RU2138094C1 - Facility for applying thin-film coatings - Google Patents
Facility for applying thin-film coatings Download PDFInfo
- Publication number
- RU2138094C1 RU2138094C1 RU97101714A RU97101714A RU2138094C1 RU 2138094 C1 RU2138094 C1 RU 2138094C1 RU 97101714 A RU97101714 A RU 97101714A RU 97101714 A RU97101714 A RU 97101714A RU 2138094 C1 RU2138094 C1 RU 2138094C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- working chamber
- mpc
- chamber
- power
- installation according
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к плазменной вакуумной технике и предназначено для нанесения покрытий на поверхность преимущественно диэлектрических материалов в виде тонких пленок из металлов, их оксидов, нитридов и других соединений, синтезированных в результате взаимодействия рабочего газа с распыленными атомами катода. The invention relates to a plasma vacuum technique and is intended for coating on the surface of predominantly dielectric materials in the form of thin films of metals, their oxides, nitrides and other compounds synthesized by the interaction of a working gas with atomized cathode atoms.
Источником осаждаемого материала является магнетронная распылительная система (МРС). Она содержит катод-мишень, анод и магнитную систему. Силовые линии магнитного поля располагаются вблизи поверхности мишени. При подаче постоянного напряжения между катодом и анодом зажигается тлеющий разряд. Эмитированные с поверхности мишени электроны под действием электрического и магнитного полей двигаются вдоль нее по сложным циклическим траекториям, многократно ионизируя атомы. Это приводит к росту концентрации ионов в плазме и увеличению скорости распыления катода. Магнитное поле локализует плазму непосредственно у поверхности мишени. The source of the deposited material is the magnetron sputtering system (MPC). It contains a target cathode, an anode, and a magnetic system. The magnetic field lines are located near the target surface. When a constant voltage is applied between the cathode and the anode, a glow discharge is ignited. Electrons emitted from the target surface under the influence of electric and magnetic fields move along it along complex cyclic trajectories, ionizing atoms many times. This leads to an increase in the concentration of ions in the plasma and an increase in the cathode sputtering rate. A magnetic field localizes the plasma directly at the target surface.
Весьма полное описание возможных конструкций МРС представлено в монографии Данилина Б.С., Сырчина В.К. Магнетронные распылительные системы. - М.: Радио и связь, 1982, с. 72. A very complete description of the possible designs of the MPC is presented in the monograph Danilina B.S., Syrchina V.K. Magnetron Spray Systems. - M .: Radio and communications, 1982, p. 72.
Условно их можно разделить на коаксиальные и планарные. Conventionally, they can be divided into coaxial and planar.
Коаксиальные конструкции (Кривобоков В.П., Кузьмин О.С., Легостаев В.Н. Магнетронная распылительная система. Заявка на патент РФ N 95121032, 13.12.95) имеют весьма большую удельную (на единицу площади мишени) производительность. Они отличаются большим коэффициентом использования материала. Обеспечивают высокую однородность по длине, легко монтируются и имеют ряд других преимуществ, но подобным системам свойственны и некоторые недостатки, наиболее существенными из них являются следующие:
а) катод в виде трубы обладает сравнительно большой стоимостью;
б) при обработке плоских листовых материалов значительная часть распыленных частиц летит под острым углом к обрабатываемой поверхности. В результате большого пробега в среде рабочего газа они термализуются и поэтому имеют относительно малые энергии, что создает проблемы обеспечения необходимой адгезии пленок по отношению к подложке.Coaxial structures (Krivobokov VP, Kuzmin OS, Legostaev VN Magnetron sputtering system. RF
a) a cathode in the form of a tube has a relatively high cost;
b) when processing flat sheet materials, a significant part of the sprayed particles flies at an acute angle to the surface to be treated. As a result of the large path in the working gas medium, they are thermalized and therefore have relatively low energies, which creates problems of providing the necessary adhesion of the films with respect to the substrate.
Планарные магнетронные системы имеют более высокие скорости осаждения из-за направленной диаграммы распыленных частиц, однако в них область эрозии катода представляет собой узкую полосу в виде замкнутого трека, а коэффициент использования материала никогда не превышает 26%. Реально он составляет всего 10-15%. Planar magnetron systems have higher deposition rates due to the directional pattern of the sputtered particles, but in them the cathode erosion region is a narrow band in the form of a closed track, and the material utilization never exceeds 26%. In reality, it is only 10-15%.
С размером и формой зоны эрозии, а также с диаграммой направленности и транспортировкой распыленных частиц связана проблема равномерности наносимых пленок. Для небольших поверхностей она решается либо выбором геометрии мишени, либо сканированием подложкой или магнитным полем. With the size and shape of the erosion zone, as well as with the radiation pattern and transportation of the sprayed particles, the problem of uniformity of the applied films is associated. For small surfaces, it can be solved either by choosing the geometry of the target, or by scanning with a substrate or a magnetic field.
При нанесении пленок на плоские поверхности большой площади, например тонировании листового стекла, изготовлении зеркал и т.д., используют планарные МРС с мишенями длиной до двух метров и шириной до двадцати сантиметров (Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. М.: Радио и связь, 1982, с. 57). Для обеспечения равномерности пленок создается несколько зон распыления мишени (или несколько изолированных катодов), относительно которых перемещается обрабатываемый образец, на который осаждается распыляемый материал. Естественно, что увеличение площади и числа катодов требует приложения больших мощностей (до 100 кВт) и при этом не решается до конца проблема равномерности покрытий на периферийных участках, возникают новые трудности, связанные с отводом тепла от магнетронов и др. When applying films to flat surfaces of a large area, for example, tinting sheet glass, manufacturing mirrors, etc., planar MPCs with targets up to two meters long and up to twenty centimeters wide are used (Danilin B.S., Syrchin V.K. Magnetron sputtering systems. M: Radio and communication, 1982, p. 57). To ensure uniformity of the films, several sputtering zones of the target (or several isolated cathodes) are created, relative to which the processed sample is moved onto which the sputtered material is deposited. Naturally, an increase in the area and number of cathodes requires the application of large powers (up to 100 kW) and the problem of uniformity of coatings in the peripheral regions is not completely solved, new difficulties arise associated with the removal of heat from magnetrons, etc.
Имеются возможности улучшить качество покрытия, прежде всего его равномерности на периферийных участках обрабатываемого объекта, путем повышения интенсивности распыления мишени на этих участках локальным увеличением напряженности магнитного поля (Ананьин П.С., Кривобоков В.П., Кузьмин О.С., Легостаев В. Н. Магнетронная распылительная система. Заявка на патент РФ N 96113838, 09.07.96). Однако она тоже не решает всех проблем. Одним из основных недостатков подобной системы является существенная неоднородность распыления катода по длине. В результате ресурс работы катода определяется ресурсом его периферийных участков, которые несколько сильнее подвержены эрозии. There are opportunities to improve the quality of the coating, primarily its uniformity in the peripheral areas of the treated object, by increasing the intensity of the sputtering of the target in these areas by a local increase in the magnetic field strength (Ananyin P.S., Krivobokov V.P., Kuzmin OS, Legostaev V N. Magnetron Sputtering System, Patent Application No. 96113838, July 9, 1996). However, it also does not solve all the problems. One of the main disadvantages of such a system is the significant heterogeneity of the cathode sputtering along the length. As a result, the life of the cathode is determined by the resource of its peripheral sections, which are somewhat more prone to erosion.
Хорошо проявили себя в эксплуатации устройства для нанесения тонкослойных покрытий, построенные на использовании магнетрона (или группы магнетронов), стационарно установленного в вакуумной камере, вдоль которого движутся обрабатываемые изделия (Кривобоков В.П., Кузьмин О.С., Легостаев В.Н. Магнетронная распылительная система. Заявка на патент РФ N 95121032, 13.12.95). В данной конструкции МРС катод представляет собой ряд самостоятельных коаксиальных мишеней со своими магнитными системами, стоящих параллельно на расстоянии 100-200 мм друг от друга, а подложки для обрабатываемых листовых материалов расположены с обеих сторон от ряда мишеней вдоль боковых стенок камеры. Причем для снижения влияния дискретной структуры катода подложки имеют возможность сканирования в продольном направлении, что существенно повышает пространственную однородность толщины наносимых покрытий. Такой системе при использовании ее для обработки плоских листовых материалов свойственен основной недостаток коаксиальных МРС - большие потери и низкие энергии для распыленных частиц, летящих под малыми углами к обрабатываемой поверхности. The devices for applying thin-layer coatings based on the use of a magnetron (or a group of magnetrons), which is permanently installed in a vacuum chamber along which the processed products move (Krivobokov V.P., Kuzmin OS, Legostaev V.N. Magnetron Sputtering System RF
Как показал вышеприведенный обзор, качество покрытий, производительность для различных образцов очень сильно зависят от выбора той или иной конструкции МРС. Однако на технические характеристики устройств в целом большое влияние оказывают и иные системы и узлы установки для нанесения покрытий. В самом общем виде такая установка содержит вакуумную рабочую камеру (зону обработки), в которой расположена МРС, систему питания МРС, систему вакуумирования, систему напуска газа, т.е. создания рабочей газовой среды в зоне обработки, систему подачи образцов в зону обработки в виде шлюзовых камер на входе и выходе рабочей камеры и механизмов перемещения подложек, загрузочных устройств и др. (Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. М.: Радио и связь, 1982, с. 56). Система питания МРС обычно представляет собой стабилизированный регулируемый источник постоянного тока с напряжением, не превышающим 1000 В (Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. М.: Радио и связь, 1982, с. 13). Эту установку по большинству признаков выбираем за прототип. As the above review showed, the quality of coatings, performance for various samples very much depend on the choice of one or another design of MPC. However, the technical characteristics of the devices as a whole are greatly influenced by other systems and components of the coating plant. In its most general form, such an installation contains a vacuum working chamber (treatment zone) in which the MPC, MPC power system, vacuum system, gas inlet system, i.e. creating a working gas medium in the processing zone, a system for supplying samples to the processing zone in the form of lock chambers at the inlet and outlet of the working chamber and mechanisms for moving substrates, loading devices, etc. (Danilin B.S., Syrchin V.K. Magnetron spray systems. M .: Radio and communication, 1982, p. 56). The MPC power system is usually a stabilized regulated DC source with a voltage not exceeding 1000 V (Danilin B.S., Syrchin V.K. Magnetron Spray Systems. M: Radio and Communication, 1982, p. 13). This installation, according to most of the signs, is chosen as a prototype.
Укажем основные недостатки такой системы. We indicate the main disadvantages of such a system.
1. В магнетронных диодах любой конструкции, особенно большой мощности, существует возможность перехода рабочего тлеющего разряда в дуговой. Если этот процесс начался, необходимо быстро снизить напряжение до уровня, исключающего существование вакуумной дуги, иначе возможно разрушение катода, конструкционных элементов, а также нарушение однородности покрытия. 1. In magnetron diodes of any design, especially of high power, there is the possibility of the transition of a working glow discharge into an arc. If this process has begun, it is necessary to quickly reduce the voltage to a level that excludes the existence of a vacuum arc, otherwise the cathode and structural elements may be destroyed, as well as a violation of coating uniformity.
2. При использовании многокатодных или протяженных МРС, имеющих геометрические параметры, сравнимые с размерами рабочей камеры, в разных ее точках общее и парциальные давления рабочего газа могут быть неодинаковыми, что изменяет условия осаждения и характеристики разряда, а следовательно, снижает качество и ухудшает однородность покрытия. 2. When using multi-cathode or extended MPCs with geometric parameters comparable with the dimensions of the working chamber, the total and partial pressures of the working gas may be different at different points, which changes the deposition conditions and discharge characteristics, and therefore reduces the quality and worsens coating uniformity .
3. Такая установка обладает ограниченными функциональными возможностями, так как она не пригодна для нанесения многослойных покрытий, особенно тех, процесс напыления которых выдвигает различные требования к рабочей газовой среде. Так, например, известно (Андросова В.Г., Бронникова Е.Г., Васильев А. М. и др. Пьезоэлектрические резонаторы: справочник. М.: Радио и связь, 1992, с. 102), что при нанесении металлических пленок на диоксид кремния (стекло) адгезия заметно увеличивается, если между пленкой и подложкой находится очень тонкий (1-10 нм) слой хрома. В обычной установке улучшить адгезию металлической пленки на стекле таким образом невозможно. 3. Such a plant has limited functional capabilities, since it is not suitable for applying multilayer coatings, especially those whose spraying process puts forward various requirements for a working gas environment. So, for example, it is known (Androsova V.G., Bronnikova E.G., Vasiliev A.M. et al. Piezoelectric resonators: a reference book. M: Radio and communications, 1992, p. 102) that when applying metal films adhesion to silicon dioxide (glass) noticeably increases if there is a very thin (1-10 nm) layer of chromium between the film and the substrate. In a typical installation, it is not possible to improve the adhesion of a metal film to glass.
Предлагаемая установка позволяет разрешить эти технические трудности, является наиболее универсальной и при замене материалов катодов МРС позволяет удовлетворить самые разные потребительские требования. The proposed installation allows you to solve these technical difficulties, is the most universal and when replacing the materials of the cathodes of the MPC allows you to satisfy a variety of consumer requirements.
Установка для нанесения покрытий, как и прототип, содержит одну или несколько МРС, расположенных в герметизированной рабочей камере, систему питания МРС от стабилизированного регулируемого источника напряжения, систему вакуумирования и напуска газа в рабочую камеру, шлюзовые камеры на входе и выходе рабочей камеры и механизм перемещения подложек. The coating installation, as well as the prototype, contains one or more MPC located in a sealed working chamber, MPC power supply system from a stabilized regulated voltage source, a vacuum system and gas inlet to the working chamber, lock chambers at the input and output of the working chamber, and a moving mechanism substrates.
В отличие от прототипа система питания МРС дополнительно снабжена блоком сравнения среднего значения мощности разряда, а также скоростей изменения напряжения и тока с заданными значениями опорных сигналов. Выход блока сравнения подключен к прерывателю тока в цепи питания диода и, через линию задержки, к стартовому устройству запуска стабилизированного регулируемого источника напряжения. Такое выполнение системы питания МРС обеспечивает автоматическое отключение напряжения в случае перехода тлеющего разряда в дуговой и включение его с оптимальными характеристиками после гашения дуги. Сигнал об изменении мощности разряда используется для стабилизации выбранного параметра. In contrast to the prototype, the MPC power system is additionally equipped with a unit for comparing the average value of the discharge power, as well as the rates of voltage and current with specified values of the reference signals. The output of the comparison unit is connected to a current chopper in the diode power supply circuit and, through the delay line, to the starting device for launching a stabilized regulated voltage source. This embodiment of the power supply system of the MPC provides automatic power off in the event of a transition of a glow discharge into an arc and its inclusion with optimal characteristics after extinction of the arc. A signal about a change in discharge power is used to stabilize the selected parameter.
При напылении многослойных покрытий с использованием реверсивного движения образцов, что характерно для установок с малым числом катодов МРС, выходной шлюз целесообразно заменить на глухой карман, размеры которого должны соответствовать размерам напыляемого образца. When spraying multilayer coatings using reverse movement of samples, which is typical for installations with a small number of MPC cathodes, it is advisable to replace the output gateway with a blank pocket, the dimensions of which should correspond to the dimensions of the sprayed sample.
Для многокатодных МРС с протяженной рабочей камерой система напуска газа выполнена многоканальной, с разнесенной по объему системой инжекционных отверстий, расстояние между которыми не превышает 100 см. For multi-cathode MPC with an extended working chamber, the gas inlet system is multi-channel, with a spaced apart system of injection holes, the distance between which does not exceed 100 cm.
Если в такой МРС рабочую камеру разделить диффузионными диафрагмами на отдельные отсеки, имеющие дифференциальную откачку, а инжекционные отверстия в каждом отсеке соединить с отдельной системой напуска газа, то такая установка позволяет одновременно наносить многослойные покрытия в различных газовых средах. If in such an MPC the working chamber is divided by diffusion diaphragms into separate compartments having differential pumping, and the injection holes in each compartment are connected to a separate gas inlet system, then such an installation allows multilayer coatings to be applied simultaneously in various gaseous media.
В ряде случаев образцы перед напылением целесообразно подвергать ионному травлению в плазме газового разряда при относительно высоком давлении рабочего газа. Для реализации функции ионной очистки во входной шлюзовой камере установлены электроды, подключенные к дополнительному источнику высокого напряжения. Источник высокого напряжения может быть выполнен импульсным биполярным. In some cases, it is advisable to subject the samples to sputtering before ion sputtering in a gas-discharge plasma at a relatively high pressure of the working gas. To implement the ion cleaning function, electrodes connected to an additional high voltage source are installed in the entrance lock chamber. The high voltage source can be made pulsed bipolar.
Изобретение иллюстрируется фиг. 1, 2, 3, 4. The invention is illustrated in FIG. 1, 2, 3, 4.
На фиг. 1 схематически изображено предлагаемое устройство с МРС планарного типа, имеющее несколько катодных узлов 1 со своими магнитными системами. МРС размещены в протяженной герметизированной рабочей камере 2. На входе и выходе рабочей камеры 2 через шлюзовые затворы 3 подсоединены входная 4 и выходная 5 шлюзовые камеры. Все камеры 2, 4 и 5 через вакуумные вентили (натекатели) 6 подключены к вакуумной системе (не показана). Приводы 7 вентилей 6 управляются системой контроля вакуума 8, которая, в свою очередь, соединена с датчиками давления 9 в каждой из камер 4, 2, 5. Обрабатываемый материал 10 расположен на подложках 11, которые перемещаются механизмом перемещения. Показаны только рольганги 12 этого механизма. In FIG. 1 schematically shows the proposed device with MPC planar type, having
Катодные узлы 1 магнетронной распылительной системы подключены к системе питания МРС 13. Блок-схема одного из вариантов реализации этой системы представлена на фиг. 2. Магнетронный диод 1 подключен к стабилизированному регулируемому источнику напряжения 14. Источник 14, как и в прототипе, построен на базе выпрямителя с управлением по обратной связи. В цепь питания диода 1 включены датчик тока 15 и датчик напряжения 16. Часть блоков, выделенная на фигуре штриховой линией, представляет собой блок, реализующий функции сравнения среднего значения мощности разряда, а также скоростей изменения напряжения и тока с опорными сигналами. Этот блок содержит дифференциатор 17 и интегратор 18 тока, подключенные к датчику тока 15, а также дифференциатор 20 и интегратор 19 напряжения, подключенные к датчику напряжения 16. Выходы дифференциаторов 17 и 20 подключены к сумматору 22, а выходы интеграторов 18 и 19 - к умножителю 21. Выходы умножителя 21 и сумматора 22 соединены со входами компаратора 26, другие входы которого соединены с выходами источника опорных сигналов 23. Выход компаратора 26 подключен к прерывателю тока 27 в цепи питания диода 1 и через линию задержки 24 - к стартовому устройству запуска 25 источника стабилизированного регулируемого напряжения 14. The
Принципиальная схема системы напуска газа в рабочую камеру 2 изображена отдельно на фиг. 3, чтобы не усложнять фиг. 1. A schematic diagram of a system for introducing gas into the working
Для создания равномерного давления газа вдоль всей рабочей камеры 2 напуск газа осуществляется по нескольким каналам через инжекционные отверстия 28, расположенные вдоль камеры 2 на расстояниях друг от друга не более 100 см. Эта величина лимитируется двумя обстоятельствами: характерными расстояниями между конструкционными элементами в рабочей камере, где происходит перенос рабочего газа, и его давлением, точнее длиной свободного пробега атомов и молекул. To create uniform gas pressure along the entire working
Желание как можно плотнее использовать объем рабочей камеры (благодаря этому увеличивается производительность установки) приводит к тому, что возникают затруднения для переноса рабочего газа по всему объему камеры. При этом в наиболее удаленных от инжекционных отверстий областях давление его отличается от давления вблизи отверстия на несколько процентов и более. The desire to use the volume of the working chamber as tightly as possible (this increases the productivity of the installation) leads to difficulties in transferring the working gas throughout the entire volume of the chamber. Moreover, in the regions farthest from the injection holes, its pressure differs from the pressure near the hole by several percent or more.
Этого достаточно, чтобы скорость осаждения покрытий при работе магнетрона в разных точках рабочей камеры была различной. Следовательно, возникает проблема пространственной однородности покрытий. This is sufficient for the deposition rate of the coatings during the operation of the magnetron at different points of the working chamber to be different. Therefore, the problem of spatial uniformity of coatings arises.
Опыт разработчика свидетельствует, что положительные результаты в выборе расположения инжекционных отверстий на практике достигаются в том случае, если расстояние между ними не более 100 см, т.е. не более 10L, где L - длина свободного пробега газовых молекул при давлениях, характерных для магнетрона. The experience of the developer indicates that positive results in choosing the location of injection holes are achieved in practice if the distance between them is not more than 100 cm, i.e. no more than 10L, where L is the mean free path of gas molecules at pressures characteristic of the magnetron.
Давление вдоль камеры 2 отслеживается датчиками давления рабочего газа 9. Сигналы с датчиков 9 поступают в схему контроля давления и управления напуском 29. The pressure along the
Инжекционные отверстия 28 подсоединены к натекателям 30, которые управляются системой контроля давления и управления напуском 29. The injection holes 28 are connected to the
Натекатели 30 подсоединены к газовому баллону или к нескольким баллонам 31. Для многослойных покрытий баллоны 31 заполнены различными газами. Кроме того, рабочая камера 2 разделена диафрагмами 32 на отдельные отсеки, число которых совпадает с числом катодов МРС. Наличие небольших щелей между диафрагмами 32 и обрабатываемым материалом 10 при рабочих уровнях давления в камере 2 порядка 10-1 Па практически не будет сказываться на составе газовой среды в каждом из отсеков, и каждый из отсеков будет заполнен своим рабочим газом. Так на фиг. 3 в порядке примера показано устройство для нанесения покрытия металл-оксид металла на стекло. В первом отсеке камеры 2 в атмосфере инертного газа Ar происходит напыление тонкого слоя хрома, улучшающего адгезию металлической пленки к стеклу. Затем во втором отсеке в среде аргона и, возможно, при небольшой добавке водорода происходит напыление металла. В третьем отсеке в атмосфере кислорода идет напыление окислов металлов.The
Для проведения ионной очистки обрабатываемого материала во входной шлюзовой камере 4 расположен электрод 33, который подключен к источнику высокого напряжения 34 (см. фиг. 1). To conduct ion cleaning of the processed material in the
Режим ионного травления осуществляется при относительно высоком давлении рабочего газа. Именно поэтому электрод 33 размещен в шлюзовой 4, а не в рабочей 2 камере. Источник высокого (1-10 кВ) напряжения 34 может быть как постоянным, так и импульсным. Импульсный режим травления реализовать технически сложнее. Однако наши исследования показали, что в наносекундном диапазоне биполярные импульсы высокого напряжения имеют некоторые преимущества при очистке очень загрязненной поверхности. The ion etching mode is carried out at a relatively high pressure of the working gas. That is why the
Следует отметить, что хотя на прилагаемых фигурах изображена установка только с планарной МРС, все основные узлы и принципы построения подобных машин остаются теми же при замене МРС на многокатодную коаксиальную систему, описанную в заявке на патент РФ N 95121032 от 13.12.95 г. It should be noted that although the accompanying figures depict installation only with a planar MPC, all the basic components and principles of constructing such machines remain the same when replacing the MPC with a multi-cathode coaxial system, described in RF patent application N 95121032 of 12.13.95.
На фиг. 4 в порядке примера изображена установка для нанесения покрытия с малой по размерам рабочей камерой 2, но позволяющей обрабатывать крупногабаритные изделия 10. Здесь выходная шлюзовая камера 5 заменена накопительным объемом в виде глухого кармана 35. В этот карман помещается часть крупногабаритного изделия 10, в то время как другая его часть обрабатывается в камере 2. In FIG. 4 illustrates, by way of example, a coating installation with a small working
Установка работает следующим образом. Installation works as follows.
Подготовленная к работе установка имеет постоянно вакуумированную рабочую камеру. The unit prepared for operation has a constantly evacuated working chamber.
Во входной шлюз 4 на подложку 11 помещается лист обрабатываемого материала 10. Первая (входная) задвижка 3 этого шлюза 4 закрывается, вентиль 6 вакуумной системы открывается и начинается процесс вакуумирования входного шлюза. С помощью системы контроля вакуума 8 (через датчик давления 9) определяется тот момент, когда давление во входном шлюзе достигнет заданного уровня. После этого подается команда на открытие затвора 3, который разделяет входной шлюз 4 и рабочую камеру 2. In the
В следующей фазе дается команда на перемещение подложки в рабочую камеру. Одновременно с источника питания высокого напряжения 34 подается напряжение 1-10 кВ на электрод 33 системы ионной очистки. Вблизи поверхности обрабатываемого материала возникает плазма тлеющего разряда, которая очищает поверхность перед нанесением на нее покрытия. In the next phase, a command is given to move the substrate into the working chamber. At the same time, a voltage of 1-10 kV is supplied from the high voltage power supply 34 to the
После входа образца 10 в рабочую камеру 2 включается система напуска рабочего газа, который подается в зону, прилегающую к катоду магнетрона 1. Для этого после установления в рабочей камере нужного давления газа из системы контроля 29 подается команда открыть один из натекателей 30 (или все вместе, если это необходимо), после чего газ через инжекционные отверстия 28 поступает в рабочую камеру 2. After the
Затем подается питание на магнетроны 1 от системы 13. Система питания МРС 13 предназначена для стабилизации режима работы магнетронного диода, когда эмиссия ионов с катода магнетрона 1 и ток диода нестабильны во времени из-за различных загрязнений, геометрических неоднородностей, наличия окисного слоя на поверхности катода в результате взаимодействия с воздухом и т.д. Then, the
Особенно актуально применение этой системы в начальный период работы магнетрона, при проведении тренировки (т. е. после разгерметизации рабочей камеры). The use of this system in the initial period of operation of the magnetron is especially relevant during training (i.e., after depressurization of the working chamber).
Магнетрон работает в области нормального и аномального тлеющего разряда. При использовании магнетронов мощностью 10 кВт и более работа в области аномального тлеющего разряда (особенно в режиме "тренировки") сопряжена с опасностью образования холодной дуги, что ведет к перенапряжениям в высоковольтных элементах источников питания (необходимы большие запасы по надежности). The magnetron operates in the normal and abnormal glow discharge region. When using magnetrons with a power of 10 kW or more, work in the field of an abnormal glow discharge (especially in the “training” mode) is fraught with the danger of the formation of a cold arc, which leads to overvoltages in high-voltage elements of power sources (large reserves of reliability are needed).
В предлагаемом устройстве реализована идея прогнозирования образования холодных дуг в магнетроне за счет слежения за областями несамостоятельных разрядов, предшествующих появлению холодной дуги. Эти области характеризуются (при идеальном рассмотрении) большими значениями dU/dt при I≈const за счет образования множества катодных пятен. Область же холодной дуги - большими значениями dI/dt при относительно малых значениях dU/dt. The proposed device implements the idea of predicting the formation of cold arcs in a magnetron by tracking areas of non-self-sustained discharges preceding the appearance of a cold arc. These regions are characterized (upon perfect examination) by large values of dU / dt at I≈const due to the formation of many cathode spots. The area of the cold arc is with large dI / dt values at relatively small dU / dt values.
Таким образом, для нормальной работы МРС необходимо отслеживать среднее значение мощности, а также скорость изменения тока и напряжения и при выходе их за пределы определенных значений формировать сигнал, отключающий питание МРС. Пример исполнения устройства, реализующего эти функции, представлен на фиг. 2. Необходимо отметить, что подобные схемы могут быть как более сложными, так и более простыми, но в любом случае от их использования очень существенно зависит эффективность работы всего устройства для нанесения покрытий на поверхность твердых тел. Thus, for the normal operation of the MPC, it is necessary to monitor the average value of power, as well as the rate of change of current and voltage, and when they exceed certain values, generate a signal that turns off the power of the MPC. An example of a device that implements these functions is shown in FIG. 2. It should be noted that such schemes can be both more complex and simpler, but in any case, the efficiency of the entire device for coating the surface of solids depends very much on their use.
Напряжение от стабилизированного регулируемого источника напряжения 14 подается на магнетронный диод 1. Источник 14, как правило, представляет собой стабилизированный выпрямитель с обратной связью. В цепь источника 14 включены датчик тока 15 и датчик напряжения 16. Сигнал с датчика тока 15 через дифференциатор 17 (функция которого - продифференцировать сигнал во времени) подается на сумматор 22. Точно также в сумматор через дифференциатор напряжения 20 подается сигнал с датчика напряжения 16. Т.о. блоки 17 и 20 формируют сигнал о скорости изменения тока и напряжения в цепи питания диода. Эти сигналы разнесены во времени, поэтому после сумматора 22 формируются отдельные сигналы изменения скорости тока и напряжения. Сигналы с интеграторов тока 18 и напряжения 19 после умножителя 21 характеризуют среднюю мощность разряда. Сравнение его в компараторе 26 с уровнем опорного напряжения от источника 23 также позволяет сформировать управляющий сигнал на прерыватель тока 27, при этом регулирующим параметром будет являться средняя мощность. Интегральный сигнал используется также для стабилизации питания диода. Параллельно с прерывателем тока 27 через линию задержки 24 подается сигнал к стартовому устройству запуска 25, которое через определенное время, необходимое для релаксации плазменных процессов, связанных с пробойными явлениями на катоде (это время регламентируется линией задержки 24), включает стабилизированный регулируемый источник напряжения 14 и выводит магнетронный диод 1 на рабочие параметры в соответствии с заложенным "мягким" режимом. The voltage from a stabilized
Таким образом минимизируется время, в течение которого магнетронный диод находится в нерабочем состоянии, и оптимизируются режимы его работы (он функционирует в наиболее выгодной области вольт-амперной характеристики). Thus, the time during which the magnetron diode is inoperative is minimized, and its operation modes are optimized (it operates in the most favorable region of the current – voltage characteristic).
Продолжим описание работы установки в целом. We continue the description of the operation of the installation as a whole.
Далее с помощью механизма перемещения подложек образец 10 двигается через рабочую камеру 2 в сторону выходного шлюза 5, в котором в это время должен быть вакуум. По мере перемещения образца идет напыление покрытия. Then, using the mechanism for moving the substrates, the
После освобождения входного шлюза 4 он отсекается от камеры 2 и разгерметизируется. After the release of the
Если необходимо многослойное покрытие, то используют одновременную работу нескольких магнетронов. Причем в каждую зону, где расположен магнетрон, подается свой рабочий газ и выбираются свои электрические параметры. Например, если нам необходимо напылить трехслойное покрытие Cr-Ti-TiO2, то в зону первого магнетронного диода с катодом из хрома подается аргон, во вторую и третью, где катоды выполнены из титана, соответственно аргон (или смесь аргон - водород) и смесь аргон - кислород. Таким образом, все магнетроны работают одновременно, причем каждый из них наносит свой слой, соответствующий составу его катода и газовой среды.If a multilayer coating is needed, then the simultaneous operation of several magnetrons is used. Moreover, in each zone where the magnetron is located, its own working gas is supplied and its own electrical parameters are selected. For example, if we need to spray a three-layer coating of Cr-Ti-TiO 2 , then argon is fed into the zone of the first magnetron diode with a cathode of chromium, and the second and third, where the cathodes are made of titanium, respectively, argon (or a mixture of argon-hydrogen) and a mixture argon is oxygen. Thus, all magnetrons work simultaneously, with each of them applying a layer corresponding to the composition of its cathode and gas medium.
После того как процесс окончен, образец попадает в выходной шлюз 5, который затем изолируется от рабочей камеры затвором 3, разгерметизируется и обработанный образец извлекается из установки. After the process is completed, the sample enters the output gateway 5, which is then isolated from the working chamber by the
А в это время следующий образец помещается во входной шлюз 4, который затем подвергается вакуумированию и т.д. And at this time, the next sample is placed in the
Несколько по-другому организован процесс, если мы использовали рабочую камеру с глухим карманом 35 (фиг. 3). The process is organized somewhat differently if we used a working chamber with a blind pocket 35 (Fig. 3).
Входной шлюз 4 с образцом вакуумируется. Открывается затвор 3, включается система ионной очистки, и образец 10 постепенно проходит вдоль работающих магнетронов 1 в глухой карман 35. Затем, после завершения обработки, он возвращается назад через входной шлюз 4. При этом глухой карман 35 и рабочая камера 2 непрерывно остаются под вакуумом, что в значительной степени освобождает оператора от необходимости повторять тренировку катодов магнетронов 1 и сокращает продолжительность вакуумирования установки. The
По описанной здесь принципиальной схеме заявителем построены установки типа "Аметист", "Изумруд", "Опал", "Яхонт", которые прошли производственные испытания и используются на многих промышленных предприятиях. Они получили положительную оценку специалистов, но работа над их совершенствованием продолжается. According to the circuit diagram described here, the applicant has constructed installations of the Amethyst, Emerald, Opal, and Yakhont type, which have undergone production tests and are used at many industrial enterprises. They received a positive assessment of specialists, but work on their improvement continues.
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU97101714A RU2138094C1 (en) | 1997-02-04 | 1997-02-04 | Facility for applying thin-film coatings |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU97101714A RU2138094C1 (en) | 1997-02-04 | 1997-02-04 | Facility for applying thin-film coatings |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU97101714A RU97101714A (en) | 1999-02-27 |
RU2138094C1 true RU2138094C1 (en) | 1999-09-20 |
Family
ID=20189643
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU97101714A RU2138094C1 (en) | 1997-02-04 | 1997-02-04 | Facility for applying thin-film coatings |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2138094C1 (en) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2465372C1 (en) * | 2011-05-12 | 2012-10-27 | Билал Аругович Билалов | Device for obtaining thin films of nitride compounds |
RU2471015C2 (en) * | 2007-03-02 | 2012-12-27 | Эрликон Солар АГ | Vacuum unit for application of coatings |
RU2620845C1 (en) * | 2015-12-17 | 2017-05-30 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") | Device for synthesis and coating deposition |
RU2630090C2 (en) * | 2012-04-20 | 2017-09-05 | Зульцер Метаплас Гмбх | Method of applying coating for deploying layer system on substrate and substrate with layer system |
RU2640505C2 (en) * | 2012-09-14 | 2018-01-09 | Вейпор Текнолоджиз Инк. | Methods using remote arc discharge plasma |
RU2662912C2 (en) * | 2013-03-15 | 2018-07-31 | Вейпор Текнолоджиз Инк. | Low pressure arc plasma immersion coating vapour deposition and ion treatment |
RU2695685C2 (en) * | 2013-10-28 | 2019-07-25 | Вейпор Текнолоджиз, Инк. | Plasma-immersion ion treatment and deposition of coatings from vapour phase with help of low-pressure arc discharge |
-
1997
- 1997-02-04 RU RU97101714A patent/RU2138094C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Данилин Б.С. и др. Магнетронные распылительные системы. - М.: Радио и связь, 1982, с.56. * |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2471015C2 (en) * | 2007-03-02 | 2012-12-27 | Эрликон Солар АГ | Vacuum unit for application of coatings |
RU2465372C1 (en) * | 2011-05-12 | 2012-10-27 | Билал Аругович Билалов | Device for obtaining thin films of nitride compounds |
RU2630090C2 (en) * | 2012-04-20 | 2017-09-05 | Зульцер Метаплас Гмбх | Method of applying coating for deploying layer system on substrate and substrate with layer system |
RU2640505C2 (en) * | 2012-09-14 | 2018-01-09 | Вейпор Текнолоджиз Инк. | Methods using remote arc discharge plasma |
RU2662912C2 (en) * | 2013-03-15 | 2018-07-31 | Вейпор Текнолоджиз Инк. | Low pressure arc plasma immersion coating vapour deposition and ion treatment |
RU2695685C2 (en) * | 2013-10-28 | 2019-07-25 | Вейпор Текнолоджиз, Инк. | Plasma-immersion ion treatment and deposition of coatings from vapour phase with help of low-pressure arc discharge |
RU2620845C1 (en) * | 2015-12-17 | 2017-05-30 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") | Device for synthesis and coating deposition |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9793098B2 (en) | Low pressure arc plasma immersion coating vapor deposition and ion treatment | |
Sproul et al. | Control of reactive sputtering processes | |
US10056237B2 (en) | Low pressure arc plasma immersion coating vapor deposition and ion treatment | |
EP2866246B1 (en) | Vacuum coating and plasma treatment system, and method for coating a substrate | |
Gudmundsson et al. | High power impulse magnetron sputtering discharge | |
US5015493A (en) | Process and apparatus for coating conducting pieces using a pulsed glow discharge | |
EP2778254B1 (en) | Low pressure arc plasma immersion coating vapor deposition and ion treatment | |
US5300205A (en) | Method and device for treating substrates | |
EP1654396B1 (en) | Work piece processing by pulsed electric discharges in solid-gas plasma | |
US6168698B1 (en) | Apparatus for coating a substrate | |
US20060070877A1 (en) | Magnetron sputtering device | |
TWI624552B (en) | Method for producing substrates with a plasma-coated surface and device for carrying out the method | |
JPH0247256A (en) | Formation of an oxide coating by reactive-sputtering | |
RU2138094C1 (en) | Facility for applying thin-film coatings | |
EP3644343B1 (en) | A coating system for high volume pe-cvd processing | |
US20140314968A1 (en) | Ionisation device | |
US20180066356A1 (en) | Method for depositing a layer using a magnetron sputtering device | |
RU2205893C2 (en) | Method and apparatus for plasma chemical deposition of coatings | |
US7476302B2 (en) | Apparatus and method to deposit magnesium oxide film on a large area | |
Kennedy et al. | TiN coating of the PEP-II low-energy aluminum arc vacuum chambers | |
RU2816980C1 (en) | Device for vacuum application of hardening coating on surface of articles | |
JP3740301B2 (en) | Method for forming fluoride thin film, optical member having the thin film, and sputtering apparatus | |
CA3047917C (en) | Pvd system with remote arc discharge plasma assisted process | |
RU2423754C2 (en) | Method and device to manufacture cleaned substrates or pure substrates exposed to additional treatment | |
RU2607288C2 (en) | Method for gas-discharge sputtering of films |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20101116 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140205 |