СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ В ВАКУУМЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ В ВАКУУМЕ Российский патент 1996 года по МПК C23C14/32 

Изобретение относится к технологии и оборудованию для нанесения покрытий с использованием потока газометаллической плазмы в вакууме.

В настоящее время все более широкое применение получают технологические процессы и установки, использующие плазменные потоки.

Изобретение может быть использовано в различных отраслях промышленности: станкостроении, авиа- и приборостроении и т.д.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ нанесения покрытий в вакууме и устройство, предназначенное для его осуществления, описанные в патенте США N 4448802, кл. С 23 С 13/00, опубликованном 15.05.84.

Известный способ включает следующие операции:
создание в катодной камере дуги низкого напряжения (дуги самостоятельного разряда) для получения ионизированного газа, причем дуга самостоятельного разряда загорается между катодом, размещенным в катодной камере, и тиглем, образующим анод (т.е. Φ_к < Φ_т Φ_a где Φ_к- потенциал катода дуги самостоятельного разряда; Φ_т- потенциал тигля, образующего анод; Φ_a- потенциал анода дуги самостоятельного разряда).

В камере испарения размещают тигель с испаряемым веществом и подложки, создают электронный луч высокого напряжения с помощью электронной пушки, вырабатывающей энергию электронного луча более 1 кЭВ.

В катодной камере выполнено отверстие, сообщающее ее с вакуумируемой камерой испарения. Через него проходит дуга самостоятельного разряда. Электронный луч направляют соосно упомянутому отверстию в камеру испарения таким образом, что дуга самостоятельного разряда устанавливается в пространстве, окружающем электронный луч высокого напряжения. Испаряя электронным лучом вещество, помещенное в тигель, получают поток газометаллической плазмы, представляющий собой смесь положительно заряженных ионов, нейтральных частиц и электронов. Поток положительно заряженных ионов и нейтральных частиц направляется к подложкам и осаждается на них в виде покрытия. При этом поскольку в потоке нейтральных частиц наряду с атомарными частицами содержатся многоатомные кластеры, макрочастицы (капельная фаза) размером 0,1-1,0 мкм и более, они осаждаются на покрываемой поверхности ухудшая качество покрытия.

Известным способом нельзя наносить покрытия с аморфной или мелкокристаллической структурой, не содержащие макровключений испаряемого в тигле вещества.

Известный способ реализуется при работе устройства, содержащего камеру испарения, катодную камеру для получения дуги низкого напряжения (дуги самостоятельного разряда). Устройство содержит электронно-лучевую пушку для испарения вещества, помещенного в тигель. В камере испарения размещены подложкодержатель с подложками и тигель, образующий анод дуги самостоятельного разряда. Вне камеры испарения, изолированно от нее, расположены магнитные катушки, создающие магнитное поле, фокусирующие электронный луч и направляющие плазму к подложкам. Камера испарения и катодная камера через отверстие сообщены между собой. Электронно-лучевая пушка, тигель, магнитные катушки и подложкодержатели с подложками в одном из вариантов устройств могут быть расположены соосно друг другу.

Способ нанесения покрытий в вакууме и устройство для его осуществления имеют следующие недостатки.

1. Ионизация пара недостаточно эффективна, так как она происходит в основном в области разряда, примыкающей к катодной камере, где концентрация пара мала (известно, что процессы ионизации в катодной области дуги низкого напряжения протекают значительно в десятки раз более интенсивно, чем в анодной области).

2. Недостаточно эффективно использование энергии электронного луча. В известном техническом решении энергия расходуется на нагрев и испарение вещества, помещенного в тигель, а также на излучение с поверхности испаряемого вещества.

Следствием вышеизложенного является невозможность получения покрытий с аморфной или мелкокристаллической структурой, не содержащих макровключения (капель) испаряемого в тигле вещества.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в получении покрытий с аморфной или мелкокристаллической структурой, не содержащих макровключений (капель) испаряемого в тигле вещества. Эта задача является актуальной для получения покрытий на поверхностях с малой шероховатостью, используемых, например в прецизионных деталях приборов, мерительного инструмента и т.д.

В заявляемом техническом решении эта задача решается благодаря повышению степени ионизации пара.

Получение сильно ионизированной струи пара (плазмы) испаряемого материала дает возможность произвести электромагнитную сепарацию нейтральных частиц (атомов, кластеров и макрочастиц капельной фазы), содержащихся в потоке пара, испаряемого электронным лучом вещества, и получить в итоге поток 100% ионизированной паровой плазмы, направленный на подложки.

Важным преимуществом предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом является более эффективное использование энергии электронного луча. При осуществлении заявляемого изобретения часть поверхности испаряемого вещества, нагретая до температуры, превышающей температуру термоэмиссии, эмиттирует электроны, которые ионизуют пар во всем объеме камеры испарения. Благодаря повышению степени ионизации увеличивается интенсивность ионной бомбардировки.

При этом улучшается структура покрытия: уменьшается размер зерна, появляется возможность синтеза покрытий мелкокристаллической и аморфной структуры, а также улучшается адгезия за счет интенсивного перемешивания атомов покрытия с атомами подложки. Благодаря ионной бомбардировке синтез покрытий можно производить при более низкой температуре добавочную энергию вносят бомбардирующие поверхность ионы.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в способе нанесения покрытий в вакууме, при котором в катодной камере создают дугу самостоятельного разряда, а в камере испарения размещают тигель с испаряемым веществом, образующий анод дуги самостоятельного разряда, и подложки и получают поток газометаллической плазмы путем испарения электронным лучом вещества, помещенного в тигель, создают магнитное поле, замкнутые силовые линии которого направлены к подложкам и тиглю, согласно изобретению, создают дугу несамостоятельного разряда, катодом которой служит тигель с испаряемым веществам. Эту дугу создают, прикладывая разность потенциалов между поверхностью испаряемого вещества и периферией плазмы, ограниченной положительным электродом. Для загорания дуги несамостоятельного разряда прикладываемая разность потенциалов должна быть не менее потенциала ионизации для испаряемого вещества. Так, например, для графита эта величина составляет не менее 4В.

Ток дуги несамостоятельного разряда при этом устанавливают менее порогового тока образования катодного пятна дуги самостоятельного разряда в парах испаряемого вещества (для графита пороговый ток образования катодного пятна дуги самостоятельного разряда составляет 20А). В противном случае загорится дуга самостоятельного разряда с катодными пятнами, хаотично перемещающимися по поверхности испаряемого вещества. Катодное пятно дуги несамостоятельного разряда совмещают с местом привязки электронного луча.

Для испарения преимущественно тугоплавких материалов (например, графита, тантала, вольфрама) осуществляют сканирование электронного луча по поверхности испаряемого вещества дискретно со смещением на каждом шаге не более одного диаметра луча. Глубину лунки на поверхности испаряемого вещества при этом выбирают не более 0,5 диаметра луча. При выходе за это значение дуга несамостоятельного разряда теряет стабильность.

Для нетугоплавких материалов, например меди, титана, сканирование не требуется.

Для осуществления заявляемого способа предложено устройство для нанесения покрытий в вакууме, содержащее камеру испарения, электронно-лучевую пушку, установленные в камере испарения тигель и подложкодержатели, катодную камеру, содержащую катод дуги самостоятельного разряда и сообщающуюся с камерой испарения, по меньшей мере одну магнитную катушку, изолированную от камеры испарения. Согласно изобретению, устройство дополнительно снабжено по меньшей мере одним электродом, изолированно установленным в камере испарения и соединенным с положительным полюсом источника тока, отрицательный полюс которого соединен с катодом дуги самостоятельного разряда, тигель размещен внутри электрода и соединен с ним через переменное сопротивление и/или источник тока, причем последний подключен к тиглю отрицательным полюсом, а положительным полюсом подключен к электроду.

Предпочтительным вариантом устройства является вариант по пп.4,5 формулы изобретения. Согласно им, в камере испарения соосно электронно-лучевой пушке и тиглю установлены два электрода, каждый из которых охватывает магнитную катушку, помещенную в камеру испарения. Электроды с катушками отстоят друг от друга с образованием зазора для истечения плазмы, на обращенных друг к другу поверхностях электродов и на внутренней боковой поверхности тигля установлены диафрагменные фильтры, электроды выполнены водоохлаждаемыми, а подложкодержатели установлены между зазором и стенками камеры испарения. При этом поверхность испаряемого вещества устанавливается вне зоны оптической видимости со стороны подложек.

Катодная камера размещена соосно электронно-лучевой пушке, снабжена дополнительными катодами, причем один или несколько ее катодов расположены симметрично оси пушки.

Устройство снабжено дополнительным электродом, установленным между стенками камеры испарения и подложкодержателями и подключенным через коммутатор или непосредственно к положительному полюсу источника тока.

При осуществлении заявляемого технического решения степень ионизации пара повышается до 100%
Это достигается за счет ионизации пара в катодной области дуги несамостоятельного разряда, примыкающей непосредственно к источнику пара-месту привязки электронного луча. При этом в области разряда, примыкающей к тиглю, сохраняется анодный слой дуги самостоятельного разряда. Он одновременно образует катод дуги несамостоятельного разряда, т.е. при осуществлении заявляемого способа выполняется неравенство:
Φ_к< Φ_т < Φ_э где Φ_к потенциал катода дуги самостоятельного разряда;
Φ_т потенциал тигля;
Φ_э потенциал положительного электрода, образующего анод для дуг самостоятельного и несамостоятельного разрядов.

Как было отмечено, для осуществления заявляемого способа разность потенциалов, прикладываемая между поверхностью испаряемого вещества (тиглем) и периферией плазмы (положительным электродом), должна быть не менее потенциала ионизации для испаряемого вещества, в противном случае дуга не загорится.

Ток дуги несамостоятельного разряда устанавливают менее порогового тока образования катодного пятна дуги самостоятельного разряда для испаряемого вещества. При невыполнении этого условия загорится самостоятельный дуговой разряд с пятном, хаотически перемещающимся по поверхности испаряемого вещества. В последнем случае в потоке газометаллической плазмы присутствует до 80% так называемой капельной фазы макрочастиц, разбрызгиваемых из катодных пятен самостоятельного дугового разряда.

Катодное пятно дуги несамостоятельного разряда необходимо совмещать с местом привязки электронного луча для обеспечения горения дуги несамостоятельного разряда на поверхности испаряемого вещества, а не где-либо в другом месте, например на боковой поверхности тигля.

В случае испарения тугоплавких веществ, например графита, при глубине лунки более 0,5 диаметра электронного луча (например, 0,6 d) дуга несамостоятельного газового разряда не загорается. Если смещение электронного луча превышает его диаметр d, то поверхность испаряемого вещества вырабатывается неравномерно. При повторном сканировании дуга не загорается, коэффициент использования вещества снижается.

Устройство для нанесения покрытий по пп. 3-5 формулы изобретения, предназначено для осуществления способа по пп.1-2.

Вариантом устройства, в котором в наибольшей мере решается поставленная задача, является вариант по пп.4 и 5.

Размещение диафрагменных фильтров на обращенных друг к другу поверхностях электродов, отстоящих с образованием зазора для истекающей плазмы, позволяет улучшить сепарацию плазмы, так как нейтральная компонента плазмы (нейтральные атомы, кластеры, капли), имеющаяся в потоке газометаллической плазмы, улавливается диафрагменными фильтрами.

На фиг. 1 изображена схема устройства для нанесения покрытий в вакууме, содержащего один электрод, помещенный в камере испарения; на фиг.2 вариант того же устройства, в котором электрод размещен соосно электронно-лучевой пушке и тиглю.

На фиг.3 представлено устройство для нанесения покрытий, содержащее два соосно размещенных электрода; на фиг.4 устройство с двумя катодами, расположенными симметрично оси электронной пушки; на фиг.5 устройство для нанесения покрытий, вид сверху.

Устройство для нанесения покрытий, изображенное на фиг.1,2, содержит камеру испарения 1, в которой изолированно от ее стенок размещен один электрод 2, выполненный в виде обечайки, охватывающей магнитные катушки 3. Внутри электрода 2 размещен тигель 4 для испаряемого вещества, являющийся анодом дуги 5 самостоятельного разряда. Устройство содержит электронно-лучевую пушку 6, предназначенную для получения электронного луча 7. Позицией 8 обозначена дуга несамостоятельного разряда. Устройство снабжено также катодной камерой 9 для создания дуги 5 самостоятельного разряда. Внутри камеры испарения 1 размещен вращающийся столик 10. Тигель 4 соединен с электродом 2 через переменное сопротивление 11. Источник тока 12 включен между катодом 13 (см. фиг.2) и электродом 2. Тигель 4 может быть подключен к электроду 2 через переменное сопротивление 11 и/или источник тока 14.

Во вращающемся столике 10 выполнены подложкодержатели для подложек 15. На обращенных к истекающей плазме поверхностях электродов 2 установлены диафрагменные фильтры 16, позволяющие улавливать нейтральные частицы, имеющиеся в потоке газометаллической плазмы. Такие же фильтры 16 расположены на боковых поверхностях тигля 4, что также позволяет улучшить сепарацию плазмы от нейтральных частиц. Для охлаждения в устройстве используют жидкость 17 (воду).

В камере испытания 1 установлены патрубки 18 для подачи газа 18.

Электронно-лучевая пушка 6 содержит фокусирующие 19 и сканирующие 20 магнитные катушки.

Устройство для нанесения покрытий, представленное на фиг.3, содержит два соосно размещенных водоохлаждаемых электрода 2, которые связаны между собой полыми металлическими стержнями 21.

Оба электрода 2 выполнены в виде обечаек, изолированы от стенок камеры испарения 1 и от вращающегося столика 10. Они отстоят друг от друга с зазором 22, в который истекает плазма.

В устройстве, представленном на фиг.4, катодная камера размещена соосно электронно-лучевой пушке 6 и снабжена одним или несколькими дополнительными катодами 23, которые размещены симметрично оси пушки. Дополнительный катод 23 подключен к источнику тока 24. Показан истекающий поток плазмы 25.

В устройстве, представленном на фиг.5, между стенками камеры испарения 1 и подложкодержателями с подложками 15, установлен дополнительный электрод 26, подключенный к источнику тока 14 через коммутатор 27 или непосредственно.

Устройство для нанесения покрытий, изображенное на фиг.1 и 2, работает следующим образом.

В камере испарения 1 зажигают самостоятельный дуговой разряд 5 между катодом 13, размещенным в катодной камере 9, и анодом, в состав которого входят тигель 4 с испаряемым веществом и охватывающий его положительный электрод 2. Испарение вещества из тигля осуществляют электронно-лучевой пушкой 6.

Самостоятельный дуговой разряд 5 между тиглем 4 и катодом 13 имеет сопротивление R₁, а между катодом 13 и положительным электродом 2 сопротивление R_2. При этом потенциал тигля Φ_т относительно катода 13 ниже потенциала электрода Φ_э что обеспечивается переменным сопротивлением 11. При воздействии электронного луча 7 на поверхность испаряемого вещества температура в месте привязки луча становится выше температуры термоэлектронной эмиссии; так как между тиглем 4 и электродом 2 имеется разность потенциалов Φ_э Φ_т то между ними зажигается несамостоятельный дуговой разряд 8 с катодным пятном, расположенным в месте привязки электронного луча 7, причем ток этой дуги будет зависеть от мощности, вкладываемой в испаряемое вещество электронным лучом 7. Если использовать источник постоянного тока 14 и/или подключать тигель 4 к электроду 2 через переменное сопротивление 11, то можно изменять напряжение между тиглем 4 и электродом 2 и тем самым изменять ток несамостоятельной дуги 8.

В катодной области дуги несамостоятельного разряда, примыкающей непосредственно к источнику пара, месту привязки электронного луча, достигается высокая степень ионизации пара (до 100%), получаемого при испарении электронным лучом вещества, помещенного в тигель. Получаемый поток пара, смешанный с ионизированным газом (газометаллическая плазма), направляется к подложкам 15 и осаждается на них в виде покрытия.

Работа устройства, представленного на фиг.3, не отличается от работы устройств, изображенных на фиг.1 и 2. Однако следует отметить, что благодаря зазору 22, образованному двумя соосно размещенными электродами 2, истечение плазмы происходит строго в направлении подложек 15, что положительно сказывается на качестве и производительности процесса.

При введении в устройство одного или нескольких дополнительных катодов 23 (фиг. 4), загораются дополнительные дуги самостоятельных разрядов, а при введении дополнительного электрода 26 (фиг.5), размещенного между стенками камеры испарения 1 и подложкодержателями с подложками 15, дополнительно загорается дуга несамостоятельного разряда, что повышает степень ионизации пара.

Пример реализации способа.

Для осуществления способа использовали устройство, изображенное на фиг. 3.

В качестве испаряемого вещества брали графит, помещенный в медный охлаждаемый тигель 4, который устанавливали в камере испарения 1. Камеру испарения откачивали до давления 10^-2 Па, затем напускали гелий до р 5 ^.10^-2 Па.

Для создания дуги 5 самостоятельного разряда подавали напряжение 65 В между термокатодом 13, размещенным в катодной камере 9, и положительным электродом 2, охватывающим тигель с графитом. При этом ток дуги самостоятельного разряда составлял 75А.

Для загорания дуги 8 несамостоятельного разряда, катодное пятно которой размещено на поверхности испаряемого графита, между поверхностью испаряемого вещества (тиглем) и периферией плазмы (электродом 2, подключенным к положительному полюсу источника постоянного тока 12) прикладывали разность потенциалов 20 В (эта разность потенциалов превышает потенциал ионизации для испаряемого графита, равный 4В).

Включали электронно-лучевую пушку 6 с напряжением 15 кВ и током 0,6 А и фокусировали луч 7 на поверхности графита. Диаметр электронного луча при этом составлял 5 мм. Ток дуги несамостоятельного разряда устанавливали равным 6 А (пороговый ток образования катодного пятна дуги самостоятельного разряда для графита составляет 20 А). Катодное пятно дуги несамостоятельного разряда совмещали с местом привязки электронного луча путем регулировки напряжения дуги несамостоятельного разряда.

Включая магнитные катушки 3, в камере испарения создавали магнитное поле, замкнутые силовые линии которого направлены к подложкам 15 и тиглю 4 с графитом.

На подложкодержатели с подложками 15 подавали ВЧ-напряжение с потенциалом автополяризации 250 В. В качестве подложек использовали предварительно полированные алмазной пастой пластины кремния. Столик 10 с подложками 15 вращали.

Для испарения графита осуществляли сканирование электронного луча 7 по поверхности графита дискретно со смещением на каждом шаге не более одного диаметра луча, а глубину лунки при этом выбирали не более 0,5 диаметра луча. Конкретные данные приведены в табл.1.

Испаряя электронным лучом графит, помещенный в тигель, получали поток газометаллической плазмы, направленный к подложкам 15 и осаждающийся на них в виде алмазоподобной пленки. Углеродную алмазоподобную пленку наносили 60 мин. На полученных алмазоподобных пленках определяли удельное сопротивление и микротвердость. Данные приведены в табл.2.

Как видно из табл.2, при возрастании тока дуги несамостоятельного разряда возрастает концентрация алмазной фазы, растет сопротивление и твердость пленок. Но когда ток превышает ток дуги самостоятельного разряда, образуется пленка не сплошная, с плохой адгезией, низкими механическими и диэлектрическими свойствами, состоящая исключительно из неалмазных форм углерода.

Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемое изобретение позволит повысить качество наносимых покрытий за счет повышения степени ионизации пара.

Использование: нанесение вакуумных покрытий, применяемых в различных областях народного хозяйства, например, в машино- и приборостроении. Сущность изобретения: с целью получения покрытий с аморфной и мелкокристаллической структурой, не содержащих макровключений испаряемого в тигле вещества, создают дугу несамостоятельного разряда, катодное пятно которой размещено на поверхности испаряемого вещества. Для испарения тугоплавких материалов осуществляют сканирование электронного луча. Устройство содержит для положительных электрода, охватывающих магнитные катушки, отстоящие с зазором для истечения плазмы. На обращенных друг к другу поверхностях электродов установлены диафрагменные фильтры. Между стенкой камеры испарения и подложкодержателем установлен дополнительный электрод. 2 с. и 3 з. п. ф-лы, 5 ил., 2 табл.

1. Способ нанесения покрытий в вакууме, включающий получение в катодной камере дуги самостоятельного разряда, размещение тигля с испаряемым веществом в камере испарения и формирование потока газометаллической плазмы путем испарения электронным лучом вещества, помещенного в тигель в магнитном поле, замкнутые силовые линии которого направлены к подложками и тиглю, отличающийся тем, что получение дуги самостоятельного разряда осуществляют путем создания разности потенциалов, непревышающей потенциал ионизации для испаряемого вещества, при этом ток дуги несамостоятельного разряда устанавливают менее порогового тока образования катодного пятна дуги самостоятельного разряда для испаряемого вещества, а катодное пятно дуги несамостоятельного разряда совмещают с местом привязки электронного луча. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для испарения преимущественно тугоплавких материалов осуществляют сканирование электронного луча на поверхности испаряемого вещества дискретно со смещением на каждом шаге не более одного диаметра луча, а глубину лунки испаряемого вещества при этом выбирают не более 0,5 диаметра луча. 3. Устройство для нанесения покрытий в вакууме, содержащее камеру испарения, электронно-лучевую пушку, установленные в камере испарения тигель и подложкодержатели, катодную камеру, содержащую катод дуги самостоятельного разряда и сообщающуюся с камерой испарения, по меньшей мере одну магнитную катушку, изолированную от камеры испарения, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено по меньшей мере одним электродом, изолированно установленным в камере испарения и соединенным с положительным полюсом источника тока, отрицательный полюс которого соединен с катодом дуги самостоятельного разряда, тигель размещен внутри электрода и соединен с ним через переменное сопротивление и/или источник тока, причем последний подключен к тиглю отрицательным полюсом, а положительным полюсом подключен к электроду. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в камере испарения соосно с электронно-лучевой пушкой и тиглем установлены два электрода, охватывающих магнитные катушки, помещенные в камере испарения, при этом электроды отстоят один от другого с образованием зазора для истечения плазмы, на обращенных одна к другой поверхностях электродов и на боковых поверхностях тигля установлены диафрагменные фильтры, электроды выполнены водоохлаждаемыми, а подложкодержатели установлены между упомянутым зазором и стенками камеры испарения. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что катодная камера размещена соосно с электронно-лучевой пушкой, снабжена расположенными симметрично ее оси дополнительными катодами и установленным между стенками камеры испарения и подложкодержателями дополнительным электродом, подключенным через коммутатор или непосредственно к положительному полюсу источника тока.