Газоразрядное распылительное устройство на основе планарного магнетрона с ионным источником
GAS-DISCHARGE SPUTTERING APPARATUS BASED ON PLANAR MAGNETRON WITH ION SOURCE

Изобретение относится к технике нанесения композитных покрытий путем проведения неравновесных плазмохимических процессов, объединяющих ионное распыление в магнетронном разряде и распыление ионным пучком. Может быть использовано для нанесения сверхтвердых покрытий полифункционального назначения, в частности, износо-, ударо-, тепло-, трещино- и коррозионностойких.
Известные конструкции планарных магнетронных распылительных систем (Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. - М.: Радио и связь, 1982, с.11) предполагают наличие плоского катодного узла и анода, подключенных к источнику постоянного напряжения. Катодный узел в самом общем случае содержит магнитный блок и водоохлаждаемую мишень из распыляемого материала, покрывающую магнитный блок.
Известна дуальная магнетронная распылительная система, предназначенная для синтеза композиционных покрытий (патент RU 2371514, С23С 14/35, 2008). Система содержит расположенные в одной плоскости рядом друг с другом два планарных магнетрона, каждый из которых содержит корпус, магнитную систему и плоскую мишень, и систему питания с изменяемой полярностью. Оба магнетрона размещены в дополнительном общем корпусе изолированно от него. Между планарными магнетронами расположена дополнительная магнитная система, полярность которой совпадает с полярностью центрального магнита магнитной системы каждого магнетрона. Магнетроны подключены к системе питания с изменяемой полярностью импульсов напряжения с частотой 1-100 кГц. Таким образом, в один и тот же момент времени полярность напряжения на магнетронах противоположна. Техническим результатом изобретения является повышение равномерности процесса распыления мишени во времени при увеличенном коэффициенте распыления. Общим недостатком этих магнетронов являются трудность управления фазовым и элементным составом покрытий, сложность конструкции магнетрона и электрического питания с изменяемой полярностью.
2
Известен способ нанесения теплозащитного покрытия (патент RU 2467878, В32В 15/04, 18/00, 2011). Способ включает наноструктурирование поверхностного слоя подложки пучком ионов титана энергией 800-900 эВ и с плотностью тока 1,4-2,6 мА/см на основе вакуумно-дугового разряда с током разряда 5-60 А и нанесение вакуумно-дуговым осаждением на подложку из меди наноструктурного металлического подслоя, состоящего из титана или циркония. Далее на металлический подслой осаждают способом импульсного реактивного (используют смесь кислорода и аргона) магнетронного распыления с частотой следования импульсов тока 4 А на магнетроне 40-50 кГц (используют планарный магнетрон мощностью 5 кВт с композиционной циркониево-иттриевой мишенью) верхний наноструктурный керамический слой из оксида циркония, содержащий оксид иттрия. Полученное теплозащитное покрытие обладает высокой адгезионной прочностью, термостойкостью и стойкостью к образованию трещин при работе изделий в условиях термоциклирования и высоких температур. Существенный недостаток – технические решения обеспечивают получение комбинированных многослойных покрытий и подбор параметров процессов осаждения (вакуумно-дугового испарителя и планарного магнетрона), но не достаточные условия для синтеза наноструктурированных композитных покрытий. Технические сложности управления составом композитных покрытий, связанные с очередностью технологических операций и применением композиционных мишеней.
Известен способ нанесения покрытий в вакууме (патент RU 2654991, G02B 1/10, 2017). Способ включает распыление однокомпонентной (алюминий), либо составной (титан, кремний) мишени ленточным пучком ионов на вращающуюся подложку. Источник ионов и мишень устанавливают на подвижную платформу. Одновременно проводят сквозной контроль оптической толщины покрытия монохроматической фотометрией. Используют вспомогательный (ассистирующий) ионный источник для получения прозрачных пленок окислов распыляемых металлов. Технический результат: обеспечение возможности получения однородных многослойных покрытий интерференционных фильтров и зеркал с контролем толщины и однородности многослойных покрытий во время распыления. Существенным недостатком является трудность получения композитных покрытий и ограниченность технологических возможностей, вследствие чего не представляется возможным получение нанокомпозитных покрытий с заданным распределением примесных компонент по толщине наращиваемого покрытия.
-3
-5
-2
Известна установка для нанесения защитных покрытий (патент RU 2187576, С23С 14/38, 2000). Установка содержит вакуумную камеру (предельное давление в вакуумной камере 10-10 Па), цилиндрический катод из испаряемого материала, анод с магнитной катушкой, магнитный фиксатор катодного пятна вакуумно-дугового разряда, горящего в парах испаряемого материала, держатель, обеспечивающий планетарное вращение обрабатываемых изделий вокруг катода, газоразрядный источник ионов с анодным слоем и замкнутым холловским током с механизмом, обеспечивающим перемещение источника ионов в зону обрабатываемых изделий. Давление в разрядной камере ионного источника 10 Па, ток ионного пучка 0,2-0,3 А, ускоряющее напряжение 1,5-2,5 кВ. Время очистки обрабатываемых изделий пучком ионов аргона ~20 мин. Недостатком таких установок является ограниченность технологических возможностей, связанных с трудностью получения композитных покрытий с низкой концентрацией легирующих фаз, кроме того, наблюдается сравнительно высокое содержание в покрытии капельной фракции и возникновение микродуговых привязок и эрозионных следов на поверхности обрабатываемых изделий от катодных пятен вакуумной дуги (микродуговых привязок) при подаче напряжений смещения, не гарантирующих высокое качество покрытий.
-3
3
3
Известен способ нанесения защитных покрытий и устройство для его осуществления (патент RU 2625698, С23С 14/24, 14/50, 2016). Устройство содержит вакуумную камеру, откачиваемую до остаточного давления 6,6·10 Па, по меньшей мере два расположенных напротив друг друга вакуумно-дуговых испарителей с общим электроизолированным анодом и два газоразрядных источников ионов, образующих кольцевую зону обработки изделий, держатель обрабатываемых изделий с приводом вращения, систему подачи газов в вакуумную камеру и в газоразрядные источники ионов, источники питания вакуумной дуги. Газоразрядные источники ионов на основе разряда в скрещенном электрическом и магнитном полях формируют потоки ионов аргона энергией 10-2,5·10 эВ, направленные на обрабатываемые изделия. При подаче отрицательного напряжения смещения 300-500 В на обрабатываемые изделия, запускаются вакуумно-дуговые испарители и встречные плазменные потоки от дуговых испарителей направляются на изделия. Начинается процесс очистки изделий ионами материала покрытия (катода). Затем спустя 5-10 мин отрицательное напряжение смещения снижается до ~10 В и начинается процесс осаждения покрытия при токе вакуумно-дуговых испарителей 700 А из испаряемого материала, который продолжают до достижения необходимой толщины покрытия. Недостатком устройства являются встречные потоки плазмы по меньшей мере двух вакуумно-дуговых испарителей с разными материалами катода. Хотя нанесение на поверхность изделий покрытия можно производить поочередно, проявляются технические сложности управления составом покрытий, связанные с открытым переносом распыляемых и испаряемых паров компонентов с одного катода на другой. Кроме того, к недостаткам устройства относится сложность управления системой электропитания, механических приводов и системы нагнетания газов.
Известен магнетрон с увеличенным коэффициентом использования материала мишени (полезная модель к патенту RU 180112, С23С 14/35, 2017) за счет увеличенного магнитного потока, направленного от распыляемого материала. Особенность разработанного магнетрона состоит в том, что над поверхностью мишени создается не только арочное магнитное поле, но и дополнительное поле, которое «выталкивается» от мишени и способствует дополнительной ионизации распыленных TiN-Cu для частиц. Магнитная система, расположение полюсов которой определяет зону эрозии, выполнена таким образом, что зона эрозии, следовательно, и коэффициент использования материала увеличен в 2-2,5 раза. Недостатком таких магнетронов является ограниченность технологических возможностей синтеза наноструктурированных композитных покрытий из-за необходимости применения композитных мишеней, сложность управления составом покрытий.
-3
-1
Известен способ комбинированной ионно-плазменной обработки изделий из алюминиевых сплавов (патент RU 2566232, С23С 14/16, 14/35, 2014). Образцы (алюминиевый сплав Д16) размещались в вакуумной камере на карусельном механизме. Камера откачивалась криогенным насосом до остаточного давления 10 Па. Генерация индукционного высокочастотного разряда производилась с помощью плоской магнитной антенны РПГ-100 после напуска в камеру аргона до давления 10 Па. Плазма индукционного высокочастотного разряда мощностью 800 Вт в среде аргона обеспечивала препарирование образцов (очистку поверхности) при отрицательном напряжении смещения на изделии в диапазоне 400-600 В. Одновременно с запуском РПГ-100 включался магнетрон с дисковым катодом-мишенью из хрома. Мощность магнетронного разряда составляла 2,0 кВт. Покрытие наращивалось магнетронным распылением при одновременном воздействии плазмы индукционного высокочастотного разряда. Недостатками технического решения являются сложность конструкции, заключающаяся в непрерывном контроле и управлении параметрами плазмы магнетронного и индукционного высокочастотного разрядов, электрическим смещением на образце, давления и состава пара в режиме одновременного испарения и ионного распыления мишени магнетрона. Кроме того, недостатком является необходимость использования дорогостоящего источника питания индукционного высокочастотного разряда.
Наиболее близким техническим решением является катодно-распылительный узел магнетрона (варианты) (полезная модель к патенту RU 121812, С23С 14/35, 2012) с мишенью, выполненной из плоских элементов, прижимаемых к охладителю боковой рамкой и центральной вставкой, причем поверхность плоских элементов расположена ниже деталей рамки и вставки. Несмотря на использование мишеней минимальных размеров и простой геометрии, обеспечивающих экономию распыляемого материала по сравнению со сплошной мишенью, мишень удерживается с помощью боковой рамки, подверженной ионному распылению. Подход, что катодно-распылительный узел магнетрона может быть выполнен из материала, с коэффициентом распыления боковой рамки и центральной вставки ниже коэффициента распыления мишени, мало эффективен из-за наполнения покрытия неконтролируемой примесью. Хотя, конструкция катода-мишени магнетрона обеспечивает снижение как рабочего давления, так и напряжения магнетронного разряда, допуская использовать в качестве средств высоковакуумной откачки стандартные диффузионные насосы и блоки питания с пониженной рабочей точкой по напряжению. При этом рабочее давление снижается незначительно с 0,35 до 0,17 Па и остается сравнительно высоким.
-2
Изобретение позволяет устранить указанные недостатки прототипа, повысить эффективность процесса, благодаря новой конструкции газоразрядного устройства, объединяющей функции планарного магнетрона и плазменного источника ионов, на основе продольной инжекции ионного пучка в магнетрон и распыления ионным пучком катода и центрального анода магнетрона. Сопряжение функций существенно упрощает зажигание магнетронного разряда низкого давления <8·10 Па в магнетроне и расширяет функциональные возможности планарных магнетронов при синтезе наноструктурированных композитных покрытий. Применение ионного пучка предполагает развитие процессов ионно-электронной эмиссии и сопутствующих электронной эмиссии процессов ионного физического распыления катода магнетрона, приводящих к снижению напряжения зажигания разряда. В этих условиях достигается совмещение процессов распыления ионным пучком и магнетронного распыления. При этом, наряду с распылением катода, становится возможным распыление ионным пучком центрального анода магнетрона, обусловливающее новые, не свойственные обычным конструкциям планарных магнетронов функциональные возможности. Управление параметрами пучка и мощностью магнетронного разряда упрощает регулирование долевого соотношения распыляемых компонентов и выращивание композитных покрытий. Такое совмещение потенциально открывает возможность контролируемого управления размерами кристаллитов в наращиваемом покрытии, что является крайне важным, поскольку наноструктура и, как следствие, микротвердость и трещиностойкость покрытий, в определенной мере зависят от концентрации примесной компоненты.
Возможность осуществления изобретения с использованием признаков газоразрядного устройства, включенных в формулу изобретения, подтверждается примером его практической реализации.
На фиг. 1 представлена новая конструкция газоразрядного устройства на основе принципа инжекции ионного пучка в планарный магнетрон. Конструкция образована планарным магнетроном и плазменным источником ионов. Магнетрон содержит катод (мишень) 1 диаметром 50 мм,  кольцевой анод 2 с апертурой 45 мм и центральный анод 3 диаметром 12 мм, установленые соответственно по периметру и на оси устройства. Кольцевой анод 2 выполнен из нержавеющей стали. Расстояние между катодом и анодами 5 мм. Центральный анод 3 выполняет функцию дополнительной мишени. Кольцевой магнит 4 из самарий-кобальтового сплава создает в апертуре анода 2 и вблизи поверхности катода 1 радиальное магнитное поле с индукцией 0.03 Тл. Плазмообразующий реактивный газ натекает через отверстие на боковой стенке анода 2 магнетрона. Разряд в магнетроне инициируется подачей напряжения от высоковольтного выпрямителя с выходным напряжением 0-3 кВ между электрически соединенными анодами 2 и 3 (положительный потенциал) и катодом 1 (отрицательный потенциал). На периферии магнетрона, вдоль оси анода 2 на расстоянии 0.1 м, устанавливается разрядная камера плазменного источника ионов на основе отражательного разряда с полым катодом. Разрядная камера образована эмиттерным 5, полым 6 катодами и цилиндрическим анодом 7. Катоды являются полюсными наконечниками кольцевых магнитов 8 из самарий-кобальтового сплава. Индукция  магнитного поля на оси анода 7 составляет 0,1 Тл. Плазмообразующий инертный газ натекает через отверстие в катодной полости 6 разрядной камеры ионного источника. Разряд зажигается напряжением, подаваемым от высоковольтного выпрямителя между электрически соединенными катодами 5 и 6 и анодом 7. Ионы из прикатодной плазмы разряда извлекаются через эмиссионный канал 9 ускоряющим электродом 10. Пучок ускоренных ионов 11 падает на центральный анод 3 и проникая в апертуру кольцевого анода 2 падает на катод 1. Диаметр ионного пучка в плоскости катода 30 мм, при этом след ионного пучка отмечается на центральном аноде и частично на катоде магнетрона.  Инжектируемые продольно ионы инициируют эмиссионные процессы, - распыление анода 3 и катода 1 и ионно-электронную эмиссию, выполняя функцию, связанную с инициированием (зажиганием) магнетронного разряда низкого давления. Наряду с расширенными возможностями инициирования магнетронного разряда низкого давления, новый подход позволяет упростить управление элементным и химическим составом наращиваемых, реактивным магнетронным распылением, композитных покрытий на подложках 12. Створчатая заслонка 13 перекрывает подложки 12 в период вывода газоразрядного устройства в режим стационарного горения разрядов.
Устройство работает следующим образом. Зажигание магнетронного разряда в магнитном поле и заданном давлении газа происходит подачей выпрямленного напряжения между катодом 1 (мишенью) и электрически соединенными кольцевым 2 и центральным анодами 3. Основными эксплуатационными параметрами магнетрона являются напряжение на электродах, ток разряда, плотность ионного тока на мишени, мощность разряда, радиальная составляющая индукции магнитного поля и давление газа.
-2
I
U
U
I
I
i
i
i
i
i
Рассмотрим особенности зажигания магнетронного разряда низкого давления в магнетроне (катод 1 выполнен из меди) при инжекции ионного пучка в магнетрон фиг. 2. Напряжение зажигания фиг. 2(1) резко снижается от 1.5 до 0.67 кВ в области ускоряющих напряжений 3.5-6 кВ. Давление аргона 8·10 Па, ток разряда 50 мА, ток пучка ионов 0.5≤≤0.7 мА. Рост ускоряющего напряжения приводит к перемещению эмиссионной поверхности плазмы. Снижаются потери ионов на стенке эмиссионного канала 9, изменяется радиус и кривизна поверхности эмитирующей плазмы и наблюдается слабое возрастание тока ионного пучка фиг. 2(1) с ростом ускоряющего напряжения .  Тенденция к насыщению наблюдается при >6 кВ и >0.6 мА. На фиг. 2(2) представлена зависимость напряжения зажигания от тока ионного пучка при ускоряющем напряжении 8 кВ с ростом тока разряда в ионном источнике. Поскольку ток ионного пучка однозначно зависит от тока разряда и при постоянном ускоряющем напряжении монотонно увеличивается до 1,75 мА в диапазоне роста тока разряда до 100 мА, наблюдается немонотонное изменение напряжения зажигания с увеличением тока ионного пучка. С повышением тока ионного пучка от 0.15 до 1.2 мА напряжение зажигания уменьшается от 0.9 до 0.42 кВ с последующей его стабилизацией в области повышения тока пучка ионов от 1.2 до 1.75 мА. Пороговый характер зависимости напряжения зажигания от тока ионного пучка фиг. 2(2) свидетельствует о существовании нижнего предельного значения напряжения зажигания, в нашем случае ~ 0.42 кВ, меньше которого разряд не зажигается. Предельное напряжение зажигания в области малых ионных токов <0.15 мА, ограничивалось значением  0.9 кВ. Это обусловлено тем, что устойчивый разряд с полым катодом при малых токах затруднен.  Инициированный ускоренным ионным пучком разряд в магнетроне, устойчиво горит после гашения разряда в разрядной камере ионного источника.
E
E
=eU
e
N
N
~γ I
/e
γ
I
е
γ
N
i
i
i
e
e
i
i
e
15
-2
Бомбардировка ускоренными ионами катода магнетрона влияет на пробой разрядного промежутка магнетрона. Пробойное напряжение, при котором зажигается магнетронный разряд, сильно зависит от энергии ионов , падающих на катод магнетрона (для однозарядных ионов , где  - заряд электрона) фиг. 2(1) и тока ионного пучка фиг. 2(2). Чем больше скорость ионов и ионный ток, тем ниже напряжение зажигания. Очевидно, в ионизации могут участвовать вторичные электроны и распыленные атомы, выбитые с катода магнетрона ионным пучком. Инициирование процесса электрического пробоя начинается с появления затравочных γ-электронов в результате ионно-электронной эмиссии. Число электронов , испускаемых медным катодом, определяется соотношением: , где  - коэффициент ионно-электронной эмиссии;  - ток ионного пучка;  - заряд электрона. В области энергий 3.5-10 кэВ при  ~ 0.35-0.58, ~10. Доминирующим фактором, порождающим электроны, является кинетическая ионно-электронная эмиссия, возбуждаемая с катода магнетрона ускоренными ионами. Появление затравочных электронов является необходимым, но недостаточным условием пробоя при пониженном давлении. Электрическому пробою при пониженном давлении способствует газовое усиление по мере распыления ионным пучком медного катода, пробивной промежуток заполняется парами меди.  Увеличение энергии и тока распыляющих ионов обусловливает низкие напряжения зажигания разряда фиг. 2(1,2). Экспериментально показана возможность снижения давления зажигания магнетронного разряда низкого давления <8·10Па воздействием на катод планарного магнетрона ускоренным пучком ионов, инжектируемым вдоль оси анодного электрода.
-2
2
2
Испытание газоразрядного устройства показало высокую надежность и стабильность параметров недоступных типовым планарным магнетронам. Продольная инжекция ионного пучка в магнетрон сочетающая достоинства нового принципа построения газоразрядной техники выращивания покрытий в вакууме путем распыления мишеней плазменными ионами аномального тлеющего разряда и ионным пучком, существенно расширяет функциональные возможности магнетрона и позволяет принципиально улучшить его физико-технические характеристики. Наряду с инициированием магнетронного разряда низкого давления <8·10Па, практическая значимость признаков технического результата, включенных в формулу изобретения, подтверждается примером его практического применения. Применяя катод 1 магнетрона из Ti, центральный анод 3 из Cu и плазмообразующую смесь газов Ar и N (в плазме магнетронного разряда молекулярный азотдиссоциирует на химически активный атомарный N↔2N) можно направленно вести синтез TiN в парах Cu. Тонкое регулирование долевого наполнения наращиваемого покрытия примесью Cu, вносимой распылением дополнительной мишени (центрального анода) ионным пучком, позволяет направленно воздействовать на внутреннее строение и фазовый состав TiN-Cu покрытий и выращивать сверхтвердые, износо-, ударо-, тепло-, трещино- и коррозионностойкие композитные нитридные покрытия состава TiN-Cu с нанокристаллической структурой.