SE431473B - Anordning for paforande av beleggningar i vakuum - Google Patents

Description

78134674; filmbeläggningar, som erhålles. De kända anordningarna för påföran~ de av beläggningar genom föràngning under vakuum får således ett begränsat användningsområde för páförande av skyddsbeläggningar av hög kvalitet på delar, vilka är avsedda att arbeta under extrema förhållanden, exempelvis under intensiva förslitningsförhállanden.

Anordningar för katodsprutning är vidare kända, vilka är baserade på sprutning av atomer av beläggningsmaterialet från en träffplåt, som bombarderas av joner av plasma av en elektrisk hjälp- urladdning, som alstras 1 en atmosfär av inert gas, med efterfölj- ande avsättning av sprutade (pulveriserade) partiklar pá ytan av ett substrat. Anordningarna för katodsprutning gör det möjligt att åstadkomma en högre joniseringsgrad för det arbetsmaterial, som skall sprutas, och att avsevärt öka partiklarnas energi. De belägg- ningar, som skall framställas medelst dessa kända anordningar, har tämligen hög kvalitet men filmens tillväxthastighet är vid pàföran- de av slitbeständiga beläggningar mycket låg och uppfyller icke de krav, som ställas på serietillverkning.

De kända anordningarna av dessa bada typer kan således icke effektivt användas industriellt vid serietillverkning vid páförande av slitbeständlga beläggningar med komplex sammansättning, exempel- vis beläggningar av nitrider, karbider, oxider, sulfider samt andra föreningar av metaller, exempelvis titan, molybden, krom, aluminium, etc.

På senare tid användes anordningar för pàförande av belägg- ningar under vakuum medelst källor för accelererade joner, vilka källor är baserade på generering av plasma av beläggningsmaterialet under en 1ågspänningsbågurladdning vid stora strömstyrkor vid elektro- magnetisk aooeleration av plasma i riktning mot ett substrat. Dessa kända anordningar gör det möjligt att inom vida gränser reglera viktiga parametrar, vilka karaktäriserar pàförandet av beläggningar under vakuum, dvs. Jonströmtätheten och partikelenergin. De belägg- ningar, som erhålles medelst dessa kända anordningar, har bättre kvalitet 1 jämförelse med kvaliteten av de genom vakuumföràngning framställda beläggningarna, medan beläggningsfilmens tillväxthas- tighet i regel är väsentligt högre än vid de kända anordningarna för pàförande av beläggningar genom katodsprutning.

En anordning för páförande av beläggningar under vakuum medelst en källa för aocelererade joner är känd, vilken anordning innefattar följande i en vakuumkammare anordnade konstruktionsele- 7815467-3 3 ment: dels en källa för aoeelererade joner, vilken innefattar koaxi- ella elektroder (en av beläggningsmaterialet framställd katod och en anod), ett organ för alstrande av en ljusbágurladdning vid stor strömstyrka mellan elektroderna och en koaxiellt med elektroderna anordnad elektromagnetspole, dels en plàtformad, under negativ potential stående substrathàllare och dels ett organ för inmatning av en reaktionsgas 1 vakuumkammaren.

Vid denna kända anordning inmatas reaktionsgasen 1 ojoni- serat tillstànd i vakuumkammaren, varvid den - genom att blandas med ett flöde av plasma av beläggningsmaterialet - gör plasmajoni- seringsgraden lägre. En låg plasmajoniseringsgrad gör det omöjligt att tillräckligt effektivt genomföra den plasmakemiska reaktionen vid pàförande av en beläggning med komplex sammansättning på sub- stratet. Det är känt, att den plasmakemiska reaktionens effektivitet, dvs. reaktionshastigheten och omsättningsgraden 1 arbetsrummet och vid kondensationsytan, beror på den potentiella energin i de i reak- tionsförloppet deltagande partiklarna. Ju högre exciteringsgraden för de partiklar, som skall pàföras substratets yta är, desto högre blir den plasmakemiska reaktionshastigheten respektive desto full- ständigare förlöper den plasmakemiska reaktionen. Den plasmakemiska reaktionens omsättningsgrad påverkar beläggningskvaliteten 1 synner- het beläggningens adhesions- och strukturegenskaper, medan den plasmakemiska reaktionshastigheten bestämmer tillväxthastigheten för den film, som skall pàföras substratytan. Beläggningens påför- ingshastighet och kvaliteten hos de beläggningar, som skall fram- ställas, står således i direkt samband med plasmapartiklarnas Joni- seringsgrad vid den tidpunkt, då plasmat påföres substratets yta.

Den praktiska erfarenheten vid användningen av denna kända anordning för pàförande av slitbeständiga filmbeläggningar har visat, att man med denna kända anordning icke kan uppnå den önskade höga Joniseringsnivån, varför man icke kan erhålla den optimala belägg- ningspàföringshastigheten och beläggningskvaliteten.

Ett syfte med föreliggande uppfinning är att eliminera dessa nackdelar.

Det huvudsakliga syftet med uppfinningen är att så för- bättra anordningen för påförande av vakuumbeläggningar medelst en källa för acoelererade joner, att man kan öka beläggningspåförings- hastigheten och förbättra kvaliteten hos de beläggningar, som skall framställas, genom ökning av Joniseringsgraden för plasmat i arbets- \'I 0.* -Jh OJ 42- G\ 7-3 I; rummet och vid substratets yta.

Detta uppnås medelst anordningen enligt föreliggande upp- finning, vilken utmärker sig av att substrathållaren är uppbyggd i form av en ihålig kropp, som har en enda öppen, mot källan för accelererade joner vänd ändyta, varvid substrathàllarens insida är anordnad att uppbära till substrathàllaren elektriskt kopplade substrat.

Substrathállaren är således anordnad att tillsammans med substraten bilda en konstruktionsenhet, som under anordningens arbetsförlopp alstrar den för en ihålig katod typiska effekten (den s.k. hálkatodeffekten). Elektroner, som hamnar i hålrummet i suhstrathàllaren stötes bort från den under potential med negativ polaritet stående substrathàllarens väggar, varigenom elektronerna oscillerar 1 detta hàlrum. Elektronernas fria löplängd blir avse- värt större, varigenom deras joniserande förmàga blir högre, vilket i sin tur ökar den totala Joniseringsgraden för plasmaflödet.

Det är lämpligt, att organet för tillförsel av reaktions- gasen är anordnat mellan substrathàllaren och källan för accelere- rade joner och uppbyggt i form av ett samlingsrör, som är försett med hål för direkt inmatning av reaktionsgasen i plasmaflödet.

Då reaktionsgasen införas i plasmastràlen, joniseras reak- tionsgasen genom att gasatomer stöter samman med plasmaflödespartik- lar med hög energi, vilket ökar gasens reaktionsförmåga.

Det är att föredra, att substrathållarens sidovägg är ihålig och att den bildar ett samlingshàlrum och är försedd med hål för tillförsel av reaktionsgasen över ett av samlingshålrummet begränsat parti, varvid samlingshålrummet och hålen i substrathàllarens sido- vägg är avsedda att fungera som tillförselorgan för reaktionsgasen.

Genom att potential med negativ polaritet från substrathàlla- ren överföras till samlingshàlrummet, joniseras reaktionsgasen i för- väg i substrathàllarens hâlrum innan reaktionsgasen införts i plasma- flödet, vilket i sin tur befrämjar en ytterligare ökning av plasma- Joniseringsgraden.

Uppfinningen beskrives närmare nedan under hänvisning till bifogade ritning, på vilken fig. 1 visar ett blockschema över anord- ringen för pàförande av beläggningar i vakuum enligt föreliggande uppfinning, fig. 2 visar ett kopplingsschema över anordningen en- ligt uppfinningen, och fig. 3 visar en utföringsform av en substrat- hållare.

Ufln i fia. l visade anordningen enligt uppfinningen för pa- r 1 00 ...b 6:1 Co. \'| l CH förande av heläggningar under vakuum innefattar en kammare 1, som är avgränsad av en huv 2 (rig. 1, 2), som är hermetiskt anordnad på en basplatta 5 via ett mellanlägg 4 (flg. 2) av gummi. Basplattan 3 är försedd med hål 5 för evakuering av kammarens l arbetsrum med- elst ett system av vakuumpumpar, vilket system exempelvis kan inne- fatta en pump för förberedande evakuering och en oljeàngdiffusions- pump för slutevakuering. Vid basplattans 3 insida är medelst en skruv 6 ett stödorgan 7 anordnat. På stödorganet 7 är medelst ett mellanlägg 9 av gummi anordnad en katod 9 (rig. l och 2), som är framställd av beläggningsmaterialet och har formen av en skiva med en övre ändyta 10, som utsättes för erosion under anordningens arbetsförlopp.

Stödorganets 7 (rig. 2) övre yta och katodens 9 undre änd- yta är anordnade att avgränsa ett hàlrum ll, som står i förbindelse med katodens 9 kylsystem, i vilket en kylvätska cirkulerar. PA bas- plattan 3 är koaxiellt med katoden 9 medelst lämpliga stödorgan, exempelvis skruvar 12, anordnad en ihålig ringformad anod 13 (rig. l, 9), som har formen av en stympad kon, vars toppyta är vänd mot kato- den 9. Anoden 13 kan framställas av beläggningsmaterialet eller något annat elektriskt ledande material. Under arbetsförloppet är katoden 9 kopplad till minuspolen hos en làgspänningskälla 14 för matning av en ljusbàgurladdning, medan anoden 13 är kopplad till källans 14 pluspol.

Kring katodens 9 sidoyta är med en viss spalt anordnad en elektrostatisk skärm 15, som är fäst vid basplattans 3 övre yta medelst elektriskt isolerande brickor 16 och skruvarna 12. Skärmen 15 är avsedd att förhindra att katodfläcken överföres till katodens 9 overksamma sidoyta.

På basplattans 5 överyta är koaxiellt med katoden 9 och anoden lö anordnad en elektromagnetspole 17, som under arbetsför- loppet är kopplid till en elektrisk strömkälla 18. Då matningsspän- ningen påtryckes olektromagnetspolen 17, alstras ett magnetfält längs en sträcka mellan elektroderna.

Anordningen innefattar vidare ett system för initiering av en ljusbånurladdning mellan katoden 9 och anoden 13, vilket system innefattar en rörligt anordnad tändßlektrod 19 (fig. 1), som kan hrinvas till kontakt med katodfln 9 och som via ett strömbegränsande motstånd 20 är kopplad till anoden 15, som är kopplad till pluspol- en hos làgspäningskällan 14 för matning av bägurladdningen. \1 UU -à o: -zs m w I o: Tändsystemet kan även vara uppbyggt på annat sätt.

Det ovan beskrivna koaxiella systemet, innefattande den kylda kacoden 9, ansden 13 och eiektromagnecspoien 17 (rig. 2), utgör i kombination med lågspänningskällan lüför matning av bågur- laddningen mellan elektroderna en källa för acoelererade joner av beläggningsmaterialet.

I kammaren l är mitt för källan för accelererade joner och koaxiellt med densamma anordnad en substratnållare 21 (fig. l och 2) som är avsedd att under arbetsförloppet kopplas till en högspännings- källas 22 minuspol. Substrathàllaren 21 är uppbyggd i form av en ihålig kropp, exempelvis en cylinder, vars ena närmast källan för acoelererade joner liggande ändyta är öppen, medan cylinderns bakre ändyta är tillsluten.

Under anordningens arbetsförlopp är vid substrathållarens 21 insida anordnade substrat 23 (fig. 2), som skall beläggas (exem- pelvis gängtappar, borrar, dragbrotschar, etc.).

I anordningens (fig. l och 2) vakuumkammare 1 är koaxiellt med källan för accelererade joner och substrathållaren 21 anordnat ett samlingsrör 24 för tillförsel av reaktionsgasen, som är förbun- det med en icke visad gaskälla. Samlingsrörets 24 väggar är försedda med hål 25, genom vilka reaktionsgasen direkt inmatas i ett flöde av det plasma, som alstras av källan för aoeelererade joner. ' I fig. 3 visas en andra utföringsform för anordnande av or- ganet för inmatning av reaktionsgasen, vid vilken gynnsammare för- hàllanden skapas för att öka plasmajoniseringsgraden. Organet för inmatning av reaktionsgasen är vid denna utföringsform utfört i ett stycke med en substrathállare 21 och utgöres av ett samlingsrum 26, som är utformat i substrathállarens 21 vägg koaxiellt med hàllaren 21'. Samlingsrummet 26 är förbundet med en icke visad källa för reaktionsgas (eller reaktionsgaser). Det av samlingsrummet 26 av- gränsade partiet av substrathållarens 21' sidovägg är försett med hål 27 för omedelbar tillförsel av reaktionsgaserna till substrat 23'. Det bör därvid påpekas, att substrathàllaren 21' och det i ett stycke med densamma utförda samlingsrummet 26 under anordningens arbetsförlopp är kopplade till högspänningskällans 22 (fig. 2) minuspol.

Anordningen enligt uppfinningen för påförande av beläggning- ar under vakuum fungerar på följande sätt. Kammaren 1 (fig. l och 2) evakueras tills ett tämligen lågt tryck, exempelvis ett tryck av Q g) i (2 I »Än CK I f få! 7 10"; Pa, alstrats. Via en speciell icke visad ventil inmatas i kamma- ren l inert eller reaktiv gas, som utgör brinnmediet för en glimur- laddning, Efter det att gasen införts i kammaren 1, är trycket i vakuumkammaren 1 lika med 1 Pa. Glimurladdningen initieras genom att en spänning av ca 1,5 kV från högspänningskällan 22 pàlägges mellan källan för aocelererade joner och substrathållaren 21. Glimurladd- ningsjoner bombarderar ytan av substrathållaren 21 med de i densamma anordnade substraten 25, varigenom man åstadkommer en s.k. Jonrening av substraten 23 i glimurladdningen och således iordningställer dem för páförande av beläggningen. Jonreningstiden beror på substratens föroreningsgrad. Högspänningskällan 22 innefattar en tyristorspän- i ningsregulator, som är kopplad till en icke visad högspänningstrans- formators primärlindning och som är avsedd att samtidigt förhindra att källan 22 genomflytes av en ström, som överstiger den tillåtna maximala strömmen. Under jonreningens initialfas har glimurladd- ningen benägenhet att övergå till bàgurladdning genom att ljusbag- fläck uppkommer vid förorenade ställen. Tyristorspänningsregulatorn är avsedd att i detta fall bortkoppla matningsspänningen för urladd- ningen och efter en kort tidsperiod återställa förloppet. Reningen anses vara avslutad, då glimurladdningen brinner stabilt under ett långt tidsintervall.

Sedan reningen avslutats, upphör inmatningen av inert gas i kammaren l, varvid trycket i densamma minskar till l0"3 Pa. Högspän- ningen bortkopplas, samtidigt som substrathàllaren 21 pålägges en potential med negativ polaritet, som kan variera mellan 50 och 200 V i beroende av beläggningsmaterialets slag.

Den i fig. l och 2 visade källan för accelererade joner fungerar pá följande sätt.

Mellan elektroderna 9 och 13 pàlägges potentialdifferensen från lágspänningskällan 14 för matning av bågurladdningen. Medelst tändelektroden initieras en bågurladdning mellan katoden 9 och anod- en 13, varvid katodens 9 ändyta 10 eroderas 1 de zoner, där vakuum- bàgens katodfläck ligger. Den elektrostatiska skärmen 15 är avsedd att förhindra att katodfläcken överföres till katodens 9 overksamma sidoyta. Erosionsprodukter från katoden 9 kastas 1 form av s.k. katodstrálar, med hög energi från katodfläcken, vilka katodstrålar innehåller mlkrodrnpp-, äng- och Joniserad fas. Det är av stor be- tydelse, att katoden 9 kyles effektivt under anordningens arbets- förlopp så, att man kan begränsa mängden mikrodroppfas i plasmaflö- 73ï3467-3 8 det, för vilket ändamål man bringar kylvätskan att intensivt cirku- lera via hàlrummet ll mellan kylstödorganet 7 och katoden 9.

Då elektromagnetspolen 17 inkopplas, pálägges ett yttre magnetfält över flödet av genererat plasma, vilket magnetfälts kraftlinjer är så riktade, att de korsar kraftlinjerna hos det elek- triska fältet fràn källan för accelererade joner. Dessa båda, varandra korsande fält verkar så, att elektronerna driver i sidled längs elektrodsträckan, varvid elektronernas livslängd blir avse- värt större och deras joniseringsförmàga göres högre, vilket resul- terar 1 en ökning av plasmajoniseringsgraden och jonenergin, samti- digt som plasmat accelereras i riktning mot substratet 23.

Då anordningen enligt uppfinningen användes för påförande av beläggningar med komplex sammansättning, inmatas en reaktionsgas eller blandning av gaser, exempelvis kvävgas, syrgas, acetylen, svavelväte, etc., i vakuumkammaren l (fig. 1) via samlingsorganets 24 hal 25. Reaktionsgasen införes direkt i plasmaflödet, där den joniseras genom sammanstötning mellan gasatomer och plasmaflödes- partiklar med hög energi, vilket ökar reaktionsgasens reaktionsför- måga . .

Plasmaflödet och reaktionsgasen strömmar in i hàlrummet i substrathàllaren 21, som är uppbyggd i form av en ihålig katod och som därigenom uppvisar alla de effekter, som är typiska för en sådan katod.

Elektroner, som i plasmaflödet införes i hàlrummet i mißtrat- hállaren 21, stötes bort från dess, under negativ potential stående väggar och måste oscillera i detta hålrum. Elektronernas fria löp- längd göres således avsevärt större, samtidigt som deras jonise- ringsförmàga blir högre. Detta resulterar i en ökning av den totala plasmajoniseringsgraden såväl i hålrummet som vid substratets 23 yta.

En ännu högre plasmajoniseringsgrad kan uppnås genom att inmata reaktionsgasen via samlingsrummets 26 hál 27 i substrat- hållarens 21' (fig. 3) sidovägg.

Reaktionsgasen från samlingsrummet 26 strömmar in i hål- rummet i substrathållaren 21' och tillföres direkt till substraten 23', som samtidigt matas med det plasmaflöde, som alstrats av käll- an för aoeelererade joner.

Den i samlingsrummet 26 befintliga reaktionsgasen jonise- ras även genom det pågående för hàlkatoden nämnda typiska förlopp- et. Reaktionsgasen införes således i joniserat tillstànd i plasma-

Claims (3)

ä1346/-s aa* . 9 flödet 1 närheten av substraten 23', vilket gör det möjligt att åstadkomma en tämligen hög plasmajoniseringsgrad. Anordningen enligt uppfinningen gör det möjligt att i hög grad öka beläggningens pàföringshastighet och förbättra dess kvali- tet, bl.a. dess adhesions- och strukturegenskaper. En viktig fördel med anordningen enligt uppfinningen är att denna gör det möjligt att påföra beläggningar på 1 förhållande till plasmafiödet "skuggade" partier av substrat utan användning av nagra organ för förflyttning (vridning) av substraten. PÄTÉNTKRÅV

1. Anordning för påförande av beläqgningar i vakuum, vilken inne- fattar en vakuumkammare (1), i vilken är koaxiellt anordnade en käl- la för accelererade joner, vilken innefattar koaxiella elektroder (en av beläggningsmaterialet framställd katod och en anod), ett or- gan för alstrande av en ljusbågurladdning vid stor strömstyrka mel- lan elektroderna och en koaxiellt med elektroderna anordnad elektro- magnetspole,och en substrathâllare (21, 21'), som står under poten- tial med negativ polaritet, samt ett i vakuumkammaren (1) anordnat organ för inmatning av en reaktionsgas, k ä n n e t e c k n a d a v at substrathâllaren (21, 21') är uppbyggd i form av en ihålig kropp, som har en enda öppen ändyta, som är vänd mot källan för ac- celererade joner, varvid substrathållarens (21, 21')insEb är anord- nad att uppbära till denna hållare elektriskt kopplade substrat (23, 23').

2. Anordning enligt patentkravet 'l, k ä n n e t e c k n a d a v att organet för inmatning av reaktionsgasen är anordnat mellan sub- strathållaren (21) och källan för accelererade joner, vilket organ är utformat som ett samlingsrör (24), som är försett med hål (25) för direkt inmatning av reaktionsgasen i plasmaflödet.

3. Anordning enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d a v att substrathållarens (21') sidovägg är ihålig och bildar ett sam- lingshålrum (26) samt försedd med hål (27) för inmatning av reak- tionsgasen över ett parti, som är avgränsat av samlingshålrummet (26), varvid samlingshålrummet (26) och de i substrathållarens (21') sidovägg upptagna hålen (27) fungerar som inmatningsorgan för reak- tionsgascn. l