Устройство для нанесения многослойных токопроводящих покрытий на изделия из диэлектрических материалов и источник ионов для него

Изобретения относятся к плазменной технике и предназначено для нанесения многослойных покрытий в виде тонких пленок из металлов, их оксидов, нитридов и других соединений, синтезированных в процессе плазмохимических реакций, на поверхность изделий из диэлектрических материалов. Устройство содержит магнетронную распылительную систему (МРС), систему питания МРС, систему напуска рабочего газа, вакуумную систему и установленные последовательно шлюзовую камеру, оснащенную загрузочным устройством, вакуумный затвор, первую реверсивную камеру, рабочую камеру, вторую реверсивную камеру. МРС установлена в рабочей камере, дополнительно оснащенной источниками ионов с пучком ленточного типа, перекрывающим поверхность обрабатываемого изделия в направлении, перпендикулярном его движению, с энергией в интервале 0,1-10 кэВ, с плотностью потока ионов 1×10¹²-1×10¹⁵ частиц×см^-2×с^-1, падающих под углом 20-70 градусов относительно нормали к поверхности. Источник ионов содержит магнитопроводящий корпус, служащий катодом, расположенные в нем магнитную систему, протяженный водоохлаждаемый анод, эмиссионную щель, формирующую пучок ленточного типа и систему подачи газа. Система подачи газа выполнена в виде каскада подающих каналов, расположенных в основании корпуса. Каналы в каждом каскаде последовательно симметрично делятся на два. Все каналы имеют равную длину. Расстояние между выпускными отверстиями не превышает 40 мм. Технический результат, достигаемый изобретениями, заключается в повышении степени очистки и активации поверхности изделий. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано для нанесения многослойных покрытий на поверхность изделий из диэлектрических материалов в виде тонких пленок из металлов, их оксидов, нитридов и других соединений, синтезированных в процессе плазмохимических реакций.

Известна установка для нанесения тонкослойных покрытий (RU 2138094), содержащая магнетронную распылительную систему (МРС), размещенную в герметизированной рабочей камере, систему питания МРС, вакуумную систему и систему напуска газа в рабочую камеру, отделенную вакуумным затвором от шлюзовой камеры, реверсивную камеру (карман), расположенную с другой стороны рабочей камеры, кассету для обрабатываемых изделий и механизм ее перемещения. Для очистки поверхности обрабатываемых деталей во входной шлюзовой камере установлены электроды, подключенные к импульсному источнику высокого напряжения. Рабочая камера разделена диафрагмами на отдельные отсеки, каждый из которых снабжен отдельной системой напуска газа.

Основным недостатком прототипа является то, что для очистки обрабатываемой поверхности в установке используется плазма тлеющего разряда, которая генерируется установленными во входной шлюзовой камере высоковольтными электродами. Эта плазма обладает низкой энергией ионов. Они не имеют направленности, движутся хаотически и не могут полностью удалить адсорбированные молекулы вакуумного масла, воды, адсорбированных газов и другие загрязнения. В результате этого ухудшается адгезия и снижается качество покрытия.

Кроме того, производительность установки является недостаточной. Это обусловлено тем, что в цикл обработки изделия входят следующие операции: загрузка кассеты с обрабатываемыми изделиями в шлюзовую камеру, вакуумирование шлюзовой камеры, открытие вакуумного затвора, обработка изделия, перемещение его в шлюзовую камеру, разгерметизация шлюзовой камеры, разгрузка. Так как время разгерметизации и последующего вакуумирования шлюзовой камеры при замене кассеты значительно превышает время нанесения покрытия, то возникает простой из-за подготовки шлюзовой камеры.

Недостатком является и то, что в процессе обработки не все рабочие органы установки работают одновременно, поэтому их активные поверхности, несмотря на разделение рабочей камеры на отсеки диафрагмами, покрываются нежелательными пленками, что приводит к необходимости их очистки. Это требует дополнительного времени и приводит к непроизводительному расходованию материала катода. Применение раздельных камер с дифференциальной откачкой дает достаточно хороший результат, но система с откачными камерами, как показывает зарубежный опыт, увеличивает стоимость установки в несколько раз, и вряд ли может быть применена на маломощных установках.

Недостатком является еще и то, что при нанесении многослойных покрытий требуется несколько магнетронов с катодами из различных материалов. Для их размещения требуется увеличение размеров рабочей камеры, что влечет за собой значительное удорожание установки, оно окупается при небольшой номенклатуре и больших объемах выпускаемой продукции, но при мелкосерийном производстве вызывает повышение себестоимости.

Известен источник ионов с замкнутым дрейфом электронов (RU 2030807), который выбираем за прототип для источника ионов, содержащий магнитопроводящий корпус, служащий катодом, расположенные в нем магнитную систему, протяженный водоохлаждаемый анод, а также эмиссионную щель, формирующую пучок ленточного типа и систему подачи газа.

Недостатком известного источника ионов является неравномерность плотности потока ионов в ленточном пучке.

Задачей данного изобретения является создание высокопроизводительной установки для нанесения многослойных покрытий на изделия из диэлектрических материалов, обеспечивающей высокое качество покрытия и его стабильность.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в следующих обстоятельствах:

1) в удалении с поверхности, на которую осаждается покрытие, нежелательных веществ (загрязнений), которые могут вступать в химическую реакцию с покрытиями и приводят к их повреждению (так называемые «пин-холы», pin holes);

2) в удалении с этой поверхности тонких слоев веществ, адсорбированных из окружающей среды и препятствующих хорошей адгезии осаждаемых покрытий по отношению к поверхности подложки (например, пленок воды или адсорбированных газов);

3) в удалении с этой поверхности тонких слоев веществ, образовавшихся в результате ее взаимодействия с окружающей средой, не обладающих хорошим химическим сродством по отношению к наносимым покрытиям и препятствующих их хорошей адгезии (например, тонких слоев оксидов);

4) в случае полимерной подложки в создании радикалов из молекул, входящих в состав этой подложки, и лежащих на поверхности (при последующем осаждении металлической пленки атомы, входящие в ее состав, образуют с радикалами химическую связь, которая существенно улучшает адгезию пленки).

Дополнительным результатом, получаемым в отдельных вариантах реализации изобретения, является уменьшение стоимости установки и ее эксплуатационных расходов при мелкосерийном производстве.

Для решения данной задачи предлагаемое устройство, как и прототип, содержит рабочую камеру с магнетронной распылительной системой (МРС), систему питания МРС, вакуумную систему, систему напуска рабочего газа, шлюзовую камеру, отделенную вакуумным затвором от рабочей камеры, реверсивную камеру, расположенную на выходе рабочей камеры, кассету для обрабатываемых изделий и механизм ее перемещения.

В отличие от прототипа, в рабочей камере параллельно обрабатываемой поверхности установлены источники ионов с пучком ленточного типа, перекрывающим поверхность кассеты в направлении, перпендикулярном его движению, с энергией ионов в интервале 0,1-10 кэВ и с плотностью потока 1×10¹²-1×10¹⁵ частиц×см^-2×с^-1, падающих под углом 20-70 градусов относительно нормали к поверхности.

Более предпочтительной является область энергий пучка в диапазоне 1-5 кэВ.

Выбор источника ионов с длиной ленточного пучка, превышающей размер обрабатываемой детали в направлении, перпендикулярном ее перемещению, позволяет избежать появления краевых эффектов, то есть неравномерности скорости травления обрабатываемой поверхности в центре и на периферии.

В качестве источника ионов целесообразно использовать источник ионов с замкнутым дрейфом электронов, содержащий, как и прототип, магнитопроводящий корпус, служащий катодом, расположенные в нем магнитную систему, протяженный водоохлаждаемый анод, а также эмиссионную щель, формирующую пучок ленточного типа и систему подачи газа. В отличие от прототипа система подачи газа выполнена в виде каскада подающих каналов, расположенных в основании корпуса, каналы в каждом каскаде последовательно симметрично делятся на два, при этом все каналы имеют равную длину, а расстояние между выпускными отверстиями не превышает 40 мм.

Выполнение системы подачи газа в виде каскада каналов позволяет равномерно распределять рабочий газ в области образования плазмы по длине источника ионов, что обеспечивает равномерное распределение плотности потока ионов по длине пучка ленточного типа.

Для повышения производительности установки шлюзовая камера оснащена загрузочным устройством на две или более кассеты, а между вакуумным затвором и рабочей камерой установлена дополнительная реверсивная камера, что позволяет сократить время полного цикла обработки изделия.

Магнетроны и источники ионов с целью защиты от осаждения на них нежелательных пленок снабжены подвижными защитными экранами.

При осаждении многослойных покрытий МРС должна состоять не менее чем из двух магнетронов. Для уменьшения длины рабочей камеры и размеров установки в целом их целесообразно расположить в револьверной головке. При этом одну из позиций в револьверной головке может занимать источник ионов. Кроме того, иногда бывает целесообразно, чтобы еще одну позицию занимал защитный экран.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет осаждать многослойные токопроводящие покрытия на поверхности диэлектрических материалов, например, теплоотражающие покрытия на поверхность листового архитектурного стекла, покрытия, отражающие электромагнитное излучение радиочастотного диапазона, на корпуса мобильных телефонов, а также антистатические покрытия, то есть покрытия представляющие многослойную и сложную по составу композицию.

Изобретение иллюстрируется графическими материалами, на которых:

Фиг.1 - принципиальная схема предлагаемого устройства для нанесения многослойных

токопроводящих покрытий на изделия из диэлектрических материалов, вид сверху.

Фиг.2 - схематическое изображение источника ионов в разрезе.

Фиг.3 - схема подвода газа в рабочую зону источника ионов.

Фиг.4 - изображает защитный экран, выполненный цилиндрическим и с возможностью вращения вокруг продольной оси.

Фиг.5 - изображает поперечный разрез поворотного цилиндрического экрана, внутри которого расположен магнетрон или источник ионов. Экран находится в положении, при котором его рабочее окно совмещено с активной частью магнетрона или источника ионов.

Фиг.6 - другой вариант выполнения защитного экрана в виде поворотных заслонок.

Фиг.7 - поперечный разрез защитного экрана в виде поворотных заслонок.

Фиг.8 - поперечный разрез револьверной головки с установленными магнетронами, источником ионов и защитным экраном.

Фиг.9 - график зависимости коэффициента распыления от энергии ионов.

Устройство состоит из шлюзовой камеры 1, которая служит для загрузки и разгрузки устройства кассетами 2 с обрабатываемыми изделиями. Кассета 2 выполнена в виде рамы для размещения на ней обрабатываемых изделий или приспособлений с закрепленными на них мелкими обрабатываемыми деталями. Кассеты 2 размешены в загрузочном устройстве 3. Оно представляет собой пространственную рамную конструкцию, имеющую в верхней и нижней частях направляющие элементы для фиксации положения при загрузке.

За шлюзовой камерой 1 расположен вакуумный затвор 4, который предназначен для герметичного отделения шлюзовой камеры 1 от рабочей зоны, включающей в себя две реверсивные 5, 6 и рабочую 7 камеры. Реверсивные камеры 5, 6 расположены по обе стороны от рабочей камеры 7. Они служат для выведения кассеты из рабочей камеры 7 и изменения направления движения (реверсирования) при многопроходной обработке. Реверсивные 5, 6 камеры и шлюзовая камера 1 соединены с вакуумной системой. Вакуумная система служит для создания и поддержания рабочего давления во всех камерах установки. Она состоит из форвакуумных насосов 8, диффузионных насосов 9, системы трубопроводов, вакуумных задвижек, датчиков давления, приборов контроля давления. В рабочей камере 7 установлены МРС и источники ионов 10 с пучками ленточного типа.

Источник ионов 10 с замкнутым дрейфом электронов (фиг.2) содержит магнитопроводящий корпус, служащий катодом 11, расположенные в нем магнитную систему 12, протяженный водоохлаждаемый анод 13 и эмиссионную щель, для создания ионного пучка ленточного типа. На практике длина пучка ленточного типа должна обеспечивать полное перекрытие кассеты в направлении, перпендикулярном ее движению. Для этого длина источника ионов должна превышать ширину кассеты примерно на 100 мм или несколько более. Эмиссионная щель для вывода пучка ориентирована относительно обрабатываемой поверхности таким образом, чтобы ускоренные ионы падали на нее под углом в интервале 20°-70°. Это достигается использованием подвески, на которой укреплен ионный источник и которая позволяет регулировать его положение относительно обрабатываемой поверхности. Расстояние от нее до источника ионов на практике обычно не превышает 150-200 мм, что примерно соответствует длине свободного пробега ионов при давлении газа в рабочей камере на уровне 0,01 Па (это среднее давление, при котором функционируют источники такого типа). Значение плотности потока ионов регламентируется расходом рабочего газа, а их средняя энергия - величиной ускоряющего напряжения, подаваемого с источника питания. Поскольку равномерность подвода газа определяет равномерность плотности потока ионов источника и в итоге качество очистки обрабатываемой поверхности, то для решения этой проблемы применена каскадная система (фиг.3) подводящих каналов 14 с последовательным делением их на две части, с соблюдением симметричности. Все подводящие каналы 14 имеют равную длину и количество поворотов газового потока для всех направлений одинаковое. Таким образом, расстояние от отсечного клапана 15 и регулятора расхода газа 16, регулирующего общее количество подаваемого рабочего газа, до любого из выпускных отверстий, которые могут быть выполнены в виде сопел 17, есть величина постоянная. Выходные сопла расположены симметрично с двух сторон относительно магнитной системы 12. Расстояние между соплами не должно превышать 40 мм. Экспериментально установлено, что при расстоянии более 40 мм нарушается равномерность подачи газа в зону образования плазмы.

МРС состоит из одного или нескольких магнетронов 18, изолированных от корпуса рабочей камеры 7.

Для защиты магнетронов 18 и источников ионов 10 от нежелательного осаждения на них пленок, вызванных работой соседних магнетронов, в рабочей камере 7 установлены защитные экраны 19. Они могут быть выполнены в виде цилиндрических труб с продольным окном 20 и возможностью вращения вокруг продольной оси, внутри которых расположены магнетроны 18 или источники ионов 10 (фиг.4 и фиг.5).

По второму варианту защитные экраны могут быть выполнены в виде поворотных заслонок 21 (фиг.6 и фиг.7). Привод управления защитными экранами ручной или автоматический без разгерметизации рабочей камеры.

Магнетроны 18 и источники ионов 10 могут быть размещены в револьверной головке (фиг.8). Револьверная головка имеет наружный защитный корпус 22, выполненный в виде трубы с продольным рабочим окном, и внутренний корпус 23, выполненный с возможностью поворота. Внутренний поворотный корпус 23 имеет гнезда для установки магнетронов 18, источников ионов 10 и защитного экрана 24. Защитный экран 24 служит для защиты магнетронов 18 источников ионов 10 от напыления другими источниками распыленных частиц, когда блок револьверной головки участия в работе не принимает. Положения рабочих органов, размещенных в револьверной головке, регистрируются датчиками (на фиг.8 не показаны). Привод управления револьверной головкой ручной или автоматический.

Работа устройства для нанесения многослойных токопроводящих покрытий на изделия из диэлектрических материалов происходит следующим образом.

Устройство приводят в рабочее состояние: в рабочей зоне достигается необходимое давление, открываются защитные экраны источников ионов 10 и магнетронов 18, которые будут принимать участие в предстоящей операции, и на них подается рабочее напряжение. К источникам ионов 10 и в зону, прилегающую к катоду магнетрона 18, системой напуска подается рабочий газ.

При размещении источников ионов 10 и магнетронов 18 в револьверной головке, один из них находится в рабочем положении, то есть через рабочее окно в наружном защитном корпусе 22 револьверной головки обращен в рабочую камеру 7, а остальные закрыты защитным корпусом 22, и при ручном или автоматическом повороте внутреннего корпуса 23 они меняются местами без разгерметизации рабочей камеры 7.

Подготовленные к обработке изделия помещают в кассеты 2, которые устанавливаются в загрузочное устройство 3 шлюзовой камеры 1. Шлюзовая камера 1 закрывается, и производится ее вакуумирование. Открывается вакуумный затвор 4, кассета 2 перемещается в реверсивную камеру 5, далее в рабочую камеру 7, где происходит очистка и активизация поверхности обрабатываемых изделий под воздействием источников ионов 10 и нанесение покрытия магнетронами 18. Затем кассета перемещается во вторую реверсивную камеру 6, где меняет направление движения на обратное. Из второй реверсивной камеры 6, через рабочую камеру 7, кассета перемещается в первую реверсивную камеру 5. Во время этих перемещений производится нанесение покрытия магнетронами 18. Те магнетроны и источники ионов, которые не участвуют в процессе нанесения покрытия, закрыты подвижными защитными экранами 19 и 21. При расположении магнетронов в револьверных головках, установленных в рабочей камере, происходит их замена в необходимом сочетании друг с другом.

Например, при нанесении трехслойного теплоотражающего покрытия типа «оксид-металл-оксид» на листовое стекло можно в начале процесса во всех револьверных головках установить в рабочее положение магнетроны с мишенями для напыления оксида. Затем все рабочие позиции или часть из них занять мишенями для нанесения металлических пленок, а после завершения этой процедуры вновь установить магнетроны для нанесения оксидных покрытий.

После завершения обработки кассета 2 возвращается в шлюзовую камеру 1 и в рабочую зону поступает следующая кассета. После заполнения загрузочного устройства 3 вакуумный затвор 4 закрывается, шлюзовая камера 1 разгерметизируется, происходит замена кассет.

На поверхности любого твердого тела существует слой, состоящий из различных загрязнений, адсорбированных молекул атмосферных газов, воды, продуктов реакций, образовавшихся при химическом взаимодействии с окружающей средой и т.д. Покрытия, наносимые на неочищенную поверхность, не обладают необходимой адгезионной прочностью. Поэтому, перед нанесением покрытий необходима обработка поверхности обрабатываемого изделия. В предлагаемом изобретении она выполняется с помощью источника ионов 10 направленным пучком ускоренных ионов ленточного типа, которые распыляют слой, подлежащий удалению.

Процедура обработки поверхности выполняется в одном цикле пучком ускоренных ионов. При этом обрабатываемый образец движется относительно ионного пучка. Выше указывалось, что благодаря этой операции последовательно удаляются тонкий слой загрязняющих веществ, затем слой адсорбированных атомов или молекул, потом - слой продуктов химических реакций, образующихся при взаимодействии атомов поверхности с окружающей средой. И, наконец, в случае подложки из полимерных материалов, - тонкий слой радикалов, способных образовать химические связи с атомами металлической пленки.

Принципиально важным является вопрос о следующих параметрах ионного пучка: тип ускоряемых ионов, их энергия, угол падения относительно обрабатываемой поверхности, плотность потока и флюенс ионов.

Ниже приводим обоснование выбора этих параметров.

1. Тип ионов.

Лучше всего для очистки (травления) поверхности подходят ионы газов. Их источники просты по конструкции и удобны в управлении. Преимущество химически активных газов состоит в том, что пучок на их основе способен распылять поверхность с использованием химических сил и иногда это обстоятельство является важным (в частности при очистке поверхности от загрязнений с большой энергией связи с подложкой). С другой стороны, инертные газы не образуют нежелательных соединений с конструкционными элементами рабочих камер, а благодаря относительно большому атомному весу, способны передать значительный импульс распыляемым атомам. Это свойство предопределяет их большой коэффициент распыления поверхности и высокую производительность процесса очистки.

Что касается ионов, образованных из атомов, входящих в состав твердотельных мишеней (например, ионов металлов), то они тоже способны чистить поверхность, но их источники существенно дороже, они более сложны в эксплуатации, трудноуправляемы и менее надежны. Поэтому предпочтение отдается газовым ионам, в частности, инертных газов, таких как аргон.

2. Энергия ионов.

Существует зависимость коэффициента распыления Y (который представляет собой отношение числа распыленных атомов на поверхности твердого тела к числу ионов, вызвавших это распыление), напрямую связанного с производительностью (эффективностью) процесса очистки, от энергии ионов Е. (Под редакцией Р. Береша. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой: Физическое распыление одноэлементных твердых тел. М.: Мир, 1984 ; раздел: Андерсен X., Бай X. Измерение коэффициента распыления, стр. 195-280).

На фиг.9 представлена зависимость коэффициента распыления от энергии ионов. Отличительными особенностями семейства кривых Y(E) является наличие максимума в интервале Е = 10³-10⁴ эВ, очень слабая интенсивность травления поверхности при Е <10² эВ и постепенное уменьшение Y(E) при Е > 10⁴ эВ.

Ситуация, когда Е > 10⁴ эВ, требует использования высоковольтных ускорительных систем, что существенно усложняет и снижает надежность ионных источников. Опыт наших исследований в этой области свидетельствует о том, что ионы с энергией Е > 2×10⁴ эВ вряд ли будут когда-либо использоваться для ионной очистки.

Таким образом, для очистки поверхности следует использовать пучки ионов с энергией в интервале 0,1-10 кэВ, но предпочтительной является область 1-5 кэВ.

3. Угол падения пучка.

Существует зависимость Y(θ), где θ - угол падения пучка относительно подложки. Практика показывает, что Y имеет максимум вблизи θ = 45°, но рабочим является интервал θ = 20°-70°. При углах падения пучка менее 20° и более 70° интенсивность распыления резко снижается. Конкретный угол падения пучка определяется характером обрабатываемого материала, конструктивными особенностями установки и технологическим процессом.

4. Флюенс и плотность потока ионов.

При удалении загрязняющего слоя с поверхности, на которую следует нанести покрытие, важными факторами являются флюенс ионов и плотность их потока.

Под термином «флюенс» понимается количество частиц (ионов), которые воздействовали на единицу площади облучаемой поверхности за весь период облучения. Плотность потока характеризуется количеством частиц (ионов), которые воздействовали на единицу площади за единицу времени. Зависимость между флюенсом и плотностью потока линейная: флюенс равен произведению плотности потока на время его воздействия на обрабатываемую поверхность.

Практика обработки поверхности твердых тел с помощью модифицирующих покрытий свидетельствует о том, что для обеспечения качественной адгезии обычно необходимо удалить с поверхности слой загрязняющей пленки толщиной 1-10 диаметров молекул.

Следует иметь в виду, что энергия связи атомов и молекул, адсорбированных поверхностью, существенно меньше, чем у аналогичных частиц, находящихся в составе твердого тела. Это означает, что расчет значения (величины) минимально необходимого флюенса может быть выполнен на основании экспериментально измеренного коэффициента распыления твердого тела. Он даст несколько завышенный результат, к которому следует относиться как к приблизительной оценке.

Теперь рассмотрим вопрос о том, какой флюенс необходим для достижения перечисленных выше эффектов.

Ранее указывалось на значительную зависимость коэффициента распыления Y от энергии ионов Е. Очевидно соотношение: Ф =C/Y(E), где Ф - флюенс, С - поверхностная плотность атомов (количество атомов на единицу площади) в слое, который необходимо удалить путем распыления.

1. Слой загрязнений. Практика свидетельствует, что должен быть удален слой толщиной порядка 1-10 диаметров атомов. Элементарные расчеты по формуле, приведенной выше, показывают, что в верхнем пределе эта компонента полного флюенса составляет 1×10¹⁶, a в нижнем - 1×10¹⁴ ионов×см^-2.

2. Слой адсорбированных атомов. Как правило, это один или несколько атомных слоев с весьма небольшой энергией связи. Флюенс составляет 10¹³-10¹⁵ ионов×см^-2.

3. Слой продуктов химических реакций. Имеет толщину одного порядка с толщиной слоя загрязнений и в верхнем пределе его компонента полного флюенса тоже составляет 1×10¹⁶ а в нижнем - 1×10¹⁴ ионов×см^-2.

4. Создание слоя радикалов. Объемная плотность радикалов S равна произведению микроскопического сечения их образования σ, объемной ядерной плотности вещества ρ и флюенса ионов Ф: S = σρФ. Отсюда легко вычислить поверхностную плотность радикалов на облучаемой поверхности G: G = SH, где Н - толщина мономолекулярного слоя облучаемой подложки. Порядок величины σ может быть вычислен из линейных потерь энергии на ионизацию, которые хорошо известны. Расчеты показывают, что σ ≈ 10⁹ барн, ρ ≈ 10²¹ атомовхсм^-3, Н ≈10^-7 см. Если задать требуемую поверхностную плотность радикалов на уровне 10¹⁴×см^-2, расчетный флюенс ионов составит Ф = 1×10¹⁴ ионов×см^-2.

Просуммировав все флюенсы по пп.1-4 по верхнему и нижнему пределам и округлив до целого, получим, что флюенс ионов на обрабатываемой поверхности должен лежать в интервале 1×10¹⁴-2×10¹⁶ ионов×см^-2.

Таким образом, на практике флюенс ионов должен быть в интервале 1×10¹⁴-2×10¹⁶ ионов×см^-2, а плотность потока ионов при ориентировочном времени обработки четыре секунды составляет 2,5×l0¹³-5×10¹⁵ ионов×см^-2×с^-1.

Следует отметить, что чем выше плотность потока частиц, тем меньше время воздействия на обрабатываемую поверхность и выше производительность установки, однако есть ограничение по плотности потока. Если она будет больше, чем 1×10¹⁵ частиц×см^-2×с^-1, то становится неприемлемо большой величина разогрева обрабатываемой поверхности, так как значительная часть энергии ионов, тормозящихся в твердом теле, превращается в тепло (99%). В итоге на поверхности развиваются термостимулирующие явления, приводящие к ее повреждению (температурные напряжения, фазовые превращения и т.д.). Это обстоятельство вынуждает нас ограничить плотность потока сверху величиной 1×10¹⁵ частиц×см^-2×с^-1.

Что касается нижнего предела, то он вычисляется из минимально приемлемой производительности установки. При плотности потока менее 1×10¹² частиц×см^-2×с^-1 длительность цикла ионной обработки может существенно превышать длительность процесса осаждения модифицирующего покрытия. Это снижает производительность обработки и приводит к загрязнению уже очищенной поверхности в результате повторной адсорбции ею газов, находящихся в рабочей камере.

В устройстве использован источник ионов 10 с замкнутым дрейфом электронов (Фиг.2). Рабочий газ подается в разрядный промежуток между анодом 13 и катодом 11. Система подачи газа выполнена так, что плотность потока газа по всей длине анода 13 остается постоянной, что обеспечивает равномерную очистку всей обрабатываемой поверхности. В диодном пространстве источника ионов (благодаря наличию скрещивающихся электрического и магнитного полей) при высоком напряжении между анодом 13 и катодом 11 возникает электрический ток с замкнутым дрейфом электронов. Происходит ионизация рабочего газа, и он в виде направленного пучка ионов ленточного типа выходит из источника в направлении обрабатываемой поверхности.

Источник ионов работает в диапазоне напряжений 500-3500 В и обеспечивает разрядный ток до 15 мА×см^-1 по всей длине рабочей зоны. Расход газа через источник ионов 1-2 норм. см³×с^-1.

Желательно, чтобы источник ионов находился в непосредственной близости от магнетрона, что минимизирует повторное загрязнение обрабатываемой поверхности парами масла, адсорбированными газами и т.д.

Кроме этого, при обработке полимерных материалов происходит активизация поверхности, заключающаяся в том, что разрушаются углеродно-водородные связи и осаждаемые частицы (входящие в состав покрытия) вступают в химическую связь с этими радикалами. Это существенно увеличивает адгезию и, как результат, качество покрытия. Без применения источников ионов с указанными параметрами, получить необходимую степень активизации поверхности полимерных изделий весьма трудоемко.

В разработанной и изготовленной нами установке «Опал-3» для очистки поверхности обрабатываемых изделий используются газовые источники ионов с замкнутым дрейфом электронов и с пучком ленточного типа. Энергия ускоренных ионов аргона составляет 1,0-2,9 кэВ; плотность потока ионов - (1-3)×10¹⁴ ионов×см^-2×с^-1. Угол падения пучка относительно нормали к обрабатываемой поверхности - 30°. Коэффициент распыления Y= 0,5-2 атом×ион^-1.

Допустим, что образец определенного типа требует облучения его флюенсом Ф = 2×10¹⁵ ион×см^-2. Если средний поток ионов взять равным I = 1,5×10¹⁴ ион×см^-2×с^-1, следовательно, время обработки составит Т = Ф×l|=(2×10¹⁵):(1,5×10¹⁴)=13,3 с. Если ширина пучка составляет на поверхности обрабатываемого образца 20 см, то скорость движения его при сканировании не может быть больше, чем 20:13,3=1,5 см×с^-1.

Таким образом, сформулировав требования по флюенсу (которые диктуются состоянием поверхности перед плазменной обработкой и являются особенностью технологии) и принимая во внимание ограничения по плотности потока частиц на обрабатываемой поверхности (эти ограничения - свойства ионного источника), можно вычислить скорость движения обрабатываемой поверхности относительно пучка и необходимое число проходов кассеты с обрабатываемыми изделиями (обработка может осуществляться как за один, так и за несколько проходов).

Покрытие образуется в результате взаимодействия плазмы с холодной подложкой. Источником плазмы является магнетронная распылительная система. Если среда содержит реактивный газ (кислород, азот и др.), возможны плазмохимические реакции, которые приводят к образованию оксидов, нитридов и других соединений. Таким образом, удается создать такие сочетания многослойных тонкопленочных покрытий, которые при использовании другого устройства получить весьма проблематично, а то и невозможно.

1. Устройство для нанесения многослойных токопроводящих покрытий на изделия из диэлектрических материалов, содержащее рабочую камеру с магнетронной распылительной системой (МРС), систему питания МРС, вакуумную систему, систему напуска рабочего газа, шлюзовую камеру, отделенную вакуумным затвором от рабочей камеры, реверсивную камеру, установленную на выходе рабочей камеры, кассету для обрабатываемых изделий и механизм ее перемещения, отличающееся тем, что в рабочей камере параллельно обрабатываемой поверхности установлены источники ионов с пучком ленточного типа, перекрывающим обрабатываемую поверхность в направлении, перпендикулярном ее движению, с энергией ионов в интервале 0,1-10 кэВ и с плотностью потока ионов 1×10¹²-1×10¹⁵ частиц·см^-2·с^-1, падающих под углом 20-70° относительно нормали к поверхности.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что шлюзовая камера оснащена загрузочным устройством на две или более кассеты, а между вакуумным затвором и рабочей камерой установлена дополнительная реверсивная камера.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что магнетроны и источники ионов снабжены подвижными защитными экранами.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что МРС содержит не менее двух магнетронов, расположенных в револьверной головке.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что одну из позиций револьверной головки занимает источник ионов.

6. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что одну из позиций револьверной головки занимает защитный экран.

7. Источник ионов с замкнутым дрейфом электронов для устройства для нанесения многослойных токопроводящих покрытий на изделия из диэлектрических материалов, содержащий магнитопроводящий корпус, служащий катодом, расположенные в нем магнитную систему, протяженный водоохлаждаемый анод, а также эмиссионную щель, формирующую пучок ленточного типа и систему подачи газа, отличающийся тем, что система подачи газа выполнена в виде каскада подающих каналов, расположенных в основании корпуса, каналы в каждом каскаде последовательно симметрично делятся на два, при этом все каналы имеют равную длину, а расстояние между выпускными отверстиями не превышает 40 мм.