Спосіб надання додаткової енергії катоду в процесі іонно-плазмового напилювання

Реферат: Спосіб надання додаткової енергії катоду в процесі іонно-плазмового напилювання включає застосування у робочій камері катода, анода, магнітної системи з охолодженням, розпилення матеріалу катода за рахунок бомбардування його атомами газів або їх сумішшю при наданні катоду-мішені додаткової енергії у розрахунок на атом речовини згідно з формулою (0,1-1,1) k -5 Тпл, де Тпл - температура плавлення речовини мішені, K; k=8,62510 еВ/атK, при розпиленні матеріалу катода за рахунок бомбардування його атомами, що належать матеріалу катода, або іншими атомами газів та їх сумішшю. Катоду-мішені додають додаткову енергію за рахунок утворення тріщин в матеріалі катода або застосуванням композитних катодів з нещільно прилягаючими елементами, або локальним зменшенням перерізу проходження заряду. UA 90122 U (12) UA 90122 U UA 90122 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до плазмової техніки й призначена для вакуумного іонноплазмового нанесення тонких плівок металів, їхніх сполук і керамік на тверду поверхню. Відомий спосіб отримання функціональних плівок в магнетронній системі, що розпилює із плоским катодом-мішенню [К. Wasa, S. Hayakawa. Handbook of sputter deposition technology / USA: "Noyes Publications", 1992. с. 44], що включає розпилення матеріалу катода за рахунок бомбардування його атомами газів та їх сумішей, охолодження магнітної системи. Недоліком відомого способу є недостатня кількість факторів керування магнітним і температурним полями в області робочої зони магнетрону. Недоліком є також нерівномірність використання катодів-мішеней. Наступним недоліком такої схеми магнетрона є обмеження кількості хімічних речовин для використання як катода-мішені внаслідок високих значень кількості роботи (енергії), витраченої на розпилення їхніх атомів. Найбільш близьким аналогом до корисної моделі, що заявляється, є спосіб іонноплазмового напилювання (варіанти) й пристрій для його здійснення (варіанти) [Патент України № 83263 С2 МПК (2006) С23C 14/22, С23С 14/35, С23С 14/34, С23С 14/48 заяв. № а200605704 от 24.05.2006, опубл. 25.06. 2008, Бюл. № 12, 2008 p.]. Спосіб іонно-плазмового напилювання для одержання плівок зносостійких і функціональних матеріалів, який включає застосування у робочій камері катода, анода, магнітної системи з охолодженням, розпилення матеріалу катода за рахунок бомбардування його атомами газів або їх сумішшю, який відрізняється тим, що катоду-мішені додають додаткову енергію у розрахунок на атом речовини згідно з формулою -5 (0,1-1,1) k Тпл, де Тпл - температура плавлення речовини мішені, K; k=8,62510 еВ/атК, а розпилення матеріалу катода здійснюють за рахунок бомбардування його атомами, що належать матеріалу катода, або іншими атомами газів та їх сумішшю. При цьому додавання енергії катода-мішені здійснюють до критичних температур фазових, структурних, магнітних й інших перетворень у матеріалі катода-мішені, з забезпеченням необхідного "стрибка" електроопору й енергії самодифузії в матеріалах. Спосіб іонно-плазмового напилювання для одержання плівок зносостійких і функціональних матеріалів, який включає застосування у робочій камері катода, анода, магнітної системи з охолодженням, розпилення матеріалу катода за рахунок бомбардування його атомами, що належать матеріалу катода, або іншими атомами газів та їх сумішшю, який відрізняється тим, що катоду-мішені імпульсно додають додаткову енергію у розрахунку на атом речовини з параметрами, що змінюються в інтервалах: частота від 5 до 50 Гц; енергія - від Е1-Е2=0,001 до 0,3 еВ/ат, де Е1 i Е2 - відповідно найвища та найнижча енергії у розрахунок на атом речовини, що додаються катоду-мішені, а розпилення матеріалу катода здійснюють за рахунок бомбардування його атомами, що належать матеріалу катода, або іншими атомами газів та їх сумішшю. При цьому додавання енергії катода-мішені здійснюють до критичних температур фазових, структурних, магнітних й інших перетворень у матеріалі катода-мішені для наступної пульсації. Спосіб іонно-плазмового напилювання для одержання плівок зносостійких і функціональних матеріалів, який відрізняється тим, що матеріал катода-мішені попередньо піддають одній або декільком у комплексі таких обробок: гартують, деформують, наклепують або здійснюють абразивну обробку зі збільшенням кількості поверхневих дефектів. Вище наведені способи не дозволяють додавати додаткову енергію катоду у найшвидший та ефективний спосіб. В основу корисної моделі поставлено задачу підвищення ефективності розпилювання при сполученні переваг іонно-плазмового й магнетронного способів напилювання, тобто забезпечення можливості осадження плівок із плазми, утвореної іонами матеріалу катода або молекулами й іонами додатково введеного газу або сполученням перерахованих способів, а також застосування як матеріалів катода-мішені речовин та сполук, які не піддаються розпиленню у звичайних способах та установках іонно-плазмового напилювання. Поставлена задача вирішується тим, що в запропонованому способі надання додаткової енергії катоду в процесі іонно-плазмового напилювання, який включає застосування у робочої камері катода, анода, магнітної системи з охолодженням, розпилення матеріалу катода за рахунок бомбардування його атомами газів або їх сумішшю при наданні катоду-мішені додаткової енергії у розрахунок на атом речовини згідно з формулою (0,1-1,1) k Тпл, де Тпл -5 температури плавлення речовини мішені, K; k=8,62510 еВ/атК, при розпиленні матеріалу катода за рахунок бомбардування його атомами, що належать матеріалу катода, або іншими атомами газів та їх сумішшю, що згідно з корисною моделлю катоду мішені додають додаткову енергію за рахунок або утворення тріщин в матеріалі катода, або застосуванням композитних катодів з нещільно прилягаючими елементами або локальним зменшенням перерізу проходження заряду. 1 UA 90122 U 5 10 Приклад використання способу надання додаткової енергії катоду в процесі іонноплазмового напилювання. Зразки підкладок напилювали титаном та інтерметалідам Ті-Al при робочій напрузі магнетрону порядку 1000 В. Діаметр мішені 30 мм. Значення питомої потужності становили 2 порядку 40 Вт/см , при робочому тиску 2 Па. Корисна потужність магнетрона (Р) дорівнювала 300 Вт. Матеріал катода - титан марки ВТ-1 з концентрацією водню 0,001 % ат, алюміній марки АМц. Як робочий газ використовували аргон високої чистоти. Результати випробувань представлені в таблиці. Температура катода-мішені вимірювалася за допомогою термопари та -5 за формулою Тk=8,62510 (t+273) може бути переведена в енергію у розрахунок на атом речовини, еВ/ат. Таблиця № Температура катода-мішені, °C Структура катоду За найближчим Титан, що штучно нагрітий аналогом Титановий катод з наявними 1 тріщинами Композитний титановий катод з 2 нещільним приляганням елементів Швидкість осадження, нм/с 882±50 120 900 130 1000 150 3 20 25 30 35 50 4 15 Ті-Al катод з щільно прилягаючими елементами Al і Ті Ті-Al катод з нещільно прилягаючими елементами 510 На підкладку іде осадження лише алюмінію Осадження інтерметаліду Ті-Al, 150 З таблиці видно, що підвищення температури катода-мішені, зокрема при використанні композитного катода з нещільним приляганням елементів (або локальним зменшенням перерізу проходження заряду) збільшує швидкість розпилення і осадження матеріалу катода навіть у порівнянні з звичайним рівномірним підігрівом катоду. Використання запропонованого способу дозволяє більш ефективно регулювати температуру мішені й одночасно уникати перегріву магнітної системи, розширити область використання катодів, що важко розпилюються за рахунок збільшення електропровідності керамік. Наявність додаткової енергії катода-мішені дозволяє підвищити ефективність процесу розпилення й регулювати напруженість магнітного поля в локальній області, при цьому сполучаючи переваги іонно-плазмового й магнетронного способу напилювання плівок. Відомо, що електропровідність й, як наслідок, робота виходу іонів для напівпровідників і діелектриків залежить від температури. Теплота сублімації металевих кристалів залежить від енергії активації самодифузії. В разі наявності на катоді різнорідних за формою (площиною прилягання до джерела заряду), хімічним та структурним складом елементів, їх заряд не буде однаковим та з часом виникає пробій (виникнення дуги) між елементами композитних катодів, або у внутрішньому просторі тріщин катода, як наслідок зростає його температура та ефективний коефіцієнт дифузії у деяких речовинах може на чотири порядки перевищувати "нормальний", при цьому пропорційно зростає ефективність розпилювання матеріалу катода або катода-мішені. Іншим варіантом дії технічного рішення є підвищення температури катода за рахунок зменшення ефективного перерізу проходження заряду між елементами катода. Наприклад, розпилення титанового сплаву з вмістом титану 99,999 % (ат), при наявності тріщин в матеріалі катода, збільшує швидкість осадження більш ніж в тридцять разів, порівняно із температурою розпилення 50 °C. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 Спосіб надання додаткової енергії катоду в процесі іонно-плазмового напилювання, що включає застосування у робочій камері катода, анода, магнітної системи з охолодженням, розпилення матеріалу катода за рахунок бомбардування його атомами газів або їх сумішшю при наданні катоду-мішені додаткової енергії у розрахунок на атом речовини згідно з формулою (0,1-1,1) k -5 Тпл, де Тпл - температура плавлення речовини мішені, K; k=8,62510 еВ/атK, при розпиленні матеріалу катода за рахунок бомбардування його атомами, що належать матеріалу катода, або 2 UA 90122 U іншими атомами газів та їх сумішшю, який відрізняється тим, що катоду-мішені додають додаткову енергію за рахунок утворення тріщин в матеріалі катода або застосуванням композитних катодів з нещільно прилягаючими елементами, або локальним зменшенням перерізу проходження заряду. 5 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3