СПОСОБ ОСАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОИЗОЛИРУЮЩИХ СЛОЕВ
METHOD FOR DEPOSITION OF ELECTRIC INSULATING LAYERS

Область техники
[0001] Изобретение относится к способу получения изолирующих слоев посредством одного или нескольких дуговых источников, причем на поверхности мишени не создается или создается лишь небольшое магнитное поле для поддержания процесса испарения. В частности, изобретение относится к способу получения оксидов и эксплуатации по меньшей мере одного дугового источника в кислородсодержащей атмосфере.
Определения
[0002] В рамках настоящей заявки, состоящей из описания, чертежей и формулы изобретения, под относящимся к магнитному полю термином «небольшое» понимается магнитное поле, составляющее 3-50 Гс (включены оба предела), предпочтительно 5-25 Гс (включены оба предела).
[0003] В рамках настоящей заявки, состоящей из описания, чертежей и формулы изобретения, под относящимся к материалу термином «плохо проводящий» или «хуже проводящий» понимается материал, электропроводность которого меньше электропроводности металлов или металлических сплавов.
[0004] В рамках настоящей заявки, состоящей из описания, чертежей и формулы изобретения, под относящимся к магнитному полю термином «в основном» перпендикулярный поверхности мишени понимается магнитное поле, имеющее параллельную поверхности мишени составляющую (радиальную составляющую), которая меньше составляющей, перпендикулярной поверхности мишени: результирующий вектор поля образует с нормалью к поверхности мишени угол, значение которого составляет менее 45°. Радиальная составляющая поля может при этом быть также нулевой, и тогда вектор поля и нормаль к поверхности совпадают.
[0005] В рамках настоящей заявки, состоящей из описания, чертежей и формулы изобретения, под поляризованной в основном аксиально катушкой понимается катушка, ось которой образует с нормалью к поверхности мишени в ее центре угол, значение которого составляет менее 45°.
[0006] Под состоящей из катушки магнитной системой, имеющей «схожую» с периферией мишени геометрию, понимается магнитная система, которая при виде сверху на поверхность мишени проходит в пределах и/или за пределами поверхности мишени и вдоль ее периферии, а при виде сбоку расположена по меньшей мере частично выше и/или по меньшей мере частично ниже и/или по меньшей мере частично на той же высоте, что и край мишени.
Уровень техники
[0007] С помощью дуговых способов в соответствии с уровнем техники искровые источники очень плохо или вообще не могут эксплуатироваться приемлемым для промышленного применения образом в кислородсодержащей атмосфере, в частности в чистом кислороде. Например, при применении известных дуговых источников, магнитные поля которых рассчитаны на то, чтобы направлять искру по практически круговым траекториям, оказалось, что поверхности мишеней покрываются толстыми слоями оксидов, а процесс нанесения покрытия становится нестабильным. Поверхность мишени, по которой движется искра, сужается, т.е. искра движется по все более уменьшающейся поверхности мишени, а неиспользуемая поверхность мишени сильно окисляется. Это приводит, прежде всего, к сильному брызгообразованию и, в конце концов, к нестабильностям и гашению искры.
[0008] Технологический процесс, при котором дуговые мишени продуваются инертным газом, а вблизи поверхности подложки подается реакционноспособный газ, не может применяться в каждом случае из-за больших затрат на технологическое оборудование и не всегда приводит к успеху, поскольку при слишком высоких концентрациях инертного газа осаждается, например, смесь из металла и собственно желаемого металлического соединения.
[0009] Другая возможность решения этой проблемы заключается в пульсировании тока искры либо за счет одновременного питания постоянным и импульсным токами, как это описано в СН 00518/05 и СН 1289/2005, либо за счет питания единственным импульсным током. Таким образом, несколько дуговых источников можно эксплуатировать непрерывно и стабильно даже тогда, когда они работают в атмосфере кислорода и во время процесса их поверхности покрываются изолирующим слоем. Однако для этого, в дополнение к питанию постоянным током, требуется дополнительное питание импульсным током или специальный, а значит дорогой отдельный генератор, который может накладывать на основной ток подходящий рисунок импульсного тока.
[0010] При осаждении проводящих слоев, таких как, например TiN, AlTiN, AlCrN и т.д., уже давно известно, что при проходящем все более параллельно поверхности магнитном поле уменьшается плотность капель, тогда как в случае ориентированных перпендикулярно поверхности мишени силовых линий поля имеется тенденция к испусканию крупных макрочастиц. Примеры дуговых источников с в основном параллельными поверхности силовыми линиями поля и с небольшой перпендикулярной составляющей магнитного поля раскрыты соответственно в СН 00792/06 и WO 2004/057642.
-3
[0011] Кроме того, из DE 4223592 известно, что для минимизации числа капель и оптимизации выработки мишени внешнее магнитное поле можно установить на соответствующее значение созданного дуговым током в или на поверхности мишени собственного магнитного поля, не превышающего значения 10 Гс (=10 Тл). Этого можно достичь, например, за счет включенной между мишенью и источником тока катушки. При этом мощность испарителя дополнительно стабилизируется за счет индуктивности магнитной катушки, и одновременно повышается плазмообразование.
[0012] Совершенно иной подход предложен в US 6334405, где силовые линии поля проходят в основном перпендикулярно поверхности мишени. При этом создающая поле катушка или магнитное кольцо расположены на той же высоте, что и поверхность мишени, или перед поверхностью мишени. В то же время, по сравнению с упомянутыми выше способами, используются заметно более сильные магнитные поля.
[0013] Из уровня техники неизвестна такая оптимизация магнитных полей в отношении искрового испарения для получения изолирующих или оксидных слоев, при которой на поверхности мишени по меньшей мере временно образуются также изолирующие или по меньшей мере хуже проводящие зоны слоев. Дуговые способы осаждения таких слоев до сих пор не нашли промышленного применения из-за описанных трудностей и упомянуты в уровне техники лишь в единичных случаях.
2
[0014] Исключение составляет патент ЕР 0285745 В1, в котором описано уменьшение числа капель при искровом испарении, которое основано на двустороннем нанесении покрытия, например, из двух противоположных искровых мишеней. За этим стоит то наблюдение, что после откачки установки вакуумного нанесения покрытий и непосредственно после зажигания искры первое время искра расщеплена сильнее и создает меньше капель. В этой публикации описан способ покрытия деталей различными металлсодержащими соединениями, такими как TiN, ZrN и ZrO, причем дуговая мишень подвержена повторному («возобновляемому») нанесению покрытия за счет подходящим образом позиционированного второго источника испарения в соотношении 12-25% к собственной скорости испарения. Катушки для создания магнитных полей над искровыми мишенями представляют собой в этом случае расположенные вне вакуума катушки Гельмгольца, которые уже при напряженности магнитного поля около 10 Гс обеспечивают повышение скорости двустороннего нанесения покрытия. Однако такой способ проблематичен по многим причинам. С одной стороны, следует соблюдать определенное расположение мишени и при этом гарантировать однородность покрытия, а с другой стороны, за счет двустороннего нанесения покрытия всегда происходит уменьшение скорости нанесения покрытия на детали, и вследствие этого снижается рентабельность способа.
Изложение изобретения
[0015] Задачей изобретения является создание способа осаждения плохопроводящих, в частности изолирующих, слоев посредством искрового испарения, который позволил бы устранить недостатки уровня техники и проводить такой процесс искрового испарения с высокой производительностью. Другой задачей является создание способа, который впервые позволил бы проводить процесс искрового испарения с долговременной стабильностью в содержащей реакционноспособный газ атмосфере даже без использования импульсных дуговых источников и/или одновременной продувки дуговых источников инертным газом или одновременного повторного нанесения покрытия на испарившуюся поверхность мишени, при котором осаждают плохопроводящие или изолирующие слои.
z
r
z
[0016] Неожиданным образом оказалось, что с помощью относительно простой меры, такой как приложение к поверхности мишени небольшого, в основном перпендикулярного ей внешнего магнитного поля посредством по меньшей мере одной аксиально поляризованной катушки с похожей на периферию мишени геометрией и вертикальной составляющей B, а также в основном, т.е. на большой части поверхности мишени, меньшей радиальной или параллельной поверхности составляющей В, возможен стабильный в течение длительного времени процесс нанесения покрытия даже для получения плохопроводящих, в частности изолирующих, слоев. При этом вертикальная составляющая B на поверхности мишени устанавливается в диапазоне 3-50 Гс, в частности, однако, в диапазоне 5-25 Гс.
[0017] При таком способе становится излишней описанная в уровне техники необходимость в двустороннем нанесении покрытия, так что степень повторного нанесения покрытия на поверхность мишени другими источниками покрытия может быть выбрана меньшей чем 10%, предпочтительно меньшей чем 5%, особенно предпочтительно меньшей чем 1% или 0% от выделяемого катодом количества металла.
[0018] Альтернативно, способ по изобретению можно осуществлять также полностью без магнитного поля, при этом следует, однако, отказаться от предпочтительной повышенной ионизации, которая происходит уже при приложении небольших магнитных полей над поверхностью мишени.
[0019] Таким образом, расположение искрового(ых) источника(ов) можно выбирать практически свободно, например параллельно, под углом друг к другу или даже противоположно друг другу, и, например, позиционировать или перемещать покрываемые детали по желанию между несколькими искровыми источниками, благодаря чему лучше используется материал мишени и повышается скорость нанесения покрытия. При этом можно отказаться также от других, принятых прежде вспомогательных мер, таких как продувка мишени инертным газом или подмешивание значительных долей инертного газа к реакционноспособному газу. В частности, процесс можно проводить также с долей инертного газа менее 30%, предпочтительно менее 10% или без добавления инертного газа. В этом случае нет необходимости также комбинировать настоящее изобретение с известной из СН 00518/05 (reactive pulsed arc) и СН 1289/2005 (dual pulsed arc) поддержкой процесса за счет подачи импульсного сигнала к дуговому(ым) катоду(ам), хотя такая комбинация может быть предпочтительной для определенных применений, например, если желательны повышенная ионизация, лучшее полезное использование мишени, более высокая скорость нанесения покрытия или более быстрое движение искры по поверхности мишени.
z
r
[0020] Магнитное поле над поверхностью или на поверхности мишени следует установить при этом так, чтобы оно было не слишком сильным с целью удержания искры на геометрически определенных траекториях. Это достигается за счет установления вертикальной составляющей B магнитного поля на значения менее 50 Гс, предпочтительно, однако, менее 25 Гс. Составляющая В должна быть установлена соответственно меньшей.
[0021] Если с помощью таких процессов осаждаются плохопроводящие или изолирующие слои, то можно избежать трудностей, известных из способов на постоянном токе с поддерживаемыми за счет магнитных полей дуговыми источниками, таких как отравление большой площади поверхности мишени и вытекающее из этого снижение скорости нанесения покрытия, ограничение активной поверхности мишени или нестабильности процесса, которые могут привести к выходу из строя дугового источника. В то же время этим способом можно достичь более высокого качества поверхности покрытия, поскольку искра уже при сравнительно малых токах разделяется на несколько мелких вспышек, которые быстро движутся по поверхности мишени и, тем самым, обеспечивают равномерный съем мишени при небольшом испускании капель. Следовательно, представляется, что отравление поверхности мишени по сравнению с проводящими поверхностями дополнительно способствует лучшему распределению искры.
2
[0022] Особенно заметен этот эффект в случае изолирующих слоев, которые снижают эмиссию электронов металлической поверхностью мишени. Их примерами являются слои оксида алюминия или слои оксида алюминия и металла, которые могут быть получены за счет испарения алюминиевых сплавов, например, с одним или несколькими переходными металлами IV-VI подгрупп, а также Fe, Si, В, С, предпочтительно сплава AlTi, AlTa, A1V, AlCr или AlZr в кислородсодержащей атмосфере. При этом предпочтительно инертный газ вообще не используется, или используется лишь относительно небольшая доля инертного газа или азота, преимущественно менее 20 об.%, в частности менее 10 об.%, чтобы обеспечить полное окисление испаренных мишенями металлических частиц. Аналогичное хорошее распределение искры на поверхности мишени можно наблюдать при получении изолирующих боридных слоев, таких как, например, TiB. Также и здесь процесс можно осуществлять в борансодержащей атмосфере, например с дибораном, даже без подмешивания или лишь с небольшим подмешиванием инертного газа, к примеру азота.
[0023] В качестве объяснения этого поведения здесь, без притязания на полноту и без предоставления научных доказательств, напрашивается разная эмиссия электронов или работа выхода электронов из металлических поверхностей по отношению к изолирующим или оксидным. Так, например, оксид алюминия демонстрирует существенно более высокую эмиссию электронов, чем металлический алюминий. Предположительно, при способе по изобретению возникает ход искры, контролируемый эмиссией электронов отравленной поверхностью мишени. Поскольку поперечное ускорение радиального магнитного поля больше не вынуждает искру перемещаться по траектории, искра предпочтительно перескакивает в места мишени с наибольшей эмиссией электронов. В случае алюминиевой мишени, испаряемой искрой в кислороде, она движется к тому месту, где слой оксида алюминия растет быстрее всего. Слабое перпендикулярное магнитное поле может при этом дополнительно поддерживать эмиссию, а слишком сильное перпендикулярное магнитное поле имеет негативные последствия. Причина последнего может быть в том, что магнитные поля нельзя в технически и экономически приемлемой степени создать совершенно однородными над поверхностью мишени. В случае более сильных перпендикулярных магнитных полей всегда добавляется возрастающая параллельная составляющая, которая в конце концов ограничивает свободную подвижность искры на поверхности. Для удержания искры на лицевой стороне мишени могут применяться известные меры, такие как ограничительные кольца из изолирующего материала (например, нитрида бора) или электропроводящие удерживающие кольца, которые отталкивают искру посредством поля вихревых токов, созданного в кольце самой подвижной искрой.
[0024] Для получения технической системы слоев со специальными функциональными свойствами желательно в зависимости от назначения применения нанести на деталь вместе с упомянутыми изолирующими слоями еще и дополнительные, например металлические, нитридные, карбидные или карбонитридные адгезионные и/или твердые слои, причем в качестве последнего этапа нанесения предпочтительно наносится оксидсодержащий или оксидный слой. Последние могут использоваться, например, в качестве приработочного слоя покрытия или в качестве защиты от окисления для нижележащих твердых слоев. Для осаждения дополнительных систем слоев могут применяться известные сами по себе методы, хотя предпочтительны методы физического осаждения из паровой фазы (PVD), такие как ионное распыление, низковольтное дуговое напыление, однако, в частности, также искровое испарение. Способом по изобретению возможно также получение многослойных систем, в которых попеременно осаждаются проводящие и непроводящие или по-разному непроводящие слои. Для этого, например, дуговой источник может попеременно эксплуатироваться в азоте и кислороде, или несколько дуговых источников могут быть снабжены разными материалами мишеней, а затем один материал может осаждаться в виде нитрида, карбонитрида или иного соединения, а другой материал - в виде непроводящего оксида. Для этого, в противоположность другим методам PVD и CVD (химическое осаждение из паровой фазы), могут быть без проблем получены переходные слои между непроводящими и проводящими зонами слоев, например, с возрастающим или уменьшающимся содержанием кислорода, что является большим преимуществом способа по изобретению. По сравнению с ним во время процессов ионного распыления возникают зоны нестабильных параметров за счет отравления поверхности мишеней (кривая гистерезиса), в результате чего происходит резкое изменение условий осаждения. Также отпадают сложное установление различных температурных уровней для осаждения различных твердых веществ и продувки инертным газом между отдельными этапами процесса, как это необходимо в методах CVD. В целом, этот способ может осуществляться при гораздо более низких температурах, чем методы CVD, и поэтому он подходит, например, также для покрытия сталей.
[0025] При осаждении множественных слоев может возникнуть проблема испарения различных материалов мишеней, причем некоторые материалы испаряются с приемлемым полезным использованием мишеней только при приложении магнитного поля. В таких случаях может быть выгодным наложение дополнительно импульсного сигнала на постоянный ток источника. В отношении других подробностей такого процесса следует сослаться на две предыдущие, уже упомянутые выше заявки СН 00518/05 и СН 1289/2005, в которых подробно раскрыты две возможности такого импульсного режима работы. Кроме того, как следует из вышесказанного, к магнитной системе для дугового испарения предъявляются иные требования, нежели к магнитной системе для испарения того же материала с оксидным покрытием. Например, для дугового испарения TiAl с целью осаждения TiAlN предпочтительно использовать источник с одной магнитной системой. В зависимости от соотношения Ti/Al различные магнитные системы могут приводить в этом случае к оптимальным результатам, причем магнитные поля используются в вышеуказанных пределах напряженности или выше. Если в таких случаях, например при использовании постоянных магнитов, напряженность магнитного поля нельзя согласовать с различными условиями испарения (например, металлическая, нитридная, оксидная поверхность мишени), то в случае оксидной поверхности мишени и соответственно сильных магнитных полей предпочтительна или даже необходима дополнительная пульсация.
[0026] Аналогичные рассуждения относятся к реализации градиентных слоев и смешанных слоев из оксидов и, например, нитридов и/или карбидов. В таких случаях следует работать не только в атмосфере чистого кислорода, но и в газовых смесях с разной, часто малой долей кислорода. В этих условиях эмиссия электронов на поверхности мишени не полностью регулируется кислородом, поскольку имеется лишь частично покрытая оксидом поверхность мишени. Также в этом случае может быть предпочтительным предусмотреть дополнительную пульсацию тока мишени.
[0027] Хотя в целом с помощью способа по изобретению можно осаждать изолирующие слои без каких-либо дополнительных мер, при определенных обстоятельствах, как уже сказано, может быть, тем не менее, предпочтительным питать дуговой источник одновременно постоянным током, а также импульсным или переменным током. При этом доля постоянного тока устанавливается предпочтительно в диапазоне 100-300%, в частности между 100 и 200%, от удерживающего тока. Под удерживающим током следует понимать минимальный ток, при котором еще возможна стабильная эксплуатация электропроводящего дугового источника с простым питанием переменным током. Значение удерживающего тока или удерживающей мощности зависит при этом от материала мишени, конструкции дугового источника или от характера разряда, например происходит ли он в вакууме с добавлением или без добавления инертного или реакционноспособного газа. В случае обычных материалов мишеней при использовании описанных ниже более подробно дуговых источников это соответствует постоянному току в диапазоне 30-90 А, предпочтительно между 30 и 60 А.
[0028] В одном особом варианте реализации питание импульсным током может осуществляться между катодом и расположенным отдельно от дугового источника вторым электродом, в частности катодом другого дугового источника. Альтернативно, питание импульсным током может осуществляться также между дуговым источником и другим типом источника, например распылительным катодом источника ионного распыления, в частности, магнетрона.
[0029] Для создания магнитного поля можно, например, приложить ток возбуждения к известной сама по себе аксиально поляризованной магнитной системе, такой как состоящая из по меньшей мере одной катушки с похожей на периферию мишени геометрией. При этом магнитная система располагается по существу в одной плоскости с поверхностью мишени или предпочтительно за поверхностью мишени, поскольку в этом случае расположение катушки в атмосфере возможно относительно просто. Для экономии места геометрия магнитной системы может быть выбрана при этом немного меньше периферии мишени. Если же желательно особенно равномерное вертикальное распределение, то благоприятной является одинаковая или даже немного большая геометрия параллельно и как можно ближе к геометрической плоскости поверхности мишени, обеспечивающая, например, также охват мишени. Использовать устройства Гельмгольца, создающие магнитное поле на больших участках установки, необязательно, а для обеспечения гибкости даже нежелательно.
[0030] Особенно простым образом такое магнитное поле можно создать, если постоянный ток и/или импульсный или переменный ток источника тока пропустить через катушку, например, катушку описанного выше типа, к катоду. В этом случае можно обойтись без генератора для магнитной катушки. Особенно сказывается использование такого последовательного включения катушки и катода в импульсном режиме работы, когда происходит дополнительная ионизация, которая поддерживает импульсный режим и усиливает эмиссию электронов. Число витков катушки для указанных выше токов выбирается от 1 до 20, предпочтительно от 1 до 10, в частности от 1 до 5. Таким образом, можно также установить магнитное поле по существу на величину соответствующих значений собственного магнитного поля тока дуги, которое обычно лежит по порядку величины в интервале меньше или равно 10 Гс. Кратковременно более высокое внешнее магнитное поле, возникающее, например, при прохождении пика импульса или крутого фронта импульса через катушку, обычно не мешает.
[0031] Альтернативно, можно также питать магнитное поле отдельно от эксплуатируемого на постоянном токе или в импульсном режиме дугового источника с помощью своего собственного импульсного питания и управления. Если дуговой источник эксплуатируется в импульсном режиме, то можно предусмотреть синхронизацию.
[0032] Таким образом, при соответствующем выполнении катушек и, при необходимости, при дополнительном предусматривании магнитного кольца можно создавать также более сильные магнитные поля, если желательна более высокая плотность плазмы. Однако в этом случае при осаждении изолирующих слоев предпочтительно приложить дополнительно к приложенному к дуговым источникам сигналу постоянного тока импульсный сигнал, как это упомянуто выше.
[0033] Кроме того, предпочтительно осуществлять способ с дуговым источником, при котором между катодом и анодом расположено электрически изолированное от них обоих ограничительное кольцо, которое состоит либо из диэлектрика, такого как, например, BN, или высокопроводящего металла, такого как, например, Al, Cu, Ag. Это, особенно в комбинации с небольшим магнитным полем, гарантирует, что искра не покинет поверхность мишени.
Краткое описание чертежей
[0034] Ниже изобретение более подробно поясняется с помощью чертежей, на которых изображены различные примеры его осуществления. На чертежах показаны:
[0035] фиг.1 - поверхности мишеней с реактивной дугой;
[0036] фиг.2 - дуговой источник с магнитной системой;
[0037] фиг.3 - напряженность Z поля в известном способе;
[0038] фиг.4 - напряженность V поля в известном способе;
[0039] фиг.5 - дуговой источник с катушкой;
[0040] фиг.6 - напряженность поля в способе по изобретению.
[0041] На фиг.1 изображено состояние поверхности различных искровых мишеней после работы в атмосфере чистого кислорода. Для опыта мишени диаметром 160 мм и толщиной 6 мм монтировали на стандартном дуговом источнике фирмы «Бальцерс» в установке RCS нанесения покрытий и эксплуатировали с использованием различных магнитных систем в течение 50 минут при токе источника 180 А в атмосфере чистого кислорода. Использовавшимися параметрами были следующие:
дуги
- ток источника: 180 А;
2
3
3
- расход O: повышался ступенчато с 400 ст.см/мин до 1600 ст.см/мин, осуществлялось в атмосфере чистого кислорода;
3
- высота/ширина ступени: 300 ст.см/мин/10 мин;
- рабочее давление: 0,44-4,9 Па;
- напряжение подложки: биполярный асимметричный импульс -100 В/36 мкс, +100 В/4 мкс;
- температура подложки: 550°С.
r
[0042] На фиг.1 «MAG Z» и «MAG V» обозначают две мишени, которые эксплуатировали с относительно сильным магнитным полем с выраженной радиальной составляющей В. Поверхность показывает в обоих случаях очень неравномерный съем и заметные, практически кольцевые следы прохождения искры. При этом искра оставила относительно глубокие следы и в обоих случаях визуально различимый максимум съема в центре мишени. В обоих случаях поверхность настолько шероховата и повреждена, что мишени больше непригодны для дальнейшего использования без дополнительной обработки поверхности. Сама траектория искры все больше сужается во время работы, и возникают нестабильности процесса. Такого поведения можно было в значительной степени избежать до сих пор только за счет пульсации тока мишени, как это описано в СН 00518/05 и СН 1289/2005. Однако это означает дополнительные затраты и требует специальных источников питания.
[0043] Совершенно иную картину показала поверхность мишени «MAG S» на фиг.1, которую, за исключением магнитного поля, в остальном эксплуатировали при таких же параметрах, что и поверхности мишеней MAG Z, MAG V на фиг.1. Поверхность представляется равномерно снятой по всей площади, что удалось подтвердить также за счет измерений профилометром. Предпосылкой такого поведения является небольшое магнитное поле с по меньшей мере небольшой радиальной составляющей. Вертикальная составляющая может быть выбрана несколько более свободно. Ниже кратко описаны существенные отличия использованных магнитных систем.
[0044] На фиг.2 изображено схематичное сечение дугового источника с той магнитной системой, что была использована для мишеней MAG Z и MAG V на фиг.1. Вокруг поверхности 2 смонтированной на охлаждающей плите 4 мишени 1 расположено огибающее ограничительное кольцо 3 для ограничения искры на поверхности мишени. Обычно также огибающий противоэлектрод, в большинстве случаев анод, не показан здесь. На центральном участке обратной стороны мишени находится токоподвод 5, который может включать в себя также подводящие и отводящие линии для охлаждающей воды (не показаны). На центральном участке обратной стороны находится также внутреннее кольцо 6 постоянных магнитов, а в зоне внешней периферии мишени - внешнее кольцо 7 постоянных магнитов. Оба кольца магнитов намагничены аксиально с противоположными полярностями, так что часть силовых линий поля, выходящих с верхней стороны внешнего кольца 7 постоянных магнитов, входят обратно в верхнюю сторону внутреннего кольца 6 постоянных магнитов, тогда как пути силовых линий поля на обратной стороне по отношению к плоскости колец проходят по существу зеркально-симметрично. Для изменения напряженности поля могут использоваться, например, магниты разной силы, дополнительно катушка, как на фиг.5, или же другие приспособления.
z
r
z
r
z
z
r
[0045] На фиг.3 изображена локальная напряженность поля магнитной системы, устанавливающаяся на поверхности дуговой мишени при использовании выполненной таким образом серийной магнитной системы «MAG Z» фирмы «Бальцерс». Фигура показывает ход вертикальной составляющей B и радиальной составляющей В напряженности поля на одной половине мишени. B имеет максимум посередине (координата 0) и на краю (75 мм) и примерно на 45 мм проходит через нулевую линию. Образованная точкой пересечения абсолютных составляющих точка 45°, т.е. та точка или описанная окружность, где силовые линии поля сходятся под углом 45° на поверхности мишени, лежит примерно на 27 и 59 мм. В промежуточной области радиальная составляющая В больше, чем B, и проходит через максимум. В отличие от B, В на соответствующей половине мишени не испытывает изменения направления и пересекает нулевую линию в нулевой точке и на краю мишени. Как следует ожидать, промежуточная область, в которой на движущуюся (движущиеся) по мишени искру (искры) действуют относительно высокие радиальные силы ускорения, является предпочтительной областью нахождения, что хорошо видно по соответствующей эрозионной характеристике мишени «MAG Z» на фиг.1. С другой стороны, также за счет очень малой радиальной составляющей в центральной зоне мишени и связанного с этим медленного движения отдельных искр, которые покидают предпочтительную область нахождения, за счет перегрева и как следствие взрывообразного испарения возникает повышенный съем, повреждение поверхности и повышенное каплеобразование. Этот эффект меньше проявляется на краю мишени, поскольку, с одной стороны, по отношению к центральному участку меньше искр на единицу площади переходит из предпочтительной зоны, а с другой стороны, искра отталкивается за счет поля вихревых токов, самонаводящегося в металлическом ограничительном кольце, выполненном, например, из меди.
[0046] На фиг.4 изображена соответствующая характеристика напряженности поля показанной для испарения по фиг.1 мишени с магнитной системой «MAG V». При принципиально аналогичной характеристике магнитное поле отличается более высокой, в среднем на приблизительно 50% по сравнению с фиг.3, напряженностью для обеих составляющих. В соответствии с этим на поверхности мишени «MAG V» на фиг.1 также во внешней зоне виден более сильный съем. И в этом случае поверхность также сильно повреждена.
[0047] Наконец, на фиг.5 изображено схематичное сечение дугового источника с магнитной системой «MAG S» 8, использовавшейся для испарения поверхностей мишени «MAG S» на фиг.1 согласно способу по изобретению. Вместо колец 6, 7 постоянных магнитов по фиг.2 здесь используется электромагнитная катушка 8, размещенная позади мишени 1 в зоне проекции периферии мишени.
[0048] Здесь предпочтительны магнитные системы, выполненные из одной или нескольких электрических катушек, без поддержки или лишь с небольшой поддержкой за счет сильных постоянных магнитов. В таких системах ток катушек можно изменять аналогично изменению состояния поверхности мишени. Например, при получении непрерывного перехода от проводящего нитридного твердого слоя к непроводящему оксидному слою магнитное поле можно уменьшить параллельно с понижением расхода азота, тогда как расход кислорода непрерывно увеличивается. Таким образом, даже без импульсного режима работы дугового источника можно получать любые непрерывные переходы с материалами, которые для испарения проводящей поверхности требуют поддержки магнитным полем.
z
r
z
z
z
[0049] На фиг.6 изображена напряженность поля, возникающая при работе такой магнитной системы с небольшими токами. В этом случае эксплуатировали серийную магнитную систему «MAG S» (432 витка) фирмы «Бальцерс» с током 1 А. Таким образом, можно, как изображено, устанавливать магнитные поля с очень равномерным ходом составляющей B, а также в среднем очень малой составляющей В. Преимущественно, составляющую B устанавливают на уровне менее 50 Гс, в частности, меньшем или равном 30 Гс. Хотя неожиданным образом дуговые источники могут эксплуатироваться в атмосфере кислорода с приемлемой скоростью и характером эрозии аналогично «MAG S» на фиг.1 принципиально без поддержки магнитным полем, тем не менее, использование только описанной выше магнитной системы придавало немного лучшее распределение. Уже в случае полей с B менее 10 Гс, например, при 3 и 5 Гс, удалось обнаружить некий эффект. При этом предпочтителен как можно более равномерный ход B, который на большой части поверхности мишени колеблется не более чем на 10% и максимум на 20%. Лишь в краевой зоне мишени, приблизительно 10-20 мм от края мишени, допустимо немного большее отклонение. Дополнительно такая магнитная система облегчает осуществление тех способов нанесения покрытий, при которых мишень последовательно используется для получения проводящих и плохо- или непроводящих слоев, поскольку здесь поля можно приспособить к соответствующим этапам способа. Разумеется, для оптимизации таких способов могут использоваться и другие известные специалисту магнитные системы. Например, для некоторых процессов было бы предпочтительным использование дополнительной системы, способной перемещаться перпендикулярно плоскости мишени, для того чтобы создавать благоприятное, например, для получения определенных нитридов металлов, распределение магнитных полей с более сильными магнитными полями на верхней стороне мишени более или менее аналогично фигурам 3 и 4.
[0050] Следующий пример поясняет полностью всю процедуру проведения способа нанесения покрытий по изобретению со слабым, в основном перпендикулярным магнитным полем в зоне поверхности мишени.
-4
[0051] После вкладывания деталей в предусмотренные для этого вращаемые в двух или трех измерениях держатели и помещения держателей в установку вакуумной обработки камеру обработки откачивают до давления приблизительно 10 мбар.
[0052] Для установления температуры процесса между отделенной экраном катодной камерой с горячим катодом и подключенными в качестве анода деталями в аргоноводородной атмосфере зажигают поддерживаемую радиационными нагревателями плазму низковольтной дуги.
[0053] При этом устанавливают следующие параметры нагрева:
- разрядный ток низковольтной дуги: 250 А;
3
- расход аргона: 50 ст.см/мин;
3
- расход водорода: 300 ст.см/мин;
-2
- рабочее давление: 1,4×10 мбар;
- температура подложки: приблизительно 550°С;
- продолжительность процесса: 45 минут.
[0054] Альтернативы этому известны специалисту. При этом подложки предпочтительно подключают в качестве анода для низковольтной дуги и предпочтительно дополнительно снабжают униполярными или биполярными импульсами.
[0055] В качестве следующего этапа процесса осуществляют травление. Для этого зажигают низковольтную дугу между нитью накала и вспомогательным анодом. Также здесь между деталями и массой может быть включен источник постоянного тока, импульсного постоянного тока или работающий на переменном токе среднечастотный (MF) или радиочастотный (RF) источник. Однако предпочтительно на детали подают отрицательное напряжение смещения.
[0056] При этом были установлены следующие параметры травления:
3
- расход аргона: 60 ст.см/мин;
-3
- рабочее давление: 2,4×10 мбар;
- разрядный ток низковольтной дуги: 150 А;
- температура подложки: приблизительно 500°С;
- продолжительность процесса: 45 минут;
- напряжение смещения: 200-250 В.
[0057] Чтобы обеспечить стабильность разряда низковольтной дуги при получении изолирующих слоев, на всех поддерживаемых низковольтной дугой этапах процесса либо работают с горячим проводящим вспомогательным анодом, либо между вспомогательным анодом и массой подключают импульсный высокоточный источник.
[0058] На следующем этапе процесса подложку покрывают слоем АlСrO и промежуточным слоем TiAlN. Все процессы нанесения покрытий могут, при необходимости повышенной ионизации, поддерживаться плазмой низковольтной дуги.
[0059] При этом при осаждении промежуточного слоя TiAlN были установлены следующие параметры:
3
- расход аргона: 0 ст.см/мин (без добавления аргона);
- расход азота: регулирование давления до 3 Па;
-2
- рабочее давление: 3×10 мбар;
- постоянный ток источника TiAl: 200 А;
- ток магнитного поля источника (MAG S): 1 А;
- напряжение постоянного тока смещения подложки: U=-40 В;
- температура подложки: приблизительно 550°С;
- продолжительность процесса: 25 минут.
3
3
2
[0060] Для длившегося приблизительно 15 минут перехода к собственно функциональному слою подключают дуговые источники AlCr с постоянным током источника 200 А, причем положительный полюс источника постоянного тока соединен с анодным кольцом источника и массой. На этом этапе к подложкам прикладывают напряжение постоянного тока смещения -40 В. Через 5 минут после включения мишени AlCr начинают подачу кислорода, расход которого в течение 10 минут увеличивается с 50 до 1000 ст.см/мин. Одновременно расход N уменьшается до приблизительно 100 ст.см/мин. Незадолго до подачи кислорода напряжение постоянного тока смещения подложки переключают на биполярные импульсы и повышают до U=-60 В. В конце повышения расхода кислорода обе мишени TiAl выключают. Таким образом приготавливают промежуточный слой и градиентный переход к функциональному слою.
[0061] Покрытие подложек собственно функциональным слоем происходит в чистом кислороде. Поскольку в случае оксида алюминия речь идет об изолирующих слоях, используют источник напряжения смещения либо импульсного, либо переменного тока.
[0062] Были установлены следующие существенные параметры функционального слоя:
3
- расход кислорода: 1000 ст.см/мин;
-2
- рабочее давление: 2×10 мбар;
- постоянный ток источника Аl: 200 А;
- ток магнитного поля источника (MAG S): 0,5 А;
- напряжение смещения подложки: U=60 В (биполярное, 36 мкс отрицательное, 4 мкс положительное);
- температура подложки: приблизительно 550°С;
- продолжительность процесса: 60-120 минут.
[0063] С помощью описанного процесса удалось получить хорошо сцепляющиеся и твердые слои. Сравнительные испытания слоя на токарных и фрезерных инструментах показали заметно улучшенную по сравнению с известными слоями TiAlN долговечность, хотя шероховатость была заметно выше значений шероховатости оптимизированных чистых слоев TiAlN.
[0064] При этом следует также отметить, что способ по изобретению предпочтительно осуществляют при расположении по меньшей мере двух мишеней под углом друг к другу или напротив друг друга, а между мишенями располагают по меньшей мере одну деталь.