УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ В ВАКУУМЕ Российский патент 1995 года по МПК C23C14/32 

Изобретение относится к нанесению вакуумных покрытий, а именно к устройствам для генерации плазмы электропроводящих материалов, предназначенным для нанесения покрытий в вакууме способом осаждения конденсата из плазменной фазы, и может быть использовано в машино- и приборостроении, в инструментальном производстве, в электронной технике и других областях народного хозяйства.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для нанесения покрытий в вакууме, содержащее плазмовод, выполненный в виде части тора, охваченного отклоняющей поток плазмы магнитной системой. Плазмовод сообщается с камерами, в одной из которых установлен источник плазмы, а в другой (рабочей камере) подложкодержатель. Благодаря конструкции плазмовода подложкодержатель установлен вне зоны оптической видимости источника плазмы. Источник плазмы и подложкодержатель охвачены фокусирующими соленоидами.

К недостаткам известного устройства относится то, что размеры изделий, на которые наносятся покрытия, ограничены. При использовании плазмовода, выполненного в виде тора, они составляют не более 200 мм, что сужает диапазон его применения. Кроме того, в тороидальном плазмоводе нет возможности изменять конфигурацию магнитного поля в пространстве (можно только менять величину напряженности магнитного поля). При этом максимальная величина ионного тока на выходе плазмовода не превышает 1% тока дуги. Это связано в первую очередь с неустойчивостями плазменного потока в торе, в результате чего резко возрастают диффузионные потери ионов на стенках тора (коэффициент турбулентной диффузии D≈1/H, где Н напряженность магнитного поля).

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в расширении диапазона размеров изделий (подложек), на которые наносятся покрытия, а также обеспечение возможности изменять конфигурацию магнитного поля, что позволит увеличить ионный ток на выходе плазмовода до 2-3% тока дуги.

Задача решается благодаря тому, что в устройстве для нанесения покрытий в вакууме, содержащем плазмовод, охваченный отклоняющей магнитной системой, источник плазмы и установленный в рабочей камере вне зоны оптической видимости источника плазмы подложкодержатель, причем источник плазмы и подложкодержатель охвачены фокусирующими соленоидами, согласно изобретению плазмовод выполнен в виде параллелепипеда, со стороны смежных граней которого установлены подложкодержатель и источник плазмы. Магнитная система, отклоняющая в сторону подложки поток плазмы, образована расположенными вдоль ребер параллелепипеда линейными проводниками, а плазмовод снабжен пластинами с диафрагменными фильтрами, подключенными к положительному полюсу источника тока и установленными на одной или более гранях плазмовода, свободных от источника плазмы.

В конкретных случаях возможны различные формы выполнения отклоняющей магнитной системы: в виде диагональной катушки (фиг. 1). Магнитная система может быть образована двумя прямоугольными катушками, которые установлены со стороны двух смежных граней плазмовода, одна из которых прилегает к рабочей камере, а другая размещена противоположно источнику плазмы. Магнитная система может быть образована тремя прямоугольными катушками, одна из которых размещена со стороны источника плазмы, другая противоположно источнику плазмы, а третья противоположно грани, прилегающей к рабочей камере. При этом устройство дополнительно снабжено источником плазмы и оба источника плазмы размещены встречно на одной оси. Магнитная система может быть образована четырьмя прямоугольными катушками. В этом случае к вышеизложенному варианту добавляется прямоугольная катушка, размещенная со стороны подложкодержателя.

Возможен вариант выполнения устройства, когда плазмовод размещен внутри рабочей камеры, при этом охватывающая его магнитная система заключена в металлическую обечайку, подключенную к положительному полюсу источника тока, а стенки плазмовода образованы вышеупомянутыми пластинами с диафрагменными фильтрами.

В изобретении путем изменения токов в линейных проводниках, образующих магнитную систему, можно добиться такой конфигурации магнитного поля, при которой неустойчивости плазмы подавляются и величина диффузионного потока ионов из плазмы на стенки плазмовода становится минимальной, соответствующей классической диффузии (D ≈ 1/Н²). При этом величина ионного тока на выходе плазмовода достигает 2-3% тока дуги. Одновременно достигается увеличение производительности системы сепарации макрочастиц за счет пластин с диафрагменными фильтрами, размещенных на одной или более гранях плазмовода, не занятых источником плазмы. Пластины подключены к положительному полюсу источника тока (отрицательный полюс этого источника тока может быть соединен с катодом источника плазмы через переменное сопротивление). При этом между стенками плазмовода возникает электрическое поле, отклоняющее траекторию ионов в направлении подложек (фиг. 1).

Действительно, если, например, потенциал пластины, расположенной напротив источника плазмы, ϕ_п больше потенциала стенки плазмовода ϕ_c, то между ними возникает электрическое поле напряженностью
E где l расстояние между пластиной с диафрагменными фильтрами и стенкой плазмовода.

При этом на ион действует сила
F_i= q_iE_⊥, где q_i заряд иона.

Эта сила поворачивает ион от стенки, противоположной источнику плазмы, в направлении к подложкам.

Путем выбора потенциала пластин, размещенных на стенках, не занятых источником плазмы, можно добиться оптимальной конфигурации электрического поля и, как следствие, увеличить выход ионов осаждаемого материала. Следует отметить, что в прототипе такая возможность отсутствует, так как в нем можно только менять потенциал тора в целом.

Заявляемое устройство дает возможность наносить покрытия на большие поверхности, так как конфигурация плазмовода в нем дает возможность создавать потоки плазмы прямоугольного сечения практически с любым соотношением размеров прямоугольника, в то время как в устройстве по прототипу получают только струю круглого сечения, ограниченную диаметром тора (реально не более 200 мм).

На фиг. 1 изображено устройство для нанесения покрытий в вакууме, в котором отклоняющая магнитная система выполнена в виде прямоугольной катушки, размещенной по диагонали плазмовода, общий вид; на фиг. 2 и 3 схематически показаны Г-образная и П-образная магнитные системы, полученные при использовании двух и трех прямоугольных катушек, расположенных на гранях плазмовода; на фиг. 4 представлена магнитная система, образованная четырьмя прямоугольными катушками; на фиг. 5 изображено устройство для нанесения покрытий в вакууме, в котором плазмовод помещен внутри рабочей камеры.

Устройство для нанесения покрытий в вакууме (фиг. 1) содержит плазмовод 1, выполненный в виде параллелепипеда и охваченный отклоняющей поток плазмы магнитной системой 2, образованной размещенными вдоль ребер параллелепипеда линейными проводниками или одной, двумя, тремя или четырьмя прямоугольными катушками, установленными с наружной стороны плазмовода. Каждая прямоугольная катушка имеет два линейных проводника и два проводника, замыкающих ток. Плазмовод сообщен с рабочей камерой 3, в которой размещен подложкодержатель 4 для закрепления подложки 5. Источник 6 плазмы (торцовый ускоритель плазмы) охвачен фокусирующим и стабилизирующим соленоидами 7 и 8 соответственно. Подложкодержатель 4 размещен вне зоны оптической видимости источника 6 плазмы. На гранях плазмовода 1 установлены пластины с диафрагменными фильтрами 9, которые подключены к положительному полюсу источника 10 постоянного тока. Пластины с диафрагменными фильтрами могут быть установлены на одной грани параллелепипеда 1, например напротив источника 6 плазмы, или на всех гранях плазмовода, не занятых источником 6 плазмы.

Для образования Г-образной магнитной системы 2 прямоугольные катушки расположены со стороны двух смежных граней плазмовода, одна из которых прилегает к рабочей камере 3, а другая противоположна источнику 6 плазмы (фиг. 2).

Для образования П-образной магнитной системы 2 прямоугольные катушки должны быть расположены следующим образом. Две прямоугольные катушки установлены на двух основаниях параллелепипедного плазмовода 1 (со стороны источника 6 плазмы и противоположно ему), а третья прямоугольная катушка 2 установлена противоположно грани, прилегающей к рабочей камере 3 (фиг. 3). Причем высота прямоугольных катушек, образующих отклоняющую магнитную систему 2, должна превышать высоту граней плазмовода, которые они охватывают, для того, чтобы уменьшить влияние магнитного поля замыкающих проводников. Такая конструкция позволяет избежать отклонения потока плазмы к нижней или верхней грани плазмовода за счет воздействия магнитного поля линейных проводников, расположенных вдоль верхнего и нижнего ребер плазмовода.

При П-образной системе 2 устройство может снабжаться еще одним источником 6 плазмы. При этом оба источника плазмы размещены встречно на одной оси. При использовании такой отклоняющей магнитной системы обеспечивается одновременное включение двух источников плазмы (фиг. 3).

Отклоняющая магнитная система 2 может быть образована четырьмя прямоугольными магнитными катушками (фиг. 4). Две из них расположены на основаниях выполненного в виде параллелепипеда плазмовода 1, а две на боковых гранях: со стороны подложкодержателя и противоположно ему. В этом случае также может быть включен дополнительный источник 6 плазмы, который размещен перпендикулярно первому. Источники плазмы в данном случае включаются поочередно.

При размещении плазмовода 1 внутри рабочей камеры 3 прямоугольные катушки 2 размещены в металлические обечайки 11 (фиг. 5), подключенные к положительному полюсу источника 10 тока (может также включаться дополнительный источник тока).

Стенки плазмовода 1 при размещении его внутри рабочей камеры образованы пластинами с диафрагменными фильтрами 9. Пластины установлены с зазорами для истечения плазмы.

Источник 6 плазмы содержит катод 12, который подключен к отрицательному полюсу источника 10 постоянного тока. Переменное сопротивление 13 включено между пластиной 9 с диафрагменными фильтрами и источником тока. Положительный полюс источника 10 тока заземлен через сопротивление 14 для выравнивания потенциала между пластиной 9 с диафрагменными фильтрами и стенкой плазмовода 1. В конкретном случае величина сопротивления 13 составляет 0,1-0,5 Ом, а сопротивления 14 3-6 Ом. Устройство содержит также магнитную катушку 15, охватывающую подложкодержатель 4. При образовании отклоняющей магнитной системы 2 четырьмя прямоугольными магнитными катушками со стороны нижнего основания плазмовода 1 установлена дополнительная прямоугольная катушка 16 (фиг. 4). Позицией 17 обозначен поток плазмы.

Устройство работает следующим образом.

На подложкодержатель 4, установленный вне зоны оптической видимости источника 6 плазмы, устанавливают напыляемое изделие 5. Плазмовод 1 герметизируют и производят откачку газа при помощи системы вакуумной откачки до заданного давления. Генерацию вакуумной дуги осуществляют при помощи источника 6 плазмы (торцового ускорителя плазмы). Заряженная компонента плазмы фокусируется магнитным полем фокусирующего соленоида 7, направляется в плазмовод, выполненный в виде параллелепипеда, отклоняется магнитным полем линейных проводников, расположенных вдоль ребер плазмовода (на фиг. 1 эти проводники размещены перпендикулярно плоскости чертежа).

При использовании двух, трех или четырех прямоугольных катушек, учитывая, что при соответствующем включении катушек токи в двух смежных проводниках, размещенных вдоль ребра параллелепипеда, общего для двух смежных граней, взаимно сокращаются, получают Г-образную, П- образную или -образную магнитную систему, образованную линейными проводниками, размещенными вдоль ребер параллелепипеда (фиг. 2-4).

Линейные проводники, образующие отклоняющую магнитную систему 2, расположенные на выходе плазмовода 1 (со стороны рабочей камеры 3), фокусируют поток плазмы на подложкодержатель 4.

Поток положительно заряженных ионов, отталкиваясь от положительно заряженных пластин 9, направляется в сторону подложки 5 (изделия), где осаждается в виде покрытия. Нейтральные частицы, имеющиеся в потоке плазмы, улавливаются диафрагменными фильтрами, размещенными на пластинах 9 (стрелками на фиг. 2-4 показано направление тока в замыкающих проводниках).

П р и м е р. В подложкодержателе устанавливали металлическую пластину из быстрорежущей стали Р6М5 шириной 100 мм и высотой 500 мм. В качестве материала катода источника плазмы использовали титан. Давление азота в рабочей камере составило 6-7^.10^-4 ГПа. Напряжение отрицательного потенциала, подключенного к подложкодержателю, устанавливали 250 В. Ток дуги в источнике плазмы устанавливали равным 200 А. Покрытие нитрида титана наносили в течение 30 мин. Толщина покрытия составила 6 мкм, неоднородность по толщине не более 2% В покрытии отсутствовали капли материала катода размером более 0,1 мкм.

Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемое устройство позволит расширить диапазон размеров изделий с покрытиями, повысить производительность процесса и одновременно получить высокое качество покрытия.

Использование: при нанесении вакуумных покрытий, применяемых в различных областях народного хозяйства, например в машино-и приборостроении, в электронной технике и т.д. Цель: расширение диапазона размеров изделий, на которые наносят покрытия, а также обеспечение возможности изменять конфигурацию магнитного поля, что позволит увеличить ионный ток на выходе плазмовода до 2 - 3 %. Для решения указанной задачи плазмовод выполнен в виде параллелепипеда, а отклоняющая поток плазмы магнитная система образована расположенными вдоль ребер параллелепипеда линейными проводниками. Плазмовод снабжен пластинами с диафрагменными фильтрами, подключенными к положительному полюсу источника тока. Отклоняющая магнитная система может быть образована прямоугольными катушками, которые установлены со стороны смежных граней плазмовода. Предлагаемое устройство дает возможность наносить покрытия на большие поверхности, так как конфигурация плазмовода в нем дает возможность создавать потоки плазмы прямоугольного сечения практически с любым соотношением размеров. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ В ВАКУУМЕ, содержащее плазмовод, охваченный отклоняющей магнитной системой, сообщающийся с источником плазмы и с рабочей камерой, подложкодержатель, размещенный в рабочей камере вне зоны оптической видимости источника плазмы, фокусирующий и стабилизирующий соленоиды, охватывающие источник плазмы, отличающееся тем, что плазмовод выполнен в виде параллелепипеда, со стороны смежных граней которого установлены подложкодержатель и источник плазмы, при этом отклоняющая магнитная система образована расположенными вдоль ребер параллелепипеда линейными проводниками, а плазмовод снабжен пластинами с диафрагменными фильтрами, подключенными к положительному полюсу источника тока, которые установлены на одной или более гранях плазмовода, свободных от источника плазмы. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отклоняющая магнитная система образована одной прямоугольной катушкой, охватывающей параллелепипедный плазмовод по его диагонали. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отклоняющая магнитная система образована двумя прямоугольными катушками, которые установлены со стороны двух смежных граней плазмовода, одна из которых прилегает к рабочей камере, а вторая противоположна источнику плазмы. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что магнитная система образована тремя прямоугольными катушками, две из которых расположены на основаниях плазмовода, а третья противоположно грани, прилегающей к рабочей камере, при этом устройство снабжено дополнительным источником плазмы, причем оба источника плазмы размещены встречно на одной оси. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что магнитная система образована четырьмя прямоугольными катушками, две из которых расположены со стороны оснований плазмовода, третья со стороны подложкодержателя, а четвертая противоположно ему, при этом устройство снабжено дополнительным источником плазмы, причем оба источника плазмы размещены на взаимно перпендикулярных осях. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что плазмовод помещен в рабочей камере, при этом охватывающая его магнитная система заключена в металлическую обечайку, подключенную к положительному полюсу источника тока, а стенки плазмовода образованы упомянутыми пластинами с диафрагменными фильтрами, установленными с зазорами для истечения плазмы.