МИШЕНЬ ДЛЯ МАГНЕТРОННОГО НАПЫЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ

1
Заявляемое техническое решение относится к области металлургии, а именно к напылению сплавов металлов с использованием магнетронного разряда и может быть использовано для напыления сверхтонких и тонкихпленок многокомпонентных сплавов металлов при изготовлении покрытий, применяемых в электронике, полупродниковой промышленности, в химической промышленности в водородных топливных элементах и др.
Технология нанесения высококачественных тонких пленок и покрытий на разнообразные изделия чрезвычайно важна для электроники, оптики, машиностроения и других отраслей техники, включая автомобилестроение и строительство зданий [А.И. Кузьмичев Магнетронные распылительные системы. Киев: «Аверс». 2008. с.245].
В электронике это связано с тем, что она использует главным образом физические эффекты в тонких слоях (пленках) полупроводников, диэлектриков и металлов. При этом благодаря применению тонкопленочных структур удалось существенно уменьшить размеры электронных компонентов. В оптике покрытия выполняют функции проводящих, согласующих (просветляющих), фильтрующих, отражающих и поглощающих сред для светового излучения. В машиностроении эффективность, долговечность и надежность механизмов и деталей в значительной мере определяется не объемными, а поверхностными свойствами используемых материалов, поэтому при нанесении специальных покрытий можно значительно улучшить эти свойства при минимальных затратах. Наконец, в автомобилях и при строительстве общественных и жилых зданий все чаще устанавливают стекла с разнообразными тонкослойными покрытиями - декоративными, светоотражающими, теплосберегающими и самоочищающимися. Также можно использовать методы магнетронного напыления для создания металлических водородопроницаемых мембран, используемых в процессах разделения и очистки водорода от конверсионных газов.
-6
-8
Развитие водородной энергетики и ряда наукоемких технологий в различных отраслях промышленности привело к усилению интереса к эффективным способам производства чистого водорода, из которых наиболее перспективным, производительным и наименее затратным является способ извлечения высокочистого водорода из промышленных газовых смесей, содержащих более 30% водорода, с помощью диффузии через металлические мембраны из палладиевых и других водородопроницаемых сплавов, проницаемость которых для других газов бесконечно мала (10-10 %(об.)).
Основными характеристиками палладиевых мембран для выделения водорода из газовых смесей являются скорость проникновения водорода через мембрану, ее прочность и стойкость при эксплуатации. [Г.С. Бурханов, Н.Б. Горина, Н.Б. Кольчугина, Н.Р. Рошан / Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2006, т. L, №4 / Сплавы палладия для водородной энергетики]
Эффективные мембранные сплавы должны обладать высокой удельной водородопроницаемостью, низкой склонностью к дилатации при насыщении водородом, высокой стойкостью в коррозионноактивных газах и прочностью при эксплуатации в диапазоне температур 300-800°С. Так как мембраны - это фольга и трубки микронных размеров, сплавы должны быть высокопластичными.
Для нанесения тонких пленок и покрытий применяют различные методы, большинство из которых основано на использовании жидких сред и термических процессов при давлении газов порядка атмосферного. Особое место в технологии пленок и покрытий принадлежит методам физического осаждения в вакууме (в англоязычной литературе - physical vapor deposition или PVD). Здесь под вакуумом понимается разряженное состояние газовой среды в технологической камере при давлении не более 10 Па (0,1 Торр). Методы вакуумной PVD технологии выгодно отличаются от других по управляемости и воспроизводимости результатов, низкому уровню привносимых загрязнений, возможности нанесения материалов сложного состава с практически любой структурой. PYD технология обеспечивает повышенную адгезию наносимых слоев к подложке, стойкость к механическим воздействиям и коррозии. Немаловажно и то, что эта технология является экологически чистой, она не приводит к проблеме утилизации токсичных отходов.
Во многих случаях тонкие пленки, наносимые с помощью МРС, обеспечивают выполнение тех же функций, что и более толстые слои, получаемые другими методами, поэтому магнетронное распыление все чаще используется для нанесения упрочняющих, износоустойчивых, защитных, декоративных и других видов покрытий на разнообразную основу.
МРС позволяют распылять практически все виды материалов, включая металлы и сплавы, простые и сложные диэлектрики, полупроводники и керамику. Осаждаемые материалы могут сочетаться в различных комбинациях и в виде многослойных покрытий. Толщина покрытий может составлять от десятков нанометров до десятков микрометров.
Многообещающей областью применения МРС является нанотехнология, в частности технология получения нанокомпозитных и наноструктурированных объемных и тонкопленочных материалов.
Уровень техники магнетронного напыления сплавов с использованием мишеней представлен рядом американских патентов: US Patents №№8,546,176; 8,349,519; 7,114,643; 6,599,377; 6,514,358; 6,432,223; 6,398,880; 6,123,783; 5,965,942; 5,356,522; 6,521,062, а также российских RU №№2006132360; 2385517; 2467878.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является патент Ru №2305717 - мишень для получения функциональных покрытий. Согласно прототипу заявлена мишень для получения покрытий, состоящая из слоя в виде профилированной металлической пластины, с которым посредством слоя металлического припоя через промежуточный слой в виде таблетки на основе керамического материала соединен рабочий распыляемый слой в виде таблетки на основе керамического материала, при этом рабочий распыляемый слой содержит скелетную пористую структуру из материала, включающего карбид, и/или нитрид, и/или карбонитрид, и/или борид, и/или силицид переходного металла IV-VI групп, и/или оксид кальция, и/или фосфат кальция, и/или оксид циркония, и/или гидроксилапатит или их смесь, а промежуточный слой содержит скелетную пористую структуру из материала, включающего карбид, и/или нитрид, и/или карбонитрид, и/или борид, и/или силицид переходного металла IV-VI групп, и/или оксид кальция, и/или фосфат кальция, и/или оксид циркония, и/или гидроксилапатит или их смесь, и металлический наполнитель, заполняющий поры внутри скелетной пористой структуры.
Основными недостатками описанной мишени является технологическая сложность ее изготовления, включающая такие трудноконтролируемые процессы как самораспространяющийся высотемпературный синтез (СВС). Подобные мишени не позволяют напылять сплавы переменного состава, т.е. не универсальны.
Технической задачей заявленного решения является упрощение и удешевление мишени для магнетронного напыления металлических сплавов, создание сборных универсальных и быстроперенастраиваемых мишеней, позволяющих изменять состав напыляемых сплавов дискретным образом, экономить дорогостоящие компоненты сплавов в случае мелкосерийного напыления.
Для решения технической задачи предлагается мишень для магнетронного напыления металлических сплавов, состоящая из держателя и размещенных в нем слоев напыляемых материалов. При этом держатель состоит из металлического стакана, выполняющего функцию анода электродного блока магнетрона, изолирующей шайбы и жестко закрепленного на ее торце металлического катода. Слои мишени выполнены в виде геометрически одинаковых пластин чистых металлов - компонентов напыляемого сплава, собранных в пакет и прижатых к стакану посредством кольца. Число пластин в пакете равно числу компонентов напыляемого сплава. Прилегающая к стакану пластина пакета выполнена сплошной, а уложенные на нее пластины выполнены с перфорацией, причем каждая последующая пластина выполнена с перфорацией, размер и размещение которой повторяют размер и размещение перфорации предыдущей пластины и дополнительной перфорацией для обеспечения соотношения площадей перфораций пластин к площади сплошной пластины необходимого для напыления сплава с заданным составом компонентов. Пластины могут быть выполнены с перфорацией расположенной по концентрическим окружностям разных диаметров, и отцентрованы при установке. Для фиксации положения пластин и обеспечения их требуемого взаиморасположения в каждой из них имеется выступ, а в стакане - паз. Для удобства при сборке на пластины и на стакан могут быть нанесены соответствующие ориентирующие метки.
На рис.1 схематично изображена заявляемая мишень, а на рис 2 - камера напыления с предлагаемой мишенью.
Мишень фиг.1, 2 состоит из анода в виде металлического стакана 1 и изолирующего крепежного элемента в виде шайбы из изолирующего материала 2, с жестко прикрепленным к ее торцу металлическим катодом в виде кольца 3. 4 - дисковая сплошная металлическая пластина, прилегающая к аноду 1. 5 и 6 - пластины с перфорацией разной плотности. Изолирующий крепежный элемент 2, например, с помощью резьбы, механически прижимает пакет металлических пластин 4, 5, 6, количество которых может быть произвольным, к аноду 1. Объект напыления (подложка) 7 (фиг.2) устанавливается на опорный вращающийся стол 8. Вакуумная камера магнетрона, в которой производится напыление, герметически закрывается колпаком 9, плотно прилегающим к основанию 10.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Из набора пластин различных химически чистых металлов выбирают одну сплошную из одного металла сплава и по одной из других металлов, входящих в состав вводимого сплава. При этом подбирают соотношение площадей дополнительной перфорации к площади сплошной пластины позволяющее напылить сплав заданного состава.
В стакан 1 держателя укладывают пластины, каждая из которых выполнена из одного из напыляемых компонентов. Первой закладывают сплошную пластину. На нее укладывают пластину с наименьшей площадью перфорации, фиксируя ее в пазу на боковой стенке стакана. Далее при потребности аналогично закладывается третья и последующие пластины с возрастающей площадью перфорации. Для удобства при сборке каждую' пластину в стакане можно устанавливать по ориентирам. Пакет пластин поджимают крепежным элементом 2 к аноду 1, выполненному в виде стакана 3. Объект напыления 7 устанавливают на опорном вращающемся столике 8 и включают установку. В камере магнетрона между анодом 1 и катодом 3 происходит тлеющий разряд. В результате высокоэнергетичные носители заряда ионизируют атомы открытых поверхностей металлических пластин составляющих анодную часть мишени. При этом атомы металлов с различных пластин пакетной мишени в количестве пропорциональном площади их открытой поверхности поступают на поверхность вращающейся подложки 8, где конденсируются, образуя многокомпонентный сплав.
Предлагаемая мишень для нанесения металлических сплавов может быть изготовлена известными способами обработки металлов входящих в сплав, в частности, ковкой, прокаткой, резкой, вырубкой отверстий др.
Использование в качестве мишени пакета выполненного из тонких пластин химически чистых металлов - компонентов напыляемого сплава, которые можно легко изготовить любым методом пластической деформации (ковкой, штамповкой, прокаткой, волочением и др.), так как чистые металлы весьма пластичны, позволяет быстро механически собирать и разбирать пакетную мишень. При этом переустановка, как сплошных пластин, так и пластин с различной степенью перфорации отверстий? позволяет быстро изменять дискретным образом соотношение открытой поверхности пластин в пакете и, как следствие, состава напыляемого сплава, что особо удобно при проведении научных исследований.
Таким образом, предлагаемая мишень для магнетронного напыления металлических сплавов позволяет образовывать сплав непосредственно на изделии-подложке, что по сравнению с прототипом упрощает процесс напыления многокомпонентных сплавов. Т.к. в мишени могут быть использованы очень тонкие пластины, это обеспечивает экономию дорогостоящих компонентов сплавов и делает устройство дешевле, а' возможность смены пластин обеспечивает его вариативность и универсальность.