УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ

Полезная модель относится к классу устройств, позволяющих наносить из низкотемпературной плазмы на подложку покрытие, в том числе и наноразмерное.
Известно устройство [В.М. Шулаев, А.А. Андреев, В.П. Руденко Модернизация вакуумно-дуговых установок для синтеза покрытий и азотирования методом ионной имплантации и осаждения // ФИП PSE 2006, Т. 4. - №3-4. - С. 136-142], позволяющее наносить такие покрытия и использующее электродуговое осаждение вещества из плазмы аномального тлеющего разряда. Такая установка содержит вакуумную камеру, средства откачки и напуска рабочих газов, дуговые испарители с подсоединенными к ним источниками питания, держатель подложек, источник питания подложек и блок управления.
Преимуществом такого устройства нанесения покрытий является более интенсивное напыление вещества на подложку. При возникновении дугового разряда на поверхности испарителя образуется так называемое катодное пятно с диаметром горения разряда дуги порядка 1-3 мкм при токе дуги 100-150 А. Таким образом на поверхности дугового испарителя имеется чрезвычайно высокая плотность тока, что вызывает локальное плавление испарителя в области пятна. Расплавленный металл интенсивно испаряется, проходит через зону горения дуги. При этом атомы металла почти все ионизируются (~100% ионизации). Образовавшиеся ионы ускоряются электрическим полем (подложка - отрицательный электрод) и осаждаются с высокой энергией, что и обеспечивает хорошую степень адгезии наносимого покрытия и высокую интенсивность процесса напыления. Такое устройство называется устройством КИБ - катодно-ионной бомбардировки.
Недостатком конструкции КИБ является наличие капельной фазы в плазменном осаждаемом потоке. Капли расплавленного металла появляются в связи с тем, что на катод испарителя подается небольшое отрицательное напряжение, которое вытягивает на себя часть ионов, образующихся в дуговом разряде из испаренных атомов катода. Это поток ионов, попадающих на расплавленный металл, создает давление на расплав, что и вызывает его разбрызгивание в виде капель размером до 10 мкм. Кроме того возможен локальный перегрев рабочего пятна на мишени и взрывное испарение. Эти явления существенно увеличивают параметр шероховатости, что приводит к невозможности использования устройств типа КИБ в ряде случаев. Например, при напылении на оснастку, изготавливающую DVD-диски, ухудшает отражающие свойства поверхности. Наличие капельной фазы совершенно исключает применение устройств КИБ для нанесения наноразмерных по толщине покрытий, так как размер кластеров капельной фазы (капель) превышает толщину наноразмерного покрытия, что не позволяет получать однородные по толщине покрытия.
Другим важным недостаткам конструкции КИБ относится использование той же технологической схемы для процесса предварительной ионной очистки поверхности подложки от имеющихся загрязнений. Высокая интенсивность процесса приводит к неудовлетворительному качеству поверхности после ионной очистки и не позволяет получать однородную поверхность требуемого качества.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому является устройство для нанесения тонкопленочных покрытий плазменно-дуговым и ионно-плазменным методами, содержащее вакуумную камеру, дуговые испарители с подсоединенными к ним источниками питания, средства откачки и напуска рабочих газов, держатель подложек, источник питания подложек, блок управления, магнетронное распылительное устройство, к которому подключен последовательно через резистор источник питания подложек и параллельно резистору подключен выключатель, а к держателю подложек подключены через переключатель источник питания подложек, источник питания переменного тока, источник питания постоянного тока [Устройство для нанесения тонкопленочных покрытий. Ефремов С.В., Старобинец И.М., Тоисев В.Н., Марголин В.И., Тупик В.А. Патент РФ на полезную модель №144198].
Недостатками такого устройства является недостаточная чистота получаемых пленок, особенно наноразмерных, что связано с недостаточной степенью очистки подложки при применении метода ионной очистки, обязательно предваряющего процесс напыления. Кроме того при работе дуговых испарителей в режиме ионной очистки за счет большой интенсивности распыления (снизить которую не удается) образуется капельная фаза, что в случае получения наноразмерных пленок неприемлемо.
Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью является повышение однородности и чистоты получаемых тонкопленочных покрытий за счет повышения качества процесса ионной очистки.
Достигаемый технический результат осуществляется за счет того, что предлагаемое устройство, так же как и известное, содержит вакуумную камеру, дуговые испарители с подсоединенными к ним источниками питания, средства откачки и напуска рабочих газов, держатель подложек, источник питания подложек, блок управления, магнетронное распылительное устройство, к которому подключен последовательно через резистор источник питания подложек и параллельно резистору подключен выключатель, а к держателю подложек подключены через переключатель источник питания подложек, источник питания переменного тока, источник питания постоянного тока.
Но в отличие от известного, источник питания переменного тока подключен к переключателю последовательно через конденсатор, а внутри вакуумной камеры над держателем подложек размещен дополнительный электрод, находящийся под одним электрическим потенциалом с держателем подложек.
Достигнутый технический результат заключается в повышении однородности и чистоты получаемых тонкопленочных покрытий за счет повышения качества процесса ионной очистки.
Устройство поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена его принципиальная схема.
Устройство содержит вакуумную камеру 1 (ВК), дуговые испарители 2, 3, 4 с подсоединенными к ним источниками питания 8, 9, 10, средства откачки и напуска рабочих газов 6, держатель подложек 7, источник питания подложек 12 (Ипл), блок управления 11 (Бупр), магнетронное распылительное устройство 5, к которому подключен последовательно через резистор 13 источник питания подложек 12 и параллельно резистору подключен выключатель 14, а к держателю подложек подключены через переключатель 17 источник питания подложек 12, источник питания переменного тока 16, источник питания постоянного тока 15. Также внутри вакуумной камеры 1 находится размещенный над держателем подложек 7 электрод 18, находящийся под одним электрическим потенциалом с подложкодержателем, а источник питания переменного тока 16 подключен к переключателю 17 последовательно через конденсатор 19. Конденсатор подключен одним концом к одному из входов переключателя, другим - к дополнительному источнику переменного тока (выход переключателя подключен к держателю подложек), таким образом, переменное напряжение через конденсатор подается на держатель подложек и дополнительный электрод. Электрод 18 расположен над подложкой. Форма электрода принципиального значения не имеет.
Устройство в процессе ионной очистки работает следующим образом. Источник питания подложек 12, имеющий ступенчато-плавную регулировку от -20 В до -1700 В и токе нагрузки до 15 А по своим энергетическим и эксплуатационным параметрам предназначен для обеспечения питания магнетронного устройства 5. Поэтому он подключен к мишени магнетронного устройства 5 через резистор 13. Параллельно резистору 13 установлен выключатель 14. При замкнутом выключателе 14 резистор 13 закорочен и напряжение питания подается непосредственно на мишень магнетронного распылительного устройства 5, что обеспечивает работу магнетрона в нужном режиме. Если выключатель 14 разомкнут, то резистор 13 ограничивает ток, напряжение на мишени магнетрона 5 падает и аномально тлеющий разряд не возникает и все устройство не работает в режиме распыления мишени.
Источник питания подложек 12 одновременно подключен на первый вход переключателя 17. На второй и третий входы переключателя подключены источник переменного тока 16 и источник постоянного тока 15. К выходу переключателя 17 подключен держатель подложек. Таким образом, на держатель подложек 7 может подаваться напряжение от -20 В до -1700 В, что обеспечивает штатные параметры работы установки, а также переменное напряжение до 1000 В для более эффективной очистки подложек плазмой тлеющего разряда переменного тока, а также напряжение 5-50 В при нанесении покрытия из магнетронного распылительного устройства 5.
В качестве источника переменного тока 15 используется автотрансформатор (-50 Гц, 220 В, 10 А), нагруженный на повышающий трансформатор, выход которого через переключатель подключен к держателю подложек 7. В состав источника переменного тока входят также и средства контроля выходного значения напряжения и тока.
Электрод подключается к источнику переменного напряжения. Во время положительного полупериода на электрод и подложку осаждаются электроны плазмы тлеющего разряда, во время отрицательного - положительные ионы, подвижность которых значительно меньше подвижности электронов. Поэтому в промежутке подложка-электрод возникает положительный объемный заряд (по нашим замерам до 300-350 В относительно подложки). При этом на атомы газа действует как переменное, так и постоянное электрическое поле, что и приводит к возрастанию тока через подложку. Роль конденсатора заключается в том, что он препятствует “стеканию” электронов на “землю” через повышающий трансформатор (в наших условиях). Это приводит к тому, что в промежутке подложкодержатель-электрод возникает “дополнительное” постоянное электрическое поле, что значительно увеличивает ионизацию плазмы в этой области. По нашим наблюдениям переменный ток через подложкодержатель во время такой очистки возрастает в 3-5 раз по сравнению с током через подложку во время очистки просто тлеющим разрядом.
Использование дополнительного электрода, имеющего потенциал подложкодержателя относится исключительно к процессу усиления ионной очистки деталей перед операцией напыления и не зависит от способа напыления. При этом ионная очистка проводится в плазме тлеющего разряда переменного тока. Использование электрода и, соответственно, включенного конденсатора, дает более эффективную очистку деталей, что ведет к сокращению времени очистки, экономии рабочего газа, ускорению технологического процесса и, следовательно, к его удешевлению. После завершения операции очистки, на подложкодержатель с помощью переключателя подается постоянное напряжение и начинается процесс напыления.
Достигаемый технический результат - повышение качества процесса ионной очистки, и как следствие, повышение однородности и чистоты получаемых покрытий.