Мозаичная мишень для ионно-плазменного магнетронного нанесения многокомпонентных пленочных покрытий и способ изготовления мишени

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МОЗАИЧНАЯ МИШЕНЬ ДЛЯ ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО МАГНЕТРОННОГО НАНЕСЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПЛЕНОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МИШЕНИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Вершина Алексей Константинович Агеев Виталий Александрович Копылов Андрей Владимирович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Мозаичная мишень для ионно-плазменного магнетронного нанесения многокомпонентных пленочных покрытий, содержащая плоскую матрицу, закрепленную на охлаждаемом основании, и размещенные на матрице в зоне эрозии мишени равномерно вдоль проекции силовых линий магнитного поля вставки, выполненные в виде концентрических колец или прямоугольных рамок из напыляемых разнородных материалов с обеспечением теплового и электрического контакта с основанием и/или между собой, отличающаяся тем, что количество вставок является числом нечетным со значением не меньше трех, Фиг. 1 13826 1 2010.12.30 причем одна вставка установлена в зоне максимальной эрозии мишени в области минимальной напряженности магнитного поля на поверхности матрицы и выполнена из материала с минимальным коэффициентом распыления, а остальные вставки расположены симметрично относительно первой вставки и выполнены из материалов с последовательным увеличением коэффициентов распыления. 2. Способ изготовления мозаичной мишени для ионно-плазменного магнетронного нанесения многокомпонентных пленочных покрытий по п. 1, при котором изготавливают элементы мишени и охлаждаемого основания, собирают элементы мишени и устанавливают ее на основание заподлицо, проводят распыление матрицы в магнетронной системе в течение 10-30 минут, в зоне максимальной эрозии матрицы выполняют выборку под вставку из материала с минимальным коэффициентом распыления, а симметрично ей выполняют выборки под вставки из материалов с последовательным увеличением коэффициентов распыления, после чего запрессовывают вставки элементов мишени. Изобретение относится к технологии тонких пленок и может быть использовано при изготовлении многокомпонентных пленочных покрытий для электронной, электротехнической, атомной, оптической и других отраслей промышленности. Метод магнетронного ионно-плазменного нанесения пленочных покрытий на различные изделия является одним из наиболее эффективных процессов нанесения тонких покрытий. Этот метод позволяет при относительно невысоких затратах получить разнообразные однородные пленки, имеющие прочное сцепление с подложкой и связанные с ней на молекулярном уровне. В настоящее время эта технология широко применяется для научных исследований и промышленных разработок при создании нового поколения легких и более долговечных изделий. Однако современное состояние развития ионно-плазменного магнетронного метода не позволяет расширить области его применения для изготовления многих видов изделий,используемых в различных областях техники. Эти ограничения обусловлены в основном относительно низкими скоростями напыления материала (до 5 мкм/час) и сложностью совместного напыления материалов с сильно различающимися коэффициентами распыления. При относительно невысоких удельных мощностях разряда, характерных для метода магнетронного распыления (плотность мощности разряда не выше 40 Вт на 1 см 2 площади поверхности распыляемой мишени в зоне ее максимальной эрозии), интенсивность распыления каждого компонента покрытия в значительной степени определяется коэффициентом его распыления, а соотношение масс компонентов покрытия в паровой фазе практически не поддается регулированию. Поэтому при использовании раздельного распыления нескольких мишеней с целью нанесения покрытий сложного состава возникают значительные технологические трудности, преодолеть которые позволяет применение мозаичных мишеней. Известна мозаичная мишень, выполненная в форме дисковой матрицы, состоящей из основного распыляемого компонента, в матрице выполнены отверстия, в которых размещены вставки из других материалов, составляющих заданную композицию химического состава покрытия 1. Образующие мозаичную мишень вставки и матрица собираются на одном охлаждаемом основании и прикрепляются к нему для лучшего электрического и теплового контакта путем приклеивания или пайки. Мишени такой конструкции в большинстве своем используются при получении многокомпонентных покрытий, если материалы матрицы и каждого вида мозаик имеют близкие значения коэффициентов распыления. Однако в случае составления мишени из материалов с существенно различающимися коэффициентами распыления задача формирования многокомпонентного покрытия значительно усложняется ввиду необходимости учета влияния большого числа факторов 2 13826 1 2010.12.30 процесса, в частности, значений коэффициентов распыления, изменения геометрии рабочей поверхности мишени в зоне ее интенсивной эрозии и др. Наиболее близким к заявляемому техническим решением является мозаичная мишень,реализующая способ ионно-плазменного магнетронного нанесения многокомпонентных пленочных покрытий и принятая за прототип, состоящая из выполненной в виде диска или прямоугольной пластины плоской матрицы, закрепленной на охлажденном основании, и размещенных на матрице в зоне эрозии мишени равномерно вдоль проекций силовых линий магнитного поля вставок, выполненных в виде концентрических колец или прямоугольных рамок из напыляемых разнородных материалов с обеспечением теплового и электрического контакта с основанием и/или между собой 2. Изготовление мозаичной мишени включает последовательное выполнение следующих этапов изготовление элементов мишени и охлаждаемого основания, сборку рабочих элементов мишени заподлицо, установку мишени на основании. Недостатком известной мозаичной мишени является то, что при ее распылении не обеспечиваются условия равноскоростного распыления разнородных материалов, гомогенного перемешивания их в потоке пара и равномерного осаждения компонентов на подложке в виде многокомпонентных покрытий. Обусловлено это тем, что известная мишень содержит вставки из напыляемых материалов, которые располагаются вдоль проекций силовых линий магнитного поля на поверхности мишени без согласования коэффициентов распыления материала вставок с распределением напряженности (остаточной индукции) магнитного поля в радиальном направлении зоны эрозии. Такая мишень имеет линейную неравномерность распределения по ее поверхности составляющих компонентов, что ограничивает ее возможности в плане варьирования состава и стехиометрии формируемых многокомпонентных покрытий. Кроме того, ресурс эксплуатации такой мишени ограничивается временем выработки центральной области зоны эрозии, что сказывается на производительности процесса напыления в целом. Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение равномерности распыления мозаичной мишени, производительности процесса напыления покрытий и увеличение времени эксплуатации мишени путем соотнесения свойств распыляемых материалов (коэффициентов распыления) со значением напряженности магнитного поля на поверхности мишени, что достигается размещением вставок из разнородных материалов в зоне эрозии матрицы в областях с различным уровнем напряженности магнитного поля. Поставленная задача решается тем, что в мозаичной мишени для ионно-плазменного магнетронного нанесения многокомпонентных пленочных покрытий, содержащей плоскую матрицу, закрепленную на охлаждаемом основании, и размещенные на матрице в зоне эрозии мишени равномерно вдоль проекции силовых линий магнитного поля вставки, выполненные в виде концентрических колец или прямоугольных рамок из напыляемых разнородных материалов с обеспечением теплового и электрического контакта с основанием и/или между собой, количество вставок является числом нечетным со значением не меньше трех, причем одна вставка установлена в зоне максимальной эрозии мишени в области минимальной напряженности магнитного поля на поверхности матрицы и выполнена из материала с минимальным коэффициентом распыления, а остальные вставки расположены симметрично относительно первой вставки и выполнены из материалов с последовательным увеличением коэффициентов распыления а также тем, что в способе изготовления мозаичной мишени для ионно-плазменного магнетронного нанесения многокомпонентных пленочных покрытий, при котором изготавливают элементы мишени и охлаждаемого основания, собирают элементы мишени и устанавливают ее на основание заподлицо, проводят распыление матрицы в магнетронной системе в течение 10-30 минут, в зоне максимальной эрозии матрицы выполняют выборку под вставку из материала с минимальным коэффициентом распыления, а симметрично ей 13826 1 2010.12.30 выполняют выборки под вставки из материалов с последовательным увеличением коэффициентов распыления, после чего запрессовывают вставки элементов мишени. Таким образом, предлагаемая конструкция мозаичной мишени обеспечивает снижение линейной неравномерности распределения составляющих ее компонентов, увеличение времени ее эксплуатации при одновременном повышении производительности процесса напыления многокомпонентных покрытий. Это позволяет сделать вывод, что заявленные технические задачи связаны между собой единым изобретательским смыслом. Предлагаемое минимальное количество вставок, равное трем, способствует, с одной стороны, возможности получения многокомпонентных покрытий с числом компонентов не менее четырех, а с другой стороны, увеличению ресурса работы мишени за счет размещения вставки с минимальным коэффициентом распыления в зоне максимальной эрозии матрицы. Кроме того, нечетное количество вставок обеспечивает более плавное выравнивание материалов вставок по коэффициенту распыления, что позволяет получить дополнительные средства для управления процессом формирования покрытий переменного состава. Основная сложность при изготовлении предлагаемой мозаичной мишени состоит в определении зоны ее эрозии и области максимальной выработки. Достигается это предварительным распылением матрицы в магнетронной системе, определением величины напряженности магнитного поля в радиальном направлении зоны эрозии и сборке мишени. Причем, как показали эксперименты, проведенные с большой номенклатурой материалов, используемых в качестве матрицы, явные очертания зоны эрозии появляются при длительности процесса распыления 10-30 минут в зависимости от свойств распыляемого материала матрицы. Пример конкретного исполнения. Изготавливали мозаичную мишень, которая предназначена для получения покрытия (, , ), обладающего низким коэффициентом трения и механическими свойствами, близкими к свойствам конструкционных сталей. Пояснения примера конкретного выполнения иллюстрируются графическими материалами,где на фиг. 1 показана фронтальная проекция мозаичной мишени, а на фиг. 2 - разрез этой же мишени. В качестве материала матрицы использовали титановую пластину толщиной 6 мм и 95 мм (1), в качестве материалов вставок - цирконий (3), углерод (4) и медь (5), имеющие коэффициенты распыления 0,85 0,24 и 2,1 соответственно. На матрицу со стороны нерабочей поверхности наносили в вакууме медный слой под пайку толщиной 10-15 мкм. После нанесения медного слоя эту поверхность лудили оловянным припоем и матрицу припаивали к медному основанию, представляющему собой медный лист толщиной 0,2 мм. Собранную таким образом мишень устанавливали в охлаждаемый водой корпус катода магнетрона над магнитной системой. Затем производили предварительное распыление мишени при рабочих режимах эксплуатации с целью выявления границ зоны эрозии (2). Предварительное распыление проводили при следующих технологических параметрах рабочее давление аргона - 0,6 Па напряжение распыления - 560 ток разряда - 6 А и время распыления - 20 мин. Обследование этой мишени показало, что ширина эрозионной зоны составляет 26 мм. Измерение напряженности магнитного поля по радиусу мишени, проведенное с помощью магнитометра РШ 1-10, позволило установить, что нулевая напряженность соответствует диаметру мишени 52 мм, а на краях зоны эрозии напряженность составила 10 мТ в направлении к периферии и 15 мТ в направлении к центру мишени. Затем в зоне максимальной эрозии была сделана выборка глубиной 4 мм и шириной 8 мм, а симметрично ей - две выборки тех же размеров с расстоянием между соседними выборками 1 мм. После этого в полученные пазы были запрессованы вставки из циркония, углерода и меди, причем указанная последовательность расположения вставок по радиусу мишени соответствовала распределению напряженности магнитного поля по ширине зоне эрозии. 4 13826 1 2010.12.30 При вышеуказанных параметрах производили распыление собранной мозаичной мишени в течение 40 минут. В результате были получены четырехкомпонентные покрытия состава со средней толщиной 6 мкм. Обследование мишени показало, что зона эрозии имеет равномерную выработку по радиусу мишени, составившую для всех вставок 0,04-0,06 мм. Покрытия аналогичного состава были получены также и по способу-прототипу. Была изготовлена мозаичная мишень с титановой матрицей, в которой располагались вставки из циркония и меди. Ее распыление проводили в среде ацетилена при тех же параметрах, что и заявляемую мишень. В результате сформированы покрытия со средней толщиной 4 мкм,а выработка мишени оказалась неравномерной и составила 0,1 и 0,12 для циркония и меди соответственно. В результате проведенных металлографических, электронно-микроскопических и рентгеновских исследований установлено, что при использовании заявляемого устройства имеет место формирование покрытий, состоящих из нанокристаллов с размерами около 5 нм из нитридов титана и циркония (, ), которые обволакиваются тонким слоем аморфной фазы с толщиной прослойки около 2 нм из соединений, содержащих углерод(карбиды либо алмазоподобную фазу). Считается, что в материалах с нанокристаллической структурой процессы разрушения происходят не по дислокационным механизмам(двойникование, скольжение дислокаций, зернограничное и др.), а осуществляются путем разрыва межатомных связей с высокими энергетическими барьерами, характерными для соединений типа нитридов, карбидов 3. По-видимому, этим механизмом, а также гетерофазностью и объясняется высокая износоустойчивость напыленных с помощью заявляемого устройства покрытий, использованных при упрочнении лезвийного инструмента для металло- и деревообработки. Таким образом, использование предлагаемой мишени и способа ее изготовления позволяет повысить равномерность ее распыления, производительность процесса нанесения многокомпонентных покрытий с числом компонентов не менее 4-ех и увеличить продолжительность эксплуатации мишени. Источники информации 1. Заявка 1-75673, МПК 23 14/34, 1989. 2. Патент 2210620, МПК 23 14/35,01 23/05, 2003 (прототип). 3. Решетняк Е.Н., Стрельницкий В.Е. Синтез упрочняющих наноструктурных покрытий // ВАНТ.- 2008.-2.- С. 119-130. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5