RU2794524C1 - Магнетронное распылительное устройство - Google Patents
Магнетронное распылительное устройство Download PDFInfo
- Publication number
- RU2794524C1 RU2794524C1 RU2022126811A RU2022126811A RU2794524C1 RU 2794524 C1 RU2794524 C1 RU 2794524C1 RU 2022126811 A RU2022126811 A RU 2022126811A RU 2022126811 A RU2022126811 A RU 2022126811A RU 2794524 C1 RU2794524 C1 RU 2794524C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- target
- glow discharge
- vacuum chamber
- atoms
- alloying element
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Изобретение относится к устройствам для осаждения покрытий на изделия в вакуумной камере и предназначено для получения изделий со сверхтвердыми покрытиями с улучшенной адгезией и низким коэффициентом трения за счет добавления к осаждаемым на изделии атомам распыляемой магнетронной мишени атомов легирующего элемента. Технический результат - расширение эксплуатационных возможностей за счет варьирования легирующего элемента мишени и регулирования содержания его атомов в потоке атомов мишени на подложку, а также снижение затрат на изготовление мишеней. Магнетронное распылительное устройство содержит плоскую круглую мишень, являющуюся катодом тлеющего разряда, магнитную систему, один из полюсов которой прилегает к центру внешней поверхности мишени, а второй ее полюс прилегает к периферии внешней поверхности мишени, вакуумную камеру, являющуюся анодом тлеющего разряда, источник питания тлеющего разряда, соединенный отрицательным полюсом с мишенью, а положительным полюсом - с вакуумной камерой. Устройство снабжено выполненным из материала легирующего элемента концентричным с мишенью и закрепленным на ней диском. 1 ил.
Description
Изобретение относится к устройствам для осаждения покрытий на изделиях в вакуумной камере.
Известно устройство для осаждения покрытий, в котором испаряемая в камере катодными пятнами вакуумной дуги мишень выполнена из спеченного композиционного материала, например, титана с низким содержанием меди (≤12 ат. %) и используется для вакуумно-дугового осаждения многокомпонентных нитридных покрытий, например, состава Ti-Cu-N (Н.Н. Коваль, Ю.Ф. Иванов, О.В. Крысина, B.C. Ложкин, А.Ю. Чумаченко. Нанокристаллические покрытия, получаемые вакуумно-дуговым методом с плазменным ассистированием: синтез, структура, характеристики // Обработка металлов: технология, оборудование, инструменты. 2011. №3. С.77-80). Проведенные методом наноиндентации исследования показали, что покрытия на основе нитрида титана с добавками меди имеют высокую твердость (≥40 ГПа), позволяющую отнести их к классу сверхтвердых покрытий. Методом скрэтч-тест по изменению сигнала акустической эмиссии была определена величина критической нагрузки, значения которой превышают в 2-3 раза значения критической нагрузки для обычного нитрида титана (TiN), что свидетельствует о хорошей адгезии многокомпонентных покрытий, по сравнению с традиционным TiN. Измеренные значения коэффициента трения показали, что при добавлении меди коэффициент трения для TiN уменьшился в два раза. Такое улучшение характеристик обусловлено наличием нанокристаллической структуры в покрытиях нитрида титана с добавкой меди, состоящих из кристаллитов TiN со средним размером 18,0 нм. Торможение роста кристаллитов TiN во время формирования покрытий в покрытиях состава Ti-Cu-N объясняется наличием прослоек меди по границам кристаллитов нитрида титана.
Недостатками устройства являются сложность изготовления мишени из композиционного материала, невозможность регулировать содержание атомов меди в потоке атомов титана на подложку и наличие микроскопических капель металла в синтезируемых покрытиях.
Известно магнетронное распылительное устройство, содержащее плоскую круглую мишень из необходимого металла, являющуюся катодом тлеющего разряда, магнитную систему, один из полюсов которой прилегает к центру внешней поверхности мишени, а второй ее полюс прилегает к периферии внешней поверхности мишени, вакуумную камеру, являющуюся анодом тлеющего разряда, и источник питания тлеющего разряда, соединенный отрицательным полюсом с мишенью и положительным полюсом - с вакуумной камерой (Патент США №3878085, 1975 г.). Магнитная система формирует вблизи внутренней поверхности мишени поле с арочной конфигурацией силовых линий. При бомбардировке мишени ионами аргона она эмитирует электроны, которые ускоряются в слое объемного заряда между плазмой и мишенью до энергии eU, где U - катодное падение потенциала разряда между плазмой и мишенью. Каждый электрон, влетевший в плазму, движется в ней по отрезку окружности, перпендикулярной магнитному полю, возвращается в слой и отражается в нем обратно в плазму. Образуется магнитная ловушка, в которой электроны проходят по замкнутой криволинейной траектории вблизи поверхности мишени путь, превышающий ее размеры в сотни и тысячи раз. Участки силовых линий магнитного поля на выходе из центра мишени и на пересечении с ее поверхностью на периферии не позволяют электронам вылететь из кольцевой области магнитной ловушки в радиальном направлении. Это обеспечивает поддержание тлеющего разряда при давлении газа 0,1-1 Па и транспортировку атомов распыляемой мишени до изделий. В потоке атомов полностью отсутствуют микрокапли материала мишени, что повышает качество покрытий.
Наиболее близким решением по технической сущности к изобретению является магнетронное распылительное устройство, содержащее плоскую круглую мишень, являющуюся катодом тлеющего разряда, магнитную систему, один из полюсов которой прилегает к центру внешней поверхности мишени, а второй ее полюс прилегает к периферии внешней поверхности мишени, вакуумную камеру, являющуюся анодом тлеющего разряда, и источник питания тлеющего разряда, соединенный отрицательным полюсом с мишенью и положительным полюсом - с вакуумной камерой, а плоская круглая мишень выполнена из композиционного материала с малым содержанием легирующего элемента (К.Р. Andreasen, Т. Jensen, J.H. Petersen, J. Chevallier, J. Bottiger, N. Schell. The structure and the corresponding mechanical properties of magnetron sputtered TiN-Cu nanocomposite // Surface and Coatings Technology 182 (2004) 268-275).
При выполнении мишени из композиционного материала, например, титана с содержанием 20% меди твердость синтезированного покрытия из нитрида титана достигает 40 ГПа, то есть величины, позволяющей отнести его к сверхтвердым покрытиям. Коэффициент использования материала магнетронной мишени ограничен, так как круглый участок диаметром D] в центре мишени и ее поверхность за пределами внешнего диаметра D2 кольцевой зоны эрозии не распыляются ионами.
Недостатками устройства являются сложность изготовления мишени из композиционного материала и невозможность регулировать содержание атомов легирующего элемента в потоке атомов мишени на изделие.
Задачей предложенного технического решения является создание магнетронного распылительного устройства, позволяющего изменять легирующий элемент мишени и регулировать содержание его атомов в потоке атомов мишени на изделие.
Технический результат - расширение эксплуатационных возможностей за счет изменения легирующего элемента мишени и регулирования содержания его атомов в потоке атомов мишени на изделие, а также снижение затрат на изготовление распыляемой мишени.
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что магнетронное распылительное устройство, содержащее плоскую круглую мишень, являющуюся катодом тлеющего разряда, магнитную систему, один из полюсов которой прилегает к центру внешней поверхности мишени, а второй ее полюс прилегает к периферии внешней поверхности мишени, вакуумную камеру, являющуюся анодом тлеющего разряда, и источник питания тлеющего разряда, соединенный отрицательным полюсом с мишенью, а положительным полюсом - с вакуумной камерой, снабжено выполненным из материала легирующего элемента концентричным с мишенью и закрепленным на ней диском с диаметром D, превышающим диаметр D1 заданной, не распыляемой ионами центральной зоны мишени и меньшим максимального диаметра D2 заданной области распыления.
Изобретение поясняется Фиг. 1, где изображена схема магнетронного распылительного устройства.
Устройство содержит плоскую круглую мишень 1, являющуюся катодом тлеющего разряда, магнитную систему 2, один из полюсов которой прилегает к центру внешней поверхности мишени 1, а второй ее полюс прилегает к периферии внешней поверхности мишени 1, вакуумную камеру 3, являющуюся анодом тлеющего разряда, и источник питания 4 тлеющего разряда, соединенный отрицательным полюсом с мишенью 1, а положительным полюсом - с вакуумной камерой 3, выполненный из материала легирующего элемента концентричный с мишенью 1 и закрепленный на ней диск 5 с диаметром D, превышающим диаметр Di заданной, не распыляемой ионами центральной зоны мишени 1 и меньшим максимального диаметра D2 заданной области распыления. Также на Фиг. 1 указан винт 6, прикрепляющий диск 5 к мишени 1, в центре которой имеется резьбовое гнездо 7 для винта 6.
Устройство работает следующим образом.
Вакуумную камеру 3 с обрабатываемым изделием 8 внутри нее откачивают до давления 1 мПа, затем подают в нее аргон и увеличивают давление в вакуумной камере 3 до 0,5-1 Па. Включением источника питания 4 подают напряжение U до 500 В между вакуумной камерой 3, являющейся анодом разряда, и мишенью 1, являющейся катодом разряда. В результате зажигается тлеющий разряд, и вакуумная камера 3 заполняется разрядной плазмой 9, отделенной от поверхности мишени 1 слоем объемного заряда 10. В создаваемом магнитной системой 2 поле арочной конфигурации образуется магнитная ловушка, в которой эмитированные мишенью 1 электроны проходят по замкнутым круговым траекториям вблизи мишени 1 и диска 5 путь, превышающий ее размеры в сотни и тысячи раз. Перпендикулярные поверхности диска 5 участки силовых магнитных линий в центре диска 5 не позволяют электронам пролетать через центральную зону вблизи поверхности диска 5. Отсутствие здесь быстрых электронов вызывает резкое снижение концентрации плазмы 9 и скорости распыления диска 5 при приближении к его центру. Это предотвращает распыление прикрепляющего диск 5 к мишени 1 винта 6 и загрязнение его материалом плазмы 9 и синтезируемого покрытия.
Ионы 11 из плазмы 9 разряда в смеси аргона с азотом ускоряются в слое 10 и с энергией в сотни эВ бомбардируют и распыляют мишень 1 и диск 5. Образующиеся в результате распыления мишени 1 атомы 12 основного металла, например, титана и образующиеся в результате распыления диска 5 атомы 13 легирующего элемента, например, меди летят на изделия 8 и образуют на его поверхности нитридное покрытие, например, нитрид титана.
Внутренний D1 и внешний D2 диаметры кольцевой зоны распыления мишени 1 определяются по отпечатку на поверхности не использовавшейся ранее мишени 1, полученному после ее травления ионами 11 в течение 1 часа в отсутствие диска 5 в разряде с током 1 А в аргоне. Для титановой мишени 1 диаметром 100 мм и толщиной 6 мм внутренний диаметр зоны распыления составил D1=20 мм, а ее внешний диаметр D2 составил 80 мм. После установки на мишени 1 медного диска 5 диаметром D=24 мм и толщиной 1 мм на подложку 8 из быстрорежущей стали на расстоянии 150 мм от мишени 1 нанесли покрытие толщиной около 5 мкм. Рентгенофлуоресцентный анализ показал, что в полученном покрытии содержится 12 ат. % меди. При увеличении диаметра диска 5 до D=26 мм содержание меди в покрытии возросло до 19 ат. %, а при D=28 мм оно составило 27 ат. %. Таким образом, заявленное устройство позволяет изменять содержание легирующего элемента в покрытии.
Проведенные исследования модели заявленного устройства с титановой мишенью 1 диаметром 100 мм и толщиной 6 мм, а также с медным диском 5 с диаметром 24 мм и толщиной 1 мм позволили синтезировать в разряде в смеси аргона с азотом покрытие из нитрида титана с твердостью 42 ГПа, позволяющей отнести его к сверхтвердым покрытиям.
В силу изложенного, по сравнению с прототипом предлагаемое магнетронное распылительное устройство, содержащее плоскую круглую мишень, являющуюся катодом тлеющего разряда, магнитную систему, один из полюсов которой прилегает к центру внешней поверхности мишени, а второй ее полюс прилегает к периферии внешней поверхности мишени, вакуумную камеру, являющуюся анодом тлеющего разряда, и источник питания тлеющего разряда, соединенный отрицательным полюсом с мишенью, а положительным полюсом с вакуумной камерой, снабженное выполненным из материала легирующего элемента концентричным с мишенью и закрепленным на ней диском с диаметром D, превышающим диаметр D1 заданной, не распыляемой ионами центральной зоны мишени и меньшим максимального диаметра D2 заданной области распыления расширяет эксплуатационные возможности за счет изменения легирующего элемента мишени и регулирования содержания его атомов в потоке атомов мишени на подложку, а также снижает затраты на изготовление мишени.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы 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 покрытий на изделиях;
- 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 - расширения эксплуатационных возможностей за счет изменения легирующего элемента мишени и регулирования содержания его атомов в потоке атомов мишени на изделие, а также снижение затрат на изготовление распыляемой мишени.
Следовательно, заявленный объект соответствует требованиям условий патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.
Claims (1)
- Магнетронное распылительное устройство, содержащее плоскую круглую мишень, являющуюся катодом тлеющего разряда, магнитную систему, один из полюсов которой прилегает к центру внешней поверхности мишени, а второй ее полюс прилегает к периферии внешней поверхности мишени, вакуумную камеру, являющуюся анодом тлеющего разряда, и источник питания тлеющего разряда, соединенный отрицательным полюсом с мишенью, а положительным полюсом - с вакуумной камерой, отличающееся тем, что оно снабжено выполненным из материала легирующего элемента концентричным с мишенью и закрепленным на ней диском с диаметром D, превышающим диаметр D1 заданной не распыляемой ионами центральной зоны мишени и меньшим максимального диаметра D2 заданной области распыления.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2794524C1 true RU2794524C1 (ru) | 2023-04-20 |
Family
ID=
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3878085A (en) * | 1973-07-05 | 1975-04-15 | Sloan Technology Corp | Cathode sputtering apparatus |
US20030047443A1 (en) * | 2001-09-07 | 2003-03-13 | Clarke Peter J. | Flat magnetron |
US20100236919A1 (en) * | 2008-07-29 | 2010-09-23 | Jones Alami | High-Power Pulsed Magnetron Sputtering Process As Well As A High-Power Electrical Energy Source |
RU183138U1 (ru) * | 2018-03-20 | 2018-09-12 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Составная мишень для получения нанокомпозитов при магнетронном распылении |
RU2726223C1 (ru) * | 2019-11-28 | 2020-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") | Магнетронное распылительное устройство |
RU2761900C1 (ru) * | 2021-02-08 | 2021-12-13 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Магнетронное распылительное устройство |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3878085A (en) * | 1973-07-05 | 1975-04-15 | Sloan Technology Corp | Cathode sputtering apparatus |
US20030047443A1 (en) * | 2001-09-07 | 2003-03-13 | Clarke Peter J. | Flat magnetron |
US20100236919A1 (en) * | 2008-07-29 | 2010-09-23 | Jones Alami | High-Power Pulsed Magnetron Sputtering Process As Well As A High-Power Electrical Energy Source |
RU183138U1 (ru) * | 2018-03-20 | 2018-09-12 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Составная мишень для получения нанокомпозитов при магнетронном распылении |
RU2726223C1 (ru) * | 2019-11-28 | 2020-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") | Магнетронное распылительное устройство |
RU2761900C1 (ru) * | 2021-02-08 | 2021-12-13 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Магнетронное распылительное устройство |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ANDREASEN K.R. The structure and the corresponding mechanical properties of magnetron sputtered TiN-Cu nanocomposite // Surface and Coatings Technology, 182 (2004), p. 268-275. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Deng et al. | Physical vapor deposition technology for coated cutting tools: A review | |
JP6854241B2 (ja) | 多層pvdコーティングを有する切削工具 | |
Kelly et al. | Magnetron sputtering: a review of recent developments and applications | |
Sproul et al. | Control of reactive sputtering processes | |
US20130146443A1 (en) | Apparatus and method for depositing hydrogen-free ta-c layers on workpieces and workpiece | |
RU2630090C2 (ru) | Способ нанесения покрытия для осаждения системы слоев на подложку и подложка с системой слоев | |
US6602390B1 (en) | Coating a workpiece and operating a cathodic arc discharge | |
Randhawa | Review of plasma-assisted deposition processes | |
KR20100017702A (ko) | Pvd 코팅을 만들기 위한 방법 | |
JP2018510070A (ja) | TiAlN−ZrNコーティングを有する固体炭化物エンドミリングカッター | |
Vyskočil et al. | Arc evaporation of hard coatings: process and film properties | |
EP3411512B1 (en) | Method of deposition of a wear resistant dlc layer | |
Schiller et al. | Use of the ring gap plasmatron for high rate sputtering | |
Münz et al. | Industrial applications of HIPIMS | |
RU2794524C1 (ru) | Магнетронное распылительное устройство | |
US20140127519A1 (en) | High power impulse magnetron sputtering method providing enhanced ionization of the sputtered particles and apparatus for its implementation | |
Serra et al. | HiPIMS pulse shape influence on the deposition of diamond-like carbon films | |
Lozovan et al. | System of inverted magnetrons for the formation of multilayer composites on axisymmetric small-sized substrates | |
RU2674179C2 (ru) | СЛОИ TixSi1-xN И ИХ ПОЛУЧЕНИЕ | |
RU2726223C1 (ru) | Магнетронное распылительное устройство | |
RU2620845C1 (ru) | Устройство для синтеза и осаждения покрытий | |
WO2002070776A1 (en) | Deposition process | |
GB2385062A (en) | Method of Applying Hard Coatings | |
Krysina et al. | Generation of gas-metal plasma of arc low-pressure discharges and investigation of the deposition mode of wear-resistant nitride coatings | |
RU2797697C1 (ru) | Распылительное устройство |