Магнетронное распылительное устройство
MAGNETRON SPUTTERING DEVICE

Изобретение относится к устройствам для осаждения покрытий на изделиях в вакуумной камере.
Известно устройство для осаждения покрытий, в котором испаряемая в камере катодными пятнами вакуумной дуги мишень выполнена из спеченного композиционного материала, например, титана с низким содержанием меди (≤12 ат. %) и используется для вакуумно-дугового осаждения многокомпонентных нитридных покрытий, например, состава Ti-Cu-N (Н.Н. Коваль, Ю.Ф. Иванов, О.В. Крысина, B.C. Ложкин, А.Ю. Чумаченко. Нанокристаллические покрытия, получаемые вакуумно-дуговым методом с плазменным ассистированием: синтез, структура, характеристики // Обработка металлов: технология, оборудование, инструменты. 2011. №3. С.77-80). Проведенные методом наноиндентации исследования показали, что покрытия на основе нитрида титана с добавками меди имеют высокую твердость (≥40 ГПа), позволяющую отнести их к классу сверхтвердых покрытий. Методом скрэтч-тест по изменению сигнала акустической эмиссии была определена величина критической нагрузки, значения которой превышают в 2-3 раза значения критической нагрузки для обычного нитрида титана (TiN), что свидетельствует о хорошей адгезии многокомпонентных покрытий, по сравнению с традиционным TiN. Измеренные значения коэффициента трения показали, что при добавлении меди коэффициент трения для TiN уменьшился в два раза. Такое улучшение характеристик обусловлено наличием нанокристаллической структуры в покрытиях нитрида титана с добавкой меди, состоящих из кристаллитов TiN со средним размером 18,0 нм. Торможение роста кристаллитов TiN во время формирования покрытий в покрытиях состава Ti-Cu-N объясняется наличием прослоек меди по границам кристаллитов нитрида титана.
Недостатками устройства являются сложность изготовления мишени из композиционного материала, невозможность регулировать содержание атомов меди в потоке атомов титана на подложку и наличие микроскопических капель металла в синтезируемых покрытиях.
Известно магнетронное распылительное устройство, содержащее плоскую круглую мишень из необходимого металла, являющуюся катодом тлеющего разряда, магнитную систему, один из полюсов которой прилегает к центру внешней поверхности мишени, а второй ее полюс прилегает к периферии внешней поверхности мишени, вакуумную камеру, являющуюся анодом тлеющего разряда, и источник питания тлеющего разряда, соединенный отрицательным полюсом с мишенью и положительным полюсом - с вакуумной камерой (Патент США №3878085, 1975 г.). Магнитная система формирует вблизи внутренней поверхности мишени поле с арочной конфигурацией силовых линий. При бомбардировке мишени ионами аргона она эмитирует электроны, которые ускоряются в слое объемного заряда между плазмой и мишенью до энергии eU, где U - катодное падение потенциала разряда между плазмой и мишенью. Каждый электрон, влетевший в плазму, движется в ней по отрезку окружности, перпендикулярной магнитному полю, возвращается в слой и отражается в нем обратно в плазму. Образуется магнитная ловушка, в которой электроны проходят по замкнутой криволинейной траектории вблизи поверхности мишени путь, превышающий ее размеры в сотни и тысячи раз. Участки силовых линий магнитного поля на выходе из центра мишени и на пересечении с ее поверхностью на периферии не позволяют электронам вылететь из кольцевой области магнитной ловушки в радиальном направлении. Это обеспечивает поддержание тлеющего разряда при давлении газа 0,1-1 Па и транспортировку атомов распыляемой мишени до изделий. В потоке атомов полностью отсутствуют микрокапли материала мишени, что повышает качество покрытий.
Наиболее близким решением по технической сущности к изобретению является магнетронное распылительное устройство, содержащее плоскую круглую мишень, являющуюся катодом тлеющего разряда, магнитную систему, один из полюсов которой прилегает к центру внешней поверхности мишени, а второй ее полюс прилегает к периферии внешней поверхности мишени, вакуумную камеру, являющуюся анодом тлеющего разряда, и источник питания тлеющего разряда, соединенный отрицательным полюсом с мишенью и положительным полюсом - с вакуумной камерой, а плоская круглая мишень выполнена из композиционного материала с малым содержанием легирующего элемента (К.Р. Andreasen, Т. Jensen, J.H. Petersen, J. Chevallier, J. Bottiger, N. Schell. The structure and the corresponding mechanical properties of magnetron sputtered TiN-Cu nanocomposite // Surface and Coatings Technology 182 (2004) 268-275).
2
При выполнении мишени из композиционного материала, например, титана с содержанием 20% меди твердость синтезированного покрытия из нитрида титана достигает 40 ГПа, то есть величины, позволяющей отнести его к сверхтвердым покрытиям. Коэффициент использования материала магнетронной мишени ограничен, так как круглый участок диаметром D] в центре мишени и ее поверхность за пределами внешнего диаметра D кольцевой зоны эрозии не распыляются ионами.
Недостатками устройства являются сложность изготовления мишени из композиционного материала и невозможность регулировать содержание атомов легирующего элемента в потоке атомов мишени на изделие.
Задачей предложенного технического решения является создание магнетронного распылительного устройства, позволяющего изменять легирующий элемент мишени и регулировать содержание его атомов в потоке атомов мишени на изделие.
Технический результат - расширение эксплуатационных возможностей за счет изменения легирующего элемента мишени и регулирования содержания его атомов в потоке атомов мишени на изделие, а также снижение затрат на изготовление распыляемой мишени.
1
2
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что магнетронное распылительное устройство, содержащее плоскую круглую мишень, являющуюся катодом тлеющего разряда, магнитную систему, один из полюсов которой прилегает к центру внешней поверхности мишени, а второй ее полюс прилегает к периферии внешней поверхности мишени, вакуумную камеру, являющуюся анодом тлеющего разряда, и источник питания тлеющего разряда, соединенный отрицательным полюсом с мишенью, а положительным полюсом - с вакуумной камерой, снабжено выполненным из материала легирующего элемента концентричным с мишенью и закрепленным на ней диском с диаметром D, превышающим диаметр D заданной, не распыляемой ионами центральной зоны мишени и меньшим максимального диаметра D заданной области распыления.
Изобретение поясняется Фиг. 1, где изображена схема магнетронного распылительного устройства.
2
Устройство содержит плоскую круглую мишень 1, являющуюся катодом тлеющего разряда, магнитную систему 2, один из полюсов которой прилегает к центру внешней поверхности мишени 1, а второй ее полюс прилегает к периферии внешней поверхности мишени 1, вакуумную камеру 3, являющуюся анодом тлеющего разряда, и источник питания 4 тлеющего разряда, соединенный отрицательным полюсом с мишенью 1, а положительным полюсом - с вакуумной камерой 3, выполненный из материала легирующего элемента концентричный с мишенью 1 и закрепленный на ней диск 5 с диаметром D, превышающим диаметр Di заданной, не распыляемой ионами центральной зоны мишени 1 и меньшим максимального диаметра D заданной области распыления. Также на Фиг. 1 указан винт 6, прикрепляющий диск 5 к мишени 1, в центре которой имеется резьбовое гнездо 7 для винта 6.
Устройство работает следующим образом.
Вакуумную камеру 3 с обрабатываемым изделием 8 внутри нее откачивают до давления 1 мПа, затем подают в нее аргон и увеличивают давление в вакуумной камере 3 до 0,5-1 Па. Включением источника питания 4 подают напряжение U до 500 В между вакуумной камерой 3, являющейся анодом разряда, и мишенью 1, являющейся катодом разряда. В результате зажигается тлеющий разряд, и вакуумная камера 3 заполняется разрядной плазмой 9, отделенной от поверхности мишени 1 слоем объемного заряда 10. В создаваемом магнитной системой 2 поле арочной конфигурации образуется магнитная ловушка, в которой эмитированные мишенью 1 электроны проходят по замкнутым круговым траекториям вблизи мишени 1 и диска 5 путь, превышающий ее размеры в сотни и тысячи раз. Перпендикулярные поверхности диска 5 участки силовых магнитных линий в центре диска 5 не позволяют электронам пролетать через центральную зону вблизи поверхности диска 5. Отсутствие здесь быстрых электронов вызывает резкое снижение концентрации плазмы 9 и скорости распыления диска 5 при приближении к его центру. Это предотвращает распыление прикрепляющего диск 5 к мишени 1 винта 6 и загрязнение его материалом плазмы 9 и синтезируемого покрытия.
Ионы 11 из плазмы 9 разряда в смеси аргона с азотом ускоряются в слое 10 и с энергией в сотни эВ бомбардируют и распыляют мишень 1 и диск 5. Образующиеся в результате распыления мишени 1 атомы 12 основного металла, например, титана и образующиеся в результате распыления диска 5 атомы 13 легирующего элемента, например, меди летят на изделия 8 и образуют на его поверхности нитридное покрытие, например, нитрид титана.
1
2
1
2
Внутренний D и внешний D диаметры кольцевой зоны распыления мишени 1 определяются по отпечатку на поверхности не использовавшейся ранее мишени 1, полученному после ее травления ионами 11 в течение 1 часа в отсутствие диска 5 в разряде с током 1 А в аргоне. Для титановой мишени 1 диаметром 100 мм и толщиной 6 мм внутренний диаметр зоны распыления составил D=20 мм, а ее внешний диаметр D составил 80 мм. После установки на мишени 1 медного диска 5 диаметром D=24 мм и толщиной 1 мм на подложку 8 из быстрорежущей стали на расстоянии 150 мм от мишени 1 нанесли покрытие толщиной около 5 мкм. Рентгенофлуоресцентный анализ показал, что в полученном покрытии содержится 12 ат. % меди. При увеличении диаметра диска 5 до D=26 мм содержание меди в покрытии возросло до 19 ат. %, а при D=28 мм оно составило 27 ат. %. Таким образом, заявленное устройство позволяет изменять содержание легирующего элемента в покрытии.
Проведенные исследования модели заявленного устройства с титановой мишенью 1 диаметром 100 мм и толщиной 6 мм, а также с медным диском 5 с диаметром 24 мм и толщиной 1 мм позволили синтезировать в разряде в смеси аргона с азотом покрытие из нитрида титана с твердостью 42 ГПа, позволяющей отнести его к сверхтвердым покрытиям.
1
2
В силу изложенного, по сравнению с прототипом предлагаемое магнетронное распылительное устройство, содержащее плоскую круглую мишень, являющуюся катодом тлеющего разряда, магнитную систему, один из полюсов которой прилегает к центру внешней поверхности мишени, а второй ее полюс прилегает к периферии внешней поверхности мишени, вакуумную камеру, являющуюся анодом тлеющего разряда, и источник питания тлеющего разряда, соединенный отрицательным полюсом с мишенью, а положительным полюсом с вакуумной камерой, снабженное выполненным из материала легирующего элемента концентричным с мишенью и закрепленным на ней диском с диаметром D, превышающим диаметр D заданной, не распыляемой ионами центральной зоны мишени и меньшим максимального диаметра D заданной области распыления расширяет эксплуатационные возможности за счет изменения легирующего элемента мишени и регулирования содержания его атомов в потоке атомов мишени на подложку, а также снижает затраты на изготовление мишени.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для осаждения покрытий на изделиях;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в нижеизложенной формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата - расширения эксплуатационных возможностей за счет изменения легирующего элемента мишени и регулирования содержания его атомов в потоке атомов мишени на изделие, а также снижение затрат на изготовление распыляемой мишени.
Следовательно, заявленный объект соответствует требованиям условий патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.