複雑な加工物表面へのマグネトロンスパッタリングコーティングの均一制御

- Mar 28, 2019-

複雑な工作物表面上のマグネトロンスパッタリングコーティングの均一制御

 

本稿では、複雑なキャビティを有する工作物表面のフィルムコーティング機構と技術的特性を紹介した。 ターゲット材料の不均一な消費、凹状のエロージョンリング、複雑な工作物の被覆プロセスにおける不均一で緻密な膜厚などの問題を目的として、 実験で は回転円柱マグネトロンスパッタリングターゲットを使用した コーティング機の異なる位置に複数のターゲットおよび材料を設置した。 ターゲットは指向性コーティングの必要性を実現するために自由に回転することができます。 マルチマグネトロンスパッタリングターゲットを使用し、真空コーティングチャンバのプラズマ密度を向上させるために、アンバランスマグネトロンスパッタリングカソードターゲット構造改善の補助磁場を設定し、スパッタリングアーティファクトバイアス電流堆積コーティングなどを向上させる。複雑な形状とワークピース表面のメッキ厚均一、緻密で連続的な機能性複合フィルム上の内部キャビティの構造で、同じ平面で。

 

真空表面マグネトロンスパッタリングフィルム技術の工作物表面コーティング処理でも行われていたように、エッジおよびキャビティ表面コーティングよりもはるかに複雑な化学メッキ技術は、現在国内外で行われて いる。規則や単一または複合膜の準備の平らな表面、および機械、電子、エネルギー、材料、情報 、航空宇宙、その他の分野、切削工具、ハードウェアツール、携帯電話、ノートパソコンなどのコンクリートで 広く使用されてい ます真空成膜技術の特性のために、複雑なワークピースの表面上でのスパッタリング成膜プロセスの膜厚、均一性および結合力を制御することは困難であり複雑である。 機械製造業の急速な発展に伴い、工作物の表面コーティング技術の応用範囲は、切削工具から精密スタンピングダイ、航空宇宙部品および電子アクセサリープラグインまで拡大しています。 TiAlCN、AlCrN、TiSiN、ダイヤモンド様層などの新しい高性能フィルム層が出現し続けており、それはダイの耐用年数および機械加工効率を改善する。 複雑な工作物の表面にマグネトロンスパッタリングコーティング技術の均一制御を研究することは非常に重要です。

 

マグネトロンスパッタコーティングのメカニズムと技術的特徴

 

1.1マグネトロンスパッタリングコーティングメカニズム

 

マグネトロンスパッタリングの作用メカニズムは、電界Eの作用下で、電子が基板に飛ぶ過程でアルゴン原子と衝突し、陽イオンArと新しい電子をイオン化することである。 新しい電子が基板に飛翔し、Arイオンが電界の作用で陰極ターゲットに加速し、ターゲット表面に高エネルギーで衝撃を与え、ターゲットが 飛散します。 スパッタリング粒子では、中性のターゲット原子または分子が基板上に堆積されて薄膜を形成し、生成された二次電子が電場および磁場の影響を受けて、その移動軌跡がサイクロイドに類似するEBドリフトを生じさせる。 電子はターゲット表面上を円運動しながら動き、ターゲット表面上のプラズマ領域に束縛される。 この領域では、ターゲットに衝突するために多数のArイオンがイオン化され、それによって高い堆積速度が達成される。 衝突数の増加に伴い、二次電子のエネルギーが消費され、それらはターゲット表面から徐々に移動し、最終的に電界Eの作用下で基板上に堆積します。マグネトロンスパッタリングは、入射粒子とターゲット それは複雑な散乱過程とターゲット原子の衝突を通してターゲット原子にいくらかの運動量を渡します。 ターゲット原子は他のターゲット原子と衝突してカスケードプロセスを形成する。

 

1.2技術的応用の特徴

 

マグネトロンスパッタリングは、減圧下での高速スパッタリングプロセスです。 ガスのイオン化率は効果的に高められなければならない。 ターゲットカソードの表面に磁場を導入し、荷電粒子に対する磁場の制約を使用してスパッタリング速度を高めることによってプラズマ密度を高めることができる。

 

マグネトロンスパッタリングでは、ローレンツ力による磁場中の電子の移動、それらの軌道は曲げられ、さらには螺旋運動、運動経路を生じさせ、従って作動ガスとの衝突数を増加させ、プラズマ密度が増加し、従ってマグネトロンスパッタリング速度は非常に大きい。改善され、そして低いスパッタリング電圧および空気圧下で作用することができ、膜汚染の傾向を減少させる。 同時に、基板表面に入射する原子エネルギーが増加するので、膜質を大幅に改善することができる 繰り返しの衝突によりエネルギーを失った電子は、アノードに到達し、低エネルギー電子になるので、基板は過熱しません。 したがって、マグネトロンスパッタリングは、「高速」および「低温」という利点を有する。マグネトロンスパッタリングコーティングの欠点は、それが絶縁体膜を調製することができず、マグネトロン電極に使用される不均一磁場がターゲットの著しい不均一エッチングを引き起こすことである。マグネトロンスパッタリングターゲットの利用率は、マグネトロンスパッタリング源の工学設計および製造プロセスのコスト計算にとって重要なパラメータである。ターゲット材料の利用率を改善するために、回転磁場円筒ターゲットが主ターゲットであり産業で広く使用されている中で、種々の形態の動的ターゲットを研究した。そのようなターゲット材料の利用率は70%と高かった。一般的なマグネトロンスパッタリングターゲットは幾何学的形状から3つのタイプに分けることができます:長方形の平面ターゲット、円形の平面ta 円筒形ターゲット

 

複雑なキャビティを有する加工物の表面上のスパッタリングコーティングの均一制御

 

2.1既存の技術的問題

(1)陰極ターゲットは平面スパッタリングであり、これは不均一な磁場成分によって引き起こされる局所的な強力なスパッタリングによって引き起こされ、ターゲットの不均一な消費および凹状の侵食リングをもたらす。 (2)加工物の表面が多層のフィルムで堆積され、被覆されており、そして底部層とフィルム層との間の結合強度が均一ではなく堅い。 同時に、異なる成分のスパッタリング現象およびフィルム層のスパッタリング防止効果があり、フィルム層とターゲットの組成に大きな違いをもたらす。

 

2.2テクニカル分析と科学的概念

(1)複数の縁部および角度および複数のキャビティを有する加工物表面を堆積し、複数のフィルム層で被覆する。 回転円柱形マグネトロンスパッタリングターゲットを採用することを計画しており、そして多数のターゲットおよび材料がコーティング機の異なる位置に設置されている。 ターゲットは指向性コーティングの必要性を達成するために自由に回転することができます。 (2)複数のマグネトロンスパッタリングターゲットと補助磁場を設定して、不均衡マグネトロンスパッタリングカソードターゲットの構造を改善し、真空コーティングチャンバ内のプラズマ密度を改善し、さらにスパッタリングワークピースのバイアスフローを改善して蒸着とコーティングを達成した。 (3)平面スパッタリングカソードターゲットの不均一磁場成分がターゲット内に凹状の侵食リングを生成する。 それは、基板上へのスパッタリングにおいて複雑なワークピースの等方性内部応力を達成し、そして緻密で連続的で均一なフィルムを組み合わせるために磁場分布を変えることを意図している。

 

2.3実験方法とテクニカルルート

2.3.1実験材料

 

実験には6ステーションマグネトロンスパッタリング装置を使用した。それは主に真空取得システム、真空検出、真空炉、陰極マグネトロン、ガス入力システムおよび電源から構成されていた。 物理蒸着PVDマグネトロンスパッタリングプロセスを使用した。 カソード材料:Ti、TiN、TiAlN、被覆Ti、TiN、TiN、TiAlN多元素多層膜。

 

2.3.2フィルム層の品質検出(表1)

2.3.3実験方法

 

ワークピースの複合表面スパッタリングフィルムは、スパッタリングイオンプレーティングによって調製された。 複雑な工作物被覆の技術的問題を解決するために、以下の実験的研究が行われた。

 

(1)カソードターゲットは平面スパッタリングであり、不均一な磁場成分によって引き起こされる局所的な強いスパッタリングは、不均一なターゲット材料消費をもたらす。 磁場の形状と分布を改善し、磁石を陰極の内側に移動させ、シールドを設定するなどの手段により、基板上に複数のエッジと角度および複数のキャビティのスパッタリングによるワークピースのフィルムコーティングが可能になる。等方性内部応力、およびフィルムはコンパクト、連続的かつ均一です。 バランスのとれたスパッタリングターゲットの構造は主に外側の磁性鋼、中央の磁性鋼と磁極ブーツで構成されています。

 

(2)ターゲット材料とターゲットの構造的要求を達成するために複数のエッジと角度と複数のキャビティを持つ複雑な工作物の表面コーティング上のスパッタリングの要件に従って、回転式円柱マグネトロンスパッタリングターゲットを採用した。 異なる加工物条件に従って、磁気構造またはスパッタ構造を有するスパッタターゲットを使用した。 ジャイロシリンダーマグネトロンターゲットはターゲット管表面直交電磁場内の管の表面上のターゲット管平行および垂直ターゲット電界成分の周りの磁界の使用であり、堆積チャンバの中心にターゲットを設置する。約360°方向のスピンコーティングへ。 円筒形マグネトロンスパッタリングターゲットは、コーティングチャンバの側面に取り付けられている。 指向性コーティングの必要性を満たすために、コーティングプロセスの間、ターゲットチューブは連続的に回転します。

 

(3)異なる成分の選択的スパッタリング現象、フィルムのアンチスパッタリング速度および付着力は異なり、これはフィルムと標的成分との間に大きな違いをもたらすであろう。 適切なプロセス条件の選択は、フィルムに対するアンチスパッタリング効果を最小にするだろう。

(4)多重マグネトロンスパッタリングターゲットを使用し、コーティング室内に補助磁場を設定することは、ターゲットとターゲットとの間にターゲットの前に磁場分布がない限り、および補助磁場効果を設定することによって閉じた磁場を構成する。互いに他の架橋効果を形成し、プラズマ密度を増加させ、アーティファクトをドリフトさせ、それによりワークピースのより多くのエッジおよびキャビティが堆積コーティングの目的を達成するようにする。 イチジク。 図1は、4つの非平衡マグネトロンスパッタリングターゲットによって形成された閉じた磁場と補助磁場の概略図を示す。

 

2.4実験結果と考察

2012年12月から2013年2月まで、小型スタンピングダイワークピースおよび通信装置の表面上でそれぞれスパッタリングコーティング試験を実施した。小型スタンピングダイワークピースのTiNサンプル試験結果:フィルム外観は良好、亀裂なし、膜厚1μm 〜5m;フィルムの均一性は5%未満;小孔率; 2000HVまでのフィルム硬度;高い接着強度;強力な接着、射出層の剥離なし;優れた耐食性、耐熱性および耐摩耗性;等方性良好。材料粒子のイオン化率は75%〜95%です。成膜速度は制御可能です(2.0〜2000)nm / s;成膜速度(2〜13)m / h。通信装置の表面上の複合膜の結果もまた期待される効果に達した。それは複数のエッジと角度と複数のキャビティを有する加工物表面上のマグネトロンスパッタリングコーティングの均一制御対策を研究することは実現可能である。

 

IKS PVD、ツール、モデル、装飾用、光学コーティング技術、今私達と連絡、iks.pvd @ foxmail.com

微信图片_20190321134200