Устройство для вакуумно-плазменого нанесения покрытий

Полезная модель относится к классу технологий, позволяющих наносить на подложку покрытие из низкотемпературной плазмы.
Известны устройства [Каштанов П.В., Смирнов Б.М., Хипплер Р. Магнетронная плазма и нанотехнология // Успехи физических наук. - 2007, Т. 177, - №5, - С. 473-510], позволяющие наносить такие покрытия с помощью магнетронного ионного распыления (МИР) за счет формировании плазмы аномального тлеющего разряда между плоскими катодом и анодом, в пространстве между которыми попадают нейтральные атомы мишени, выбитые из нее потоком падающих ионов плазмы и в дальнейшем осаждающиеся на подложке и формирующие наносимое покрытие. Преимуществом таких планарных устройств МИР является возможность наносить качественные, в том числе наноразмерные по толщине однородные покрытия.
Недостатком таких планарных магнетронных распылительных устройств является принципиальная невозможность наносить покрытия на внутреннюю поверхность цилиндрических деталей (например, серебрение внутренних стенок волноводов). Также МИР не позволяет произвести нагрев подложек непосредственно перед нанесением покрытия, когда это требуется во многих случаях, например, при упрочнении металлорежущего инструмента до температуры (350-400 С) и в ряде других применений, что не способствует получению высококачественных стойких покрытий и также ухудшает адгезию.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому является устройство для магнетронного нанесения покрытий методом магнетронного распыления в скрещенных электрическом и магнитном полях [А.И. Кузьмичёв Магнетронные распылительные системы, Книга 1, Введение в физику и технику магнетронного распыления, Киев "Аверс" 2008, 244 с., стр. 50]. Устройство представляет собой стержневой катод-мишень и соосно расположенный с ним цилиндрический анод-подложку и источник постоянного электрического напряжения между катодом-мишенью и анодом-подложкой, в пространстве между которыми создается низкотемпературная плазма газового разряда за счет приложения между стержневым катодом-мишенью и цилиндрическим анодом-подложкой постоянного электрического напряжения, а поле магнитной индукции, перпендикулярное электрическому, создается расположенными за пределами цилиндрического анода-подложки постоянными магнитами, или соленоидами. Разряд в скрещенных полях происходит при давлении рабочего газа на несколько порядков меньше, чем при обычном газовом разряде, что существенно повышает чистоту получаемых покрытий за счет уменьшения неконтролируемых примесей. Источником распыляемого материала служит стержневой катод-мишень, а на поверхность цилиндрического анода-подложки наносится материал стержневого катода-мишени, являющийся покрытием на внутренней поверхности цилиндрического образца (например, трубопроводов или волноводов) когда требуется большая равномерность покрытия по толщине по всей длине трубопровода или волновода.
К недостаткам этого устройства относится невозможность управления характеристиками постоянного поля магнитной индукции в случае применения постоянных магнитов и неоднородные характеристики поля магнитной индукции в случае применения соленоидов, что приводит к ухудшению качества и равномерности получаемых покрытий, причем неоднородность получаемых пленок по толщине по всей длине напыляемого образца составляет 20% и более. К недостаткам также относится необходимость перестраивать всю систему внешних магнитов в случае изменения требований к параметрам поля магнитной индукции. Такая необходимость возникает при нанесении покрытий на внутреннюю поверхность цилиндрических подложек различных диаметров и размеров. Перенастройка системы внешних магнитов и их согласование могут занимать время от одного рабочего дня до нескольких, что существенно ухудшает технологичность процесса магнетронного распыления покрытий. Другим недостатком является необходимость использования цельного стержневого катода-мишени, что при распылении высокочистых дорогостоящих, а иногда и уникальных материалов приводит к высокой стоимости эксплуатации устройства и неоправданным затратам. Замена стержневого катода-мишени в случае необходимости замены распыляемого материала требует перенастройки всей системы.
Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является улучшение качества и равномерности получаемых покрытий.
Достигаемым техническим результатом является повышение качества и равномерности получаемых покрытий за счет исключения неоднородностей магнитного поля, вызванных наличием постоянных магнитов или соленоидов и повышение технологичности процесса за счет формирования и управления параметрами магнитного поля вследствие использования переменного тока, протекающего через катод-мишень и применения составного катода-мишени, позволяющего снижать время на переналадку устройства магнетронного распыления покрытий в случае нанесения различных по составу покрытий.
Для этого необходимо исключить внешние источники поля магнитной индукции. При этом роль магнитной системы играет катод-мишень, к концам которого подключен дополнительный источник напряжения. Ток, проходящий от этого источника по катоду-мишени, будет создавать свое поле магнитной индукции. В случае выполнения катода-мишени в виде стержня форма линий поля  будет окружность с центром в месте расположения стержня. Сам вектор  направлен по касательной к этой окружности, т.е. перпендикулярен радиусу. Если между соосными катодом-мишенью и анодом-подложкой подключить источник питания постоянного напряжения, то в пространстве катод-мишень - анод-подложка возникнет электрическое поле  направленное от катода к аноду по радиусу. Так реализуется система скрещенных под углом 90 градусов электрического и магнитного полей, что является необходимым требованием работы любого устройства магнетронного распыления.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемое устройство для вакуумно-плазменного нанесения покрытий на внутреннюю поверхность цилиндрических изделий также, как и известное, состоит из стержневого катода-мишени и соосно расположенного с ним цилиндрического анода-подложки, содержит источник постоянного электрического напряжения между стержневым катодом-мишенью и анодом-подложкой, которые подключены к источнику постоянного напряжения, параметры которого достаточны для формирования плазмы газового разряда в пространстве между стержневым катодом-мишенью и цилиндрическим анодом-подложкой, и отличающееся тем, что на стержне катода-мишени расположена трубка из распыляемого материала, находящаяся в механическом и электрическом контакте со стержнем катода-мишени, при этом катод-мишень и анод-подложка подключены к источнику постоянного напряжения через дроссели, а катод-мишень подключен к дополнительному источнику переменного тока через конденсаторы.
Устройство поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена его принципиальная схема.
Устройство содержит катод-мишень, состоящий из основного стержня 1 и трубки из распыляемого материала 7, находящейся в механическом и электрическом контакте с основным стержнем, соосным с анодом-подложкой 2, источник переменного тока 3, подключенный к концам основного стержня катода-мишени через конденсаторы 4, источник постоянного напряжения 5, подключенный положительным полюсом к аноду-подложке, а отрицательным полюсом к катоду-мишени через дроссели 6.
-5
-3
Работает предлагаемое устройство следующим образом. При достижении в межэлектродном пространстве между катодом-мишенью и анодом подложкой необходимого вакуума (примерно 10 тор) в межэлектродное пространство напускается рабочий газ, обычно аргон, до давлений (1-5)⋅10 тор. При включении источника переменного тока 3 требуемое поле магнитной индукции для реализации процесса магнетронного распыления в скрещенных полях будет создаваться за счет протекания по катоду переменного тока необходимой величины. В случае переменного тока будет обеспечена постоянная конфигурация распределения магнитного поля, так как будет исключена возможность его изменения за счет падения напряжения по длине, как это могло бы иметь место в случае применения постоянного тока. При включении источника постоянного напряжения 5 возникающее электрическое поле всегда будет ортогонально поверхности катода, т.е. направлено по радиусу от катода к аноду. Учитывая тот факт, что вектор магнитной индукции  всегда направлен по касательной к окружности, а вектор электрического поля  направлен по радиусу к окружности поля магнитной индукции, то во всем межэлектродном пространстве между анодом и катодом поля  будут ортогональны, т.е.  что и обеспечивает реализацию газового разряда в скрещенных полях. Однако это условие не является достаточным, т.к. возникающая при этом и действующая на ионы плазмы сила Лоренца, пропорциональная  будет направлена на ионы вдоль катода-мишени и будет "сдувать" их на стенки вакуумной камеры и тем самым исключать возникновение разряда как такового. С целью предотвращения этого "сползания" ионов плазмы ток от источника 3 через катод-мишень должен быть переменным. Таким, чтобы за один полупериод ионы плазмы смещались на небольшую величину, порядка 0,5 см, а за другой полупериод возвращались обратно. Будет происходить колебание ионов плазмы над поверхностью катода-мишени и, как следствие, возникновение аномального тлеющего разряда.
Конденсаторы и дроссели необходимы для исключения взаимного влияния источников питания 3 и 5 друг на друга. При этом поле магнитной индукции будет однородным по форме по всей длине катода-мишени, то есть по всему основному стержню катода-мишени будет протекать ток одинаковой силы.
Электроны газоразрядной плазмы будут вращаться вокруг линий магнитной индукции, причем радиус их вращения будет минимальным у поверхности катода, что обеспечивает наибольшую плотность плазмы непосредственно над поверхностью катода-мишени. Это, в свою очередь, обеспечивает наибольшее количество ионов аргона непосредственно над поверхностью катода-мишени и, как следствие, вызывает эффективное распыление катода-мишени.
-3
Для нанесения покрытий из серебра в заявляемом устройстве на базе модифицированной установки типа "Булат" на внутреннюю поверхность волновода диаметром 30 мм, исключена из конструкции система внешних магнитов, как в устройстве, описанном в прототипе. Через катод-мишень, изготовленный из медного стержня диаметром 10 мм и соосной трубки из серебра внутренним диаметром 10 мм и внешним диаметром 11 мм и находящейся в электрическом и механическом контакте с медным стержнем, пропускают переменный электрический ток силой 150-200 А. Волновод расположен соосно с катодом-мишенью. При этом между катодом-мишенью и анодом-подложкой (обрабатываемым волноводом) прикладывается потенциал 500-700 В. В качестве рабочего газа используется аргон при давлении (3-5)⋅10 торр. При применении заявляемого устройства нанесения покрытий были получены на аноде-подложке (волноводе) пленки серебра толщиной 0,3-0,6 мкм с неоднородностью по толщине 3% по всей длине волновода (200 мм).
-3
Для нанесения покрытий из серебра на внутреннюю поверхность волновода диаметром 40 мм через катод-мишень, изготовленный из медного стержня диаметром 10 мм и соосной трубки из серебра внутренним диаметром 10 мм и внешним диаметром 11 мм и находящейся в электрическом и механическом контакте с медным стержнем, пропускают переменный электрический ток силой 150-200 А. При этом между катодом-мишенью и анодом прикладывается потенциал 600-800 В. Волновод расположен соосно с катодом-мишенью. В качестве рабочего газа используется аргон при давлении (3-5)⋅10 торр. При применении заявляемого устройства нанесения покрытий также были получены на аноде-подложке пленки серебра толщиной 0,3-0,6 мкм с неоднородностью по толщине 3% по всей длине волновода (250 мм). Применение предлагаемого устройства позволяет в течение минут изменять параметры технологического процесса и исключить манипуляции с системой внешних магнитов, вследствие отсутствия таковых.