Установка для нанесения покрытий в плазме газового разряда

 

Использование: в вакуумно-плазменной обработке изделий, преимущественно в установках для нанесения покрытий ионным распылением в газовой ступени плазмы двухступенчатого вакуумно-дугового разряда. Сущность изобретения: установка содержит вакуумную камеру 1, интегрально-холодный катод 2 двухступенчатого вакуумно-дугового разряда, анод, выполненный в виде изолированных друг от друга секций 3, распыляемую мишень, расположенную между анодом и катодом 2, а также непроницаемое для ионов металла средство, выполненное в виде перегородки 8 и расположенное между одним из торцов полой мишени и катодом 2. Электропитание установки осуществляется от средства электропитания, которое соединено с секциями 3 анода через индивидуальные токоподводы с возможностью поочередного подключения одной из секций 3 анода к упомянутому средству. Предусмотрены различные варианты выполнения и подключения средств электропитания разряда. 7 з. п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к обработке изделий в вакууме, в частности может быть использовано в установках для нанесения покрытий ионным распылением в газовой ступени плазмы двухступенчатого вакуумно-дугового разряда.

Известна установка для нанесения покрытий ионным распылением с использованием плазмы газового разряда, содержащая вакуумную камеру, катод, анод, распыляемую мешень, средства электропитания разряда в виде источников постоянного тока и средства соединения анода, катода и мишени с источником постоянного тока [1] Недостатком известной установки является то, что при использовании вышеописанной конструкции для вакуумно-плазменной обработки изделий в плазме газового разряда (например, при нанесении тонкопленочных покрытий) невозможно осуществить равномерную обработку изделий по всей поверхности обработки в связи с тем, что в процессе работы электрическое поле анода постоянно сконцентрировано в одной определенной зоне установки. А это в свою очередь не позволяет управлять областью плазмы повышенной плотности (образующейся в процессе работы) путем изменения положения этой области относительно обрабатываемой поверхности изделий.

Таким образом, на участках изделий, расположенных в зоне с повышенной плотностью плазмы, обработка ведется более интенсивно, что вызывает неоднородность обработки поверхности в целом.

Цель изобретения повышение однородности обработки за счет обеспечения возможности изменения положения области плазмы с повышенной плотностью по заданной траектории.

Поставленная цель достигается тем, что установка для нанесения покрытий в плазме газового разряда, содержащая вакуумную камеру, связанные со средством электропитания разряда катод и анод, установленную между катодом и анодом мишень с поверхностью распыления, соединенную с отрицательным полюсом высоковольтного источника тока, и держатель для обрабатываемого изделия, снабжена непроницаемым для ионов металла средством, расположенным между катодом и обращенным к нему участком мишени, мишень выполнена полой и имеет внутренюю поверхность распыления, анод выполнен в виде расположенных по контуру мишени изолированных одна от другой секций и связан со средством электропитания разряда с возможностью поочередного подсоединения одной из секций анода к упомянутому средству через индивидуальный для каждой секции токоподвод, а держатель для изделия расположен в зоне полости мишени.

Целесообразно, чтобы полость была выполнена в виде изолированных один от другого элементов, расположенных по контуру камеру и соединенных с отрицательным полюсом источника тока через индивидуальные токоподводы.

Средство электропитания разряда может быть выполнено в виде источника постоянного тока и управляемых ключей, при этом токоподвод каждой секции связан с положительным полюсом источника постоянного тока через управляемый ключ.

Разумно, чтобы средство электропитания разряда было выполнено в виде источника постоянного тока и многофазного источника переменного тока, фазы которого соединены звездой, выводы фаз соединены с соответствующими токоподводами к секциям анода, а общая точка звезды подключена к вакуумной камере и к положительному полюсу источника постоянного тока, отрицательный полюс которого подключен к катоду.

Целесообразно выводы фаз многофазного источника переменного тока соединять с соответствующими токоподводами к секциям анода через выпрямительные элементы.

Установка может быть снабжена средством для выравнивания величины ионного тока по поверхности распыления мишени, выполненным в виде установленных по периферии непроницаемого для ионов металла средства с возможностью регулировочного перемещения элементов, при этом на последних и на упомянутом непроницаемом для ионов металла средстве выполнены сквозные отверстия, расположенные с возможностью взаимного перекрытия с образованием выходного канала для плазмы.

Установка может быть снабжена средством для предотвращения проникновения плазмы в зону нерабочей поверхности мишени, выполненным в виде экрана, установленного в зоне асимметричных участков камеры с охватом средства непроницаемого для ионов металла.

Целесообразно экран выполнять составным, по меньшей мере из двух элементов, каждый из которых установлен с возможностью независимого регулировочного перемещения.

На фиг.1 изображен общий вид установки со средствами электропитания разряда в виде источника постоянного тока и многофазного источника переменного тока, разрез; на фиг.2 сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.4 вариант исполнения установки со средствами электропитания разряда в виде двух источников постоянного тока и управляемых ключей, а также со средствами предотвращения проникновения плазмы в зону нерабочей поверхности мишени; на фиг.5 сечение Г-Г на фиг.4; на фиг.6 вариант исполнения установки со средством выравнивания величины ионного тока по поверхности распыления мишени; на фиг.7 сечение В-В на фиг.6; на фиг.8 узел I на фиг.7; на фиг.9 сечение Д-Д на фиг.7.

Установка для нанесения покрытий содержит вакуумную камеру 1, внутри которой размещены соединенные со средством электропитания разряда интегрально-холодный катод 2 двухступенчатого вакуумно-дугового разряда (ДВДР), анод, выполненный в виде электроизолированных одна от другой секций 3 с индивидуальными токоподводами 4, а также распыляемую секционированную мишень, каждая секция 5 которой соединена через соответствующий токоподвод 6 с отрицательным полюсом одного из высоковольтных источников 7 постоянного тока. Мишень выполнена полой с внутренней поверхностью распыления и расположена между анодом и катодом. В пространстве между одним из торцов мишени и катодом 2 установлено непроницаемое для ионов металла средство в виде перегородки 8.

По одному из вариантов выполнения (фиг.1) средство электропитания разряда выполнено в виде источника 9 постоянного тока и многофазного источника 10 переменного тока. Фазы источника 10 соединены звездой, выводы фаз соединены с соответствующими токоподводами 4 к секциям 3 анода. Общая точка "звезды" подключена к вакуумной камере 1, преимущественно через выпрямительный элемент 11, и к положительному полюсу источника 9. Отрицательный полюс источника 9 соединен с катодом 2. Обрабатываемые изделия 12 располагают в зоне полости мишени на держателе 13.

По другому варианту исполнения (фиг.4) средство электропитания разряда выполнено в виде одного или нескольких источников 14, 15 постоянного тока и управляемых ключей 16.

При этом положительный полюс источника 15 связан с токоподводом каждой секции 3 анода через управляемый ключ 16. Кроме того, электрическая цепь источников 14, 15 связана с корпусом камеры 1 через выпрямительный элемент 17.

Установка (фиг.6) может быть снабжена средством для выравнивания величины ионного тока по поверхности распыления мишени. Данное средство выполнено в виде установленных по периферии непроницаемой для ионов металла перегородки 8 элементов 18. Последние установлены с возможностью регулировочного перемещения в направлении, указанном стрелками на фиг.7. На элементах 18 и перегородке 8 выполнены сквозные отверстия 19 и 20 соответственно. Указанные отверстия 19, 20 расположены с возможностью взаимного перекрытия в процессе регулировки для образования выходного канала "S" с регулируемой площадью проходного сечения для плазмы.

Кроме того, в случае, если камера выполнена асимметричной, установка может быть выполнена со средством для предотвращения проникновения плазмы в зону нерабочей поверхности мишени. Данное средство (см. фиг.4, 5) выполнено в виде экрана, состоящего по меньшей мере из двух элементов 21, установленных в зоне асимметричных участков камеры 1 с охватом перегородки 8. Предусматривается регулировка положения элементов 21 относительно секции 5 мишени и перегородки 8.

Работает установка следующим образом. Вакуумная камера 1 установки откачивается системой откачки (не показана) до давления ниже чем 1 * 10^-2 Па, а затем в вакуумную камеру 1 напускается рабочий газ (например, аргон) до давления 5 * 10^-2 5 Па.

На катод 2 двухступенчатого вакуумно-дугового разряда (ДВДР) и вакуумную камеру 1 через выпрямительный элемент в виде диода 17 (фиг.4) подается напряжение от силового источника 14 постоянного тока питания катода 2 и возбуждается дуговой разряд между интегрально-холодным катодом 2 и внутренними стенками вакуумной камеры 1.

При возбуждении дугового разряда на поверхности катода 2 образуются катодные пятна, вызывающие эрозию материала катода 2. Эрозируемый материал и рабочий газ в электрическом поле ионизируются, образуя металлогазовую плазму. При этом благодаря наличию непроницаемого для ионов металла средства в виде перегородки 8 ионы металла, распространяющиеся из катодных пятен, не могут попасть в полость мишени.

Перегородка 8 представляет собой диск из металла или диэлектрика, установленный с зазором относительно стенок камеры 1. При включении источника питания 15, соединенного с секциями 3 анода и камерой 1 из металлогазовой плазмы, вытягиваются электроны, которые ионизируют газ, заключенный в пространстве между перегородкой 8 и секциями 3 анода. В результате вся полость мишени становится заполненной чистой газовой плазмой. При подаче высоковольтного отрицательного потенциала от источников 7, включенных между мишенью и вакуумной камерой 1, у поверхности распыления мишеней образуется двойной электрический слой, в котором ускоряются ионы газа и бомбардируют внутреннюю поверхность распыления мишени. Распыленные атомы металла мишени осаждаются на изделиях 12, установленных на держателе 12. Для осуществления возможности управления процессом распыления различных участков мишени анод выполнен в виде расположенных по контуру мишени изолированных одна от другой секций 3 с индивидуальными токоподводами 4. При этом секции 3 анода согласно варианту выполнения по фиг.4 подключены к положительному полюсу источника питания 15 через управляемые ключи 16. Благодаря этому осуществляется возможность поочередного подсоединения одной из секций 3 анода к источнику питания 15. В этом случае плазма максимальной плотности образуется в пространстве между перегородкой 8 и включенной в данный момент секцией 3 анода. В месте максимальной плотности плазмы мишень распыляется наиболее интенсивно.

Поочередно переключая управляемые ключи 16 на необходимое время, управляют процессом распыления мишени, а следовательно, и процессом формирования покрытия необходимой толщины на поверхности изделия 12.

Для повышения однородности распыления мишени с целью получения однородных по толщине покрытий на изделиях 12 (см. фиг.1) средство электропитания разряда может быть выполнено в виде источника постоянного тока 9 и многофазного источника 10 переменного тока, подключенного к токоподводам 4 секций анода, преимущественно через выпрямительные элементы, например, в виде диодов 22.

Такое выполнение средства электропитания разряда приводит к тому, что на всех секциях 3 анода с частотой питающей сети возникает переменное напряжение, положительная полуволна которого поочередно возникает на различных секциях анода и вынуждает столб плазмы максимальной плотности перемещаться внутри полости мишени, производя равномерное распыление поверхности последней. Такое выполнение средства электропитания разряда приводит к возникновению на всех секциях 3 анода не только положительного, но и отрицательного напряжения.

При отрицательном напряжении на секции 3 анода возможно образование на поверхности секции 3 катодного пятна, вызывающего эрозию материала анода, что не желательно. Чтобы не допустить этого явления выводы фаз многофазного источника 10 переменного тока соединены с соответствующими токоподводами 4 к секциям 3 анода через диоды 22.

Если мишень выполнена цельной (например, в виде полого цилиндра), то ионный ток, величина которого, как правило, составляет 10-20% от величины тока ДВДР, может достигать десятков ампер. При таких токах возможно стабильное существование дугового разряда и при случайных переходах высоковольтного разряда между газовой плазмой и мишенью в дуговой разряд происходит резкое падение напряжения на электродах (мишень-камера) с многократным возрастанием тока разряда. Это приводит к эрозии материала мишени с образованием микрокапель, что может привести к ухудшению качества покрытия. Для устранения этого нежелательного явления необходимо, чтобы ток на мишени не превосходил ток минимального стабильного горения дуги, т.е. для большинства распыляемых материалов был не более чем 1-3 А. Чтобы суммарная величина тока оставалась высокой и в то же время была обеспечена надежная защита от перехода в дуговой разряд, мишень целесообразно выполнять в виде изолированных одна от другой секций 5, расположенных по контуру камеры 1 и соединенных с отрицательным полюсом источника 7 тока через индивидуальные токоподводы 6. В цепи каждого токоподвода 6 устанавливается резистор (не показан). Число секций 5 мишени подбирается таким, чтобы выполнялись соотношения (1-5), A (1) R_б≈ 0,2U_ист (2) где U_ист напряжение высоковольтного источника 7 питания; R_б величина балластного сопротивления, подключенного к токоподводу секции мишени; I_ион величина суммарного ионного тока; n число секций.

Выражение (1) обуславливает ограничение тока перехода в дугу на уровне (1-5) А (в зависимости от рода распыляемого материала).

Выражение (2) обуславливает 20%-ную потерю энергии источника питания на балластном сопротивлении. (Остальные 80% энергии расходуются на распыление мишени).

Тонкая регулировка тока на секциях 5 распыляемой мишени осуществляется с помощью средства для выравнивания величины ионного тока по поверхности распыления мишени.

Для этих целей элементы 18 указанного средства перемещают относительно перегородки 8 в направлении, указанном стрелками на фиг.7, изменяя тем самым сечение выходного канала "S" для плазмы. При уменьшении сечения выходного канала в зоне одной из секций 5 мишени увеличивается падение напряжения в зоне выходного канала, что при неизменности напряжения источника питания приводит к падению тока разряда в районе упомянутой секции 5 мишени, в районе которой уменьшено выходное сечение. Это приводит к снижению величины ионного тока на мишень. В зоне каждой секции 5 мишени производят регулировку сечения выходного канала "S" для плазмы с целью выравнивания величины ионного тока на каждом элементе 5 мишени. При использовании в установках цилиндрических камер обеспечивается равномерный зазор между взаимно обращенными поверхностями цилиндрической камеры 1 и цилиндрической мишени.

Если величина зазора невелика (10-20 мм), то плазма газового разряда не обтекает мишень с тыльной (нерабочей) стороны.

При использовании камер асимметричной формы, например, с прямыми углами (разрез такой камеры приведен на фиг.5) и цилиндрической мишени возникают области (в районе углов), где зазор между мишенью и стенкой камеры увеличен, и в этих областях возможно протекание тока с образованием газовой плазмы. Это приводит к распылению тыльной стороны мишени и снижению производительности распыления (за счет бесполезного распыления тыльной стороны мишени). Чтобы избавиться от нежелательного проникновения плазмы на тыльную (нерабочую) поверхность мишени в асимметричных камерах, например, имеющих прямые углы, в зонах асимметричных участков (т.е. участков с увеличенным зазором между взаимно обращенными поверхностями мишени и камеры) помещают средство для предотвращения проникновения плазмы в зону нерабочей поверхности мишени. Это средство (см. фиг.4 и 5) выполнено в виде экрана, состоящего по меньшей мере из двух элементов 21, охватывающих средство, непроницаемое для ионов металла и секции 5 мишени в зоне асимметричных участков камеры 1.

Диаметр цилиндрической вакуумной камеры 800 мм; диаметр цилиндрической распыляемой мишени 750 мм; высота мишени 800 мм; материал мишени листовой титан 6 мм; число секций мишени 12.

Кольцевой анод установки разбит на три изолированных кольцевых сектора, установленных в нижней части цилиндрической вакуумной камеры.

Катод ДВДР изготовлен из титана и установлен у нижнего торца цилиндрической вакуумной камеры по оси симметрии. Перегородка 8 выполнена в виде диска диаметром 750 мм. На периферии диска имеются отверстия диаметром 30 мм, перекрываемые элементами 18 в виде кольцевых секторов, размер которых соответствует размеру секций 5 мишени, и имеющих такие же отверстия, как на периферии перегородки 8, выполненной в виде диска. Смещением отверстий на элементах 18 относительно отверстий в перегородке 8 изменяют размер выходного канала для плазмы.

Рабочий газ аргон. Давление аргона 1 х 10^-1 Па. Ток ДВДР 200 А. Суммарный ионный ток на секции мишени 22-24 А. Напряжение на мишени 1000 В. Средняя скорость нанесения титанового покрытия на цилиндрическую мишень диаметром 650 мм, длиной 700 мм составляет 12 мкм/ч. Неравномерность покрытия по толщине на различных изделиях отсутствует.

Формула изобретения

1. УСТАНОВКА ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ В ПЛАЗМЕ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА, содержащая вакуумную камеру, связанные со средством электропитания разряда катод и анод, установленную между катодом и анодом мишень с поверхностью распыления, соединенную с отрицательным полюсом высоковольтного источника тока, держатель обрабатываемого изделия, средство, не проницаемое для ионов металла, расположенное между катодом и мишенью, отличающаяся тем, что мишень выполнена полой с внутренней поверхностью распыления, анод - в виде расположенных по контуру мишени изолированных одна от другой секций и соединен с средством электропитания разряда и с возможностью поочередного подсоединения одной из секций анода к упомянутому средству через индивидуальный для каждой секции токоподвод, а держатель изделий расположен в полости мишени.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что мишень выполнена в виде изолированных одна от другой секций, расположенных по контуру камеры и соединенных с отрицательным полюсом источника тока через индивидуальные токоподводы.

3. Установка по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что средство электропитания разряда выполнено в виде источника постоянного тока и управляемых ключей, при этом токоподвод каждой секции соединен с положительным полюсом источника постоянного тока через управляемый ключ.

4. Установка по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что средство электропитания разряда выполнено в виде источника постоянного тока и многофазного источника переменного тока, фазы которого соединены звездой, выводы фаз соединены с соответствующими токоподводами к секциям анода, а общая точка звезды подключена к вакуумной камере и к положительному полюсу источника постоянного тока, отрицательный полюс которого подключен к катоду.

5. Установка по п.4, отличающаяся тем, что выводы фаз многофазного источника переменного тока соединены с соответствующими токоподводами к секциям анода через выпрямительные элементы.

6. Установка по п. 1 - 5, отличающаяся тем, что она снабжена средством для выравнивания величины ионного тока по поверхности распыления мишени, выполненным в виде установленных по периферии не проницаемого для ионов металла средства с возможностью регулировочного перемещения элементов, при этом на последних и на не проницаемом для ионов металла средстве выполнены сквозные отверстия, расположенные с возможностью взаимного перекрытия с образованием выходного канала для плазмы.

7. Установка по пп. 1 - 6, отличающаяся тем, что она снабжена средством для предотвращения проникновения плазмы в зону нерабочей поверхности мишени, выполненным в виде экрана, установленного в зоне асимметричных участков камеры с охватом средства, не проницаемого для ионов металла.

8. Установка по п.6, отличающаяся тем, что экран выполнен составным по меньшей мере двух элементов, каждый из которых установлен с возможностью независимого регулировочного перемещения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9