Устройство вакуумно-плазменной однородной модификации поверхности деталей

Полезная модель относится к технике вакуумно-плазменных технологий, к конструктивной организации схем вакуумных камер технологических вакуумно-плазменных установок для проведения качественных процессов вакуумно-плазменной модификации и нанесения однородных покрытий на поверхности деталей и может быть использована в вакуумно-плазменных технологиях при создании вакуумно-плазменных установок.
Технологии вакуумно-плазменной модификации поверхности деталей, в том числе электродуговое и магнетронное нанесение тонких пленок на подложки в вакууме и создание поверхностных модифицированных слоев деталей давно и прочно заняли свое место в получении функциональных покрытий для самых различных применений, как в микроэлектронике, так и в других областях технологических разработок [Берлин Е.В., Сейдман Л.А. Ионно-плазменные процессы в тонко-пленочной технологии. М.: Техносфера, 2010, с. 457-488.; Мейснер С.Н., Лотков А.И. Морфология поверхности и элементный состав покрытий из кремния на подложке из никелида титана, полученных при различных режимах магнетронного напыления//Известия вузов. Физика, 2009, т. 52, № 12/2, с. 85-88.; Ryabchikov A.I. et al. filtered aluminium vacuum arc plasma application for high-frequency short-pulse plasma immersion ion implantation//Advanced Materials Research, 2014, v. 880, р. 155-160.] (1).
В разработках вакуумно-плазменных технологических процессов модификации поверхности деталей и нанесения покрытий помимо электродугового испарения применяется и магнетронное распыление, гарантирующее получение более качественных модифицированных слоев и покрытий ввиду отсутствия микро- и макрокапельной составляющей в потоке распыляемого материала, содержащего преимущественно атомарную составляющую.
При этом важнейшим условием в разработке вакуумно-плазменных технологий получения модифицированных поверхностных слоев деталей (покрытий), определяющим качество, производительность и эффективность данных технологий, является не только получение указанных слоев, но также и обеспечение равномерности и однородности толщины данных слоев по модифицируемой поверхности деталей, обрабатываемых в одном технологическом цикле.
В свою очередь, основными причинами возникновения неравномерности (неоднородности) толщин модифицируемых слоев (покрытий) на деталях (подложках) являются следующие:
неоднородность распределения пароплазменного потока электродуговых испарителей и потока распыляемых атомов от магнетронных распылителей по объему рабочей вакуумной камеры,
нахождение различных точек поверхности деталей на различных расстояниях от источника распыляемого материала.
В работе [Кустов В.В., Марахтанов М.К. Пространственная неравномерность технологических характеристик дугового испарителя установки «БУЛАТ-6»//Физика и химия обработки материалов, 1994, № 6, с. 155-157.] (2), приводятся экспериментальные данные по неравномерности ионного тока и нагрева подложки в камере установки вакуумного дугового напыления «Булат-6». Данная работа представляется актуальной, т.к. вплоть до настоящего времени в отечественной промышленности находится в эксплуатации порядка тысячи ранее выпускаемых отечественных установок типа «Булат-6», а также подобных им установок «ННВ-6,6-И1». Как сообщается в указанной работе, существенным недостатком, в частности, установки «Булат-6», связанным с ее конструктивными особенностями, является неоднородность распределения параметров плазмы в рабочем объеме вакуумной камеры, и, как следствие, нанесение неоднородного покрытия на поверхности деталей, обрабатываемых в одном и том же технологическом цикле. Результатом данного недостатка, полученным в указанной работе, явилась значительная неравномерность характеристик наносимых пленок TiN на различным образом позиционированные в вакуумной камере установки подложки.
Известно устройство для ионно-лучевой обработки изделий медицинской техники [RU 2277934 С1, опубл. 20.11.2006] (3).
Устройство для ионно-лучевой обработки изделий медицинской техники содержит источник ионов, масс-сепаратор, формирователь пучка ионов и вакуумную камеру. В стенке вакуумной камеры выполнено отверстие для входа пучка ионов, а с противоположной стороны расположен приемник-регистратор ионов. В торцевой части камеры установлен с возможностью вращения диск с нечетным числом равномерно расположенных по периферии диска держателей для обрабатываемых изделий. Каждый держатель представляет собой стержень, установленный перпендикулярно поверхности диска с возможностью вращения вокруг собственной оси, а в верхней части стержня смонтированы опоры для обрабатываемых изделий. Предлагаемое изобретение позволяет при более высокой производительности проводить равномерное ионное легирование (ионную имплантацию) поверхностного слоя множества одновременно обрабатываемых изделий с достижением необходимых глубины проникновения и концентрации имплантированных ионов.
В известном изобретении использован только источник ионов, поэтому в известном изобретении отсутствует возможность модификации поверхностного слоя изделий методом нанесения покрытий, при этом и структура модифицированного слоя поверхности обрабатываемых изделий будет отличаться от структуры модифицированного поверхностного слоя, получаемого при вакуумно-плазменной обработке деталей предлагаемым устройством. Кроме этого, известное изобретение не может обеспечивать достаточно однородную обработку по всей поверхности обрабатываемых изделий сложной формы (отличной от цилиндра) ввиду прямолинейной направленности ионного пучка источника ионов данного изобретения.
Неоднородность получаемой с помощью магнетронного распыления пленки покрытия наглядно продемонстрирована в [Захаров А.Н., Оскомов Л.В., Работкин С.В. и др. Пленки легированного галлием оксида цинка, нанесенные с использованием несбалансированной магнетронной распылительной системы // Журнал технической физики, 2010, т. 80, вып. 5, с. 127-131.] (4), взятой за прототип. В данной работе с помощью несбалансированной магнетронно-распылительной системы наносились тонкие пленки легированного галлием оксида цинка на стеклянные подложки размером 150×100 мм, установленные соосно и параллельно поверхности мишени магнетронно-распылительной системы на расстоянии 80 мм от нее. Радиус зоны распыления мишени составлял ≈ 22 мм. В указанной работе приведен график распределения толщины получаемого при данной схеме магнетронного распыления покрытия по поверхности подложки, из которого видно, что скорость роста покрытия составляла 11 нм/мин на краях подложки (на расстоянии 5 см от центра подложки) и 35 нм/мин в ее центре. Это означает, что толщина покрытия получаемого в приводимой схеме конструктивного устройства системы напыления будет отличаться (уменьшаться) в ≈ 3,2 раза по поверхности подложки (от ее центра до краев - в точках в 5 см от центра), а сама схема напыления должна быть признана неподходящей для получения однородных покрытий.
На фиг. 1 приведена схема эксперимента с использованием устройства вакуумно-плазменного нанесения покрытий - аналога (2) - установки «Булат-6», где 1 - катод; 2 - стабилизирующая катушка; 3 - фокусирующая катушка; 4 - вакуумная камера; 5 -плазменный поток и расположение в ней точек измерения: А, В, С.
На фиг. 1 показаны координаты точек в вакуумной камере, где проводились измерения и устанавливались напыляемые подложки. Точка А (фиг. 1) лежала на оси электродугового испарителя установки, а точки В и С располагались на расстоянии 75 и 150 мм от оси испарителя соответственно. Все отмеченные точки находились на одной линии, отстоящей на 400 мм от катода и на расстоянии 50 мм от вертикальной оси камеры.
Плотность ионного тока из плазмы электродугового испарителя измеряли плоскими электрическими зондами, установленными в точках А, В и С. Собирающая поверхность зонда была обращена к дуговому испарителю. Диаметр зонда составлял 20 мм, зонды были изготовлены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Ионный ток зондов измеряли при отрицательном потенциале 300 В их смещения относительно корпуса вакуумной камеры при давлении азота в вакуумной камере 0,4 Па и токе дуги испарителя 100 А.
В этих же точках измеряли температуру подложек. Подложки представляли собой алюминиевые прямоугольные пластины размером 40×30×6 мм. Температура измерялась хромель-копелевой термопарой, зачеканенной в каждую пластину. В данных же точках при указанном выше давлении азота напылялись пластины нержавеющей стали 12Х18Н10Т в течение 21 мин для измерения толщины пленок нитрида титана (TiN).
2
Результатом исследований авторов работы-аналога явилось то, что плотность ионного тока из плазмы дугового испарителя на зонды, расположенные в точках А, В и С. (фиг. 1), составила 3,8; 2,5 и 1,4 мА/см соответственно. Таким образом, как заявляют авторы исследований устройства-аналога (2), в рабочей зоне вакуумной камеры установки «Булат-6», удаленной на 400 мм от катода электродугового испарителя, плотность ионного тока уменьшается в 2,7 раза на радиусе 150 мм.
Помимо данного результата в (2) существует значительная неравномерность нагрева подложек, вызванная, по всей видимости, неоднородностью плазмы электродугового испарителя в вакуумной камере. Например, температура пластины, помещенной в точку А, составляла 260°С и в 2,3 раза превышала температуру пластины, расположенной в точке С. При этом толщина наносимых данной системой напыления покрытий нитрида титана в точке А в 3 раза превосходила их толщину в точке С.
Тем самым, в устройстве-аналоге (2) существует значительная неравномерность ионного тока, температуры нагрева подложек и существенная неравномерность характеристик (например, толщины) покрытий по радиусу установки дугового напыления.
Задачей полезной модели является разработка конструктивных особенностей устройства вакуумно-плазменной модификации для обеспечения процесса получения равномерной и однородной толщины слоя модифицируемой поверхности деталей, обрабатываемых в одном технологическом цикле.
Указанный технический результат достигается тем, что предлагаемое устройство вакуумно-плазменной однородной модификации поверхности деталей содержит вакуумную камеру, несбалансированную магнетронно-распылительную систему с распыляемой мишенью, при этом оно снабжено установленным в центре дна камеры планетарным механизмом вращения-перемещения модифицируемых деталей в плоскости, перпендикулярной плоскости, пересекающей по центру мишень, с гнездом для установки с возможностью вращения держателей модифицируемых деталей по центральной оси вращения упомянутого механизма и с периферийными гнездами на расстоянии r≤5/16R, где R - расстояние от центральной оси упомянутого планетарного механизма до плоскости распыляемой мишени.
При этом распыляемая мишень размещена на расстоянии R от центральной оси упомянутого планетарного механизма, равном R=480 мм.
При этом периферийные гнезда размещены на расстоянии r=150 мм.
При этом несбалансированная магнетронно-распылительная система выполнена с возможностью обеспечения зоны распыления ее плоской мишени с диаметром, равным d=56 мм.
Дополнительный технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого устройства вакуумно-плазменной однородной модификации поверхности деталей, также состоит в следующем:
температура обрабатываемых деталей, размещенных на планетарном механизме как в центральной позиции, расположенной на расстоянии R=480 мм от плоскости магнетронно-распылительной системы, при вращении вокруг своей оси, так и в периферийных позициях при вращении вокруг своей оси и переносном перемещении по окружности радиусом r=5/16R=150 мм, поддерживается практически постоянной во время процесса магнетронного модифицирования их поверхностных слоев;
распределение внедренной примеси по толщине модифицированного (легированного) слоя деталей, размещенных на планетарном механизме как в центральной позиции при вращении вокруг своей оси, так и в периферийной позиции при вращении вокруг своей оси и переносном перемещении по окружности r=5/16R=150 мм относительно центра планетарного механизма, в процессе магнетронного модифицирования (легирования) обеспечивается практически одинаковым.
С использованием предлагаемого устройства вакуумно-плазменной однородной модификации группы деталей авторами был осуществлен процесс модифицирования (легирования) образцов деталей - пластинок сплава никелида титана (NiTi - 50,9% Ni) размерами 10×10×1 мм.
Используемое предлагаемое устройство вакуумно-плазменной однородной модификации группы деталей приведено на фиг. 2, где 4 - вакуумная камера; 6 - планетарный механизм вращения-перемещения деталей; 7 - центральная позиция планетарного механизма; 8 - периферийная позиция планетарного механизма; 9 - мишень.
Предлагаемое устройство (фиг. 2) содержит цилиндрическую вакуумную камеру 4 с внутренним диаметром D=1200 мм, в центре дна которой установлен планетарный механизм вращения-перемещения обрабатываемых образцов деталей 6. Данный механизм имеет центральную позицию 7 (центр механизма, центральная ось вращения механизма), представляющую собой гнездо для установки держателя образцов. Периферийные позиции механизма 8 также представляют собой гнезда для установки держателей образцов деталей. Держатели образцов деталей в виде стержней имеют такую длину, чтобы закрепленные на них вертикально и параллельно плоскости круглой мишени 9 магнетронно-распылительной системы обрабатываемые образцы деталей (пластинки сплава никелида титана размером 10×10×1 мм) вращались-перемещались в плоскости, перпендикулярно пересекающей мишень по центру.
Магнетронно-распылительная система с мишенью 9 устанавливают так, чтобы ее ось пересекала центральную ось планетарного механизма, причем ось планетарного механизма располагалась предпочтительно на расстоянии R=480 мм от плоскости мишени магнетронно-распылительной системы, тогда радиус расположения периферийных позиций г планетарного механизма будет равен r≤5/16R≤150 мм. За один оборот вокруг своей оси образца детали, размещенного в центральной позиции планетарного механизма, образец детали, размещенный в периферийной позиции, при перемещении по кругу с диаметром r=150 мм совершает 10 оборотов вокруг своей оси во встречном вращению центрального образца детали направлении.
Несбалансированная магнетронно-распылительная система имеет зону распыления ее плоской мишени диаметром d=56 мм. Ввиду того, что магнетронно-распылительная система является несбалансированной с увеличенной концентрацией ионизированной компоненты в распыляемом ею атомарном потоке вещества мишени и повышенной
концентрацией плазмы атомов материала мишени в области расположения образцов деталей, является возможным осуществление процессов нагрева и легирования поверхности образцов с применением атомарно-плазменного потока одной лишь данной магнетронно-распылительной системы. В проведенных экспериментах обработка образцов деталей, как их нагрев, так и их легирование, осуществлялась ионами кремния (Si), извлекаемыми на поверхность образцов деталей из атомарно-плазменного потока, создаваемого при распылении мишени магнетронно-распылительной системы из чистого кремния (Si) при мощности 0,8 кВт.
Процесс вакуумно-плазменной магнетронной модификации (легирования) поверхности пластинок сплава никелида титана осуществляют при работе магнетронно-распылительной системы с указанной мощностью распыления кремниевой мишени при давлении аргона в вакуумной камере 0,4 Па, скорости вращения планетарного механизма вокруг своей оси 2 оборота в мин и отрицательном относительно корпуса вакуумной камеры напряжении смещения образцов, размещенных в центральной и периферийной позициях планетарного механизма, равном 1000 В. Процесс длится 125 мин.
Во время проведения процесса вакуумно-плазменной магнетронной модификации (легирования) поверхности осуществляют контроль температуры образцов: для образцов, размещенных на центральной позиции, измерение температуры проводят с помощью хромель-алюмелевой термопары; температура образцов деталей, размещавшихся на периферийных позициях, измеряют с помощью инфракрасного пирометра частичного излучения при одновременной калибровке при каждом измерении данного пирометра по температуре центрального образца при эталонно-точном термопарном измерении его температуры.
Изменение температуры образцов для обеих разнящихся позиций на планетарном механизме (центральной и периферийной), а также их относительная разница во время процесса магнетронного легирования их поверхностей (в течение 125 мин) показано в таблице.
Полученные после проведения данного процесса профили распределения химических элементов по толщине модифицированных поверхностей пластинок сплава никелида титана, измеренные с помощью Оже-спектроскопии, представлены на фиг. 3 (а) и (б), где профиль (а) соответствует образцу пластинки, размещавшейся на центральной позиции, а (б) - образцу пластинки на периферийной позиции планетарного механизма вращения.
Как видно из представленных профилей элементного распределения модифицированной поверхности образцов пластинок сплава никелида титана (фиг. 3 (а) и (б)), процесс легирования протекал практически однообразно для центрального и периферийного образцов пластинок. Почти абсолютно схожим или практически одинаковым достигается химический состав и его распределение по толщине легированных слоев обоих рассматриваемых обработанных образцов пластинок. Практически на одинаковую глубину от поверхности образцов пластинок проникли ионы кремния и одинаковым является их максимальное содержание в поверхности данных образцов пластинок. Это говорит о том, что центральный и периферийный образцы пластинок находились в одних и тех же условиях обработки: поток атомов кремния, в том числе и ионизированных, на них был практически одинаков, одной и той же была и их температура.
Однако при более внимательном рассмотрении профиль распределения атомов кремния в поверхностном слое периферийного образца пластинки видится несколько обширнее профиля распределения атомов кремния в центральном образце пластинки. Так, например, на расстоянии 20 нм от поверхности для центрального образца пластинки содержание кремния равно 33 ат.%, а для периферийного образца пластинки это содержание равно ≈38 ат.%; на расстоянии 30 нм в центральном образце пластинки содержится 25 ат.% кремния, а в периферийном образце пластинки на этом же расстоянии от поверхности ≈28 ат.%. И данное различие процентного содержания атомов кремния по толщине легированных слоев для данных образцов пластинок может быть вызвано различием их температуры (более высокой температурой периферийного образца пластинки по сравнению с температурой центрального образца пластинки) во время процесса вакуумно-плазменного модифицирования, которое, как видно из таблицы, не превышало 5%.
Более высокая температура периферийных образцов пластинок по сравнению с центральным образцом пластинки в процессе магнетронного нагрева-легирования может быть вызвана и объяснена, в частности, особенностью диаграммы направленности испускаемого магнетронно-распылительной системой атомарно-плазменного потока и др. Однако в любом случае более высокая температура образцов пластинок при магнетронном нагреве свидетельствует о более интенсивном потоке на данные образцы пластинок атомов распыляемого вещества (в том числе и в ионизированном состоянии) и о большей концентрации этих атомов, поступающих на поверхность образца пластинки.
Как следует из выше проведенного и описанного конкретного эксперимента, с использованием конструктивных особенностей предлагаемого устройства вакуумно-плазменной модификации достигается достаточно равномерная и однородная толщина слоя модифицируемой поверхности деталей, обрабатываемых в одном технологическом цикле.
Из проведенных экспериментов становится очевидным, что равномерность и однородность обработки группы деталей будет более высокой, если при неизменном расстоянии R предлагаемой схемы уменьшать радиус перемещения периферийных позиций деталей планетарного механизма r (радиус планетарного механизма вращения-перемещения деталей). Увеличение же радиуса планетарного механизма вращения-перемещения деталей r при остальных неизменных конструктивных особенностей предлагаемой установки приводит к повышению разницы в температуре центральных и периферийных деталей и к ухудшению однородности модифицирующей обработки поверхности деталей, размещенных на планетарном механизме.
Так, авторами был также проведен эксперимент по обработке вышеуказанных образцов пластинок сплава никелида титана магнетронным легированием по проведенному и описанному ранее режиму с применением планетарного механизма вращения-перемещения деталей с радиусом периферийных позиций r=200 мм при неизменном расстоянии центра механизма от мишени магнетронно-распылительной системы R=480 мм и аналогичным ранее описанному случаю размещением образцов пластинок.
В результате проведения данного процесса обработки были получены профили распределения химических элементов в поверхностном слое периферийного образца, также измеренные методом Оже-спектроскопии и приведенные на фиг. 4, профили элементного распределения для центрального образца были подобными приведенным на фиг. 3 (а).
Как видно из полученного профиля (фиг. 4), проникновение кремния для периферийного образца произошло на большее расстояние по сравнению с центральным образцом в предлагаемой схеме модификации с существенно более обширным профилем его проникновения. Так, на расстояниях 20 и 30 нм содержание атомов кремния в данном профиле равно ≈42 и ≈35 ат.% соответственно, что больше содержания атомов кремния на указанных расстояниях в центральном образце на 30-40%, что представляется существенной разницей. Сам же процесс вакуумно-плазменной модификации при конструктивных особенностях расположения несбалансированной магнетронной системы и планетарного механизма вращения-перемещения группы деталей с R=480 мм и r=200 мм необходимо признать неудовлетворительной и неподходящей для однородной модифицирующей обработки поверхностей деталей, особенно для медицинских применений.
Как выяснилось из проведенных экспериментов, показателем однородности либо неоднородности обработки поверхности образцов деталей на планетарном механизме вращения-перемещения может являться разность температур данных деталей в центральном и периферийном его положении. Так, при проведении последнего описанного эксперимента эта разность достигала 35°С - при температуре центрального образца 350°С, температура периферийного образца достигала 385°С - т.е. отличалась от температуры центрального образца приблизительно на 10%, что оказалось критически высоким значением, приводящим к существенным нежелательным последствиям модифицирующей (легирующей) обработки.
Ввиду сказанного проверенной и оптимальной авторы считают выбранные конструктивные особенности устройства вакуумно-плазменной однородной модификации поверхности деталей: при предпочтительном расстоянии от центра планетарного механизма до плоскости мишени магнетронно-распылительной системы, равном R=480 мм, радиус перемещения периферийных позиций (r) для размещения группы деталей на планетарном механизме от его центра должен быть равным r≤5/16R≤150 мм.
Оптимальность предлагаемой схемы была проверена еще и дополнительными экспериментами по придвижению магнетронно-распылительной системы на расстояния от центра планетарного механизма, меньшие чем R=480 мм при неизменном r=5/16R=150 мм. Данные эксперименты показали также растущую разницу, превосходящую 5%, между температурой центральных и периферических образцов деталей, что также должно приводить к ухудшению однородности модифицирующей обработки их поверхностей при магнетронном распылении.
Естественно приводящее к улучшению однородности вакуумно-плазменной магнетронной модификации увеличение расстояния R свыше 480 мм при неизменном радиусе r предлагаемого устройства было признано авторами нерациональным ввиду снижения скорости модифицирующей обработки поверхности деталей.