техническим решением является составная мишень для получения нанокомпозитов при магнетронном распылении (полезная модель к патенту RU 183138, H01J 37/00, В82 В 1/00, 2018). Мишень включает два распыляемых материала, расположенных в зоне магнетронного распыления, первый из которых выполнен в виде диска с диаметром, превышающим наружный диаметр зоны распыления, второй распыляемый материал также выполнен в виде диска, наложенного на диск первого распыляемого материала коаксиально по отношению к распыляемой зоне, при этом диаметр диска второго распыляемого материала меньше наружного диаметра зоны распыления и превышает внутренний диаметр этой зоны. Такая конструкция составной мишени позволяет стабилизировать и обеспечить однородность распыления за счет устранения деформации мишени и получение тонкопленочного нанокомпозита. Для получения нанокомпозита в качестве первого распыляемого материала взят диск графита диаметром 100 мм и толщиной 5 мм. В качестве второго распыляемого материала взят диск меди диаметром 75 мм и толщиной 1 мм. Для получения составной мишени этот диск был наложен на графитовый диск коаксиально по отношению к области распыления, сформированной на графитовом диске в процессе тестового распыления. Процесс магнетронного распыления данной составной мишени выполнен при давлении аргона в камере 1 Па и мощности на мишени 500 Вт в течение 15 мин. В результате на подложке из стекла, закрепленной на аноде напылительной камеры, получена пленка нанокомпозита алмазоподобный графит/Cu толщиной 0,1 мкм. Анализ состава, полученного нанокомпозита по методу энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии показал, в алмазоподобном графите присутствует медь в соотношении 0.3/1. Недостатком таких мишеней является ограниченность технологических возможностей, связанных с трудностью получения композитных покрытий магнетронным распылением с низкой концентрацией легирующих фаз.The closest technical solution is a composite target for producing nanocomposites by magnetron sputtering (utility model to patent RU 183138, H01J 37/00, V82 V 1/00, 2018). The target includes two sputtered materials located in the magnetron sputtering zone, the first of which is made in the form of a disk with a diameter exceeding the outer diameter of the sputtering zone, the second sputtered material is also made in the form of a disk superimposed on the disk of the first sputtered material coaxially with respect to the sputtered zone, wherein the diameter of the disc of the second sprayed material is less than the outer diameter of the spray zone and exceeds the inner diameter of this zone. This design of the composite target makes it possible to stabilize and ensure the uniformity of sputtering by eliminating target deformation and obtaining a thin-film nanocomposite. To obtain a nanocomposite, a graphite disk with a diameter of 100 mm and a thickness of 5 mm was taken as the first material to be sprayed. A copper disk 75 mm in diameter and 1 mm thick was taken as the second spray material. To obtain a composite target, this disk was superimposed on a graphite disk coaxially with respect to the sputtering region formed on the graphite disk during test sputtering. The process of magnetron sputtering of this composite target was performed at an argon pressure in the chamber of 1 Pa and a target power of 500 W for 15 min. As a result, a DLC/Cu nanocomposite film 0.1 µm thick was obtained on a glass substrate fixed on the anode of the deposition chamber. Analysis of the composition of the resulting nanocomposite by the method of energy dispersive X-ray spectroscopy showed that diamond-like graphite contains copper in a ratio of 0.3/1. The disadvantage of such targets is the limited technological capabilities associated with the difficulty of obtaining composite coatings by magnetron sputtering with a low concentration of alloying phases.

Изобретение позволяет устранить указанные недостатки прототипа, повысить эффективность процесса, благодаря новой конструкции планарного магнетрона с центральным анодом, выполняющим функции мишени, распыляемой ионным пучком. Центральный анод установлен с возможностью вращения и наклонно относительно направления падения распыляющего ионного пучка, причем ось вращения центрального анода совпадает с осью симметрии ионного пучка. Расчет коэффициента распыления медного центрального анода магнетрона показывает, при наклонном падении распыляющих ионов и прочих равных условиях обеспечивается рост коэффициента распыления центрального анода, при этом достигается максимальная кучность распыленных атомов на ростовой поверхности подложек. Наряду с распылением в магнетронном разряде катода, распыление ионным пучком центрального анода магнетрона, обуславливает новые, не свойственные обычным конструкциям планарных магнетронов функциональные возможности. Управление параметрами пучка и мощностью магнетронного разряда упрощает регулирование долевого соотношения распыляемых компонентов и выращивание композитных покрытий. Такое совмещение потенциально открывает возможность контролируемого управления размерами кристаллитов в наращиваемом покрытии, что является крайне важным, поскольку наноструктура и как следствие, микротвердость и трещиностойкость покрытий, в определенной мере зависят от концентрации примесной компоненты.EFFECT: invention allows to eliminate the indicated disadvantages of the prototype, to increase the efficiency of the process, thanks to the new design of a planar magnetron with a central anode, which acts as a target sputtered by an ion beam. The central anode is installed with the possibility of rotation and inclined relative to the direction of incidence of the sputtering ion beam, and the axis of rotation of the central anode coincides with the axis of symmetry of the ion beam. Calculation of the sputtering coefficient of the copper central anode of the magnetron shows that with oblique incidence of sputtering ions and other equal conditions, an increase in the sputtering coefficient of the central anode is ensured, while the maximum accuracy of sputtered atoms on the growth surface of the substrates is achieved. Along with sputtering in the magnetron discharge of the cathode, the sputtering of the central anode of the magnetron by an ion beam causes new functionality that is not characteristic of conventional planar magnetron designs. The control of the beam parameters and the power of the magnetron discharge simplifies the regulation of the fractional ratio of the sputtered components and the growth of composite coatings. Such a combination potentially opens up the possibility of controlled control over the size of crystallites in the growing coating, which is extremely important, since the nanostructure and, as a result, the microhardness and crack resistance of coatings, to a certain extent depend on the concentration of the impurity component.

Возможность осуществления изобретения с использованием признаков планарного магнетрона, включенных в формулу изобретения, подтверждается примером его практической реализации.The possibility of carrying out the invention using the features of a planar magnetron included in the claims is confirmed by an example of its practical implementation.

На фиг. 1 (а) представлена новая конструкция планарного магнетрона с ротационным центральным анодом. В магнетроне соосно оси его симметрии выполнено сквозное отверстие. Соосно в отверстии установлен стержень 1 с возможностью осевого вращения и наклонно удерживает центральный анод 2. Стержень 1 и центральный анод 2 электрически соединенны с кольцевым анодом 3. Подложки 4 располагаются горизонтально против активной зоны катода 5. Пучок ионов 6 падает на центральный анод 2 магнетрона. Кольцевые магниты 7 охлаждаются проточной водой. Свободным концом стержень 1 крепится к механическому редуктору 8 и приводится во вращение электрическим микродвигателем 9. Плазмообразующая смесь газов натекает через отверстие на периферии в корпусе магнетрона. Общий вид планарного магнетрона представлен на фиг.2. Новая конструкция планарного магнетрона расширяет функциональные возможности магнетрона, в частности, при синтезе наноструктурированных композитных покрытий TiN-Cu.In FIG. 1(a) shows a new design of a planar magnetron with a rotating central anode. A through hole is made in the magnetron coaxially with its symmetry axis. A rod 1 is installed coaxially in the hole with the possibility of axial rotation and obliquely holds the central anode 2. The rod 1 and the central anode 2 are electrically connected to the annular anode 3. The substrates 4 are arranged horizontally against the active zone of the cathode 5. The ion beam 6 falls on the central anode 2 of the magnetron. Ring magnets 7 are cooled by running water. The free end of the rod 1 is attached to the mechanical gearbox 8 and is driven by an electric micromotor 9. The plasma-forming mixture of gases flows through the hole on the periphery in the magnetron housing. General view of the planar magnetron is shown in Fig.2. The new design of the planar magnetron expands the functionality of the magnetron, in particular, in the synthesis of nanostructured TiN-Cu composite coatings.

Практическая значимость признаков технического результата, включенных в формулу изобретения, подтверждается примером практического применения планарного магнетрона с ротационным центральным анодом в режиме синтеза наноструктурированных композитных покрытий TiN-Cu. Пучок ионов 6 током 4 мА и энергией ионов 10 кэВ падает на медный центральный анод 2 магнетрона под углом θ~45-50°. Центральный анод 2 установлен с возможностью осевого вращения со скоростью 6,28 рад/с. Благодаря инициирования ускоренным ионным пучком доминирующих процессов, электронно-ионной эмиссии и распыления центрального анода магнетрона, давление при котором зажигается аномальный тлеющий разряд в магнетроне составляет<8⋅10^-2 Па. Направленность распыления фиг.1 (б) определяется углом падения ионов на центральный анод 2, углом между нормалью к плоскости анода и направлением падения ионов. В случае наклонного падения ионов, отклонение от нормального падения на угол θ>0, приводит к сокращению глубины проникновения части ионов на величину Cosθ и как следствие концентрированию каскада столкновений в области поверхности медного анода. В общем случае коэффициент распыления выражается соотношением Y _Cu (θ)~Y _Cu (0)/(Cosθ) ^k _,где Y _Cu (0) и Y _Cu (θ) - соответственно коэффициенты распыления при углах падения распыляющих ионов 0 и θ градусов. При M _Ar<M _Cu, где M _Ar и M _Cu, соответственно массы распыляющего иона и распыляемого атома, показатель k~1. Расчетные зависимости коэффициента распыления меди фиг. 3 (1) от энергии распыляющих ионов аргона (θ=0, ток пучка ионов 4 мА) и коэффициента распыления меди фиг. 3 (2) от угла падения распыляющих ионов аргона (ток пучка ионов 4 мА, энергия ионов 10 кэВ). Расчетные значения хорошо согласуются с экспериментальными значениями коэффициентов распыления Cu ионами Ar⁺в диапазоне килоэлектрон-вольтных энергий распыляющих ионов. Расчет показывает, при наклонном падении ионов, коэффициент распыления медного центрального анода при прочих равных условиях увеличивается с 6 до 9 атомов на один падающий ион, фиг. 3 (2), при этом обеспечивается максимальная кучность распыленных атомов меди на ростовой поверхности подложек. Зажигание магнетронного разряда в магнитном поле и заданном давлении плазмообразующей смеси газов Ar и N₂ происходит подачей выпрямленного напряжения между титановым катодом 5 и электрически соединенными кольцевым 3 и центральным 2 анодами. Ток разряда магнетрона 0,1-0,5 А, напряжение горения разряда 400-470 В. Основными эксплуатационными параметрами магнетрона являются напряжение на электродах, ток разряда, плотность ионного тока на катоде, мощность разряда, радиальная составляющая индукции магнитного поля и давление газа. В качестве подложек 4, используются пластины шестигранные сменные (табл.) тип 11114 (HNUM) ГОСТ 19068-80 из твердого сплава Т15К6, применяются для проходных резцов и торцевых фрез.The practical significance of the features of the technical result included in the claims is confirmed by an example of the practical application of a planar magnetron with a rotating central anode in the synthesis mode of nanostructured TiN-Cu composite coatings. An ion beam 6 with a current of 4 mA and an ion energy of 10 keV falls on the copper central anode 2 of the magnetron at an angle θ ~45-50°. The central anode 2 is installed with the possibility of axial rotation at a speed of 6.28 rad/s. Due to the initiation of dominant processes by an accelerated ion beam, electron-ion emission and sputtering of the central anode of the magnetron, the pressure at which the anomalous glow discharge in the magnetron is ignited is <8⋅10 ^-2 Pa. The direction of sputtering figure 1 (b) is determined by the angle of incidence of ions on the Central anode 2, the angle between the normal to the plane of the anode and the direction of incidence of ions. In the case of oblique incidence of ions, the deviation from the normal incidence by an angle θ > 0 leads to a reduction in the penetration depth of some of the ions by the value Cosθ and, as a consequence, to the concentration of the collision cascade in the area of the copper anode surface. In the general case, the sputtering coefficient is expressed by the ratio Y _Cu (θ)~Y _Cu (0) / (Cosθ) ^k _, where Y _Cu (0) and Y _Cu (θ) are the sputtering coefficients, respectively, at angles of incidence of sputtering ions of 0 and θ degrees. When M _Ar < M _Cu , where M _Ar and M _Cu are the masses of the sputtering ion and the sputtered atom, respectively, the exponent k ~1. The calculated dependences of the copper sputtering coefficient of Fig. 3 ( 1 ) on the energy of sputtering argon ions ( θ = 0, ion beam current 4 mA) and the sputtering coefficient of copper in Fig. 3 ( 2 ) on the angle of incidence of sputtering argon ions (ion beam current 4 mA, ion energy 10 keV). The calculated values are in good agreement with the experimental values of the coefficients of Cu sputtering by Ar ⁺ ions in the range of kiloelectronvolt energies of the sputtering ions. The calculation shows that with an oblique incidence of ions, the sputtering coefficient of the copper central anode, other things being equal, increases from 6 to 9 atoms per incident ion, Fig. 3 (2), while ensuring the maximum accuracy of sputtered copper atoms on the growth surface of the substrates. Ignition of a magnetron discharge in a magnetic field and a given pressure of the plasma-forming mixture of Ar and N ₂ gases occurs by applying a rectified voltage between the titanium cathode 5 and electrically connected annular 3 and central 2 anodes. The magnetron discharge current is 0.1-0.5 A, the discharge burning voltage is 400-470 V. The main operational parameters of the magnetron are the voltage on the electrodes, the discharge current, the ion current density at the cathode, the discharge power, the radial component of the magnetic field induction and the gas pressure. As substrates 4, hexagonal replaceable plates (table) type 11114 (HNUM) GOST 19068-80 from T15K6 hard alloy are used, they are used for through cutters and end mills.

Таблица. Пластина шестигранная сменная.Table. Replaceable hexagonal plate. ОбозначениеDesignation Размер^*, ммSize ^* , mm ЦифровоеDigital Буквенно-цифровоеAlphanumeric LL DD dd ss 11114-09040811114-090408 HNUM-090408HNUM-090408 9,19.1 15,87515.875 6,356.35 4,764.76

^*) L - длина боковой грани, D - расстояние между противолежащими гранями, d - диаметр отверстия, s - толщина пластины. ^*) L - side edge length, D - distance between opposite edges, d - hole diameter, s - plate thickness.

Применяя катод 5 магнетрона из Ti, центральный анод 2 из Cu и плазмообразующую смесь газов Ar и N₂ (в плазме магнетронного разряда молекулярный азот диссоциирует на химически активный атомарный N_2↔2N) можно направленно вести синтез TiN в парах Cu. Тонкое регулирование долевого наполнения наращиваемого покрытия примесью Cu, вносимой наклонным под углом 45-50(распылением ионным пучком 6 центрального анода 2, установленного с возможностью осевого вращения со скоростью 6,28 рад/с, позволяет направленно воздействовать на внутреннее строение и фазовый состав TiN-Cu покрытий и выращивать сверхтвердые, износо-, ударо-, тепло-, трещино- и коррозионностойкие композитные нитридные покрытия состава TiN-Cu с нанокристаллической структурой. Испытание новой конструкции планарного магнетрона показало высокую надежность и стабильность параметров недоступных типовым планарным магнетронам. Исследование строения поверхности композитного покрытия TiN-Cu (атомно-силовой микроскоп Multi-Mode-8) свидетельствует, покрытие имеет характерную однородную глобулярную структуру (фиг. 4) с размерами кристаллитов в пределах 50-100 нм и указывает на нормальный (негранный) механизм наращивания покрытия TiN-Cu. Микротвердость сформированных слоев исследовали на микротвердомере ПМТ-3 М, укомплектованным цифровой камерой с программой обработки изображений отпечатков NEXSYS ImageExpert MicroHardness 2. Микротвердость покрытий составляет ~ 42 ГПа. Общий вид пластины из твердого сплава Т15К6 с покрытием TiN-Cu показан на фиг. 5.Using cathode 5 of a magnetron made of Ti, central anode 2 made of Cu, and a plasma-forming mixture of gases Ar and N ₂ (in the plasma of a magnetron discharge, molecular nitrogen dissociates into reactive atomic N _{2 ↔} 2N), it is possible to conduct directed synthesis of TiN in Cu vapor. Fine regulation of the fractional filling of the build-up coating with Cu impurity introduced at an angle of 45-50 (by sputtering with an ion beam 6 of the central anode 2, installed with the possibility of axial rotation at a speed of 6.28 rad/s, makes it possible to influence the internal structure and phase composition of TiN- Cu coatings and grow superhard, wear-, shock-, heat-, crack- and corrosion-resistant composite nitride coatings of composition TiN-Cu with nanocrystalline structure. TiN-Cu coating (Multi-Mode-8 atomic force microscope) indicates that the coating has a characteristic homogeneous globular structure (Fig. 4) with crystallite sizes in the range of 50-100 nm and indicates a normal (non-faceted) TiN-Cu coating growth mechanism The microhardness of the formed layers was studied on a PMT-3 M microhardness tester equipped with a digital camera with the NEXSYS ImageExpert MicroHardness 2 program for processing images of prints. A general view of the T15K6 hard alloy plate with TiN-Cu coating is shown in Fig. 5.

Claims

Planar magnetron containing a central anode sputtered by an ion beam, an annular anode, a cathode, ring magnets, a high-voltage rectifier, a plasma-forming gas puffing system, characterized in that a through hole is made in the magnetron coaxially to its symmetry axis, a rod is installed coaxially in the hole with the possibility of axial rotation at a speed of 6.28 rad/s and obliquely holds the central anode at an angle of 45-50 (relative to the direction of incidence of the sputtering ion beam on the central anode, and the axis of rotation of the central anode coincides with the axis of symmetry of the ion beam, the rod and the central anode are electrically connected to the annular anode .