СПОСОБ ГОМОГЕННОГО НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ HIPIMS Российский патент 2017 года по МПК H01J37/34 

Настоящее изобретение относится к способу HIPIMS, с помощью которого по высоте камеры для нанесения покрытий могут осаждаться гомогенные слои.

В случае способа HIPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering - магнетронное распыление с помощью импульсов высокой мощности) речь идет о физическом способе нанесения покрытий из газовой фазы. Точнее говоря, это способ магнетронного распыления, при котором мишень, поставляющая распыляемый материал, подвергается действию разрядного тока очень большой плотности так, чтобы в плазме генерировалась высокая плотность электронов и большинство распыленных частиц ионизировалось. При этом используются плотности мощности между 250 и 2000 Вт/см², а к генератору, поставляющему мощность, тем самым предъявляются особые требования. В частности, нельзя допускать воздействия такой мощности на мишень в течение длительного времени, поскольку она перегревается и тем самым получает повреждения. Поэтому мощность должна пульсировать. В пределах длительности импульса мощности достигаются очень большие желательные плотности разрядного тока, и мишень нагревается. Во время паузы между импульсами мишень может снова охлаждаться. Длительность импульса и пауза между импульсами должны быть согласованы друг с другом таким образом, чтобы средняя мощность, подаваемая на мишень, не превышала пороговой величины. Поэтому для способа HIPIMS необходимы генераторы, которые в состоянии выдавать при пульсации очень большую мощность.

Если для напыления покрытий на детали используется способ HIPIMS, то детали часто распределены по всей полезной высоте нанесения покрытия. Под деталями понимают как инструмент, так и другие компоненты. Во многих случаях покрытия на детали, независимо от того, расположены ли они вверху, в середине или внизу, важно наносить с одинаковой толщиной слоя и с одинаковыми слоями. В частности, если, как в способе HIPIMS, плазмы и их плотность имеют существенное влияние на скорость напыления покрытий, эта цель достигается с трудом. Это, в числе прочего, связано с тем, что сами плазмы подвержены воздействию окружающей их среды, вследствие чего по высоте камеры для нанесения покрытий могут возникать разные скорости нанесения покрытий. Обычно при ионно-плазменном нанесении покрытий на постоянном токе делаются попытки их выравнивания за счет подгонки магнитных полей по высоте. Однако вмешательство в магнитную систему может вызвать локальные изменения условий для плазмы, что, в свою очередь, ведет к различию в свойствах покрытия. Высокие требования к распределению толщин покрытия обуславливают ограниченность области использования (и тем самым уменьшение экономичности), поскольку эффективность упомянутого метода в отношении улучшения гомогенности толщины слоя ограничена. Другим методом коррекции распределения толщин слоя является использование масок, что, правда, если изменяется загрузка или геометрия детали, является мало практичным.

Было бы желательно обеспечить такой способ HIPIMS, с помощью которого можно было бы просто устанавливать скорость нанесения покрытий по высоте камеры для нанесения покрытий и тем самым, в частности, добиться нанесения гомогенного покрытия по всей высоте камеры без отрицательного воздействия плотности плазмы и ее отрицательных воздействий на свойства слоя.

В этом состоит задача настоящего изобретения.

Согласно новому способу подачи импульсов высокой мощности, защищаемому в рамках другой патентной заявки, предлагается применение распыляемого катода для осаждения покрытия из паровой фазы (PVD - physical vapour deposition), содержащего первый и второй частичные катоды, причем для частичных катодов задана максимальная средняя подача мощности и причем задается длительность интервалов импульсов высокой мощности, а способ включает следующие этапы:

a) подготовка генератора с заранее заданной, предпочтительно по меньшей мере после подключения и по окончании интервала увеличения мощности, постоянной отдачей 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) отделение генератора от второго частичного катода по окончании заданного второго интервала импульсов высокой мощности, соответствующего второму частичному катоду,

причем первый интервал импульсов высокой мощности по времени начинается и заканчивается раньше второго интервала импульсов высокой мощности и причем этапы d) и е) выполняются таким образом, чтобы первый и второй интервалы импульсов высокой мощности перекрывались по времени, а все интервалы импульсов высокой мощности вместе образовывали первую группу так, чтобы отдача мощности генератором оставалась постоянной без перерыва от начала первого и до конца второго интервала импульсов высокой мощности и чтобы дело не доходило до второго интервала увеличения мощности.

Если по высоте камеры для нанесения покрытий предусмотрены более двух частичных катодов, то группа может состоять из более чем двух интервалов импульсов высокой мощности. В этом случае в способе последовательно включаются столько групп, сколько можно потребовать от отдельных частичных катодов в отношении температурного вклада. Затем следует пауза. На фиг.1 показана соответствующая ситуация с 6 частичными катодами и 3 группами.

Согласно изобретению задача решается за счет того, что длительность отдельных интервалов импульсов высокой мощности выбирается индивидуально, и таким образом достигается желательный профиль толщины покрытия по высоте камеры для нанесения покрытий. Т.е. согласно изобретению для нанесения покрытий по высоте камеры регулируются не магнитные поля, как обычно, а длительность интервалов импульсов высокой мощности. Соответствующим образом это показано на фиг.1. Очевидно, что интервал импульсов высокой мощности, соотнесенный с первым частичным катодом, явно больше интервала импульсов высокой мощности, связанного с пятым частичным катодом. Вследствие большей длительности интервала импульсов высокой мощности средняя скорость напыления покрытий у частичного катода 1 больше, чем у частичного катода 5.

На практике можно поступить таким образом, что сначала интервалы импульсов высокой мощности всех частичных катодов выбираются одинаковой длительности, и при этом первое покрытие производится для калибровки. Затем измеряются толщины покрытий по высоте камеры для нанесения покрытий. Если обнаруживаются различия по толщине, то там, где слои по сравнению со средней толщиной слишком малы, интервалы импульсов высокой мощности несколько увеличиваются. Там, где слои по сравнению со средней толщиной слишком велики, интервалы импульсов высокой мощности несколько сокращаются. Благодаря этой операции достигается выравнивание, причем специалисту понятно, что для дальнейшего улучшения гомогенизации может производиться несколько шагов итерации.

Изобретение пояснялось на основе гомогенизации толщин слоев по высоте камеры для нанесения покрытий. Однако его следует также понимать таким образом, что если, в частности, достигнут профиль толщин слоев, отклоняющийся и от гомогенизации, то mutatis mutandis могут приниматься меры согласно изобретению.

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. Частичные катоды предусмотрены по высоте камеры для нанесения покрытий, а длительность первого интервала импульсов высокой мощности согласуют с длительностью другого интервала импульсов высокой мощности таким образом, чтобы слой, образующийся в результате нанесения покрытия, имел заданное распределение толщин слоев по высоте камеры для нанесения покрытий. Технический результат- повышение эффективности нанесения покрытия на деталь. 12 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ физического нанесения покрытия из газовой фазы путем распыления в вакуумированной камере для нанесения покрытий, включающий 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,

причем упомянутые частичные катоды предусмотрены по высоте камеры для нанесения покрытий, а длительность первого интервала импульсов высокой мощности согласуют с длительностью другого интервала импульсов высокой мощности таким образом, чтобы слой, образующийся в результате нанесения покрытия, имел заданное распределение толщин слоев по высоте камеры для нанесения покрытий.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что покрытие наносят с помощью процесса магнетронного распыления импульсами высокой мощности (HIPIMS).

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что покрываемые детали распределены по полезной высоте нанесения покрытия.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что в качестве заданного распределения толщин слоев выбирают гомогенное распределение толщины слоев.

5. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что первый интервал импульсов высокой мощности по времени начинают и заканчивают раньше второго интервала импульсов высокой мощности, причем этапы d) и е) выполняют таким образом, чтобы первый и второй интервалы импульсов высокой мощности перекрывались по времени, а все интервалы импульсов высокой мощности вместе образовывали первую группу так, чтобы отдача мощности генератором оставалась постоянной без перерыва от начала первого и до конца второго интервала импульсов высокой мощности, без применения второго интервала увеличения мощности.

6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что первый интервал импульсов высокой мощности по времени начинают и заканчивают раньше второго интервала импульсов высокой мощности, причем этапы d) и е) выполняют таким образом, чтобы первый и второй интервалы импульсов высокой мощности перекрывались по времени, а все интервалы импульсов высокой мощности вместе образовывали первую группу так, чтобы отдача мощности генератором оставалась постоянной без перерыва от начала первого и до конца второго интервала импульсов высокой мощности, без применения второго интервала увеличения мощности.

7. Способ по любому из пп. 1-3 или 6, отличающийся тем, что используют более двух частичных катодов, причем этапы с)-f) применяют к ним аналогично.

8. Способ по п. 4, отличающийся тем, что используют более двух частичных катодов, причем этапы с)-f) применяют к ним аналогично.

9. Способ по п. 5, отличающийся тем, что используют более двух частичных катодов, причем этапы c)-f) применяют к ним аналогично.

10. Способ по любому из пп. 1-3, 6, 8 или 9, отличающийся тем, что по меньшей мере относительную длительность интервалов импульсов высокой мощности определяют путем калибровочного напыления, предшествующего напылению.

11. Способ по п. 4, отличающийся тем, что по меньшей мере относительную длительность интервалов импульсов высокой мощности определяют путем калибровочного напыления, предшествующего напылению.

12. Способ по п. 5, отличающийся тем, что по меньшей мере относительную длительность интервалов импульсов высокой мощности определяют путем калибровочного напыления, предшествующего напылению.

13. Способ по п. 7, отличающийся тем, что по меньшей мере относительную длительность интервалов импульсов высокой мощности определяют путем калибровочного напыления, предшествующего напылению.