Устройство для синтеза и осаждения металлических покрытий на токопроводящих изделиях

Изобретение относится к машиностроению, в частности к устройствам для синтеза и осаждения металлических покрытий на токопроводящих изделиях в вакуумной камере. Устройство для синтеза и осаждения металлических покрытий на токопроводящих изделиях содержит рабочую камеру с каналом вакуумной откачки, плоские мишени планарных магнетронов на стенках камеры, источники электропитания магнетронных разрядов, соединенные отрицательными полюсами с мишенями, а положительными полюсами с камерой. Дополнительно содержит изолированный от камеры и установленный внутри нее электрод, источник постоянного тока, положительным полюсом соединенный с электродом, а отрицательным полюсом соединенный с камерой, и перекрывающую канал вакуумной откачки сетку, соединенную электрически с камерой. Технический результат - повышение качества синтезируемого покрытия. 1 ил.

 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к устройствам для синтеза и осаждения металлических покрытий на токопроводящих изделиях в вакуумной камере.

Известно устройство для синтеза покрытий с планарными электродуговыми испарителями металла, в которых плоская мишень из необходимого металла испаряется катодными пятнами вакуумно-дугового разряда между рабочей вакуумной камерой и мишенью (Патент США №5451308, 1995 г.). При давлении газа 0,001 Па и ниже эмитируемые катодными пятнами ионы металла, например титана, осаждаются на поверхности установленных в камере изделий в виде покрытий из титана. Свойства покрытий зависят от энергии ионов, возрастающей с увеличением напряжения отрицательной полярности на изделиях. При подаче в камеру азота и увеличении его давления до 0,5 Па ионы на пути к изделию многократно сталкиваются с молекулами азота, перезаряжаются, и большинство из них превращается в нейтральные атомы титана. На поверхности изделия они вступают в реакцию с азотом, образуя износостойкое покрытие из нитрида титана. Свойства этого покрытия также зависят от энергии бомбардирующих его ионов, ускоряемых подаваемым на изделие напряжением отрицательной полярности. Недостатком устройства являются эмитируемые катодными пятнами микроскопические капли металла, наличие которых в синтезируемом покрытии ограничивает область его применения.

Известно устройство для синтеза покрытий с планарными магнетронами, в которых плоская мишень из необходимого металла распыляется ионами из плазмы тлеющего разряда в арочном магнитном поле вблизи поверхности мишени, являющейся катодом разряда (Патент США №3878085, 1975 г.). При бомбардировке мишени ионами она эмитирует электроны, которые ускоряются в слое положительного объемного заряда между плазмой и катодом до энергии eUK, где UК - падение потенциала между плазмой и катодом. Каждый электрон, влетевший в плазму, движется в ней по отрезку окружности, перпендикулярной магнитному полю, возвращается в слой и отражается в нем обратно в плазму. В результате он проходит по замкнутой ломаной криволинейной траектории вблизи поверхности мишени путь, превышающий размеры мишени в сотни и тысячи раз. Это позволяет поддерживать тлеющий разряд при давлении газа 0,1-1 Па, обеспечивающем транспортировку распыленных атомов до изделий. Свойства покрытия, синтезируемого с использованием планарного магнетрона, сильно зависят от плотности выделяемой на его поверхности энергии. Если эту энергию транспортируют бомбардирующие поверхность ионы из разрядной плазмы, ускоряемые подаваемым на изделия напряжением отрицательной полярности, то ее плотность пропорциональна концентрации плазмы. Недостатком планарного магнетрона является низкий коэффициент использования материала мишени, распыляемого лишь на малой площади ее поверхности в области арочного магнитного поля. Кроме того, концентрация разрядной плазмы снижается за пределами арочного магнитного поля у поверхности изделия в десятки раз. Поэтому свойства покрытий, синтезируемых на различных участках поверхности изделия, зависят от расстояния до поверхности мишени.

Наиболее близким решением по технической сущности к изобретению является устройство для синтеза покрытий, содержащее рабочую вакуумную камеру, устройство планетарного вращения изделий вокруг вертикальной оси камеры, плоские мишени планарных магнетронов на боковых стенках камеры и источники электропитания магнетронных разрядов (Surface and Coating Technology. 1992. V. 50. P. 169-178). Дополнительно устройство содержит соленоиды, магнитное поле которых изменяет конфигурацию арочного поля у поверхности каждой мишени. Благодаря соленоидам индукция магнитного поля на оси мишени снижается, а на ее периферии - возрастает. В таком несбалансированном магнетроне возникает утечка быстрых электронов в камеру из центральной области его магнитной ловушки, в результате чего концентрация плазмы в камере повышается. Однако на оси камеры она по-прежнему на порядок меньше, чем вблизи поверхности мишени. Это является причиной неоднородности свойств синтезируемых на изделиях покрытий.

Задачей предложенного решения является создание устройства для синтеза металлических покрытий на изделиях из токопроводящих материалов, которое обеспечивало бы равномерную концентрацию плазмы в камере.

Технический результат - повышение качества синтезируемого покрытия.

Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что устройство для синтеза и осаждения металлических покрытий на токопроводящих изделиях, содержащее рабочую камеру с каналом вакуумной откачки, плоские мишени планарных магнетронов на стенках камеры, источники электропитания магнетронных разрядов, соединенные отрицательными полюсами с мишенями, а положительными полюсами с камерой, дополнительно содержит изолированный от камеры и установленный внутри нее электрод, источник постоянного тока, положительным полюсом соединенный с электродом, а отрицательным полюсом соединенный с камерой, и перекрывающую канал вакуумной откачки сетку, соединенную электрически с камерой.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображена схема устройства для синтеза покрытий.

Устройство для синтеза и осаждения металлических покрытий на токопроводящих изделиях содержит рабочую вакуумную камеру 1 с каналом вакуумной откачки 2, изолированные от камеры 1 плоские мишени 3, 4, 5 и 6 магнетронов, их магнитные системы 7, 8, 9, 10 и источники электропитания 11, 12, 13 и 14, соединенные отрицательными полюсами с мишенями, а положительными полюсами - с камерой 1. Канал вакуумной откачки 2 перекрыт сеткой 15, соединенной электрически с камерой 1. Внутри камеры 1 расположен изолированный от нее электрод 16. Источник постоянного тока 17 соединен положительным полюсом с электродом 16, а отрицательным полюсом - с камерой 1. На дне камеры может быть установлено устройство планетарного вращения 18 изделий, на которые наносится покрытие, вокруг вертикальной оси камеры 1.

Устройство работает следующим образом.

Рабочую вакуумную камеру 1 с обрабатываемыми изделиями внутри нее откачивают до давления 1 мПа, затем подают в камеру 1 рабочий газ, например смесь аргона с азотом (15%), и увеличивают давление в камере 1 до 0,1-0,5 Па. Включением источников 11, 12, 13 и 14 прикладывают между камерой 1 и мишенями 3, 4, 5 и 6 напряжение в несколько сотен вольт. В результате зажигаются магнетронные разряды с заданными стабилизированными токами. Концентрация разрядной плазмы 19 максимальна у поверхности мишеней 3, 4, 5, 6 и снижается на порядок в центре камеры 1. Ионы из плазмы 19 ускоряются в слоях положительного объемного заряда между плазмой 19 и мишенями до энергии в несколько сотен электронвольт и бомбардируют мишени. Распыленные ионами атомы материала мишеней вступают в реакцию с химически активным газом на поверхности изделий, и в результате на них синтезируются покрытия. В процессе синтеза покрытие бомбардируют ионами из плазмы 19, ускоряемыми напряжением отрицательной полярности, подаваемым на изделия от источника опорного напряжения (на Фиг. 1 не показан). Из-за резкой неоднородности плазмы 19 плотность ионного тока на поверхности синтезируемого покрытия и его свойства также неоднородны.

При включении источника 17 и увеличении напряжения между электродом 16 и камерой 1 до ΔU потенциал плазмы 19 повышается также на ΔU, токи всех магнетронов переключаются из цепи камеры 1, являющейся для них общим анодом, в цепь электрода 16, а между плазмой 19 и стенками камеры 1 возникает слой положительного объемного заряда 20. Потенциал каждой мишени со стабилизированным током в ее цепи повышается также на ΔU, но разность потенциалов между плазмой 19 и мишенью, а также скорость ее распыления не изменяются. Электроны, эмитируемые стенками камеры 1 в результате их бомбардировки ионами из плазмы 19, ускоряются в слое 20 до энергии еΔU, где е - заряд электрона, пролетают через центр камеры 1 и отражаются в слое 20 у противоположной стенки камеры 1 или сетки 15. Затем они снова пролетают через центр камеры и снова отражаются в слое. До попадания на электрод 16 эти электроны проходят путь, длина которого значительно превышает их ионизационный пробег в рассматриваемом диапазоне давления 0,1-0,5 Па. Поэтому ускоренные электроны расходуют на ионизацию и возбуждение газа в камере всю свою энергию. Существенный вклад в ионизацию вносят также быстрые электроны, образованные в слое 20. Например, при разряде в аргоне, цена ионизации которого составляет 26 эВ, напряжение ΔU=52 В увеличивает ток ионов на стенки камеры не менее чем в 3 раза, а при ΔU=104 В ток ионов возрастает не менее чем в 5 раз. Так как все ускоренные электроны многократно проходят через центр камеры, концентрация плазмы здесь возрастает на порядок, а ее радиальное распределение заметно выравнивается. В результате повышается однородность плотности тока ионов, бомбардирующих покрытие во время синтеза, и однородность свойств покрытия на всей поверхности изделия.

Использование изолированного от камеры электрода и источника постоянного тока, положительным полюсом соединенного с электродом, а отрицательным полюсом соединенного с камерой, позволяет при постоянных токах в цепях мишеней и неизменных величинах концентрации плазмы вблизи поверхностей мишеней многократно увеличить за счет несамостоятельного тлеющего разряда между электродом и камерой концентрацию плазмы в центре камеры и однородность плазмы внутри камеры, что обеспечивает повышение однородности плотности тока ионов на поверхности синтезируемого покрытия и, как следствие, повышение качества последнего.

Использование перекрывающей канал вакуумной откачки сетки, соединенной электрически с камерой, позволяет предотвратить уход из камеры ускоренных электронов и повысить длину их пути до электрода, что обеспечивает максимальную эффективность ионизации газа в центре камеры в рабочем диапазоне давления 0,1-0,5 Па.

По сравнению с прототипом предлагаемое устройство для синтеза покрытий позволяет синтезировать на изделиях покрытия с повышенной однородностью. Это, в свою очередь, обеспечивает более высокую адгезию и износостойкость покрытий.

Изложенное позволяет сделать вывод о том, что поставленная задача - создание устройства для синтеза металлических покрытий на изделиях из токопроводящих материалов, которое обеспечивало бы равномерную концентрацию плазмы в камере, - решена, а технический результат - повышение качества синтезируемого покрытия - достигнут.

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 синтеза на изделиях из токопроводящих материалов металлических покрытий с повышенной однородностью свойств покрытия на всей поверхности изделия;

- 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.

Следовательно, заявленный объект соответствует требованиям условий патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Устройство для синтеза и осаждения металлических покрытий на токопроводящих изделиях, содержащее рабочую камеру с каналом вакуумной откачки, плоские мишени планарных магнетронов на стенках камеры, источники электропитания магнетронных разрядов, соединенные отрицательными полюсами с мишенями, а положительными полюсами с камерой, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит изолированный от камеры и установленный внутри нее электрод, источник постоянного тока, положительным полюсом соединенный с электродом, а отрицательным полюсом соединенный с камерой, и перекрывающую канал вакуумной откачки сетку, соединенную электрически с камерой.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к плазменно- дуговому устройству для формирования покрытий и может быть эффективно использовано при формировании защитных и биосовместимых слоев дентальных и ортопедических имплантатов, при изготовлении технологических слоев электролитических ячеек тонкопленочных интегральных аккумуляторов и в химических реакторах, которые работают в агрессивных средах и в условиях высоких температур.

Слои hipims // 2633672
Изобретение относится к способу осаждения систем слоев PVD из газовой фазы с помощью напыления по меньшей мере на одну подложку. К подложке прикладывают напряжение смещения и осаждают по меньшей мере один первый слой HIPIMS и один второй слой HIPIMS с помощью метода HIPIMS.

Настоящее изобретение относится к импульсному магнетронному распылению. Способ физического нанесения покрытия из газовой фазы путем распыления в вакуумированной камере для нанесения покрытий включает следующие этапы: a) подготовка генератора с заданной постоянной отдачей мощности, предпочтительно, по меньшей мере после подключения и по окончании интервала увеличения мощности, b) подключение генератора, c) присоединение первого частичного катода к генератору так, чтобы мощность генератора подавалась на первый частичный катод, d) отсоединение генератора от первого частичного катода по окончании заданного первого интервала импульсов высокой мощности, соответствующего первому частичному катоду, e) присоединение второго частичного катода к генератору так, чтобы мощность генератора подавалась на второй частичный катод, f) отсоединение генератора от второго частичного катода по окончании заданного второго интервала импульсов высокой мощности, соответствующего второму частичному катоду.

Изобретение относится к способу реактивного распыления, в котором посредством ионной бомбардировки с поверхности первой мишени выбивается материал и переходит в газовую фазу, при этом к мишени прилагается отрицательное импульсное напряжение таким образом, что на поверхности мишени возникает электрический ток с плотностью тока, составляющей более 0,5 А/см2, так что переходящий в газовую фазу материал, по меньшей мере, частично ионизирован и в нем создается поток реактивного газа, реактивный газ вступает в реакцию с материалом поверхности мишени.

Изобретение относится к способу предоставления импульсов мощности для PVD-распыляемого катода, который содержит компонент приема мощности и частичный катод, при этом во время интервала нарастания мощности генератора мощность в компоненте приема мощности снижается, а затем мощность снижается на частичном катоде, причем переключение осуществляется таким образом, что отдача мощности от генератора, предоставляющего мощность, не должна прерываться.

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к магнетронным распылительным системам, и может быть использовано для нанесения покрытий методом магнетронного распыления металлической мишени в вакууме.

Изобретение относится к способу ионно-плазменного напыления покрытий на изделия в вакууме и устройству для его осуществления и может найти применение в металлургии, плазмохимии и машиностроительной промышленности.

Способ включает формирование в известной магнетронной распылительной системе планарного типа магнитного поля, зажигание разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях, распыление материала катода и его осаждение на поверхность полупроводниковой гетероэпитаксиальной структуры.

Изобретение относится к источникам металлической плазмы (варианты) и может быть использовано для нанесения защитных, упрочняющих и декоративных покрытий методом катодного распыления на внутренние поверхности изделий, в частности на внутренние поверхности тел вращения, как открытых, так и закрытых с одной стороны.

Изобретение относится к области нанесения покрытий, к способу обеспечения импульсов мощности с линейно изменяемым интервалом импульсов мощности для распылительных катодов PVD, которые разделены на частичные катоды, при этом действующие на частичных катодах интервалы импульсов мощности выбраны таким образом, что они перекрываются.

Изобретение относится к плазменно- дуговому устройству для формирования покрытий и может быть эффективно использовано при формировании защитных и биосовместимых слоев дентальных и ортопедических имплантатов, при изготовлении технологических слоев электролитических ячеек тонкопленочных интегральных аккумуляторов и в химических реакторах, которые работают в агрессивных средах и в условиях высоких температур.

Изобретение относится к способу и системе для нанесения покрытий на подложку. В системе узел нанесения покрытия расположен внутри вакуумной камеры.

Изобретение относится к технологии нанесения нанопленок в вакууме и может быть использовано в производстве изделий микроэлектроники. Устройство содержит вакуумную камеру, магнетрон с кольцевой зоной эрозии мишени и связанные кинематически с реверсивным электроприводом вакуумный ввод с поводковым зацепом и платформу с подложкодержателями.

Изобретение относится к устройствам для нанесения покрытий в вакууме. Устройство содержит плоскую мишень, установленную на основании, первую магнитную систему, расположенную внутри корпуса с первым каналом водяного охлаждения, источник питания электрического разряда и источник ионов газа.

Изобретение относится к технологии тонких пленок и может быть использовано при отработке технологии получения пленок, когда необходимо определить скорости напыления пленок в зависимости от расстояния источника материала-подложка.Техническим результатом изобретения является ускорение процесса контроля толщины скорости формирования пленки за счет упразднения дополнительных операций: вакуумизации камеры, перемещения подложки на новое расстояние мишень-подложка, формирование пленки, разгерметизация камеры.

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к магнетронным распылительным системам, и может быть использовано для нанесения покрытий методом магнетронного распыления металлической мишени в вакууме.

Использование: для изготовления микро- и наномеханических балок, обладающих заданным изгибом. Сущность изобретения заключается в том, что способ включает нанесение жертвенного слоя на подложку, последовательное нанесение двух или более слоев материала балки, отличающихся величиной внутренних механических напряжений, формирование балки на поверхности жертвенного слоя с помощью фотолитографии и травления материала балки, удаление жертвенного слоя из-под балки, нанесение слоев материала балки выполняют методом высокочастотного магнетронного распыления мишени, а разные внутренние механические напряжения в слоях обеспечивают за счет разных значений напряжения постоянного смещения на подложке, при которых наносят слои, при этом заданный изгиб балки достигают путем подбора толщин слоев материала балки, значений напряжения смещения и количества слоев.

Изобретение относится к многослойному покрытию, сформированному на подложке из слоев твердых материалов, и к способу его формирования. В вакуумируемой рабочей камере (2), имеющей катодно-дуговой источник-испаритель (Q1) с испаряемым материалом (M1) и источник (Q2) магнетронного разряда с высвобождаемым при магнетронном разряде материалом (М2), работающий в режиме высокоионизированного импульсного магнетронного распыления (HIPIMS), на поверхности подложки (1) формируют по меньшей мере один контактный слой (S1), содержащий испаряемый материал (Ml), посредством вакуумного катодно-дугового испарения.

Изобретение относится к узлу катода магнетронного распылителя. Узел содержит мишень 1, закрепленную в стенках корпуса 4, первый электростатический экран 7, установленный с внешней стороны стенок корпуса 4 и основания 5.

Изобретение относится к установке магнетронного напыления тонких пленок из карбидов или нитридов кремния на подложку, выполненную из полупроводникового материала, керамики или стекла.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к устройствам для синтеза и осаждения металлических покрытий на токопроводящих изделиях в вакуумной камере. Устройство для синтеза и осаждения металлических покрытий на токопроводящих изделиях содержит рабочую камеру с каналом вакуумной откачки, плоские мишени планарных магнетронов на стенках камеры, источники электропитания магнетронных разрядов, соединенные отрицательными полюсами с мишенями, а положительными полюсами с камерой. Дополнительно содержит изолированный от камеры и установленный внутри нее электрод, источник постоянного тока, положительным полюсом соединенный с электродом, а отрицательным полюсом соединенный с камерой, и перекрывающую канал вакуумной откачки сетку, соединенную электрически с камерой. Технический результат - повышение качества синтезируемого покрытия. 1 ил.

Наверх