Устройство для формирования многокомпонентных и многослойных покрытий

Изобретение относится к устройству для формирования многокомпонентных и многослойных покрытий и может быть использовано в автомобилестроении, в медицине при создании защитных и биосовместимых слоев дентальных и ортопедических имплантатов, для изготовления тонкопленочных интегральных аккумуляторов и в химических реакторах. Вакуумная камера (1) включает плазменно-дуговой источник (2) с магнитной системой, катодом (3) и анодом (4) с продольной осью 01-02, источник газовой плазмы (8) с первой электромагнитной катушкой ( 9), со второй электромагнитной катушкой источника (10) и с системой напуска и контроля технологических газов (11). Держатель (20) подложки (21) размещен симметрично оси O3-O4 источника газовой плазмы (8) и включает средства откачки (30). Магнетронный источник (36) имеет продольную ось 05-06. Магнитная система плазменно-дугового источника (2) включает электромагнитную катушку плазменно-дугового источника (5). Источник газовой плазмы (8) выполнен в виде кварцевого цилиндра (12) с размещенной симметрично оси 03-04 антенной (13). Технический результат изобретения заключается в расширении номенклатуры наносимых материалов класса диэлектриков и композиционных материалов, состоящих из диэлектриков, проводников, а также полупроводников, и в обеспечении возможности нанесения покрытий послойно с высокой скоростью, равномерностью и адгезией. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Устройство для формирования многокомпонентных и многослойных покрытий относится к области технологических устройств для формирования пленочных покрытий различного целевого назначения. Оно может быть использовано в автомобилестроении, при формировании защитных и биосовместимых слоев дентальных и ортопедических имплантатов, при изготовлении технологических слоев электролитических ячеек тонкопленочных интегральных аккумуляторов, в химических реакторах, которые работают в агрессивных средах и в условиях высоких температур.

Известно устройство для формирования многокомпонентных и многослойных покрытий, содержащее вакуумную камеру, включающую плазменно-дуговой источник с катодом и анодом, имеющий продольную ось O1-O2, включающую также источник газовой плазмы с первой электромагнитной катушкой источника газовой плазмы, со второй электромагнитной катушкой источника газовой плазмы и с системой напуска и контроля технологических газов, имеющий продольную ось O3-O4, включающую также держатель подложки с подложкой, размещенные симметрично оси O3-O4 источника газовой плазмы и включающую также средства откачки [UA 86943]. Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.

Первый недостаток этого устройства заключается в том, что плазменно-дуговой источник с катодом и анодом, и источник газовой плазмы с первой электромагнитной катушкой источника газовой плазмы, со второй электромагнитной катушкой источника газовой плазмы и с системой напуска и контроля технологических газов могут наносить только проводящие покрытия. Что отсекает значительную часть из номенклатуры необходимых на практике материалов и значительно ограничивает технологические возможности устройства.

Второй недостаток этого устройства заключается в том, что ось плазменно-дугового источника наклонена к поверхности подложки под углом в диапазоне 40°-70°, что приводит к неравномерности и снижению скорости нанесения покрытий на поверхности подложки, что также ограничивает технические возможности устройства.

Технический результат изобретения заключается в том, что его реализация позволяет включить в номенклатуру наносимых материалов класс диэлектриков, а также большой ряд композиционных материалов, состоящих из диэлектриков, проводников, а также полупроводников. При этом повышается скорость и равномерность нанесения покрытий, а также адгезия покрытия к подложке, что расширяет технологические возможности устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройство для формирования многокомпонентных и многослойных покрытий, содержащее вакуумную камеру, включающую плазменно-дуговой источник с магнитной системой, с катодом и анодом, имеющий продольную ось 01-02, включающую также источник газовой плазмы с первой электромагнитной катушкой источника газовой плазмы, со второй электромагнитной катушкой источника газовой плазмы и с системой напуска и контроля технологических газов, имеющий продольную ось 03-04, включающую также держатель подложки, с подложкой, размещенные симметрично оси 03-04 источника газовой плазмы и включающую также средства откачки, введен магнетронный источник, имеющий продольную ось 05-06, магнитная система плазменно-дугового источника включает электромагнитную катушку плазменно-дугового источника, а источник газовой плазмы 8 выполнен в виде кварцевого цилиндра с размещенной симметрично оси 03-04 антенной.

Существует вариант, в котором антенна выполнена в виде водоохлаждаемых витков магнитного индуктора.

Существует вариант, в котором магнетронный источник оснащен по меньшей мере одной мишенью.

Существует вариант, в котором мишень выполнена из диэлектрика.

Существует вариант, в котором мишень выполнена из металла.

Существует вариант, в котором мишень выполнена из композиции диэлектрика и металла.

Существует вариант, в котором держатель подложки с подложкой имеют возможность изменения угла α наклона поверхности подложки к оси 01-02 плазменно-дугового источника в диапазоне 40-90° и имеет возможность изменения угла β наклона поверхности подложки к оси 05-06 магнетронного источника в диапазоне 40-90°.

Существует вариант, в котором в устройство введена система автоматического управления, обеспечивающая одновременное включение плазменно-дугового источника, источника газовой плазмы и магнетронного источника.

Существует вариант, в котором в устройство введена система автоматического управления, обеспечивающая включение только источника газовой плазмы.

Существует вариант, в котором в устройство введена система автоматического управления, обеспечивающая включение сначала источника газовой плазмы, а после этого включение плазменно-дугового источника и магнетронного источника.

Существует вариант, в котором в устройство введена система автоматического управления, обеспечивающая включение источника газовой плазмы одновременно с включением плазменно-дугового источника.

Существует вариант, в котором в устройство введена система автоматического управления, обеспечивающая включение источника газовой плазмы одновременно с включением магнетронного источника.

На прилагаемом чертеже изображена компоновочная схема предложенного устройства.

Устройство для формирования многокомпонентных и многослойных покрытий содержит вакуумную камеру 1, включающую плазменно-дуговой источник 2 с катодом 3 и анодом 4, имеющий продольную ось 01-02. Плазменно-дуговой источник 2 содержит магнитную систему, включающую электромагнитную катушку плазменно-дугового источника 5. Катод 3 и анод 4 подключены к первому источнику питания 7. Подключение электромагнитной катушки плазменно-дугового источника 5 к первому источнику питания 7 условно не показано. Вакуумная камера 1 включает также источник газовой плазмы 8 с первой электромагнитной катушкой источника газовой плазмы 9, со второй электромагнитной катушкой источника газовой плазмы 10 и с системой напуска и контроля технологических газов 11, имеющий продольную ось 03-04. Источник газовой плазмы 8 выполнен в виде кварцевого цилиндра 12 с размещенной симметрично оси 03-04 антенной 13, выполненной в виде водоохлаждаемых витков магнитного индуктора и подключенной ко второму источнику питания 15. Подключение первой электромагнитной катушки источника газовой плазмы 9 и второй электромагнитной катушки источника газовой плазмы 10 к собственным источникам питания условно не показано. Вакуумная камера 1 включает также держатель подложки 20 с подложкой 21, подключенные через ввод 23 к третьему источнику питания 27 и размещенные симметрично оси 03-04 источника газовой плазмы 8. Вакуумная камера 1 включает средства откачки 30, представляющие собой вакуумную систему на основе турбомолекулярного и форвакуумного насосов. Вакуумная камера 1 включает также магнетронный источник 36, имеющий продольную ось 05-06, и содержащий по меньшей мере одну мишень 37. Магнетронный источник 36 подключен к четвертому источнику питания 39.

Существует вариант, в котором мишень 37 выполнена из диэлектрика, например двуокись кремния SiO₂

Существует вариант, в котором мишень 37 выполнена из металла, например алюминия Al.

Существует вариант, в котором мишень 37 выполнена из композиции из полупроводника и металла, например кремния и алюминия Si-Al.

Существует вариант, в котором держатель подложки 20 с подложкой 21 имеют возможность изменения угла α наклона поверхности подложки 21 к оси 01-02 плазменно-дугового источника в диапазоне 40-90° и имеет возможность изменения угла β наклона поверхности подложки 21 к оси 05-06 магнетронного источника 36 в диапазоне 40-90° с использованием привода 24, который может быть выполнен на основе мотор-редуктора типа IG-32 PGM, 24В фирмы НПФ «Электропривод».

В устройство введена система автоматического управления 45, подключенная к первому источнику питания 7, системе напуска и контроля технологических газов 11, второму источнику питания 15, третьему источнику питания 27 и четвертому источнику питания 39. Система автоматического управления 45 выполнена на основе контроллера «ROBO-2000».

Существует вариант, в котором система автоматического управления 45 обеспечивает одновременное включение плазменно-дугового источника 2, источника газовой плазмы 8 и магнетронного источника 36.

Существует вариант, в котором система автоматического управления 45 обеспечивает включение только источника газовой плазмы 8.

Существует вариант, в котором система автоматического управления 45 обеспечивает включение сначала источника газовой плазмы 8, а после этого включение плазменно-дугового источника 2 и магнетронного источника 36.

Существует вариант система автоматического управления 45 обеспечивает включение источника газовой плазмы 8 одновременно с включением плазменно-дугового источника 2.

Существует вариант, в котором система автоматического управления 45 обеспечивает включение источника газовой плазмы 8 одновременно с включением магнетронного источника 36.

Работу устройства для формирования многокомпонентных и многослойных покрытий рассмотрим на примере всех источников плазмы: плазменно-дугового источника 2, источника газовой плазмы 8 и магнетронного источника 36 при нанесении покрытия, состоящего из слоев алюминия и двуокиси кремния, и при управлении работой устройства от системы автоматического управления 45.

1. Включают средства откачки 30, которые обеспечивают откачку вакуумной камеры 1 до предельного разрежения 5*10^-6 мм рт.ст.

2. При помощи системы напуска и контроля технологических газов 11 осуществляют напуск технологических газов, например аргона, и устанавливают необходимое рабочее давление в диапазоне 5*10^-1-10^-2 мм рт.ст.

3. Подают электропитание к электромагнитным катушкам 9 и 10.

4. От второго источника питания 15 подают электропитание на антенну 13, в результате чего внутри объема кварцевого цилиндра 12 газового источник плазмы 8 загорается плазменный разряд, который при помощи электромагнитных полей, формируемых электромагнитными катушками 9 и 10, образует так называемый «плазменный столб», при следующих значениях параметров: рабочего давления в диапазоне (5*10^-2-10^-3 мм рт.ст.), тока электромагнитных катушек в диапазоне (1-10 А) и мощности в диапазоне (0,5-5,0 кВт), подаваемой на антенну 13.

5. От третьего источника питания 27 подают высокочастотное напряжение (частота 13,56 МГц, напряжение 0,5 кВ) на подложкодержатель 20.

6. При этом поток ионов, образованный «плазменным столбом», производит очистку поверхности подложки 21 в течение времени t_оч. Обычно t_оч=(1-5) мин.

7. Через отрезок времени (1-2 с), заданный системой автоматического управления 45, подают электропитание на электромагнитную катушку 5, от источников питания (условно не показан).

8. Через отрезок времени в диапазоне (1-2 с) заданный системой автоматического управления 45 от первого источника питания 7 подают напряжение 150 В постоянного тока на анод 4 и катод 3 плазменно-дугового источника плазмы 2. Между ними загорается плазменная дуга, в результате чего в течение времени t_д происходит распыление алюминиевого катода 3 и нанесение распыляемого материала на подложку 21. Время t_д определяется необходимой толщиной алюминиевого покрытий и обычно составляет от минут до десятков минут, в зависимости от скорости нанесения покрытия их алюминия.

9. После окончания времени t_д по команде системы автоматического управления 45, от четвертого источника питания 39 подают высокочастотную мощность 0,45 кВт на магнетронный источник 36, и в течение времени t_м начинается распыление мишени из двуокиси кремния и осаждения покрытия из двуокиси кремния на подложку 21. Время t_м определяется необходимой толщиной покрытия из двуокиси кремния и обычно составляет от минут до десятков минут, в зависимости от скорости нанесения покрытия из двуокиси кремния.

10. В течение времени t_совм.=10-30 мин (время определяется поставленной технологической задачей), задаваемого системой автоматического управления 45, работают совместно три плазменных источника: плазменно-дуговой источник 2, газовый источник плазмы 8, магнетронный источник 36.

11. После окончания времени t_совм посредством системы автоматического управления 45 происходит отключение плазменно-дугового источника 2 и посредством привода 24 производят поворот подложкодержателя 20 с подложкой 21 таким образом, что плоскость поверхности подложки 21 с осью 05-06 магнетрона достигает угла (β) 90°.

12. В течение времени t_м1, заданного системой автоматического управления 45, выполняется нанесение магнетронным источником слоя двуокиси кремния на подложку 21. Время t_м1 определяется необходимой толщиной покрытия из двуокиси кремния и обычно составляет от минут до десятков минут, в зависимости от скорости нанесения покрытия из двуокиси кремния.

13. После окончания времени t_м1 посредством системы автоматического управления 45 происходит последовательное отключение магнетронного источника 36, включение плазменно-дугового источника 2, которое работает время t_д1. Время t_д1 определяется необходимой толщиной покрытия из алюминия и обычно составляет от минут до десятков минут, в зависимости от скорости нанесения покрытия из алюминия.

14. Далее посредством привода 24 производят поворот подложкодержателя 20 с подложкой 21 таким образом, что плоскость поверхности подложки 21 с осью 01-02 плазменно-дугового источника достигает угла (α) 90°.

15. В течение времени t_д1, заданного системой автоматического управления 45 выполняется нанесение слоя, алюминия на подложку 21.

16. В соответствии с заложенной программой последовательно осуществляются операции пп. 9-13, реализующие процесс послойного нанесения слоев полупроводника и диэлектрика.

17. При этом работа источника газовой плазмы в процессе выполнения пп. 9-13 выполняет функцию ассистирования процесса нанесения потоком положительно заряженных ионов.

Таким образом, с использованием вышеприведенного алгоритма при помощи предлагаемого устройства могут быть со скоростью до десятков микрон в минуту, равномерностью не хуже +/-5% и высокой адгезией реализованы технологические процессы нанесения покрытий из диэлектриков, полупроводников, проводников, в том числе многослойные и многокомпонентные.

То, что в устройство для формирования многокомпонентных и многослойных покрытий введен магнетронный источник 36, имеющий продольную ось 05-06, плазменно-дуговой источник 2 содержит магнитную систему, включающую электромагнитную катушку плазменно-дугового источника 5, а источник газовой плазмы 8 выполнен в виде кварцевого цилиндра 12 с размещенной симметрично оси 03-04 антенной 13, приводит к тому, что обеспечивается возможность реализация технологических процессов нанесения широкой номенклатуры покрытий из диэлектрических, полупроводниковых, проводниковых материалов, в том числе многослойных и многокомпонентных. Это расширяет технологические возможности устройства.

То, что антенна 13 выполнена в виде водоохлаждаемых витков магнитного индуктора, приводит к тому, что обеспечивается возможность возбуждения плазменного разряда в объеме источника газовой плазмы, причем мощность разряда не ограничена тепловыми характеристиками материала антенны 13, что приводит к возможности использования доступных материалов (например, медь, алюминий) при конструировании и использовании антенны.

То, что магнетронный источник 36 оснащен по меньшей мере одной мишенью 37 приводит к тому, что обеспечивается возможность нанесения покрытий широкой номенклатуры материалов, а при увеличении количества мишеней значительно расширяются возможности устройства при формировании многослойных и многокомпонентных покрытий.

То, что мишень 37 выполнена из диэлектрика обеспечивает возможность нанесения диэлектрических покрытий.

То, что мишень 37 выполнена из металла обеспечивает возможность нанесения металлических покрытий.

То, что мишень 37 выполнена из композиции диэлектрика и металла обеспечивает возможность нанесения многокомпонентных покрытий.

То, что держатель подложки 20 с подложкой 21 имеет возможность изменения угла α наклона поверхности подложки 21 к оси 01-02 плазменно-дугового источника в диапазоне 40-90° и имеет возможность изменения угла β наклона поверхности подложки 21 к оси 05-06 магнетронного источника 36 в диапазоне 40-90° приводит к тому, что увеличивается скорость и равномерность нанесения покрытий.

То, что в устройство введена система автоматического управления 45, обеспечивающая одновременное включение плазменно-дугового источника 2, источника газовой плазмы 8 и магнетронного источника 36 обеспечивает возможность нанесения многослойных и многокомпонентных покрытий с одновременным ассистированием процесса нанесения потоком положительно заряженных ионов. То, что в устройство введена система автоматического управления 45, обеспечивающая включение только источника газовой плазмы 8 позволяет на предварительном этапе процесса нанесения выполнять очистку и активацию поверхности подложки 21 потоком положительно заряженных ионов, что приводит к повышению адгезии за счет активации поверхности подложки.

То, что в устройство введена система автоматического управления 45, обеспечивающая включение сначала источника газовой плазмы 8, а после этого включение плазменно-дугового источника 2 и магнетронного источника 36 позволяет осуществлять процесс нанесения многокомпонентных и многослойных покрытий с предварительной очисткой поверхности пластины 21 потоком положительно заряженных ионов, что приводит к очистке и активации поверхности подложки в начале процесса, а так же очистке наносимых многослойных и многокомпонентных слоев от газовых включений в процессе нанесения.

То, что в устройство введена система автоматического управления 45, обеспечивающая включение источника газовой плазмы 8 одновременно с включением плазменно-дугового источника 2 позволяет осуществлять процесс нанесения проводящих материалов с предварительной очисткой поверхности пластины 21 потоком положительно заряженных ионов, что приводит к увеличению адгезии наносимых проводящих материалов и их очистке от газовых включений в процессе нанесения.

То, что в устройство введена система автоматического управления 45, обеспечивающая включение источника газовой плазмы 8 одновременно с включением магнетронного источника 36 позволяет осуществлять процесс нанесения диэлектрических и полупроводниковых материалов с предварительной очисткой поверхности пластины 21 потоком положительно заряженных ионов, что приводит к увеличению адгезии наносимых диэлектрических и полупроводниковых материалов и их очистке от газовых включений в процессе нанесения.

1. Устройство для формирования многокомпонентных многослойных покрытий, содержащее вакуумную камеру (1), плазменно-дуговой источник (2) с магнитной системой, катодом (3) и анодом (4), источник газовой плазмы (8) с первой (9) и второй (10) электромагнитными катушками и системой (11) напуска и контроля технологических газов, держатель (20) подложки (21), размещенный в камере (1) соосно с источником газовой плазмы (8), и средство (30) откачки газов, при этом источник газовой плазмы выполнен в виде цилиндра из диэлектрического материала с размещенной симметрично его оси антенной, отличающееся тем, что оно снабжено магнетронным источником (36) с по меньшей мере одной мишенью, а держатель (20) подложки (21) установлен с возможностью углового смещения относительно продольной оси (01-02) плазменно-дугового источника в диапазоне 40-90° и углового смещения относительно продольной оси (05-06) магнетронного источника (36) в диапазоне 40-90° и снабжен приводом его углового смещения (24).

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено источником (27) ВЧ смещения, подключенным к вводу (23) держателя (20) подложки (21).

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что оно снабжено системой автоматического управления (45) плазменно-дуговым источником (2), источником газовой плазмы (8), магнетронным источником (36), источником (27) ВЧ смещения и приводом (24) углового смещения держателя (20) подложки.