Результат интеллектуальной деятельности: Магнетронное распылительное устройство

Изобретение относится к устройствам для осаждения покрытий на изделиях в вакуумной камере.

Известно устройство для осаждения покрытий, в котором испаряемая в камере катодными пятнами вакуумной дуги мишень выполнена из спеченного композиционного материала, например, титана с низким содержанием меди (≤12 ат. %) и используется для вакуумно-дугового осаждения многокомпонентных нитридных покрытий, например, состава Ti-Cu-N (Н.Н. Коваль, Ю.Ф. Иванов, О.В. Крысина, B.C. Ложкин, А.Ю. Чумаченко. Нанокристаллические покрытия, получаемые вакуумно-дуговым методом с плазменным ассистированием: синтез, структура, характеристики // Обработка металлов: технология, оборудование, инструменты. 2011. №3. С.77-80). Проведенные методом наноиндентации исследования показали, что покрытия на основе нитрида титана с добавками меди имеют высокую твердость (≥40 ГПа), позволяющую отнести их к классу сверхтвердых покрытий. Методом скрэтч-тест по изменению сигнала акустической эмиссии была определена величина критической нагрузки, значения которой превышают в 2-3 раза значения критической нагрузки для обычного нитрида титана (TiN), что свидетельствует о хорошей адгезии многокомпонентных покрытий, по сравнению с традиционным TiN. Измеренные значения коэффициента трения показали, что при добавлении меди коэффициент трения для TiN уменьшился в два раза. Такое улучшение характеристик обусловлено наличием нанокристаллической структуры в покрытиях нитрида титана с добавкой меди, состоящих из кристаллитов TiN со средним размером 18,0 нм. Торможение роста кристаллитов TiN во время формирования покрытий в покрытиях состава Ti-Cu-N объясняется наличием прослоек меди по границам кристаллитов нитрида титана.

Недостатками устройства являются сложность изготовления мишени из композиционного материала, невозможность регулировать содержание атомов меди в потоке атомов титана на подложку и наличие микроскопических капель металла в синтезируемых покрытиях.

Известно магнетронное распылительное устройство, содержащее плоскую круглую мишень из необходимого металла, являющуюся катодом тлеющего разряда, магнитную систему, один из полюсов которой прилегает к центру внешней поверхности мишени, а второй ее полюс прилегает к периферии внешней поверхности мишени, вакуумную камеру, являющуюся анодом тлеющего разряда, и источник питания тлеющего разряда, соединенный отрицательным полюсом с мишенью и положительным полюсом - с вакуумной камерой (Патент США №3878085, 1975 г.). Магнитная система формирует вблизи внутренней поверхности мишени поле с арочной конфигурацией силовых линий. При бомбардировке мишени ионами аргона она эмитирует электроны, которые ускоряются в слое объемного заряда между плазмой и мишенью до энергии eU, где U - катодное падение потенциала разряда между плазмой и мишенью. Каждый электрон, влетевший в плазму, движется в ней по отрезку окружности, перпендикулярной магнитному полю, возвращается в слой и отражается в нем обратно в плазму. Образуется магнитная ловушка, в которой электроны проходят по замкнутой криволинейной траектории вблизи поверхности мишени путь, превышающий ее размеры в сотни и тысячи раз. Участки силовых линий магнитного поля на выходе из центра мишени и на пересечении с ее поверхностью на периферии не позволяют электронам вылететь из кольцевой области магнитной ловушки в радиальном направлении. Это обеспечивает поддержание тлеющего разряда при давлении газа 0,1-1 Па и транспортировку атомов распыляемой мишени до изделий. В потоке атомов полностью отсутствуют микрокапли материала мишени, что повышает качество покрытий.

Наиболее близким решением по технической сущности к изобретению является магнетронное распылительное устройство, содержащее плоскую круглую мишень, являющуюся катодом тлеющего разряда, магнитную систему, один из полюсов которой прилегает к центру внешней поверхности мишени, а второй ее полюс прилегает к периферии внешней поверхности мишени, вакуумную камеру, являющуюся анодом тлеющего разряда, и источник питания тлеющего разряда, соединенный отрицательным полюсом с мишенью и положительным полюсом - с вакуумной камерой, а плоская круглая мишень выполнена из композиционного материала с малым содержанием легирующего элемента (К.Р. Andreasen, Т. Jensen, J.H. Petersen, J. Chevallier, J. Bottiger, N. Schell. The structure and the corresponding mechanical properties of magnetron sputtered TiN-Cu nanocomposite // Surface and Coatings Technology 182 (2004) 268-275).

При выполнении мишени из композиционного материала, например, титана с содержанием 20% меди твердость синтезированного покрытия из нитрида титана достигает 40 ГПа, то есть величины, позволяющей отнести его к сверхтвердым покрытиям. Коэффициент использования материала магнетронной мишени ограничен, так как круглый участок диаметром D] в центре мишени и ее поверхность за пределами внешнего диаметра D₂ кольцевой зоны эрозии не распыляются ионами.

Недостатками устройства являются сложность изготовления мишени из композиционного материала и невозможность регулировать содержание атомов легирующего элемента в потоке атомов мишени на изделие.

Задачей предложенного технического решения является создание магнетронного распылительного устройства, позволяющего изменять легирующий элемент мишени и регулировать содержание его атомов в потоке атомов мишени на изделие.

Технический результат - расширение эксплуатационных возможностей за счет изменения легирующего элемента мишени и регулирования содержания его атомов в потоке атомов мишени на изделие, а также снижение затрат на изготовление распыляемой мишени.

Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что магнетронное распылительное устройство, содержащее плоскую круглую мишень, являющуюся катодом тлеющего разряда, магнитную систему, один из полюсов которой прилегает к центру внешней поверхности мишени, а второй ее полюс прилегает к периферии внешней поверхности мишени, вакуумную камеру, являющуюся анодом тлеющего разряда, и источник питания тлеющего разряда, соединенный отрицательным полюсом с мишенью, а положительным полюсом - с вакуумной камерой, снабжено выполненным из материала легирующего элемента концентричным с мишенью и закрепленным на ней диском с диаметром D, превышающим диаметр D₁ заданной, не распыляемой ионами центральной зоны мишени и меньшим максимального диаметра D₂ заданной области распыления.

Изобретение поясняется Фиг. 1, где изображена схема магнетронного распылительного устройства.

Устройство содержит плоскую круглую мишень 1, являющуюся катодом тлеющего разряда, магнитную систему 2, один из полюсов которой прилегает к центру внешней поверхности мишени 1, а второй ее полюс прилегает к периферии внешней поверхности мишени 1, вакуумную камеру 3, являющуюся анодом тлеющего разряда, и источник питания 4 тлеющего разряда, соединенный отрицательным полюсом с мишенью 1, а положительным полюсом - с вакуумной камерой 3, выполненный из материала легирующего элемента концентричный с мишенью 1 и закрепленный на ней диск 5 с диаметром D, превышающим диаметр Di заданной, не распыляемой ионами центральной зоны мишени 1 и меньшим максимального диаметра D₂ заданной области распыления. Также на Фиг. 1 указан винт 6, прикрепляющий диск 5 к мишени 1, в центре которой имеется резьбовое гнездо 7 для винта 6.

Устройство работает следующим образом.

Вакуумную камеру 3 с обрабатываемым изделием 8 внутри нее откачивают до давления 1 мПа, затем подают в нее аргон и увеличивают давление в вакуумной камере 3 до 0,5-1 Па. Включением источника питания 4 подают напряжение U до 500 В между вакуумной камерой 3, являющейся анодом разряда, и мишенью 1, являющейся катодом разряда. В результате зажигается тлеющий разряд, и вакуумная камера 3 заполняется разрядной плазмой 9, отделенной от поверхности мишени 1 слоем объемного заряда 10. В создаваемом магнитной системой 2 поле арочной конфигурации образуется магнитная ловушка, в которой эмитированные мишенью 1 электроны проходят по замкнутым круговым траекториям вблизи мишени 1 и диска 5 путь, превышающий ее размеры в сотни и тысячи раз. Перпендикулярные поверхности диска 5 участки силовых магнитных линий в центре диска 5 не позволяют электронам пролетать через центральную зону вблизи поверхности диска 5. Отсутствие здесь быстрых электронов вызывает резкое снижение концентрации плазмы 9 и скорости распыления диска 5 при приближении к его центру. Это предотвращает распыление прикрепляющего диск 5 к мишени 1 винта 6 и загрязнение его материалом плазмы 9 и синтезируемого покрытия.

Ионы 11 из плазмы 9 разряда в смеси аргона с азотом ускоряются в слое 10 и с энергией в сотни эВ бомбардируют и распыляют мишень 1 и диск 5. Образующиеся в результате распыления мишени 1 атомы 12 основного металла, например, титана и образующиеся в результате распыления диска 5 атомы 13 легирующего элемента, например, меди летят на изделия 8 и образуют на его поверхности нитридное покрытие, например, нитрид титана.

Внутренний D₁ и внешний D₂ диаметры кольцевой зоны распыления мишени 1 определяются по отпечатку на поверхности не использовавшейся ранее мишени 1, полученному после ее травления ионами 11 в течение 1 часа в отсутствие диска 5 в разряде с током 1 А в аргоне. Для титановой мишени 1 диаметром 100 мм и толщиной 6 мм внутренний диаметр зоны распыления составил D₁=20 мм, а ее внешний диаметр D₂ составил 80 мм. После установки на мишени 1 медного диска 5 диаметром D=24 мм и толщиной 1 мм на подложку 8 из быстрорежущей стали на расстоянии 150 мм от мишени 1 нанесли покрытие толщиной около 5 мкм. Рентгенофлуоресцентный анализ показал, что в полученном покрытии содержится 12 ат. % меди. При увеличении диаметра диска 5 до D=26 мм содержание меди в покрытии возросло до 19 ат. %, а при D=28 мм оно составило 27 ат. %. Таким образом, заявленное устройство позволяет изменять содержание легирующего элемента в покрытии.

Проведенные исследования модели заявленного устройства с титановой мишенью 1 диаметром 100 мм и толщиной 6 мм, а также с медным диском 5 с диаметром 24 мм и толщиной 1 мм позволили синтезировать в разряде в смеси аргона с азотом покрытие из нитрида титана с твердостью 42 ГПа, позволяющей отнести его к сверхтвердым покрытиям.

В силу изложенного, по сравнению с прототипом предлагаемое магнетронное распылительное устройство, содержащее плоскую круглую мишень, являющуюся катодом тлеющего разряда, магнитную систему, один из полюсов которой прилегает к центру внешней поверхности мишени, а второй ее полюс прилегает к периферии внешней поверхности мишени, вакуумную камеру, являющуюся анодом тлеющего разряда, и источник питания тлеющего разряда, соединенный отрицательным полюсом с мишенью, а положительным полюсом с вакуумной камерой, снабженное выполненным из материала легирующего элемента концентричным с мишенью и закрепленным на ней диском с диаметром D, превышающим диаметр D₁ заданной, не распыляемой ионами центральной зоны мишени и меньшим максимального диаметра D₂ заданной области распыления расширяет эксплуатационные возможности за счет изменения легирующего элемента мишени и регулирования содержания его атомов в потоке атомов мишени на подложку, а также снижает затраты на изготовление мишени.

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 осаждения покрытий на изделиях;

- 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 - расширения эксплуатационных возможностей за счет изменения легирующего элемента мишени и регулирования содержания его атомов в потоке атомов мишени на изделие, а также снижение затрат на изготовление распыляемой мишени.

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