Установка для нанесения многослойных покрытий с повышенной межслойной адгезией методом магнетронного распыления

Полезная модель относится к области нанесения покрытий методом магнетронного распыления и может найти свое применение в различных отраслях промышленности для получения многослойных тонкопленочных структур различного назначения с повышенной межслойной адгезией и, следовательно, повышенной надежностью.
2
Одной из наиболее известных и широко используемых в настоящее время промышленных установок для нанесения многослойных покрытий является установка НТС 1000-4 ABS [1]. Установка содержит вакуумную камеру, в центре которой находится карусельное устройство с планетарным механизмом для размещения изделий-подложек. Снаружи карусельного устройства параллельно и симметрично оси его вращения размещены четыре прямоугольные магнетронные распылительные системы (МРС), снаряженные мишенями, выполненными из различных материалов, в зависимости от строения получаемого многослойного покрытия. Распыление мишеней выполняется в смешанной атмосфере N и Ar в режиме управления давлением. Многослойная структура покрытий достигается посредством последовательного облучения покрываемых поверхностей изделий-подложек потоками атомов, испускаемых из четырех катодов-мишеней. В зависимости от предварительно выбранной мощности, подаваемой на мишени от системы электропитания МРС, парциального давления реактивного газа, обеспечиваемого системой напуска и контроля рабочих газов и заданной скорости вращения карусельного устройства, наносятся покрытия с определенным периодом.
Основным недостатком вышеописанной установки является то, что при перемещении изделий-подложек от одной магнетронной системы к другой они быстро проходят переходную зону, в которой происходит пересечение потоков атомов, распыляемых с соседних мишеней, в результате чего между слоями периодического многослойного покрытия образуется очень тонкий смесевой переходный субслой, который не позволяет эффективно увеличить межслойную адгезию соседних слоев пленок друг к другу из-за недостатка толщины этого переходного субслоя, нивелирующего температурные коэффициенты линейного расширения (ТКЛР) материалов соседних слоев, и невозможности оперативного управления изменением градиента состава субслоя и его толщиной.
Наиболее близким техническим решением является известная установка для нанесения многослойных покрытий, описанная в [2], которая выбрана в качестве прототипа. Установка содержит вакуумную камеру, в центре которой расположено карусельное устройство для размещения изделий-подложек, две МРС, выполненные на постоянных магнитах, размещенные симметрично оси вращения карусельного устройства и снаряженные различными по составу мишенями, систему электропитания МРС в виде двух импульсных блоков питания с устройствами дугогашения, импульсный источник отрицательного напряжения смещения с устройством дугогашения и устройством синхронизации, систему напуска и контроля давления рабочих газов.
В этой установке невозможно оперативно управлять изменением градиента состава переходного смесевого субслоя и его толщиной из-за отсутствия в данной установке устройства, связно управляющего работой двух импульсных блоков питания, соответствующих МРС, из-за чего межслойная адгезия тонких пленок в готовом изделии определяется лишь взаимодействием материалов соседних слоев и не может быть управляемо повышена.
Техническим результатом полезной модели является повышение межслойной адгезии в многослойных покрытиях.
Технический результат достигается тем, что установка для нанесения многослойных покрытий с повышенной межслойной адгезией методом магнетронного распыления, содержащая вакуумную камеру, в центре которой расположено карусельное устройство для размещения изделий-подложек, по меньшей мере две прямоугольные магнетронные распылительные системы (МРС), выполненные на постоянных магнитах, размещенные зеркально-симметрично друг другу, и параллельно оси вращения карусельного устройства и снаряженные различными по составу мишенями, систему напуска и контроля давления рабочих газов, систему электропитания МРС, соединенную с МРС, и источник отрицательного относительно плазмы напряжения смещения для вышеупомянутых изделий, соединенный с карусельным устройством и системой электропитания МРС, выполненные импульсными и снабженные устройствами дугогашения, а источник отрицательного относительно плазмы напряжения смещения, снабженный устройством синхронизации работы системы электропитания МРС, согласнополезной модели в состав установки дополнительно вводится устройство, связно управляющее во времени работой двух импульсных блоков питания соответствующих МРС таким образом, что в процессе получения многослойного покрытия на подложке формируется сначала нижний слой из первого материала, затем управляемый переходный субслой, представляющий собой твердый раствор из материалов нижнего и верхнего слоев, такой, что концентрация материала первого слоя изменяется от 100% до 0%, а концентрация материала второго слоя, соответственно, от 0% до 100%, и затем формируется верхний слой из второго материала.
За счет того, что в состав стандартной установки магнетронного распыления дополнительно вводится устройство, связно управляющее во времени работой двух импульсных блоков питания соответствующих МРС таким образом, что в процессе получения многослойного покрытия на подложке формируется сначала нижний слой из первого материала, затем управляемый переходный субслой, представляющий собой твердый раствор из материалов нижнего и верхнего слоев, такой, что концентрация материала первого слоя изменяется от 100% до 0%, а концентрация материала второго слоя, соответственно, от 0% до 100%, и затем формируется верхний слой из второго материала.
Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявленная установка отличается от прототипа тем, что в состав установки вводится устройство, связно управляющее во времени работой двух импульсных блоков питания соответствующих МРС таким образом, что в процессе получения многослойного покрытия на подложке формируется сначала нижний слой из первого материала, затем управляемый переходный субслой, представляющий собой твердый раствор из материалов нижнего и верхнего слоев, такой, что концентрация материала первого слоя изменяется от 100% до 0%, а концентрация материала второго слоя, соответственно, от 0% до 100%, и затем формируется верхний слой из второго материала. Таким образом, заявленная установка соответствует критерию полезной модели «новизна».
Сравнение заявленного технического решения с другими техническими решениями в данной области показало, что установка для нанесения многослойных покрытий с повышенной межслойной адгезией методом магнетронного распыления, позволяющая в процессе получения многослойного покрытия на подложке формировать сначала нижний слой из первого материала, затем управляемый переходный субслой, представляющий собой твердый раствор из материалов нижнего и верхнего слоев, такой, что концентрация материала первого слоя изменяется от 100% до 0%, а концентрация материала второго слоя, соответственно, от 0% до 100%, и затем формировать верхний слой из второго материала, неизвестна. Кроме того, совокупность существенных признаков вместе с ограничительным позволяет обнаружить у заявляемого решения иные, в отличие от известных свойства, к числу которых можно отнести следующие:
- возможность в процессе распыления управляемо регулировать толщину переходного субслоя;
- возможность в процессе распыления управляемо регулировать изменение градиента состава переходного субслоя, в котором концентрация материала первого слоя изменяется от 100% до 0%, а концентрация материала второго слоя, соответственно, от 0% до 100%;
- возможность оптимального подбора толщины и изменения градиента состава переходного субслоя, соответствующих максимальной межслойной адгезии слоев в многослойном покрытии.
Таким образом, иные в отличие от известных, свойства, присущие предложенному техническому решению, доказывают наличие существенных отличий, направленных на достижение технического результата.
Промышленная применимость предложенного технического решения наглядно продемонстрирована изложенным ниже примером.
На фиг. 1 изображена схема установки с двумя МРС, выполненной согласно данной полезной модели, на фиг. 2 - структурная схема устройства, связно управляющего блоками питания МРС.
Установка для нанесения многослойных покрытий с повышенной межслойной адгезией методом магнетронного распыления, изображенная на фиг. 1, содержит вакуумную камеру 1, карусельное устройство 2 с осью вращения О для размещения изделий-подложек, две МРС 3, систему электропитания МРС в виде двух импульсных блоков питания 4 с устройствами дугогашения 5, импульсный источник отрицательного напряжения смещения 6 с устройством дугогашения 7 и устройством синхронизации 8, устройство 9, связно управляющее во времени работой двух импульсных блоков питания соответствующих МРС, систему напуска и контроля давления рабочих газов 10. Импульсные блоки питания 4 через устройства дугогашения 5 соединены электрической связью с МРС 3. Импульсный источник напряжения смещения 6 через устройство дугогашения 7 электрически соединен с карусельным устройством 2 для подачи отрицательного относительно плазмы напряжения смещения на изделия-подложки и, через устройство синхронизации 8, с импульсными блоками питания 5 для обеспечения их синхронной работы. Устройство 9, связно управляющее во времени работой двух импульсных блоков питания, соответствующих МРС, соединено электрической связью с импульсными блоками питания 4.
Работа данного устройства 9 осуществляется таким образом, что вначале оно включает первую МРС, управляя током ее разряда на максимальном значении для данной МРС, при этом в течение заданного времени осуществляется процесс нанесения тонкой пленки первого материала. Затем устройство 9 наряду с включенной первой МРС на максимальном значении тока ее разряда включает вторую МРС, управляя током ее разряда на минимальном значении для данной МРС, и далее устройство 9 связно и плавно регулирует изменения токов разрядов соответствующих МРС, одновремено изменяя значение тока разряда первой МРС от максимального до минимального для данной МРС и тока разряда второй МРС от минимального до максимального для данной МРС, при этом осуществляется процесс нанесения субслоя, представляющего собой твердый раствор из материалов нижнего и верхнего слоев, такой, что концентрация материала первого слоя изменяется от 100% до 0%, а концентрация материала второго слоя, соответственно, от 0% до 100%. Далее устройство 9 отключает первую МРС, а ток разряда второй МРС при этом максимален и в течение заданного времени осуществляется процесс нанесения тонкой пленки второго материала. Данный цикл можно повторять, используя при этом в установке и большее количество магнетронов. При таком нанесении многослойных покрытий температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) соседних слоев плавно нивелируется от слоя к слою, что приводит к повышению межслойной адгезии и, как следствие, к повышению надежности многослойных покрытий.
Структурная схема устройства 9 (см. фиг. 1), связно управляющего блоками питания МРС, представленная на фиг. 2, включает микроконтроллер 11 Atmega 128, который в зависимости от типа блоков питания МРС 4, при помощи интерфейса 12 RS-485, либо цифроаналогового преобразователя (ЦАП), представляющего собой формирователь управляющих сигналов 13, управляет связной работой этих блоков. Блок ввода 14, состоящий из набора кнопок, предназначен для задания режимов работы устройства. Блок индикации 15 служит для отображения заданных режимов работы устройства, а USB-интерфейс 16 - для отладки и диагностики. Flash-память 17 предназначена для записи готовых алгоритмов формирования многослойных тонкопленочных покрытий с повышенной межслойной адгезией. Устройство управления имеет два режима работы:
1) ручное управление;
2) управление по алгоритмам, записанным на flash-память.
В качестве апробации работы предложенной полезной модели было проведено напыление слоистой структуры Cu/субслой (Cu+Cr)/Cr/CT50-1, где Cu - медь; Cr - хром; СТ50-1 - подложка из ситалла, на автоматизированной установке магнетронного распыления УМР-71 с двумя МРС, снабженной вышеописанным устройством, связно управляющим блоками питания этих МРС. В результате было получено двухкратное увеличение адгезии между слоями Cu и Cr в вышеназванной структуре по сравнению со структурой Cu/Cr/CT50-1, не содержащей переходного субслоя.
Таким образом, описанная полезная модель позволяет управляемо повысить межслойную адгезию и, следовательно, повысить надежность многослойных тонкопленочных покрытий.
Источники информации
1. W.-D. Munz, The new way to hard coatings; Arc Bond Sputtering, ABS Venlo, Hauzer / Techno Coating, 1991.
2. Патент РФ №2308538. МПК С23С 14/35 (2006.01). Установка для нанесения многослойных покрытий с периодической структурой методом магнетронного распыления / Ю.В. Агабеков, A.M. Сутырин, А.В. Федотов. - №2006121379/02; Заявлено 19.06.2006; Опубл. 20.10.2007, Бюл. №29.