WO2008100181A1 - Способ нанесения пленочного покрытия - Google Patents

Способ нанесения пленочного покрытия Download PDF

Info

Publication number
WO2008100181A1
WO2008100181A1 PCT/RU2008/000075 RU2008000075W WO2008100181A1 WO 2008100181 A1 WO2008100181 A1 WO 2008100181A1 RU 2008000075 W RU2008000075 W RU 2008000075W WO 2008100181 A1 WO2008100181 A1 WO 2008100181A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
plasma
pulsed
coating
discharge
magnetron
Prior art date
Application number
PCT/RU2008/000075
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Igor Nikolaevich Skvortsov
Ernst Isagalievich Sharipov
Mikhail Vladimirovich Atamanov
Vladimir Nikolaevich Krjukov
Dmitry Vitalievich Mozgrin
Oleg Iosifovich Obrezkov
Konstantin Vasilievich Frolov
Georgy Vladimirovich Khodachenko
Original Assignee
Igor Nikolaevich Skvortsov
Ernst Isagalievich Sharipov
Mikhail Vladimirovich Atamanov
Vladimir Nikolaevich Krjukov
Dmitry Vitalievich Mozgrin
Oleg Iosifovich Obrezkov
Konstantin Vasilievich Frolov
Khodachenko Georgy Vladimirovi
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 Igor Nikolaevich Skvortsov, Ernst Isagalievich Sharipov, Mikhail Vladimirovich Atamanov, Vladimir Nikolaevich Krjukov, Dmitry Vitalievich Mozgrin, Oleg Iosifovich Obrezkov, Konstantin Vasilievich Frolov, Khodachenko Georgy Vladimirovi filed Critical Igor Nikolaevich Skvortsov
Publication of WO2008100181A1 publication Critical patent/WO2008100181A1/ru

Links

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
    • C23C14/3435—Applying energy to the substrate during sputtering
    • C23C14/3442—Applying energy to the substrate during sputtering using an ion beam
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/04—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement, ion-optical arrangement
    • H01J37/08—Ion sources; Ion guns
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/30—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/34—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
    • H01J37/3402—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering using supplementary magnetic fields
    • H01J37/3405—Magnetron sputtering
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/34—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
    • H01J37/3402—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering using supplementary magnetic fields
    • H01J37/3405—Magnetron sputtering
    • H01J37/3408—Planar magnetron sputtering

Definitions

  • the invention relates to techniques for applying thin-film coatings in vacuum (PVD method), intended for surface alloying of materials, applying protective and decorative coatings, and producing various film structures.
  • PVD method vacuum
  • the invention relates to techniques for applying thin-film coatings in vacuum (PVD method), intended for surface alloying of materials, applying protective and decorative coatings, and producing various film structures.
  • a known method of magnetron sputtering of films is when 2n magnetrons work in a volume, combined in a magnetic field into a multipole configuration that prevents ion loss on the wall, and increase the degree of ionization, thereby increasing the deposition rate of the film [GB 2258343 & US 5556519, TEER COATINGS LTD, C23C 14/32, 03/03/1993]. This method does not allow to obtain ultrahigh deposition rates of coatings.
  • a known method of spraying films in vacuum [RU 2058429 Cl, Khodachenko et al., C23C 14/35, 04/20/1996] consists in sputtering a target in a low pressure magnetron discharge plasma.
  • a magnetic field and a preliminary plasma are created in the gas-discharge gap, in which a high-current high-voltage discharge with a burning voltage of more than 75 V is formed by passing current pulses through it with a density of 0.3 - 10 JOA / cm 2 , duration 10 "6 - 1 with a repetition rate of one before
  • the discharge mode having the above properties is implemented regardless of the type of gas, cathode material, and design of the discharge device.
  • a characteristic property of such a discharge is the absence of inhomogeneities in the discharge plasma and the formation of cathode spots.
  • the pulsed deposition rate reaches values above 50 ⁇ m / min (for copper).
  • Increase in duration a pulse of more than 1 s at a current density of up to 10 A / cm 2 leads to the development of ionization-overheating instability and discharge contraction, a decrease in duration of less than 10 ⁇ 6 s limits the possibility of self-atomization of the cathode material, which reduces the efficiency of the method.
  • Using the method allows, by increasing the pulse repetition rate, to increase the average coating rate compared to existing magnetron coating methods, significantly (more than 10 times) reduce the amount of impurities in the sprayed films and, by adjusting the time of exposure to the flow of atomized particles, determine the temperature regime of the surface of the processed material.
  • the disadvantage of this method is the inability to affect the properties of the formed coating by other methods than the traditional ones used in magnetron sputtering (substrate temperature, bias voltage, film growth rate, etc.).
  • the process of coating formation is continuously assisted by a beam of high-energy ions and allows, by changing the parameters of ion exposure (energy, current density, type of ion, etc.), to influence the fine structure of the film and substrate.
  • the mechanism of this effect has not yet been fully studied, but an important point in the influence of the beam on the formed coating is radiation-stimulated diffusion accompanying such an effect.
  • a method of pulse-periodic deposition of vacuum coatings comprising in each cycle alternating deposition of a plasma stream on the substrate and irradiation of the substrate with accelerated ion beams, the deposition of plasma flow on the substrate and irradiation of the substrate with accelerated ion beams with a time shift between the pulses of the plasma stream and the ion beam, which establish a longer plasma recombination time in the chamber volume.
  • Plasma in the volume is created periodically, for example, by a pulsed arc [RU 2141004 Cl, GosOKB Gorizont, C23C 14/32, 10.1 1.1999]. This decision on the technical nature and the achieved result is the closest to the declared one.
  • IBAD technology has been implemented for applying wear-resistant and heat-resistant coatings.
  • the use of assisting with ion implants showed the possibility of obtaining the necessary surface structures.
  • Essential in this technology is the ratio of the number of deposited atoms per implantable ion, which should be from 10 2 to 10 5 according to experiments, and the ion energy from 10 3 to 10 6 eV.
  • the effect on the adhesion parameters of the film to the substrate, a change in the grain and texture of the film, porosity and microhardness, friction coefficient and, as a result, films obtained on a metalworking tool in this way showed better results compared to traditional technologies.
  • the claimed invention is aimed at eliminating the disadvantages of vacuum deposition methods known in the prior art, and the creation of a new method for applying film coatings, which would simultaneously be characterized by a high speed of coating, the possibility of influencing its properties and increased adhesion of the coating to the substrate.
  • the time interval ⁇ is chosen longer than the recombination time of a high-current plasma a high-voltage diffusion discharge in the volume of the spraying chamber, the impact of the pulsed beam is carried out with a beam energy of not more than 10 eV, and the secondary particles are suppressed in the accelerator gap by means of the high-voltage breakdown suppression tool, which is equipped with the pulse generator of the ion beam is preferable, preferably, the impact of the pulse beam is carried out subject to a ratio of the number of implantable ions to the number of atoms of the deposited substance 1: 10 -10 5 .
  • the impact of the pulsed beam is carried out with a beam energy of at least 10 2 eV.
  • electrostatic secondary electron suppressors suppressors are used as a means of suppressing high-voltage breakdown.
  • magnetic traps at the entrance of a pulsed ion beam to the working volume of the chamber which provide magnetization of plasma electrons, are used as a means of suppressing high-voltage breakdown.
  • a magnetic field of a multipole configuration is preliminarily created in a vacuum volume using 2n magnetron plasma generators, of which 2m (Km ⁇ n) magnetron generators are connected to pulsed current generators and form a pulsed high-voltage diffusion discharge, n, m are integers.
  • the specified set of features due to the combination of magnetron methods of coating deposition and ion assisting in one volume provides a new quality of the coating deposition process on an industrial scale, and this quality cannot be presented in the form of a simple addition of effects from known methods, i.e. the simultaneous use in the claimed method of two well-known, but previously not jointly used methods has a synergistic effect.
  • the new method provides: - increasing the speed of coating by reducing the time of exposure of the discharge plasma to the processed material (from continuous to 40 ms per pulse) while increasing the speed of coating (in particular, the pulsed coating rate of copper to 120 ⁇ m / min);
  • the implantable ions penetrate to a depth greater than the thickness of the deposit (film coating) and do not have an assisting effect.
  • the target material is actively sputtered in the absence of an implantation effect.
  • the frequency of the process and the time of recombination processes are associated with the durations of the discharge pulses. It was experimentally established that it is not possible to obtain a satisfactory form of a pulsed magnetron discharge at ultrashort (less than microsecond) pulse durations. At the same time, exceeding a pulse duration of 1 s results in a stationary discharge and effects from a pulse discharge are not obtained.
  • the pulse repetition rate is selected taking into account the fact that when the pulse frequency is exceeded over 10 3 Hz, the electric strength of the gas-discharge gap is not restored.
  • the preferred ratio of the number of implantable ions to the number of atoms of the deposited substance is due to the following: an increase in the ratio of the number of implantable ions over 1: 10 can lead to damage to the substrate due to overheating of the beam, and at a ratio of 1: 10 5 weakly radiation damages occur that do not lead to any significant effects.
  • the duration of the assistance i.e., the duration of exposure to the ion beam - hereinafter t 2
  • t 2 is selected based on the required ratio of the number of ions to the number of atoms.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an installation for implementing the method according to the invention
  • FIG. 2 is a timing chart of the distribution of pulses of the magnetron and the ion accelerator according to the proposed method
  • a substrate sample 2 As schematically shown in FIG. 1, a substrate sample 2, a stationary magnetron plasma generator 3 and a pulse ion accelerator 4 with a system for suppressing secondary electrons of gas and plasma 5 are placed in the vacuum chamber 1 of the apparatus for implementing the method according to the invention.
  • system 5 for suppressing high-voltage breakdown of accelerating gaps from secondary electrons of the working gas and plasma electrons.
  • System 5 can be built on the basis of electrostatic suppressors of secondary electrons — suppressors or magnetic traps at the entrance of the beam into the volume, magnetizing plasma electrons (see, for example, Gabovich MD, Physics and technology of plasma ion sources. M. Atomizdat. 1972) .
  • 2n magnetron plasma generators 3 can be installed in the vacuum chamber 1, combined in magnetic fields into a multipole system, thus forming a magnetic trap.
  • part of the generators 3 'with a total number of 2m, where l ⁇ m ⁇ n (n, m are integers) is connected to pulse current generators 4, and a pulse ion accelerator 5 with a secondary electron suppression system is also separately installed inside the chamber.
  • the invention relates to techniques for applying thin-film coatings in vacuum (PVD method) and can be used in mechanical engineering, the production of electronic and semiconductor devices.

Landscapes

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

Abstract

6 эВ. Одновременно осуществляют подавление потока вторичных частиц в ускорительный промежуток при помощи средства подавления высоковольтного пробоя, которым снабжен генератор импульсного пучка ионов. В результате обеспечивается помимо прочего высокая скорость нанесения покрытия, возможность воздействия на свойства покрытия и повышенная адгезия покрытия к подложке.

Description

СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПЛЕНОЧНОГО ПОКРЫТИЯ Область техники
Изобретение относится к технике нанесения тонкопленочных покрытий в вакууме (PVD метод), предназначенных для поверхностного легирования материалов, нанесения защитных и декоративных покрытий, получения различных пленочных структур.
Предшествующий уровень техники
Известен способ магнетронного напыления пленок, когда в объёме работают 2n магнетронов, объединенных по магнитному полю в мультипольную конфигурацию, препятствующую потерям ионов на стенку, и увеличивают степень ионизации, тем самым, повышая скорость осаждения пленки [GB 2258343 & US 5556519, TEER COATINGS LTD, C23C 14/32, 03.02.1993]. Этот способ не позволяет получать сверхвысокие скорости осаждения покрытий.
Известен способ напыления пленок в вакууме [RU 2058429 Cl, ХОДАЧЕНКО и др., C23C 14/35, 20.04.1996] заключающийся в распылении мишени в плазме магнетронного разряда низкого давления. В газоразрядном промежутке создают магнитное поле и предварительную плазму, в которой формируют сильноточный высоковольтный разряд с напряжением горения свыше 75 В путем пропускания через нее импульсов тока с плотностью 0,3- ЮОА/см2, длительностью 10"6- 1 с частотой следования от однократного до
103 Гц, после чего производят осаждение покрытия.
Режим разряда, обладающий вышеуказанными свойствами, реализуется независимо от рода газа, материала катода и конструкции разрядного устройства. Характерным свойством такого разряда является отсутствие неоднородностей в плазме разряда и образования катодных пятен.
Данным способом можно наносить покрытия на подложки из любых материалов, включая нетермостойкие (например, металлы, полиэтилен, бумага, ткани и т.д.). Импульсная скорость нанесения покрытий при этом достигает величин свыше 50 мкм/мин (для меди). Увеличение длительности импульса свыше 1 с при плотности тока до 10 А/см2 приводит к развитию ионизационно-перегревной неустойчивости и контракции разряда, уменьшение длительности менее 10~6 с ограничивает возможность самораспыления материала катода, что снижает эффективность способа. Увеличение плотности тока свыше 100 А/см2 приводит к превышению критического тока образования катодного пятна, что также приводит к переходу разряда в дуговой режим с потерей преимущества обработки с помощью сильноточного диффузионного разряда. Частота следования 103 Гц ограничивается временем восстановления электрической прочности газоразрядного промежутка Показано, что при переходе в сильноточную форму разряд распространяется на существенно более широкую область катода, повышая его ресурс по сравнению со стационарным магнетронным разрядом, а также повышая равномерность потока распыленных атомов.
Использование способа позволяет путем увеличения частоты следования импульсов увеличить среднюю скорость нанесения покрытий по сравнению с существующими способами магнетронного нанесения покрытий, существенно (более чем в 10 раз) уменьшить количество примесей в напыляемых пленках и, регулируя время воздействия потока распыленных частиц, определять температурный режим поверхности обрабатываемого материала. Недостатком рассматриваемого способа является отсутствие возможности воздействия на свойства формируемого покрытия иными способами, отличными от традиционных, применяемых в магнетронном напылении (температура подложки, напряжение смещения, скорость роста пленки и т.д.). При сверхскоростном осаждении вещества на подложку необходимо иметь средство воздействия на процессы диффузии в направлениях нормальном и тангенциальном к поверхности подложки с целью влияния на скорость роста кристаллических зерен и, управления, таким образом, структурой и текстурой покрытия, адгезией, пористостью, микротвердостью и т.д. Из уровня техники также известны способы осаждения покрытий, позволяющие иметь дополнительное средство воздействия на структурные процессы внутри формируемого покрытия, использующие ассистирующий ионный пучок (Iоп Веаm Аssist Dероsitiоп-IВАD методы). В этом методе процесс формирования покрытия ассистируется непрерывно пучком высокоэнергетических ионов и позволяет, изменяя параметры ионного воздействия (энергия, плотность тока, тип иона и т.д.), влиять на тонкую структуру пленки и подложки. Механизм этого воздействия в настоящее время до конца не изучен, но важным моментом влияния пучка на формируемое покрытие является радиационно-стимулируемая диффузия, сопровождающее такое воздействие.
Известен в частности способ импульсно-периодического нанесения вакуумных покрытий, включающий в каждом цикле поочередное осаждение на подложку потока плазмы и облучение подложки пучками ускоренных ионов, причем осаждение на подложку потока плазмы и облучение подложки пучками ускоренных ионов производят с временным сдвигом между импульсами потока плазмы и ионного пучка, который устанавливают больше времени рекомбинации плазмы в объеме камеры. Плазма в объеме создается периодически, например, импульсной дугой [RU 2141004 Cl, ГосОКБ «Гopизoнт», C23C 14/32, 10.1 1.1999]. Данное решение по технической сущности и достигаемому результату является наиболее близким к заявленному.
С помощью этого решения реализована IBAD технология нанесения износостойких и жаропрочных покрытий. Использование ассистирования с помощью ионных импланторов показало возможность получения необходимых структур поверхности. Существенным в этой технологии является соотношение количества осаждаемых атомов на один имплантируемый ион, которое по экспериментам должно быть от 102 до 105, и энергия ионов от 103 до 106 эВ. В частности, обнаружено влияние на адгезионные показатели пленки к подложке, изменение зерна и текстуры пленки, пористости и микротвердости, коэффициента трения и, как следствие, пленки, полученные на металлообрабатывающем инструменте таким способом, показали лучшие результаты, по сравнению с традиционными технологиями.
В то же время на существующем уровне техники одновременное применение при осаждении покрытий ассистирующего ионного пучка (создаваемого ускорителем ионов) и непрерывно работающего импульсного генератора плазмы не представляется возможным. При совмещении этих устройств (ускорителя и генератора) возникает проблема высоковольтного пробоя ускорительной секции ускорителя ионов потоком вторичных электронов, генерируемом пучком ионов в рабочем газе, используемом как для формирования магнетронного разряда, так и для плазмохимических процессов при осаждении пленки. Вторичные электроны возникают в процессе ионизации рабочего газа ионами пучка. Кроме этих частиц высоковольтный пробой может инициироваться электронами плазмы магнетронного разряда. На известном уровне техники неизвестны методы подавления этого отрицательного эффекта, что ограничивает применение этого способа только для высоковакуумного импульсного дугового разряда.
Раскрытие изобретения
Заявленное изобретение направлено на устранение недостатков методов вакуумного напыления, известных на предшествующем уровне техники, и создание нового способа нанесения пленочных покрытий, которое одновременно характеризовалось бы высокой скоростью нанесения покрытия, возможностью воздействия на его свойства и повышенной адгезией покрытия к подложке.
Указанная задача решается тем, что в способе нанесения пленочных покрытий, в котором поочередно осуществляют импульсную генерацию плазмы за счет распыления катодной мишени, осаждение вещества на подложку в течение времени tj с последующим, через временной промежуток τ, воздействием на покрытие импульсным пучком высокоэнергетических ионов, согласно изобретению, в вакууме формируют стационарную плазму магнетронного разряда, осаждение покрытия осуществляют с помощью сильноточного высоковольтного диффузионного разряда, формируемого путем пропускания через стационарную плазму магнетронного разряда импульсов тока с плотностью 0,3-100 А/ см2 и длительностью U = 10"6...l с частотой следования от однократного до 103 Гц, временной промежуток τ выбирают больше, чем время рекомбинации плазмы сильноточного высоковольтного диффузионного разряда в объеме камеры распыления, воздействие импульсным пучком осуществляют с энергией пучка не более 10 эВ, и при этом осуществляют подавление потока вторичных частиц в ускорительный промежуток при помощи средства подавления высоковольтного пробоя, которым снабжен генератор импульсного пучка ионов. Предпочтительно, воздействие импульсным пучком осуществляют при условии соотношения числа имплантируемых ионов к числу атомов осаждаемого вещества 1 : 10 -105.
Предпочтительно, воздействие импульсным пучком осуществляют с энергией пучка не менее 102 эВ. В частном случае, в качестве средства подавления высоковольтного пробоя используют электростатические подавители вторичных электронов (супрессоры).
В другом частном случае в качестве средства подавления высоковольтного пробоя используют магнитные ловушки на входе импульсного ионного пучка в рабочий объем камеры, обеспечивающие замагничивание электронов плазмы.
В предпочтительном частном случае в вакуумном объеме предварительно создают магнитное поле мультипольной конфигурации с помощью 2n магнетронных генераторов плазмы, из которых 2m (Km<n) магнетронных генераторов подключены к импульсным генераторам тока и формируют импульсный высоковольтный диффузионный разряд, п, m - целые числа.
Указанная совокупность признаков за счет совмещения в одном объёме магнетронных способов осаждения покрытия и ионного ассистирования обеспечивает получение нового качества процесса напыления покрытий в промышленных масштабах, причем указанное качество не может быть представлено в виде простого сложения эффектов от известных способов, т.е. одновременное применение в заявленном способе двух известных, но ранее совместно не применявшихся методов обладает синергетическим эффектом.
В частности новый способ обеспечивает: - повышение скорости нанесения покрытия за счет уменьшения времени воздействия плазмы разряда на обрабатываемый материал (с непрерывного до 40 мс за импульс) при одновременном увеличении скорости нанесения покрытия (в частности, импульсная скорость нанесения покрытия по меди до 120 мкм/мин);
- управление структурой кристаллизации материала покрытия путем воздействия на поверхностную и межслойную диффузию, структуру и текстуру кристаллитных блоков, что дает возможности для расширения диапазона применения при одновременном повышении качества пленок;
- повышение адгезионных показателей покрытия к подложке без нагрева последней; - повышение эффективности плазмохимических реакций за счет увеличения степени ионизации и высокой плотности плазмы;
- уменьшение концентраций вредных примесей в покрытии, получение пленок в отсутствии капельной фазы;
- воздействие на структуру подложки и активацию последней (получение в ней переходных диффузионных слоев) перед осаждением покрытия при низкой температуре; получение многослойных наноструктурированных покрытий многокомпонентного состава;
- в случае необходимости, непрерывное легирование растущего покрытия имплантируемым материалом;
- уменьшение энергетической цены атома осаждаемого материала и, как следствие, эффективности использования вложенной электрической мощности, за счет снижения паразитных потоков плазмы на стенку камеры, что достигается магнитной изоляцией (удержания основного объёма плазмы в магнитной ловушке мультипольной конфигурации) и создания сильных электрических полей вблизи образцов за счёт подачи на них постоянного, импульсного или высокочастотного электрического смещения. В обоснование интервальных характеристик, применяемых в способе, следует отметить, в частности, что превышение плотности тока свыше 100 A/cм2 приводит к контракции (сжатию) разряда и переходу ее в дуговую форму. При этом напряжение горения разряда всегда оказывается менее 75 В. Плотность тока менее 0,3 A/cм2 соответствует стандартной форме стационарного магнетронного разряда (предельная плотность тока в стационарном режиме - 0,3).
Помимо этого, при превышении значения энергии ассистирующего пучка величины 106 эВ имплантируемые ионы проникают на глубину больше толщины депозита (пленочного покрытия) и не оказывают ассистирующего воздействия. Одновременно, при энергиях менее 102 эВ идет активное распыление материала мишени при отсутствии эффекта имплантации.
Далее, с длительностями импульсов разряда связана частота процесса, время рекомбинационных процессов. Экспериментально установлено, что получить удовлетворительную форму импульсного магнетронного разряда при сверхкоротких (менее микросекунды) длительностях импульсов не получается. Одновременно, превышение длительности импульса значения 1 с приводит к получению стационарного разряда и эффектов от импульсного разряда не получается.
Частота следования импульсов выбирается с учетом того, что при превышении частоты импульса свыше 103 Гц не происходит восстановления электрической прочности газоразрядного промежутка.
Предпочтительное соотношение числа имплантируемых ионов к числу атомов осаждаемого вещества обусловлено следующим: увеличение соотношения числа имплантируемых ионов свыше 1 : 10 может приводить к повреждению подложки из-за перегрева ее пучком, а при соотношении 1 : 105 возникают слабо радиационные повреждения, не приводящие к сколько- нибудь существенным эффектам. Длительность ассистирования (т.е. длительность воздействия пучком ионов - далее по тексту t2) подбирается исходя из требуемого соотношения числа ионов к числу атомов. Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется далее более подробно на конкретном неограничительном случае его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
- на фиг.1 - принципиальная схема установки для осуществления способа по изобретению;
- на фиг.2 - временная диаграмма распределения импульсов магнетрона и ускорителя ионов согласно предлагаемого способа;
- на фиг.З - частный случай реализации рабочей камеры магнетронной установки для осуществления заявленного способа. Лучший способ осуществления изобретения
Как схематично показано на фиг.l, в вакуумной камере 1 установки для осуществления способа по изобретению размещены образец-подложка 2, стационарный магнетронный генератор плазмы 3 и импульсный ускоритель ионов 4 с системой подавления вторичных электронов газа и плазмы 5. Магнетронный генератор 3 подключен к импульсной системе электропитания 6, которая зажигает в вакууме сильноточный высоковольтный диффузионный разряд с напряжением горения свыше 75 В путем пропускания через нее импульсов тока с плотностью 0,3 - 100 А/см2, длительностью 10"6-l с в течение времени tь а ускоритель ионов 4 через временную задержку τ, достаточную для рекомбинации плазмы сильноточного высоковольтного диффузионного разряда в камере 1, генерирует пучок высокоэнергетических ионов, ассистирующий процесс формирования покрытия на подложке 2 в течении времени t2, причем процесс повторяется с частотой- F = 1-103 Гц). В момент генерации высокоэнергетического пучка ионов включается или работает в дежурном режиме система 5 подавления высоковольтного пробоя ускоряющих промежутков от вторичных электронов рабочего газа и электронов плазмы. Система 5 может быть построена на базе электростатических подавителей вторичных электронов - супрессоров или магнитых ловушек на входе пучка в объём, замагничивающих электроны плазмы (см., например, Габович M.Д., Физика и техника плазменных источников ионов. M. Атомиздат. 1972).
В частности, как показано на фиг.З, в заявленном способе в вакуумной камере 1 может быть установлено 2n магнетронных генераторов плазмы 3, объединенных по магнитным полям в мультипольную систему, образуя таким образом магнитную ловушку. При этом часть генераторов 3' общим числом 2m, где l<m<n (n,m - целые числа), подключена к импульсным генераторам тока 4, а внутри камеры также отдельно установлен импульсный ускоритель ионов 5 с системой подавления вторичных электронов.
Далее приводятся конкретные примеры осуществления способа по изобретению.
ПРИМЕР 1.
Получение покрытия нитрида титана с мелкокристаллической структурой с электростатическим подавлением эмиссии вторичных электронов (посредством супрессоров). Были использованы импульсный разряд с длительностью ti = 2-10" с током разряда 500 А, импульсный имплантор с длительностью импульса t2=3 - 10"4 с энергией пучка 27 кэВ, средним током пучка 15 мА, частота процесса 10 Гц, соотношение числа имплантируемых ионов к числу атомов осаждаемого вещества 1 :500. Как результат, была получена средняя скорость нанесения покрытия Юмкм/час, произошло измельчение кристаллической структуры пленки до размера кристаллов меньше 1 мкм.
ПРИМЕР 2
Осаждение композитного аморфного покрытия Ti + В + С + Cu в атмосфере азота. Установка и режимы, как описано в примере 1. Ток разряда 300 А, энергия ассистирования 20 кэВ. Осаждение указанного покрытия обычным импульсным разрядом приводит к получению аморфного покрытия. Осаждение предлагаемым способом в режиме ассистирования 1 :300 приводило к образованию кристаллических зерен размером порядка 10 нм. Средняя скорость осаждения 3 мкм/час.
В заключение следует еще раз подчеркнуть, что приведенные примеры служат исключительно для лучшего понимания сущности изобретения и не могут рассматриваться в качестве ограничивающих объем правовой охраны, определяемый исключительно прилагаемой формулой изобретения.
Промышленная применимость
Изобретение относится к технике нанесения тонкопленочных покрытий в вакууме (PVD метод) и может быть использовано в машиностроении, производстве электронных и полупроводниковых приборов.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ нанесения пленочных покрытий, в котором поочередно осуществляют импульсную генерацию плазмы за счет распыления катодной мишени, осаждение вещества на подложку в течение времени ti с последующим, через временной промежуток τ, воздействием на покрытие импульсным пучком высокоэнергетических ионов, отличающийся тем, что в вакууме формируют стационарную плазму магнетронного разряда, осаждение покрытия осуществляют с помощью сильноточного высоковольтного диффузионного разряда, формируемого путем пропускания через стационарную плазму магнетронного разряда импульсов тока с плотностью 0,3-100 AJ см2 и длительностью t] = 10" ...1 с частотой следования от однократного до 103 Гц, временной промежуток τ выбирают больше, чем время рекомбинации плазмы сильноточного высоковольтного диффузионного разряда в объеме камеры распыления, воздействие импульсным пучком осуществляют с энергией пучка не более
106 эВ, и при этом осуществляют подавление потока вторичных частиц в ускорительный промежуток при помощи средства подавления высоковольтного пробоя, которым снабжен генератор импульсного пучка ионов.
2. Способ по п.l, отличающийся тем, что воздействие импульсным пучком осуществляют при условии соотношения числа имплантируемых ионов к числу атомов осаждаемого вещества 1 : 10 -10 .
3. Способ по п. l, отличающийся тем, что воздействие импульсным пучком осуществляют с энергией пучка не менее 10 эВ.
4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в качестве средства подавления высоковольтного пробоя используют электростатические подавители вторичных электронов (супрессоры).
5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в качестве средства подавления высоковольтного пробоя используют магнитные ловушки на входе импульсного ионного пучка в рабочий объем камеры, обеспечивающие замагничивание электронов плазмы.
6. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в вакуумном объеме предварительно создают магнитное поле мультипольной конфигурации с помощью 2n магнетронных генераторов плазмы, из которых 2m (l<m<n) магнетронных генераторов подключены к импульсным генераторам тока и формируют импульсный высоковольтный диффузионный разряд.
7. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в вакуумном объеме предварительно создают магнитное поле мультипольной конфигурации с помощью 2n магнетронных генераторов плазмы, из которых 2m (l<m<n) магнетронных генераторов подключены к импульсным генераторам тока и формируют импульсный высоковольтный диффузионный разряд.
PCT/RU2008/000075 2007-02-12 2008-02-07 Способ нанесения пленочного покрытия WO2008100181A1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007105012 2007-02-12
RU2007105012/02A RU2339735C1 (ru) 2007-02-12 2007-02-12 Способ нанесения пленочного покрытия

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2008100181A1 true WO2008100181A1 (ru) 2008-08-21

Family

ID=39690318

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2008/000075 WO2008100181A1 (ru) 2007-02-12 2008-02-07 Способ нанесения пленочного покрытия

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2339735C1 (ru)
WO (1) WO2008100181A1 (ru)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011117994A1 (de) * 2011-11-09 2013-05-16 Oerlikon Trading Ag, Trübbach HIPIMS-Schichten
RU2712681C1 (ru) * 2016-10-27 2020-01-30 Общество с ограниченной ответственностью научно-производственное предприятие "ЭФОМ" Способ нанесения тонких металлических покрытий

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2058429C1 (ru) * 1993-06-17 1996-04-20 Георгий Владимирович Ходаченко Способ напыления пленок
RU2141004C1 (ru) * 1996-12-31 1999-11-10 Государственное опытно-конструкторское бюро "Горизонт" Способ импульсно-периодического нанесения вакуумных покрытий и устройство для его осуществления
US20030038023A1 (en) * 2001-08-20 2003-02-27 Ramberg Randy J. Methods and apparatus for depositing magnetic films

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2058429C1 (ru) * 1993-06-17 1996-04-20 Георгий Владимирович Ходаченко Способ напыления пленок
RU2141004C1 (ru) * 1996-12-31 1999-11-10 Государственное опытно-конструкторское бюро "Горизонт" Способ импульсно-периодического нанесения вакуумных покрытий и устройство для его осуществления
US20030038023A1 (en) * 2001-08-20 2003-02-27 Ramberg Randy J. Methods and apparatus for depositing magnetic films

Also Published As

Publication number Publication date
RU2007105012A (ru) 2008-08-20
RU2339735C1 (ru) 2008-11-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4461253B2 (ja) プラズマ発生方法
US9941102B2 (en) Apparatus for processing work piece by pulsed electric discharges in solid-gas plasma
US4622919A (en) Film forming apparatus
US20090200158A1 (en) High power impulse magnetron sputtering vapour deposition
RU2519709C2 (ru) Способ предварительной обработки подложек для способа нанесения покрытия осаждением паров
WO2009079358A1 (en) Very low pressure high power impulse triggered magnetron sputtering
US9761424B1 (en) Filtered cathodic arc method, apparatus and applications thereof
WO2010026860A1 (ja) スパッタ装置
JP5930271B2 (ja) マグネトロン装置、および、マグネトロン装置のパルス動作方法
RU2339735C1 (ru) Способ нанесения пленочного покрытия
JP2003073814A (ja) 製膜装置
US20180066356A1 (en) Method for depositing a layer using a magnetron sputtering device
RU2238999C1 (ru) Способ импульсно-периодической имплантации ионов и плазменного осаждения покрытий
RU2058429C1 (ru) Способ напыления пленок
CN114540779B (zh) 复合阴极、磁控溅射镀膜设备及镀膜方法
US20030077401A1 (en) System and method for deposition of coatings on a substrate
CN114990508B (zh) 不对称双极脉冲磁控溅射系统及离子能量和流量调控方法
RU2463382C2 (ru) Способ и устройство для получения многослойно-композиционных наноструктурированных покрытий и материалов
RU2161662C2 (ru) Способ обработки поверхности твердого тела
JPH11323544A (ja) スパッタ装置
RU2526654C2 (ru) Способ импульсно-периодической ионной очистки поверхности изделий из диэлектрического материала или проводящего материала с диэлектрическими включениями
Valente-Feliciano A New generation of films deposition techniques for SRF applications [J]
RU2567770C2 (ru) Способ получения покрытий алмазоподобного углерода и устройство для его осуществления
PL239275B1 (pl) Sposób nanoszenia metodą magnetronową na podłoża ultracienkich powłok funkcyjnych o zwiększonej odporności fizycznej i chemicznej oraz podłoża z powłokami funkcyjnymi otrzymane tym sposobem
VELICU et al. OPERATING THE HIPIMS DISCHARGE WITH ULTRA-SHORT PULSES: A SOLUTION TO OVERCOME THE DEPOSITION RATE LIMITATION

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 08724080

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 08724080

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1